祁连山东段退化高寒草地修复过程中土壤微生物生物量变化

李双雄,姚 拓*,王理德,韩江茹,宋达成,赵赫然,杨继杰,李雪梅,吉凌鹤,姬如欣

(1.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 兰州 730070; 2.甘肃省治沙研究所,甘肃 兰州 730070;3.甘肃河西走廊森林生态系统国家定位观测研究站,甘肃 武威 733000; 4.甘肃民勤荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站,甘肃 民勤 733300)

祁连山东段位于甘肃省西北部,地处青藏高原最东缘,属于典型的高寒生态系统,自然环境敏感脆弱[1],它不仅是西北地区生态保护的屏障,也是多条河流的发源地,其高寒草地生态系统对河西走廊生态保护、文化建设和经济发展都有着极其重要的作用[2]。哈溪双龙沟流域地处祁连山北坡的东端、石羊河上游的高寒区,其植被土壤状况直接影响着下游居民的用水安全[3-4]。双龙沟矿产资源丰富,早在20世纪80年代初就开始了大规模的人工及机械采矿活动,致使该区域土壤状况、生态环境遭到严重破坏[5]。采矿后遗留的矿区,砂砾坑穴、砂山矸石等遍及河道,导致植被土壤发生了不同程度的退化。伴随着经济的快速发展及对矿产资源的需求增加,矿区已成为全球退化最为严重的生态系统之一[6]。近年来,矿区土地复垦和生态修复已成为国内外专家学者广泛关注的热点问题之一[7-8]。

草地退化会引起土壤和植被发生不同程度的退化,导致其生态系统多功能性下降[9]。土壤是植物生长的基质和生态系统中许多生态过程的载体,其生物学性质是反映土壤生态系统修复程度的重要指标[10],地上植被特征严重影响到土壤因子,会对水土保持及土壤肥力产生重要影响,而土壤健康状况又将影响植被特征[11]。土壤中的微生物量碳(Soil microbial biomass carbon,SMBC)、微生物量氮(Soil microbial biomass nitrogen,SMBN)和微生物量磷(Soil microbial biomass phosphorus,SMBP)能敏感响应土壤环境变化,可直接或间接参与土壤理化过程,并在土壤的能量循环和物质转化中起关键作用,是维持土壤质量的重要指标,可综合反映土壤肥力特性和生物活性[12]。废弃矿区不仅造成土地资源的浪费,长期遗留还会造成土壤和植被严重退化,对自然环境构成严重威胁[13]。由于自然因素及人为因素的双重胁迫,加之矿区恢复环境特殊,土壤结构复杂,营养元素缺乏,导致多数植物的生物量不大,严重影响了该区域植被的自然恢复和土壤的系统修复进程[14]。目前,国内外关于废弃矿区土壤微环境修复及区域层面煤矿生态修复规划策略的研究较少[15-16],有研究表明,通过外源微生物菌剂添加可以增加土壤微生物数量,提高植物根际微生物活性,而微生物的代谢产物可以联合植物对废弃矿区进行修复[17],此外,选择适宜的乡土物种结合其他综合修复措施对退化的高寒草地修复效果明显[18]。

分析研究人工沙棘林(HippophaerhamnoidesLinn.)修复下退化高寒草地土壤微生物量的季节动态变化及垂直分布规律,有助于科学、有效掌握土壤特性及变化趋势,对于双龙沟废弃矿区土地修复后的利用及祁连山生态保护都具有重要意义。基于此,本研究采用时空替代法[19],探究该区域土壤微生物量的变化规律及最佳修复年限,以期为祁连山东段退化高寒草地土壤系统修复提供实践参考。

1 材料方法

1.1 研究区域概况

土样采集地选在哈溪镇双龙沟废弃矿区,位于甘肃省天祝县西北部、祁连山东端(102°17′18″～102°33′42″ E,37°18′12″～37°25′18″ N),海拔2 760～4 370 m。流域内以森林和草原为主,以青海云杉(PiceacrassifoliaKom.)为建群树种,并有少量祁连圆柏(SabinaprzewalskiiKom.)、山杨(PopulusdavidianaDode.)、红桦(Betulaalbo-sinensisBurk.)等,灌木主要有杜鹃(RhododendronsimsiiPlanch.)、高山柳(SalixcupularisRehd.)、锦鸡儿(Caraganaarborescenslam.)[3]。中晚更新世及全新世初期,由于冰川(融水)及一系列复杂的化学反应,在双龙沟流域形成了典型的冰水堆积-阶地型砂金矿床,砂(岩)金、铁、铜、煤炭等矿产资源极为丰富[20]。

