察布查尔县草原土壤微生物量与土壤理化性质相关性研究

赛牙热木·哈力甫，艾克拜尔·伊拉洪，宋瑞清*，阿不都赛买提·乃合买提

(1.东北林业大学林学院，黑龙江 哈尔滨 150040；2.新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

察布查尔县草原土壤微生物量与土壤理化性质相关性研究

赛牙热木·哈力甫1，艾克拜尔·伊拉洪2，宋瑞清1*，阿不都赛买提·乃合买提2

(1.东北林业大学林学院，黑龙江 哈尔滨 150040；2.新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

微生物不仅是土壤养分的转化者，同时也是养分的一种存在方式，其生物质量为微生物量。微生物量是土壤养分转化和循环的动力也是养分的库和源，微生物量对环境变化敏感，是土壤质量变化的重要指标。本研究以新疆伊犁察布查尔县1191～2656 m海拔草原为研究对象，使用氯仿熏蒸提取法研究不同海拔草原土壤微生物量及其活性的变异特征，研究结果表明微生物量碳(21.05～331.58 mg/kg)、微生物量氮(8.75～95.61 mg/kg)均为土壤表层大于中、底层，各海拔及土层间差异显著(P<0.05)，在1191～2216 m海拔区间微生物量碳、氮随海拔的增加而增加，并在2216 m海拔达到最大值(331.58 mg/kg和95.61 mg/kg)，其后2216～2656 m海拔区间微生物量碳、氮显著降低(21.05 mg/kg和12.41 mg/kg)，这可能与随海拔的增加引起此海拔区间气候、降水量、植被类型、植被数量等环境条件的变化有关；通过相关性分析得知微生物量碳、氮、碳氮比彼此间正相关(P<0.05)；0～20 cm土层微生物量碳与含水量呈正显著性相关(P<0.05，r=0.755*)，微生物量与海拔、容重、有机质、碱解氮呈正相关(P<0.05)，与pH值、全氮、碳氮比负相关(P<0.05)。20～40 cm土层微生物量碳与碱解氮呈显著性正相关(P<0.05，r=0.829*)，微生物量与海拔、全氮正相关(P<0.05)，与碳氮比负相关(P<0.05)。40～60 cm土层微生物量与海拔、碳氮比呈负相关(P<0.05)，与有机质、碱解氮、全氮呈正相关(P<0.05)。土壤微生物量可以反映土壤肥力的变化，作为评价土壤肥力的生物学指标。

草原土壤；海拔；土层；土壤理化性质；微生物生物量

新疆地处亚欧大陆腹地中温带极端干旱荒漠地带，天然草地毛面积5725.88万hm2，可利用面积4800.68万 hm2。其中属于四、五等的低劣退化草地约占34%[1-2]，察布查尔锡伯自治县是新疆维吾尔自治区伊犁哈萨克自治州直属县之一[3]，位于新疆西天山支脉乌孙山北麓，伊犁河以南，牧草地为266824.53 hm2。草原是生态系统的重要组成部分，近年来不合理的开发利用使草地生态系统严重退化，威胁着正常生态系统的可持续发展。土壤微生物是土壤生态系统的重要组成部分，是土壤物质循环的调节者，也是有机质及养分的一部分；土壤微生物生物量[4]是指除大型动物和活的植物体外，体积小于5×103μm3的生物总量，土壤微生物生物量的多少及其变化是土壤肥力高低及其变化的重要依据。土壤微生物生物量调控土壤中能量及养分的循环过程[5-6]，是土壤养分“库”和“源”，也是植物营养储备库，对植物养分轮作、有机质代谢和污染物的降解具有重要的作用[7-8]。同时土壤微生物生物量对环境变化敏感[9]，短时间内大幅度变化是公认的土壤生态系统质量变化敏感指标[10-11]。近年来随着土壤微生物生物量测定方法的简化和改进，土壤微生物生物量与土壤理化性质相关性得到了新的进展[12-15]，但在国内微生物生物量的研究主要集中在农田肥力、土壤污染的方面。草原资源是该研究区自然生态系统，是该区畜牧业发展及经济收入的主要来源，通过查阅资料可以找到关于该区土壤理化性质的研究，但对土壤微生物生物量的研究资料稀少。本研究以察布查尔西伯自治县草原土壤为研究对象，对该区土壤微生物生物量及土壤理化性质进行研究，以期解释：1)微生物生物量的垂直分布特征以及从微生物生物量角度分析土壤肥力垂直分布特征; 2)探讨影响土壤微生物生物量的因子，如土壤有机质、碱解氮、全氮、土壤容重、含水量、pH值等对微生物生物量的影响，为该区草原生态系统的管理、健康发展、草原生态系统的恢复、经济发展、收入的提高提供科学依据。

