民勤綠洲不同退耕年限土壤微生物量的變化特性

王理德，何洪盛，韓福貴，陳思航，宋達(dá)成,2,3，王梓璇,2,3，閆沛迎

(1.甘肅省治沙研究所，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省河西走廊森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，甘肅 武威 733000；3.甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外觀測研究站，甘肅 民勤 733300；4.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

民勤是我國典型的干旱沙區(qū)，這里曾經(jīng)是一片植被茂盛、水源充足的天然綠洲[1]。然而，隨著民勤綠洲經(jīng)濟規(guī)模、人口數(shù)量和人工綠洲的增加，用水量增加，地下水嚴(yán)重超采、礦化度逐漸增加，嚴(yán)重影響了該地區(qū)自然植被的生長，加劇了土地沙漠化與鹽漬化[2-3]，再加上關(guān)井壓田導(dǎo)致大片土地棄耕而撂荒，這些退耕地如果沒有科學(xué)、合理、有效的保護(hù)方式，就會被風(fēng)蝕沙化從而形成新的沙塵源，造成惡性循環(huán)，嚴(yán)重破壞民勤綠洲土壤生態(tài)系統(tǒng)[4]，因此，如何合理保護(hù)和恢復(fù)民勤綠洲退耕地是亟待解決的生態(tài)問題。

土壤是生態(tài)系統(tǒng)中許多生態(tài)過程的載體和植物生長的基質(zhì)[5]，其生物學(xué)性質(zhì)是反映土壤生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)程度的重要指標(biāo)[6]。在營養(yǎng)庫中雖然只占一小部分，但它既是養(yǎng)分的“庫”，同時又是養(yǎng)分的“源”，是土壤生態(tài)系統(tǒng)的核心，直接或間接參與調(diào)節(jié)土壤有機質(zhì)轉(zhuǎn)換[7]、能量流動[8]、土壤肥力形成[9]、養(yǎng)分循環(huán)[10]及污染物的降解[11]等，特別是在生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動中占據(jù)主導(dǎo)作用，具有復(fù)雜的生物化學(xué)活性[12]。同時對土壤的演化具有重要的影響，在土壤生態(tài)環(huán)境恢復(fù)中極具影響力[13]。土壤微生物生物量是活的土壤有機質(zhì)，是土壤活性大小的標(biāo)志[14]，雖然在土壤有機質(zhì)中僅占1%～5%，但是它不僅是調(diào)節(jié)其他養(yǎng)分的關(guān)鍵，而且還是有機質(zhì)與土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的動力，可以快速反映土壤質(zhì)量的變化情況[15]，土壤微生物生物量是評價土壤肥力和質(zhì)量狀態(tài)的重要參數(shù)[16]。

目前，土壤微生物特性對土壤生態(tài)系統(tǒng)演變所起的作用越來越受到廣大科研工作者的關(guān)注[17-19]，并成為該領(lǐng)域研究的前沿和熱點[20-21]。國內(nèi)外對土壤微生物的研究主要集中在微生物與植物群落的關(guān)系[22-23]、與土壤條件的關(guān)系[24-26]、與不同施肥方式的關(guān)系[27-28]、與不同土壤管理方式的關(guān)系[29-30]、與土壤酶的相互關(guān)系[31]。但是對于干旱綠洲退耕區(qū)土壤微生物量較少進(jìn)行系統(tǒng)研究，特別是干旱區(qū)退棄耕地土壤微生物量季節(jié)變化規(guī)律的研究較少，更沒有把微生物量的研究與退棄耕地修復(fù)緊密結(jié)合越來。

