黃土高原人工刺槐林土壤碳氮和微生物生物量碳氮特征

［關(guān)鍵詞］ 人工刺槐林；土壤有機(jī)碳；全氮；微生物生物量碳；微生物生物量氮；黃土高原

［摘 要］ 為研究人工刺槐林土壤碳氮和微生物生物量碳氮特征，以黃土高原人工刺槐林為研究對象，分析林下0～10 cm和10～20 cm土層土壤的碳（C）、氮（N）和微生物生物量碳（MBC）、微生物生物量氮（MBN）含量，以及土壤碳、氮和MBC、MBN含量間的關(guān)系。結(jié)果表明：黃土高原人工刺槐林表層（0～10 cm）土壤碳、氮含量平均值分別為6.14、0.67 g/kg，碳氮比為9.16；土壤微生物生物量碳、氮含量平均值分別為287.59、25.17 mg/kg，碳氮含量比值為11.43；土壤微生物碳墑平均值為4.68%，土壤微生物氮墑平均值為3.81%；土壤微生物生物量碳、氮含量與土壤碳、氮含量之間呈顯著正相關(guān)，與土壤pH值呈顯著負(fù)相關(guān)，土壤含水率與土壤碳、氮含量和土壤微生物生物量碳、氮含量呈顯著或極顯著正相關(guān)。

［中圖分類號］ S157" ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A" DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.05.016

黃土高原土壤侵蝕較為嚴(yán)重，大部分地區(qū)土壤侵蝕模數(shù)超過1 000 t/（km2·a），巨大的侵蝕量導(dǎo)致該區(qū)生態(tài)環(huán)境極其惡劣，影響當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境安全[1]。為改善黃土高原生態(tài)環(huán)境，自20世紀(jì)90年代起，我國開始實(shí)施大面積的退耕還林還草工程。刺槐具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和良好的抗逆能力，成為治理黃土高原水土流失的主要樹種，在改善自然環(huán)境和土壤肥力、固碳、涵養(yǎng)水源等方面均發(fā)揮了一定作用[2-3]。土壤碳（C）、氮（N）及微生物生物量碳（MBC）、微生物生物量氮（MBN）是衡量土壤質(zhì)量和活性的重要化學(xué)指標(biāo)[4-6]。土壤碳、氮在調(diào)控土壤養(yǎng)分循環(huán)方面扮演著重要角色，MBC和MBN作為土壤最活躍的碳、氮庫之一，對土壤能量循環(huán)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化起著重要作用[7]。刺槐是全球主要的造林樹種，其數(shù)量和規(guī)模僅次于桉樹，具有抗干旱、耐貧瘠的特點(diǎn)，適宜生長在年均降水量500 mm以上的地方。目前，在黃土高原地區(qū)針對刺槐的研究主要集中在刺槐的生長特性、土壤水分及生態(tài)水文作用等方面[8-10]，而涉及刺槐林下土壤碳氮和微生物生物量碳氮的研究較少。本研究以黃土高原人工刺槐林為研究對象，研究林下土壤碳氮和微生物生物量碳氮特征，以期為揭示碳氮元素在人工林生態(tài)系統(tǒng)生物化學(xué)循環(huán)中的動態(tài)平衡機(jī)制、提高脆弱生境土壤碳氮庫穩(wěn)定性提供相關(guān)參考，為黃土高原人工刺槐林的健康經(jīng)營和土壤養(yǎng)分管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)屬于黃土高原地區(qū)，地理位置為34°42′～37°32′N、104°05′～111°09′E，海拔867～1 798 m。黃土高原呈現(xiàn)西北較高、東南較低的地勢，中部是丘陵溝壑區(qū)，西部是高塬溝壑區(qū)，東南部主要是山石區(qū)，北部主要是草原區(qū)。氣候類型為大陸性季風(fēng)氣候，夏季多暴雨，冬季多風(fēng)沙。該區(qū)無霜期120～250 d/a，≥10 ℃積溫2 300～4 500 ℃。

