喀斯特地區(qū)造林對土壤團聚體穩(wěn)定性及微生物碳代謝活性的影響

喻國軍, 謝曉堯

(1.貴州大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 貴陽 550001; 2.貴州師范大學(xué) 信息與計算科學(xué)重點實驗室, 貴陽 550001)

對于全球生態(tài)環(huán)境而言，大氣、陸地及海洋是其主要生態(tài)系統(tǒng)，此外還包括濕地、土壤、水域等多種生態(tài)子系統(tǒng)，其影響要素不僅具有多樣性，還體現(xiàn)著明顯的復(fù)雜性[1-2]。立足于陸地生態(tài)而言，其不僅包含森林、草地等子系統(tǒng)，還包括土壤、微生物等多種生態(tài)子系統(tǒng)；由于土壤直接關(guān)乎作物生長發(fā)育[3]，同時也是人類生產(chǎn)生活的關(guān)鍵載體，因此其重要地位不言而喻，不僅在生態(tài)系統(tǒng)中尤為重要，而且在生產(chǎn)生活中起著突出的影響作用。作為土壤的關(guān)鍵構(gòu)成部分，其團聚體不僅直接決定著土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[4]，在降低水土流失方面效果突出，另一方面能夠有效固定有機碳成分，進而促進土壤肥力的保持及提升，能夠明顯改善土壤質(zhì)量[5-6]，經(jīng)過大量實證分析可知，該指標能夠作為衡量土壤質(zhì)量的一個關(guān)鍵指標。就目前而言，對于團聚體分類的標準并未能完全統(tǒng)一，但是主要借助于濕篩法[7-8]，且其大小的分界點常常為250 μm，超過該界點則稱為大團聚體，否則稱為微團聚體。團聚體的大小對土壤孔隙度的制約效果不同，對土壤結(jié)構(gòu)的影響效果具有較大差別，對于土壤養(yǎng)分的調(diào)節(jié)效應(yīng)也不盡相同[9-10]，此外，對于土壤的生化反應(yīng)也產(chǎn)生不同程度的制約效果。近些年來不少學(xué)者開展了土壤團聚體的相關(guān)研究，主要集中在土壤穩(wěn)定性及有機碳等方面，研究范圍多集中在農(nóng)作物方面，尤其是耕作及施肥等因素的制約方面，但是對于森林土壤的研究相對較少[11-13]。森林資源不僅能夠創(chuàng)造一定的經(jīng)濟來源，更為重要的是具有重要的生態(tài)意義，成為陸地生態(tài)的重要一環(huán)，在為植被生長發(fā)育提供場所的同時也促進了微生物等動物生長，成為多種能量交換的場所之一；在微生物的參與下，加之酶的作用，腐殖質(zhì)等有機質(zhì)能夠高效地被分解轉(zhuǎn)化成養(yǎng)分，促進了能量循環(huán)，關(guān)乎土壤理化特性，也成為衡量土壤狀況的關(guān)鍵指標之一，在分子生物學(xué)等技術(shù)不斷發(fā)展的情況下，微生物的研究也由單純的數(shù)量分布向多樣性研究轉(zhuǎn)變，不僅能夠?qū)ζ湮锓N及功能等方面加以探索，而且在遺傳多樣性方面的研究在不斷深化，尤其是在研究過程中脂肪酸分析法PLFA以及碳素分析法的廣泛利用，此外核酸分析的方法也運用較為廣泛，這些技術(shù)的發(fā)展顯著促進了微生物研究，從多個角度、多個層面開展相應(yīng)分析研究[14]，也利于開展土壤研究。