基于此，筆者采用空間尺度代替時間尺度的方法，對民勤不同年限 (1～31 a)退耕地土壤微生物生物量的變化特征和季節(jié)動態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究，探討民勤綠洲退耕地土壤微生物量的變化規(guī)律，旨在為民勤綠洲退耕地土壤修復(fù)提供實踐參考，為該區(qū)域的生態(tài)恢復(fù)、管理及可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗樣地選在甘肅省民勤縣北部的西渠鎮(zhèn)黃輝村與自云村，地理坐標(biāo)為北緯39°01′30″～39°03′28″，東經(jīng)103°35′57″～103°37′56″。年降水量大約110 mm，主要集中在秋季，年平均蒸發(fā)量為2 644 mm左右，年均溫度7.4 ℃，主要土壤類型是灰棕漠土。樣地中主要草本植物有：蒙古豬毛菜(Salsolaikonnikovii)、堿蓬(Suaedaglauca)、田旋花(Convolvulusarvensis)、白莖鹽生草(Halogetonarachnoideus)、駱駝蓬(Peganumharmala)、藜(Chenopodiumalbum)；灌木植物有：鹽爪爪(Kalidiumfoliatum)、白刺(Nitrariaschoberi)、紅砂(Reaumuriasongarica)、小果白刺(Nitrariasibirica)、枸杞(Lyciumchinense)等。

1.2 樣地設(shè)置及土樣采集

2011年11月，通過對民勤縣相關(guān)政府部門和當(dāng)?shù)鼐用褡咴L和查閱，明確研究區(qū)土地退耕時間，采用時空替代法，選擇沒有因自然因素變化而改變地形，或者微地形變化較小、植物均勻生長、沒有人為因素干擾引起土壤物質(zhì)再分配的退耕地為研究樣地。在保證樣地沙土母質(zhì)相同的情況下，選擇退耕時間(離2012年檢測時間)為1、2、3、4、5、8、15、24及31 a的9個樣地，每個試驗樣地面積為1 hm2(表1)。使用GPS定位，在每個樣地內(nèi)按“S”形方法選取5個土樣采集點，并做好標(biāo)記[32]。

表1 樣地基本狀況

2012年3、6、9及12月，在試驗樣地中已固定的“S”形5個樣點上挖土壤剖面，土壤樣品分別從0～10、>10～20、>20～30、>30～40 cm土層采集，為了更加具有代表性，把同一個試驗樣地所取的5個土樣按照相同土層分別均勻混合，在每個樣點上取3個重復(fù)土樣。將1～2 kg混合均勻的土樣裝進(jìn)恒溫采樣箱的無菌袋中，帶回實驗室進(jìn)行土壤微生物生物量的測定和系統(tǒng)分析。

1.3 土壤微生物生物量測定

土壤微生物生物量用氯仿熏蒸法[33]測定。先將試驗樣地內(nèi)取回的土樣進(jìn)行7 d預(yù)培養(yǎng)，然后取出3份，每份土樣10 g，分別裝進(jìn)3個50 mL燒杯中，另外準(zhǔn)備2個裝有1 mol·L-1NaOH溶液和無乙醇氯仿的燒杯，將這5個燒杯裝入底部放有水浸過濾紙的干燥器中，將干燥器用凡士林密封，用真空泵抽氣，直到三氯甲烷沸騰2 min以上。確保干燥器不漏氣的情況下，將閥門關(guān)閉，在25 ℃無光情況下，擱置24 h，再用真空泵抽氣，直至三氯甲烷氣味消失。

1.3.1土壤微生物生物量碳(MBC)測定[33]

土壤試驗樣品經(jīng)氯仿熏蒸后，用0.5 mol·L-1K2SO4和K2Cr2O7-H2SO4外加熱法測定微生物生物量碳(MBC，BMC)。

BMC=(Ec-Ec0)/0.38。

(1)

式(1)中，Ec為熏蒸土樣液體中有機碳量，mg·kg-1；Ec0為沒有熏蒸土樣液體中有機碳量，mg·kg-1；0.38為校正系數(shù)。

1.3.2土壤微生物生物量氮(MBN)測定[33]

土樣經(jīng)三氯甲烷熏蒸后，用0.5 mol·L-1K2SO4溶液萃取，應(yīng)用凱氏定氮法測定微生物生物量氮(MBN，BMN)。

BMN=(EN-EN0)/0.54。

(2)

式(2)中，EN為熏蒸土樣液體中有機氮量，mg·kg-1；EN0為沒有熏蒸土樣液體中有機氮量，mg·kg-1；0.54為校正系數(shù)。

1.3.3土壤微生物生物量磷(MBP)測定[33]

