森林土壤微生物生物量研究進展

徐慧博，喬紅娟，雷茵茹*

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院濕地研究所，北京 100091；2.濕地生態(tài)功能與恢復(fù)北京市重點實驗室，北京 100091；3.北京漢石橋濕地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，北京 101399；4.中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所，北京 100091)

土壤微生物生物量(microbial Biomass，MB)是近40年來興起的研究領(lǐng)域。人類最早研究土壤微生物生物量是從平板記數(shù)法開始。早期對土壤微生物生物量的研究使人們認識到土壤微生物生物量是土壤微生物群落和植物可利用的不穩(wěn)定的能量和營養(yǎng)物的來源，并且具有極高的靈敏性，是反映土壤質(zhì)量、人類干擾以及土地利用變化最敏感的指標之一。隨著全球變暖趨勢逐漸明顯，土壤微生物生物量在有機質(zhì)的分解、土壤溫室氣體釋放的土壤過程和全球碳循環(huán)中的作用已經(jīng)成為全球氣候變化研究的重要內(nèi)容之一[1]。

目前，研究土壤微生物生物量的動態(tài)變化已經(jīng)變得越來越熱門，森林土壤微生物生物量的動態(tài)變化也已有不少研究，但大多只涉及表面現(xiàn)象，對變化規(guī)律和調(diào)控機理的研究較為缺乏。鑒于此，筆者綜述了土壤微生物生物量的測定方法，以及土壤微生物量的變化和影響因素。在此基礎(chǔ)上，展望了今后森林土壤微生物生物量的研究。

1 土壤微生物生物量及其測定方法

土壤微生物生物量指土壤中體積小于5×103/μm3的生物總量，但活的植物體如植物根系等不包括在內(nèi)，它是活的土壤有機質(zhì)部分。土壤微生物生物量是土壤養(yǎng)分的儲存庫和植物生長可利用養(yǎng)分的重要來源，與微生物個體數(shù)量指標相比，更能反映微生物在土壤中的實際含量和作用潛力，因而具有更加靈敏、準確的優(yōu)點，而且森林土壤微生物量C比其他有機C、N對土壤質(zhì)量和植被種類變化的反應(yīng)更直接和敏感，已成為近年來國內(nèi)外土壤學(xué)研究的熱點之一[2]。

微生物生物量的測定最早采用的是直接鏡檢法。具體做法是直接在顯微鏡下觀測，數(shù)出目鏡范圍內(nèi)微生物的個數(shù)，但這種方法較為粗糙、誤差較大。除直接鏡檢法外，目前微生物量測定方法主要有三磷酸腺苷法、底物誘導(dǎo)呼吸法、氯仿熏蒸法等[3]。

三磷酸腺苷法的原理是由于ATP是所有生命體的能量儲存物質(zhì)，ATP只存在于活的細胞體內(nèi)，細胞死后ATP迅速失去活力。在活的微生物細胞內(nèi)，ATP的含量相對比較穩(wěn)定，因此可以通過土壤中ATP含量的測定，估算出土壤中微生物的生物量。目前測定三磷酸腺苷含量的方法有氣相色譜法、液相色譜法、等速電泳法、生化發(fā)光法等。這種方法能夠快速準確地測定土壤中的ATP含量，但是難以排除其中的植物根系。

底物誘導(dǎo)呼吸法是Anderson and Domsch于1978年提出的測定方法。該方法起源于純培養(yǎng)研究，微生物對易利用底物的反映強度與微生物量存在線性關(guān)系，可用于土壤微生物量的測定[4]。在自然環(huán)境中，土壤微生物的呼吸活動一般很低，但是當在土壤中加入有機物時，土壤微生物的生命活動加強，此時其呼吸量與微生物數(shù)量密切相關(guān)。因此，有研究者認為誘導(dǎo)呼吸量可以轉(zhuǎn)化為微生物生物量。

