張小磊，齊慶超，李 雅，裴穎春，李春發(fā)，王業(yè)寧

（1.河南省科學(xué)院地理研究所，河南 鄭州 450052； 2.河南省地礦局 測(cè)繪地理信息院，河南 鄭州 450006）

土壤微生物生物量碳（SMBC）是土壤碳庫(kù)中最活躍的組分［1］，其對(duì)土壤環(huán)境條件的變化極為敏感［2］，能及時(shí)調(diào)控土壤養(yǎng)分的累積與循環(huán)，體現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化［3］，因此在土壤生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)過(guò)程中具有不可替代的作用［4-6］。 目前，相關(guān)學(xué)者已針對(duì)SMBC 開(kāi)展了大量研究工作，如：李榮等［7］利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)哈尼梯田SMBC 的時(shí)空分布進(jìn)行研究，認(rèn)為SMBC 受季節(jié)、植被類型、地貌狀況等的共同影響，是土壤肥力變化的重要指標(biāo)；施福軍等［8］對(duì)望天樹(shù)天然林SMBC 進(jìn)行研究，認(rèn)為在土壤深度、土壤養(yǎng)分、林分組成等因子的作用下，SMBC 表現(xiàn)出明顯的垂直分布特征；張靜等［9］對(duì)扎龍濕地不同生境下SMBC的變化特征進(jìn)行分析后，也得出了與施福軍等［8］研究的相似結(jié)論。 由此可見(jiàn)，生境因子的改變能使SMBC 的變化特征產(chǎn)生顯著差異，這種差異在因受損而需恢復(fù)、重建的土壤-植被生態(tài)系統(tǒng)中表現(xiàn)得尤為明顯［10］。 因此，受損土壤-植被生態(tài)系統(tǒng)重建過(guò)程中SMBC 的動(dòng)態(tài)變化及其影響因素受到學(xué)者們的密切關(guān)注。 然而，現(xiàn)階段此類研究較多集中在灘涂濕地［11-12］、砍伐（損毀）后林地［10，13］以及丘陵溝壑等水土流失易發(fā)地區(qū)［14-15］，對(duì)消落帶這一特殊生境內(nèi)SMBC 的研究尚顯不足［16］。

小浪底水庫(kù)在黃河流域治沙防洪方面起著極為重要的作用［17］。 自2002年以來(lái)，小浪底水庫(kù)在每年6—7月進(jìn)行大規(guī)模調(diào)水調(diào)沙［18］，其水位明顯下降，在庫(kù)區(qū)形成落差為30 ～40 m 的周期性反季節(jié)干濕交替坡?tīng)畹貛В葱±说讕?kù)區(qū)消落帶。 該地帶具有垂直梯度上的自然地理變化特征，與周邊陸地、水體之間存在能量循環(huán)和物質(zhì)交換的過(guò)程，被視為一類特殊的濕地生態(tài)系統(tǒng)。 然而，長(zhǎng)期的周期性反季節(jié)干濕交替使小浪底庫(kù)區(qū)消落帶原有生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，土壤理化性質(zhì)改變，土壤微生物活性及土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)受到影響［19］，這可能會(huì)引起消落帶 SMBC 特征改變，影響該庫(kù)區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與重建。 基于此，本文以小浪底庫(kù)區(qū)洛陽(yáng)市新安縣王村一典型消落帶為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)不同土層深度的SMBC 含量進(jìn)行分析，揭示小浪底水庫(kù)水位下降后消落帶不同高程SMBC 含量的變化特征及差異，并對(duì)其影響因子進(jìn)行探討，以期為消落帶土壤碳循環(huán)研究及小浪底庫(kù)區(qū)科學(xué)管理、土壤-植被生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建提供基礎(chǔ)資料。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于洛陽(yáng)市新安縣倉(cāng)頭鎮(zhèn)西北部王村附近，屬小浪底庫(kù)區(qū)典型消落帶，地理坐標(biāo)為112°13′—112°15′E、34°54′—34°57′N。 研究區(qū)遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)，周邊無(wú)污染源；氣候?yàn)榕瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，多年平均氣溫為13.6 ℃；年內(nèi)降水分布不均，一般集中于夏季，多年平均降水量為650 mm；全年平均日照時(shí)數(shù)為2 265 h，無(wú)霜期為231 d，相對(duì)濕度為68%；土壤類型以褐土為主，分布有少量潮土；水庫(kù)蓄水前消落帶內(nèi)分布有農(nóng)田、林地、灌叢、草本植物等，蓄水后消落帶內(nèi)農(nóng)田已基本退耕，現(xiàn)有植被以酸棗、荊條、狗牙根、蒿類等為主。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與處理