1 材料与方法

1.1试验地概况

察布查尔县隶属于伊犁哈萨克自治州，是中国唯一一个以锡伯族为主体的多民族集居的自治县，地势南高北低，南部为山区、丘陵，中部为倾斜平原，北部为伊犁河冲积平原，全县土地总面积447194.50 hm2，其中耕地78025.11 hm2、园地983.89 hm2、林地46142.52 hm2、牧草地266824.53 hm2、水面6492.91 hm2，上述各类面积占土地总面积的89.10%。察布查尔县位于东经80°31′-81°43′、北纬43°17′-43°57′，属于大陆性北温带温和干旱气候，冬春长、冬季寒冷，夏秋短、夏季炎热，年均气温7.9 ℃，≥0 ℃年积温3800 ℃，极端最高气温39.5 ℃，极端最低气温-43.2 ℃，降雨量少、蒸发量大，年均降雨量206 mm，光照充足，全年有效光照时数2846 h，无霜期177 d。

放牧是该区主要经济来源，历年牧民以10月-翌年3月(冬季)定居，3-10月(春、夏、秋)以游牧方式利用草原资源，因草地载畜量过重、草地利用和管理措施不当而引起了不同程度草原的退化。

1.2取样方法

2016年8月通过查阅文献、卫星地图搜索、信息咨询以及野外踏查和GPS定位等手段，根据研究区海拔从1191～2656 m选取8个典型草地样地(每个样地海拔相差200 m)，在每一个样地内设置3个20 m×20 m的样方，每一样方采集5个样点，通过挖剖面法采集土样，每个样点0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm土层从下而上分别收集土样并剔除植物根系、石块后混匀，通过四分法将1 kg混合土样装入布袋。土样分成两部分：一部分过2 mm(10目)筛保存于4 ℃冰箱中用于微生物生物量的测定，另一部分室内风干过1 mm(18目)、0.25 mm(60 目)筛用于有机质、碱解氮、全氮的测定。

1.3测定方法

1.3.1土壤理化性质的测定 土壤物理性质的测定[16]：含水量(water content, WC)用烘干法，容重(bulk density, BD)用环刀法、pH值(pH value)用酸度计法(水土比1∶2.5)。

土壤化学性质的测定[16]：有机质(organic matter, OM)用重铬酸钾外加热法；全氮(total nitrogen, TN)用半微量凯氏定氮法；碱解氮(available nitrogen, AN)用扩散法。

1.3.2土壤微生物生物量的测定 称取3份30 g存于4 ℃冰箱的新鲜土样分别装入培养皿，与20 mL氯仿及稀NaOH溶液同时放入真空干燥器中，用真空泵抽空使氯仿沸腾5 min后密封置于25 ℃黑暗条件下培养24 h，熏蒸结束后取出氯仿和NaOH溶液清理干燥器，将土样重新放入真空干燥器抽真空，直到没有氯仿味道。熏蒸土样无损地移到聚乙烯塑料瓶并加入0.5 mol/L K2SO4提取液振荡(300 r/min)30 min。在熏蒸的同时另取3份土样不熏蒸，提取、培养步骤与熏蒸土样一样作为不熏蒸对照。微生物生物量碳采用氯仿熏蒸-浓硫酸-重铬酸钾氧化容量法测定[17]，将提取液10 mL转入消化管，加入10 mL重铬酸钾-硫酸溶液混合在180 ℃消煮，用硫酸亚铁滴定并记录使用量。微生物生物量氮采用氯仿熏蒸-茚三酮比色法测定[18-19]，将提取液1.5 mL与3.5 mL柠檬酸缓冲液、2.5 mL茚三酮试剂混合在沸水浴中加热25 min后加入乙醇溶液并在570 nm波长下比色。1.4数据分析

