不同海拔对干热河谷土壤微生物量及活性的影响

薛 萐,李 鹏,李占斌,刘国彬,郑 郁 (1.西北农林科技大学水土保持研究所,黄土高原侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西 杨凌 71100；.西安理工大学,西北水资源与环境生态教育部重点实验室,陕西 西安 710048；3.中国科学院水土保持研究所,陕西 杨凌 71100)

不同海拔对干热河谷土壤微生物量及活性的影响

薛 萐1,2,3,李 鹏1,2*,李占斌1,2,3,刘国彬1,3,郑 郁2(1.西北农林科技大学水土保持研究所,黄土高原侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西 杨凌 712100；2.西安理工大学,西北水资源与环境生态教育部重点实验室,陕西 西安 710048；3.中国科学院水土保持研究所,陕西 杨凌 712100)

以四川宁南县金沙江下游的河谷地带为研究区域,选择不同海拔下的土壤为研究对象,研究不同海拔下土壤微生物量及其活性的变异特征.结果表明,在干热河谷区,海拔对微生物量、基础呼吸强度、诱导呼吸强度(SIR)影响显著,且随着海拔高度的升高,上述指标呈显著线性增加.在海拔705～1005m处随着干热风影响的减少,微生物量及其活性逐渐增加,其后随着海拔的继续升高,干热风影响降低,微生物量及其活性总体趋于稳定.海拔1005～1400m可以作为是干热风影响的过渡区.微生物量、基础呼吸强度、SIR具有明显的干湿季变化且变化规律相似,其中干季微生物量及其活性显著低于湿季.干季代谢商(qCO2)随海拔先降低后升高并趋于稳定,湿季没有显著差异.干季和湿季土壤微生物量与理化属性具有较强的相关性,可以作为评价土壤肥力的指标.上述研究结果表明,在金沙江干热河谷区,干热风是影响土壤微生物量及其活性的主要因子之一,从生态恢复角度出发,应该尽可能的减少干热风和水分对土壤和植被的胁迫作用,促进该区域生态的可持续性发展.

干热河谷地区；海拔；土壤微生物量

土壤作为陆地生态系统中的重要组成部分,是物质循环、能量转换和信息传递的核心区域.土壤微生物直接参与养分循环、有机质分解等诸多生态过程,是土壤中物质转化和养分循环的驱动力,土壤微生物量是表征土壤生态系统中物质和能量流动的重要参数,因其运转周期短,可以灵敏地反映环境因子、土地经营模式和生态功能的变化过程,常被用来评价土壤质量和反映微生物群落状态与功能的变化[1-3].海拔可以反映环境变化,是影响光、热、水、气的因子之一,其直接作用于生境的气候生态学特征,并通过影响气候环境使土壤物理、化学和生物性质发生变化,进一步影响植物群落结构和类型的演化[4-5],最终引起生态系统功能的改变[6].

金沙江干热河谷是我国西南横断山区河谷深切后形成的一种特有的地理和类型,属于干旱河谷的一种亚类型,该地区气候干旱,水热极度不平衡.常年来,由于历史上的采薪炼铜和现代的陡坡垦植以及对自然资源不合理的开发利用,导致该区在自然因素和人为因素影响下区域生态功能明显退化,成为我国生态环境脆弱地区之一[7-9].长期以来,研究人员对不同海拔下的植被、土壤属性进行了深入细致地研究,取得了丰富的研究成果[10-13],但由于研究区域的不同,所得出的结论差异较大,特别是针对干热河谷地区海拔对土壤生物学特性影响方面的研究还相对较少.因此,本研究以金沙江干热河谷地区不同海拔下的草地为研究对象,从土壤微生物角度探讨干湿交替环境下海拔对土壤微生物量及其活性的影响,以期为认识该地区水土保持现状与评价生态安全和提供科学依据.

