海龍，姚拓，張文明

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730070;2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

土壤團(tuán)聚體是土壤中有機(jī)無機(jī)顆粒在膠結(jié)、凝聚作用及動(dòng)植物活動(dòng)的團(tuán)聚作用下形成的，是土壤結(jié)構(gòu)的基本組成單元[1]。土壤團(tuán)聚體對(duì)土壤通氣性，養(yǎng)分供蓄及抗侵蝕有重要影響，具有良好結(jié)構(gòu)的團(tuán)聚體有助于提高土壤質(zhì)量[2]。已有研究表明，不同粒徑團(tuán)聚體的理化性質(zhì)、供應(yīng)能力存在一定差異[3]，微生物特性也可能不盡相同。土壤微生物活動(dòng)會(huì)對(duì)團(tuán)聚體的形成及不同粒級(jí)間轉(zhuǎn)換產(chǎn)生影響，此外微生物參與有機(jī)質(zhì)分解、腐殖質(zhì)形成、能量調(diào)控、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化循環(huán)等生化過程[4]。土壤微生物量大小可以反映土壤有機(jī)物質(zhì)的代謝強(qiáng)度及土壤肥力水平[5]，能敏感地指示土壤環(huán)境變化。其中微生物量碳是土壤有機(jī)質(zhì)中的活性部分，微生物量氮是氮素養(yǎng)分循環(huán)中的重要來源[6]，可作為評(píng)判土壤養(yǎng)分含量高低的生物學(xué)指標(biāo)。

黃土高原丘陵溝壑區(qū)由于其特殊的地理、氣候和土壤條件，土壤侵蝕、退化嚴(yán)重[7]，生態(tài)環(huán)境脆弱。不科學(xué)、不合理的人類活動(dòng)導(dǎo)致水土流失、生態(tài)失衡等問題更加突出。紫花苜蓿是一種優(yōu)質(zhì)的豆科牧草，高產(chǎn)、營養(yǎng)價(jià)值豐富、蛋白質(zhì)含量高、抗逆性強(qiáng)，根系具有很強(qiáng)的根瘤固氮作用[8]，在優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu)、減少水土流失，恢復(fù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮著重要作用。由于其具有較好的抗旱固土能力，紫花苜蓿在黃土高原被廣泛種植，成為改善黃土高原生態(tài)環(huán)境的重要途徑[9]。然而隨著種植年限的增加，加之管理不善，紫花苜蓿地出現(xiàn)了土壤質(zhì)量及牧草品質(zhì)逐步退化，牧草產(chǎn)量下降等現(xiàn)象。目前國內(nèi)學(xué)者對(duì)紫花苜蓿做了大量研究工作[10-13]，主要集中在紫花苜蓿土壤水分動(dòng)態(tài)變化、土壤理化特征等方面，而在團(tuán)聚體尺度上對(duì)苜蓿地土壤的生物學(xué)特征研究比較少。土壤團(tuán)聚體作為微生物活動(dòng)的微場所，其中微生物量的變化能夠敏感地反映土地利用和管理上的差異[14]。通過研究不同種植年限紫花苜蓿草地土壤團(tuán)聚體中微生物量碳、氮分布特征，可為合理評(píng)價(jià)苜蓿種植的生態(tài)學(xué)效應(yīng)以及科學(xué)管理人工苜蓿草地提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地選在定西市隴西縣，該區(qū)是黃土高原半干旱丘陵區(qū)。平均海拔1 673 m，年日照時(shí)數(shù)2 751.4 h，年均氣溫9.3℃，極端最高溫39.1℃，最低溫-23.1℃，年均降水量445.8 mm，無霜期146 d。試驗(yàn)地土壤類型為黃綿土，近似于半干潤淡色始成土(Ustochnept)，相應(yīng)于FAO分類系統(tǒng)中的鈣積始成土(Calcic Cambisols)，土壤土層深厚，母質(zhì)為第四紀(jì)風(fēng)成黃土。

1.2 樣品采集

在野外實(shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上，采用空間分布代替時(shí)間序列的方法，綜合考慮坡向、坡位，采集自然生態(tài)條件相同，種植年限分別為3、7、12、18 a的紫花苜蓿草地樣本，種植面積均在200 m2以上。采用隨機(jī)取樣法設(shè)3個(gè)25 m2的典型樣方，每個(gè)樣方相同土層3個(gè)樣點(diǎn)組成一個(gè)混合樣。采集0～20、20～40 cm兩個(gè)土層原狀土柱樣品，裝入硬質(zhì)塑料盒中?；趶霓r(nóng)田更替為苜蓿草地，對(duì)照選取常規(guī)管理模式的農(nóng)田土壤并采集樣本。將土樣帶回室內(nèi)后，去除石塊和植物殘?bào)w等雜質(zhì)，沿自然結(jié)構(gòu)輕輕掰成直徑約1 cm的小土塊，自然風(fēng)干后分成兩個(gè)亞樣本。其中一個(gè)采用干篩法[15]分離出>5、5～2、2～1、1～0.25、<0.25 mm五級(jí)團(tuán)聚體，用作團(tuán)聚體分析，另一個(gè)過篩后供土壤有機(jī)碳的測定。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

