吳小玲
(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院國家植物科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心,湖南 長沙 410128)
喀斯特地區(qū)是世界典型的溶巖生態(tài)脆弱區(qū),土壤微生物是土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)的動力,又是土壤養(yǎng)分的儲存庫,對土壤中養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和供應(yīng)起著重要的作用。土壤微生物是土壤中物質(zhì)循環(huán)的調(diào)節(jié)者,同時也是有機(jī)物質(zhì)庫和速效養(yǎng)分的一部分[1],其本身含有大量的養(yǎng)分。土壤微生物的數(shù)量分布,不僅是土壤中有機(jī)養(yǎng)分、無機(jī)養(yǎng)分以及土壤通氣透氣性能的反映,而且亦是土壤中微生物活性的具體體現(xiàn)[2-3]。土壤微生物量(MB)是土壤活的有機(jī)質(zhì)部分,指土壤中除去活的植物體(如植物根系等)和動物外,體積小于5×103μm3的生物物質(zhì)的總量,其主要生物類群有細(xì)菌、真菌、藻類和原生動物等[4],廣義的微生物量包括 MB-C、MB-N、MB-P 及MB-S等[5-7]。研究從土壤微生物量的效應(yīng)著手,通過測定土壤碳氮含量,探討退耕還林還草后土壤內(nèi)在機(jī)制的變化,以期為該地區(qū)的生態(tài)安全和生態(tài)恢復(fù)提供理論依據(jù)。
選取了4個位于自然恢復(fù)演替階段(草叢-灌叢-次生林-原生林)作為研究對象,試驗(yàn)樣地的基本情況見表1。
通過野外勘查研究區(qū)自然植被分布,確定不同植被典型樣地,于2006年6月(雨季)和12月(旱季)采集土壤樣品。喀斯特植被演替過程4個階段樣地結(jié)合調(diào)查地上植被多樣性的樣方:草叢(5 m×5 m)、灌木叢(10 m×20 m)、次生林和原生林(20 m×40 m);除草叢外,其余樣方均分成4個等面積的小樣方,選擇其中3個小樣方,每個樣地按“S”形確定5~8個取樣點(diǎn),采集表層0~15 cm土壤樣品混合成一個混合樣品。對于農(nóng)業(yè)耕作土壤,選取典型樣地,隨機(jī)選取3個取樣小區(qū)(3個重復(fù)),每個小區(qū)按“S”形選取15~20個取樣點(diǎn),采集表層0~15 cm土壤組成一個混合樣品(混合均勻)。樣品過2 mm無菌篩,部分樣品保存在4℃冰箱中用于平板培養(yǎng)與微生物碳氮等分析;余下樣品風(fēng)干保存用于土壤理化性質(zhì)分析。
表1 試驗(yàn)樣地的基本概況
微生物量碳、氮的測定:氯仿熏蒸K2SO4提取法。提取液中C采用總有機(jī)碳自動分析儀測定,土壤微生物生物量碳的計(jì)算:BC=EC/kEC。式中:EC=熏蒸土壤浸提的有機(jī)碳-不熏蒸土壤浸提的有機(jī)碳,kEC為轉(zhuǎn)換系數(shù),取值0.45。提取液中N采用流動注射儀測定,土壤微生物生物量氮計(jì)算:BN=EN/kEN。式中:EN=熏蒸土壤浸提測定的全氮-不熏蒸土壤浸提測定的全氮;kEN為轉(zhuǎn)換系數(shù),取值0.45。
土壤基礎(chǔ)呼吸作用測定:堿液吸收-TOC儀測定法:稱取25 g上述測定土壤微生物碳氮用的新鮮土樣于500 mL培養(yǎng)瓶中,并將土壤均勻地平鋪于底部,將一只25 mL小燒瓶放在培養(yǎng)瓶內(nèi)的土壤上,然后吸取1 mol/L的NaOH溶液10 mL放入其中,將培養(yǎng)瓶加蓋密封,在25±1℃培養(yǎng)24 h取出于TOC儀上測定C濃度并計(jì)算CO2-C釋放量,同時做空白對照。
土壤呼吸R=未熏蒸土壤釋放CO2-C/10,R的單位為 mg/kg·d,呼吸熵(qCO2):形成單位微生物量C所需呼吸的CO2-C量;qCO2=R/微生物量C×1 000,單位為 mg/g·d。
