巖溶區(qū)土層厚度對土壤微生物生物量的影響——以貴陽市花溪區(qū)為例

周 瑋，蘇春花，嚴 敏，李 玲

(貴州民族大學化學與科學學院，貴州 貴陽 550025)

巖溶區(qū)土層厚度對土壤微生物生物量的影響——以貴陽市花溪區(qū)為例

周 瑋，蘇春花，嚴 敏，李 玲

(貴州民族大學化學與科學學院，貴州 貴陽 550025)

采用野外挖掘土壤剖面及室內分析方法，將貴陽市花溪區(qū)喀斯特地區(qū)石灰?guī)r和白云巖發(fā)育的土壤分為薄 (<40 cm)、中(40～90 cm)和厚(>90 cm)3種類型，研究不同土層厚度下土壤微生物生物量C、N、P的含量及土壤養(yǎng)分含量。結果表明：黔中喀斯特地區(qū)隨著土層厚度的增加，土壤的微生物生物量C、N、P的含量逐漸增加；在同等土層厚度下石灰?guī)r發(fā)育的土壤微生物生物量N、P含量明顯高于白云巖發(fā)育的土壤，而微生物生物量C的含量則正好相反；相關性分析表明土壤pH值對微生物生物量C、P含量有顯著影響，土壤全P含量對微生物生物量P有極顯著影響。

土層厚度；微生物生物量；喀斯特地區(qū)

喀斯特山區(qū)由于特殊的氣候條件和長期的巖溶作用，使得該地區(qū)土層較薄[1]，土層厚度是指從土壤表層到巖石層的垂直深度[2]，可以表征土壤中水分、養(yǎng)分的變化，影響地上植被的生長[3]，是一個包含了多種土壤屬性的綜合性因子。特別是在土層淺薄的喀斯特地區(qū)，土層厚度可以表示土壤侵蝕的變化[4]。目前國內對土層厚度的研究主要集中在土層厚度的尺度的空間變異[5-6]、土層厚度的野外調查方法的探討[7-11]以及土層厚度對樹木生長的影響[12-14]等方面，而對不同土層厚度下土壤性質的研究較少，特別是土壤的生物學性質方面，而對喀斯特地區(qū)不同土層厚度下土壤性質的研究目前還未見報道。

土壤微生物生物量是活的土壤有機質部分(不包括活的植物體如植物根系等)[15]，其變化程度會直接影響土壤養(yǎng)分循環(huán)和有效性[16]，多少還反映了土壤同化和礦化能力的大小，是表征退化喀斯特植被恢復過程中土壤質量的重要特征之一[17]。研究土壤微生物生物量對了解土壤養(yǎng)分含量、土壤養(yǎng)分循環(huán)和有效性、土壤肥力以及土壤質量都有重要意義，因此本文選擇貴州省貴陽市花溪區(qū)喀斯特地區(qū)主要的2種巖石類型(石灰?guī)r和白云巖)發(fā)育的土壤作為研究對象，研究在不同的土層厚度(薄土、中土、厚土)下土壤的微生物生物量的變化，探究土層厚度對土壤中微生物生物量的影響，揭示不同土層厚度下土壤中養(yǎng)分有效性及循環(huán)變化過程，為治理喀斯特地區(qū)石漠化、改善喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境提供參考。

1 研究地選擇與土樣采集

1.1研究地概況

試驗地選在貴州省貴陽市的花溪區(qū)(106°27′—106°52′E、26°11′—26°34′N)，屬于典型的亞熱帶季風氣候，雨熱同期，年均氣溫為14.9 ℃，年均降水量1229 mm(夏季雨水充沛)。在研究區(qū)域內選擇花溪水庫(其土壤由石灰?guī)r發(fā)育形成)和貴州大學南校區(qū)(土壤由白云巖發(fā)育形成)作為研究對象，研究區(qū)內的灌叢主要有火棘(Pyracanthafortuneana)、野薔薇(RosamultifloraThunb)、莢迷(ViburnumdilatatumThunb)、鼠李(RhamnusavuricaPall)、小葉女貞(LigustrumquihouiCarr.)等，草本植物主要有白蒿(HerbaartimisiaeSieversianae)、蚊子草(FilipendulapalmataMaxim.)、黑蒿(ArtemisiapalustrisLinn)、蛇莓(Duchesneaindica)、野地瓜藤(CaulisficiTikouae)、鬼針草(BidenspilosaL.)、附地菜(Trigonotispeduncularis)等。