通过 Microsoft Excel 2010进行数据记录及初步整理；通过SPSS 20.0系统进行海拔、土层厚度间的差异显著性单因素方差分析(ONE-WAY ANOVA)。对海拔、土层厚度、有机质、全氮、碱解氮、pH值、容重、含水量之间的相关性进行分析。

2 结果与分析

2.1土壤物理性质垂直空间变异

由表1可以看出，含水量为5.38%～22.66%，同一海拔时，1191～1801 m含水量随土层厚度增加而降低，而在1981～2656 m含水量随土层厚度增加而显著上升(P<0.05)，土层间差异显著。土壤容重为0.91～1.48 g/cm3，表层与底层差异显著(P<0.05)，20～40 cm土层与40～60 cm土层土壤容重相近(P>0.05)，pH值为5.12～8.55，pH值随土层厚度增加而降低，0～20 cm 土层pH值与20～40 cm土层pH值相近(P>0.05)；0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层厚度时，1191～1981 m土壤含水量、容重随海拔增加而上升，并在1981 m海拔达到最高值，随后在1981～2656 m海拔逐渐降低，含水量、容重总体为随海拔增加而上升，pH值在0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层厚度随海拔增加而降低，1981 m海拔变化显著(P<0.05)。

2.2土壤化学性质垂直空间变异

由表2可以看出， 1981 m海拔20～40 cm土层有机质、碱解氮、全氮含量均大于表层， 且40～60 cm土层上述指标与表层相近(P>0.05)，其余海拔有机质、碱解氮、全氮均随土层厚度增加而降低；0～20 cm土层厚度时，有机质、碱解氮、全氮均随海拔增加而上升，20～40 cm、40～60 cm土层1981 m海拔上述指标均大于其他海拔，这可能与1981 m海拔所处环境条件有关。

表1 土壤物理性质空间变异性Table 1 Spatial variabillty of the soll physical properties

表2 土壤化学性质空间变异性Table 2 Spatial variabillty of the soll chemical properties

2.3土壤微生物生物量垂直空间变异

微生物量碳与土层厚度、海拔正相关(P<0.05)，即表层微生物量碳显著大于底层(P<0.05)，20～40 cm与40～60 cm土层微生物量碳含量相近但存在一定差异；0～20 cm土层厚度时，1191～2216 m海拔微生物量碳随海拔的增加而上升并达到最高值331.58 mg/kg，2216～2656 m海拔区间微生物量碳含量逐渐降低并在2656 m海拔处达到最小值184.68 mg/kg，20～40 cm、40～60 cm土层厚度时，1191～1981 m海拔微生物量碳随海拔增加而上升并在1981 m海拔达到最高值152.63和100.00 mg/kg，1981～2656 m逐渐降低至52.63和21.05 mg/kg(图1A)。

微生物量氮与海拔、土层厚度正相关(P<0.05)，除1595 m海拔外表层微生物量氮显著大于底层(P<0.05)；0～20 cm土层厚度时，1191～2216 m海拔微生物量氮随海拔增加而上升至最高值95.61 mg/kg，并在2216～2656 m海拔区间微生物量氮逐渐降低至44.81 mg/kg，降低趋势明显，20～40 cm、40～60 cm土层厚度微生物量氮在1191～1801 m海拔区间随海拔增加而上升，在1801～2656 m海拔微生物量氮逐渐降低，降低趋势不明显(图1B)。

图1 不同海拔微生物量碳(A)，微生物量氮(B)的垂直变化Fig.1 The vertical variation of biomass carbon and nitrogen at different altitude MBC:土壤微生物量碳Soil microbial biomass C; MBN:土壤微生物量氮Soil microbial biomass N.不同大写字母代表不同海拔同一土层土壤微生物量之间差异显著(P<0.05)，不同小写字母代表同一海拔不同土层土壤微生物量之间差异显著(P<0.05)。The different capital letters represent the significant differences between different altitude of same depth soil microbial biomass, the different small letters represent the significant differences between different depth of same altitude soil microbial biomass.