1.2 樣品采集與分析

采用隨機(jī)取樣法，在山西、陜西、寧夏、甘肅四?。▍^(qū)）選取沿路出現(xiàn)的11個典型人工刺槐林布設(shè)采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)位置分布見圖1。樣品采集時間為2020年7月下旬，為了減少交通的影響，采樣點(diǎn)選擇在遠(yuǎn)離公路的地方。在每個人工林采樣點(diǎn)設(shè)置100 m2（10 m×10 m）的樣方3個。在每個樣方內(nèi)用S形五點(diǎn)取樣法采集土壤樣品，清除土壤表面的枯枝落葉，用土鉆分別采集0～10、10～20 cm土層樣品。將采集的土樣混勻，裝袋密封帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。

1.3 樣品測定

采用重鉻酸鉀-外加熱法測定土壤有機(jī)碳（SOC）含量，凱氏定氮法測定土壤全氮（TN）含量，氯仿熏蒸-K2SO4浸提-TOC分析儀（Phoenix，800TOC）測定MBC含量，氯仿熏蒸-K2SO4浸提-過硫酸鉀氧化法測定微生物生物量氮MBN含量[11]。計算式分別為

QMBC=EC/KEC（1）

QMBN=EN/KEN （2）

式中：EC、EN分別為熏蒸土樣和未熏蒸土樣浸提液中碳、氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差值，單位mg/kg；KEC和KEN均為轉(zhuǎn)換系數(shù)，分別取值0.38、0.45;QMBC、QMBN分別為微生物生物量碳和氮含量，單位mg/kg。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2009和SPSS 19.0進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析整理，用OriginPro 2022作圖。采用Pearson相關(guān)分析（α=0.05）對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤碳、氮含量特征

碳、氮是組成土壤的重要元素，是表征土壤內(nèi)部元素循環(huán)和平衡特性的主要參數(shù)，對維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性具有深遠(yuǎn)意義[12]。表1為刺槐林土壤SOC和TN含量。由表1可知，人工刺槐林表層土壤（0～10 cm）SOC含量平均值為6.14 g/kg，TN含量平均值為0.67 g/kg，低于楊佳佳等[13]研究的陜西省刺槐林土壤碳氮含量（分別為10.20 g/kg和0.92 g/kg）。隨著土層深度的增加，土壤SOC和TN含量降低，其中10～20 cm土層SOC和TN含量較0～10 cm土層SOC和TN含量降低24.6%和19.4%，土壤碳、氮元素含量受土壤深度的影響較明顯，這是因?yàn)橥寥辣韺优c外界環(huán)境直接接觸，地表凋落物、動植物殘體、植物根系及微生物作用等對有機(jī)碳在土壤表層的積累起促進(jìn)作用[14-15]。一般來說，土壤碳氮比越低，土壤礦化速度越快，二者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[16]。本研究中刺槐林土壤表層碳氮比為9.16，低于10～12的全國平均碳氮比水平，說明黃土高原刺槐林土壤碳源礦化速度較快[17]。

2.2 土壤微生物生物量碳、氮特征

MBC和MBN分別是土壤中較為活躍的碳庫和氮庫，能夠快速調(diào)控土壤的養(yǎng)分循環(huán)和積累，及時反映土壤有機(jī)質(zhì)和氮素的變化特征，對環(huán)境的變化較為敏感，在陸地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動中具有重要意義。圖2為不同土層黃土高原人工刺槐林土壤MBC、MBN含量。在本研究中，黃土高原人工刺槐林表層土壤（0～10 cm）MBC含量平均值為287.59 mg/kg，MBN含量平均值為25.17 mg/kg，低于賈培龍等[18]研究的黃土高高原森林帶土壤MBC和MBN含量（分別為354.51、35.53 mg/kg）。隨著土層深度的增加，土壤MBC和MBN含量均降低，其中10～20 cm土層MBC和MBN含量較0～10 cm土層MBC和MBN含量分別低24.6%和50.7%，這是因?yàn)榈乇砜萋湮镙^多，土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮及水分含量較高，通氣性好，有利于土壤微生物的生長繁殖[19-20]。土壤QMBC/QMBN是反映土壤微生物的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)的指標(biāo)，在以真菌為主的微生物群落中，QMBC/QMBN一般為7～12，在以細(xì)菌為主的微生物群落中，QMBC/QMBN一般為3～6[21]。黃土高原刺槐林下土壤MBC/MBN為11.43，說明黃土高原刺槐林土壤微生物以真菌為主，細(xì)菌較少。