根據(jù)前期對貴州省普定縣喀斯特地區(qū)石灰土(包括白云巖及石灰?guī)r發(fā)育土壤)土層厚度的全面調查，并進行聚類分析的結果，根據(jù)土層厚度(從土壤表層到巖石)變化將土壤劃分為薄土(<40 cm)、中土(40～90 cm)、厚土(>90 cm)。

1.2土壤樣品采集

分別在花溪水庫、貴州大學南校區(qū)挖掘土壤剖面，從土壤表層到巖石層測量土壤厚度，按照薄土、中土、厚土的土層厚度選擇樣地，每種類型樣地3個重復，在每個樣地內按照5點采樣法采集土樣，每個樣地3個重復，每個重復分2袋進行收集：1袋帶回室內自然風干，過2 mm及0.25 mm篩，供土壤養(yǎng)分含量分析用，1袋直接放入冰箱，冷藏保存，供土壤微生物生物量測定使用。具體土樣基本情況見表1。

表1 樣地基本情況

2 研究方法

2.1土壤樣品測定方法

土壤微生物生物量測定參考文獻[18]：土壤微生物量C采用熏蒸提取-容量分析法，土壤微生物量N采用熏蒸提取-茚三酮比色法，土壤微生物量P采用熏蒸提取-全P測定法，土壤化學性質測定參考文獻[19]：土壤有機C測定采用硫酸-重鉻酸鉀外加熱法，堿解N測定采用擴散法，速效P測定采用鉬銻抗比色法，pH值采用pH計法。

2.2數(shù)據(jù)處理

本文采用Microsoft Office Excel 2003軟件及SPSS 13.0對數(shù)據(jù)進行整理及統(tǒng)計分析。

3 結果與分析

3.1不同土層厚度下土壤養(yǎng)分含量

2種母巖發(fā)育土壤中不同土層厚度的有機質及養(yǎng)分含量的變化情況見表2。從表2可以看出白云巖發(fā)育的土壤速效養(yǎng)分及有機質含量明顯高于石灰?guī)r發(fā)育的土壤，其中堿解N的差異最為明顯，平均相差55 mg·kg-1。不同的土層厚度下2種巖石發(fā)育的土壤有機質都表現(xiàn)為隨著土層厚度的增加含量逐漸增加；速效K、速效P的含量則是中土最高、薄土最低；堿解N的含量隨著土層厚度的增加呈降低的趨勢。從以上分析可以看出，在<40 cm的薄土層中土壤有機質及速效P、速效K含量都較低，而速效N的含量則最高，說明隨著巖溶地區(qū)水土流失的加劇，土壤從薄土到厚土的遷移過程中，C、P、K元素的遷移能力最強，而N元素則是在薄土層中大多數(shù)有機態(tài)的N轉化成了利用率高的無機態(tài)的N元素，促使薄土層N元素的流失。白云巖發(fā)育的土壤pH值略高于石灰?guī)r發(fā)育的土壤，均表現(xiàn)為中性偏堿性。

