云冷杉红松混交林不同演替阶段土壤微生物生物量碳与土壤蔗糖酶活性分析

刘振花

(阜新市林业局，辽宁 阜新 123000)

云冷杉红松混交林不同演替阶段土壤微生物生物量碳与土壤蔗糖酶活性分析

刘振花

(阜新市林业局，辽宁 阜新 123000)

通过对云冷杉红松混交林不同演替阶段(形成阶段、发展阶段、稳定阶段和顶级群落)不同土壤层次土壤微生物量碳(MBC)含量和土壤蔗糖酶活性及各个阶段土壤总有机碳、全氮、速效钾和有效磷的研究，采用对比分析方法分析了土壤微生物量碳和土壤蔗糖酶活性与土壤总有机碳、全氮、速效钾和有效磷之间的相关关系，结果显示，土壤微生物量碳和土壤蔗糖酶活性与土壤总有机碳、全氮、速效钾和有效磷之间均呈显著正相关。

云冷杉红松混交林；演替阶段；微生物生物量碳；蔗糖酶活性

土壤微生物量碳(MBC)是指土壤中体积小于5～10 μm3活的微生物总量，在土壤有机质中，属于较活跃的部分，易发生变化。土壤微生物量碳在土壤有机质库中所占的比例很小，但却是控制生态系统中碳、氮和其他养分流的关键[1]。土壤微生物量碳是推动有机质分解、转化的动力，进入土壤的有机物质都需在微生物的作用下才能完成代谢过程[2]。已有研究表明，微生物量碳与有机碳的变化方向一致，二者显著正相关。由于土壤有机碳的含量高，短期内难以检测其变化大小，而微生物量碳周转速率快，短时间内能够测定其变化大小。研究表明，微生物生物量碳与有机碳比率变化可以指示土壤有机质变化[3]。

1 研究方法

1.1 研究地区自然概况

研究样地位于黑龙江省伊春市凉水国家级自然保护区内。该地区地处小兴安岭山脉东南，属温带大陆性季风气候，冬季长，夏季短，太阳辐射量较小，年平均气温-0.3 ℃，年平均降水量约为680 mm，年平均蒸发量约为800 mm, 无霜期较短，为100～120 d。本区的地带性土壤属于暗棕壤，分布于大部分山地，占全区总面积的85%；在河流两岸的阶地上分布着草甸土，在河流两岸的低洼地和山间谷地排水不良的地方分布着沼泽土和泥炭土。地带性植被是以红松为主的针阔混交林。常见的阔叶树有紫椴(Tiliaamurensis)、青楷槭(Acertegmentosum)、花楷槭(Acerukurunduense)、蒙古栎(Quercusmongolica)、拧筋槭(Acertriflorum)、千金榆(Carpinuscordata)、水曲柳(Fraxinusmandschurica)、黄波罗(Phellodendronamurense)等。下木有毛榛子(Corylusmandshurica)、胡枝子(Lespedezabicolor)、兴安杜鹃(Rhododendrondauri-cum)、暴马丁香(Syringareticulatavar.amurensis)等。草本植物的种类随林龄的变化有所变化，主要以莎草科(Cyperaceae)、禾本科(Gramineae)、茜草科(Rubiaceae)以及菊科(Compositae)植物为主[4]。

1.2 土壤样品采集

在凉水自然保护区内，选取立地条件相似的更新树种(红皮云杉、冷杉、红松、白桦)的形成阶段(30 a)、发展阶段(50 a)、稳定阶段(70 a)、顶级群落(原始林)4个林分类型，在每个林分类型中各设置3块30 m×30 m标准地，每块标准地按“S”形设置5个土壤剖面，分别取A层、B层和C层土壤，装于塑料袋中做好标识。将土壤样品分成2份，1份鲜样去掉根系、石块，过2 mm钢筛后贮藏于4 ℃冰箱后供土壤微生物量碳的测定；另一份去掉根系、石块并风干，风干土样按照试验用量分成3份，分别过0.149 mm、0.25 mm和2 mm土壤筛，过筛后用密封袋储存，供土壤基础物理化学指标和土壤蔗糖酶的测定。不同演替阶段土壤肥力状况见表1。

表1 云冷杉红松混交林不同演替阶段土壤肥力

1.3 分析方法

土壤微生物生物量碳的测定采用氯仿熏蒸法，即将鲜土样放入抽真空干燥器中，用氯仿熏蒸24 h，抽干净剩余氯仿之后，用0.5 molL-1K2SO4浸提土壤，浸提液直接在有机碳分析仪上测定[5]。

