兴安落叶松林土壤微生物生物量季节动态及影响因素1)

邸雪颖 耿莹莹 孙 龙 胡海清

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

土壤微生物是生态系统的重要组成部分，土壤微生物生物量的多少及其变化是土壤肥力高低及其变化的重要依据之一［1］。这部分生物量虽然只占土壤总有机碳的1%～3%，但却参与了生态系统养分循环、有机质分解等诸多生态过程，影响着土壤有机质的转化，因而在陆地生态系统碳循环中发挥着重要作用［2－3］。以往关于森林土壤微生物生物量的研究主要针对不同森林类型土壤微生物生物量的特征［4－9］，生态恢复和退化过程植被变化对土壤微生物生物量的影响［10－14］，森林经营措施［15］、采伐干扰［16］以及N沉降和施加氮肥对土壤微生物生物量的影响［17－18］。研究区域主要集中于热带、亚热带及温带地区，对寒温带研究很少［19］。对兴安落叶松天然林微生物生物量的研究鲜见报道。兴安落叶松林占整个大兴安岭地区的70%以上［20］，是我国北方森林的典型类型，同时也是对全球气候变化响应最为敏感的林分，其碳循环对气候变化响应的研究比任何其他陆地生态系统更为重要而迫切［21－22］。目前对于大兴安岭地区兴安落叶松林土壤微生物生物量数据非常缺乏，对其主要控制因素及其机制尚不清楚。因此，本研究选取了黑龙江省大兴安岭地区最为典型的森林类型——兴安落叶松天然林为研究对象，研究其土壤微生物生物量的季节动态变化规律，探讨影响土壤微生物生物量动态变化的因素，为进一步系统开展我国北方森林生态系统碳循环研究提供数据基础。

1 研究区域概况

研究地点位于黑龙江省大兴安岭塔河林业局，地处黑龙江省北部、大兴安岭伊勒呼里山北坡，地理坐标为 123°19'～125°48'E，52°09'～53°23'N。东邻呼玛县，西接漠河县，南靠新林区、呼中区，北以黑龙江主航道中心线为界与俄罗斯隔江相望，边境线长173 km。属寒温带大陆性季风气候，冬季漫长而寒冷，夏季短暂而湿热，年平均气温－5℃，年降水量428 mm。海拔为937～1397 m，全年无霜期仅为98 d，地带性土壤为棕色针叶林土。主要森林类型为兴安落叶松林、白桦(Betula platyphylla)林、樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica)林、白桦落叶松混交林以及蒙古栎(Quercus mongolica)林等，是我国北方森林典型分布区。

2 研究方法

样地设置 在大兴安岭地区塔河林业局的典型兴安落叶松林内设置3块标准样地，样地大小为20 m×20 m，平行分布。该林分为37年生兴安落叶松林，林分密度2100株·hm－2，兴安落叶松平均胸径(13.21±0.56)cm，平均树高为(10.97±0.73)m。主要树种组成为兴安落叶松和白桦，比例9落1白。主要灌木草本为越橘(Vaccinium vitis-idaea Linn.)、笃斯越橘(V.uliginosum Linn.)和小叶章(Calamagrostis angustifolia Kom.)。土壤类型为棕色针叶林土，土层厚度44～55 cm，A层厚度约为14 cm。该林分位于东南坡中下位，坡度10°～12°。

样品采集 采样时间为2010年5月至9月，除5月份每月采集2次外，其余每月采样一次。采用5点混合随机取样法，每个样地随机设置3个取样点，每个样点周围取5个样品进行混合，除去地表植被和地表覆盖物，用土钻采集土壤表层(0～15 cm)样品，共计15份土壤样品。土样立即装入冷藏箱，带回实验室置于2℃低温储存，并于一周内完成土壤微生物生物量碳、氮测定。同时将一部分土样取出风干，用于土壤相关指标测定。土壤温度(TS)是采用瞬时土壤温度计于每次采样时测定10 cm土壤温度。

样品室内分析 用PHS—3C型精密PH计测定pH值。烘干法测定土壤含水量(WS)。利用multiN/C3000分析仪和HT1500 Solids Module(Analytik Jena AG，德国)测定土壤有机碳(CS，O)质量分数。用KDY—9830凯氏定氮仪测定土壤全氮(NT)质量分数。