貴州喀斯特地區(qū)受制于地理位置分布和高原河流等影響，喀斯特地貌分布尤為突出，近些年來該地區(qū)呈現(xiàn)明顯的植被退化現(xiàn)象，土壤肥力和活性大幅下降，土壤穩(wěn)定性下降，整體呈現(xiàn)顯著的生態(tài)退化。為了進一步改善生態(tài)環(huán)境，人工造林及生態(tài)育林等日益受到重視，并取得了較好效果[15-16]。腐殖質(zhì)等有機質(zhì)的高效降解及轉(zhuǎn)化離不開微生物的參與，此外酶也起著不可忽視的作用，從而成為養(yǎng)分循環(huán)的關(guān)鍵參與者之一，在土壤肥力和活性方面施加關(guān)鍵影響，促進植被對養(yǎng)分的吸收利用，在評價土壤狀況方面效果突出。不少學(xué)者對于該地區(qū)的植被演替與土壤之間的關(guān)系進行了探究，對于喀斯特地貌而言，人工育林在土壤養(yǎng)分保持方面效果突出，能夠有效改善土壤理化特性，通過土壤結(jié)構(gòu)的改善來促進其質(zhì)量的提升[17]?；诖耍疚倪B續(xù)4 a研究喀斯特地區(qū)造林對土壤團聚體穩(wěn)定性及微生物碳代謝活性的影響，以期有利于評估我國重大工程的生態(tài)效應(yīng)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

選取貴州睛隆縣(東經(jīng)105.18°，北緯25.44°)，境內(nèi)50%以上的面積屬于喀斯特地貌，高原峽谷均有廣泛分布，山高、谷深的特點尤為突出，山巒起起伏伏且坡度較大，形成了海拔差(1 400 m)。受地理位置制約，其亞熱帶季風(fēng)氣候尤為突出，呈現(xiàn)明顯的雨熱同期分布特點，其氣候也具有突出的垂直分布差異，海拔較低的區(qū)域明顯干熱，而對于高海拔區(qū)域而言較為寒冷。該區(qū)域年均降雨不足1 700 mm，年均溫度約為15℃，年均日照1 600 h，雨熱同期；受喀斯特地貌影響，土層分布較為稀薄，土壤結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定，制約著植被生長發(fā)育，直接影響了作物種植，因此該區(qū)域分布大量的草地、喬木等；此外，由于山巒起伏，受風(fēng)化及巖溶等制約，常常發(fā)生自然災(zāi)害[16-17]。

1.2 試驗設(shè)計

在造林地選取榿木林、杜仲林，還包括刺槐林、滇柏林和未造林地(CK，對照組)共5種林分，連續(xù)4 a長期定位觀測(2015—2018年4月)。為了保證取樣的一致性，所取樣的土壤坡度均小于5°，各林分處理分別設(shè)5個20 m×20 m的樣方，間距>15 m，每個樣方進行標記，長期采樣觀測，共計25個樣方。每個樣方重復(fù)采集5個樣品，每個樣品重復(fù)取3次，然后混合成一個樣品，采樣深度為0—10，10—20，20—30 cm的擾動土和原狀土樣。4 a共采集1 500個土壤樣品。所取土壤樣品分為兩部分，一部分自然風(fēng)干后測量土壤微生物，另一部分原狀土為在風(fēng)干過程中沿自然裂隙掰成直徑為1 cm左右大小的團聚體。團聚體的大小對土壤孔隙度的制約效果不同，對土壤結(jié)構(gòu)的影響效果具有較大差別，對于粒徑分組采取濕篩法進行，然后選取風(fēng)干土樣100 g，通過5 ml的純水進行浸潤，接下來進行過篩處理，整套篩子包含3種不同的篩目，不僅有53 μm篩，還有0.25，2 mm篩，同時對土樣進行濕篩處理，要求振幅達到3 cm，頻率為50次/min，從而獲取了4種粒徑的土壤團聚體，進行烘干處理后稱重，并計算相應(yīng)的質(zhì)量分數(shù)。

1.3 土壤微生物測定方法

微生物量碳、氮、磷采用氯仿熏蒸—浸提法測定[8-9]；土壤呼吸采用靜態(tài)堿液吸收法[11]。

微生物對于凋落物分解效果突出，加之酶的參與進一步提升了分解效果，二者是息息相關(guān)的，離開了微生物，凋落物等腐殖質(zhì)的降解將無從談起，這在土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過程中尤為關(guān)鍵，直接制約著土壤肥力及活性，因此，在土壤質(zhì)量分析過程中微生物常作為關(guān)鍵指標加以分析。本研究對于微生物多樣性分析立足于Shannon和Simpson等指數(shù)[11]。對于Simpson指數(shù)計算而言，首先對相應(yīng)的數(shù)據(jù)進行放大1 000倍的處理，這樣將不會出現(xiàn)負數(shù)的現(xiàn)象；對于微生物的碳源利用水平進行衡量過程中主要借助于AWCD值衡量法[8-9]，即：

