喀斯特地区土壤微生物量效应研究

吴小玲

（湖南农业大学生物科学技术学院国家植物科学实验中心，湖南 长沙 410128）

喀斯特地区是世界典型的溶岩生态脆弱区，土壤微生物是土壤有机质和养分转化和循环的动力，又是土壤养分的储存库，对土壤中养分的转化和供应起着重要的作用。土壤微生物是土壤中物质循环的调节者，同时也是有机物质库和速效养分的一部分[1]，其本身含有大量的养分。土壤微生物的数量分布，不仅是土壤中有机养分、无机养分以及土壤通气透气性能的反映，而且亦是土壤中微生物活性的具体体现[2-3]。土壤微生物量（MB）是土壤活的有机质部分，指土壤中除去活的植物体（如植物根系等）和动物外，体积小于5×103μm3的生物物质的总量，其主要生物类群有细菌、真菌、藻类和原生动物等[4]，广义的微生物量包括 MB-C、MB-N、MB-P 及MB-S等[5-7]。研究从土壤微生物量的效应着手，通过测定土壤碳氮含量，探讨退耕还林还草后土壤内在机制的变化，以期为该地区的生态安全和生态恢复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

选取了4个位于自然恢复演替阶段（草丛-灌丛-次生林-原生林）作为研究对象，试验样地的基本情况见表1。

通过野外勘查研究区自然植被分布，确定不同植被典型样地，于2006年6月（雨季）和12月（旱季）采集土壤样品。喀斯特植被演替过程4个阶段样地结合调查地上植被多样性的样方：草丛（5 m×5 m）、灌木丛（10 m×20 m）、次生林和原生林（20 m×40 m）；除草丛外，其余样方均分成4个等面积的小样方，选择其中3个小样方，每个样地按“S”形确定5～8个取样点，采集表层0～15 cm土壤样品混合成一个混合样品。对于农业耕作土壤，选取典型样地，随机选取3个取样小区（3个重复），每个小区按“S”形选取15～20个取样点，采集表层0～15 cm土壤组成一个混合样品（混合均匀）。样品过2 mm无菌筛，部分样品保存在4℃冰箱中用于平板培养与微生物碳氮等分析；余下样品风干保存用于土壤理化性质分析。

表1 试验样地的基本概况

1.2 方法

微生物量碳、氮的测定:氯仿熏蒸K2SO4提取法。提取液中C采用总有机碳自动分析仪测定，土壤微生物生物量碳的计算：BC=EC/kEC。式中：EC=熏蒸土壤浸提的有机碳－不熏蒸土壤浸提的有机碳，kEC为转换系数，取值0.45。提取液中N采用流动注射仪测定，土壤微生物生物量氮计算：BN=EN/kEN。式中：EN=熏蒸土壤浸提测定的全氮－不熏蒸土壤浸提测定的全氮；kEN为转换系数，取值0.45。

土壤基础呼吸作用测定：碱液吸收-TOC仪测定法：称取25 g上述测定土壤微生物碳氮用的新鲜土样于500 mL培养瓶中，并将土壤均匀地平铺于底部，将一只25 mL小烧瓶放在培养瓶内的土壤上，然后吸取1 mol/L的NaOH溶液10 mL放入其中，将培养瓶加盖密封，在25±1℃培养24 h取出于TOC仪上测定C浓度并计算CO2-C释放量，同时做空白对照。

土壤呼吸R=未熏蒸土壤释放CO2-C/10，R的单位为 mg/kg·d，呼吸熵（qCO2）：形成单位微生物量C所需呼吸的CO2-C量；qCO2=R/微生物量C×1 000，单位为 mg/g·d。