依據(jù)研究區(qū)所處位置地貌特征、土壤質(zhì)地、水文情況以及植被覆蓋類型，分別在 275、265、255、245 m 這4 個(gè)高程進(jìn)行樣品采集（采樣點(diǎn)分布示意見(jiàn)圖1），其中275 m 高程常年未被水淹，該高程所采集樣品為對(duì)照樣品。 根據(jù)2018年4—10月小浪底水庫(kù)水位變化情況于2018年6—8月進(jìn)行樣品采集。 根據(jù)植被覆蓋類型在每個(gè)高程設(shè)置4 個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)都隨機(jī)布設(shè)5 個(gè)樣方，在每個(gè)樣方內(nèi)用梅花形布點(diǎn)法按0 ～10、10～20 cm 土層深度分層采集土壤樣品，除去石礫等雜物后將樣品混合均勻，用四分法獲取適量樣品，并將樣品置于4 ℃冷藏箱中帶回實(shí)驗(yàn)室。 在采集樣品的同時(shí)用JC-TW 型土壤溫度測(cè)定儀測(cè)定5、15 cm處的土壤溫度。 將帶回的部分新鮮土壤樣品過(guò)2 mm 篩，放置于4 ℃冰箱中保存，以備SMBC 含量和土壤含水率的測(cè)定。 將其余土壤樣品在室溫下自然風(fēng)干，研磨后過(guò)100 目篩，以備土壤pH 值、土壤有機(jī)碳等含量土壤理化指標(biāo)的測(cè)定。

圖1 采樣點(diǎn)分布示意（單位：m）

2.2 樣品測(cè)定

采用酸度計(jì)法測(cè)定土壤pH 值，水土比為2.5 ∶1；采用烘干法測(cè)定土壤含水率；采用Mastersizer 3 000 激光粒度儀測(cè)定土壤黏粒（粒徑＜0.002 mm）含量；采用Multi N／C 2 100 元素分析儀測(cè)定土壤有機(jī)碳（SOC）、全氮（TN）含量；采用硫酸-高氯酸消解、比色法測(cè)定全磷（TP）含量；采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測(cè)定SMBC含量。 SMBC 含量（Cmic）的計(jì)算公式為

式中：EC為熏蒸與未熏蒸土壤有機(jī)碳含量的差值；KC為換算系數(shù)，取值 2.22［10］。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007 和SPSS 17.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析；采用單因素方差分析法（ANOVA）處理不同土層及同一土層不同高程的SMBC 含量、SMBC／SOC 數(shù)據(jù)組的差異性；采用Duncan 法檢驗(yàn)不同數(shù)據(jù)組差異的顯著性，顯著性水平為 0.05，P＜0.05 為差異顯著，P＜0.01為差異極顯著；采用Pearson 相關(guān)系數(shù)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)組間的相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 消落帶落干期土壤理化性質(zhì)

小浪底庫(kù)區(qū)消落帶落干期土壤理化性質(zhì)見(jiàn)表1，可以看出，7 個(gè)指標(biāo)在不同高程及土層深度處具有明顯的差異。 具體而言，所有高程土壤pH 值變化范圍是6.90 ～7.83，0～10 cm 土層（上土層）土壤 pH 值大于 10～20 cm土層（下土層）土壤pH 值。 土壤含水率變化范圍是16.26%～19.08%，與土壤pH 值不同，下土層土壤含水率明顯大于上土層土壤含水率（P＜0.05），各土層的土壤含水率隨高程下降逐漸升高。 土壤溫度變化范圍是24.20～25.63 ℃，黏粒含量變化范圍是 6. 02% ～10.42%，上土層土壤溫度黏粒含量均明顯高于下土層土壤溫度和黏粒含量。 土壤有機(jī)碳、全氮、全磷作為土壤養(yǎng)分因子，其變化范圍分別是 3.99 ～9.45 g／kg、0.46 ～0.94 g／kg、0.12 ～0.32 g／kg，與土壤 pH 值、溫度、黏粒含量一樣，土壤有機(jī)碳、全氮、全磷含量均表現(xiàn)出在上土層中數(shù)值偏大的特征，并且在不同高程表現(xiàn)出明顯差異，其中土壤有機(jī)碳含量和全氮含量的差異更顯著（P＜0.05）。

表1 消落帶土壤理化性質(zhì)