表2 不同土層厚度下的養(yǎng)分含量

3.2不同土層厚度下土壤微生物生物量

圖1 不同土層厚度下土壤微生物量C含量

3.2.1 微生物量C 土壤微生物量C是組成土壤微生物生物量的重要成分之一，是土壤中微生物體內所有C的總和[20]，其含量變化會影響土壤的很多特性，如土壤肥力程度、土壤的養(yǎng)分等，是土壤有機碳庫中比較活躍的部分，與土壤中CO2氣體的排放有明顯的關系。石灰?guī)r及白云巖發(fā)育土壤的微生物量C在不同的土層厚度下的變化情況見圖1，從圖1可以看出，石灰?guī)r及白云巖發(fā)育的土壤，隨著土層厚度的增加，土壤中微生物量C的含量逐漸增加。石灰?guī)r發(fā)育的土壤土層厚度<40 cm的薄土層中微生物量C含量最低，為179.9 mg.kg-1；厚度90 cm以上的厚土層中微生物量C含量最高，為331.5 mg.kg-1。而白云巖發(fā)育的土壤微生物量C則在所有土層中明顯低于石灰?guī)r發(fā)育的土壤，這是因為白云巖發(fā)育的土壤總的土層比較淺薄，在研究區(qū)域內土壤厚度<80 cm，并且土壤松散，石礫含量較高，土壤的通氣透水性能較好，因此土壤的溫度變化較大，水分不容易保存，這樣的環(huán)境條件不利于微生物的生長及發(fā)育。

圖3 不同土層厚度下土壤微生物量P的含量

3.2.2 微生物量N 土壤微生物量N是指土壤中微生物體內所有N素的總和。土壤N素主要是由土壤有機質中的N所決定的，植物所吸收的N素營養(yǎng)亦主要來源于土壤有機態(tài)N，土壤微生物中的N是土壤有機態(tài)N的組成部分[21]。從圖2可以看出，隨著土層厚度的增加，土壤中微生物生物量N的含量呈增加趨勢，白云巖發(fā)育的土壤薄土與中土的微生物生物量N的含量變化不大，僅相差0.39 mg·kg-1；石灰?guī)r發(fā)育的土壤厚土中微生物生物量N含量最高，為3.48 mg·kg-1，明顯高于薄土和中土，薄土和中土含量較低，分別為0.66、0.74 mg·kg-1，低于白云巖發(fā)育土壤中同等土層下的含量。

3.2.3 微生物量P 土壤微生物量P是指所有活體微生物中所含的P，植物的有效P主要來源于土壤的微生物量P[22]。從圖3可以看出，2種巖石發(fā)育的土壤微生物量P隨著土層厚度的增加含量逐漸增加，薄土中含量最低，厚土中含量最高，與微生物量C及微生物量N的變化趨勢一致。且白云巖發(fā)育土壤的微生物量P的含量在各土層厚度下均高于石灰?guī)r發(fā)育土壤的含量。石灰?guī)r發(fā)育土壤中薄土與厚土之間微生物量P含量相差0.19 mg·kg-1。

3.3土壤微生物生物量與土壤化學性質的關系

土壤化學性質與微生物生物量的相關性分析見表3。從表3可以看出，土壤中微生物量P與土壤全P含量呈極顯著正相關關系，有機質與速效P及堿解N呈極顯著或顯著正相關關系，微生物量C、P與pH值呈顯著相關關系，微生物量N與微生物生物量C呈正相關關系，其他相關關系則不明顯。從分析結果可知，微生物生物量P與土壤中全P的含量極顯著相關，說明土壤中全P的含量對微生物量P的含量影響較大；pH值對生物量C及微生物量P都有明顯影響，因為土壤中微生物的生存、繁殖都受pH值影響，pH值是影響微生物特性的關鍵因子之一。

表3 土壤化學性質與微生物生物量的相關性分析

*：**為差異極顯著；*為差異顯著。

圖4 土壤中微生物量C、N、P分別占SOC、TN、TP的百分比

從圖4可以看出微生物量C、N、P僅占土壤中有機C(SOC)、全N(TN)、全P(TP)的很少部分，但它是土壤C、N、P元素中比較活躍的部分，對土壤元素的循環(huán)有很重要的作用，可以表征土壤中元素的變化及轉移。石灰?guī)r發(fā)育土壤中微生物量C占土壤中有機C的比例較多，白云巖發(fā)育土壤則相對較少。石灰?guī)r及白云巖發(fā)育土壤中微生物量P占土壤中全P的比例較少，僅占0.004%～0.015%，說明土壤中通過微生物作用轉化的P元素的含量比較少，C、N元素較多，因為土壤中P主要以固定態(tài)形式存在，土壤中P素多，但植物可利用的少，通過微生物同化的更少。