AWCD=∑[(Ci-R)/31]

(1)

H=-∑Pi(lnPi)

(2)

Pi=(Ci-Ri)/∑(Ci-Ri)

(3)

Ds=1-∑Pi

(4)

式中：AWCD為顏色平均變化率；Ci為第i個非對照孔吸光度；n為碳源種類數(shù)(n=31)；R為對照孔吸光度；H為Shannon-wiener多樣性指數(shù)；Pi為第i個非對照孔吸光度與所有非對照孔吸光度總和的比值；Ds為Simpson優(yōu)勢度指數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

本試驗對于團聚體穩(wěn)定性的評價主要通過以下兩方面進行：一方面借助于平均質(zhì)量直徑MWD，另一方面借助于幾何平均直徑GMD，其計算公式如下[12-13]：

(5)

GMD=exp[∑Wi·lnXi]

(6)

式中：Xi為第i級的團聚體平均直徑( mm)；Wi為第i級團聚體重量百分含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林地對土壤團聚體組成的影響

通過對圖1的分析不難發(fā)現(xiàn)，受到不同林地的制約，不同試驗分組獲取的大團聚體含量還是存在著明顯的差異，其中含量最高的是榿木林地，其次是杜仲林，而滇柏林地含量最低，但是整體而言其超過2 mm的團聚體均明顯高于對照組；從土壤剖面的角度來講，在土層深度不斷上升的情況下，大團聚體的含量呈現(xiàn)明顯的下降態(tài)勢。對于中間團聚體而言，不同林地并未帶來較大的差異影響，從土壤剖面的角度來講，在土層深度不斷上升的情況下，其含量并沒有較大差異，對于微團聚體來說亦是如此。對于黏團聚體而言，由于其粒徑一般低于53 μm，不同的林地類型對其產(chǎn)生的影響較為突出，從不同土層的土壤剖面來講，該類型團聚體含量最高的是滇柏林地，其次是刺槐林，而榿木林含量最低，但是整體而言該類型團聚體均明顯高于對照組。

通過對圖2的分析不難發(fā)現(xiàn)，對于土壤團聚體而言，其受到林地類型的影響較為明顯，尤其是對于榿木林、杜仲林地來講，其分布的大團聚體居多，占比超過了20%。對于刺槐林、滇柏林而言，其主要的團聚體不僅包括中間團聚體，還包括黏團聚體；而對于對照組來說，其黏團聚體居多，且占比接近于40%。

注：不同小寫字母表示同一深度不同林地在0.05水平差異顯著，不同大寫字母表示不同深度同一林地在0.05水平差異顯著，下同。

圖2 不同林地0-30 cm土層各粒徑團聚體質(zhì)量分數(shù)平均值

2.2 不同林地對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響

作為土壤的關(guān)鍵構(gòu)成部分，其團聚體不僅直接決定著土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[4]，在降低水土流失方面效果突出，另一方面能夠有效固定有機碳成分，進而促進土壤肥力的保持及提升，能夠明顯改善土壤質(zhì)量[5-6]，經(jīng)過大量實證分析可知，該指標能夠作為衡量土壤質(zhì)量的一個關(guān)鍵指標。本試驗對于團聚體穩(wěn)定性的評價主要通過以下兩方面進行：一方面借助于平均質(zhì)量直徑MWD，另一方面借助于幾何平均直徑GMD，通過實證得知，其值越大說明其粒徑越大，這也表明其穩(wěn)定性較高。從圖3分析不難發(fā)現(xiàn)，對于不同林地而言，在土層深度不斷增加的情況下，團聚體的穩(wěn)定性呈現(xiàn)明顯的下降水平，而對于對照組來講恰好相反。從土壤剖面的角度來講，對于榿木林、杜仲林兩種林地而言，其MWD值大幅超過其他林地，對于GMD來說亦是如此；對于20—30 cm土層而言，其值差異明顯降低，從另一個角度來講表層土壤更易受到人類活動影響，這能夠從團聚體穩(wěn)定性方面可以看出。從地表至30 cm土層，二者的變化態(tài)勢基本一致。通過對比分析得知，對于未造林而言，其團聚體的穩(wěn)定性相對較差，且低于其他4種林地，其更容易在雨水的沖刷下被沖散，相反，開展育林之后其穩(wěn)定性得到了明顯提升，能夠有效增強土壤穩(wěn)定性。

