熊詩源，許文年，夏 棟，黃曉樂

（1.三峽大學 化學與生命科學學院，湖北 宜昌443002；2.三峽大學 土木與建筑學院，湖北 宜昌443002）

“十一五”以來，國家加大對公路、鐵路、水電等基礎設施建設的投入，在這些基礎建設工程中，伴隨著大量土石方的開挖和回填，同時也大量破壞植被，導致大量次生裸地的出現(xiàn)。針對工程擾動區(qū)生態(tài)極度脆弱的現(xiàn)實，國內(nèi)學者及工程界人士在引進國外相關技術的基礎上，開發(fā)研制了一系列的工程擾動區(qū)（特別是開挖巖石邊坡和混凝土邊坡）植被恢復技術［1］，開展人工恢復，如噴混植生技術、客土噴薄、厚層基材等，以加速擾動區(qū)的生態(tài)恢復，特別是根據(jù)擾動區(qū)的具體條件加速生態(tài)恢復。這些技術能夠實現(xiàn)工程擾動區(qū)坡面的快速綠化，因此在工程擾動區(qū)生態(tài)創(chuàng)傷面得到廣泛應用。同時植被的恢復與重建過程促進了土壤形成和發(fā)育，使土壤的性質得到改善，土壤質量和肥力明顯提高［2］。然而，目前擾動區(qū)植被恢復技術考慮較多的是修復基材（植被混凝土等）在擾動坡體上的穩(wěn)定性［3］，先鋒物種在修復基材中的適應性［4］等方面，而對植被生長條件下修復基材中土壤微生物特征的變化鮮有涉足。為此，分析植被混凝土（Vegetation－growing concrete gunning，VGCG）生態(tài)護坡中不同植被恢復模式對土壤微生物的影響和作用，評價不同植被恢復模式的效應和功能，可以為邊坡的生態(tài)恢復工程提供理論依據(jù)。

1 試驗地概況

研究供試材料采自三峽大學植被混凝土生態(tài)防護坡面，該區(qū)位于湖北西部，地處長江上游與中游的交匯處，鄂西山區(qū)向江漢平原的過渡地帶，地跨東經(jīng)110°15′－112°04′，北緯29°56′－31°34′之間，全年平均氣溫為14.8～16.9℃，總降水量為907～1 445mm，總雨日為125～158d，總日照時數(shù)1 058～1 556h。冬季冷暖呈現(xiàn)明顯的階段性。春季陰雨多，光照少，溫度偏低。降水過程以連續(xù)性降水居多，降水量多，但強降水過程少，降水時空分布均勻。梅雨期較遲，降水集中。出梅后有一段高溫伏旱天氣。8月中旬出現(xiàn)一次明顯低溫連陰雨。秋季降溫早，氣溫升降反復無常，入冬時間正常。

2 樣品采集和分析方法

2.1 樣品采集

研究選擇立地條件基本相同的狗牙根（Cynodon dactylon L.，CD）、高羊茅（Festuca arundinacea，F(xiàn)A）、紫花苜蓿（Medicago sativa L.MS）等幾種不同植被恢復模式的標準地作為采樣地，以荒坡為對照坡地。在不同植被恢復模式的標準樣地內(nèi)采用“S”多點采集混合樣，分別采集0－5cm、5－10cm土層土壤。新鮮土樣采回后，過2mm篩，分成2份，一份于4℃保存新鮮樣品用于土壤微生物指標測定，一份風干備用以用于土壤理化性質測定。分析樣品，不同植被恢復模式基本概況見表1。

表1 不同植被恢復模式基本情況

2.2 分析指標及測定方法

土壤含水量用烘干法，土壤pH用水浸提液電位測定法、土壤容重用環(huán)刀法、土壤有機質（Organic matter，OM）采用重鉻酸鉀氧化－稀釋熱法，土壤全氮（Total N，TN）用凱氏定氮法，速效氮（Available N，AN）采用擴散吸收法。土壤微生物量碳（soil microbial biomass C，SMBC）、土壤微生物量氮（soil microbial biomass N，SMBN）用氯仿熏蒸浸提法［5］。土壤呼吸強度采用堿液吸收法［6］。

2.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)的處理比較用Turkey’s－b單因素方差分析，相關性分析用Pearson＇s test分析，在SPSS11.5軟件上分析。

