不同修復(fù)模式邊坡土壤微生物量季節(jié)動態(tài)

張琳瑤 杜祥運 劉大翔

摘要：通過對四川省向家壩工程擾動區(qū)3種不同坡位土壤微生物量碳（MBC）和氮（MBN）含量進(jìn)行季節(jié)動態(tài)監(jiān)測，對其主要影響因子進(jìn)行相關(guān)性分析，揭示土壤微生物量的季節(jié)變化特征及其主要影響因子。結(jié)果表明：3種邊坡MBC、MBN含量排序為天然林>植被混凝土>客土;土壤MBC、MBN表現(xiàn)出較高的空間異質(zhì)性;土壤MBC含量與有機碳含量、全氮含量及含水量呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），土壤MBN含量與有機碳、全氮及微生物量碳含量呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），與pH值呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01）。研究區(qū)土壤微生物量的季節(jié)變化可能與氣候條件、植物生理過程、土壤環(huán)境因子、養(yǎng)分資源有關(guān)。

關(guān)鍵詞：修復(fù)模式;土壤微生物量碳;土壤微生物量氮;空間異質(zhì)性;季節(jié)動態(tài)

中圖分類號： S154.3;X53 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）13-0320-05

在土壤生態(tài)系統(tǒng)中，土壤微生物量盡管只占小于 5 000 μm3 土壤體積，但既是養(yǎng)分的庫，又是養(yǎng)分的源，作為土壤中極為活躍的因子，參與了有機質(zhì)分解以及腐殖質(zhì)的形成等諸多生態(tài)過程，對陸地生態(tài)系統(tǒng)的能量流動以及碳氮循環(huán)有著重要的意義，并且影響了生態(tài)系統(tǒng)中的植物營養(yǎng)土壤結(jié)構(gòu)和土壤肥力等變化，能綜合反映土壤質(zhì)量狀況[1-2]。在土壤碳氮循環(huán)過程以及對自然和人為干擾的響應(yīng)中，土壤微生物量能準(zhǔn)確反映出微生物群落在土壤中的實際意義和作用潛力，被認(rèn)為是土壤環(huán)境質(zhì)量的靈敏生物指標(biāo)[3]。土壤生態(tài)系統(tǒng)中土壤微生物量季節(jié)性波動模式復(fù)雜，受多種生態(tài)因子綜合作用的影響，主要與土壤中可利用碳和養(yǎng)分資源的限制、植物生長節(jié)律、土壤溫度及土壤濕度等因素有關(guān)[4-5]。而在邊坡生境中，地形因素可以通過影響土壤的微氣候、土壤的理化性質(zhì)、植被的生長以及地下碳輸入等途徑影響土壤微生物的生長及生物量[6-7]。

近年來，我國大力加強大型水利水電工程的建設(shè)，而在大型工程建設(shè)的同時伴隨如大規(guī)模土石開挖形成高陡邊坡、碎渣堆棄、改變地形及掩埋原有植被等，解決此類生態(tài)環(huán)境問題一般須要采用人工修復(fù)方式[8]。而我國西南地區(qū)是典型的干熱河谷地帶，水利資源豐富，山高坡陡溝壑縱橫，是國家水利水電重點規(guī)劃與開發(fā)區(qū)。大型水利水電工程的興建必然會對工程區(qū)極其脆弱的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)退化、物種多樣性喪失、滑坡、水土流失等一系列嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題[8-9]。目前，常采用人工方式修復(fù)被毀損的陸地植被[10]。相關(guān)研究大多集中于先鋒物種生理特性[11]、修復(fù)后不同修復(fù)土壤在同一地區(qū)肥力的對比分析[8]和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與評價[12]，對恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)微生物生物量的研究主要集中在農(nóng)業(yè)措施和環(huán)境條件[13-15]上，而對工程擾動區(qū)不同修復(fù)土壤中微生物量季節(jié)動態(tài)研究鮮有報道。