土壤樣品經(jīng)過三氯甲烷熏蒸后，采用0.5 mol·L-1NaHCO3(pH值=8.5)溶液進(jìn)行萃取，然后采取鉬銻抗顯色法，對微生物生物量磷測定(MBP，BMP)。

BMP=(EP-EP0)/0.54。

(3)

式(3)中，EP為熏蒸土樣液體中有機磷量，mg·kg-1；EP0為沒有熏蒸土樣液體中有機磷量，mg·kg-1；0.54為校正系數(shù)。

1.4 土壤微生物生物量的加權(quán)平均值計算

(4)

(5)

式(4)～(5)中，Gm為土壤微生物量加權(quán)平均值;Vik為土壤微生物量；ωik為權(quán)重系數(shù)；i=1，2，…，n，其中n為處理個數(shù)；k為土層深度，k=1，2，3，4，分別表示0～10、>10～20、>20～30、>30～40 cm土層。

1.5 數(shù)據(jù)分析與處理

采用SPSS 19.0、Microsoft Excel 2007軟件統(tǒng)計整理和分析數(shù)據(jù)，不同年代退耕地微生物生物量采用單因素方差分析(one-way ANOVA)進(jìn)行差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同退耕年限土壤微生物生物量沿剖面分布規(guī)律

由圖1可以看出，相同退耕年限的土壤MBC、MBN及MBP含量均隨土層的加深而減小，0～10 cm土層的土壤MBC、MBN及MBP含量高于或者顯著高于其他3層(>10～20、>20～30、>30～40 cm)，可見民勤綠洲退耕地土壤微生物生物量隨著土壤深度的增加，其含量逐漸降低，在總生物量中，表層生物量占比最大，表聚現(xiàn)象突出。

圖1表明，在0～30 cm土層，隨著退耕年限的不斷增加，土壤MBC含量在退耕前期逐漸減小，在8～31 a內(nèi)逐漸增大，在退耕8～31 a期間, 0～10、>10～20及>20～30 cm土層的土壤SMC最大值分別為979.13、610.00和480.22 mg·kg-1；在>30 ～ 40 cm土層中，MBC含量隨退耕年限的增大而逐漸減小，第1年時最高，為327.74 mg·kg-1；MBN含量的變化趨勢表現(xiàn)為在退耕前4 a先增大，在4～8 a慢慢減小，到退耕8～31 a期間逐漸穩(wěn)定。在退耕第4年時樣地內(nèi)各土層SMN含量達(dá)到最高值，從上到下分別為215.50、184.49、169.00 和138.23 mg·kg-1；土壤MBP含量在0 ～10 cm土層呈先增大(1～4 a)后減小(4～31 a)的變化規(guī)律，退耕第4年含量最高，最大值為168.35 mg·kg-1；隨著退耕年限的增加，>10～40 cm土層土壤MBP含量的變化表現(xiàn)為退耕前2 a先減小，隨后逐漸升高，最后趨于降低。

為了更加準(zhǔn)確地研究土壤微生物生物量在不同年限退耕地及不同土層深度中的變化，同時各土層土壤微生物生物量的平均數(shù)能包含長期變動趨勢，采用加權(quán)平均值來分析研究不同年限退耕地土壤微生物生物量的變化規(guī)律(表2)，不同年限退耕地相同土層中的土壤MBC含量成波動式變化，加權(quán)平均的最大值出現(xiàn)在退耕24 a(629.88 mg·kg-1)，最小值出現(xiàn)在退耕3 a(177.79 mg·kg-1)。退耕 1～3 a逐漸減小，然后再逐漸增大，到24 a趨于平穩(wěn)。土壤MBN含量的變化表現(xiàn)為：隨著退耕年限的增加，土壤MBN含量呈先波動式減小，再波動式增大，最后再波動式減小的趨勢，直到退耕24 a趨于穩(wěn)定。