2.3 土壤微生物生物量碳、氮與土壤碳、氮含量的關(guān)系

土壤微生物生物量碳、氮占土壤有機(jī)碳、全氮的比例稱為土壤微生物碳墑和氮墑。土壤微生物碳墑值越大，土壤SOC周轉(zhuǎn)越快，微生物固定的SOC越多[22]。一般土壤微生物碳墑的值為1%～4%。圖3為不同土層刺槐林土壤微生物碳墑和氮墑。由圖3可知，黃土高原刺槐林表層土壤微生物碳墑平均值為4.68%，表明黃土高原刺槐林土壤微生物固定的有機(jī)碳較多，土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)速度較快；刺槐林表層土壤微生物氮墑平均值為3.81%，略低于曾全超等[21]研究的黃土丘陵區(qū)刺槐林下土壤微生物氮墑（0～5 cm為4.15%，5～20 cm為3.82%）。隨著土層深度的增加，土壤微生物碳墑和氮墑降低，其中10～20 cm土層土壤微生物碳墑和氮墑較0～10 cm土層土壤微生物碳墑和氮墑低19.9%和10.6%。

土壤微生物生物量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析表明土壤MBC和MBN含量均與SOC、TN含量之間呈顯著或極顯著正相關(guān)（見表2）。研究結(jié)果與賈偉等[23]的一致，說明土壤碳氮之間緊密相連，土壤MBC、MBN含量可作為衡量土壤養(yǎng)分的敏感性指標(biāo)，表征土壤質(zhì)量和肥力。研究還發(fā)現(xiàn)土壤MBC和MBN與pH值呈顯著負(fù)相關(guān)，土壤pH值增加不利于土壤微生物的生長繁殖。土壤SOC、TN和土壤MBC、MBN含量與土壤含水率呈顯著或極顯著正相關(guān)，這是因?yàn)橥寥赖暮蕰ν寥赖奈⑸锘钚援a(chǎn)生影響，從而影響有機(jī)質(zhì)的分解速度，進(jìn)而影響土壤養(yǎng)分及微生物生物量[24]，這與賈培龍等[18]的研究結(jié)果一致。

3 結(jié)論

1）黃土高原人工刺槐林表層土壤SOC、TN含量平均值分別為6.14、0.67 g/kg，隨著土層深度的增加，土壤SOC、TN含量均降低；刺槐林表層土壤碳氮比為9.16，低于全國土壤碳氮比平均水平，說明黃土高原人工刺槐林土壤碳源、有機(jī)質(zhì)分解和礦化速度較快。

2）黃土高原人工刺槐林表層土壤MBC和MBN含量平均值分別為287.59、25.17 mg/kg，隨著土層深度的增加，土壤MBC和MBN含量均降低；刺槐林表層土壤QMBC/QMBN為11.43，黃土高原人工刺槐林土壤微生物以真菌為主，細(xì)菌較少。

3）人工刺槐林表層土壤微生物碳墑平均值為4.68%，土壤微生物氮墑平均值為3.81%；隨著土層深度的增加，土壤微生物碳墑和氮墑均降低；土壤MBC和MBN含量與SOC、TN含量之間均呈顯著正相關(guān)，土壤MBC和MBN含量與土壤pH值均呈顯著負(fù)相關(guān)，土壤碳、氮和土壤MBC、MBN含量與土壤含水率均呈顯著或極顯著正相關(guān)。

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基金項(xiàng)目： 甘肅省科技廳自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21JR7RE906）；甘肅省教育廳創(chuàng)新基金項(xiàng)目（2023A-247）

第一作者： 唐志紅（1973—），女，甘肅天水人，教授，學(xué)士，主要從事水土保持與沙漠化防治研究工作。

通信作者： 文倩（1974—），女，河南鄭州人，教授，博士，主要從事土壤生態(tài)與質(zhì)量研究工作。E-aiml： q.wen@henau.edu.cn

（責(zé)任編輯 楊傲秋）

[引用格式] 唐志紅，范以撒，廖永峰，等.黃土高原人工刺槐林土壤碳氮和微生物生物量碳氮特征[J].中國水土保持，2024（5）：55-58.