中天山北麓不同草地類型微生物量及理化性質垂直地帶性特征

趙高山,司艷娥, 孔都斯·帕爾哈提,艾克拜爾·伊拉洪

(新疆農業(yè)大學資源與環(huán)境學院, 烏魯木齊 830052)

【研究意義】土壤是最大的陸地碳庫,為人類和自然群落提供基本功能和服務。新疆占我國國土面積的1/6,擁有豐富的物產(chǎn)資源,包含廣袤的草地面積,牧草草地面積約占全國草地面積的1/5[1]。天然草地為草原畜牧業(yè)的蓬勃發(fā)展提供充分條件,然而全疆天然草地面積的一半在北疆[2]。草地是本試驗區(qū)的主要自然生態(tài)系統(tǒng),是該地區(qū)畜牧業(yè)及經(jīng)濟發(fā)展的重要依托資源,對及時迅速估算出草原產(chǎn)草量對預防草地退化、避免放牧過度、維持草原生態(tài)穩(wěn)態(tài)、確保畜牧業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[3]?！厩叭搜芯窟M展】草地土壤碳庫是我國一個重要的碳匯[4],高寒草甸、高寒草原與溫性草原的土壤有機碳儲備量占我國草地總碳儲備量的一半。土壤微生物量是土壤有機碳中活性最強的部分,包含微生物量碳、氮、磷。微生物量碳含量只占總有機碳的1%～4%[5],但對土壤可利用養(yǎng)分來說,卻是重要的源和庫。由于土壤微生物量碳能對外部環(huán)境變化做出迅速響應,因此它的含量和分布易受地形、植被、水分、溫度、海拔及不同土地類型影響[6]。目前我國對微生物生物量的研究主要集中在森林土壤生境、土壤污染治理以及農田土壤肥力評估等方面[7-8]。王豐[9]在武夷山對4種不同海拔植被的研究中得出,微生物量碳隨海拔升高而增加,且高山草甸>亞高山矮林>針葉林>常綠闊葉林,李聰?shù)萚10]在文山的研究也得出一致結論;而王寧等[11]在長白山的研究卻得出微生物量碳隨海拔升高先增加后減少;甚至Mendoza等[12]在厄瓜多爾亞馬遜地區(qū)的研究得出微生物量隨海拔升高而降低。殷睿等[13]在四川西部的研究得出,微生物量氮、全氮隨海拔變化趨勢一致,均隨海拔升高而降低,Bayranvand等[14]在伊朗北部的阿爾博茲山脈的研究也得出一致結論。姚蘭等[15]在黃山的研究卻得出不同結論,他們認為,微生物量氮、溶解性有機氮隨海拔升高而增加,這與Arunachalam等[16]的結論一致。楊起帆等[17]在江西官山的研究得出,土壤微生物量氮、溶解性有機氮含量隨海拔升高呈先增加后降低的變化趨勢。Klimek等[18]在喀爾巴阡山脈西部的研究指出,土壤活性氮組分受海拔、溫度、濕度、微生物群落結構等因素影響,但其具體機制還需進一步研究?！颈狙芯壳腥朦c】天山北坡的山地垂直自然帶譜具有完整性、典型性,是進行垂直地帶性研究的理想研究地[19]。查閱相關報道可以找到該地區(qū)地上部分生物量相關的研究[20-21],但對土壤微生物量的研究資料較少?！緮M解決的關鍵問題】本研究以中天山北麓不同海拔、不同草地類型草原土壤為研究對象,進行土壤微生物量及理化性質的測定,探究土壤微生物量及理化性質的空間分布特征和土壤微生物量的影響因子,為該區(qū)草原生態(tài)系統(tǒng)的合理使用、草原生態(tài)系統(tǒng)的恢復提供科學依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料和樣地