將干篩后的土壤樣品含水量調(diào)節(jié)至田間含水量的50%，于廣口瓶中25℃下密封預(yù)培養(yǎng)7 d，然后進(jìn)行微生物量碳、氮測定。

土壤微生物量碳(MBC)、微生物量氮(MBN)采用氯仿熏蒸-硫酸鉀浸提法[16]，MultiN/C 2100分析儀進(jìn)行測定，計(jì)算公式如下：

MBC=EC/KEC

MBN=EN/KEN

式中：EC為熏蒸與未熏蒸土壤浸提液中有機(jī)碳的差值，KEC=0.38；EN為熏蒸與未熏蒸土壤浸提液中總氮的差值，KEN=0.45。

土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳(TOC)測定采用外加熱重鉻酸鉀容量法[17]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel 2016軟件數(shù)據(jù)處理及圖表制作，通過SPSS 24.0軟件進(jìn)行單因素方差分析。圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植年限土壤團(tuán)聚體TOC分布特征

土壤團(tuán)聚體TOC含量在評(píng)價(jià)土壤養(yǎng)分儲(chǔ)蓄能力方面具有重要意義。0～20 cm土層，各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體TOC含量均高于20～40 cm土層。0～20 cm土層，各粒級(jí)團(tuán)聚體TOC在>0.25 mm粒級(jí)中隨直徑的減小而逐漸增加，即在1～0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體中含量最大，其含量達(dá)8.69～10.37 g/kg，而在>5 mm團(tuán)聚體中最小，為5.92～8.50 g/kg。隨苜蓿種植年限延長，TOC含量表現(xiàn)為12 a>18 a>7 a>3 a>CK，12 a與CK，3，7，18 a相比，增幅分別達(dá)19.38%～43.56%、10.44%～22.47%、9.20%～11.94%、3.63%～6.93%。20～40 cm土層土壤團(tuán)聚體TOC分布特征與0～20 cm一致，但變化幅度減小(圖1)。

圖1 不同種植年限土壤團(tuán)聚體TOC含量Fig.1 Distribution of organic carbon contents in soil aggregates with different alfalfa plantation years注：同一粒級(jí)不同小寫字母代表處理間差異顯著(P<0.05)，下同

2.2 不同種植年限土壤團(tuán)聚體MBC分布特征

0～20 cm土層，土壤團(tuán)聚體MBC含量在>5、5～2、2～1、1～0.25 mm粒級(jí)中依次呈遞增趨勢(shì)，<0.25 mm粒級(jí)中MBC含量最低，為110.26～174.04 mg/kg。隨種植年限延長，土壤團(tuán)聚體MBC含量呈現(xiàn)出增加后降低的變化趨勢(shì)，12 a團(tuán)聚體MBC含量達(dá)到最大，為174.04～343.96 mg/kg，是CK的1.56～1.79倍。20～40 cm土層土壤團(tuán)聚體MBC變化趨勢(shì)與0～20 cm一致，但變化幅度明顯減小(圖2)。

圖2 不同種植年限土壤團(tuán)聚體MBC含量Fig.2 Distribution of MBC contents in soil aggregates with different alfalfa plantation years

2.3 不同種植年限土壤團(tuán)聚體MBN分布特征

0～20 cm土層，各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體MBN分布特征與MBC分布特征基本一致，表現(xiàn)為1～0.25 mm>2～1 mm>5～2 mm大于>5 mm，僅<0.25 mm粒級(jí)的MBN含量低于>5 mm。與CK相比，不同種植年限紫花苜蓿地土壤團(tuán)聚體>5mm、5～2 mm、2～1 mm、1～0.25 mm、<0.25 mm粒級(jí)的MBN含量分別增加5.83～14.33、3.95～12.95、6.29～23.99、3.02～22.32、1.47～5.16 mg/kg。其中，種植12 a 1～0.25 mm粒級(jí)MBN含量顯著高于其他年限，比CK高43.85%～91.72%，比7、18 a分別高11.09%～21.66%，6.24%～16.23%，7 a、18 a間無顯著差異。20～40 cm土層，MBN在1～0.25 mm團(tuán)聚體中分布最多，<0.25 mm團(tuán)聚體中分布最少，與表土層分布規(guī)律一致，但各粒級(jí)不同年限間土壤團(tuán)聚體MBN含量差異明顯變小，且含量均低于0～20 cm土層(圖3)。

圖3 不同種植年限土壤團(tuán)聚體MBN含量Fig.3 Distribution of MBN contents in soil aggregates with different alfalfa plantation years