Jenkinson于1976年提出了一種間接微生物量測定方法，即氯仿熏蒸殺死和溶解土樣中微生物，重新培養(yǎng)土壤10 d后測定土壤呼吸。根據(jù)熏蒸與未熏蒸土樣釋放CO2量的差值，計算土壤微生物量C，此方法稱為熏蒸培養(yǎng)法[5]。用氯仿熏蒸土壤后再進行培養(yǎng)時，其CO2的釋放量大幅度增加，比沒有熏蒸的土壤高很多，并且發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)期間CO2的釋放量與原來土壤中的微生物量存在著非常顯著的相關(guān)性，從而通過測定一定培養(yǎng)時間內(nèi)土壤CO2的釋放量，就可以計算土壤微生物量[6]。該方法是目前較好的微生物量測定方法，但是花費時間較長，且不適用于風(fēng)干土壤，對鈣質(zhì)土、淹水土壤的結(jié)果均不可靠。

2 森林土壤微生物生物量隨著季節(jié)的改變而發(fā)生變化

森林土壤微生物生物量(—soil microbial biomass of forest，SMB)受季節(jié)改變帶來的光照、溫度、水分等因子變化的影響往往也具有明顯的季節(jié)動態(tài)變化特征。在不同的森林生態(tài)系統(tǒng)中，由于各種環(huán)境因子復(fù)雜的綜合作用以及關(guān)鍵環(huán)境因子的主導(dǎo)地位不同，SMB的季節(jié)變化也存在著顯著差異[7]。國內(nèi)外學(xué)者對此做了大量研究，目前主要有夏低冬高型、干濕季節(jié)交替循環(huán)型、夏高冬低型、秋高春低型、春高冬低型5種變化格局。

(1)夏低冬高型。王國兵等[8]發(fā)現(xiàn)，北亞熱帶2種森林生態(tài)系統(tǒng)(次生櫟林和火炬松人工林)SMB-C(土壤微生物生物量)均表現(xiàn)為在生長旺季(夏季)維持較低水平，在休眠季節(jié)(冬季)維持較高水平；何榮等[9]也發(fā)現(xiàn)，在武夷山不同海拔梯度下4種植被類型(常綠闊葉林、針葉林、亞高山矮林和高山草甸)SMB具有一致的變化趨勢，均表現(xiàn)為冬春最大、夏季最小的特征。

(2)干濕季節(jié)交替循環(huán)型。王衛(wèi)霞等[10]對南亞熱帶3種人工林(格木紅椎和馬尾松)SMB研究發(fā)現(xiàn)，SMB-C在雨季最小、干旱季最大，隨季節(jié)干濕交替呈明顯的循環(huán)變化規(guī)律；Saynes等[11]也發(fā)現(xiàn)，墨西哥季節(jié)性干旱的熱帶森林(原始森林和處于演替末期的次生林)SMB- C在旱季最大，雨季初期最?。籅arbhuiya等[12]認為，SMB-C、 SMB-N和SMB-P等在雨季最低，是由于植物對土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)的吸收加大，而限制了微生物的利用，導(dǎo)致SMB-C、SMB-N和SMB-P等在雨季降低。但也有研究發(fā)現(xiàn)，SMB在雨季最大，而在旱季最小。

(3)夏高冬低型或秋高春低型。Devi等[13]對印度曼尼普爾邦櫟樹混交林SMB的季節(jié)性變化進行研究發(fā)現(xiàn)，SMB-C和SMB-N呈夏季高冬季低的格局。李勝藍等[14]對湘中丘陵區(qū)4種森林類型SMB研究得出，杉木人工林和馬尾松+石櫟闊葉混交林SMB-C均呈夏高冬低型的變化格局；石櫟+青岡常綠闊葉林SMB-C呈夏高冬低型變化格局，但SMB-N呈秋高春低型格局；南酸棗落葉闊葉林SMB-C和SMB-N均呈秋高春低型格局。

