土壤团聚体微生物量对紫花苜蓿种植年限的响应

海龙，姚拓，张文明

(1.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州 730070;2.甘肃农业大学草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070)

土壤团聚体是土壤中有机无机颗粒在胶结、凝聚作用及动植物活动的团聚作用下形成的，是土壤结构的基本组成单元[1]。土壤团聚体对土壤通气性，养分供蓄及抗侵蚀有重要影响，具有良好结构的团聚体有助于提高土壤质量[2]。已有研究表明，不同粒径团聚体的理化性质、供应能力存在一定差异[3]，微生物特性也可能不尽相同。土壤微生物活动会对团聚体的形成及不同粒级间转换产生影响，此外微生物参与有机质分解、腐殖质形成、能量调控、养分转化循环等生化过程[4]。土壤微生物量大小可以反映土壤有机物质的代谢强度及土壤肥力水平[5]，能敏感地指示土壤环境变化。其中微生物量碳是土壤有机质中的活性部分，微生物量氮是氮素养分循环中的重要来源[6]，可作为评判土壤养分含量高低的生物学指标。

黄土高原丘陵沟壑区由于其特殊的地理、气候和土壤条件，土壤侵蚀、退化严重[7]，生态环境脆弱。不科学、不合理的人类活动导致水土流失、生态失衡等问题更加突出。紫花苜蓿是一种优质的豆科牧草，高产、营养价值丰富、蛋白质含量高、抗逆性强，根系具有很强的根瘤固氮作用[8]，在优化土壤结构、减少水土流失，恢复当地生态环境等方面发挥着重要作用。由于其具有较好的抗旱固土能力，紫花苜蓿在黄土高原被广泛种植，成为改善黄土高原生态环境的重要途径[9]。然而随着种植年限的增加，加之管理不善，紫花苜蓿地出现了土壤质量及牧草品质逐步退化，牧草产量下降等现象。目前国内学者对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动态变化、土壤理化特征等方面，而在团聚体尺度上对苜蓿地土壤的生物学特征研究比较少。土壤团聚体作为微生物活动的微场所，其中微生物量的变化能够敏感地反映土地利用和管理上的差异[14]。通过研究不同种植年限紫花苜蓿草地土壤团聚体中微生物量碳、氮分布特征，可为合理评价苜蓿种植的生态学效应以及科学管理人工苜蓿草地提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验地选在定西市陇西县，该区是黄土高原半干旱丘陵区。平均海拔1 673 m，年日照时数2 751.4 h，年均气温9.3℃，极端最高温39.1℃，最低温-23.1℃，年均降水量445.8 mm，无霜期146 d。试验地土壤类型为黄绵土，近似于半干润淡色始成土(Ustochnept)，相应于FAO分类系统中的钙积始成土(Calcic Cambisols)，土壤土层深厚，母质为第四纪风成黄土。

1.2 样品采集

在野外实地调查的基础上，采用空间分布代替时间序列的方法，综合考虑坡向、坡位，采集自然生态条件相同，种植年限分别为3、7、12、18 a的紫花苜蓿草地样本，种植面积均在200 m2以上。采用随机取样法设3个25 m2的典型样方，每个样方相同土层3个样点组成一个混合样。采集0～20、20～40 cm两个土层原状土柱样品，装入硬质塑料盒中。基于从农田更替为苜蓿草地，对照选取常规管理模式的农田土壤并采集样本。将土样带回室内后，去除石块和植物残体等杂质，沿自然结构轻轻掰成直径约1 cm的小土块，自然风干后分成两个亚样本。其中一个采用干筛法[15]分离出>5、5～2、2～1、1～0.25、<0.25 mm五级团聚体，用作团聚体分析，另一个过筛后供土壤有机碳的测定。

