薛 萐,李 鵬,李占斌,劉國彬,鄭 郁 (1.西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所,黃土高原侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室,陜西 楊凌 71100；.西安理工大學,西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點實驗室,陜西 西安 710048；3.中國科學院水土保持研究所,陜西 楊凌 71100)

不同海拔對干熱河谷土壤微生物量及活性的影響

薛 萐1,2,3,李 鵬1,2*,李占斌1,2,3,劉國彬1,3,鄭 郁2(1.西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所,黃土高原侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室,陜西 楊凌 712100；2.西安理工大學,西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點實驗室,陜西 西安 710048；3.中國科學院水土保持研究所,陜西 楊凌 712100)

以四川寧南縣金沙江下游的河谷地帶為研究區(qū)域,選擇不同海拔下的土壤為研究對象,研究不同海拔下土壤微生物量及其活性的變異特征.結果表明,在干熱河谷區(qū),海拔對微生物量、基礎呼吸強度、誘導呼吸強度(SIR)影響顯著,且隨著海拔高度的升高,上述指標呈顯著線性增加.在海拔705～1005m處隨著干熱風影響的減少,微生物量及其活性逐漸增加,其后隨著海拔的繼續(xù)升高,干熱風影響降低,微生物量及其活性總體趨于穩(wěn)定.海拔1005～1400m可以作為是干熱風影響的過渡區(qū).微生物量、基礎呼吸強度、SIR具有明顯的干濕季變化且變化規(guī)律相似,其中干季微生物量及其活性顯著低于濕季.干季代謝商(qCO2)隨海拔先降低后升高并趨于穩(wěn)定,濕季沒有顯著差異.干季和濕季土壤微生物量與理化屬性具有較強的相關性,可以作為評價土壤肥力的指標.上述研究結果表明,在金沙江干熱河谷區(qū),干熱風是影響土壤微生物量及其活性的主要因子之一,從生態(tài)恢復角度出發(fā),應該盡可能的減少干熱風和水分對土壤和植被的脅迫作用,促進該區(qū)域生態(tài)的可持續(xù)性發(fā)展.

干熱河谷地區(qū)；海拔；土壤微生物量

土壤作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分,是物質循環(huán)、能量轉換和信息傳遞的核心區(qū)域.土壤微生物直接參與養(yǎng)分循環(huán)、有機質分解等諸多生態(tài)過程,是土壤中物質轉化和養(yǎng)分循環(huán)的驅動力,土壤微生物量是表征土壤生態(tài)系統(tǒng)中物質和能量流動的重要參數(shù),因其運轉周期短,可以靈敏地反映環(huán)境因子、土地經(jīng)營模式和生態(tài)功能的變化過程,常被用來評價土壤質量和反映微生物群落狀態(tài)與功能的變化[1-3].海拔可以反映環(huán)境變化,是影響光、熱、水、氣的因子之一,其直接作用于生境的氣候生態(tài)學特征,并通過影響氣候環(huán)境使土壤物理、化學和生物性質發(fā)生變化,進一步影響植物群落結構和類型的演化[4-5],最終引起生態(tài)系統(tǒng)功能的改變[6].

金沙江干熱河谷是我國西南橫斷山區(qū)河谷深切后形成的一種特有的地理和類型,屬于干旱河谷的一種亞類型,該地區(qū)氣候干旱,水熱極度不平衡.常年來,由于歷史上的采薪煉銅和現(xiàn)代的陡坡墾植以及對自然資源不合理的開發(fā)利用,導致該區(qū)在自然因素和人為因素影響下區(qū)域生態(tài)功能明顯退化,成為我國生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)之一[7-9].長期以來,研究人員對不同海拔下的植被、土壤屬性進行了深入細致地研究,取得了豐富的研究成果[10-13],但由于研究區(qū)域的不同,所得出的結論差異較大,特別是針對干熱河谷地區(qū)海拔對土壤生物學特性影響方面的研究還相對較少.因此,本研究以金沙江干熱河谷地區(qū)不同海拔下的草地為研究對象,從土壤微生物角度探討干濕交替環(huán)境下海拔對土壤微生物量及其活性的影響,以期為認識該地區(qū)水土保持現(xiàn)狀與評價生態(tài)安全和提供科學依據(jù).