2 结果与分析

2.1 不同植被恢复后土壤的物理属性

从表2可以看出，随着退耕还林后植被恢复的正向进行，除次生林以外土壤的pH值是逐渐增高的，表现出原生林>灌丛>次生林>草丛。容重则正好相反，表现出草丛>灌丛>次生林>原生林。但pH和容重在每个恢复阶段的季节之间变化不明显，说明在短期时间里，pH值和容重基本是稳定的，受外界环境影响较小。因为土样采集时间的不同（6月是雨季，12月是旱季），在每个恢复阶段中差异较大且土壤的含水量均为6月>12月。随着植被恢复，土壤植被类型的不同，各阶段的土壤含水量也存在差异，6月土壤含水量是：原生林>次生林>灌丛>草丛；12月除原生林是0.29外，也是：次生林>灌丛>草丛。因为植被类型是影响土壤化学和生物化学性质的主要因素，其直接影响到土壤的含水量。原生林可能因其蒸腾量较大，根系从土壤中吸水较强，导致其土壤的含水量较次生林小。但在不同的月份，其土壤的基本属性（pH值、容重和土壤质地）相同，因此不会对以下的分析造成影响。

表2 不同植被恢复后土壤的物理属性

2.2 不同植被恢复后土壤微生物量、呼吸强度和qCO2值分析

土壤微生物量是指土壤中体积小于5×103μm3、具有生命活动的有机物质的总量，是土壤物质和能量循环转化的动力，是表征土壤肥力特征的重要参数之一[8-9]。从表2可以看出，不同植被恢复后土壤微生物量差异显著，微生物量碳从高到低为：次生林>原生林>灌丛>草丛，在季节上草丛和原生林都为12月份大于6月份；灌丛和次生林为6月份大于12月份，结果6月份次生林是原生林的1.31倍，灌丛的1.93倍，草丛的7.91倍；12月份次生林是原生林的1.19倍，灌丛的2.55倍，草丛的4.14倍。微生物量氮除灌丛外均表现为12月份高于6月份且是草丛的3.37倍，次生林的1.20倍，原生林的2.42倍，不同的演替阶段6月份为：次生林>原生林>灌丛>草丛，12月份是：原生林>次生林>灌丛>草丛。微生物量碳和微生物量氮与土壤有机碳、全氮变化趋势基本相同。

Jenkinsont研究认为，在无外部因素干扰的情况下，土壤微生物量并不能完全反映微生物的活性、结构和功能，因此在分析微生物量的绝对量外，还应考虑微生物量碳、氮在全碳、全氮中所占的比例，从微生物学角度揭示植被恢复过程中土壤生物学质量的变异[8]。从表2可以看出，不同植被恢复后土壤微生物量碳、氮、占全碳、全氮的比例变化不同，其中6月份微生物量碳占全碳的比例为2.70%～4.97%，微生物量氮占全氮的比例是2.47%～5.94%；12月份微生物量碳占全碳的比例为2.93%～3.74%，微生物量氮占全氮的比例是3.58%～6.98%。在6月份从草丛到灌丛其微生物量碳增幅较快，比例最高的是次生林为4.97%；12月份没明显的规律，但次生林的比例还是最高为3.74%，其微生物量氮也没什么规律，但草丛的比例最高。在6月份其微生物量氮从草丛到次生林是逐渐增加的且增幅较大，在原生林又快速降低。有研究报道土壤微生物量碳、氮占有机碳、全氮的比例分别为0.27%～7.0%、2%～6%。本研究发现，微生物量碳和氮所占比例相对偏高，在退耕还林的喀斯特地区土壤有机碳和氮素含量较贫瘠，微生物代谢功能期短，要维持植物生长所需要的碳源、氮源和营养物质，则必须提高微生物量在有机碳和全氮中所占比例和持续性来维持高的有机物代谢和物质循环。

微生物量碳氮比可以反映土壤微生物种类和区系。在植被恢复过程中，由于植被的不同，植被凋落物与根系统物质分解过程中所诱导形成的微生物区系差异导致土壤微生物量碳、氮比例也不同。表2显示，在每个阶段微生物量碳氮比均是6月份高于12月，这与土壤有机碳氮比是一致的。说明由于植被、环境的影响和微生物自身的因素，土壤氮素含量较高后续供应能力较强，在12月份微生物活动较6月份活跃。