表2 不同年限退耕地土壤微生物生物量

表中數(shù)據(jù)均為不同土層(0～10、>10～20、>20～30及>30～40 cm)各指標(biāo)的加權(quán)平均值。2011年的退耕年限為離檢測時間1 a,其余類推。

在退耕1～2 a時，土壤MBN含量逐漸減小，隨后大幅度增加，到退耕4 a時，加權(quán)平均值達(dá)到最大值183.73 mg·kg-1，然后相對趨于平穩(wěn)再下降，到退耕15 a前后，加權(quán)平均值降低到最小值79.92 mg·kg-1。土壤MBP含量總體表現(xiàn)為：隨著退耕年限的增加，MBP含量呈波動式增大、再波動式減小的趨勢。退耕5～8 a時，加權(quán)平均值達(dá)到了最大值121.12 mg·kg-1，然后隨著退耕年限的增大，土壤MBP含量逐漸減小，最后逐漸穩(wěn)定。總體來講，民勤綠洲退耕地土壤MBP含量隨著自然演變年限的增加呈現(xiàn)出上升的趨勢。MBC/MBN含量比呈先上升后下降的趨勢，退耕8 a時比值最大(6.74)。

2.2 不同退耕年限土壤微生物生物量的季節(jié)性變化特征

從圖2可以看出，民勤綠洲不同年限退耕地土壤MBC含量的季節(jié)動態(tài)變化規(guī)律大致相似，秋季最大，夏季與春季居中，冬季最小。大致呈現(xiàn)出從3月開始土壤MBC含量呈升高趨勢，到9月達(dá)到峰值，然后又持續(xù)降低，12月下降到最低值。0～10 cm土層土壤MBC含量變化幅度較大，>30～40 cm土層的土壤MBC含量變化幅度逐漸變小。土壤MBN含量的季節(jié)動態(tài)變化表現(xiàn)為：在不同年限退耕地變化趨勢均呈現(xiàn)為倒“V”型分布格局，3—9月逐漸增大，9月達(dá)到峰值，然后又持續(xù)減小，12月下降到最低值。

在整個生長季，樣地表層土壤MBN含量變幅較大。不同年限退耕地MBP含量的季節(jié)動態(tài)大致相似，秋季與夏季較大，春季居中，冬季最小?？傮w呈從3月開始土壤MBP含量逐漸升高，到6月或者9月達(dá)到峰值，然后又持續(xù)降低，12月下降到最低值。退耕初期季節(jié)變化幅度逐漸增大，退耕5 a時0～20 cm土層6月變化幅度達(dá)到最大值，然后逐漸減小，退耕15 a后土壤MBP含量季節(jié)變化極小。

3 討論

土壤微生物的功能可通過微生物生物量來反映[34]，同時微生物生物量與其所處土壤環(huán)境密不可分[35]。在民勤綠洲退耕地恢復(fù)過程中，土壤微生物生物量隨著土層的加深而逐漸減小。由圖1可以看出，在4個土層中，土壤微生物生物量占比較大的是0～10 cm土層。方差分析顯示，各土層對MBC、MBN、MBP含量的影響顯著(P<0.05)。馬文文等[36]、文都日樂等[37]研究結(jié)果也呈現(xiàn)出類似的規(guī)律。這主要是由于土壤表層有少量的枯枝落葉凋落物及其所產(chǎn)生的腐殖質(zhì)，有機質(zhì)含量高[38]，再加上表層溫度條件和通氣狀況良好，微生物生長旺盛，代謝活躍[39]。另外，好氧菌大多居于土壤表層，活性較強，隨著土層的加深，生境條件越來越差，好氧菌逐漸減少，代謝活動較弱的厭氧菌逐漸占主導(dǎo)地位，使深層的土壤微生物生物量減少，微生物生物量的分布發(fā)生變化，出現(xiàn)了明顯的表聚性[40]。