1.2 样地选择

通过走访当地牧民,查阅和调查哈溪林场及哈溪镇土地使用记录,选择试验区人工沙棘林复垦矸石结构相似的土壤,且无自然因素导致地形变迁或人为因素引起土壤物质再分配的地段,以未治理废弃矿地矸石区域土壤为对照(CK),选择人工沙棘林2 a,5 a,10 a的复垦矸石地,为使采样地更具代表性,每修复年限及对照各采集3个样地,每个样地内布设5个土样采集点,共12个样地,60个采样点。

1.3 研究方法

1.3.1样品采集 采样时间分别选在2021年3,6,9,12月中旬(分别代表春、夏、秋、冬四季的土壤状况)。在每个固定样点上做好标记,每样点3个重复。为消除不同土层间微生物生物量的影响,土壤采集选择0～5 cm,20～25 cm和40～45 cm深度的非连续土层。6月和9月直接用环刀进行取样,3月和12月由于土壤冻结,采样时需用土钻及铁锹进行物理破冻,待土壤疏松后,再用橡皮锤或其他工具敲打环刀手柄,以增加穿透力进行样品采集。采样后将土壤根据不同年限、不同土层分别进行均匀混合,每个样品取土样2 kg左右,装入无菌袋,放于带冰块的泡沫箱内,带回实验室,贮存于4℃冰箱,用于土壤微生物生物量的测定。

1.3.2土壤微生物生物量测定 土壤微生物生物量测定采用氯仿熏蒸法。样品采用氯仿熏蒸后,用滴定法测定SMBC,凯氏法测定SMBN,钼锑抗比色法测定SMBP[21]。

1.4 数据分析与处理

采用SPSS 20.0,Microsoft Excel 2020软件统计整理和分析数据,采用Origin 2022软件制图,不同年限及不同季节修复地微生物生物量采用单因素方差分析(One-way ANOVA)进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同季节土壤微生物生物量随修复年限的变化特征

2.1.1不同季节土壤微生物量碳(SMBC)的年际变化 哈溪双龙沟不同年限修复地SMBC含量随修复年限的变化规律大致相似,秋季含量最高,冬季次之,春夏季含量较低。

0～5 cm土层:秋冬季SMBC含量的变化规律大致相似,在修复0-5 a时不断上升至最大,5 a以后又出现下降趋势;春夏季相似,0-2 a时出现缓慢下降,2-10 a时均出现不断上升趋势。不同季节间SMBC含量在0-5 a时差异显著,10 a时差异不显著(图2A)。

图2 不同土层土壤微生物量碳随季节动态变化Fig.2 Soil microbial biomass carbon in different soil layers changed dynamically with seasons注:同一组折线图上方英文小写字母不同表示同一年限、不同季节间差异显著(P<0.05)。CK,2 a,5 a,10 a分别代表未治理、修复2年、5年、10年的土壤状况。下同Note:Different lowercase letters on the four individual lines indicate a significant difference between the different values in different seasons for the same abandonment years (P<0.05). The CK,2a,5a and 10a represent the soil conditions of unrestored,restored for two years,five years and ten years,respectively.the same as below

20～25 cm土层:不同季节SMBC含量随修复年限的增加均呈现波动式上升趋势,且不同年限不同季节间的SMBC含量差异显著(P<0.05)。春季,SMBC含量随修复年限的增加总体呈上升趋势;夏季,0-5 a时含量相对稳定,而5-10 a时则急剧上升;秋季,随修复年限的增加含量不断增加;冬季,SMBC含量先下降后缓慢上升(图2B)。

40～45 cm土层:不同修复年限下秋季SMBC含量显著高于其他季节(P<0.05)。春秋季SMBC含量变化相似,即随修复年限的增加呈现出不断上升趋势;夏冬季则随修复年限的增加先下降,到2 a时均出现缓慢上升的变化趋势(图2C)。