3.2 不同高程 SMBC 含量的變化

小浪底庫(kù)區(qū)消落帶不同高程SMBC 含量隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖2。 可知相同時(shí)段內(nèi)同一高程0～10 cm 土層SMBC 含量明顯高于 10 ～ 20 cm 土層 SMBC 含量。 4個(gè)高程0～10 cm 土層SMBC 含量最大值均出現(xiàn)在6月15 日，而最小值出現(xiàn)的時(shí)間各不相同，275、265、255、245 m 高程SMBC 含量的最小值分別出現(xiàn)在8月30 日、7月 30 日、7月 15 日、8月 30 日。 整體而言，4個(gè)高程0 ～10 cm 土層SMBC 含量隨時(shí)間推移都表現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)，并且255 m 高程SMBC 含量的降幅最大。

圖2 消落帶不同高程SMBC 含量隨時(shí)間變化情況

4 個(gè)高程 10 ～20 cm 土層 SMBC 含量隨時(shí)間變化整體也呈下降趨勢(shì)，但降幅較小。 各高程10～20 cm土層SMBC 含量的最大值同樣都出現(xiàn)在6月15 日，275、255 m 高程SMBC 含量的最小值都出現(xiàn)在7月30 日，265、245 m 高程 SMBC 含量的最小值都出現(xiàn)在8月30 日。

消落帶不同高程SMBC 含量的差異見(jiàn)圖3，圖中不同大寫字母代表不同土層間的數(shù)據(jù)有顯著差異（P＜0.05），不同小寫字母代表同一土層不同高程的數(shù)據(jù)有顯著差異（P＜0.05）。 分析可知，整個(gè)研究期內(nèi)不同高程SMBC 含量具有明顯差異。 在 0 ～10 cm 土層中，4 個(gè)高程SMBC 含量隨高程下降呈現(xiàn)出先升高再降低的趨勢(shì)，且存在顯著差異（P＜0.05），其中：255 m高程 SMBC 含量最大（為 204.97 mg／kg），245 m高程SMBC 含量最?。?59.68 mg／kg）。 在 10～20 cm 土層中，4 個(gè)高程SMBC 含量隨高程下降同樣呈現(xiàn)出先升高再降低的趨勢(shì)，其中：245 m高程 SMBC 含量最?。?9.25 mg／kg），與其他 3 個(gè)高程 SMBC 含量差異顯著（P＜0.05）；265 m 高程 SMBC 含量最大（為 108.08 mg／kg），與 255 m 高程 SMBC 含量無(wú)顯著差異（P＞0.05），但與275 m 高程 SMBC 含量存在顯著差異（P＜0.05）。

圖3 消落帶不同高程SMBC 含量的差異

3.3 不同高程SMBC 與SOC 含量比值的變化

消落帶各高程 SMBC 與 SOC 含量比值（SMBC／SOC）隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖4，其變化范圍為0.48%～3.18%。 4 個(gè)高程 0 ～ 10 cm、10 ～ 20 cm 土層 SMBC／SOC 的最大值均出現(xiàn)在試驗(yàn)初期（6月15 日），之后隨時(shí)間變化整體緩慢下降，其中0～10 cm 土層SMBC／SOC 值的下降趨勢(shì)更加明顯，并且同一高程0 ～10 cm土層SMBC／SOC 值明顯高于 10～20 cm 土層 SMBC／SOC 值。

圖4 消落帶不同高程SMBC／SOC 值的時(shí)間動(dòng)態(tài)變化

消落帶不同高程SMBC／SOC 值的差異見(jiàn)圖5，整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)不同高程 SMBC／SOC 值差異較明顯。在 0～10 cm 土層中，245 m 高程 SMBC／SOC 值最?。?.06%），與其他3 個(gè)高程 SMBC／SOC 值存在顯著差異（P＜0.05），但 275、265、255 m 這 3 個(gè)高程之間的SMBC／SOC 值差異未達(dá)顯著水平（P＞0.05），其中：255 m高程 SMBC／SOC 值最大（為 2.19%），265、275 m 高程SMBC／SOC 值次之，分別為 2.12%和1.97%。 與 0 ～10 cm 土層 SMBC／SOC 值相似，在10～20 cm土層中，除245 m 高程 SMBC／SOC 值（為0.72%）較 275 m 高程SMBC／SOC 值（為 1.55%）顯著偏低（P＜0.05）外，265、255 m 高程 SMBC／SOC 值均較高， 分別為 1.72%和1.67%，并且 275、265、255 m 這 3 個(gè)高程之間的SMBC／SOC 值無(wú)顯著差異（P＞0.05）。