隨著退耕地恢復(fù)時間的增加，土壤MBC與MBN含量呈先波動下降，最終走向平衡的態(tài)勢，MBP含量總體上呈波動上升的趨勢。在退耕地恢復(fù)的前幾年，物種豐富度和物種多樣性指數(shù)都比較大[41-42]，土壤MBC、MBN、MBP含量也較高，隨恢復(fù)年限的增加，物種豐富度和多樣性指數(shù)下降[42]，MBC、MBN、MBP含量也逐漸減小。比較研究區(qū)9個樣地發(fā)現(xiàn)，MBC含量的最大值在退耕后24 a左右出現(xiàn)，為629.88 mg·kg-1。而這個時候，MBN、MBP含量居中；退耕4 a的土層中，MBN含量達(dá)到最大值(183.73 mg·kg-1)，MBC、MBP含量居中；退耕8 a的樣地中MBP含量最大(121.12 mg·kg-1)，MBC、MBP含量居中。微生物生物量是土壤養(yǎng)分的重要來源，是土壤中活的有機質(zhì)[43]。在退耕后的24 a期間出現(xiàn)土壤MBC含量的最大值，可見MBC的積累是一個極其緩慢的過程；在退耕后的4 a內(nèi)，土壤MBN含量的加權(quán)平均值達(dá)到最大值，這說明土壤肥力水平最好的時間是退耕4 a，到退耕5 a時又恢復(fù)到退耕3 a時的狀況，可見退耕5 a左右是土地修復(fù)的關(guān)鍵時期，為了防止土地的沙漠化及其鹽漬化，在土地退耕5 a左右要進(jìn)行合理的人工干預(yù)，這與項目組前期研究結(jié)果相似[41]；土壤MBP含量的最大值出現(xiàn)在退耕后的5～8 a，但波動范圍較小，退耕中期(3～15 a )土壤MBP含量的加權(quán)平均值在110～120 mg·kg-1之間，由此可見，退耕年限的延長對MBP的影響較小，這可能與磷在土壤中的存在形態(tài)較為復(fù)雜有關(guān)，而且土壤磷分布受成土母質(zhì)中礦物成分、地貌、土地使用程度等多種條件的影響，幾乎不受自然環(huán)境和植被的影響[36,44]。土壤MBC、MBN、MBP是土壤活性養(yǎng)分的庫，能敏銳地反映環(huán)境因子的變化[45]。

土壤 SMBC/SMBN比≥30和SMBC/SMBN比≤20分別表示土壤微生物生長受到氮源和碳源的限制，當(dāng)SMBC/SMBN比=25時對土壤微生物生長最有利[46]，在不同年限退耕地土壤中，SMBC/SMBN比介于1.28～6.74，說明碳源供給數(shù)量是土壤微生物生長的主要限制因子。相關(guān)性分析也顯示，土壤微生物量與土壤養(yǎng)分呈不同程度的相關(guān)性[47]，其中與土壤有機質(zhì)呈極顯著相關(guān)。然而土壤是較為復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，土壤微生物量還會受溫度、氣溫、土壤容重等因素的影響，應(yīng)綜合考慮。