3 結果與分析

3.1 土壤物理化學特征的變化

從圖1可以看出，3種植被混凝土生態(tài)坡地含水量由高到低依次為紫花苜蓿地＞狗牙根地＞高羊茅地，由單因素方差分析表明，紫花苜蓿地、狗牙根地和高羊茅地含水量差異顯著（P＜0.05）說明植被混凝土生態(tài)護坡可以很好的涵養(yǎng)水分，因為坡面恢復植被能攔截徑流防止水土流失。紫花苜蓿莖葉覆蓋地面，根系密集，對提高土壤通透性和降雨入滲有很大影響，固持土壤作用強，攔截效果更好；高羊茅生長旺盛，土壤水分消耗較大導致土壤儲水較低。在土壤容重方面，對照荒坡、高羊茅地、狗牙根地、紫花苜蓿地之間沒有顯著差異，這可能是因為雖然地表植被覆蓋不同，但植被都比較單一，對土壤容重影響不顯著。無論哪種植被覆蓋模式，土壤pH 值在微堿性范圍內(nèi)（7.98～8.13），荒坡pH值為6.75，在中性范圍內(nèi)，因為添加水泥和植被混凝土添加劑影響了土壤的pH值，使土壤呈堿性［7］。

3.2 土壤養(yǎng)分因子的變化

土壤有機質的含量及其動態(tài)平衡是反映土壤質量或土壤健康的一個重要指標，直接影響了土壤物理化學生物學性質及土壤肥力的高低［8］。

由圖2可知，在表層土壤有機質含量方面，高羊茅地最高（36.98g／kg），狗牙根地（21.38g／kg）和紫花苜蓿（20.24g／kg）其次。單因素方差分析表明，紫花苜蓿、狗牙根和紫花苜蓿顯著高于對照荒坡，高羊茅顯著高于狗牙根和紫花苜蓿。說明坡地在恢復后種植高羊茅能顯著改善土壤有機質含量，其次是狗牙根和紫花苜蓿，這可能與各種植被地上生物量及腐爛速度有關，有研究結果表明，在植被恢復過程中，一些禾本科，豆科植物逐漸生長，有利于土壤有機碳、氮素的積累［9］，比較而言，高羊茅生長旺盛，生物量大、腐爛快，而紫花苜蓿生物量小，狗牙根草木質化程度高不易腐爛，所以相互間相差較大。

圖1 不同植被恢復模式的土壤物理特征

在表層土壤全氮含量方面，紫花苜蓿地最高（1.65g／kg），對照荒坡最低（0.92g／kg），由高到低依次為紫花苜蓿地＞高羊茅地＞狗牙根地＞對照荒坡，由單因素方差分析表明，紫花苜蓿地顯著高于其它恢復模式樣地，高羊茅、狗牙根與對照坡地差異不顯著。紫花苜蓿屬于豆科植物，具有固氮作用，其根部根瘤菌能夠固定空氣中的游離氮，增加土壤中的氮。

在表層土壤速效氮含量方面，紫花苜蓿地（76.04 mg／kg）最高，其次是高羊茅地（44.82mg／kg）、狗牙根地（40.40mg／kg），對照荒坡最低（20.92mg／kg），由單因素方差分析表明，紫花苜蓿顯著高于高羊茅和狗牙根，紫花苜蓿、高羊茅和狗牙根顯著高于對照荒坡?；謴瓦吰聻榇址攀焦芾?，期間沒有施肥，土壤氮素變化主要受植物生長和利用的影響。表明植被覆蓋能提高土壤中速效氮含量。

圖2 不同植被恢復模式的土壤養(yǎng)分特征

3.3 土壤微生物量的變化

土壤微生物是土壤中有生命的成分，對土壤環(huán)境各種變化極為敏感，微生物量庫的任何變化，都會影響土壤養(yǎng)分的循環(huán)和有效性，土壤微生物體碳是土壤微生物的綜合性指標之一，它不僅從總體上反映微生物受環(huán)境因子影響的變化，還反映了微生物對環(huán)境作用的能力，是土壤有機質庫的活躍部分［10］

單因素方差分析表明（圖3），各樣地之間表層土壤微生物量碳含量差異顯著（p＜0.05）。高羊茅地最高（546.85mg／kg），對照荒坡（271.13mg／kg）最低，順序為高羊茅地＞狗牙根地＞紫花苜蓿地＞對照荒坡。

微生物量氮是指活的微生物體內(nèi)所含有的氮，是有機氮庫中的活性部分，它周期短、易礦化，是主要的可礦化氮源，對土壤氮素供應和循環(huán)具有重要的意義［11］。在表層土壤微生物量氮含量方面，單因素方差分析表明，各樣地之間差異顯著（p＜0.05）。紫花苜蓿地最高（61.41mg／kg），對照荒坡最低（12.75 mg／kg）由高到低依次為紫花苜蓿地＞高羊茅地＞狗牙根地＞對照荒坡。