因此，本研究選取西南地區(qū)大型水利水電站——向家壩水電站工程擾動區(qū)不同恢復(fù)模式邊坡，進(jìn)行土壤微生物碳氮含量的季節(jié)動態(tài)研究，以期了解不同生境土壤微生物量碳、氮含量及其季節(jié)變化，并從土壤微生物量角度分析不同生境土壤肥力狀況，為工程擾動區(qū)人工植被修復(fù)技術(shù)的篩選和應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 研究地點與研究方法

1.1 研究地域概況

金沙江向家壩水電站位于滇東北最北端，地處金沙江與橫江交匯的三角地帶，地理坐標(biāo)位于28°22′15″～28°39′16″N、104°03′27″～104°25′25″E之間。該地區(qū)屬南亞熱帶干熱季風(fēng)氣候，是典型的干熱河谷地區(qū)，干熱少雨，干濕季分明。年均氣溫21～23 ℃;年均降水量896.2 mm，其中6—11月降水量占全年降水量的90%以上，年蒸發(fā)量在2 500～3 000 mm;年均相對濕度為81%左右;年日照時數(shù)2 200 h左右。

1.2 研究方法

于2014年3—12月期間，選取金沙江向家壩水電站工程擾動區(qū)的1個天然林邊坡作（對照）、1個植被混凝土基材邊坡、1個客土噴播邊坡這3個代表性邊坡樣地為研究對象（表1）。植被混凝土邊坡2005年施工，人工修復(fù)土壤為當(dāng)?shù)亻_挖原土壤、腐殖質(zhì)、復(fù)合肥、水泥、混凝土綠化添加劑和保水劑的混合物[16]。客土噴播邊坡2004年施工，人工修復(fù)土壤為當(dāng)?shù)亻_挖原土壤、腐殖質(zhì)及復(fù)合肥的混合物[17]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2007整理后，采用SPSS統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行單因素方差分析（ANOVA）方法分析，再用Pearson分析方法進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 土壤微生物量碳時間動態(tài)

如圖2所示，天然林、植被混凝土和客土噴播土層下坡位土壤微生物量碳（MBC）含量的變化具有明顯的季節(jié)動態(tài)（P<0.05），在整個生長季內(nèi)，天然林、植被混凝土和客土噴播MBC含量均呈現(xiàn)先上升后下降的變化動態(tài)，在9月時出現(xiàn)峰值，四季MBC含量變幅分別為462.69～694.04、210.35～567.85、168.25～420.63 mg/kg，除9月外，天然林MBC在四季均顯著高于植被混凝土、客土噴播，是植被混凝土、客土噴播的1.22～2.50、1.65～3.13倍。

如圖3所示，中坡位土壤MBC含量的變化具有明顯的季節(jié)動態(tài)（P<0.05），3種邊坡生境MBC含量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。其中，天然林MBC峰值出現(xiàn)在6—9月;植被混凝土峰值出現(xiàn)在9—12月;客土噴播出現(xiàn)在9月。在整個生長季內(nèi)，天然林中坡位土壤MBC含量（231.35～630.95 mg/kg）是植被混凝土（210.32～420.63 mg/kg）、客土噴播（168.25～483.73 mg/kg）含量的1.10～2.00、 1.30～2.30倍。

如圖4所示，上坡位土壤MBC含量的變化具有明顯著的季節(jié)動態(tài)（P<0.05），3種邊坡生境MBC含量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，其中天然林和指標(biāo)混凝土在9月出現(xiàn)峰值，客土噴播峰值出現(xiàn)在9—12月。在整個生長季內(nèi)，植被混凝土上坡位土壤MBC含量是天然林、客土噴播含量的1.05～1.25、1.33～1.67倍。

將各邊坡所對應(yīng)不同坡位、不同季節(jié)的土壤MBC含量求和后計算，得出不同類型邊坡土壤MBC含量的平均值。如圖5所示，天然林、植被混凝土和客土噴播土壤MBC含量均值分別為476.72、368.05、280.42 mg/kg。天然林的MBC坡位均值最高，分別是混凝土、客土的1.30、1.70倍;客土噴播的MBC含量均值最低，是植被混凝土的0.76倍。

