蔣躍利，趙 彤，閆 浩，黃懿梅，，安韶山

（1.西北農林科技大學 資源環(huán)境學院 農業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農業(yè)環(huán)境重點實驗室，陜西 楊陵 712100；2.西北農林科技大學 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室，陜西 楊陵 712100）

黃土高原是我國乃至世界上水土流失最嚴重的地區(qū)，由于水土流失帶來的土地退化問題已成為困擾黃土高原社會經濟可持續(xù)發(fā)展的主要問題之一。因此，自從20世紀50年代以來，我國政府在黃土丘陵區(qū)實施了大面積的退耕還林（草）工程。退耕還林（草）可通過土壤—植物復合系統的功能改善提高土壤質量。其中土壤微生物量是表征土壤生態(tài)系統中物質和能量流動的一個重要參數，是土壤中物質轉化和養(yǎng)分循環(huán)的驅動力。而且，微生物量周轉快，能靈敏地反映環(huán)境因子、土地利用方式和生態(tài)功能的變化。因此，土壤微生物量可作為評價土壤質量的重要指標之一［1－2］。一些研究者［3－5］已就黃土高原地區(qū)不同植被及不同土地利用方式下土壤微生物量碳、氮、磷的含量開展了一些研究。但由于黃土高原地區(qū)生態(tài)系統復雜、土壤類型多樣，而且影響微生物量碳、氮、磷的因素較多，使得人們尚未充分了解該地區(qū)土壤微生物量碳、氮、磷的變化規(guī)律，以及它們在反映植被區(qū)變化和土地利用方式變化上的敏感性。因此，本研究以典型黃土丘陵區(qū)——延河流域土壤為研究對象，探討不同植被區(qū)中幾種主要土地利用方式下土壤微生物量含量及其相互關系，以期了解在黃土丘陵區(qū)植被演替過程中土壤微生物活性的變化規(guī)律，為黃土高原地區(qū)的生態(tài)恢復提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

選擇黃土高原典型丘陵溝壑地貌—延河流域的萬花山鄉(xiāng)（森林區(qū)）、譚家營（森林草原區(qū)）、鐮刀灣（草原區(qū)）為研究區(qū)域，地理位置為36°29.087′—37°11.724′N和108°59.580′—109°16.580′E，面積達7725 km2。該流域屬暖溫帶大陸性半干旱季節(jié)氣候，年平均氣溫8.8～10.2℃，平均降雨量520mm，其中7—9月份降雨量占全年降雨量的60%以上。土壤類型以黃土母質上發(fā)育的黃綿土為主，土壤質地均一，土質疏松，抗侵蝕能力差，植被覆蓋空間從東南向西北降低。

1.2 樣地選擇和土樣采集

根據當地土地利用方式和植被分布特點，分別在森林區(qū)選取農地、喬木林地，森林草原區(qū)和草原區(qū)選取農地、喬木林地、灌木林地、天然草地、撂荒地作為研究對象，其地理與植被情況詳見表1。

2011年7月，在每個樣地中森林按20m×20m，灌木按10m×10m，草地按5m×5m分別設置3個樣區(qū)，每個樣區(qū)按S形選取6點，每點采集0—10cm和10—30cm土層土壤樣品，將兩層的6點土樣分別混勻作為該樣區(qū)的分析樣品。

表1 試驗樣地概況

1.3 土樣測定指標及其分析方法

土樣采回后，一部分置于冰箱（約4℃）內，用于測定土壤水分、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、微生物量碳、氮、磷，一周內完成鮮樣分析；另一部分風干，用于常規(guī)分析。土壤微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸，K2SO4浸提［6］，微生物量碳用總有機碳分析儀（Phoenix 8000）測定，微生物量氮用堿性過硫酸鉀氧化—紫外分光光度法［7］測定。微生物量磷用鉬銻抗比色法測定［8］。其它養(yǎng)分測定方法參照國家標準［9］:有機質采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法；全氮采用半微量開氏法；礦質氮采用氯化鉀浸提，流動分析儀測定。數據為3個樣區(qū)土壤測定結果的平均值，以烘干土壤計重，采用SAS和Excel軟件進行處理。