微生物量碳，微生物量氮與土壤有機質，全氮變化趨勢基本一致。有研究顯示微生物量碳指示著土壤總有機質的狀態(tài)與積累情況與本研究結果基本一致。植被得到恢復，有機物質輸入增多，供微生物利用的碳源氮源增大，微生物活性及微生物量升高，但由于不同植被恢復模式輸入有機物質的數(shù)量和質量不同，從而造成不同微生物種類和數(shù)量的差異，導致恢復過程中土壤生物學質量各異。Jenkinson研究認為，在無外部因素干擾的情況下，土壤微生物量并不能完全反映微生物的活性、結構和功能，因此在分析微生物量的絕對量外，還應考慮微生物量碳、氮在全碳、全氮中的比例，從微生物學角度揭示植被恢復過程中土壤生物學質量的變異。

由圖4可知，在表層土壤 MBC／SOC方面，狗牙根地最高（2.12%），高羊茅地最低（1.48%），由高到低依次為狗牙根＞對照荒坡＞紫花苜蓿＞高羊茅。由單因素方差分析表明，狗牙根與對照荒坡之間差異不顯著，高羊茅與紫花苜蓿之間差異不顯著，狗牙根和對照荒坡顯著高于高羊茅和紫花苜蓿（p＜0.05）。

圖3 不同植被恢復模式的土壤微生物量碳與微生物量氮

圖4 不同植被恢復模式的土壤MBC／SOC、MBN／TN

在表層土壤 MBN／TN方面，狗牙根最高（3.81%），其 次 是 紫 花 苜 蓿 （3.74%）、高 羊 茅（3.51%），對照荒坡最低（1.41%）。由單因素方差分析表明，狗牙根、紫花苜蓿、高羊茅之間沒有顯著性差異，但3者顯著高于對照坡地（p＜0.05）。

不同植被恢復模式恢復后，土壤微生物量碳、氮在全碳、全氮的比例變化不同，狗牙根地、紫花苜蓿地和高羊茅地顯著高于對照，造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于在對照樣地中土壤有機碳、全氮含量明顯低于植被恢復后的樣地，而恢復后的樣地微生物量碳、氮增加幅度快于土壤有機碳、全氮的增加幅度。另一方面，狗牙根地中提供了適合土壤微生物生長所需要合適的C／N環(huán)境，是微生物得到豐富，微生物量碳、氮在全碳、全氮中的比例迅速上升，其增長幅度大于其他覆蓋模式樣地，表明在植物恢復的過程中，合適的碳氮比有利于土壤微生物量在全碳、全氮中的比例升高。

3.4 土壤呼吸強度和微生物代謝熵（qCO2）的變化

土壤呼吸作為土壤質量和肥力的重要生物學指標，在一定程度上反映了土壤養(yǎng)分轉化和供應能力，表征著土壤的生物學特性和物質代謝強度。在生態(tài)恢復過程中植被的變化通過吸收養(yǎng)分和歸還有機物等影響著土壤的物理、化學和生物學性質，土壤微生物呼吸隨之變化，指示著系統(tǒng)恢復中土壤質量的演變過程。

由圖5可知，不同植被恢復模式下表層土壤的呼吸強度不同，單因素方差分析表明，各樣地間差異顯著（p＜0.05）。高羊茅地最高（91.03mg／kg·d），對照坡地最低（50.05mg／kg·d），由高到低依次為高羊茅地＞狗牙根＞紫花苜蓿＞對照坡地。

土壤代謝熵（qCO2）是基礎呼吸強度與微生物量碳的比率，它把微生物生物量的大小和微生物整體活性有機地結合起來，代表了微生物群落的維持能大小和對基質的利用效率，是反映環(huán)境因素等對微生物活性影響的一個敏感性指標［12］。qCO2效率高，則形成單位微生物質量所呼出的CO2少，qCO2較??；qCO2效率低，說明利用相同能量而形成的微生物量小，qCO2較大，釋放的CO2較多。在土壤微生物代謝熵方面，紫花苜蓿地最高（7.86mg／g·h），高羊茅地最低（5.12mg／g·h），由高到低依次是紫花苜蓿＞對照荒坡＞狗牙根地＞高羊茅地，由單因素方差分析表明，紫花苜蓿地與對照荒坡之間差異不顯著，但高羊茅、狗牙根顯著低于對照荒坡（p＜0.05）。