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 自然概況

研究區(qū)選擇在寧南縣城以東金沙江下游的河谷地帶.位于東經(jīng)102°54′～103°02′,北緯26°54′～27°09′,年均氣溫 20～27℃,≥10℃年積溫 7 000～ 8 000℃,年日照時數(shù) 2 179～2 736 h,為多日照區(qū);年降水量 600～800 mm;干濕季分明,干季蒸發(fā)量可達降水量的 20倍以上,土壤水分嚴重缺失,相對持水量和有效水分保證率較低;土壤類型以抗蒸發(fā)能力弱的燥紅土為主,還含有褐紅壤、赤紅壤、紫色土等;主要植被以干熱河谷灌叢和稀樹灌木草叢為主,其中草本植物的代表有:扭黃茅(Heteropogon contortus P.Beauv)、香茅(Cymbogon distens)、龍須草(Eulaliopsis binata Hubbard)等;灌木有:車桑子(Dodonaeoan gustifolia)、余甘子(Phyllanthus emblica L)、仙人掌(Opuntia monacantha Haw)、番石榴(Psidium guajava Linn)等;喬木有:攀枝花(Bombax ceiba L)、新銀合歡(Leucaena leucocephala (Lam. ) de Wit cv. Salvador)、水桐樹(Camptotheca acuminata)、刺槐(Robinia pseudo-acacia L)等.

1.2 樣品采集及分析

在2008年4月(干季)和10月(雨季)中旬,通過野外植被調(diào)查,在研究區(qū)選擇一典型坡面,按照海拔高度從705～1500m選取典型草地7塊(每塊樣地海拔相差100m左右)和海拔1585m云南松林一塊(海拔1500m以上通常被認為是很難受干熱風影響的海拔下限)為研究對象,樣地基本特征見表 1.為了盡可能消除地形和人類活動等因素對土壤特性的影響,所選取的樣地確保是在坡位坡度相似的迎風坡面.每個海拔選擇3個樣地,每個樣地按S型選取7個樣點,挖取0～20cm深度的土壤樣品,充分混合均勻后用四分法取出適量備用,因為樣方間的距離超過了絕大多數(shù)土壤理化性質和微生物性質的空間依賴性[14],所以上述樣方可以看作是真重復.土壤樣品帶回室內(nèi)充分混勻后分成兩份,1份土樣風干、過1mm和0.25mm篩后測定土壤基本化學性質[15],具體結果略.另1份鮮樣過2mm篩用于測定土壤微生物量和呼吸強度,采用氯仿熏蒸法,熏蒸后用硫酸鉀浸提,用全自動有機碳分析儀測定微生物量碳,用全自動定氮儀測定微生物量氮[16-17];土壤呼吸強度采用堿液吸收法;土壤誘導呼吸強度(SIR)采用基質誘導法;代謝商(qCO2)通過計算基礎呼吸強度與微生物量碳的比率得出[18].

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)為3個重復的平均值,采用SAS 6.12軟件中的單因素方差分析(ANOVA)方法分析差異顯著性, 相關分析也采用SAS 6.12軟件進行.

表1 樣地基本特征Table 1 Description of the sampling plots

2 結果與分析

2.1 不同海拔對土壤微生物量的影響

隨著海拔高度的升高,土壤微生物量碳(SMBC)呈現(xiàn)顯著線性變化,并具有明顯的干濕季變化且規(guī)律相似(圖1).整體來說從海拔705～920m 變化不顯著,隨后顯著增加,1005～1500m基本趨于穩(wěn)定,和 1580m處的松樹林沒有顯著差異,回歸分析表明隨海拔的升高,微生物量碳均呈顯著升高趨勢.

干季隨著海拔的升高微生物量氮(SMBN)逐漸緩慢增加,在海拔1005m時較705m處增幅達到顯著水平,隨后趨于穩(wěn)定,回歸分析表明SMBN與海拔呈顯著線性關系.濕季 SMBN在海拔805m處較 705m處增幅達到顯著水平,隨后從805～1235m基本穩(wěn)定,1235～1400m又呈現(xiàn)顯著增加,1400～1585m呈極緩慢增加趨勢,增幅沒有達到顯著水平,回歸分析表明SMBN隨海拔升高呈現(xiàn)顯著的線性增長關系.相同海拔下的SMBC和SMBN在濕季要明顯高于干季,且無論在干季還是濕季,海拔1500m的草地和海拔1585m的松樹林二者差異均未達到顯著水平.