2 結果與分析

2.1 不同植被區(qū)土地利用方式對土壤碳、氮的影響

如表2所示，0—10cm土層，森林區(qū)，森林草原區(qū)有機碳、全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量均表現為喬木林地最高。草原區(qū)則是在天然草地中最高。就相同土地利用方式來看，農地、喬木林地中全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量均是森林區(qū)顯著高于森林草原區(qū)和草原區(qū)。灌木林地、天然草地、撂荒地森林草原區(qū)顯著高于草原區(qū)。10—30cm土層表現出相似的變化規(guī)律。土壤碳氮比決定著土壤氮素礦化—微生物固定轉化能力。森林區(qū)土壤碳氮比的變化范圍為13～25，森林草原區(qū)26～53，草原區(qū)25～41。

表2 試驗樣地土壤碳氮含量

2.2 不同植被區(qū)各土地利用方式土壤中微生物量碳的差異

如圖1所示，微生物量碳在森林區(qū)兩土層中均是喬木林地顯著高于農地；森林草原區(qū)兩土層表現為:灌木林地＞天然草地＞喬木林地＞農地＞撂荒地，且0—10cm土層，喬木林地、天然草地、灌木林地中微生物量碳的含量比撂荒地分別高出86.29%，116.44%，142.62%，10—30cm土層分別高出59.79%，94.48%和205.53%；草原區(qū)兩土層中，天然草地＞喬木林地＞灌木林地＞農地＞撂荒地，其中10—30cm土層天然草地、喬木林地微生物量碳的含量顯著高于撂荒地，分別高出71.86%，69.79%。相同土地利用方式下，0—10cm土層，森林區(qū)微生物量碳的含量顯著高于森林草原區(qū)和草原區(qū)，森林草原區(qū)顯著高于草原區(qū)。10—30cm土層表現出相同的變化規(guī)律。

2.3 不同植被區(qū)各土地利用方式土壤中微生物量氮的差異

從圖2中可以看出，微生物量氮在森林區(qū)兩土層中均是喬木林地顯著高于農地，分別高出39.14%，19.18%；0—10cm土層，森林草原區(qū)，灌木林地顯著高于農地、撂荒地、喬木林地，分別高出43.49%，31.42%，49.00%。草原區(qū)，天然草地中微生物量氮含量最高，分別比喬木林地、灌木林地、農地、撂荒地高出30.86%，47.34%，45.91%和58.2%，而喬木林地、灌木林地、農地、撂荒地之間相差無幾。10—30cm土層表現出相似的變化規(guī)律。相同土地利用方式不同植被區(qū)，0—10cm土層，森林區(qū)顯著高于森林草原區(qū)和草原區(qū)，分別高出46.07%，54.45%；10—30cm土層，農地，森林區(qū)和森林草原區(qū)均顯著高于草原區(qū)，分別高出51%，35.71%。喬木林地，森林區(qū)顯著高于森林草原區(qū)和草原區(qū)，分別高出43.71%和61.88%。灌木林地、撂荒地，森林草原區(qū)顯著高于草原區(qū)，分別高出64.63%和44.95%。

圖1 不同植被區(qū)各土地利用方式下土壤微生物量碳含量

圖2 不同植被區(qū)各土地利用方式的土壤微生物量氮差異

2.4 不同植被區(qū)各土地利用方式土壤中微生物量磷的差異

如圖3所示，微生物量磷在森林區(qū)兩土層中均是農地高于喬木林地；森林草原區(qū)兩土層，農地＞撂荒地＞喬木林地＞天然草地＞灌木林地，且0—10cm土層，農地微生物量磷的含量顯著高于喬木林地、天然草地、灌木林地，分別高出33.38%，42.88%和65.12%，10—30cm土層，農地顯著高于天然草地、灌木林地，分別高出37.07%和43.39%，與喬木林地、撂荒地之間未表現出顯著的差異性。草原區(qū)表現出了相似的變化規(guī)律。相同土地利用方式不同植被區(qū)下，農地、喬木林地微生物量磷含量在兩土層中均是森林區(qū)顯著高于森林草原區(qū)和草原區(qū)。灌木林地、天然草地在0—10cm土層森林草原區(qū)顯著高于草原區(qū)，分別高出28.57%和25%。撂荒地在10—30cm土層森林草原區(qū)顯著高于草原區(qū)，高出22.22%。