植被混凝土邊坡恢復后，土壤代謝熵變大。隨著有機質含量積累，肥效的作用導致土壤微生物活性比較高，利用基質的效率比較高。Odum［13］認為環(huán)境脅迫條件下，微生物必須從維持生長和繁殖的能量中分流出一部分去補償由于脅迫所需要付出的額外能量。植被混凝土中由于摻入水泥，此種環(huán)境下微生物要維持其正常的生命活動必然要付出外的維持能，因此qCO2高。

圖5 不同植被恢復模式下土壤呼吸強度與微生物代謝熵

表2 不同深度土壤土壤特征變化

3.5 不同土層深度間土壤生化指標的變化

由表2可知，相同恢復模式下，不同取樣深度，土壤有機質、全氮、速效氮、微生物量存在差異，表現(xiàn)出一定規(guī)律，即表現(xiàn)為隨土層深度增加而降低的趨勢，且隨土層深度的增加而變化差異極顯著（p＜0.01），李濤［14］研究表明土壤微生物數(shù)量隨采樣深度的增加而降低，這與本研究結果相同。地表地面提供較多的枯枝落葉，這為土壤微生物的生長提供了營養(yǎng)來源，一定程度上促進了土壤中微生物的繁殖。而深層土由于土壤較緊實，不利于微生物生長。

MBC／SOC、呼吸熵表現(xiàn)為隨土層深度增加有升高的趨勢。隨土層深度的增加而變化差異顯著（p＜0.05），表層的有機碳全氮含量明顯高于亞表層土壤，而微生物碳、氮的增加幅度慢于亞表層的增加幅度。說明植被混凝土表層土壤中有豐富的有機碳、氮素，要維持植物生長所需要的碳源、氮源和營養(yǎng)物質，則必須提高表層土壤中微生物量在有機碳和全氮中所占比例來維持高的有機物代謝和物質循環(huán)。

3.6 不同植被模式土壤物理、化學生物特征之間的關系

由表3可以看出，不同植被恢復模式下表層土壤物理與化學生物特征之間有顯著或極顯著的相關關系，其中含水量與全氮、速效氮、微生物氮分別達到了顯著與極顯著相關；土壤化學與土壤生物性質之間有有顯著或極顯著的相關關系，其中全氮與速效氮、微生物氮、分別達到了極顯著與顯著相關，有機碳與微生物碳、呼吸強度、代謝熵、分別達到了極顯著與顯著相關，此外土壤微生物特征之間也有顯著或極顯著的相關關系，其中微生物碳與呼吸強度、代謝熵之間有極顯著相關關系，其中，代謝熵與微生物碳、有機碳、呼吸強度呈顯著的負相關?？梢娡寥牢⑸镱惾号c土壤物理化學性狀有極顯著的相關關系，對土壤有機質、全氮、速效氮等有機和無機養(yǎng)分的轉換有積極作用。這一結果說明土壤微生物與土壤養(yǎng)分循環(huán)、代謝有著重要的關系。與前人研究結果一致。有關研究顯示，土壤微生物生物量是衡量生態(tài)穩(wěn)定性的指標之一，同時也可以作為生態(tài)環(huán)境土壤健康和肥力的指標［15］。

許多研究認為有機碳與全氮、微生物量碳與微生物量氮呈顯著相關，本研究未能證實它們之間存在相關性，一方面是因為不同植被恢復過程中植被有機碳的積累與氮素固定不一致所誘導的微生物區(qū)系不同，導致微生物對碳源利用和氮素固定、分配及轉化的多樣性。另一方面，植被混凝土抑制了土壤微生物活性，微生物代謝功能差，降低了土壤微生物對碳源和氮源的利用，不能有效參與土壤養(yǎng)分循環(huán)和代謝。

4 結論

（1）邊坡植被恢復后，土壤的理化性質得到改善，土壤含水量升高，有助于涵養(yǎng)水分，植被覆蓋能有效防止邊坡的水土流失。各種植物覆蓋土壤含水量差異較 大，其中紫花苜蓿由于根系發(fā)達，涵養(yǎng)水分效果最好。

表3 土壤物理化學特性以及微生物量之間的相關性

（2）邊坡植被的恢復能增強土壤腐殖化作用，促進土壤有機質的發(fā)育，明顯提高土壤中有機質含量，改善土壤肥力狀況，土壤有機質、全氮、速效氮含量增加。但不同植被恢復模式，對土壤腐殖化作用有差異，有機質增加量不同。其中高羊茅生長旺盛，生物量大、腐爛快，土壤有機質增加最大，紫花苜蓿為豆科植物，具有固氮作用，對土壤全氮、速效氮提高作用明顯。

