李炎龍，劉梓雅，嚴(yán) 景，米娜娜，蓋京蘋，馮 固

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193）

土壤微生物生物量是指土壤中生存的活體微生物總量，具有很強的動態(tài)性，因為土壤微生物既可通過對養(yǎng)分的礦化作用，作為植物速效養(yǎng)分的“源”，又可通過對無機養(yǎng)分的固定，作為儲存養(yǎng)分的“庫”[1]。土壤微生物生物量雖然只占土壤營養(yǎng)庫中小部分，但卻是土壤中最活躍的養(yǎng)分庫，具有較高的養(yǎng)分釋放和儲存能力，是土壤速效養(yǎng)分的重要來源，在土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與循環(huán)過程中扮演著重要角色。Xu 等[2]研究表明，全球陸地生態(tài)系統(tǒng)0～30 cm土壤微生物生物量碳（MBC）、微生物生物量氮（MBN）庫的儲量分別為16.7 和2.6 Pg，其周轉(zhuǎn)對于土壤養(yǎng)分的供應(yīng)有著重要作用，是不可忽視的潛在有效養(yǎng)分庫。

空間異質(zhì)性是土壤的重要屬性之一，土壤是非均質(zhì)體，常表現(xiàn)出強烈的空間異質(zhì)性[3-5]。土壤微生物也不是隨機分布的，它們在不同的空間尺度上表現(xiàn)出不同的空間聚集模式，具有尺度依賴的驅(qū)動因素[6]。因此，土壤微生物生物量在不同空間位置的分布也呈現(xiàn)出明顯的空間變異性。地統(tǒng)計學(xué)是研究空間變異的重要工具，能夠定量揭示土壤中各屬性變量因子在空間上的分布、變異特征[7]，被廣泛應(yīng)用于分析土壤物理性質(zhì)[8]、化學(xué)性質(zhì)[9]、生物學(xué)性質(zhì)[10]、重金屬含量[11]和養(yǎng)分流失風(fēng)險[12]等空間分布格局和變異特征。然而，與土壤其他性狀相比，由于土壤微生物在空間和時間上的高度異質(zhì)性以及取樣和測量方法的局限性，前人對土壤微生物生物量空間分布模式的研究成果相對較少。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對土壤微生物生物量的空間分布特征已有一些研究[13-18]，例如，范夫靜等[19]研究了西南峽谷型喀斯特坡地土壤MBC、MBN 和微生物生物量磷（MBP）的空間變異特征，A?kin和Kizilkaya[20]研究了牧草土壤MBC 的空間分布規(guī)律。但是，這些研究多集中于對田間試驗小區(qū)域范圍內(nèi)土壤微生物生物量空間含量變化的揭示，對于大尺度農(nóng)田土壤微生物生物量庫容的大小及應(yīng)用潛力的研究少見報道。研究農(nóng)田土壤微生物生物量庫容和空間分布特征對掌握土壤肥力狀況以及優(yōu)化作物生產(chǎn)系統(tǒng)的養(yǎng)分管理具有重要意義。本文以華北平原典型糧食產(chǎn)區(qū)河北省曲周縣的農(nóng)田土壤為研究對象，基于均勻網(wǎng)格法采樣、運用地統(tǒng)計學(xué)知識和GIS 空間分析技術(shù)，在縣域尺度上定量農(nóng)田土壤微生物生物量庫容的大小和空間分布特征，揭示影響土壤微生物生物量的重要因子，以期為理解我國北方農(nóng)田土壤生物肥力特征和養(yǎng)分原地循環(huán)的能力以及指導(dǎo)土壤健康管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

曲周縣位于36°35′43″—36°57′ N，114°50′22.3″—115°13′27.4″ E，地處河北省南部，全縣總面積達667km2，農(nóng)業(yè)用地面積占土地總面積的83.84%，為典型的平原農(nóng)業(yè)縣，土壤呈弱堿性，是中國北方典型的石灰性農(nóng)田土壤，土壤類型以潮土為主，并有少量鹽土和褐土分布。屬溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫13.1℃，多年平均降水量556.2 mm，60%的降水集中于6—9 月，全年無霜期平均為210 d，耕地種植作物以小麥、玉米、棉花和蔬菜為主，主要作物種植體系為冬小麥夏玉米輪作、棉花連作、大棚蔬菜和大田蔬菜。全縣化肥年消費總量達23.3 萬t，在以冬小麥夏玉米輪作為主的農(nóng)田管理中，冬小麥氮、磷、鉀肥用量分別為262.1、187.6、51.8 kg·hm-2；夏玉米氮、磷、鉀肥用量分別為199.0、51.9、29.5 kg·hm-2[21]。