2.2 不同海拔對土壤呼吸強度的影響

如圖2所示,土壤基礎呼吸強度隨海拔升高呈對數(shù)增長.其中干季在海拔705～1005m之間雖有升高,但未達到顯著差異,1005～1400m之間較705m顯著升高,隨后呈現(xiàn)波動式上升,1585m的松樹林達到最大值,但是和1500m的草地沒有顯著差異.濕季在海拔 805m時增幅即達到顯著水平,隨后呈緩慢波動式上升,但增幅未達到顯著水平,1585m的松林略高于1500m的草地,方差分析未達到顯著水平.相同海拔下的濕季土壤基礎呼吸強度略高于干季.基質誘導呼吸(SIR)隨海拔升高也呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律(圖 3).干季隨海拔升高,SIR略微降低后升高,其中在海拔705～1400m變異未達到顯著水平,1400m增幅達到顯著水平,1580m的松樹林達到最大值,但和1500m的草地沒有顯著差異.濕季下SIR隨海拔升高逐漸增大,海拔705～1005m之間雖有緩慢增長,但增幅未達到顯著水平,在海拔1235m時增幅較705m處達到顯著水平,隨后雖然逐漸增加,但未達到顯著水平,1500～1580m 時達到最大值.回歸分析表明,SIR隨海拔的升高呈顯著地線性上升,相同海拔下濕季下的SIR要顯著大于干季.

圖1 不同海拔下干濕季土壤微生物量碳/氮變化規(guī)律Fig.1 Change in SMBC and SMBN at different elevation in dry/wet season每一分圖中不同字母,表明樣地之間達到顯著差異(P＜0.05)

圖2 不同海拔干濕季土壤基礎呼吸強度變化規(guī)律Fig.2 Change in respiration at different elevation in dry/wet season注同圖1

圖3 不同海拔干濕季土壤誘導呼吸強度變化規(guī)律Fig.3 Change in SIR at different elevation in dry/wet season注同圖1

2.3 不同海拔對代謝商的影響

圖4 不同海拔海拔干濕季土壤代謝商變化規(guī)律Fig.4 Change in qCO2 at different elevation in dry/wet season注同圖1

由圖4可知,相對于其他指標,代謝商(qCO2)隨海拔的升高變化規(guī)律不明顯.干季整體先緩慢降低,在海拔1005m處qCO2達到最低值,隨后緩慢上升的趨勢;濕季整體并沒有顯著的差異,圍繞20～30mgCO2-C/(g?h)波動;相同海拔下的干季和濕季qCO2并沒有顯著的差異.

2.4 土壤微生物量及其活性與理化屬性之間的相關分析

分別對干季和濕季土壤微生物量及其活性與理化屬性進行相關性分析,結果表明(表 2)干季SMBC、SMBN和基礎呼吸強度之間呈顯著正相關(P＜0.05);和 SIR相關性相對較弱,僅SMBC和 qCO2、基礎呼吸強度呈顯著正相關;且SMBC和主要土壤養(yǎng)分之間均表現(xiàn)出較強的相關性,SMBN僅和有機質、堿解氮、速效鉀顯著相關;SIR和養(yǎng)分因子相關性較弱,僅和堿解氮顯著相關;qCO2和全磷以外的養(yǎng)分因子顯著負相關.濕季土壤微生物量及其活性與養(yǎng)分因子之間的相關性要略高于干季,除 SMBC和基礎呼吸強度之間相關性未達到顯著水平外,SMBC、SMBN、基礎呼吸強度和SIR之間均呈顯著或極顯著相關,且與主要養(yǎng)分因子之間具有較強的相關性.以上結果表明土壤微生物量、基礎呼吸強度、SIR不僅相互之間關系密切,而且與主要土壤肥力因子相關性也較為密切,說明在干熱河谷地帶土壤微生物量及其活性與土壤養(yǎng)分循環(huán)和能量轉化關系密切,可以作為評價土壤肥力的指標.