（3）邊坡植被恢復能顯著提高土壤微生物量碳、氮含量。由于土壤全氮質量分數(shù)和土壤有機碳質量分數(shù)增加，高的有機質會為微生物的生長提供足夠的碳氮和能源，這就使得土壤微生物活性增強，微生物數(shù)量提高，微生物量碳、氮含量與土壤全碳、全氮和速效氮含量有極顯著的正相關關系。不同植被對土壤改善作用不同，對有機質、微生物量碳改善作用大小依次為高羊茅＞狗牙根＞紫花苜蓿，對全氮、速效氮、微生物碳改善作用大小依次為紫花苜蓿＞高羊茅＞狗牙根，因此在進行群落類型的設計時應考慮物種的多樣性，功能性綜合改善土壤狀況。

（4）植被混凝土生態(tài)修復后，土壤呼吸強度明顯升高，微生物代謝熵顯著降低，為微生物代謝提供了豐富的可利用物質，使微生物群落的食物網(wǎng)復雜化，生態(tài)系統(tǒng)更趨于穩(wěn)定。

（5）相關性分析說明微生物量碳、氮、呼吸強度與土壤化學養(yǎng)分相關性最為密切，植被混凝土生態(tài)修復過程中，土壤理化性質與微生物性質相互影響，相互促進，使土壤質量逐步得到改善和提高，表明土壤微生物量可以作為評價植被混凝土基材質量的生物學指標。

［1］ 宋林，余娜，許文年，等.植被混凝土護坡綠化技術在高陡邊坡生態(tài)治理中的應用［J］.中國水土保持，2009（5）：15－16.

［2］ 孫超，許文年，夏振堯，等.巖石邊坡植被混凝土肥力時間變異性研究［J］.中國水土保持，2009（4）：32－34.

［3］ 許文年，葉建軍，周明濤，等.植被混凝土護坡綠化技術若干問題探討［J］.水利水電技術，2004，35（1）：50－52.

［4］ 吳少儒，許文年，王路根，等.噴射護坡綠化技術的物種選擇［J］.中國水土保持，2006（6）：41－43.

［5］ Vance E D，Brookes P C，Jenkinson D C.An extraction method for measuring soil microbial biomass C［J］.Soil Biology and Biochemistry，1987，19：703－707.

［6］ 許光輝，鄭洪元.土壤微生物分析方法手冊［M］.北京：農(nóng)業(yè)出版社，1986：226－227.

［7］ 葉建軍，周明濤，許文年.談噴射護坡綠化技術［J］.水土保持研究，2004，11（6）：194－197.

［8］ Xu Z H，Ward S，Chen C R，et al.Soil carbon and nutrient pools，microbial properties and gross nitrogen transformations in adjacent natural forest and hoop pine plantations of subtropical Australia［J］.Journal of Soils and Sediments，2008，8（2）：99－105.

［9］ 程積民，萬惠娥，胡相明，等.半干旱區(qū)封禁草地凋落物的積累與分解［J］.生態(tài)學報，2006，26（4）：1207－1212.

［10］ Stark S，Julkunen－Tiitto R，Kumpula J.Ecological role of reindeer summer browsing in the mountain birch forests：effects on plant defense，litter decomposition，and soil nutrient cycling［J］.Oecologia，2007，151：486－498.

［11］ Bastida F，Barbem G G，Garcta C，et al.Influence of orientation，vegetation and season on soil microbial and biochemical characteristics under semiarid conditions［J］.Applied Soil Ecology，2008，38：62－70.

［12］ Esther Enowashu，Christian Poll，Norbert Lamersdor，et al.Microbial biomass and enzyme activities under reduced nitrogen deposition in a spruce forest soil［J］.Applied Soil Ecology，2009，43（1）：11－21

［13］ Odum E.Trends expected in stressed ecosystems［J］.Bioscience，1985，35：419－422.

［14］ 李濤，潘志華，安萍莉，等.北方農(nóng)牧交錯帶（武川縣）土壤微生物數(shù)量分布及層化比率研究［J］.水土保持學報，2006，20（1）：99－102.

［15］ Insam H.Are the soil microbial biomass and basal respiration governed by the climatic regime？［J］.Soil Biology and Biochemistry，1990，22（4）：525－532.