0～20 cm土层厚度微生物量约为底层微生物量的2倍，这可能与表层光照充足、水分充足、植被枯枝落叶较多，能满足表层微生物的正常生长繁殖及进行生化反应有利有关。

2.4微生物量与土壤理化性质相关性

通过相关性分析可知，0～20 cm土层厚度时，微生物量碳、氮、碳氮比均与海拔正相关，即随海拔的增加而上升。微生物量碳与含水量显著性相关(P<0.05，r=0.755*)，与容重、有机质、碱解氮正相关，与pH值、全氮、碳氮比负相关；微生物量氮与微生物量碳显著性相关(P<0.05，r=0.817*)，与含水量、容重、有机质、碱解氮正相关，与pH值、全氮、碳氮比负相关；微生物量碳氮比与含水量、容重、有机质、碱解氮、微生物量碳、微生物量氮负相关，与pH值、全氮、碳氮比正相关(表3)。

20～40 cm土层厚度时，微生物量碳、氮与海拔正相关，微生物量碳氮比与海拔呈负相关。微生物量碳与碱解氮呈显著性相关(P<0.05，0.829*)，与含水量、容重、有机质、全氮呈正相关，与pH值、碳氮比呈负相关；微生物量氮与pH值、全氮、微生物量碳呈正相关，与含水量、容重、有机质、碱解氮、碳氮比呈负相关；微生物量碳氮比与碱解氮、微生物量碳呈极显著正相关(P<0.01，0.839**、0.923**)，与含水量、pH值呈显著性相关(P<0.05，0.768*、-0.733*)，与容重、有机质、全氮呈正相关(表4)。

表3 0～20 cm土层微生物量与理化性质相关性Table 3 The correlation of soil biomass and physical and chemical properties at soil depth 0-20 cm

注：*和**分别表示 0.05 和 0.01 显著水平。下同。

Note：* and ** represent 0.05 and 0.01 significance levels, respectively. The same below.

表4 20～40 cm土层微生物量与理化性质相关性Table 4 The correlation of soil biomass and physical and chemical properties at soil depth 20-40 cm

表5 40～60 cm土层微生物量与理化性质相关性Table 5 The correlation of soil biomass and physical and chemical properties at soil depth 40-60 cm

40～60 cm土层厚度时，微生物量碳、氮与海拔呈负相关，微生物量碳氮比与海拔呈正相关。微生物量碳与含水量、容重、有机质、碱解氮、全氮呈正相关，与pH值、碳氮比呈负相关；微生物量氮与pH值、有机质、碱解氮、全氮、微生物量碳呈正相关，与含水量、容重、碳氮比呈负相关；微生物量碳氮比与含水量、容重、有机质、碱解氮、全氮、碳氮比、微生物量碳呈正相关，与pH值、微生物量氮呈负相关(表5)。

3 讨论

3.1土壤微生物量沿土层梯度变化

本实验中微生物量碳、氮含量为21.05～331.58 mg/kg、8.75～95.61 mg/kg，微生物量碳含量在温带和热带森林土壤(61～2000 mg/kg)微生物量碳含量区间，微生物量氮在常绿林土壤(42～242 mg/kg)微生物量氮含量区间。通过分析表明，微生物量碳、微生物量氮、微生物量碳氮比与土层厚度正相关，即表层微生物量碳、氮、碳氮比显著大于中、底层(P<0.05)，这与前人研究结果一致[20-21]。导致这种原因的可能是，土壤表面光照、水分、通气量足，地表可促进植物光合作用，地下促进矿化、同化作用，从土壤中吸收养分速度提高的同时提高向土壤释放有机物质的能力，另一方面自然草原植被种类繁多、数量多，植物凋落物回归于土壤表层从而为微生物提供了碳源，同时也保持了土壤水分，这更有助于微生物的生长，从而导致了表层微生物量大于中、底层微生物量。