1 研究地区与研究方法

1.1 自然概况

研究区选择在宁南县城以东金沙江下游的河谷地带.位于东经102°54′～103°02′,北纬26°54′～27°09′,年均气温 20～27℃,≥10℃年积温 7 000～ 8 000℃,年日照时数 2 179～2 736 h,为多日照区;年降水量 600～800 mm;干湿季分明,干季蒸发量可达降水量的 20倍以上,土壤水分严重缺失,相对持水量和有效水分保证率较低;土壤类型以抗蒸发能力弱的燥红土为主,还含有褐红壤、赤红壤、紫色土等;主要植被以干热河谷灌丛和稀树灌木草丛为主,其中草本植物的代表有:扭黄茅(Heteropogon contortus P.Beauv)、香茅(Cymbogon distens)、龙须草(Eulaliopsis binata Hubbard)等;灌木有:车桑子(Dodonaeoan gustifolia)、余甘子(Phyllanthus emblica L)、仙人掌(Opuntia monacantha Haw)、番石榴(Psidium guajava Linn)等;乔木有:攀枝花(Bombax ceiba L)、新银合欢(Leucaena leucocephala (Lam. ) de Wit cv. Salvador)、水桐树(Camptotheca acuminata)、刺槐(Robinia pseudo-acacia L)等.

1.2 样品采集及分析

在2008年4月(干季)和10月(雨季)中旬,通过野外植被调查,在研究区选择一典型坡面,按照海拔高度从705～1500m选取典型草地7块(每块样地海拔相差100m左右)和海拔1585m云南松林一块(海拔1500m以上通常被认为是很难受干热风影响的海拔下限)为研究对象,样地基本特征见表 1.为了尽可能消除地形和人类活动等因素对土壤特性的影响,所选取的样地确保是在坡位坡度相似的迎风坡面.每个海拔选择3个样地,每个样地按S型选取7个样点,挖取0～20cm深度的土壤样品,充分混合均匀后用四分法取出适量备用,因为样方间的距离超过了绝大多数土壤理化性质和微生物性质的空间依赖性[14],所以上述样方可以看作是真重复.土壤样品带回室内充分混匀后分成两份,1份土样风干、过1mm和0.25mm筛后测定土壤基本化学性质[15],具体结果略.另1份鲜样过2mm筛用于测定土壤微生物量和呼吸强度,采用氯仿熏蒸法,熏蒸后用硫酸钾浸提,用全自动有机碳分析仪测定微生物量碳,用全自动定氮仪测定微生物量氮[16-17];土壤呼吸强度采用碱液吸收法;土壤诱导呼吸强度(SIR)采用基质诱导法;代谢商(qCO2)通过计算基础呼吸强度与微生物量碳的比率得出[18].

1.3 数据统计分析

数据为3个重复的平均值,采用SAS 6.12软件中的单因素方差分析(ANOVA)方法分析差异显著性, 相关分析也采用SAS 6.12软件进行.

表1 样地基本特征Table 1 Description of the sampling plots

2 结果与分析

2.1 不同海拔对土壤微生物量的影响

随着海拔高度的升高,土壤微生物量碳(SMBC)呈现显著线性变化,并具有明显的干湿季变化且规律相似(图1).整体来说从海拔705～920m 变化不显著,随后显著增加,1005～1500m基本趋于稳定,和 1580m处的松树林没有显著差异,回归分析表明随海拔的升高,微生物量碳均呈显著升高趋势.

干季随着海拔的升高微生物量氮(SMBN)逐渐缓慢增加,在海拔1005m时较705m处增幅达到显著水平,随后趋于稳定,回归分析表明SMBN与海拔呈显著线性关系.湿季 SMBN在海拔805m处较 705m处增幅达到显著水平,随后从805～1235m基本稳定,1235～1400m又呈现显著增加,1400～1585m呈极缓慢增加趋势,增幅没有达到显著水平,回归分析表明SMBN随海拔升高呈现显著的线性增长关系.相同海拔下的SMBC和SMBN在湿季要明显高于干季,且无论在干季还是湿季,海拔1500m的草地和海拔1585m的松树林二者差异均未达到显著水平.