本試驗在烏魯木齊縣進行采樣,地處天山北麓。選擇海拔1500～3000 m的草原進行采樣(43.20°～43.55° N,87.11°～87.33° E)。按照許鵬主編的《新疆草地資源及其利用》[22],根據(jù)不同草地類型分布的海拔差異性可劃分為不同海拔區(qū)間(表1)。

表1 采樣點基本情況

1.2 取樣方法

2021年6月調查取樣。每隔海拔100 m為一個試驗點,在同一個海拔高度選取3個樣點[23], 水平距離間隔為100 m,挖掘土壤剖面采集土樣,分別采取0～20、20～40、40～60 cm 3個土層的土樣,共計144個土樣。挑出植物根系、較大的石礫后,同一海拔、同一土層土樣混勻后土樣分為兩部分:部分用于土壤微生物量的測定,部分在室內攤開經(jīng)過自然風干后過篩,用于土壤理化性質的測定。

1.3 測定方法

1.3.1 土壤微生物量測定 土壤微生物量采用氯仿熏蒸法[24]測定,微生物量碳(Microbial biomass carbon,MBC)采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定,微生物量氮(Microbial biomass nitrogen,MBN)采用茚三酮比色法測定。

1.3.2 土壤理化性質測定 土壤理化性質的測定參考鮑士旦主編《土壤農化分析》第三版[25]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用Microsoft Excel 2019進行數(shù)據(jù)記錄與預處理,SPSS 25.0進行單因素分析方差分析(One-way ANOVA),Origin 2021繪圖,圖表中數(shù)據(jù)均為平均值±標準偏差。

2 結果與分析

2.1 不同草地類型微生物量的空間分布特征

溫性荒漠草原土壤微生物量碳、氮含量(圖1)在海拔1500～1700 m范圍內隨海拔升高表現(xiàn)出先降后升趨勢,呈“V”型曲線,并在海拔1700 m分別達到(883.26±34.77) 和(108.57±3.43) mg/kg的最大值,而在海拔1600 m分別達到(366.93 ±31.78)和(8.98±0.39) mg/kg的最小值。 0～20 cm土層中,海拔1700、1500 m的微生物量碳含量顯著高于1600 m(P<0.05,下同);20～40、40～60 cm土層中,海拔1700 m的微生物量碳含量顯著高于其他海拔。在微生物量氮含量方面,各土層微生物量氮含量在海拔1700 m處顯著高于1500、1600 m,且各土層之間差異顯著。

MBC:土壤微生物量碳;MBN:土壤微生物量氮。不同大寫字母表示同一海拔不同土層土壤微生物量之間差異顯著(P<0.05);不同小寫字母表示同一土層不同海拔土壤微生物量之間差異顯著。下同。MBC:Soil microbial biomass C;MBN:Soil microbial biomass N.Different capital letters indicate significant difference of soil microbial biomass in different soil layers at the same altitude (P<0.05).Different lowercase letters indicate significant difference of soil microbial biomass in the same soil layer at different elevations.The same as below.圖1 溫性荒漠草原不同海拔微生物量碳(a)、氮(b)空間分布Fig.1 Spatial distribution of carbon (a) and nitrogen (b) of microbial biomass at different altitudes in temperate desert steppe

如圖2所示,溫性草甸草原土壤微生物量碳、氮含量在海拔1800～2000 m范圍內隨海拔升高呈先降后升趨勢。其含量在海拔1800 m分別達到(2014.71±39.21) 和(191.96±1.05) mg/kg的最大值,而在1900 m處分別達到(366.93±31.78)和(15.56±0.61) mg/kg的最小值。0～20、20～40 cm土層中,海拔1800 m處微生物量碳含量顯著高于1900、2000 m;40～60 cm土層微生物量碳含量在海拔1800、2000 m差異不顯著,但均顯著大于1900 m。在微生物量氮含量方面,各土層微生物量氮含量在海拔1800 m顯著高于1900、2000 m。