3.2土壤微生物量沿海拔梯度变化

在本研究中微生物量碳、氮在1191～2216 m海拔区间随海拔的增加而增加，并在2216 m海拔达到最大值(331.58 mg/kg和95.61 mg/kg)，其后在2216～2656 m海拔区间微生物量降低(21.05 mg/kg和12.41 mg/kg)，从整体来看微生物量随海拔的增加而上升，通过土壤理化性质分析得知在1191～2216 m海拔区间土壤理化性质随海拔的增加而增加，即在这一海拔区间各海拔土壤理化性质变化显著(P<0.05)，这表明土壤微生物量与土壤理化性质具有相关性，这一结果与前人研究结果一致[22-23]。海拔的梯度变化是复杂的，随着海拔的变化温度、光照、水分等环境因子也会有所变化，并形成山地区域小气候从而引起土壤理化性质的梯度变化。植被是自然草原有机物质的重要来源，有机碳控制土壤能量及营养物质的循环，是土壤微生物能量和营养的来源，是微生物量形成的重要因素[22]。研究中1191～2216 m海拔区间微生物量持续增长并在2216 m海拔达到最大值，这可能是在此海拔区间植被种类及数量增长，且因受高寒区环境因子的影响植被质量提高，回归于土壤的有机物质的量增加从而使微生物量增长，另一方面此研究区本身属于高海拔地区，春、夏、秋季放牧主要集中在较高海拔区，放牧通过踩踏加快土壤有机物质的释放，同时也通过排泄物提高土壤外来有机物的量从而提高微生物量。在2216～2656 m海拔区间微生物量降低，但总体为随海拔的增加而增加，这可能与以下两方面原因有关：一方面随海拔的增加高海拔地区降水量增加，植被种类及质量提高从而导致回归于土壤的有机物质量增加，另一方面温度降低不利于有机物质的分解流失，这有助于提高微生物能量及营养物质的增加从而提高微生物量。

3.3影响微生物量梯度变化的生态因子

在本研究中0～20 cm、20～40 cm土层微生物量与海拔呈正相关(P<0.05)，40～60 cm土层厚度微生物量与海拔呈负相关，微生物量与含水量、容重、有机质、碱解氮、全氮呈不同程度的正相关，与土壤pH值、碳氮比呈负相关，这一结果与前人研究结果一致[24-26]。山区随着海拔的增加降水量随之增大，降水量可以改变土壤透气状况，同时也改变土壤水热条件，这一变化有助于土壤微生物的生长繁殖且土壤微生物量增加，通过相关性分析得知微生物量与有机物质具有重要的正相关性，随海拔的增加一方面植被质量提高、降水量增加使植被数量增加，另一方面温度降低使微生物分解作用降低，提高有机物质的积累从而导致微生物量的增加；土壤中氮、磷、钾主要由有机物质的分解而来，有机质与氮、磷、钾具有不同程度的正相关性，此研究区随海拔的增加有机物质增加，所以引起氮、磷、钾等元素随海拔增加而增加；在研究中发现微生物量与pH值呈负相关，本研究中pH值随海拔增加而增加，pH值的增加可能不利于微生物的生长繁殖。

4 结论

土壤含水量(5.38%～22.66%)、容重(0.91～1.48 g/cm3)随土层厚度的增加而增加，pH值(5.12～8.55)随土层厚度的增加而降低；含水量、容重随海拔的增加而增加，pH值随海拔的增加而降低，各海拔及土层间差异显著(P<0.05)。