2.1.2不同季节土壤微生物量氮(SMBN)的年际变化 研究发现,哈溪双龙沟SMBN含量相对稳定,受修复年限的影响较小。

0～5 cm土层:春季SMBN含量在0-5 a时缓慢上升,5-10 a时趋于稳定;夏季含量最低,在0-5 a时无显著变化,5-10 a时上升;秋季含量在0-5 a时呈现先上升后下降的变化趋势,在5 a后又缓慢上升;冬季含量整体呈现不断上升趋势(图3 A)。

图3 不同土层土壤微生物量氮随季节动态变化Fig.3 Soil microbial biomass nitrogen in different soil layers changed dynamically with seasons

20～25 cm土层:不同年限SMBN含量呈现出秋季>春季>冬季>夏季。秋季SMBN含量在2-5 a时出现上升,其余时段处于小幅度变动状态,其他季节SMBN随修复年限的增加含量相对稳定。总体上,20～25 cm土层的SMBN含量处于相对稳定状态(图3 B)。

40～45 cm土层:春冬季SMBN含量随修复年限的增加无显著变化;夏秋季变化趋势相似,呈现出倒“N”型变化格局,2季节间的含量差异显著(P<0.05)(图3 C)。

2.1.3不同季节土壤微生物量磷(SMBP)的年际变化 不同土层、不同季节间SMBP含量随修复年限的增加呈现出冬季含量较高,夏秋季次之,春季较低的变化趋势。

0～5 cm土层:春季,SMBP含量在修复0-5 a时均无显著变化,但5 a后缓慢上升;夏季,在0-2 a时急剧下降,2 a之后缓慢上升;秋季,在0-5 a时急剧上升至最大值18.66 mg·kg-1,后出现了急剧下降;冬季,随修复年限的增加呈现不断下降的变化趋势(图4A)。

图4 不同土层土壤微生物量磷随季节动态变化Fig.4 Soil microbial biomass phosphorus in different soil layers changed dynamically with seasons

20～25 cm土层:春冬季SMBP含量随修复年限的变化较相似,修复0-5 a时无显著变化,5 a之后出现了缓慢上升,且2季节间差异显著(P<0.05);夏秋季变化趋势较相似,在0-2 a时急剧上升,2 a后不断下降。总体上,冬季SMBP含量相对稳定且显著高于其他季节(图4B)。

40～45 cm土层:春季SMBP含量随修复年限的增加无显著变化,夏冬季变化相似,在0-2 a时急剧下降,2 a后趋于稳定变化,秋季呈“N”型变化规律,冬季SMBP含量显著高于其他季节(P<0.05)(图4C)。

2.2 不同修复年限土壤微生物生物量垂直分布规律

研究发现,不同土层的SMBC含量随修复年限的增加总体呈上升趋势。同一土层、不同年限中,0～5 cm土层SMBC含量随修复年限的增加而显著增加(P<0.05),20～25 cm呈现先缓慢增加至5 a后急剧上升,40～45 cm含量在不同年限间差异显著(P<0.05)。在同一年限、不同土层中,修复0 a时,随土层的加深SMBC含量无明显变化;修复2 a时,20～25 cm土层含量较高;修复5 a时,0～5 cm土层含量较高;修复10 a时,3个土层SMBC含量均增加到最大值,且0～5 cm>20～25 cm>40～45 cm,分别为133.28,119.17和100.47 mg·kg-1(图5A)。

图5 不同土层、不同修复年限的土壤微生物量分布Fig.5 The soil microbial biomass distribution in different soil layers for different restoration years注:同一组直方柱上方英文小写字母不同表示同一土层、不同年限间差异显著(P<0.05)。各土层含量分别为3,6,9,12月含量的平均值Note:The different lowercase letters above the four square columns of the same soil layer indicate a significant difference between different restoration years (P< 0.05). The value of each soil layer was the average values in March,June,September and December

SMBN含量表现为:在0～5 cm土层,各年限含量差异显著(P<0.05),在20～25 cm及40～45 cm土层各年限含量无较大变化。同一土层、不同年限中,0～5 cm土层的SMBN含量随修复年限的增加呈现不断上升趋势,各年限间差异显著(P<0.05);20～25 cm土层在修复前期无显著变化,修复后期呈现缓慢上升趋势;40～45 cm土层呈现波动式变化,各年限含量差异不显著。同一年限、不同土层中,修复0 a时,40～45 cm土层含量较高;修复2 a时,0～5 cm土层含量较高;修复5 a时,0～5 cm及40～45 cm土层含量较高;修复10 a时,随土层的加深,SMBN含量不断降低(图5B)。