1.2 研究方法

在曲周全縣范圍內(nèi)，采用2.5 km×2.5 km 網(wǎng)格進行樣地采樣（如圖1 所示），運用手機GPS 定位，盡可能兼顧種植體系和土壤養(yǎng)分梯度。共采集耕作層（0～30 cm）土樣100 個，其中大田小麥/玉米輪作體系57 個樣點，大田棉花連作體系26 個樣點，大棚蔬菜連作體系9 個樣點，大田蔬菜連作體系8個樣點。每個采樣點均采用“S”型采樣法，5 個取樣點混勻為一個土壤樣品置于冰盒，并記錄種植作物的種類。一部分土壤樣品4℃保存用于土壤微生物生物量的測定，另一部分風(fēng)干，用于土壤理化性質(zhì)的測定。

采集的土壤樣品需要進行預(yù)處理，將4℃保存的土壤樣品，過2 mm 的篩子去除較大的土塊和砂礫等雜質(zhì)，然后挑除根及其他動植物遺體，測定土壤含水率，并將土壤含水率調(diào)至合適范圍，在恒溫培養(yǎng)箱里培養(yǎng)一周，最后，稱取一定量土壤進行測定。

土壤理化性質(zhì)的測定參照文獻[22]，土壤pH 使用pH 計測定（水∶比=2.5∶1），電導(dǎo)率使用電導(dǎo)儀測定（水∶土=5∶1），有機質(zhì)采用濃H2SO4-K2CrO4外加熱法測定，全氮采用凱氏定氮法測定，有效磷采用Olsen-P 法測定，速效鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度法測定。磷酸酶活性按照J(rèn)oner 和Johansen[23]的方法測定。土壤微生物生物量采用氯仿熏蒸浸提法測定。其中，土壤MBC、MBN 采用氯仿熏蒸—K2SO4浸提法[24]，用碳氮分析儀進行測定；MBP 采用氯仿熏蒸—NaHCO3浸提法[25]，用酶標(biāo)儀測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)在SPSS 24.0 軟件中運用K-S 法在5%的檢驗水平下進行非參數(shù)檢驗，看數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布，對不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)進行對數(shù)轉(zhuǎn)換，使其符合正態(tài)分布。描述性統(tǒng)計和典型相關(guān)性分析在SPSS 24.0 和Excel 2016 軟件中完成，半方差函數(shù)理論計算、理論模型擬合在GS+ 7.0 軟件中完成，土壤微生物生物量庫的空間分布圖使用克里金插值法在ArcGIS 10.2 軟件中完成，冗余分析在Canoco 5.02軟件中完成。

半方差函數(shù)是地統(tǒng)計學(xué)研究土壤變異性的特有函數(shù)。區(qū)域化變量Z（x）在點x和（x+h）處的值Z（x）與Z（x+h）差的方差的一半稱為區(qū)域化變量Z（x）的半方差函數(shù)，記為r（h）。半方差函數(shù)值計算公式如下：

式中，h為樣本距，是兩樣本點之間的空間距離，N（h）為樣本距為h時的樣點對數(shù)，Z（xi）和Z（xi+h）分別為變量Z在空間位置xi和（xi+h）上的取值。

土壤微生物生物量的空間相關(guān)性可以用塊金值C0與基臺值（C0+C）的比值來表示，簡稱塊基比，該比值不僅表示空間相關(guān)性程度，而且還反映了隨機因素引起的空間變異占總變異的大小。當(dāng)C0/（C0+C）<25%時，表現(xiàn)為強空間相關(guān)性，主要受結(jié)構(gòu)性因素的影響；當(dāng)25%75%時，空間相關(guān)性較弱，主要受隨機性因素的影響。