2.2 土壤微生物量氮時間動態(tài)

3種邊坡生境下坡位土壤MBN含量的變化具有明顯的季節(jié)動態(tài)，結(jié)果如圖6所示，在整個生長季內(nèi)，天然林、植被混凝土和客土噴播MBN含量均呈現(xiàn)逐步上升的變化動態(tài)，且在12月出現(xiàn)峰值，四季變幅較大，分別為20.74～35.26、9.68～13.83、6.91～11.75 mg/kg，且不同樣地之間差異顯著，天然林MBN含量在四季均顯著高于植被混凝土和客土噴播，是植被混凝土、客土噴播的1.57～2.50、1.83～5.00倍。

天然林與客土噴播生境中坡位MBN含量的變化具有顯著的季節(jié)動態(tài)，如圖7所示，2種生境MBN含量變化趨勢與上坡位大體一致，呈現(xiàn)逐步上升的趨勢，在12月出現(xiàn)峰值，MBN含量的變幅為20.74～37.33、8.30～10.37 mg/kg，植被混凝土生境MBN含量變幅為8.30～14.52 mg/kg。天然林生境MBN含量在四季均顯著高于植被混凝土和客土噴播，天然林中坡位MBN含量是植被混凝土、客土噴播含量的1.43～3.50、2.5～3.60倍。

客土噴播生境上坡位MBN含量變幅為8.30～14.52 mg/kg。天然林、植被混泥土生境MBN含量的變化具有顯著的季節(jié)動態(tài)，如圖8所示，2種生境邊坡MBN含量變化趨勢與上坡位大體一致，呈逐步上升的趨勢，變幅為20.74～37.33、6.22～12.44 mg/kg，在整個生長季內(nèi)，天然林生境較植被混凝土、客土噴播2種生境上坡位土壤存在顯著性差異，天然林生物量氮含量在四季均顯著高于植被混凝土、客土噴播，其上坡位MBN是植被混凝土、客土噴播含量的2.17～3.60、2.50～3.40 倍。

將各邊坡所對應(yīng)不同坡位、不同季節(jié)的土壤MBN含量求和后計算，得出不同類型邊坡土壤MBN含量平均值。如圖9所示，天然林、植被混凝土、客土噴播土壤MBN含量平均值分別為28.86、11.75、10.20 mg/kg。天然林的MBN含量平均值最高，分別是混凝土、客土的2.46、2.83倍;客土噴播MBN含量坡位平均值最低，是植被混凝土的0.87倍。

2.3 土壤微生物量含量與土壤環(huán)境因子相關(guān)性

土壤微生物量碳、氮含量與土壤環(huán)境因子相關(guān)分析（表2）表明，土壤MBC含量與有機碳含量、全氮含量及含水量呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）;土壤MBN含量與有機碳含量、全氮含量及微生物量碳含量呈極顯著正相關(guān)，與pH值呈極顯著負(fù)相關(guān)。

3 討論

3.1 不同修復(fù)類型土壤微生物量的差異

土壤微生物量作為土壤環(huán)境質(zhì)量的生物指標(biāo)[3]，可以靈敏地反映環(huán)境因子變化，對不同土地利用方式和生態(tài)功能的變化作出評價[20]。本研究中MBC、MBN含量的范圍分別為168.25～694.04、6.22～37.33 mg/kg，天然林MBC、MBN含量大多都顯著大于植被混凝土和客土噴播，植被混凝土MBC、MBN含量大于客土噴播，但有時差異不顯著。總體來看，植被混凝土肥力水平略優(yōu)于客土噴播，低于天然林。