土壤微生物生物量采用氯仿熏蒸浸提法测定［23］。将采回的新鲜土壤过2 mm土壤筛，去除土壤中的石块和植物根系等，采用氯仿熏蒸浸提法测定Cm和Nm［4］，其中熏蒸处理为25℃真空条件下培养24 h，提取液采用 0.5 mol·L－1K2SO4(土液比为 1∶2.5)。浸提液中的有机碳和全氮质量分数采用MultiN/C3000分析仪测定。土壤微生物量碳［24］(Cm，mg·kg－1)和土壤微生物量氮［25］(Nm，mg·kg－1)分别由下式求得:

式中:CE、NE分别为熏蒸和未熏蒸土样浸提液中有机碳、全氮的差值，0.45为校正系数。

数据处理与分析 采用方差分析(ANOVA)检验试验处理对Cm和Nm的影响，Duncan检验比较处理间Cm和Nm的显著性差异。用线性回归和Pearson相关系数评价Cm和Nm与土壤体积含水量、土壤温度、pH值、土壤有机碳和土壤总氮之间的关系。统计分析均应用SPSS17.0统计软件完成。

3 结果与分析

3.1 兴安落叶松林土壤微生物生物量碳、氮的季节动态变化

由图1可见，兴安落叶松林的Cm和Nm变化趋势基本相同，即冬春交替时期呈增加趋势，Cm和Nm由5 月8 日的 813.19、46.25 mg·kg－1增加到 5 月22 日的 1065.38、75.18 mg·kg－1，为整个研究期间的最大值。随后在6、7、8月份取样测定的结果显示，Cm和Nm均呈快速下降趋势，维持在很低的水平，分别为 75.12、24.59、72.57、20.11、70.02、15.63 mg·kg－1，较为稳定。进入秋季，Cm和Nm再次迅速增加，9 月 26 日测定的结果为 301.07、60.77 mg·kg－1，增加明显。随后10月16日采样测定的结果显示，Cm和 Nm分别为 173.89、28.61 mg·kg－1。进入初冬时期，土壤微生物生物量又开始缓慢下降，但仍较生长季盛期要高。

本研究中，兴安落叶松林的Cm和Nm有类似的季节变化格局(表1)。土壤微生物量的季节性变异主要与能源的供应有关［26］。冬春交替时期土壤微生物生物量碳及氮都较高，原因主要来自于积雪融化、温度升高，土壤水分和养分开始供应，土壤微生物种群活动开始，Cm和Nm开始迅速增加。6月末至8月末，温度很高，土壤进入快速的矿化期［27］，微生物活动增强，土壤剩余的能源很快被耗竭。当能源不足时，微生物活动开始减弱，限制了微生物的生长繁殖。土壤微生物量在7月末下降到最低值，这种趋势直到土壤得到外源能量供应或植物根系旺盛生长能够提供较多有机物时才得到扭转［28］。另外，大兴安岭地区属于雨热同期，采样的6、7、8月中，都处于雨期，而3次采样的样地基本上都处于水淹状态，水分过多导致大量土壤微生物死亡，使得土壤微生物生物量迅速下降。9月以后，随着土壤温度降低，微生物活性减弱，能源消耗减少，以及外界大量落叶、根系衰老和碳水化合物由地上向地下转移，营养物质的输入，导致土壤微生物量逐渐增加，重新于9月份达到较大值［29］。进入10月份后，土壤环境温度迅速下降，凋落物分解速率下降，微生物种群随着养分供应的减少及土壤温度的降低开始缓慢下降。从表1可明显看出，兴安落叶松天然林土壤微生物生物量碳及氮的变化趋势基本呈双峰模式，即高(生长季初期)、低(生长季盛期)、高(生长季末期)的变化格局。

表1 兴安落叶松林土壤微生物生物量碳、氮的季节动态变化

3.2 兴安落叶松林土壤微生物生物量碳和氮的影响因子

Pearson相关分析表明，Cm与Nm呈显著相关(P＜0.05)，Cm与土壤温度(TS)呈显著负相关(P＜0.05)，Cm与土壤有机碳(CS，O)和土壤全氮(NT)呈极显著正相关(P＜0.01)，与土壤体积含水量(WS)、pH值没有显著的相关关系。Nmic与土壤有机碳(CS，O)和土壤全氮(NT)呈极显著正相关(P＜0.01)，与土壤温度(TS)、土壤体积含水量(WS)和pH值没有显著的相关关系(表2)。