2.3 不同林地對土壤微生物對碳源利用強度的影響

在微生物的參與下，加之酶的作用，腐殖質(zhì)等有機質(zhì)能夠高效地被分解轉(zhuǎn)化成養(yǎng)分，促進了能量循環(huán)，關(guān)乎土壤理化特性，也成為衡量土壤狀況的關(guān)鍵指標之一。不同的微生物群落分布，其碳源利用水平存在較大差異，在衡量過程中主要借助于AWCD分析法加以探究，通過對表1的分析不難發(fā)現(xiàn)，微生物碳源利用水平受到不同林地的顯著制約，其碳源利用率雖然有所差異，但是均高于對照組未造林地，且這種差異通過了顯著性差異，其中利用率最高的是榿木林地，其次是杜仲林地，且二者的差異并不太大，未能達到顯著水平。人工育林的分組下，其主要的碳源不僅包括碳水化合物，還包括羧酸類碳源，而最低的是胺類碳源。

2.4 不同林地對土壤微生物群落多樣性的影響

微生物群落多樣性指數(shù)可用來指示土壤微生物群落利用碳源的程度，根據(jù)培養(yǎng)第100小時的AWCD值計算土壤微生物群落的物種豐富度指數(shù)(H)、均勻度指數(shù)(E)、優(yōu)勢度指數(shù)(Ds)和碳源利用豐富度指數(shù)(S)。由圖4可知，不同林地土壤微生物群落物種豐富度指數(shù)(H)、均勻度指數(shù)(E)和碳源利用豐富度指數(shù)(S)呈一致的變化趨勢，均表現(xiàn)為造林地顯著高于未造林地(p<0.05)，而榿木林和杜仲林最高，二者之間差異不顯著(p>0.05)；均勻度指數(shù)(E)呈相反的變化趨勢，造林地顯著低于未造林地(p<0.05)。

圖3 不同林地土壤團聚體平均質(zhì)量直徑和幾何平均直徑

表1 不同林地土壤微生物對碳源利用強度

圖4 不同林地土壤微生物群落多樣性

2.5 不同林地對土壤呼吸及微生物代謝熵的影響

圖5為不同林地土壤微生物量和代謝熵，由圖可知，不同林地土壤微生量碳、微生物量氮、微生物量磷和微生物代謝熵影響顯著，其中不同林地土壤微生量碳、微生物量氮、微生物量磷和微生物代謝熵呈一致的變化趨勢，均表現(xiàn)為造林地顯著高于未造林地(p<0.05)，而榿木林和杜仲林最高，二者之間差異不顯著(p>0.05)。

2.6 土壤微生物學(xué)特性與土壤團聚體的相關(guān)分析

相關(guān)性分析表明(表2)，氨基酸類、碳水化合物類、羧酸類與大團聚體、中團聚體、MWD和GMD呈顯著正相關(guān)(p<0.05)；物種豐富度指數(shù)(H)、優(yōu)勢度指數(shù)(Ds)、碳源利用豐富度指數(shù)(S)與大團聚體、中團聚體呈顯著正相關(guān)(p<0.05)；微生物量碳、微生物量碳、微生物代謝熵與微團聚體和粉微團聚體呈顯著正相關(guān)(p<0.05)。