土壤微生物生物量隨著季節(jié)的變化而改變，這主要是由于氣溫、凋落物以及土壤微生物與植物對養(yǎng)分的競爭等原因造成的，在不同的生態(tài)系統(tǒng)中，土壤MBC、MBN、MBP含量的季節(jié)變化規(guī)律也不同[48]。就是在相同的生態(tài)系統(tǒng)中，不同生境的土壤中MBC、MBN、MBP含量的季節(jié)變化規(guī)律也不一樣[49]。民勤綠洲退耕地土壤MBC、MBN、MBP含量的季節(jié)變化規(guī)律具有較大差異。不同年限退耕地MBC含量的季節(jié)動態(tài)大致相似，秋季最大，夏季、春季居中，冬季最小。從3月開始隨月份的增大MBC含量逐漸增大，到8—9月達(dá)到峰值，然后隨月份的增大又逐漸減小，12月降為最低值。這是因為進(jìn)入春季，地溫回升，土壤微生物數(shù)量增加、活性提高，解凍后土壤中原有的可溶性有機碳利用分解加強，較多的營養(yǎng)物質(zhì)被微生物固定[50]，土壤MBC含量逐漸升高。不同年限退耕地土壤MBN含量的季節(jié)動態(tài)變化顯現(xiàn)出倒“V”型分布狀況，從3月開始隨月份的增大MBN含量逐漸增大，到6或者9月到達(dá)峰值，后又連續(xù)減小，12月減小到最低值。這一結(jié)果與GARCIA等[51]的研究結(jié)果相似。從3月開始土壤MBP含量逐漸升高，到6或9月達(dá)到峰值，然后隨著月份的增加又持續(xù)降低，12月下降到最低值。退耕初期季節(jié)變化幅度逐漸增大，退耕5 a的時候，0～20 cm土層6月變化幅度達(dá)到最大值，然后變化幅度減小，尤其在退耕15 a后，MBP含量季節(jié)波動幅度很小。這是由于3月植被快速萌發(fā)，攝取了土壤中大量的營養(yǎng)物質(zhì)，所以土壤可溶解有機碳、氮、磷含量急劇減小。在某一水平上造成了與微生物間的營養(yǎng)需求競爭局面，減少了微生物的營養(yǎng)可獲取量，抑制其生存和繁殖，因此MBC、MBN、MBP 含量均降低。進(jìn)入5—6月，由于氣溫升高、大量植物根系活動能力的變強，致使有機質(zhì)礦化作用變大，養(yǎng)分富裕，根系分泌物豐富，微生物生物量增大。土壤取樣時間為2012年9月下旬，正好是研究區(qū)降水量增加的時候，此時又有大量的植物枯枝落葉積累，中午溫度較高，所以研究區(qū)大量的植物枯枝落葉、地表濕潤、溫度較高等自然現(xiàn)象都有利于增強土壤微生物活性，促進(jìn)土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的輸入以及碳水化合物從地上逐漸向地下轉(zhuǎn)移，土壤中微生物可使用的有機質(zhì)逐漸增加，故土壤微生物生物量出現(xiàn)峰值[40]。冬季土壤溫度比較低，低溫抑制了土壤微生物的活性，其代謝隨之變緩，因此土壤微生物生物量下降。在退耕的初期，不同年限退耕地土壤MBP含量的季節(jié)變化幅度逐漸增加，然后季節(jié)變化幅度逐漸減小，尤其是退耕15 a后，土層MBP含量波動較小，基本無季節(jié)變化。這可能是由于退耕后期，土壤的鹽堿化程度加重，pH值明顯升高[52]，在一定程度上抑制了土壤MBP含量對季節(jié)變化的敏感性，使土壤MBP含量在退耕后期隨著季節(jié)的不同幾乎沒有變化。

4 結(jié)論

在甘肅民勤綠洲退耕地自然恢復(fù)過程中，相同年限退耕地表層土壤微生物生物量顯著高于深層土壤；土壤MBC與MBN含量隨著退耕年限的增加，逐漸減小，土壤MBP含量則表現(xiàn)為波動式上升的趨勢，土壤微生物生長的主要限制因子是碳源。不同年限退耕地土壤MBC含量的季節(jié)動態(tài)變化大致相似，冬季最小，夏季與春季居中，秋季最大。MBN含量的季節(jié)動態(tài)呈現(xiàn)出倒“V”型分布的狀態(tài)，從3月開始隨月份的增大MBC含量逐漸升高，到6或者9月到達(dá)峰值，然后隨月份的增大又連續(xù)減小，12月減小到最低值。土壤MBP含量基本表現(xiàn)為秋季、夏季較大，春季居中，冬季最小。在不同的生境中，各類生態(tài)因子的共同作用以及關(guān)鍵生態(tài)因子的主導(dǎo)位置的不同，土壤MBC、MBP含量的季節(jié)變化可能存在著一定的差別。

目前影響干旱沙區(qū)退耕地土壤微生物生物量變化因子的研究還相對薄弱，今后還需加強這方面的研究。但是，從土壤微生物特性來看，退耕4 a時，土壤的熟化程度和土壤肥力水平達(dá)到了最好狀態(tài)。退耕5 a后，土壤的肥力呈相對下降的趨勢。因此，退耕5 a左右是土地修復(fù)、利用及荒漠化治理的關(guān)鍵時期。