渤海泥質(zhì)海岸典型防護林土壤微生物量季節(jié)動態(tài)變化

劉 平,邱 月,王玉濤,*,魏忠平,范俊崗,曹寶慧

1 沈陽農(nóng)業(yè)大學林學院, 沈陽 110866 2 遼寧省林業(yè)科學研究院, 沈陽 110032

土壤微生物生物量(soil microbial biomass,SMB)是評價土壤生物學活性和土壤質(zhì)量的敏感指標,在反映農(nóng)林業(yè)管理措施對土壤肥力的影響方面扮演著重要角色[1-3],對于研究鹽堿地土壤的肥力變化具有重要意義[4]。我國泥質(zhì)海岸漫長,防護林建設是海岸鹽堿地的重要生態(tài)治理措施。環(huán)渤海泥質(zhì)海岸,已經(jīng)營建了大面積防護林,但不同植被類型,由于進入土壤凋落物數(shù)量、土壤微生物群落結構的差異,土壤中微生物生物量及土壤營養(yǎng)物質(zhì)存在很大差異[5-7]。許景偉等[8]研究表明,黑松刺槐、黑松麻櫟及黑松紫穗槐混交林土壤微生物數(shù)量均顯著高于黑松純林,于洋等[9]研究結果同樣表明落葉松白樺混交林林土壤微生物數(shù)量顯著多于落葉松純林。凋落物類型差異同樣能顯著影響土壤微生物生物量,不同的樹種凋落物中含有不同的碳源和氮源,混交林植被種類多樣,凋落物種類較多,有利于為不同的微生物提供營養(yǎng)物質(zhì),促進微生物生物量的增加[10]。以往林地土壤微生物量變化研究多集中于經(jīng)歷農(nóng)耕、采伐等干擾后退化土壤上的人工林或者天然次生林[11-13],主要探討退化土壤的肥力恢復。而海岸防護林是在處于發(fā)育初期的土壤上營造的,該土壤生物循環(huán)積累養(yǎng)分作用微弱,養(yǎng)分含量低,含鹽量較高。已有研究表明海岸防護林可以影響土壤水鹽變化[14-15]、氮磷含量[15-17]、酶活性[18-19],但這些研究多是對某一個或者幾個因子進行研究,很難預警和反映土壤質(zhì)量變化。而土壤微生物生物量可以敏感的反映土壤質(zhì)量以及整個生態(tài)系統(tǒng)健康狀況[15],其對防護林及環(huán)境因子的改變?nèi)绾雾憫胁幻魑?/p>

土壤微生物生物量的變化受土壤水分、溫度、養(yǎng)分含量共同影響,而這些相關因子通常隨季節(jié)轉變而變化,因此土壤微生物生物量通常呈現(xiàn)一定的季節(jié)動態(tài)[11,13,20]。因此,本研究以渤海泥質(zhì)海岸6種林分類型白榆(Ulmuspumila)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、白蠟(Fraxinuschinensis)、群眾楊(Populuspopularis)、遼寧楊(Populus×liaoningensis)純林、遼寧楊刺槐混交林為研究對象,比較研究不同林分類型及不同生長階段土壤微生物生物量碳、氮的季節(jié)動態(tài)及與土壤養(yǎng)分、水分和電導率等的關系、從而分析防護林對渤海泥質(zhì)海岸土壤肥力狀況的影響,以期為評價該區(qū)域植被恢復狀況提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)自然概況

試驗地位于遼寧省西南部、渤海遼東灣畔錦州市凌海市建業(yè)鄉(xiāng)建業(yè)村,地理坐標為40°58′N,120°20′E。該區(qū)地處于北溫帶,屬大陸性氣候,四季分明,雨熱同季,日照充足,年平均氣溫8.7℃,無霜期為160—180 d,年降水量550—620 mm。該地區(qū)春季雨量少,氣溫回升快,平均氣溫8—10℃。夏季高溫多雨,降雨量400—450 mm,占年降雨量62%—70%,極端溫度可達39.5—42.0℃。秋季溫雨驟減,平均氣溫為9—11℃。凌海市海岸線長83.7 km,該地區(qū)地勢平坦,多風,土壤鹽堿化程度較高。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置