2.2 不同海拔对土壤呼吸强度的影响

如图2所示,土壤基础呼吸强度随海拔升高呈对数增长.其中干季在海拔705～1005m之间虽有升高,但未达到显著差异,1005～1400m之间较705m显著升高,随后呈现波动式上升,1585m的松树林达到最大值,但是和1500m的草地没有显著差异.湿季在海拔 805m时增幅即达到显著水平,随后呈缓慢波动式上升,但增幅未达到显著水平,1585m的松林略高于1500m的草地,方差分析未达到显著水平.相同海拔下的湿季土壤基础呼吸强度略高于干季.基质诱导呼吸(SIR)随海拔升高也呈现一定的变化规律(图 3).干季随海拔升高,SIR略微降低后升高,其中在海拔705～1400m变异未达到显著水平,1400m增幅达到显著水平,1580m的松树林达到最大值,但和1500m的草地没有显著差异.湿季下SIR随海拔升高逐渐增大,海拔705～1005m之间虽有缓慢增长,但增幅未达到显著水平,在海拔1235m时增幅较705m处达到显著水平,随后虽然逐渐增加,但未达到显著水平,1500～1580m 时达到最大值.回归分析表明,SIR随海拔的升高呈显著地线性上升,相同海拔下湿季下的SIR要显著大于干季.

图1 不同海拔下干湿季土壤微生物量碳/氮变化规律Fig.1 Change in SMBC and SMBN at different elevation in dry/wet season每一分图中不同字母,表明样地之间达到显著差异(P＜0.05)

图2 不同海拔干湿季土壤基础呼吸强度变化规律Fig.2 Change in respiration at different elevation in dry/wet season注同图1

图3 不同海拔干湿季土壤诱导呼吸强度变化规律Fig.3 Change in SIR at different elevation in dry/wet season注同图1

2.3 不同海拔对代谢商的影响

图4 不同海拔海拔干湿季土壤代谢商变化规律Fig.4 Change in qCO2 at different elevation in dry/wet season注同图1

由图4可知,相对于其他指标,代谢商(qCO2)随海拔的升高变化规律不明显.干季整体先缓慢降低,在海拔1005m处qCO2达到最低值,随后缓慢上升的趋势;湿季整体并没有显著的差异,围绕20～30mgCO2-C/(g⋅h)波动;相同海拔下的干季和湿季qCO2并没有显著的差异.

2.4 土壤微生物量及其活性与理化属性之间的相关分析

分别对干季和湿季土壤微生物量及其活性与理化属性进行相关性分析,结果表明(表 2)干季SMBC、SMBN和基础呼吸强度之间呈显著正相关(P＜0.05);和 SIR相关性相对较弱,仅SMBC和 qCO2、基础呼吸强度呈显著正相关;且SMBC和主要土壤养分之间均表现出较强的相关性,SMBN仅和有机质、碱解氮、速效钾显著相关;SIR和养分因子相关性较弱,仅和碱解氮显著相关;qCO2和全磷以外的养分因子显著负相关.湿季土壤微生物量及其活性与养分因子之间的相关性要略高于干季,除 SMBC和基础呼吸强度之间相关性未达到显著水平外,SMBC、SMBN、基础呼吸强度和SIR之间均呈显著或极显著相关,且与主要养分因子之间具有较强的相关性.以上结果表明土壤微生物量、基础呼吸强度、SIR不仅相互之间关系密切,而且与主要土壤肥力因子相关性也较为密切,说明在干热河谷地带土壤微生物量及其活性与土壤养分循环和能量转化关系密切,可以作为评价土壤肥力的指标.