圖3 不同植被區(qū)各土地利用方式的土壤微生物量磷差異

2.5 不同土地利用方式土壤中微生物生物量的生理比值變化

由表3可以看出，0—10cm土層，森林區(qū)，微生物量碳、氮占有機碳、全氮的比值及微生物量碳氮比、碳磷比均表現為喬木林地高于農地；森林草原區(qū)，土壤微生物量碳占有機碳的比例在3.058%～3.799%，其中灌木林地最高，撂荒地最低，微生物量氮占全氮的比例天然草地最高，為5.679%。微生物量碳氮比、碳磷比表現為:天然草地＞喬木林地＞灌木林地＞農地＞撂荒地。草原區(qū)，微生物量碳占有機碳的比例在天然草地中最高，為3.091%。微生物量氮占全氮的比例變化范圍為5.950%～4.363%。微生物量碳氮比的變化范圍為6.200～10.304，其中草原區(qū)撂荒地最高，天然草地最低。微生物量碳磷比表現為:天然草地＞喬木林地＞灌木林地＞農地＞撂荒地。10—30cm土層呈現出相似的變化趨勢。

表3 試驗樣地微生物生物量碳、氮占有機碳、全氮的比值及微生物量碳氮比和微生物量氮磷比

2.6 土壤微生物量與土壤碳氮的相關性

由表4可以看出，微生物量碳、代謝熵與有機碳極顯著相關，相關系數分別為0.9463 和0.9200 ；微生物量氮、磷與有機碳顯著相關；微生物量碳氮比與全氮極顯著相關，相關系數為0.9016 ，代謝熵與全氮呈顯著負相關，微生物量碳、氮、磷與全氮顯著相關；硝態(tài)氮與代謝熵極顯著負相關，相關系數為－0.9315 ，銨態(tài)氮與微生物量碳氮比顯著相關。這就說明在不同的土地利用方式下，土壤微生物量與土壤養(yǎng)分狀況之間有較好的一致性，土壤微生物代謝活動對土壤化學性質影響顯著，且土壤微生物對土壤肥力的演變反映也較敏感。

表4 土壤微生物量與土壤化學性質相關性分析

3 結果討論

3.1 土地利用方式對土壤微生物量碳氮磷及其相互關系的影響

土壤微生物作為土壤中有生命的部分，對土壤環(huán)境的變化極為敏感，可充分反映土地利用方式和生態(tài)功能的變化，同時微生物量不僅是土壤養(yǎng)分的重要來源，也是土壤養(yǎng)分固定的重要載體。不同的土地利用方式會使土壤微生物量產生差異［10］。本研究結果表明，森林區(qū)喬木林地中微生物量碳氮含量均高于農地。森林草原區(qū)土壤微生物量碳氮表現為:撂荒地＜農地＜喬木林地＜天然草地＜灌木林地。說明在該研究區(qū)，灌木林地更有利于土壤微生物量碳氮的積累。這與邱莉萍和董莉麗［11－12］的研究結果一致；而農地由于長期受到人為因素的干擾，使得表土侵蝕嚴重，有機物質礦化劇烈，加上秸稈等移出農田后，能還原給土壤中的枯枝落葉減少，使得微生物的能源缺乏，進而導致農田土壤中微生物量碳氮含量降低。草原區(qū)天然草地中微生物量碳氮含量最高，喬木林地和灌木林地相差無幾，農地和撂荒地最低。這可能是因為茭蒿為天然草地中的優(yōu)勢物種，茭蒿本身為多年生的草本狀半灌木，根毛豐富，使得該天然草地不僅地上生物量大，能夠為土壤微生物提供大量凋落物，成為天然的有機肥。而且大量的根系分泌物和衰亡的根毛也能為微生物提供豐富的能源［13］；另外還可能與該天然草地所處的坡向有關。Bastida等［14］研究認為，坡向為正北方向的微生物量高，而該天然草地所處的的坡向正好為正北方向，且坡度較小。因此使得該天然草地微生物量碳氮含量高于林地。

微生物量磷的變化趨勢與微生物量碳氮的截然不同，它表現為在農地和撂荒地中含量最高，這可能與土壤磷的含量受成土母質影響較大有關。而且已有研究［1］表明土壤微生物量磷的含量，還主要受施肥的影響，農地和撂荒地由于人為的施肥，尤其是增施有機肥為微生物的活動提供了養(yǎng)料，進而促進了微生物大量繁殖，并將部分有機磷和礦化的無機磷同化為微生物量磷，增加了土壤微生物量磷含量。