2.4 不同種植年限土壤團(tuán)聚體微生物量碳氮比(MBC/MBN)分布特征

團(tuán)聚體MBC/MBN變化為5.27～7.17。0～20 cm土層，>0.25 mm各粒級(jí)團(tuán)聚體MBC/MBN高于<0.25 mm團(tuán)聚體，最大相差1.33倍。隨種植年限延長，MBC/MBN在>5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體中呈現(xiàn)出先增加后下降的變化趨勢(shì)，7 a時(shí)為6.63，顯著高于CK和18 a，分別是CK和18a的1.18和1.14倍，而CK和18 a之間無顯著差異。其余各粒級(jí)不同年限與CK間無顯著差異。20～40 cm土層，MBC/MBN變化范圍為5.27～6.20，隨年限變化較為平緩，不同年限間無顯著差異，且MBC/MBN均低于表土層(表1)。

2.5 不同種植年限土壤團(tuán)聚體微生物熵(MBC/TOC)分布特征

0～20 cm土層，不同年限苜蓿草地土壤微生物熵均隨團(tuán)聚體直徑的減小呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，1～0.25 mm粒級(jí)微生物熵為2.68%～3.33%，達(dá)到最大，而<0.25 mm粒級(jí)微生物熵最小，為1.29%～1.73%。隨著苜蓿種植年限的延長，<5 mm土壤團(tuán)聚體微生物熵呈現(xiàn)出先增高后降低的變化趨勢(shì)，12 a達(dá)到最大，其變化為1.73%～3.34%。20～40 cm土層，1～0.25 mm團(tuán)聚體微生物熵最高，各粒級(jí)不同年限間土壤團(tuán)聚體微生物熵差異不顯著。此外，20～40 cm土層團(tuán)聚體微生物熵均低于10～20 cm土層(表2)。

表2 不同種植年限土壤團(tuán)聚體中微生物熵

3 討論

土壤團(tuán)聚體中不同大小的孔隙為土壤微生物活動(dòng)提供微環(huán)境，能影響土壤微生物量的分布[18]。微生物量碳、氮是土壤中易被利用的養(yǎng)分，不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體中微生物量碳、氮的分布可以敏感地反映土壤肥力變化。本研究表明不同粒級(jí)團(tuán)聚體中，土壤有機(jī)碳、微生物量碳、氮最大值均集中于1～0.25 mm較小團(tuán)聚體中，與劉毅等[19]研究結(jié)果一致。與大團(tuán)聚體相比，1～0.25 mm團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，有機(jī)、無機(jī)膠體結(jié)合從而固碳效果好，但也可被微生物分解利用，促進(jìn)微生物生長。李瑋等[20]研究表明，5～2 mm團(tuán)聚體中微生物量碳含量較高，榮勤雷等[21]研究表明，<0.25 mm團(tuán)聚體中微生物量碳、氮含量較高，這可能與植被類型、地理環(huán)境、管理方式等因素有關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)隨苜蓿種植年限延長，土壤團(tuán)聚體微生物量碳、氮含量表現(xiàn)為12 a>18 a>7 a>3 a>CK，表明退耕還草，種植牧草對(duì)土壤微生物生物量有明顯的促進(jìn)作用[22]。這可能與根系分泌物及微生物合成物質(zhì)在土壤中隨種植年限延長不斷積累，微生物活動(dòng)更為活躍，代謝加快有關(guān)，但超過一定年限，苜蓿生長衰退，維持微生物活動(dòng)的物質(zhì)減少，微生物量碳、氮開始下降。

微生物量碳氮比在一定程度上可以反映苜蓿種植年限對(duì)土壤微生物數(shù)量以及種群結(jié)構(gòu)的影響[23]，細(xì)菌C/N為5∶1，真菌為10∶1，放線菌為6∶1[24]。本研究中，不同年限各粒級(jí)團(tuán)聚體中MBC/MBN為5.27～7.17，表明土壤中微生物群落可能主要為細(xì)菌和放線菌。微生物熵主要用來表征土壤活性有機(jī)碳特征，反映碳的動(dòng)態(tài)循環(huán)以及土壤質(zhì)量變化。土壤團(tuán)聚體微生物熵較大值集中于1～0.25 mm團(tuán)聚體中，說明1～0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳活性較高。隨種植年限增加，微生物熵先增加后減小，與薛冬等[25]研究結(jié)果一致。綜合微生物量碳氮比和微生物熵，種植苜蓿土壤團(tuán)聚體中微生物量比較豐富，土壤團(tuán)聚體中碳活性也較高。表明種植紫花苜蓿有利于改善土壤結(jié)構(gòu)，提高活性有機(jī)碳含量，增加土壤微生物生物量，促進(jìn)微生物活動(dòng)，但種植年限超過12 a，土壤會(huì)發(fā)生一定程度退化。

4 結(jié)論

1)不同種植年限土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳，微生物量碳、氮，微生物熵在1～0.25 mm粒級(jí)中含量達(dá)到最大。隨紫花苜蓿種植年限延長，土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳，微生物量碳、氮，微生物熵均先增加后減少，12年生苜蓿草地含量最高。

2)不同年限土壤團(tuán)聚體中微生物量碳氮比和微生物熵在>0.25 mm團(tuán)聚體中較高。