本研究選擇白榆、刺槐、白蠟、群眾楊、遼寧楊純林和遼寧楊刺槐混交林6種典型防護林為研究對象,以當?shù)刈匀恢脖还嗖莸貫閷φ?防護林與自然植被灌草地彼此相鄰,立地條件相似。各防護林的林分情況如表1所示。

表1 林分基本情況表

UPM：白榆純林(25 a),Ulmuspumila；RP：刺槐純林,Robiniapseudoacacia;FC：白蠟純林,Fraxinuschinensis；PP：群眾楊純林,Populuspopularis;PR：遼寧楊刺槐混交林,P. ×liaoningensisandR.pseudoacacia;UP：白榆純林(10 a),Ulmuspumila;PL：遼寧楊純林,Populus×liaoningensis；CK：對照灌草地,Control check；DBH：胸徑,Diameter at breast height

1.2.2 土樣采集方法

在各植被類型樣地內(nèi),設置3個20 m×30 m的標準地,每個標準地內(nèi)設置3個取樣點。于2016年5月6號(春季),7月11號(夏季),9月20號(秋季)采集土壤樣品,采樣前一周內(nèi)無有效降雨。為保證土壤樣品的一致性,每季采樣均在采樣點附近取樣,采集土壤表層0—10 cm土層與10—30 cm的土樣,將3個小樣方的樣品同層混勻后作為該標準地的樣品；采回的土壤樣品去除細根與石塊,通過2 mm篩,分成兩份,一份土樣采集后用自封袋密封貯于 4 ℃的冰箱中用于分析土壤微生物生物量,另一份置于陰涼干燥通風處自然風干用于土壤理化性質(zhì)的測定。

1.2.3 測定的項目及方法

土壤微生物生物量碳(SMBC)和土壤微生物生物量氮(SMBN)采用氯仿熏蒸-K2SO4提取-自動分析法,參照吳金水等[21]的步驟,提取液中C、N采用自動分析儀(multi N/C 3100)測定。土壤理化性質(zhì)測定參照《土壤農(nóng)化分析》中的測定方法[22]。采用凱氏定氮法測定土壤全氮 (TN)；采用鉬銻抗比色法測定全磷(TP)；采用重鉻酸鉀-外加熱法測定土壤有機碳(SOC)；采用氯化鈣浸提AA3連續(xù)流動分析儀測定土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量；采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定土壤速效磷(AP)。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

數(shù)據(jù)經(jīng)Microsoft Excel整理后,采用SPSS 22.0對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,不同植被類型差異采用單因素方差分析(One-Way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)分析比較,采用Pearson 相關系數(shù)分析法評價微生物生物量碳、氮與土壤理化學性質(zhì)的關系(α=0.05),所有數(shù)據(jù)均為3次重復平均值。本研究采用Origin 8制圖。

2 結果與分析

2.1 渤海泥質(zhì)海岸不同防護林土壤微生物生物量碳含量

由圖1A可知,白榆(25 a)、刺槐、白蠟、群眾楊、遼寧楊刺槐混交林、白榆(10 a)、遼寧楊土壤SMBC均高于對照灌草地,分別為對照灌草地的250.43%,197.55%,147.83%,182.10%,143.46%,121.80%,153.53%,其中白榆(25 a)與對照灌草地差異顯著。造林25 a后防護林SMBC含量均值為153.95 mg/kg,較造林10 a的防護林下SMBC含量均值110.51 mg/kg,增加了39.31%。0—10 cm土層SMBC含量均高于10—30 cm土層(圖1B),其中白榆(25 a)和群眾楊林地土層間SMBC達到顯著水平(P<0.05)。白榆(25 a)、刺槐、白蠟、群眾楊、遼寧楊刺槐混交林、白榆(10 a)、遼寧楊與對照灌草地0—10 cm SMBC均值分別為279.60,221.85,127.23,238.92,130.40,142.26,134.54,119.18 mg/kg,分別為10—30 cm SMBC含量的239.20%,244.02%,119.10%,483.77%,134.79%,281.24%,123.95%,304.70%。