圖2 溫性草甸草原不同海拔微生物量碳(a)、氮(b)空間分布Fig.2 Spatial distribution of carbon (a) and nitrogen (b) of microbial biomass at different altitudes in temperate meadow steppe

從圖3可見,山地草甸土壤微生物量碳、氮含量在海拔2100～2500 m范圍內呈先升后降趨勢。其含量在海拔2200 m分別達到(2715.73±39.53)和(268.11±15.84) mg/kg的最大值,而在海拔2500 m處分別達到(316.07±39.10)和(14.57±0.84)mg/kg的最小值。0～20、20～40 cm土層微生物量碳含量在海拔2200 m顯著高于其他海拔。40～60 cm土層微生物量碳含量在海拔2200 m顯著高于其他海拔。在微生物量氮含量方面,0～20 cm土層微生物量氮含量顯著高于其他土層,且在海拔2200 m處顯著高于其他海拔。

圖3 山地草甸不同海拔微生物量碳(a)、氮(b)空間分布Fig.3 Spatial distribution of carbon (a) and nitrogen (b) of microbial biomass at different altitudes in mountain grassland

高寒草甸土壤微生物量碳、氮含量(圖4)在海拔2600～3000 m范圍內呈先升后降趨勢。其含量在海拔2900 m分別達到(3324.10±83.10)和(343.11±3.67)mg/kg的最大值,而在海拔2600 m分別達到(569.54±35.23)和(29.00±0.22)mg/kg的最小值。0～20 cm土層微生物量碳含量在海拔2900 m處顯著高于其他海拔,且其它海拔之間微生物量碳含量差異顯著;20～40、40～60 cm土層微生物量碳含量在海拔2900 m處均顯著高于其他海拔。在微生物量氮含量方面,所有土層的微生物量氮含量在海拔2900 m處顯著高于其他海拔。

圖4 高寒草甸不同海拔微生物量碳(a)、氮(b)空間分布Fig.4 Spatial distribution of carbon (a) and nitrogen (b) of microbial biomass at different altitudes in alpine meadow

綜上,土壤微生物量受草地類型、海拔高度、土層深度顯著影響。土壤微生物量碳、氮含量在海拔1500～3000 m范圍內波動變化,總體上呈先增后降趨勢。土壤微生物量碳、氮含量在0～60 cm土層范圍內隨土層深度加深顯著降低。土壤微生物量碳、氮含量在不同草地類型分布特征為:高寒草甸>山地草甸>溫性草甸草原>溫性荒漠草原。

2.2 不同草地類型土壤物理性質空間分布特征

從表2可知,在溫性荒漠草原中,除0～20 cm土層外,土壤含水量隨海拔升高呈先降后升趨勢,最大值為18.48%±0.04%,除海拔1600 m外,40～60 cm土層含水量顯著高于其它土層。土壤容重隨海拔升高呈先降后升趨勢,最大值為(1.37±0.02)g/m3。除海拔1600 m外,0～20 cm土層土壤容重顯著高于其它土層。

表2 土壤物理性質空間分布

溫性草甸草原的土壤含水量除20～40 cm土層外,隨海拔呈先降后升趨勢,最大值為28.37%±0.04%。土壤容重除40～60 cm土層外,隨海拔升高而降低,最大值為(1.13±0.03) g/m3。

在山地草甸中,除40～60 cm土層外,土壤含水量隨海拔升高呈先降后升趨勢,最大值為41.10%±0.02%。除40～60 cm土層外,土壤容重隨海拔升高呈先升后降趨勢,最大值為(1.23 ±0.03)g/m3。

高寒草甸土壤含水量隨海拔變化呈“雙峰曲線”,最大值為69.14%±0.04%,除海拔2600 m外,20～40 cm土層土壤含水量顯著高于其余土層。土壤容重隨海拔變化也呈“雙峰曲線”,最大值為(0.53± 0.04)g/m3。