表2 土壤微生物量及其活性与养分之间的相关分析Table 2 Correlation coefficient among soil microbial biomass and activity and characteristics of soils

3 讨论

目前针对海拔对土壤微生物量影响的研究结果差异较大[11,19-20],分析其原因主要和所选的研究区及其气候、土壤类型、植物群落结构等有关.其中针对干热河谷地带海拔对土壤微生物的研究相对较少.本研究表明,在海拔705m处土壤微生物量含量很低,随着海拔升高,在海拔705～920m,除湿季土壤微生物量氮较705m处显著提高外,虽有不同程度增加,但均未达到显著水平.这主要和受干热风影响有关,此海拔阶段处于江面上方海拔 100～200m处,受干热风影响最为严重,植被生长较差,枯枝落叶受干热风的影响,很难回归到土壤中,加之此海拔处的水分严重亏缺,物质代谢能力减弱,微生物量偏低.在海拔920～1005m 处微生物量碳增幅较快,干季微生物量氮也显著高于海拔 705m,这个阶段主要是由于受干热风的影响逐渐减小,植被生长和枯落物归还量显著增加,微生物生存所需要的物质元素显著增多,微生物量增大.海拔1005m以上干热风的影响越来越小,而此海拔段整体来说水分光照等条件相似,植被等条件变异不大,土壤微生物所生存的环境基本一致,微生物量趋于稳定.

土壤呼吸作为土壤质量和肥力的重要生物学指标, 在一定程度上可以反映土壤养分转化和供应能力,表征着土壤的生物学特性和物质代谢强度.研究表明干湿季下基础呼吸强度、SIR随海拔呈缓慢的增加趋势,其中在海拔1400m以上较 705m有显著增加,湿季分别在 920m和1235m处增加达到显著水平,间接说明干季干热风的影响要大于湿季,环境胁迫越大,干热风的影响越显著,对土壤生物学特性和物质代谢的影响越强.代谢商(qCO2)是基础呼吸强度与微生物量碳的比率,它把微生物生物量的大小和微生物整体活性有机的结合起来,代表了微生物群落的维持能大小和对基质的利用效率,是反映环境因素、管理措施变化等对微生物活性影响的一个敏感性指标[21-22].qCO2效率高,则形成单位微生物质量所呼出的 CO2少,qCO2较小;qCO2效率低,说明利用相同能量而形成的微生物量小,qCO2较大,释放的 CO2较多,微生物体的周转率快,平均菌龄低.本研究发现干季 qCO2在海拔705～1005m呈降低趋势,说明随着海拔的升高,干热风的影响逐渐减少,对土壤和植被的胁迫逐渐降低,qCO2效率升高,土壤的优良性状和可持续利用潜力增强;海拔1005m以上qCO2趋于稳定,说明环境因素对土壤的影响趋于稳定,微生物以一定的代谢效率维持着生长代谢.湿季 qCO2整体趋于稳定,变化规律不明显,表明湿季下海拔对微生物的代谢效率影响不大,这可能是因为湿季下植被生长旺盛,土壤微生物受环境的胁迫较少,其代谢效率基本维持稳定.通过以上分析可以看出,海拔和干热风是影响土壤微生物量的主要因子之一,根据对干热河谷区干热风影响高度的划分,一般认为在 1200m左右,也有学者认为在1400m左右.本文认为海拔1005～1400m之间可以作为是干热风影响的过渡区,根据生态学的原理可知,生态过渡区一般具有波动性、脆弱性和敏感性等特点,该区域连接干热河谷区与其上的林草覆盖区,因此其土壤性质会出现转折点的变化.海拔 1500m以上已经不再受干热风的影响,土壤水分、植被等条件显著改善,植被类型也从草地变为松树林,但由于1585m的样地是植被交错的边缘地带,此处的土壤微生物量并未显著高于1500m的草地,这主要可能与样点处于植被的过度带有关.