從表2可以看出,隨著退耕還林后植被恢復(fù)的正向進(jìn)行,除次生林以外土壤的pH值是逐漸增高的,表現(xiàn)出原生林>灌叢>次生林>草叢。容重則正好相反,表現(xiàn)出草叢>灌叢>次生林>原生林。但pH和容重在每個恢復(fù)階段的季節(jié)之間變化不明顯,說明在短期時間里,pH值和容重基本是穩(wěn)定的,受外界環(huán)境影響較小。因?yàn)橥翗硬杉瘯r間的不同(6月是雨季,12月是旱季),在每個恢復(fù)階段中差異較大且土壤的含水量均為6月>12月。隨著植被恢復(fù),土壤植被類型的不同,各階段的土壤含水量也存在差異,6月土壤含水量是:原生林>次生林>灌叢>草叢;12月除原生林是0.29外,也是:次生林>灌叢>草叢。因?yàn)橹脖活愋褪怯绊懲寥阑瘜W(xué)和生物化學(xué)性質(zhì)的主要因素,其直接影響到土壤的含水量。原生林可能因其蒸騰量較大,根系從土壤中吸水較強(qiáng),導(dǎo)致其土壤的含水量較次生林小。但在不同的月份,其土壤的基本屬性(pH值、容重和土壤質(zhì)地)相同,因此不會對以下的分析造成影響。
表2 不同植被恢復(fù)后土壤的物理屬性
土壤微生物量是指土壤中體積小于5×103μm3、具有生命活動的有機(jī)物質(zhì)的總量,是土壤物質(zhì)和能量循環(huán)轉(zhuǎn)化的動力,是表征土壤肥力特征的重要參數(shù)之一[8-9]。從表2可以看出,不同植被恢復(fù)后土壤微生物量差異顯著,微生物量碳從高到低為:次生林>原生林>灌叢>草叢,在季節(jié)上草叢和原生林都為12月份大于6月份;灌叢和次生林為6月份大于12月份,結(jié)果6月份次生林是原生林的1.31倍,灌叢的1.93倍,草叢的7.91倍;12月份次生林是原生林的1.19倍,灌叢的2.55倍,草叢的4.14倍。微生物量氮除灌叢外均表現(xiàn)為12月份高于6月份且是草叢的3.37倍,次生林的1.20倍,原生林的2.42倍,不同的演替階段6月份為:次生林>原生林>灌叢>草叢,12月份是:原生林>次生林>灌叢>草叢。微生物量碳和微生物量氮與土壤有機(jī)碳、全氮變化趨勢基本相同。
Jenkinsont研究認(rèn)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(jié)構(gòu)和功能,因此在分析微生物量的絕對量外,還應(yīng)考慮微生物量碳、氮在全碳、全氮中所占的比例,從微生物學(xué)角度揭示植被恢復(fù)過程中土壤生物學(xué)質(zhì)量的變異[8]。從表2可以看出,不同植被恢復(fù)后土壤微生物量碳、氮、占全碳、全氮的比例變化不同,其中6月份微生物量碳占全碳的比例為2.70%~4.97%,微生物量氮占全氮的比例是2.47%~5.94%;12月份微生物量碳占全碳的比例為2.93%~3.74%,微生物量氮占全氮的比例是3.58%~6.98%。在6月份從草叢到灌叢其微生物量碳增幅較快,比例最高的是次生林為4.97%;12月份沒明顯的規(guī)律,但次生林的比例還是最高為3.74%,其微生物量氮也沒什么規(guī)律,但草叢的比例最高。在6月份其微生物量氮從草叢到次生林是逐漸增加的且增幅較大,在原生林又快速降低。有研究報道土壤微生物量碳、氮占有機(jī)碳、全氮的比例分別為0.27%~7.0%、2%~6%。本研究發(fā)現(xiàn),微生物量碳和氮所占比例相對偏高,在退耕還林的喀斯特地區(qū)土壤有機(jī)碳和氮素含量較貧瘠,微生物代謝功能期短,要維持植物生長所需要的碳源、氮源和營養(yǎng)物質(zhì),則必須提高微生物量在有機(jī)碳和全氮中所占比例和持續(xù)性來維持高的有機(jī)物代謝和物質(zhì)循環(huán)。
微生物量碳氮比可以反映土壤微生物種類和區(qū)系。在植被恢復(fù)過程中,由于植被的不同,植被凋落物與根系統(tǒng)物質(zhì)分解過程中所誘導(dǎo)形成的微生物區(qū)系差異導(dǎo)致土壤微生物量碳、氮比例也不同。表2顯示,在每個階段微生物量碳氮比均是6月份高于12月,這與土壤有機(jī)碳氮比是一致的。說明由于植被、環(huán)境的影響和微生物自身的因素,土壤氮素含量較高后續(xù)供應(yīng)能力較強(qiáng),在12月份微生物活動較6月份活躍。