綜上,土壤理化性質隨海拔增加呈明顯的異質性,土壤容重隨海拔升高而降低,在不同土層間變化趨勢不明顯。土壤含水量隨海拔升高波動增加,在不同海拔間差異顯著。土壤容重平均值在不同草地類型間呈現(xiàn):高寒草甸<山地草甸<溫性草甸草原<溫性荒漠草原。土壤含水量平均值在草地類型間呈現(xiàn):高寒草甸>山地草甸>溫性草甸草原>溫性荒漠草原。

2.3 不同草地類型土壤化學性質空間分布特征

從表3可知,在溫性荒漠草原中,除0～20 cm土層外,土壤堿解氮隨海拔升高而升高,其最大值為(49.58 ±0.12) mg/kg。此外,各海拔中堿解氮含量隨土層深度增加而顯著減少。除40～60 cm土層外,土壤全氮含量隨海拔升高而升高,最大值為(0.31±0.00)g/kg。此外,各海拔中土壤全氮含量隨土層深度增加呈顯著降低趨勢。在土壤有機質含量方面,除0～20 cm土層外,有機質含量隨海拔升高呈先降后升趨勢,最大值為(44.27±0.19) g/kg,且在各海拔中,土壤有機質含量隨土層深度增加呈顯著降低趨勢。土壤pH隨海拔升高呈先升后降趨勢,最大值為(8.81±0.19)。

表3 土壤化學性質空間分布

在溫性草甸草原中,土壤堿解氮、全氮、有機質含量均隨海拔升高呈先降后升趨勢,且差異顯著,最大值分別為(127.25±0.24)mg/kg、(0.65±0.02)g/kg、(10.35±0.27) g/kg。另外在各海拔中土壤堿解氮、全氮、有機質含量隨土層深度增加顯著降低。pH隨海拔升高呈先升后降趨勢,最大值為8.42±0.07。

在山地草甸中,土壤堿解氮、全氮、有機質含量隨海拔增加呈“N”型曲線變化,最大值分別為(198.97±2.53) mg/kg、(1.39±0.05)g/kg、(95.59±0.52)g/kg,且在各海拔中,土壤堿解氮、全氮、有機質含量隨土層深度增加呈顯著降低趨勢。

在高寒草甸中,除0～20 cm土層外,土壤堿解氮含量隨海拔增加呈降—升—降的趨勢,最大值為(288.22±2.53)mg/kg。此外,各海拔中土壤堿解氮含量隨土層深度增加呈顯著降低趨勢。土壤全氮、有機質含量隨海拔升高呈先升后降趨勢,最大值分別為(1.58±0.01)、(134.53±0.39) g/kg,且在各海拔中,土壤全氮、有機質含量隨土層深度增加而顯著降低。土壤pH除20～40 cm土層外,其值隨海拔變化呈“N”型曲線,最大值為6.88±0.05。

綜上,土壤含水量、有機質、全氮、堿解氮含量隨海拔升高而波動增加,在不同海拔間差異顯著。土壤含水量、有機質、全氮、堿解氮含量隨土層深度加深而顯著降低。在海拔1500～3000 m區(qū)間內,土壤有機質含量區(qū)間為9.38～134.53 g/kg;全氮含量區(qū)間為0.01～1.58 g/kg;全磷含量范圍為0.27～1.33 g/kg。土壤有機質、全氮、堿解氮含量平均值在草地類型間呈現(xiàn)為:高寒草甸>山地草甸>溫性草甸草原>溫性荒漠草原。

2.4 不同土層微生物量與理化性質相關性分析

從表4可知,通過對0～20 cm土層土壤微生物量與土壤理化性質進行相關分析,微生物量碳、氮含量與海拔呈極顯著正相關(P<0.01,下同);微生物量碳、氮含量與有機質、全氮、堿解氮含量均呈極顯著正相關。微生物量碳含量與pH、容重呈極顯著負相關。微生物量氮含量與微生物量碳呈極顯著正相關,與pH、容重呈顯著負相關。