土壤微生物量的變化極為復(fù)雜，并受土壤理化性質(zhì)、土壤利用方式及植被類型差異等的影響。對于同一氣候條件下不同區(qū)域的同種、異種土壤，其土壤內(nèi)凋落物、根活性及微氣象因子也明顯不同，這使得這些區(qū)域的土壤微生物量也會存在一定差異[21-23]。薛萐等研究發(fā)現(xiàn)，人工林生境的MBC含量顯著低于自然林生境[24]，人工刺槐林雖然可以顯著增加土壤MBC含量，但仍顯著低于該區(qū)頂級群落的土壤MBC[25]，本研究結(jié)果與之一致。植被混凝土與客土噴播作為人工技術(shù)修復(fù)邊坡，一方面人工修復(fù)邊坡由于修建時間短，植被演替時間也較短于天然林樣地，植被多樣性與空間格局都遠(yuǎn)不及天然林樣地。張于光等研究發(fā)現(xiàn)，即使土壤性質(zhì)相似，不同植物群落能夠維持的微生物量差異也較大，其中歸還土壤的植物殘體數(shù)量和質(zhì)量不同，也是造成土壤有機碳、土壤微生物量差異較大的原因之一[26]。另一方面人工技術(shù)修復(fù)邊坡中為了使邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定加入了一些物料，這些也可能不利于土壤微生物的生長和繁殖[27]，導(dǎo)致其土壤微生物量較低于天然林邊坡。而植被混凝土中添加的綠化添加劑等物料能適當(dāng)提高土壤中微生物量含量，使得植被混凝土微生物量略高于客土噴播。進(jìn)一步說明植被類型、土地利用方式是影響土壤微生物量的重要因素。

3.2 不同修復(fù)類型土壤微生物量碳氮含量的季節(jié)變化

土壤微生物量受季節(jié)影響明顯，這不僅與植物生長節(jié)律的自身因素有關(guān)，還與氣候條件、土壤環(huán)境因子及可利用碳和養(yǎng)分資源的賦存環(huán)境有關(guān)[28]。向家壩工程擾動區(qū)3種邊坡土壤微生物量碳含量存在明顯的季節(jié)變化，且3種邊坡變化趨勢基本一致，表現(xiàn)為MBC含量在秋夏季高于春冬季，峰值出現(xiàn)在9月，這與之前的研究結(jié)果[5，29-31]一致。土壤MBC含量與有機碳含量、全氮含量以及含水量呈極顯著正相關(guān)，說明土壤有機碳含量、全氮含量以及含水量可能是影響本研究區(qū)土壤微生物量碳含量季節(jié)變化的主要因子，與大多數(shù)研究結(jié)論[15，32]相同。直接調(diào)控森林土壤MBC含量及其季節(jié)變化的主導(dǎo)因子不是土地利用方式或地上植被類型，而可能是由于5—9月土溫升高、降雨增多使得植物生長旺盛、根系活動能力的增強，根系分泌物含量增加，植物根系的影響又造成土壤有機碳礦化作用增大，進(jìn)一步形成了利于微生物生長的環(huán)境，加上土壤微生物本身的活性隨溫度而增加，分解利用能源物質(zhì)的速率加快，維持了較快的周轉(zhuǎn)速率，這些綜合因素最終使得土壤微生物量在該段時間出現(xiàn)峰值。

微生物量氮含量也存在明顯的季節(jié)變化規(guī)律，但天然林與2種人工修復(fù)邊坡變化趨勢不同，表現(xiàn)為天然林MBN含量在春季最低，隨著植物的生長MBN含量逐漸增加，而植被混凝土邊坡與客土噴播邊坡則表現(xiàn)為MBN含量在春夏季較低，其他季節(jié)中MBN含量相對穩(wěn)定，這與Franzluebbers等的研究結(jié)果[32-33]一致。筆者猜測，雨熱同季的環(huán)境影響了土壤溫度和濕度以及能源物質(zhì)的輸入，為微生物提供了良好的代謝環(huán)境，促進(jìn)了其生長和繁殖。之后，隨著土壤溫度下降，光照時間減少等因素，不同植被類型下的土壤微生物群落組成受到影響，使不同邊坡類型下MBN含量的季節(jié)變化趨勢的不同。