土壤蔗糖酶的测定用3,5-二硝基水杨酸比色法。即称取2 g风干土于50 mL三角瓶中，注入15 mL 8%蔗糖溶液，加入5 mL pH5.5磷酸缓冲液和5滴甲苯。摇匀混合物后，放入37 ℃恒温培养箱培养24 h。定时取出，迅速过滤。从中吸取滤液1 mL，注入50 mL容量瓶中，加入3 mL 3,5-二硝基水杨酸，并在沸腾的水浴锅中加热5 min，随即将容量瓶移至再来水流下冷却3 min。溶液因生成3-氨基-5-硝基水杨酸而呈橙黄色，最后用蒸馏水稀释至50 mL，并在分光光度计上于波长508 nm处进行比色[6]。

为了消除土壤中原有的蔗糖、葡萄糖而引起的误差，每一土样须做无基质对照，整个实验需做无土壤对照。

2 结果与分析

2.1 土壤微生物生物量碳的演变

由图1可见，土壤微生物生物量碳含量随着演替阶段的进行而增加，进入稳定阶段时，含量值最高，从稳定阶段到顶级群落，含量稍有减少。A层和B层土壤微生物生物量碳的含量变化较C层明显，C层各个演替阶段的微生物量碳含量变化较为平缓，A层土壤微生物量碳的含量从形成阶段的1 616.55 mgkg-1到稳定阶段的2 170.92 mgkg-1，增长幅度为34.31%。B层形成阶段的土壤微生物量碳含量为1 072.21 mgkg-1，稳定阶段的微生物量碳含量为1 405.61 mgkg-1，C层的土壤形成阶段和稳定阶段的微生物生物量碳含量分别为553.84 mgkg-1和708.24 mgkg-1，增长幅度为27.88%。从不同土壤层次来看，土壤微生物量碳的含量大小顺序依次是A层>B层>C层(图1)。由于土壤表层土壤空气比深层土壤空气充足，土壤微生物绝大部分分布在土壤表层，因此，土壤A层的土壤微生物生物量碳含量远远大于B层和C层[7]。

图1 云冷杉红松混交林不同演替阶段土壤微生物生物量碳的含量变化

2.2 土壤蔗糖酶活性的演变

蔗糖酶的演变与林地内的光照条件以及土壤空气及热量状况有关，这是因为一方面这些因子会影响植物根系及土壤微生物种类；另一方面，不同光照条件和空气状况也会直接或间接影响土壤蔗糖酶的存在状态与活性强弱[8]。本研究表明(图2)，不同演替阶段土壤蔗糖酶活性变化表层土比深层土明显。A层土壤蔗糖酶活性从形成阶段到发展阶段降低显著，而从发展阶段到稳定阶段提高程度达显著水平(P< 0.05)，从稳定阶段到顶级群落土壤蔗糖酶活性基本趋于稳定；B层和C层土壤蔗糖酶活性无显著差异。这是由于A层土壤受光照影响显著。随着演替的进行，林内的郁闭度也发生变化，郁闭度导致的光照及其他因子的差异，影响根系及土壤微生物的活性，从而影响土壤有机质及营养元素的含量、有效性及其他理化性质，进而直接或间接地影响土壤蔗糖酶活性。从林分的郁闭度和土壤蔗糖酶活性的相关分析可得土壤蔗糖酶活性和林分的郁闭度呈负相关。

图2 云冷杉红松混交林不同演替阶段土壤蔗糖酶活性的演变

2.3 土壤微生物生物量碳与土壤养分的相关关系

根据土壤微生物碳与总有机碳、全氮、有效磷和速效钾之间的相关分析可以看出，土壤微生物量碳与上述土壤养分之间均呈极显著正相关关系。这是由于土壤微生物一方面对土壤有机物质起分解作用，使有机物质转化成有效养分，另一方面，土壤微生物量碳对土壤中的无机营养元素起到固定和保蓄作用，微生物量碳含量越高，土壤保肥作用越强，并使土壤养分趋于积累状态。因此，土壤微生物量碳是植物矿质养分的源和汇，是稳定态养分转变为有效态养分的催化剂[9]。已有研究表明，土壤微生物量库的微小变化都会影响到养分的循环和有效性[9]。本研究结果表明，土壤微生物碳含量与土壤总有机碳、全氮、有效磷和速效钾含量间呈极显著正相关(P< 0.01)(图3)。Smith等研究表明[10]，微生物C、N、P、S与土壤有效C、N、P、S之间存在着某种动态平衡，这说明土壤生物碳指示土壤肥力动态变化比土壤有机碳更加灵敏，可以用来反映土壤肥力的动态变化[11]。因此，土壤微生物量碳可以作为云冷杉红松混交林林地土壤养分状况的指标。