表4 0～20 cm土層微生物量與理化性質相關性

從表5可知,20～40 cm土層土壤微生物量碳、微生物量氮含量與海拔呈極顯著正相關;微生物量碳、微生物量氮含量與有機質、全氮、堿解氮、含水量呈極顯著正相關。微生物量碳含量與pH、容重呈極顯著負相關。微生物量氮含量與微生物量碳呈極顯著正相關,與pH呈顯著負相關。

表5 20～40 cm土層微生物量與理化性質相關性

從表6可知,通過對40～60 cm土層土壤微生物量與土壤理化性質進行相關性分析發(fā)現(xiàn),40～60 cm土層,微生物量碳、微生物量氮含量與海拔呈極顯著正相關;微生物量碳、微生物量氮含量與土壤有機質、全氮、堿解氮呈極顯著正相關。微生物量碳含量與pH、容重呈極顯著負相關。微生物量氮含量與微生物量碳、土壤含水量分別呈現(xiàn)極顯著和顯著正相關。

表6 40～60 cm土層微生物量與理化性質相關性

綜上,微生物量碳、微生物量氮、土壤有機質、全氮、堿解氮、含水量均與海拔呈極顯著正相關。微生物量碳、氮含量與土壤有機質、全氮、堿解氮、含水量、海拔呈極顯著正相關。土壤容重、pH、碳氮比、微生物量碳氮比均與海拔呈顯著負相關。因此海拔是影響土壤微生物量、土壤理化性質的重要因子。

3 討 論

3.1 不同草地類型微生物量分布差異

溫性荒漠草原土壤微生物量碳、氮含量平均值分別為610.91、37.23 mg/kg;溫性草甸草原土壤微生物量碳、氮含量平均值分別為930.25、66.38 mg/kg;山地草甸土壤微生物量碳、氮含量平均值分別為973.84、 98.61 mg/kg;高寒草甸土壤微生物量碳、氮含量平均值分別為1372.35、110.08 mg/kg。不同草地類型微生物量分布特征為:高寒草甸>山地草甸>溫性草甸草原>溫性荒漠草原。這一結果與康健[26]在賀蘭山的研究結果一致。導致該結果一方面是因為隨著海拔逐漸升高、溫度逐漸降低、濕度逐漸升高從而導致不同草地類型土壤微生物量分布呈現(xiàn)差異[27];另一方面是因為各草地類型的土壤類型不同,高寒草甸、山地草甸的土壤類型為黑鈣土,溫性草甸草原、溫性荒漠草原為栗鈣土,而黑鈣土的土壤有機碳含量顯著高于其他土壤類型,并且土壤微生物量與土壤總有機碳含量呈顯著正相關(P<0.05),從而導致高寒草甸、山地草甸土壤微生物量碳、氮含量顯著高于溫性草甸草原、溫性荒漠草原(P<0.05),這與吳小剛等[28]的研究結果一致。此外,隨著地上植被覆蓋度、土壤含水量增加,導致土壤中粘粒所占比例提高,沙粒含量持續(xù)降低,使土壤團聚體的水穩(wěn)定性團粒含量增加[29],為土壤有機質的累積提供有利條件,進而導致土壤微生物量在高寒草甸更高。

3.2 微生物量在土壤中的垂直分布差異

0～20 cm土層微生物量碳、氮含量范圍為(601.50～3324.10)、(22.00～343.11) mg/kg;20～40 cm土層微生物量碳、氮含量范圍為(522.60～1567.88)、(14.95～179.99) mg/kg;40～60 cm土層微生物量碳、氮含量范圍為(316.07～751.07)、(8.98～96.50 )mg/kg。土壤微生物量隨土層深度增加而顯著降低(P<0.05),這與前人研究結果一致[30-34]。一方面可能是因為表層土壤有適宜植物根系生長發(fā)育的水、氣條件和光照強度,使得表層土壤植物根系密集,且根系會不斷從根尖向土壤中分泌多糖、酚類、有機酸等多種物質[35],導致微生物可利用的資源豐富,使得微生物量增加;另一方面可能是因為地上部分的枯枝敗葉腐解增加表層土壤的養(yǎng)分含量,從而使土壤微生物擁有更加適宜繁衍的生存環(huán)境,進而提高微生物量,這與杜會石等[36]的研究結果一致。