渤海泥質(zhì)海岸6種林分類型土壤0—10 cm與10—30 cm土層SMBC含量季節(jié)動態(tài)規(guī)律主要表現(xiàn)為“V”字型(圖1C,圖1D),春秋季高,夏季低。在0—10 cm和10—30 cm土層內(nèi)SMBC夏季均值為99.54 mg/kg和65.01 mg/kg。對照灌草地SMBC季節(jié)動態(tài)在0—10 cm呈倒“V”字型,在10—30 cm土層中春季>夏季>秋季。

圖1 不同防護林及灌草地土壤微生物生物量碳含量動態(tài)Fig.1 Dynamics of soil microbial biomass carbon (SMBC) in different plantations and shrub landA：不同防護林SMBC含量,相同小寫字母表示不同防護林間SMBC含量差異未達到顯著水平P<0.05；B：各土層SMBC均值,相同小寫字母表示同一防護林SMBC含量未達到顯著水平P<0.05；C、D：防護林下不同土層SMBC季節(jié)變化,相同小寫字母表示同一樹種季節(jié)間SMBC差異未達到顯著水平P <0.05

2.2 渤海泥質(zhì)海岸不同防護林土壤微生物生物量氮含量

由圖2A可知,白榆(25 a)、刺槐、群眾楊、遼寧楊刺槐混交林、遼寧楊林下SMBN分別為對照灌草地的208.57%,102.02%,105.47%,106.19%,101.17%,其中白榆(25 a)與對照灌草地差異達到顯著水平(P<0.05)。造林25 a白榆SMBN含量為25.36 mg/kg,較造林10 a的白榆SMBN含量10.40 mg/kg,增加了143.85%。0—10 cm土層SMBN含量均高于10—30 cm土層(圖2B),其中白榆(25 a和10 a)和群眾楊土層間SMBN差異達到顯著水平。白榆(25 a)、刺槐、白蠟、群眾楊、遼寧楊刺槐混交林、白榆(10 a)、遼寧楊與對照灌草地0—10 cm SMBN季節(jié)含量均值分別為39.34,16.08,9.38,22.54,13.38,18.97,15.24,17.31 mg/kg,分別為10—30 cm SMBN含量的345.46%,183.99%,125.56%,724.67%,107.54%,1036.77%,162.76%,246.98%。

渤海泥質(zhì)海岸6種林分類型土壤 SMBN含量也存在明顯季節(jié)動態(tài)。在0—10 cm土層, SMBN季節(jié)規(guī)律仍為“V”字型(圖1C),對照灌草地SMBN季節(jié)變化表現(xiàn)為倒“V”字型。在10—30 cm土層內(nèi),防護林林下SMBN季節(jié)變化規(guī)律并不一致,白榆(25 a和10 a)SMBN與0—10 cm土層季節(jié)變化規(guī)律一致；刺槐、遼寧楊SMBN季節(jié)規(guī)律與0—10 cm土層相反,表現(xiàn)為夏季最高。

圖2 不同防護林及灌草土壤微生物生物量氮含量動態(tài)Fig.2 Dynamics of soil microbial biomass nitrogen in different plantations and shrub landA：不同防護林SMBN含量,相同小寫字母表示不同防護林間SMBN含量差異未達到顯著水平P<0.05；B：各土層SMBN均值,相同小寫字母表示同一防護林SMBN含量未達到顯著水平P<0.05；C、D：防護林下不同土層SMBN季節(jié)變化,相同小寫字母表示同一樹種季節(jié)間SMBN差異未達到顯著水平P<0.05

2.3 土壤微生物生物量碳氮比

從表2可知,各防護林不同層次土壤微生物生物量碳氮比均有明顯季節(jié)差異。白榆純林(25 a)、刺槐、白蠟、群眾楊、遼寧楊刺槐混交林、白榆(10 a)、遼寧楊春季、夏季、秋季不同土壤層次土壤微生物生物量碳氮比均高于對照灌草地,分別為對照灌草地的1.11,1.40,1.53,1.72,1.32,2.43,1.64倍。