表2 土壤微生物量及其活性與養(yǎng)分之間的相關分析Table 2 Correlation coefficient among soil microbial biomass and activity and characteristics of soils

3 討論

目前針對海拔對土壤微生物量影響的研究結果差異較大[11,19-20],分析其原因主要和所選的研究區(qū)及其氣候、土壤類型、植物群落結構等有關.其中針對干熱河谷地帶海拔對土壤微生物的研究相對較少.本研究表明,在海拔705m處土壤微生物量含量很低,隨著海拔升高,在海拔705～920m,除濕季土壤微生物量氮較705m處顯著提高外,雖有不同程度增加,但均未達到顯著水平.這主要和受干熱風影響有關,此海拔階段處于江面上方海拔 100～200m處,受干熱風影響最為嚴重,植被生長較差,枯枝落葉受干熱風的影響,很難回歸到土壤中,加之此海拔處的水分嚴重虧缺,物質代謝能力減弱,微生物量偏低.在海拔920～1005m 處微生物量碳增幅較快,干季微生物量氮也顯著高于海拔 705m,這個階段主要是由于受干熱風的影響逐漸減小,植被生長和枯落物歸還量顯著增加,微生物生存所需要的物質元素顯著增多,微生物量增大.海拔1005m以上干熱風的影響越來越小,而此海拔段整體來說水分光照等條件相似,植被等條件變異不大,土壤微生物所生存的環(huán)境基本一致,微生物量趨于穩(wěn)定.

土壤呼吸作為土壤質量和肥力的重要生物學指標, 在一定程度上可以反映土壤養(yǎng)分轉化和供應能力,表征著土壤的生物學特性和物質代謝強度.研究表明干濕季下基礎呼吸強度、SIR隨海拔呈緩慢的增加趨勢,其中在海拔1400m以上較 705m有顯著增加,濕季分別在 920m和1235m處增加達到顯著水平,間接說明干季干熱風的影響要大于濕季,環(huán)境脅迫越大,干熱風的影響越顯著,對土壤生物學特性和物質代謝的影響越強.代謝商(qCO2)是基礎呼吸強度與微生物量碳的比率,它把微生物生物量的大小和微生物整體活性有機的結合起來,代表了微生物群落的維持能大小和對基質的利用效率,是反映環(huán)境因素、管理措施變化等對微生物活性影響的一個敏感性指標[21-22].qCO2效率高,則形成單位微生物質量所呼出的 CO2少,qCO2較小;qCO2效率低,說明利用相同能量而形成的微生物量小,qCO2較大,釋放的 CO2較多,微生物體的周轉率快,平均菌齡低.本研究發(fā)現(xiàn)干季 qCO2在海拔705～1005m呈降低趨勢,說明隨著海拔的升高,干熱風的影響逐漸減少,對土壤和植被的脅迫逐漸降低,qCO2效率升高,土壤的優(yōu)良性狀和可持續(xù)利用潛力增強;海拔1005m以上qCO2趨于穩(wěn)定,說明環(huán)境因素對土壤的影響趨于穩(wěn)定,微生物以一定的代謝效率維持著生長代謝.濕季 qCO2整體趨于穩(wěn)定,變化規(guī)律不明顯,表明濕季下海拔對微生物的代謝效率影響不大,這可能是因為濕季下植被生長旺盛,土壤微生物受環(huán)境的脅迫較少,其代謝效率基本維持穩(wěn)定.通過以上分析可以看出,海拔和干熱風是影響土壤微生物量的主要因子之一,根據(jù)對干熱河谷區(qū)干熱風影響高度的劃分,一般認為在 1200m左右,也有學者認為在1400m左右.本文認為海拔1005～1400m之間可以作為是干熱風影響的過渡區(qū),根據(jù)生態(tài)學的原理可知,生態(tài)過渡區(qū)一般具有波動性、脆弱性和敏感性等特點,該區(qū)域連接干熱河谷區(qū)與其上的林草覆蓋區(qū),因此其土壤性質會出現(xiàn)轉折點的變化.海拔 1500m以上已經(jīng)不再受干熱風的影響,土壤水分、植被等條件顯著改善,植被類型也從草地變?yōu)樗蓸淞?但由于1585m的樣地是植被交錯的邊緣地帶,此處的土壤微生物量并未顯著高于1500m的草地,這主要可能與樣點處于植被的過度帶有關.