3.3 微生物量的海拔分布差異

微生物量碳、氮含量隨海拔的變化范圍分別為(316.07～3324.10)、(8.98～343.11)mg/kg,總體呈先增后減的變化趨勢,這與前人研究結果一致[37-38]。一方面可能是因為隨著海拔逐漸升高引起土壤水分逐漸增加、溫度逐漸降低,這些環(huán)境因子改變導致土壤微生物的生物活性增強,從而使微生物繁殖擴散,土壤微生物量增加;然而當這些條件變化達到某一閾值時就會降低土壤微生物的生物活性從而使得微生物數(shù)量減少,土壤微生物量降低[39];另一方面可能是因為隨著海拔升高引起的溫度降低與含水量增加導致枯落物與動物排泄物等腐解速度變慢,使它們以有機質的形態(tài)累積在土壤中,使微生物量增加,這與Lovell等[40]的研究結果相一致。雖然海拔升高導致高寒草甸地區(qū)溫度低于溫性荒漠草原,但微生物量受溫度降低的脅迫效應低于地上生物量增加的影響,因此高寒草甸土壤微生物量顯著高于溫性荒漠草原。海拔對微生物量的影響是復雜的,海拔通過影響土壤的基本理化性質如:pH、含水量、有機質含量等來間接引起微生物量的變化。

3.4 影響微生物量的生態(tài)因子

通過對微生物量、土壤理化性質和海拔的相關性進行分析,土壤微生物量與有機質、全氮、堿解氮、海拔高度均呈極顯著正相關(P<0.01,下同),與含水量呈正相關。土壤微生物量與土層深度呈顯著負相關,與pH、容重值呈不同程度負相關。Taylor等[41]發(fā)現(xiàn),土壤微生物量與土壤pH負相關,本試驗結果與其吻合,其原因可能是pH升高會抑制土壤微生物的生物活性從而使微生物量降低。李榮等[42]在哈尼梯田的研究發(fā)現(xiàn),土壤微生物量與土壤容重呈負相關,這與本研究結論一致。隨著海拔升高,土壤有機質累積使土壤全氮、堿解氮含量隨之升高,使土壤維持在一個肥沃狀態(tài)導致微生物量增加。谷雪景等[43]在內蒙古典型草原的研究表明,土壤微生物量與土壤有機質、全氮、堿解氮含量均呈極顯著正相關,這也與本試驗結果一致,趙春梅等[44]在對不同母質發(fā)育的橡膠林土壤微生物特征研究中也得到了相同結果。綜上,土壤微生物生物量受海拔、草地類型、土壤理化性質的影響較大,但其響應機制仍需進一步探究。

4 結 論

(1)土壤微生物量在不同草地類型的分布特征為高寒草甸>山地草甸>溫性草甸草原>溫性荒漠草原。

(2)土壤微生物量在海拔1500～3000 m范圍內,隨海拔升高呈先升后降的變化趨勢。土壤微生物量碳、氮含量隨海拔的變化范圍分別為(316.07～3324.10)、(8.98～343.11)mg/kg。在0～60 cm土層中,土壤微生物量隨土層深度增加而顯著減少。

(3)土壤微生物量與有機質、全氮、堿解氮和土壤含水量呈極顯著正相關(P<0.01)。土壤微生物量與海拔高度呈顯著正相關,與土層深度呈顯著負相關(P<0.05),與pH、容重呈負相關。