3.3 不同邊坡坡位的土壤微生物量的差異

眾多的環(huán)境因子中，邊坡地形因子影響了光、熱、水、土的分布狀況，也可導(dǎo)致土壤微生物量發(fā)生季節(jié)變化[34]。本研究發(fā)現(xiàn)，不同季節(jié)坡位間MBC、MBN含量存在明顯差異，這與張地等運用通徑分析模型得到的不同坡位間土壤MBC無顯著差異的結(jié)果[35]不一致，但與許多研究[36-37]一致。由于不同生境的主要影響因子不同，而土壤微生物量通常受這些因子的交互影響，使得土壤微生物量的季節(jié)變化存在差異[38]。白愛芹等在對微地形對土壤微生物特性的影響研究中指出，坡度、坡向影響了土壤養(yǎng)分和水分條件，進(jìn)而影響了土壤微生物的生物量，使得坡地土壤MBC含量低于平地土壤，使得南坡和西坡土壤MBC含量顯著不同[36]。張地等發(fā)現(xiàn)，草本豐富度在下坡位對土壤微生物量的負(fù)作用突顯，而含水量和土壤有機碳含量是影響上坡位和中坡位的主要因素[35]。而秦華軍等認(rèn)為，調(diào)節(jié)土壤微生物量碳氮含量沿坡位梯度變化的主要生態(tài)因子是過氧化氫酶等酶活性，因而土壤MBC含量在下坡與上坡間差異顯著[37]。各邊坡在不同時期內(nèi)MBC與MBN含量沿坡位變化沒有明顯規(guī)律，沒有出現(xiàn)明顯的在坡底富集和坡面流失的趨勢，表現(xiàn)出較高的空間異質(zhì)性，這可能是因為所選取坡地均屬于公路兩側(cè)的人工修復(fù)邊坡，其坡度較大且厚度只有10～20 cm，而研究區(qū)域多雨和濕潤氣候，長期的沖刷侵蝕作用使許多礦化產(chǎn)物隨著地表和地下徑流由高處向坡腳淋洗遷移，組內(nèi)異質(zhì)性較為明顯，加上在較小尺度下取樣，土壤微生物對于環(huán)境反應(yīng)敏感，致使MBC、MBN含量在沿坡位梯度上分布無明顯規(guī)律。由于本試驗沒有對凋落物、微生物群落、溫度以及速效養(yǎng)分分布進(jìn)行研究，因此，關(guān)于在不同季度下對MBC、MBN含量分布格局沿坡面的響應(yīng)有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

天然林MBC、MBN含量平均值分別是植被混凝土的 1.30、2.46倍，是客土1.70、2.83倍，植被混凝土MBC、MBN含量均高于客土噴播，植被混凝土修復(fù)邊坡肥力水平高于客土噴播而低于天然林。

3種邊坡MBC、MBN含量隨季節(jié)變化的趨勢基本一致，且季節(jié)差異明顯，表現(xiàn)為MBC含量在秋夏季高于春冬季，峰值出現(xiàn)在9月，MBN含量在秋冬季高于春夏季。表明向家壩工程擾動區(qū)土壤微生物生物量碳、氮含量存在明顯的季節(jié)變化格局差異和空間異質(zhì)性。

土壤MBC、MBN含量沿坡面空間分布規(guī)律性不明顯，表現(xiàn)出較高的空間異質(zhì)性。其中，土壤MBC、MBN含量與有機碳、全氮含量呈極顯著正相關(guān)，土壤MBC含量與含水量呈極顯著正相關(guān)。

土壤微生物量碳、氮含量的季節(jié)性變化可能受不同機制的驅(qū)動，與氣候條件、植物生理過程、土壤環(huán)境因子與可利用碳和養(yǎng)分資源有關(guān)。其中，植被類型與修復(fù)模式會引起微生物量氮含量季節(jié)性變化差異。

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