干濕季是常見的自然現(xiàn)象,其可使土壤經(jīng)歷一系列的物理、化學、生物學變化,從而影響土壤肥力和養(yǎng)分循環(huán),大量研究證明干濕交替對土壤的微生物活性和群落結構有重要影響[23-26].干熱河谷地帶其干、濕季節(jié)分明,90%以上的降雨集中于雨季,年蒸發(fā)量是年降水量的幾倍之多,其中3～4月的濕潤指數(shù)＜0.02,在這種氣候干燥和水熱分布不均勻的背景下,干濕季交替必然會影響土壤微生物量及其活性.本研究表明,相同海拔下,濕季土壤微生物量及其活性要顯著高于干季.造成此差異可能的原因有如下幾個方面:首先,干季由于水分和干熱風的影響,植被生長較差,有些物種仍處于休眠狀態(tài),根系停止生長,而濕季水分含量較好,植被生長旺盛,根系進入快速生長期,分泌物增多,土壤物質代謝加快,微生物量及其活性相對于干季顯著增強;其次水分狀況能夠直接影響土壤的通氣狀況和物理結構,并對土壤微生物及其活性產(chǎn)生影響;另外土壤干旱條件下會導致部分微生物死亡,微生物量及其活性降低[27-28],在濕季土壤水分增加,死亡的微生物細胞易被活下來的生物所降解,進一步刺激了微生物生長,微生物量及其活性增加.研究還發(fā)現(xiàn)除過海拔 705m外濕季微生物量碳/微生物量氮要明顯低于干季,而細菌的碳氮比低于真菌[29],據(jù)此推測,干季真菌的數(shù)量要高于濕季,這和 Gordon等[30]認為真菌對干燥的容忍力要強于細菌,在干旱階段真菌的豐富度會相應增加的研究結論相似.

4 結論

4.1 在干熱河谷區(qū),海拔對微生物量、基礎呼吸強度、SIR影響顯著,隨著海拔高度的升高,呈顯著的線性變化,其中在海拔705～1005m處,隨著干熱風影響的減少逐漸增加,其后隨著海拔的繼續(xù)升高,干熱風影響降低,微生物量及其活性總體趨于穩(wěn)定.

4.2 微生物量、基礎呼吸強度、SIR具有明顯的干濕季變化且變化規(guī)律相似,其中干季微生物量及其活性由于水分、植被等因素的作用顯著低于濕季.干季 qCO2隨海拔先降低后升高并趨于穩(wěn)定,濕季沒有顯著差異.

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Soil microbial biomass and activity along an altitudinal gradient in dry-hot valley.

XUE Sha1,2,3, LI Peng1,2*, LI Zhan-bin1,2,3, LIU Guo-bin1,3, ZHENG Yu2(1.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming in the Loess Plateau, Institute of Soil and Water Conservation, Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling 712100,China；2.Key Laboratory of North West Water Resources and Environment Ecology, Ministry of Education, Xi′an University of Technology, Xi′an 710048,China；3.Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences, Yangling 712100, China). China Environmental Science, 2011,31(11)：1888～1895

The difference of soil microbial biomass and activity along an altitudinal gradient were investigated at lower branch of Jinsha River in Ningnan County. The results showed that elevation had significant effect on soil microbial biomass, microbial respiration and metabolic quotient (qCO2) in the dry-hot valley; they increased linearly with the increase of elevation. In the lower elevation (705～1005m), soil microbial biomass and activity increased with the increase of elevation; the effect of dry/hot wind decreased with the increase of elevation, soil microbial biomass and activity tended to be stable. Elevation between 1005 and 1400m could be considered as the transition region. Soil microbial biomass, basal respiration and induced respiration presented obviously changes between wet and dry season, and usually a higher value was found in wet season. In dry season, qCO2firstly decreased with elevation, then increased and thereafter tended to be stable, while no remarkable changes was observed in the wet season. Correlation analysis showed that soil microbial biomass was significantly correlated with the physico-chemical properties; thus soil microbial biomass and activities could be useful for reflecting soil fertility. The results suggested that in the Jinsha river dry-hot valley, dry-hot wind was one of the main factors limiting the soil microbial biomass and activities. Thus taking appropriate measures to reduce the effect of dry-hot wind on vegetation and soil is important for ecological sustainable development.

dry-hot valley；elevation；soil microbial biomass and activities

X172

A

1000-6923(2011)11-1888-08

2011-02-10

國家自然科學基金資助項目(40801094, 40971161);國家“973”項目(2007CB407205);西北農(nóng)林科技大學基本科研業(yè)務費青年項目(QN2009080)

* 責任作者, 副教授, lipeng74@163.com.

薛 萐(1978-),男,陜西西安人,助理研究員,主要從事恢復生態(tài)學研究.發(fā)表論文50余篇.