土壤化学性质与土层厚度负相关，即随土层厚度增加而降低；化学性质随海拔增加而增加。

土壤微生物量(微生物量碳21.05～331.58 mg/kg、微生物量氮8.75～95.61 mg/kg)均随土层厚度的增加而降低且随海拔的增加而增加，即微生物量与土层厚度负相关、与海拔正相关(P<0.05)，微生物量与含水量、容重、有机质、碱解氮、全氮正相关(P<0.05)，与土壤pH值、碳氮比呈负相关(P<0.05)。

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CorrelationsbetweensoilmicrobialbiomassandsoilphysicalandchemicalpropertiesingrasslandinChabuchaerCounty

Saiyaremu·Halifu1, Aikebaier·Yilahong2, SONG Rui-Qing1*, Abudousaimaiti·Naihemaiti2

1.ForestryCollegeofNortheastForestryUniversity,Harbin150040,China; 2.CollegeofPrataculturalandEnvironmentalScience,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi830052,China

Microorganisms are involved in the transformation and circulation of soil nutrients, and are also sources and sinks of soil nutrients. These processes and the abundance of soil microorganisms are sensitive to environmental changes. Therefore, changes in the abundance of microorganisms are an important index of changes in soil quality. In this study, grassland soil samples collected at altitudes of 1191-2656 m in Chabuchaer County, Ili, Xinjiang, were analyzed by chloroform fumigation extraction to determine differences in the quality and activity of soil microorganisms among different altitudes. The results showed that biomass carbon (21.05-331.58 mg/kg) and biomass nitrogen (8.75-95.61 mg/kg) were higher at the soil surface than in middle and lower layers, and differed significantly with altitude and among soil depths (P<0.05). The microbial biomass increased with increasing altitude from 1191 m to 2216 m (331.58 mg/kg, 95.61 mg/kg) and then significantly decreased as the altitude increased from 2216 m to 2656 m (21.05 mg/kg, 12.41 mg/kg). This may have resulted from changes in environmental and climatic conditions such as precipitation and the types and quantities of vegetation. Correlation analyses showed that soil biomass carbon was positively correlated with soil nitrogen and the carbon∶nitrogen ratio (P<0.05). Soil microbial biomass was positively correlated with moisture content at 0-20 cm depth (P<0.05,r=0.755*) and with altitude, organic matter, bulk density, and available nitrogen (P<0.05). Soil microbial biomass showed negative correlations (P<0.05) with soil pH, total nitrogen, and the carbon∶nitrogen ratio. At the soil depth of 20-40 cm, soil microbial biomass was significantly positively correlated with available nitrogen (P<0.05,r=0.829*). Soil microbial biomass showed positive correlations with altitude and total nitrogen (P<0.05), and a negative correlation (P<0.05) with the carbon∶nitrogen ratio. At the soil depth of 40-60 cm, soil microbial biomass showed negative correlations with altitude and the carbon∶nitrogen ratio (P<0.05), and positive correlations (P<0.05) with organic carbon, available nitrogen, total nitrogen. These results showed that soil microbial biomass responds to changes in soil fertility; therefore, it can be used as a biological index of soil fertility.

grassland soil; altitude; soil depth; soil physical and chemical properties; microbial biomass

10.11686/cyxb2016485

http://cyxb.lzu.edu.cn

赛牙热木·哈力甫, 艾克拜尔·伊拉洪, 宋瑞清, 阿不都赛买提·乃合买提. 察布查尔县草原土壤微生物量与土壤理化性质相关性研究. 草业学报, 2017, 26(9): 36-44.

Saiyaremu·Halifu, Aikebaier·Yilahong, SONG Rui-Qing, Abudousaimaiti·Naihemaiti. Correlations between soil microbial biomass and soil physical and chemical properties in grassland in Chabuchaer County. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(9): 36-44.

2016-12-14；改回日期：2017-02-10

国家自然科学

基金项目(41461048)资助。

赛牙热木·哈力甫(1989-)，女，维吾尔族，新疆伊犁人，在读硕士。E-mail：437246661@qq.com*通信作者Corresponding author. E-mail：songrq1964@163.com