土壤呼吸作为土壤质量和肥力的重要生物学指标，在一定程度上反映了土壤养分转化和供应能力，表征着土壤的生物学特性和物质代谢强度。在生态恢复过程中，植被的变化通过吸收养分和归还有机物等影响着土壤的物理、化学和生物学性质，土壤微生物呼吸随之变化，指示着系统恢复中土壤质量的演变过程。如表3所示，植被恢复后土壤微生物呼吸强度是逐渐增强的，表现为原生林>次生林>灌丛>草丛，和有机碳变化过程相同，说明作为呼吸基质的有机碳对呼吸强度有重要的控制作用。季节变化也影响土壤微生物呼吸强度，表现出与微生物量碳氮比相反的规律（12月份大于6月份）。

表3 不同植被恢复后土壤微生物量、呼吸强度和qC02值（n=3）

代谢熵（qCO2）是基础呼吸强度与微生物量碳的比率。qCO2效率高，则形成单位微生物质量所呼出的qCO2少，qCO2较小；qCO2效率低，说明利用相同能量而形成的微生物量小，qCO2较大，释放的CO2较多，微生物体的周转率快，平均菌龄低。由表2可以看出，从草丛到原生林qCO2是12月份的效率高于6月份的，这与土壤微生物呼吸强度表现出相同的规律。由于植被的恢复，减少了人为的干扰，从草丛到次生林qCO2逐渐降低，保证了高的代谢效率，使土壤有充足的活性有机物，维持较好的土壤性状和可持续利用潜力。原生林由于无人为干扰且各方面都趋于收支平衡，qCO2升高。次生林的qCO2效率最高，可能因为在适度的干扰下，物种增多，为微生物代谢提供可利用的物质变丰富，微生物群落的食物网复杂化，其能量基本用于维持自身正常的生命活动。

3 总结与讨论

随着退耕还林后植被恢复的正向进行，除次生林以外土壤的pH值是逐渐增高的，表现出原生林>灌丛>次生林>草丛，而容重变代表现出相反的规律。同时土壤含水量也存在差异，6月土壤含水量是原生林>次生林>灌丛>草丛；12月除原生林外也是次生林>灌丛>草丛。因为植被类型是影响土壤化学和生物化学性质的主要因素，其就直接影响到土壤的含水量。

不同植被恢复后土壤微生物量发生很大变化，微生物量碳从高到低为次生林>原生林>灌丛>草丛，在6月份从草丛到灌丛其微生物量碳增幅较快，12月份没明显的规律。在季节上差异表现为草丛和原生林都为12月份大于6月份；灌丛和次生林为6月份大于12月份。微生物量氮除灌丛外表现出灌丛和次生林微生物量碳同样的规律，在6月份其微生物量氮从草丛到次生林逐渐增加，且增幅较大，在原生林又快速降低。而且这两种都与土壤有机碳、全氮变化趋势基本相同，但与全碳、全氮的比例变化不同，6月份微生物量碳占全碳的比例为2.70%～4.97%，微生物量氮占全氮的比例是2.47%～5.94%；12月份微生物量碳占全碳的比例2.93%～3.74%，微生物量氮占全氮的比例是3.58%～6.98%，这与前人研究相似，但比例偏高，使得微生物代谢功能期较短，须提高微生物量在有机碳和全氮中所占比例和持续性来维持高的有机物代谢和物质循环。

在每个阶段微生物量碳氮比均是6月份高于12月，这与土壤有机碳氮比是一致的。说明由于植被、环境的影响和微生物自身的因素，土壤氮素含量较高后续供应能力较强，在12月份微生物活动较6月份活跃。植被恢复后土壤微生物呼吸强度是逐渐增强的，表现为原生林>次生林>灌丛>草丛，和有机碳变化过程相同，季节变化也影响土壤微生物呼吸强度，表现出与微生物量碳氮比相反的规律（12月份大于6月份）。从草丛到原生林qCO2表现同土壤微生物呼吸强度随季节变化相同的规律，且草丛到次生林是逐渐降低的，可能因为原生林在适度的干扰下，物种增多，为微生物代谢提供可利用的物质变丰富，微生物群落的食物网复杂化，其能量基本用于维持自身正常的生命活动，使其qCO2升高。

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