SMBP含量表现出:同一土层、不同年限中,随修复年限的增加,0～5 cm土层SMBP含量呈现波动式变化;20～25 cm土层含量呈现先迅速增加后不断降低的变化趋势;40～45 cm土层各年限间的差异显著(P<0.05)。同一年限、不同土层中,修复0 a时,SMBP含量呈现40～45 cm>0～5 cm>20～25 cm;修复2 a时,20～25 cm及40～45 cm土层含量较高且基本一致;修复5 a时,随土层的加深,SMBP含量不断下降;修复10 a时,恰好与5 a时状况相反(图5C)。

2.3 不同修复年限对土壤微生物生物量化学计量比及其特征影响

研究发现,随修复年限的增加,SMBC∶SMBN,SMBC∶SMBP和SMBN∶SMBP呈现不断上升趋势,最大比值分别为6.09,22.36和4.94,为最初比值的1.41倍、3.17倍和2.64倍。不同修复年限中,SMBC∶SMBN在40～45 cm增幅最大,为57.82%,SMBC∶SMBP和SMBN∶SMBP均在0～5 cm土层中增幅最大,分别为216.71%和164.17%,这与该区域表层土壤微生物量含量较高密切相关。研究表明,在人工沙棘林建植后,随修复年限的推移,该区域内SMBC,SMBN和SMBP含量有上升趋势,土壤状况正在逐步改善(表1)。

表1 不同修复年限土壤微生物生物量化学计量比Table 1 Stoichiometric ratio of soil microbial biomass in different restoration years

3 讨论

土壤微生物量碳、氮、磷是土壤活性养分的储存库,能灵敏反映环境因子的变化[21]。土壤微生物是土壤的重要组成部分,参与土壤碳、氮、磷等元素的循环及土壤矿物质的矿化过程,并对有机物质的分解转化起主导作用,进而影响植被的生长发育。土壤微生物生物量常被作为植物所需营养元素的转化因子和资源库,是体现土壤发育状况和生化强度的一项主要指标[22]。随着季节及修复年限的变化,土壤微生物生物量也会发生变化,这主要是由于气温、降水量、凋落物、地上植被状况及土壤微生物对养分的竞争等导致,在不同生态系统中,SMBC,SMBN和SMBP含量随季节变化规律也有所不同[23],本研究也表现出类似的规律。

在哈溪双龙沟废弃矿区土壤修复过程中,SMBC,SMBN和SMBP含量的季节变化具有较大差异。不同年限修复地SMBC含量随季节变化规律大致相似,秋季含量最高,冬季次之,夏季与春季较低。这是由于进入春季,地温回升,土壤微生物数量增加、活性提升,解冻后土壤中原有的可溶性有机碳利用分解加强,较多的营养物质被微生物固定[24],导致SMBC含量逐渐升高。在9月份前后,SMBC含量出现峰值,且含量显著高于其他月份,是由于8-9月份的哈溪双龙沟气温较高,昼夜温差加大,地表枯枝落叶增加,加之降水增多,极大程度提升了微生物的生长及代谢活动,这也导致了SMBC含量的增加。12月份气温降低,土壤冻结,导致微生物的分解作用降低,SMBC含量也随之降低。并且,在0～5 cm的表层土壤中,SMBC含量较高,且变化幅度较大,这与马俊梅等人[25]研究发现的土层越深,土壤微生物量越低,且随着修复年限的增加各土层土壤微生物量之间的差异逐渐减小结果相似。SMBN含量的季节变化相对稳定,秋季含量较高且变动幅度较大,其他季节含量随修复年限的增加变化缓慢,在3个土层中,0～5 cm土层中含量相对较高,20～25 cm和40～45 cm土层中含量较低,且整体呈现先波动变化,最终走向平衡,这与王理德等人[26]的研究结果相似。研究区域多被沙棘等灌木、半灌木及禾本科植被覆盖,豆科类植物含量较少,土壤中缺乏固氮菌等微生物的根际生存环境,这可能是导致SMBN含量少的主要原因之一,特殊的地域风貌、自然条件、土壤结构等因素也应考虑[27]。不同季节的SMBP含量随修复年限的增加呈现出冬季含量最高,夏秋季次之,春季含量最低的现象,且该区域整体的SMBP含量较低。这表明SMBP含量在一年之中不断积累,不同土层间冬季含量也显著高于其他季节(P<0.05),修复5-10 a左右,SMBP含量整体趋于稳定状态,这可能是由于修复后期,土壤盐碱化程度加重,pH值上升等因素导致[28],在一定程度上也抑制了SMBP对季节变化的敏感性,导致在修复后期,SMBP含量随季节的变化不明显。不同土层SMBP含量的季节变化也基本相似,表明该区域的SMBP在不同土层的分布较均匀,其含量受土层深度的影响较少,这也与SMBP对环境及土壤因素的敏感性有关。在同一年限中,虽有季节性变化,但哈溪双龙沟的区域植被、土壤环境整体情况未发生很大程度的转变。