(4)春高冬低型。譚波等[15]研究了川西亞高山/高山森林不同海拔岷江冷杉林土壤微生物生物量生態(tài)學(xué)過程，發(fā)現(xiàn)各海拔森林土壤在冬季維持著較高的微生物生物量，并隨土壤凍融過程不斷變化。受凍結(jié)初期土壤凍融循環(huán)影響，土壤有機層和礦質(zhì)土壤層冬季微生物生物量碳和氮含量均顯著降低，在凍結(jié)期變化不明顯，在融化期急劇增加至融化后顯著降低，且土壤有機層微生物生物量在融化期具有一個明顯的年高峰值。

3 森林土壤微生物生物量的影響因素

土壤微生物的生長和活動需要不斷地從外界獲取能量和養(yǎng)分，并對土壤的環(huán)境條件，如濕度、溫度以及通氣性等具有一定的要求，因此SMB動態(tài)變化受多方面因素的影響。目前學(xué)者研究探討最多的主要有土壤養(yǎng)分與凋落物的輸入量、土壤溫濕度以及林木生長節(jié)律和所處生長階段、pH、森林類型等因子。

3.1土壤養(yǎng)分與凋落物的輸入量凋落物是土壤微生物生物量的組成部分之一。土壤中養(yǎng)分含量對SMB大小有重要影響，由于C和N是合成生物體內(nèi)蛋白質(zhì)和核苷酸等生物大分子的關(guān)鍵元素，因此土壤中C和P的含量成為限制土壤微生物生長以及SMB的重要因子。吳藝雪等[16]研究發(fā)現(xiàn)，西雙版納石灰山季雨林SMB-C高于季節(jié)溝谷雨林的主要原因在于石灰山季雨林有機質(zhì)C和N的含量明顯高于季節(jié)溝谷雨林。已有研究表明[8]，當森林地表凋落物被清除后，SMB-C會顯著減少。同時也有研究發(fā)現(xiàn)，SMB的季節(jié)變化模式與凋落物的季節(jié)變化模式具有一致性，即SMB的季節(jié)變化受凋落物節(jié)律的影響，但不同地區(qū)SMB與凋落物節(jié)律的關(guān)系有所不同。例如，對西雙版納熱帶雨林SMB-C動態(tài)變化研究發(fā)現(xiàn)，SMB-C與林地前2個月的凋落物量波動呈正相關(guān)，SMB-C的波動周期相比凋落物量滯后2個月[16]；而對波多黎各熱帶雨林SMB的動態(tài)變化研究發(fā)現(xiàn)，SMB的季節(jié)變化周期要比凋落物提前30 d[17]。

3.2土壤溫度和濕度土壤溫度和濕度影響土壤微生物的活性及其群落結(jié)構(gòu)組成，也影響植物生長凋落物腐爛分解以及生物在土壤中的活動和分布，從而可能對SMB產(chǎn)生影響。一些研究認為，SMB的季節(jié)性變化與土壤溫度和濕度有關(guān)。例如，陳珊等[18]研究SMB與土壤生境的關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，土壤溫度和水分含量對SMB的影響較強，隨著土壤溫度和含水量的增加，SMB呈增加的趨勢。但也有研究表明，土壤濕度對SMB的影響要強于土壤溫度。例如，Chen等[19]在對我國臺灣西部海岸沙丘森林生態(tài)系統(tǒng)SMB研究發(fā)現(xiàn)，SMB-C和SMB-N的變化主要與土壤濕度有關(guān)，與土壤溫度的變化不相關(guān)。也有一些研究表明，SMB主要受土壤溫度的調(diào)控，與土壤濕度無關(guān)。例如，李世清等[20]在研究SMB-N與土壤溫度、濕度的關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，SMB-N與土壤溫度呈顯著或極顯著的正相關(guān)性，與土壤濕度關(guān)系并不密切。這些研究表明，土壤溫度和濕度在影響SMB時有時又是共同起作用，有時又是單獨起作用。