1.3 测定项目与方法

将干筛后的土壤样品含水量调节至田间含水量的50%，于广口瓶中25℃下密封预培养7 d，然后进行微生物量碳、氮测定。

土壤微生物量碳(MBC)、微生物量氮(MBN)采用氯仿熏蒸-硫酸钾浸提法[16]，MultiN/C 2100分析仪进行测定，计算公式如下：

MBC=EC/KEC

MBN=EN/KEN

式中：EC为熏蒸与未熏蒸土壤浸提液中有机碳的差值，KEC=0.38；EN为熏蒸与未熏蒸土壤浸提液中总氮的差值，KEN=0.45。

土壤团聚体有机碳(TOC)测定采用外加热重铬酸钾容量法[17]。

1.4 数据处理

运用Excel 2016软件数据处理及图表制作，通过SPSS 24.0软件进行单因素方差分析。图表中数据为平均值±标准误。

2 结果与分析

2.1 不同种植年限土壤团聚体TOC分布特征

土壤团聚体TOC含量在评价土壤养分储蓄能力方面具有重要意义。0～20 cm土层，各粒级土壤团聚体TOC含量均高于20～40 cm土层。0～20 cm土层，各粒级团聚体TOC在>0.25 mm粒级中随直径的减小而逐渐增加，即在1～0.25 mm粒级团聚体中含量最大，其含量达8.69～10.37 g/kg，而在>5 mm团聚体中最小，为5.92～8.50 g/kg。随苜蓿种植年限延长，TOC含量表现为12 a>18 a>7 a>3 a>CK，12 a与CK，3，7，18 a相比，增幅分别达19.38%～43.56%、10.44%～22.47%、9.20%～11.94%、3.63%～6.93%。20～40 cm土层土壤团聚体TOC分布特征与0～20 cm一致，但变化幅度减小(图1)。

图1 不同种植年限土壤团聚体TOC含量Fig.1 Distribution of organic carbon contents in soil aggregates with different alfalfa plantation years注：同一粒级不同小写字母代表处理间差异显著(P<0.05)，下同

2.2 不同种植年限土壤团聚体MBC分布特征

0～20 cm土层，土壤团聚体MBC含量在>5、5～2、2～1、1～0.25 mm粒级中依次呈递增趋势，<0.25 mm粒级中MBC含量最低，为110.26～174.04 mg/kg。随种植年限延长，土壤团聚体MBC含量呈现出增加后降低的变化趋势，12 a团聚体MBC含量达到最大，为174.04～343.96 mg/kg，是CK的1.56～1.79倍。20～40 cm土层土壤团聚体MBC变化趋势与0～20 cm一致，但变化幅度明显减小(图2)。

图2 不同种植年限土壤团聚体MBC含量Fig.2 Distribution of MBC contents in soil aggregates with different alfalfa plantation years

2.3 不同种植年限土壤团聚体MBN分布特征

0～20 cm土层，各粒级土壤团聚体MBN分布特征与MBC分布特征基本一致，表现为1～0.25 mm>2～1 mm>5～2 mm大于>5 mm，仅<0.25 mm粒级的MBN含量低于>5 mm。与CK相比，不同种植年限紫花苜蓿地土壤团聚体>5mm、5～2 mm、2～1 mm、1～0.25 mm、<0.25 mm粒级的MBN含量分别增加5.83～14.33、3.95～12.95、6.29～23.99、3.02～22.32、1.47～5.16 mg/kg。其中，种植12 a 1～0.25 mm粒级MBN含量显著高于其他年限，比CK高43.85%～91.72%，比7、18 a分别高11.09%～21.66%，6.24%～16.23%，7 a、18 a间无显著差异。20～40 cm土层，MBN在1～0.25 mm团聚体中分布最多，<0.25 mm团聚体中分布最少，与表土层分布规律一致，但各粒级不同年限间土壤团聚体MBN含量差异明显变小，且含量均低于0～20 cm土层(图3)。

图3 不同种植年限土壤团聚体MBN含量Fig.3 Distribution of MBN contents in soil aggregates with different alfalfa plantation years