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。

表2 土壤微生物學(xué)特性與土壤團聚體的相關(guān)分析

3 討 論

微生物能夠?qū)⒏迟|(zhì)等有機質(zhì)高效分解，從而為養(yǎng)分轉(zhuǎn)化奠定基礎(chǔ)，而微生物活性影響到期有機質(zhì)分解效率，在此過程中常借助于平均顏色變化率AWCD進行衡量，這也是對碳源利用水平的衡量，借助于該指標不僅能夠分析微生物數(shù)量，還能夠分析其結(jié)構(gòu)特點[18-19]。對于該指標而言，當(dāng)其值越大的情況下，不僅說明細菌具有較大的分布密度，更能說明其活性更強，相反則表明其活性相對較差。通過本研究對比得知，對于4種林地而言，其碳源利用效率雖然有所差異，但是均高于對照組未造林地，且這種差異通過了顯著性差異，其中利用率最高的是榿木林地，其次是杜仲林地，且二者的差異并不太大，未能達到顯著水平。人工育林的分組下，其主要的碳源不僅包括碳水化合物，還包括羧酸類碳源，而最低的是胺類碳源。

對于微生物而言，其碳代謝的影響因素具有多樣性，且對于環(huán)境的變化具有較強的敏感性，對于其生態(tài)環(huán)境特征具有明顯的表征作用，其中尤為關(guān)鍵的指標不僅包括生物量碳，還包括微生物呼吸[20-21]。就生物量碳而言，其在有機質(zhì)中具有明顯的高活性，成為土壤活性碳的主要構(gòu)成，對于該碳物質(zhì)而言，其不僅具有較快的周轉(zhuǎn)速度，而且環(huán)境敏感性較強，能夠有效反映土壤碳庫變化[22]。微生物群落分布不僅關(guān)系著能量的維系，而且制約著其對有機質(zhì)的利用水平，這能夠通過代謝熵進行有效反映，此外，該指標能夠?qū)⑽⑸锪刻技盎钚赃M行有機結(jié)合，從而對微生物活性加以充分體現(xiàn)[23-24]；對于該指標而言，其值越小說明其在呼吸過程中對于碳的消耗量相對較少，而其細胞構(gòu)造相關(guān)的碳會相應(yīng)增多，其在維系土壤質(zhì)量方面效果較為突出[25]。通過實地分析得知，無論是微生物量碳、量氮，還是其磷及代謝熵，其雖然受到不同林地的制約，但是其整體而言均超過對照組，且其差異達到了顯著差異，整體而言，其最高的是榿木林地，其次是杜仲林地，且二者的差異并不太大，未能達到顯著水平。對于人工育林而言，林木生長過程中會產(chǎn)生一定量的枯枝落葉等凋落物，在微生物的分解下其有機質(zhì)含量逐漸增多，這對于微生物量碳的增加起著關(guān)鍵作用，同時能夠促進微生物呼吸和代謝活動，促進其活性的提升，而在此過程中需要一定的能量維系其代謝活動，對養(yǎng)分利用率得以明顯提升。

通過對比分析得知，對于不同林地而言，在土層深度不斷增加的情況下，團聚體的穩(wěn)定性呈現(xiàn)明顯的下降水平。從土壤剖面的角度來講，對于榿木林、杜仲林兩種林地而言，其大團聚體明顯超過其他林地；從土壤剖面的角度來講，在土層深度不斷上升的情況下，大團聚體的含量呈現(xiàn)明顯的下降態(tài)勢。對于中間團聚體而言，不同林地并未帶來較大的差異影響，從土壤剖面的角度來講，在土層深度不斷上升的情況下，其含量并沒有較大差異，對于微團聚體來說亦是如此[26]。對于黏團聚體而言，由于其粒徑一般低于53 μm，不同的林地類型對其產(chǎn)生的影響較為突出，從不同土層的土壤剖面來講，該類型團聚體含量最高的是滇柏林地，其次是刺槐林，而榿木林含量最低，但是整體而言該類型團聚體均明顯高于對照組。為了探究團聚體穩(wěn)定性與微生物方面存在何種聯(lián)系，本研究通過開展相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)二者之間的相關(guān)性達到了顯著水平；對于土壤的碳水化合物及氨基酸來講，其不僅與大中團聚體息息相關(guān)，且與MWD，GMD密切相關(guān)，這種相關(guān)性均為正向，且通過了顯著性檢驗。而微生物量碳及代謝熵不僅僅與微團聚體息息相關(guān)，且與粉微團聚體密切相關(guān)，這種相關(guān)性均為正向，且通過了顯著性檢驗。