表2 土壤微生物参数与土壤环境因子之间的相关系数

4 结论与讨论

大兴安岭地区兴安落叶松林森林生态系统的土壤微生物生物量碳和氮存在着显著的季节变化格局，表现为秋季和春季土壤微生物生物量较高、生长季较低的格局。王国兵等［5］在综合前人研究的基础上，发现森林土壤微生物生物量的季节波动主要有夏高冬低型、夏低冬高型和干—湿季节交替循环型3种模式，这些变化类型主要与土壤温度、土壤湿度、季节干—湿交替循环或与植物的生长节律等有关。本文研究结果与王国兵对北亚热带次生栎林和火炬松(Pinus taeda L.)人工林土壤微生物生物量的研究结果相一致，即:季节性波动明显，植物生长旺季维持在较低水平，而植物休眠季节维持在较高水平。

土壤微生物和植物之间虽然有一种互利关系，即植物为土壤微生物的生长提供碳源，而土壤微生物矿化有机养分供植物生长，但是它们对土壤中营养的利用属于竞争关系。森林皆伐后(植物停止对养分的吸收)，导致土壤微生物生物量迅速増加［30］。Barbhuiya等［31］认为，植物在雨季对土壤养分的大量需求限制了土壤微生物对养分的可利用性，因此雨季土壤微生物生物量碳、氮较低;土壤微生物生物量碳、氮在雨季最低和在冬季最高，暗示了植物生长对养分的吸收与土壤微生物对体内养分的保持具有同步性，这有利于生态系统受到干扰后的恢复。Edwards等［32］研究发现，土壤微生物生物量在冻融循环的早期达到最大值，直到冻融循环的后期，土壤微生物生物量、土壤可溶解有机碳、氮还维持在一个较高水平，在土壤温度稳定上升到0℃以上的前期，土壤可溶解有机碳、氮的活性突然急剧降低，然后土壤微生物生物量急剧降低，可能是植物根系对营养的竞争导致了土壤微生物库的瓦解。上述研究对本文研究结果给出了很好的解释。

土壤微生物生物量的季节性动态变化是一个复杂过程，不同森林生态系统土壤微生物生物量的季节变化不同［32－33］。而在同一生态系统，即使气候条件相同、不同植被下土壤微生物生物量的季节变化也不同［11］。影响土壤微生物生物量碳季节波动的因子主要有土壤碳和氮的限制、残留物和营养的输入、土壤湿度以及土壤温度等［34］。本研究结果表明:Cm与Nm呈显著相关，Cm与土壤温度(TS)呈显著负相关，Cm与土壤有机碳(CS，O)和土壤全氮(NT)呈极显著正相关。Nm与土壤有机碳(CS，O)和土壤全氮(NT)呈极显著正相关。相关分析结果说明:在不同季节，土壤微生物生物量碳与氮的变化趋势一致，且都与土壤总有机碳和土壤总氮呈极显著正相关(表1)，这说明土壤有机质是影响土壤微生物生物量的重要因素［35］，有机质含量高，能为微生物在进行自身合成与代谢过程中提供足够的碳、氮物质来源以及能量来源［36］。吴建国等［9］研究也发现，Cm和Nm都随土壤有机碳的增加而增加。Allen［37］等也报道Cm和Nm与土壤碳、氮含量存在显著相关关系。还有一些试验结果表明，土壤微生物生物量碳在一年中的变化可能与土壤中植物根系分泌物的变化有关，说明土壤微生物的生长也可能受到土壤中有效碳和养分的限制。杨凯等［19］对落叶松人工林微生物生物量碳、氮的研究结果表明，微生物生物量碳、氮之间以及土壤微生物生物量碳、氮与土壤有机碳、全氮呈显著正相关，而与土壤水分无相关性。刘占峰等［10］对人工油松(Pinus tabulaeformis Carr.)林土壤微生物生物量C、N研究结果表明，土壤微生物生物量C与土壤有机碳、全氮呈显著正相关，都与本文的研究结果一致。王国兵等［5］的研究表明，北亚热带次生栎林和火炬松人工林林下土壤微生物生物量碳与土壤温度之间具有显著的负相关关系，而与土壤湿度无显著相关关系，也与本文研究结果一致。由于区域差异、生态系统差异以及干扰的影响，对影响土壤微生物生物量的原因也有很多研究提出了不同意见。Chen等［38］在对我国台湾西部海岸沙丘森林生态系统中的研究发现，土壤微生物生物量碳、氮的波动主要与土壤湿度有关，温度对土壤微生物生物量波动的影响很小。综合看来，土壤温湿度等环境因子固然重要，但不可否认的是，土壤养分状况是影响森林土壤微生物生物量的最主要的因素。

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