曲周縣農(nóng)田耕層土壤微生物生物量庫的計算公式如下：

MBC 庫儲量（C）=土壤容重×農(nóng)業(yè)用地面積×土層深度×（單位質(zhì)量土壤MBC 的C 量）

MBN 庫儲量（N）=土壤容重×農(nóng)業(yè)用地面積×土層深度×（單位質(zhì)量土壤MBN 的N 量）

MBP 庫儲量（P）=土壤容重×農(nóng)業(yè)用地面積×土層深度×（單位質(zhì)量土壤MBP 的P 量）

式中，曲周縣農(nóng)業(yè)用地面積為567.4 km2，土層深度為30 cm。

2 結(jié) 果

2.1 土壤微生物生物量描述性統(tǒng)計

運用K-S 法在5%的檢驗水平下進行非參數(shù)檢驗發(fā)現(xiàn)，曲周縣農(nóng)田土壤MBC 和MBN 服從正態(tài)分布，MBP、微生物生物量碳磷比（MBC/MBP）和微生物生物量氮磷比（MBN/MBP）經(jīng)過對數(shù)（lg）轉(zhuǎn)換后服從正態(tài)分布，但對數(shù)轉(zhuǎn)換后的微生物生物量碳氮比（MBC/MBN）仍不符合正態(tài)分布，后面地統(tǒng)計學(xué)的所有相關(guān)分析均采用對數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。如表1 所示，曲周縣農(nóng)田土壤MBC、MBN、MBP 的量的平均值分別為324.8±15.7、124.3±5.8和14.2±1.0 mg·kg-1；從變異程度上看，土壤MBC、MBN、MBP 的變異系數(shù)分別為48.13%、41.76%和33.98%，均屬于中等變異程度。

2.2 土壤微生物生物量空間結(jié)構(gòu)特征

采用GS+ 7.0 軟件完成半方差函數(shù)理論模型擬合，擬合結(jié)果及相關(guān)參數(shù)如表2 所示，曲周縣農(nóng)田土壤MBC 的變異函數(shù)最佳擬合模型為高斯模型，MBN的變異函數(shù)最佳擬合模型為指數(shù)模型，MBP、MBC/MBP、MBN/MBP 的變異函數(shù)最佳擬合模型均為線性模型，最優(yōu)半方差模型為GS+ 7.0 軟件默認(rèn)最優(yōu)。由表2 可知，曲周縣農(nóng)田土壤MBC 的塊基比值為11.8%，小于25%，表明MBC 有較強的空間相關(guān)性，其空間變異主要是土壤結(jié)構(gòu)性而非隨機性因素引起的。MBN 的塊基比值為46.7%，介于25%～75%之間，為中等空間相關(guān)性，表明MBN 的空間變異主要受結(jié)構(gòu)性和隨機性因素影響。MBP、MBC/MBP、MBN/MBP 的塊基比值為1，表現(xiàn)為純塊金效應(yīng)，它們的變異是隨機性因素引起的，在整個空間尺度上具有恒定的變異。土壤微生物生物量的塊金值C0均大于0，表明存在抽樣分析誤差和小于最小抽樣距離內(nèi)的變化或由隨機和其他固有變異引起的各種正基底效應(yīng)。變程（A0）可以用來表征土壤微生物生物量有效空間自相關(guān)距離。MBC 的A0值較小，為1 400 m，表明MBC 在較小的空間范圍內(nèi)存在很強的空間相關(guān)性；MBP、MBC/MBP、MBN/MBP 的A0值較大，分別為20 267、20 269、20 290 m，表明它們的空間連續(xù)性較好。分維數(shù)D可以用來表示由隨機因素引起的空間異質(zhì)性程度，一般來說，D值越小，由隨機變異引起的空間異質(zhì)性越小。MBP、MBC/MBP、MBN/MBP 的D值相對較大，表明它們的空間異質(zhì)性主要由隨機因素引起的，其本身固有的空間異質(zhì)性相對較弱。

表1 土壤微生物生物量描述性統(tǒng)計分析及正態(tài)分布檢驗結(jié)果Table 1 Descriptive statistics and K-S tests of soil microbial biomass

表2 土壤微生物生物量半方差函數(shù)理論模型及相關(guān)參數(shù)Table 2 Semivariance theoretical models and relevant parameter of soil microbial biomass

2.3 土壤微生物生物量庫空間分布格局

結(jié)合土壤容重，估算出曲周縣農(nóng)田耕層（0～30 cm）土壤微生物生物量庫的平均儲量，MBC、MBN、MBP 分別為64.14×103t，24.55×103t，2.80×103t。利用克里金插值法在ArcGIS 10.2 軟件中繪制的土壤MBC、MBN、MBP 庫的空間分布圖（圖2），土壤微生物生物量庫的空間異質(zhì)性明顯，從它們的空間分布圖中可以更直觀看出這一分布規(guī)律。不僅如此，它們在空間分布特征上也存在較大差異。如圖2 所示，曲周縣農(nóng)田土壤MBC 庫低值區(qū)呈大塊狀分布，具有很強的空間相關(guān)性，高值區(qū)的分布斑塊較小、并且破碎，分布不集中，空間相關(guān)性相對較弱。MBN 庫以及MBC/MBN 呈大塊狀分布，高值和低值區(qū)分布相對集中，MBN 庫的高值區(qū)主要分布于北部和中下部，低值區(qū)主要在中部和東南部。MBP 庫、MBC/MBP 和MBN/MBP 的空間連續(xù)性較好，其中，MBP 庫低值區(qū)呈塊狀分布，集中分布在南部，高值區(qū)呈斑塊狀分布，斑塊小而破碎、且分布不集中。MBC/MBP 和MBN/MBP 呈條帶狀分布，高值區(qū)主要集中分布在中部的一個環(huán)形區(qū)域內(nèi)?？傮w而言，曲周縣農(nóng)田土壤MBC 庫、MBN 庫、MBP庫、MBC/MBN、MBC/MBP、MBN/MBP 均表現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性，這可能與研究區(qū)內(nèi)復(fù)雜的生境條件以及土壤養(yǎng)分管理措施有關(guān)。