土壤微生物生物量与土壤养分密切相关,其化学计量比是判定微生物群落结构变化的重要指标[29]。当SMBC∶SMBN ≤20和SMBC∶SMBN ≥30分别表示土壤微生物生长受到碳源及氮源的限制,比值为25时,对土壤微生物生长最有利[30]。在本研究中,不同修复年限土壤中SMBC∶SMBN介于3.21～6.09之间,总体随修复年限增加呈上升趋势,在修复10 a时比值最大,仅为6.09,说明土壤碳、氮营养不平衡,这也严重影响到土壤微生物的生长。有关分析也表明,土壤微生物数量与土壤养分存在不同程度的相关性[31]。然而,土壤生态系统比较复杂,其微生物量还会受土壤湿度、温度、团粒结构、pH值等因素影响[32],应综合考虑。SMBC∶SMBP和SMBN∶SMBP在不同土层表现出波动式变化规律,最大比值分别为22.36及4.94。土壤C∶N,C∶P和N∶P对于分析土壤微生物生物量有着重要意义[33],由于植被和土壤的C养分比差异很大,所以碳固定依赖于植被和土壤之间碳和养分的分配以及输入的碳对微生物组成的影响[34]。土壤微生物可以调整一些矿化酶的生产力,从而获取适宜比例的碳、氮和磷[35-36],有研究表明,微生物量C∶P一般在7～30之间变化,C∶P比值小说明微生物在矿化土壤有机质中释放磷的潜力较大,土壤微生物量磷对土壤有效磷库有补充作用;相反,说明土壤微生物对土壤有效磷有同化趋势,易出现微生物与作物竞争性吸收土壤有效磷的现象,具有较强的固磷潜力[37]。在种植沙棘后,哈溪双龙沟的植被状况随修复年限的增加发生了改变,但碳源的输入途径较少,这在很大程度上限制了微生物的组成,微生物组成结构单一,进而导致土壤微生物生物量长期处于较低水平。

研究发现,本研究区域内SMBC,SMBN和SMBP的最大值分别出现在修复5 a(9月)、10 a(12月)和5 a(9月),含量分别为194.38,51.90,18.66 mg·kg-1。可见,在修复5 a时,该区域土壤微生物生物量最适宜微生物的生长,土壤状况较好。但整体来看,SMBN,SMBP含量随修复年限的增加呈波动式变化规律且含量相对较低,可能是由于该区域在修复前为废弃矿区,未进行适度的机械和生物修复,长期搁置导致土壤淋溶、沙化、水土流失[38],进而导致土壤退化及微生物生物量减少。

4 结论

在祁连山东段哈溪双龙沟退化高寒草地修复过程中,表层土壤的微生物生物量显著高于较深层次土壤;SMBC含量随修复年限的增加总体呈上升趋势,SMBN含量总体处于相对稳定的状态,SMBP含量随修复年限的增加呈波动式变化且到修复后期趋于稳定;不同土层SMBC含量随季节变化规律大致相似,秋季含量最高,冬季次之,春夏季较低,SMBN含量受修复年限及季节性变化的影响较小,SMBP含量处于长期漫长累积的状态;修复5 a时,SMBC及SMBP含量达到峰值,此时的SMBN含量处于相对稳定状态,因此,修复5 a左右是土地修复、利用及综合治理的关键时期。