土壤呼吸作為土壤質(zhì)量和肥力的重要生物學(xué)指標(biāo),在一定程度上反映了土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和供應(yīng)能力,表征著土壤的生物學(xué)特性和物質(zhì)代謝強(qiáng)度。在生態(tài)恢復(fù)過程中,植被的變化通過吸收養(yǎng)分和歸還有機(jī)物等影響著土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì),土壤微生物呼吸隨之變化,指示著系統(tǒng)恢復(fù)中土壤質(zhì)量的演變過程。如表3所示,植被恢復(fù)后土壤微生物呼吸強(qiáng)度是逐漸增強(qiáng)的,表現(xiàn)為原生林>次生林>灌叢>草叢,和有機(jī)碳變化過程相同,說明作為呼吸基質(zhì)的有機(jī)碳對呼吸強(qiáng)度有重要的控制作用。季節(jié)變化也影響土壤微生物呼吸強(qiáng)度,表現(xiàn)出與微生物量碳氮比相反的規(guī)律(12月份大于6月份)。
表3 不同植被恢復(fù)后土壤微生物量、呼吸強(qiáng)度和qC02值(n=3)
代謝熵(qCO2)是基礎(chǔ)呼吸強(qiáng)度與微生物量碳的比率。qCO2效率高,則形成單位微生物質(zhì)量所呼出的qCO2少,qCO2較小;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,微生物體的周轉(zhuǎn)率快,平均菌齡低。由表2可以看出,從草叢到原生林qCO2是12月份的效率高于6月份的,這與土壤微生物呼吸強(qiáng)度表現(xiàn)出相同的規(guī)律。由于植被的恢復(fù),減少了人為的干擾,從草叢到次生林qCO2逐漸降低,保證了高的代謝效率,使土壤有充足的活性有機(jī)物,維持較好的土壤性狀和可持續(xù)利用潛力。原生林由于無人為干擾且各方面都趨于收支平衡,qCO2升高。次生林的qCO2效率最高,可能因?yàn)樵谶m度的干擾下,物種增多,為微生物代謝提供可利用的物質(zhì)變豐富,微生物群落的食物網(wǎng)復(fù)雜化,其能量基本用于維持自身正常的生命活動。
隨著退耕還林后植被恢復(fù)的正向進(jìn)行,除次生林以外土壤的pH值是逐漸增高的,表現(xiàn)出原生林>灌叢>次生林>草叢,而容重變代表現(xiàn)出相反的規(guī)律。同時土壤含水量也存在差異,6月土壤含水量是原生林>次生林>灌叢>草叢;12月除原生林外也是次生林>灌叢>草叢。因?yàn)橹脖活愋褪怯绊懲寥阑瘜W(xué)和生物化學(xué)性質(zhì)的主要因素,其就直接影響到土壤的含水量。
不同植被恢復(fù)后土壤微生物量發(fā)生很大變化,微生物量碳從高到低為次生林>原生林>灌叢>草叢,在6月份從草叢到灌叢其微生物量碳增幅較快,12月份沒明顯的規(guī)律。在季節(jié)上差異表現(xiàn)為草叢和原生林都為12月份大于6月份;灌叢和次生林為6月份大于12月份。微生物量氮除灌叢外表現(xiàn)出灌叢和次生林微生物量碳同樣的規(guī)律,在6月份其微生物量氮從草叢到次生林逐漸增加,且增幅較大,在原生林又快速降低。而且這兩種都與土壤有機(jī)碳、全氮變化趨勢基本相同,但與全碳、全氮的比例變化不同,6月份微生物量碳占全碳的比例為2.70%~4.97%,微生物量氮占全氮的比例是2.47%~5.94%;12月份微生物量碳占全碳的比例2.93%~3.74%,微生物量氮占全氮的比例是3.58%~6.98%,這與前人研究相似,但比例偏高,使得微生物代謝功能期較短,須提高微生物量在有機(jī)碳和全氮中所占比例和持續(xù)性來維持高的有機(jī)物代謝和物質(zhì)循環(huán)。
在每個階段微生物量碳氮比均是6月份高于12月,這與土壤有機(jī)碳氮比是一致的。說明由于植被、環(huán)境的影響和微生物自身的因素,土壤氮素含量較高后續(xù)供應(yīng)能力較強(qiáng),在12月份微生物活動較6月份活躍。植被恢復(fù)后土壤微生物呼吸強(qiáng)度是逐漸增強(qiáng)的,表現(xiàn)為原生林>次生林>灌叢>草叢,和有機(jī)碳變化過程相同,季節(jié)變化也影響土壤微生物呼吸強(qiáng)度,表現(xiàn)出與微生物量碳氮比相反的規(guī)律(12月份大于6月份)。從草叢到原生林qCO2表現(xiàn)同土壤微生物呼吸強(qiáng)度隨季節(jié)變化相同的規(guī)律,且草叢到次生林是逐漸降低的,可能因?yàn)樵衷谶m度的干擾下,物種增多,為微生物代謝提供可利用的物質(zhì)變豐富,微生物群落的食物網(wǎng)復(fù)雜化,其能量基本用于維持自身正常的生命活動,使其qCO2升高。
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