干湿季是常见的自然现象,其可使土壤经历一系列的物理、化学、生物学变化,从而影响土壤肥力和养分循环,大量研究证明干湿交替对土壤的微生物活性和群落结构有重要影响[23-26].干热河谷地带其干、湿季节分明,90%以上的降雨集中于雨季,年蒸发量是年降水量的几倍之多,其中3～4月的湿润指数＜0.02,在这种气候干燥和水热分布不均匀的背景下,干湿季交替必然会影响土壤微生物量及其活性.本研究表明,相同海拔下,湿季土壤微生物量及其活性要显著高于干季.造成此差异可能的原因有如下几个方面:首先,干季由于水分和干热风的影响,植被生长较差,有些物种仍处于休眠状态,根系停止生长,而湿季水分含量较好,植被生长旺盛,根系进入快速生长期,分泌物增多,土壤物质代谢加快,微生物量及其活性相对于干季显著增强;其次水分状况能够直接影响土壤的通气状况和物理结构,并对土壤微生物及其活性产生影响;另外土壤干旱条件下会导致部分微生物死亡,微生物量及其活性降低[27-28],在湿季土壤水分增加,死亡的微生物细胞易被活下来的生物所降解,进一步刺激了微生物生长,微生物量及其活性增加.研究还发现除过海拔 705m外湿季微生物量碳/微生物量氮要明显低于干季,而细菌的碳氮比低于真菌[29],据此推测,干季真菌的数量要高于湿季,这和 Gordon等[30]认为真菌对干燥的容忍力要强于细菌,在干旱阶段真菌的丰富度会相应增加的研究结论相似.

4 结论

4.1 在干热河谷区,海拔对微生物量、基础呼吸强度、SIR影响显著,随着海拔高度的升高,呈显著的线性变化,其中在海拔705～1005m处,随着干热风影响的减少逐渐增加,其后随着海拔的继续升高,干热风影响降低,微生物量及其活性总体趋于稳定.

4.2 微生物量、基础呼吸强度、SIR具有明显的干湿季变化且变化规律相似,其中干季微生物量及其活性由于水分、植被等因素的作用显著低于湿季.干季 qCO2随海拔先降低后升高并趋于稳定,湿季没有显著差异.

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Soil microbial biomass and activity along an altitudinal gradient in dry-hot valley.

XUE Sha1,2,3, LI Peng1,2*, LI Zhan-bin1,2,3, LIU Guo-bin1,3, ZHENG Yu2(1.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming in the Loess Plateau, Institute of Soil and Water Conservation, Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling 712100,China；2.Key Laboratory of North West Water Resources and Environment Ecology, Ministry of Education, Xi′an University of Technology, Xi′an 710048,China；3.Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences, Yangling 712100, China). China Environmental Science, 2011,31(11)：1888～1895

The difference of soil microbial biomass and activity along an altitudinal gradient were investigated at lower branch of Jinsha River in Ningnan County. The results showed that elevation had significant effect on soil microbial biomass, microbial respiration and metabolic quotient (qCO2) in the dry-hot valley; they increased linearly with the increase of elevation. In the lower elevation (705～1005m), soil microbial biomass and activity increased with the increase of elevation; the effect of dry/hot wind decreased with the increase of elevation, soil microbial biomass and activity tended to be stable. Elevation between 1005 and 1400m could be considered as the transition region. Soil microbial biomass, basal respiration and induced respiration presented obviously changes between wet and dry season, and usually a higher value was found in wet season. In dry season, qCO2firstly decreased with elevation, then increased and thereafter tended to be stable, while no remarkable changes was observed in the wet season. Correlation analysis showed that soil microbial biomass was significantly correlated with the physico-chemical properties; thus soil microbial biomass and activities could be useful for reflecting soil fertility. The results suggested that in the Jinsha river dry-hot valley, dry-hot wind was one of the main factors limiting the soil microbial biomass and activities. Thus taking appropriate measures to reduce the effect of dry-hot wind on vegetation and soil is important for ecological sustainable development.

dry-hot valley；elevation；soil microbial biomass and activities

X172

A

1000-6923(2011)11-1888-08

2011-02-10

国家自然科学基金资助项目(40801094, 40971161);国家“973”项目(2007CB407205);西北农林科技大学基本科研业务费青年项目(QN2009080)

* 责任作者, 副教授, lipeng74@163.com.

薛 萐(1978-),男,陕西西安人,助理研究员,主要从事恢复生态学研究.发表论文50余篇.