图3 土壤微生物生物量碳与土壤养分的相关关系

2.4 土壤蔗糖酶与土壤养分的相关关系

从图4可以看出，土壤蔗糖酶活性与土壤总有机碳含量、土壤全氮量、土壤速效磷含量和土壤速效钾含量均表现出正相关关系，其中与土壤总有机碳、全氮量和速效钾均达到了极显著相关(相关系数分别为0.947 8、0.957 8和0.917 7)，与土壤速效磷也达到了显著相关(相关系数为0.898 5)。

图4 土壤微生物量碳与土壤养分的相关关系

图5 土壤蔗糖酶活性与土壤活性有机碳的相关关系

2.5 土壤微生物量碳与土壤蔗糖酶的相关关系

由图5可以看出:土壤蔗糖酶与土壤微生物量碳(MBC)的相关系数为0.955 1(P<0.01)，这说明土壤蔗糖酶在云冷杉红松混交林的演替过程中，与土壤微生物量碳呈现出正相关关系。

3 结论

土壤微生物生物量碳的含量A层和B层变化较C层明显，C层各个演替阶段的微生物生物量碳含量变化较为平缓，A层土壤微生物生物量碳的含量从形成阶段的1 616.545 mgkg-1到稳定阶段的2 031.57 mgkg-1，增长幅度为25.67%。B层和C层的土壤微生物生物量碳含量分别为1 926.39 mgkg-1和2 170.92 mgkg-1。A层蔗糖酶活性在发展阶段较形成阶段有所下降。B层和C层土壤蔗糖酶活性在整个演替过程中均无显著差异。研究表明，土壤蔗糖酶活性与土壤总有机碳含量、全氮量、有效磷和速效钾均表现出正相关关系，因此土壤蔗糖酶活性越高，越有利于土壤养分的积累。

[1] 徐秋芳,姜培坤,沈泉.灌木林与阔叶林土壤有机碳库的比较研究[J].北京林业大学学报,2005,27(2):182-221

[2] 沈宏,曹志洪,徐志红.施肥对土壤不同碳形态及碳库管理指数的影响[J].土壤学报, 2000,37(2):166-173

[3] Wander M M, Traina S J, Stinner B R, et al.The effects of organic and conventional management on biologically active soil organic matter fraction[J].Soil Sci Am J, 1994, 58: 1130-1139

[4] 中国科学院南京土壤研究所.土壤微生物量碳的研究方法[M ].北京：科学出版社，1985:36-46

[5] 何友军，王清奎，汪思龙,等.杉木人工林土壤微生物生物量碳氮特征及其与土壤养分的关系[J].应用生态学报，2006, 17(12):2292-2296

[6] 高祥斌.森林土壤化学性质与土壤酶活性典型相关分析[J].四川林勘设计,2006(3)：16-19

[6] 刘振花，陈立新，王琳琳.红松阔叶混交林不同演替阶段土壤活性有机碳的研究[J].土壤通报, 2009,45(5):1098-1103

[8] Carter M R, Rennie D A.Dynamics of soil microbial biomass N under zero and shallow tillage for spring wheat, using15N-urea.Plant Soil, 1984,76: 157-164

[9] Coleman D C, Reid CPP, Cole C V.Biological strategies of nutrient cycling in soil systems.AdvEcolRes, 1983(13): 51-55

[10] 周礼恺.土壤酶活性的总体在评价土壤肥力水平中的作用[J].土壤学报,1983,20(4): 413-417

[11] 关松荫.土壤酶及其研究法[M].北京:农业出版社，1986

Microbial Biomass Carbon and Soil Invertase Activity of Mixed Stands ofPiceakoraiensis,AbiesfabricandPinuskoraiensisin Different Succession Stages

Liu Zhenhua

(Forestry Bureau of Fuxin City, Fuxin 123000,China)

The content of soil microbial biomass carbon (MBC) in different soil layers, soil invertase activity, total organic carbon (TOC), total nitrogen, available potassium, available phosphorus at all stages in different succession stages (the formation stage, stage of development, stability phase and climax community) of mixed spruce-fir-larch stands were studied.The correlation among MBC, soil invertase activity, TOC, total nitrogen, available potassium, and available phosphorus were analyzed.Result shows that：MBC, soil invertase activity, TOC, total nitrogen, available potassium, available phosphorus show significant positive correlation.

mixed forest of spruce-fir-larch;succession stages;microbial biomass carbon (MBC);invertase activity

1005-5215(2015)01-0013-04

2014-10-11

刘振花(1982-)，女，山东胶南人，硕士，工程师，从事林改工作.

S725.2

A

10.13601/j.issn.1005-5215.2015.01.005