3.3林木生長節(jié)律和所處生長階段林木生長節(jié)律和所處生長階段也是影響SMB大小的重要因素之一。植物生長隨氣候的季節(jié)波動表現(xiàn)出相應(yīng)的物候節(jié)律，對SMB也會產(chǎn)生一定的影響。例如，王國兵等[8]認為，在北亞熱帶森林SMB的動態(tài)變化主要與林木生長發(fā)育節(jié)律有關(guān)。同時，植被所處生長階段不同，土壤環(huán)境凋落物輸入也有所差別，會影響到SMB的大小。例如，Saynes等[11]對墨西哥季節(jié)性干旱熱帶森林SMB-C研究發(fā)現(xiàn)，處于演替早期以及演替中期的次生林SMB-C明顯大于演替末期次生林SMB-C的含量。

3.4pH徐文煦等[21]研究了黑龍江省東部山地帽兒山—小興安嶺—大興安嶺系列生態(tài)系統(tǒng)中圈定的樣地。發(fā)現(xiàn)土壤pH與微生物中的C、N含量成反比。帶嶺落葉松林和帽兒山的樺樹林、紅松林pH與微生物數(shù)量呈正相關(guān)，這可能是由于以上地區(qū)真菌數(shù)量較多，而真菌適合生長于偏酸性的土壤環(huán)境。另外，帽兒山地區(qū)樺樹林的pH與微生物量也呈正相關(guān)，但相關(guān)性都不顯著。

3.5森林類型賀若陽等[22]對川西亞高山天然針葉林、樺木次生林、人工云杉林有機層和礦質(zhì)層土壤C、N、P化學(xué)計量以及土壤微生物生物量和呼吸進行比較分析，結(jié)果表明，天然針葉林轉(zhuǎn)化為次生林和人工林，微生物生物量C、N含量顯著下降，其中微生物生物量C依次為天然林>次生林>人工林，微生物生物量N含量依次為天然林>次生林>人工林，3種森林類型土壤微生物生物量C(SMB-C)的年均含量特征為馬尾松林>混交林>樟樹林；微生物生物量N(SMB-N)為樟樹林>馬尾松林>混交林，均不存在顯著差異(P>0.05)。徐佳晶等[23]研究了西雙版納5種森林類型(熱帶季節(jié)雨林、熱帶季風(fēng)常綠闊葉林、曼安次生林、雞血藤次生林和溝谷林次生林)的土壤微生物生物量。與熱帶季節(jié)雨林和熱帶季風(fēng)常綠闊葉林相比，3種次生林所具有的微生物C含量顯然是最高的。溝次生林中的微生物C含量顯著高于其他4種林型。土壤微生物生物量C、N與土壤含水量、土壤有機碳、土壤總N顯著正相關(guān)，與土壤C/N顯著負相關(guān)。

4 研究展望

目前有關(guān)森林土壤微生物生態(tài)的研究雖有不少報道，但整體研究水平還有待提高。因此，廣泛開展基礎(chǔ)性研究仍需加強。特別是現(xiàn)在全球變化、環(huán)境污染等因素影響了各種營養(yǎng)元素的生物地化循環(huán)。土壤微生物的種類數(shù)量和功能作用也隨之發(fā)生了相關(guān)變化。這些情況都要求生態(tài)學(xué)家、分類學(xué)家、土壤學(xué)家等各類專家共同合作，進行多學(xué)科、全方位、多層次的綜合研究。

土壤各類微生物生理群在土壤形成及土壤物質(zhì)循環(huán)和土壤養(yǎng)分供給中起著重要的作用，并且是土壤熟化程度等重要指標。但目前的研究相對較少，而且由于土壤各類微生物生理群的分布、數(shù)量等，不但與其本身的特性有關(guān)，并且與其所處的土壤環(huán)境、植物類群、植被狀況、氣候帶特點等有關(guān)，甚至與植物間的化感作用也有關(guān)系，是多種因素的綜合結(jié)果，所以研究的結(jié)果差別較大。因此，應(yīng)加強森林土壤微生物生理群方面的研究。

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