2.4 不同種植體系下土壤微生物生物量的含量特征

不同種植體系下土壤微生物生物量均值的對比發(fā)現(xiàn)，曲周縣農(nóng)田土壤小麥/玉米輪作體系下土壤MBC、MBN、MBP 的平均量分別為384.7、144.2、16.4 mg·kg-1；棉花連作體系下三者的平均量分別為224.4、90.3、10.5 mg·kg-1，同時，對不同種植體系下MBC、MBN、MBP 兩組數(shù)據(jù)在5%的檢驗水平上進行雙樣本異方差t 檢驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雙尾檢驗的P值分別為1.24×10-5、1.43×10-4和0.02，均小于0.05（圖3）。即小麥/玉米輪作體系與棉花連作體系土壤微生物生物量均值存在顯著差異，曲周縣農(nóng)田土壤MBC、MBN、MBP 的均值在不同種植體系下均表現(xiàn)為小麥/玉米輪作體系大于棉花連作體系。

2.5 土壤微生物生物量與土壤特性和作物產(chǎn)量的相關(guān)性

運用SPSS 24.0 軟件分析土壤微生物生物量與土壤特性和作物產(chǎn)量相關(guān)性，如表3 所示，土壤MBC與土壤有機碳（SOC）、全氮（TN）、有效磷（AP）、速效鉀（AK）、堿性磷酸酶（ALP）、酸性磷酸酶（ACP）顯著正相關(guān)（P<0.05），與土壤容重（VW）極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01）；土壤MBN 與SOC、TN、ALP 極顯著正相關(guān)，與土壤VW 極顯著負(fù)相關(guān)，但與土壤AP 不相關(guān)（P>0.05）；土壤MBP 與SOC、TN、AK、ALP 極顯著正相關(guān)，與容重顯著負(fù)相關(guān)，但與AP 不相關(guān)。MBN 與土壤pH 存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，但MBC、MBP 與土壤pH 無關(guān)。土壤微生物生物量與電導(dǎo)率（EC）無關(guān)，但是與土壤肥力指標(biāo)緊密相關(guān)，其中，土壤有機碳是影響土壤微生物生物量的一個主要因子（圖4，表4）。作物產(chǎn)量與MBC和MBN 顯著正相關(guān)（P<0.05），表明土壤微生物生物量庫對于作物產(chǎn)量有一定的潛在貢獻。

表3 土壤微生物生物量與土壤特性和作物產(chǎn)量相關(guān)性Table 3 Correlation coefficient of soil microbial biomass with soil properties and crop yield

3 討 論

土壤微生物生物量是土壤有機質(zhì)組分中最為活躍的部分，對土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和物質(zhì)循環(huán)起著重要的驅(qū)動作用，是評價土壤生物學(xué)性狀和土壤質(zhì)量的重要生物指標(biāo)，對于研究土壤肥力的變化具有重要意義[26]。以往的研究表明，我國農(nóng)田土壤中MBC和MBN的平均量分別為321.29、48.19 mg·kg-1[27]，本研究中曲周縣農(nóng)田土壤MBC 的平均量（324.8 mg·kg-1）與我國農(nóng)田土壤平均量基本相當(dāng)，但MBN 的平均量（124.3 mg·kg-1）卻遠(yuǎn)高于我國農(nóng)田土壤的平均量，MBP 的量大多介于12.07～40.52 mg·kg-1，遠(yuǎn)高于我國北方石灰性土壤12.4～15.5 mg·kg-1[28]。這可能與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的施肥習(xí)慣有關(guān)，具體表現(xiàn)為過量或超量施用化肥，與牛新勝和張宏彥[21]研究結(jié)果一致。

表4 土壤微生物生物量預(yù)測變量的冗余分析排序結(jié)果Table 4 Permutation test of redundancy analysis on predictor variables of soil microbial biomass