3.2 植被區(qū)對土壤微生物量碳氮磷及其相互關系的影響

黃土高原地區(qū)屬大陸性氣候，植被自東南向西北，從濕潤的森林植被區(qū)過渡到干旱的草原植被區(qū)［15］。植被的變化通過吸收養(yǎng)分和歸還有機物等影響著土壤的物理、化學和生物學性質。本研究得出，土壤養(yǎng)分和微生物量均是從森林植被區(qū)、森林草原植被區(qū)、草原植被區(qū)呈現出降低趨勢。這可能是由于從森林植被區(qū)到草原植被區(qū)，降雨量逐漸減少，植被覆蓋度降低，使得能歸回到土壤中的營養(yǎng)元素越來越少，再加上不合理的土地利用方式，使得土壤侵蝕越來越嚴重。有研究［16］指出水蝕是黃土高原土壤侵蝕的主要類型，森林區(qū)由于植被較好，水蝕比較輕微，森林草原區(qū)和草原區(qū)由于植被覆蓋度低等因素，使得土壤侵蝕嚴重，有機物質礦化加劇，進而導致微生物量含量降低［17－20］。從植被演替的角度看，草原區(qū)主要是以草本植物為主，這也是草原區(qū)天然草地營養(yǎng)元素和微生物量高的一個原因，但該區(qū)植被群落比較單一，而到了森林草原區(qū)和森林區(qū)，喬木林地灌木林地成了優(yōu)勢群落。已有大量的研究表明，林地將更有利于土壤養(yǎng)分的積累。

3.3 各植被區(qū)不同土地利用方式下微生物量碳、氮與土壤碳氮的關系

Jenkinson［21］研究表明，在沒有任何人為因素干擾的情況下，微生物量并不能完全反映土壤中微生物活性、結構和功能。因此在分析土壤微生物量的絕對量外，還應考慮土壤微生物量占全量的比例，進而從微生物學的角度揭示不同植被區(qū)土壤生物學性質的變異特征。有研究［2，22］報道指出，土壤微生物量碳、氮占有機碳、全氮比例分別為0.27%～7.0%，2%～6%，而在本研究中，土壤微生物量碳、氮占土壤有機碳、全氮的比值分別為2.362%～3.993%，2.887%～5.571%，在報道范圍內。但微生物量碳所占有機碳的比相對偏低。這可能與該流域的土壤有機碳含量、降水量以及采樣時間有關。

根系物質和植被凋落物在分解過程中誘導形成微生物區(qū)系差異進而導致土壤微生物量碳、氮比不同。一般情況下，細菌碳氮比在5∶1左右，放線菌在6∶1左右，真菌在10∶1左右［23］。根據本研究中微生物量碳氮比值來看，林地、草地中真菌的含量較高，農地、撂荒地細菌含量較高。這可能與土壤有機碳與全氮的比值有關，有研究表明真菌更易在碳氮比高的土壤中生存，細菌則相反，而本研究結果中林地和草地土壤碳氮比高于農地。土壤微生物量碳磷比一般可以作為衡量微生物礦化土壤有機質釋放磷或從環(huán)境中吸收固定磷素潛力的指標。碳磷比值小說明微生物在礦化土壤有機質中釋放磷的潛力較大，土壤微生物量磷對土壤有效磷庫有補充作用；碳磷比值大則說明土壤微生物對土壤中有效磷有同化趨勢，易出現微生物與作物競爭性吸收土壤有效磷的現象，具有較強的固磷潛力。本研究土壤微生物量碳磷比在7～75之間［24］，符合一般規(guī)律。

4 結論

黃土丘陵各植被區(qū)不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分和土壤微生物量有較大差異。微生物量磷的含量在3個植被區(qū)中均是在農地、撂荒地中相對較高，微生物量碳、氮森林區(qū)喬木林地高于農地，森林草原區(qū)則表現為:灌木林地＞天然草地＞喬木林地＞農地＞撂荒地，草原區(qū)表現為:天然草地＞喬木林地＞灌木林地＞農地＞撂荒地。說明在該區(qū)種植林地和天然草地對土壤微生物量的提高有明顯的促進作用。

相同土地利用方式下，土壤養(yǎng)分和微生物量在森林區(qū)最高、森林草原區(qū)次之、草原區(qū)最低，說明植被覆蓋度和多樣性對土壤養(yǎng)分的存儲具有顯著的影響。

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