4 結論與討論

本文選擇黔中喀斯特地區(qū)碳酸鹽巖發(fā)育形成的土壤在不同的土層厚度下的土壤微生物生物量進行研究，探討喀斯特地區(qū)不同的土層厚度下土壤中養(yǎng)分的變化情況，研究結果如下。

1)黔中喀斯特地區(qū)隨著土層厚度的增加，土壤的微生物量C、N、P的含量逐漸增加。Allison等[23]發(fā)現(xiàn)，微生物總生物量隨厚度下降。Ilieva-Makulec[24]發(fā)現(xiàn)，隨著土壤厚度的增加，線蟲總數(shù)和種類多樣性減少。說明土層厚度的變化對土壤中的微生物及微生物生物量有明顯影響，土層變薄對土壤的生物學特性有明顯制約作用，這與本研究的結果一致。且目前國內外有很多研究[12-14，25]證明土層厚度逐漸變薄，對地上生長的植被有明顯的制約作用，表現(xiàn)出明顯的地上生長不良現(xiàn)象，這一方面是由于土層淺薄對植物的根系生長不利或扎根不良[26]，另一方面也證明土層厚薄對土壤中的養(yǎng)分轉化有影響，從而影響了植物對土壤養(yǎng)分的吸收作用。且根據(jù)對微生物生物量占土壤中營養(yǎng)物質的百分比的分析可以看出，隨著土層厚度的增加，土壤中微生物生物量的含量在土壤中所占的比例逐漸增加，這也說明土壤隨著土層厚度的增加，土壤養(yǎng)分的同化及礦化作用增強，地上植物能吸收利用的量逐漸增加。

2)在同等厚度下石灰?guī)r發(fā)育的土壤微生物量N、P含量明顯高于白云巖發(fā)育的土壤，而微生物量C的含量則正好相反，白云巖發(fā)育的土壤中的含量低于石灰?guī)r發(fā)育的土壤。微生物量N、P的含量在石灰?guī)r發(fā)育的土壤中所占的含量低于白云巖發(fā)育的土壤。通過相關性分析可以看出，土壤的pH值對微生物量C、P有顯著影響，對微生物量N影響不顯著。土壤全P含量對微生物量P有極顯著影響，這與盧曉強等[27]的研究結果有差異，盧曉強等的研究結果表明：除了K、Na和交換性Na+外，土壤微生物量與其他養(yǎng)分元素均呈現(xiàn)顯著的正相關關系。

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EffectsofSoilThicknessontheMicrobialBiomassofKarstArea—A case study of Huaxi district in Guiyang

ZHOUWei，SUChunhua，YANMin，LILing

(ChemicalandEnvironmentalcollegeofGuizhouMinzuUniversity，Guiynag550025，Guihzou，China)

The method is investigation and sampling in the field and the laboratory analysis.We studied the soil microbial biomass and soil fertilization under thin soil，middle soil and thick soil in Huaxi district of Guiyang.The results showed that the content of microbial biomass carbon，nitrogen，and phosphorus gradually increased with the soil thickness increasing.The content of microbial biomass nitrogen and phosphorus in the soil developed from limestone is significantly higher than that from dolomite under same soil layer.The microbial carbon is the opposite.The result of correlation analysis showed：pH value has significant effect on the microbial biomass carbon and phosphorus，the total phosphorus content has a significant effect on microbial biomass phosphorus.

soil thickness；microbial biomass；karst

10.13428/j.cnki.fjlk.2017.03.007

2016-12-23；

： 2017-03-14

貴州省科技廳、貴州民族大學聯(lián)合基金項目(黔科合LH字[2014]7382)；貴州民族大學引進人才項目(校引才科研[2014]04號)

周瑋(1982—)，女，貴州盤縣人，貴州民族大學化學與科學學院副教授，從事土壤生態(tài)研究。E-mail：605466767@qq.com。

S714.3

： A

： 1002-7351(2017)03-0038-05