2.4 土壤微生物生物量對土壤營養(yǎng)庫的貢獻率

白榆(25 a)、刺槐、白蠟、群眾楊、遼寧楊刺槐混交林、白榆(10 a)、遼寧楊和對照灌草地不同土層的有機碳含量分別為8.20—13.66,7.45—10.44,7.50—8.97,4.87—11.58,3.90—6.21,3.62—6.48,5.64—6.39,5.19—8.00 g/kg,全氮含量分別為0.99—1.54,0.88—1.00,0.70—0.86,0.63—1.02,0.41—0.69,0.43—0.70,0.56—0.61,0.54—0.49 g/kg(表3)。各樣地SMBC對土壤有機碳的平均貢獻率依次為刺槐>遼寧楊>白榆(10 a)>遼寧楊刺槐混交林>白榆(25 a>群眾楊>白蠟>對照灌草地；各樣地SMBN對土壤全氮的平均貢獻率排序依次為刺槐>對照灌草地>遼寧楊>白榆(25 a)>白榆(10 a)>群眾楊>遼寧楊刺槐混交林>刺槐。

2.5 土壤微生物生物量碳、氮含量間及其與土壤肥力因子的相關性分析

土壤微生物生物量與土壤養(yǎng)分之間存在顯著相關性(表4)。土壤微生物生物量碳、氮之間呈極顯著相關,相關系數(shù)為0.784。土壤電導率與SMBC、SMBN呈顯著負相關,相關系數(shù)分別為-0.462和-0.449。SMBC、SMBN與有機碳、全氮、速效磷顯著相關,與含水量、pH無顯著相關性,土壤電導率與土壤含水量、pH極顯著正相關,表明土壤養(yǎng)分與土壤微生物生物量碳、氮之間具有相互影響的復雜關系。

表2 土壤微生物量碳氮比季節(jié)變化

表中括號內(nèi)的數(shù)值表示為標準誤；后面相同小寫字母表示同一土層樹種間差異未達到顯著水平P<0.05

表3 微生物生物量對土壤營養(yǎng)庫的貢獻率

MBC：微生物生物量碳,Microbial biomass carbon；MBN：微生物生物量氮,Microbial biomass nitrogen；OC：有機碳,Organic carbon；TN：全氮,Total nitrogen

表4 土壤微生物生物量、土壤酶活性與土壤理化學性質(zhì)的相關關系

3 討論

土壤微生物生物量季節(jié)變化既受森林類型、樹種組成和樹齡影響,也受氣候、土壤理化性質(zhì)等因子影響[12,23]。本研究中不同類型防護林土壤微生物生物量碳、氮存在明顯的季節(jié)變化,春秋季大于夏季,這與檉柳防護林[4]和落葉松人工林[12]研究結果中土壤微生物生物量秋季較高一致,但是與春季最低不一致。秋季大量枯落物進入土壤后分解,使得土壤養(yǎng)分增加,生長季增加的細根產(chǎn)生大量分泌物,也為土壤微生物提供大量碳氮源[24-26],因此,秋季土壤微生物生物量碳、氮含量較高。而本研究土壤微生物生物量夏季最低,可能與沿海地區(qū)鹽分動態(tài)變化有關,夏季地下水位上升,鹽堿也隨之向上運動,抑制了微生物活動有關。另外防護林地比對照灌草地植被覆蓋度大,生長旺盛,對土壤微生物量消耗較大。王國兵等[27]研究次生櫟林和火炬松人工林土壤微生物生物量碳表明其在植物生長旺季維持在較低水平,而在植物休眠季節(jié)維持在較高水平。本研究中土壤微生物生物量春季也較高,可能是春季土壤溫度開始回升,凍結期積累的養(yǎng)分隨著融化過程釋放,顯著增加了土壤中有效養(yǎng)分,促進了土壤微生物的活動,使得微生物生物量在春季增加,Devi等[23]在櫟樹林地研究也有一致發(fā)現(xiàn)。