曲周縣農(nóng)田土壤MBC、MBN、MBP 庫空間分布受隨機性和結(jié)構(gòu)性因素共同影響而表現(xiàn)出明顯的異質(zhì)性（表2 和圖2）。本研究中不同種植方式下土壤微生物生物量存在顯著差異，這是因為在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，種植方式對土壤微生物生物量有顯著影響[29-30]。小麥/玉米輪作體系土壤中MBC、MBN 和MBP 的平均量均高于棉花連作，可能是由于輪作體系中多種作物的根系分泌物、根茬以及當(dāng)?shù)仄毡椴捎眯←満陀衩捉斩掃€田，為土壤微生物提供了更加豐富的碳源，與棉花體系相比提高了微生物多樣性、活性和生物量。施肥也是影響土壤微生物生物量的一個重要因素[31-32]。曲周縣不同農(nóng)戶對冬小麥單季施氮量介于112.5～652.5 kg·hm-2，施磷量介于0～690 kg·hm-2[21]，土壤微生物生物量與土壤肥力緊密相關(guān)，施肥可通過改變土壤肥力間接影響土壤微生物生物量。曲周縣不同地塊農(nóng)戶的這種不均衡施肥方式在一定程度上影響著土壤微生物生物量在空間上的分布格局。大量研究已經(jīng)證明，土地利用方式[33]和耕作方式[34-35]也是影響土壤微生物生物量的重要因素。曲周縣30 年以來土地利用方式變化很大，全縣土地利用方式大致分為旱地、水澆地、林地、其他用地和一些未利用地，分別占全縣總面積的25.3%、56.9%、1.2%、13.3%、3.3%[36]。近10年來，隨著曲周縣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，機械化程度不斷提高，人類干擾活動不斷加強，對土壤微生物生物量的影響程度也在加強。此外，土壤微生物生物量還受土壤類型等土壤結(jié)構(gòu)性因素的影響[37]。土壤分布的特征是具有地帶性，曲周縣域農(nóng)田土壤有潮土、鹽土和褐土三種土壤類型。其中，潮土分布廣泛，是全縣耕地面積最大的土壤類型，包括潮土、鹽化潮土、褐土化潮土三個亞類；鹽化潮土主要分布在曲周縣北部及中部，褐土化潮土主要分布在曲周縣東南部和西南部[36]。本研究中褐土化潮土微生物生物量較低，土壤微生物生物量也受這種地帶性土壤類型的影響?？傮w而言，曲周縣域農(nóng)田土壤微生物生物量空間分布的影響因子有很多。其中，土壤有機碳對土壤微生物生物量的影響最大，是影響土壤微生物生物量的一個主要因子，但關(guān)于土壤微生物生物量空間格局的形成機制還需進一步的探討。

土壤微生物生物量是土壤中活性的養(yǎng)分庫，對作物C、N、P 等養(yǎng)分的供應(yīng)起著重要作用，郭曉霞等[38]的田間試驗表明，燕麥產(chǎn)量與土壤MBC、MBN和MBP 呈極顯著正相關(guān)，本研究的結(jié)果也表明，作物產(chǎn)量與土壤MBC 和MBN 存在顯著的正相關(guān)關(guān)系（P<0.05），但與MBP 不相關(guān)（表3），這可能與曲周縣農(nóng)田的田間養(yǎng)分管理狀況有關(guān)，具體表現(xiàn)為化肥的過量投入，有機肥的投入相對不足，導(dǎo)致土壤中的碳源不足，土壤微生物受碳限制，生物活性較低。

4 結(jié) 論

曲周縣域農(nóng)田尺度上土壤MBC、MBN、MBP庫在空間上呈斑塊狀分布，具有中等變異強度和明顯的空間自相關(guān)性，它們分別在1.4、3.7、20.3 km的空間范圍內(nèi)存在自相關(guān)性。不同種植體系下土壤微生物生物量的含量存在顯著差異，小麥/玉米輪作體系下土壤MBC、MBN、MBP 的含量均大于棉花連作。曲周縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)表層（0～30 cm）土壤MBC、MBN、MBP 庫儲存養(yǎng)分的數(shù)量分別為（C）64.14×103t、（N）24.55×103t、（P）2.80×103t，土壤微生物生物量庫容的大小受土壤有機碳含量的限制，今后應(yīng)加強有機肥的施用和秸稈還田、減少化肥用量，合理調(diào)控和利用土壤微生物生物量庫，充分發(fā)揮土壤微生物生物量庫供應(yīng)養(yǎng)分的潛力。