圖5 消落帶不同高程SMBC／SOC 值的差異

3.4 SMBC 與土壤環(huán)境因子的關(guān)系

采用Pearson 相關(guān)系數(shù)分析消落帶SMBC 與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性（見(jiàn)表2），可知研究時(shí)段內(nèi)小浪底庫(kù)區(qū)消落帶SMBC 含量與土壤pH 值呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），與土壤含水率呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與土壤溫度、SOC 含量、全氮含量呈顯著相關(guān)（P＜0.05），與土壤黏粒含量、全磷含量呈正相關(guān)關(guān)系，但未達(dá)到顯著水平（P＞0.05）。

表2 消落帶SMBC 與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)

4 討 論

4.1 小浪底庫(kù)區(qū)消落帶SMBC 的變化特征

消落帶周期性的淹水會(huì)導(dǎo)致不同高程土壤pH值、水分、養(yǎng)分等一系列環(huán)境因子發(fā)生改變，從而影響土壤微生物的種群結(jié)構(gòu)及活性［20-21］，最終使SMBC 含量發(fā)生變化［2，11，22-24］。 275、265、255、245 m 高程消落帶全年淹水時(shí)間分別0、117、202、263 d，據(jù)此整體上將淹水時(shí)長(zhǎng)劃分為短期（對(duì)應(yīng)265 m 高程）、中期（對(duì)應(yīng)255 m 高程）和長(zhǎng)期（對(duì)應(yīng)245 m 高程），可認(rèn)為消落帶SMBC 的變化與淹水時(shí)長(zhǎng)有關(guān)。 具體地，中短期淹水能夠促使 SMBC 含量增加，而長(zhǎng)期淹水能夠?qū)MBC 含量的增加產(chǎn)生明顯的抑制作用，這與柴雪思等［16］的研究結(jié)果基本吻合。 在土壤垂直深度上，0 ～10 cm 土層 SMBC 含量顯著高于 10 ～20 cm 土層SMBC 含量，并且 0 ～10 cm 土層 SMBC 含量的波動(dòng)幅度較大，這也與以往同類研究結(jié)果較相似［9，10，25］。

SMBC 含量的變化與土壤微生物的活性密切相關(guān)［26］。 本研究采樣時(shí)段正處于植物的生長(zhǎng)季，隨著植物生長(zhǎng)進(jìn)入旺盛期，植物對(duì)養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，從而在一定程度上限制土壤微生物對(duì)養(yǎng)分的獲取，這可能導(dǎo)致SMBC 含量在時(shí)間維度上逐漸降低。 對(duì)于不同高程，中短期淹水時(shí)土壤中包含有機(jī)物在內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)不易被礦化而產(chǎn)生累積效應(yīng)，待水庫(kù)水位下降后，累積的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)礦化速率提高，土壤微生物可利用的養(yǎng)分增多，繁殖加快，從而使SMBC 含量增加；但淹水期過(guò)長(zhǎng)時(shí)土壤中累積的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)在水力沖刷作用下大量流失，待水庫(kù)水位下降后，土壤微生物難以獲取足夠的養(yǎng)分進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖，引起SMBC 含量迅速降低，造成不同高程SMBC 含量表現(xiàn)出明顯差異。 已有研究表明［27］，表層土壤是植物根系、凋落物等有機(jī)物集中分布的區(qū)域，隨著土壤深度增加，有機(jī)物含量逐漸減少。 由表1可知，相對(duì)于10 ～20 cm 土層，土壤微生物在0～10 cm土層中可利用的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)更多，土壤微生物活性增強(qiáng)，SMBC 含量偏多，但表層土壤對(duì)外部環(huán)境的抗干擾能力相對(duì)較弱，從而導(dǎo)致SMBC 含量在0 ～10 cm土層波動(dòng)較大。

4.2 小浪底庫(kù)區(qū)消落帶SMBC 對(duì)土壤肥力的影響

活性較高的土壤微生物能夠加速土壤中物質(zhì)代謝，提升土壤碳庫(kù)的周轉(zhuǎn)速率，從而促進(jìn)土壤生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分和能量循環(huán)［28］。 一般而言，SMBC 含量越高，土壤微生物對(duì)SOC 的貢獻(xiàn)越大，由于SOC 是土壤肥力的重要指標(biāo)，因此SMBC／SOC 值能夠反映土壤微生物活性對(duì)土壤肥力的影響［29］。 小浪底庫(kù)區(qū)消落帶不同高程SMBC／SOC 值的變化范圍為0.48%～3.18%，與黃河下游三角洲貝殼堤［25］和三峽庫(kù)區(qū)［16］的 SMBC／SOC值相比略低，這表明長(zhǎng)期的周期性反季節(jié)淹水已使小浪底庫(kù)區(qū)消落帶土壤微生物活性受到嚴(yán)重影響，降低了其對(duì)土壤肥力的貢獻(xiàn)。