土壤微生物生物量受林分類型、生長階段、凋落物數(shù)量和質(zhì)量、林地的理化性質(zhì)等影響顯著[3,23,28]。本文研究表明各種類型防護林土壤有機碳、全氮均高于對照灌草地,各類土壤微生物生物量碳、氮與土壤有機碳、全氮呈極顯著正相關,土壤微生物生物量碳還與速效磷呈極顯著正相關,土壤微生物量碳、氮之間也極顯著正相關。這說明微生物量碳、氮含量可反映土壤營養(yǎng)狀況[12,29]。林木枯落物增加土壤中有機質(zhì),可以給微生物活動提供物質(zhì)和能量來源[12,24],同時,微生物又可促進枯落物分解[30]。防護林地土壤微生物生物量碳、氮均隨著土層加深而減少,土壤中有機碳、全氮、速效磷、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮等土壤養(yǎng)分在土壤垂直梯度中具有明顯的層次性,由于土壤表層積累了較多枯枝落葉和腐殖質(zhì),營養(yǎng)源較豐,水熱條件和通氣狀況好,隨著土層加深,通透性變差,養(yǎng)分減少,限制了土壤微生物的數(shù)量和活動能力[12,31]。李玥等[31]對上海市沿海防護林土壤微生物研究也表明隨著土層加深微生物數(shù)量減少。本研究還表明土壤微生物生物量碳、氮與土壤的電導率成呈顯著負相關,與土壤水分無顯著相關關系。說明土壤含鹽量是影響土壤微生物生物量的限制因子,而水分對土壤微生物生物量沒有顯著影響。研究結果普遍認為鹽堿會降低微生物種群數(shù)量和功能,而水分對土壤微生物的影響結論并不一致[31-32],李玥等[31]表明沿海防護林土壤含水率與細菌、真菌、放線菌數(shù)量的相關性都不顯著,楊凱等[12]研究也發(fā)現(xiàn)土壤濕度對落葉人工林土壤微生物碳、氮無限制性影響。在本研究中,土壤微生物生物量與土壤含水量關系不顯著,土壤電導率與土壤含水量呈極顯著正相關,鹽隨水動,夏季渤海泥質(zhì)海岸降雨量增大,土壤含水量增加,土壤鹽分隨著地下水位的升高而向地表聚集,從而抑制土壤微生物活動。

相同林齡土壤微生物生物量變化模式基本一致,但不同林分之間仍存在一定差異。在本研究中,白榆(25 a)土壤微生物生物量顯著高于其他3種相同林齡防護林。可能與白榆對鹽堿條件的強適應性有關。很多研究表明,同一地區(qū)不同森林類型因樹種組成變化、凋落物的數(shù)量和質(zhì)量[33]、細根生物量[34]不同,形成林內(nèi)環(huán)境差異,導致土壤有機質(zhì)、養(yǎng)分庫的差異[9]。在本研究中還發(fā)現(xiàn)25 a防護林林下土壤微生物生物量顯著高于造林10 a防護林,10 a防護林土壤微生物生物量與對照灌草地差異不顯著。由于隨著林分的發(fā)育,樹木可通過根系分泌物、細根以及枯落物分解等途徑提高土壤有機質(zhì)含量,增加土壤微生物可利用的營養(yǎng)物質(zhì)[35]。毛瑢[36]和高晶[37]等人研究表明幼齡林林下土壤微生物生物量碳氮含量處于較低水平,隨著林分的發(fā)育,土壤微生物生物量含量增加。也有研究表明,造林使得土壤微生物生物量碳氮降低,如4年生和 7年生速生楊樹林[38]。

4 結論

渤海泥質(zhì)海岸防護林土壤微生物生物量碳、氮含量春秋季節(jié)大于夏季。造林可以提高土壤微生物生物量,且土壤微生物生物量碳、氮含量隨著土層加深而降低,隨著樹齡增大而升高。同樣是25 a防護林,白榆林分土壤微生物生物量顯著高于其他3種防護林。土壤微生物生物量對土壤有機碳的貢獻率均大于對照灌草地,遼寧楊刺槐混交林對全氮的貢獻率較顯著。土壤微生物生物量與土壤全氮、有機碳和速效磷含量顯著相關,與土壤電導率呈負顯著相關?？梢?防護林可以通過改善土壤微生物生物量來提高渤海泥質(zhì)海岸土壤肥力,選擇抗性強且有大量枯落物的闊葉樹種,合理的混交配置可以增加土壤改良效果。