2.4 不同种植年限土壤团聚体微生物量碳氮比(MBC/MBN)分布特征

团聚体MBC/MBN变化为5.27～7.17。0～20 cm土层，>0.25 mm各粒级团聚体MBC/MBN高于<0.25 mm团聚体，最大相差1.33倍。随种植年限延长，MBC/MBN在>5 mm粒级团聚体中呈现出先增加后下降的变化趋势，7 a时为6.63，显著高于CK和18 a，分别是CK和18a的1.18和1.14倍，而CK和18 a之间无显著差异。其余各粒级不同年限与CK间无显著差异。20～40 cm土层，MBC/MBN变化范围为5.27～6.20，随年限变化较为平缓，不同年限间无显著差异，且MBC/MBN均低于表土层(表1)。

2.5 不同种植年限土壤团聚体微生物熵(MBC/TOC)分布特征

0～20 cm土层，不同年限苜蓿草地土壤微生物熵均随团聚体直径的减小呈先增加后降低的变化趋势，1～0.25 mm粒级微生物熵为2.68%～3.33%，达到最大，而<0.25 mm粒级微生物熵最小，为1.29%～1.73%。随着苜蓿种植年限的延长，<5 mm土壤团聚体微生物熵呈现出先增高后降低的变化趋势，12 a达到最大，其变化为1.73%～3.34%。20～40 cm土层，1～0.25 mm团聚体微生物熵最高，各粒级不同年限间土壤团聚体微生物熵差异不显著。此外，20～40 cm土层团聚体微生物熵均低于10～20 cm土层(表2)。

表2 不同种植年限土壤团聚体中微生物熵

3 讨论

土壤团聚体中不同大小的孔隙为土壤微生物活动提供微环境，能影响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养分，不同粒级土壤团聚体中微生物量碳、氮的分布可以敏感地反映土壤肥力变化。本研究表明不同粒级团聚体中，土壤有机碳、微生物量碳、氮最大值均集中于1～0.25 mm较小团聚体中，与刘毅等[19]研究结果一致。与大团聚体相比，1～0.25 mm团聚体结构相对复杂，有机、无机胶体结合从而固碳效果好，但也可被微生物分解利用，促进微生物生长。李玮等[20]研究表明，5～2 mm团聚体中微生物量碳含量较高，荣勤雷等[21]研究表明，<0.25 mm团聚体中微生物量碳、氮含量较高，这可能与植被类型、地理环境、管理方式等因素有关。本研究发现随苜蓿种植年限延长，土壤团聚体微生物量碳、氮含量表现为12 a>18 a>7 a>3 a>CK，表明退耕还草，种植牧草对土壤微生物生物量有明显的促进作用[22]。这可能与根系分泌物及微生物合成物质在土壤中随种植年限延长不断积累，微生物活动更为活跃，代谢加快有关，但超过一定年限，苜蓿生长衰退，维持微生物活动的物质减少，微生物量碳、氮开始下降。

微生物量碳氮比在一定程度上可以反映苜蓿种植年限对土壤微生物数量以及种群结构的影响[23]，细菌C/N为5∶1，真菌为10∶1，放线菌为6∶1[24]。本研究中，不同年限各粒级团聚体中MBC/MBN为5.27～7.17，表明土壤中微生物群落可能主要为细菌和放线菌。微生物熵主要用来表征土壤活性有机碳特征，反映碳的动态循环以及土壤质量变化。土壤团聚体微生物熵较大值集中于1～0.25 mm团聚体中，说明1～0.25 mm团聚体有机碳活性较高。随种植年限增加，微生物熵先增加后减小，与薛冬等[25]研究结果一致。综合微生物量碳氮比和微生物熵，种植苜蓿土壤团聚体中微生物量比较丰富，土壤团聚体中碳活性也较高。表明种植紫花苜蓿有利于改善土壤结构，提高活性有机碳含量，增加土壤微生物生物量，促进微生物活动，但种植年限超过12 a，土壤会发生一定程度退化。

4 结论

1)不同种植年限土壤团聚体有机碳，微生物量碳、氮，微生物熵在1～0.25 mm粒级中含量达到最大。随紫花苜蓿种植年限延长，土壤团聚体有机碳，微生物量碳、氮，微生物熵均先增加后减少，12年生苜蓿草地含量最高。

2)不同年限土壤团聚体中微生物量碳氮比和微生物熵在>0.25 mm团聚体中较高。