研究期內(nèi)各高程SMBC／SOC 值在試驗(yàn)初期達(dá)到峰值，之后呈下降趨勢(shì)。 原因可能是消落帶土壤落干前，淹水的脅迫效應(yīng)制約了土壤微生物的種群和活性，但土壤落干后淹水的脅迫效應(yīng)迅速消失，土壤微生物種群和活性得以快速恢復(fù)，SMBC 含量陡增，SMBC／SOC 值達(dá)到峰值，表明此時(shí)土壤碳庫(kù)周轉(zhuǎn)速率最高，土壤微生物活性對(duì)土壤肥力的貢獻(xiàn)最大。 之后如前文所述，消落帶植物的生長(zhǎng)可能加強(qiáng)了對(duì)土壤養(yǎng)分的剝奪，各高程SMBC 含量隨時(shí)間逐漸下降，并且此時(shí)植物釋放到土壤中的根系分泌物等有機(jī)物增多，導(dǎo)致相應(yīng)高程SMBC／SOC 值隨時(shí)間呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這也說(shuō)明隨著落干期延長(zhǎng)，土壤碳庫(kù)的周轉(zhuǎn)速率受到限制，土壤微生物活性對(duì)土壤肥力的貢獻(xiàn)降低。

在土壤垂直深度上，同一高程下0 ～10 cm 土層SMBC／SOC 值明顯高于 10 ～ 20 cm 土層 SMBC／SOC值，這與以往的研究結(jié)果較為一致［25］，表明土壤表層微生物對(duì)有機(jī)物具有更高的轉(zhuǎn)化效率，從而有利于土壤肥力的提升。 除 245 m 高程外，0 ～10、10 ～20 cm 土層在265、255 m 高程的 SMBC／SOC 值均高于對(duì)照高程（275 m）的 SMBC／SOC 值，進(jìn)一步表明短期、中期淹水能在一定程度上提高土壤微生物的活性及其對(duì)土壤肥力的貢獻(xiàn)；相反，長(zhǎng)期淹水時(shí)土壤微生物活性受到抑制并導(dǎo)致其對(duì)土壤肥力的貢獻(xiàn)降低。

綜上可知，通過(guò)分析小浪底庫(kù)區(qū)消落帶SMBC 含量及SMBC／SOC 的變化特征能夠從生物學(xué)角度揭示土壤微生物活性對(duì)土壤肥力的影響，且二者的值越大、越有利于土壤肥力的提升。

5 結(jié) 論

（1）小浪底庫(kù)區(qū)消落帶各高程 SMBC 含量及SMBC／SOC 值在6—8月隨時(shí)間整體呈降低趨勢(shì)，說(shuō)明隨著落干期延長(zhǎng)，土壤微生物生存的適宜性降低，從而使土壤微生物的活性降低。

（2）消落帶不同高程 SMBC 含量差異明顯（P＜0.05），與對(duì)照高程（275 m）相比，265、255 m 高程SMBC 含量明顯較高，而245 m 高程SMBC 含量較低。對(duì)于 SMBC／SOC 值而言，245 m 高程 SMBC／SOC 值最小，255 m 高程 SMBC／SOC 值最大，255、265、275 m 這3 個(gè)高程之間的 SMBC／SOC 值無(wú)顯著差異（P＞0.05），表明短期、中期淹水能在一定程度上提高土壤微生物的活性，增強(qiáng)SMBC 對(duì)土壤碳庫(kù)的貢獻(xiàn)，而長(zhǎng)期的淹水環(huán)境能對(duì)土壤微生物的活性產(chǎn)生極大的抑制作用，從而降低SMBC 對(duì)土壤肥力的貢獻(xiàn)。

（3）在土壤垂直深度上，消落帶 0 ～10 cm 土層SMBC 含量及 SMBC／SOC 值顯著高于 10 ～20 cm 土層SMBC 含量及 SMBC／SOC 值，并且 0 ～ 10 cm 土層SMBC 含量的波動(dòng)幅度較大，表明表層土壤SMBC 更易受到外部環(huán)境變化的影響。

（4）Pearson 相關(guān)分析表明，SMBC 與土壤含水率呈極顯著正相關(guān)，與土壤pH 值呈顯著負(fù)相關(guān)，與土壤溫度、SOC 含量、全氮含量顯著相關(guān)，表明土壤溫度、含水率、pH 值、SOC 含量、全氮含量是影響小浪底庫(kù)區(qū)消落帶SMBC 含量及土壤肥力的關(guān)鍵因子。