黄土丘陵区不同土地利用方式对土壤微生物量碳氮磷的影响

蒋跃利，赵 彤，闫 浩，黄懿梅，，安韶山

（1.西北农林科技大学 资源环境学院 农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西 杨陵 712100；2.西北农林科技大学 水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨陵 712100）

黄土高原是我国乃至世界上水土流失最严重的地区，由于水土流失带来的土地退化问题已成为困扰黄土高原社会经济可持续发展的主要问题之一。因此，自从20世纪50年代以来，我国政府在黄土丘陵区实施了大面积的退耕还林（草）工程。退耕还林（草）可通过土壤—植物复合系统的功能改善提高土壤质量。其中土壤微生物量是表征土壤生态系统中物质和能量流动的一个重要参数，是土壤中物质转化和养分循环的驱动力。而且，微生物量周转快，能灵敏地反映环境因子、土地利用方式和生态功能的变化。因此，土壤微生物量可作为评价土壤质量的重要指标之一［1－2］。一些研究者［3－5］已就黄土高原地区不同植被及不同土地利用方式下土壤微生物量碳、氮、磷的含量开展了一些研究。但由于黄土高原地区生态系统复杂、土壤类型多样，而且影响微生物量碳、氮、磷的因素较多，使得人们尚未充分了解该地区土壤微生物量碳、氮、磷的变化规律，以及它们在反映植被区变化和土地利用方式变化上的敏感性。因此，本研究以典型黄土丘陵区——延河流域土壤为研究对象，探讨不同植被区中几种主要土地利用方式下土壤微生物量含量及其相互关系，以期了解在黄土丘陵区植被演替过程中土壤微生物活性的变化规律，为黄土高原地区的生态恢复提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

选择黄土高原典型丘陵沟壑地貌—延河流域的万花山乡（森林区）、谭家营（森林草原区）、镰刀湾（草原区）为研究区域，地理位置为36°29.087′—37°11.724′N和108°59.580′—109°16.580′E，面积达7725 km2。该流域属暖温带大陆性半干旱季节气候，年平均气温8.8～10.2℃，平均降雨量520mm，其中7—9月份降雨量占全年降雨量的60%以上。土壤类型以黄土母质上发育的黄绵土为主，土壤质地均一，土质疏松，抗侵蚀能力差，植被覆盖空间从东南向西北降低。

1.2 样地选择和土样采集

根据当地土地利用方式和植被分布特点，分别在森林区选取农地、乔木林地，森林草原区和草原区选取农地、乔木林地、灌木林地、天然草地、撂荒地作为研究对象，其地理与植被情况详见表1。

2011年7月，在每个样地中森林按20m×20m，灌木按10m×10m，草地按5m×5m分别设置3个样区，每个样区按S形选取6点，每点采集0—10cm和10—30cm土层土壤样品，将两层的6点土样分别混匀作为该样区的分析样品。

表1 试验样地概况

1.3 土样测定指标及其分析方法

土样采回后，一部分置于冰箱（约4℃）内，用于测定土壤水分、铵态氮、硝态氮、微生物量碳、氮、磷，一周内完成鲜样分析；另一部分风干，用于常规分析。土壤微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸，K2SO4浸提［6］，微生物量碳用总有机碳分析仪（Phoenix 8000）测定，微生物量氮用碱性过硫酸钾氧化—紫外分光光度法［7］测定。微生物量磷用钼锑抗比色法测定［8］。其它养分测定方法参照国家标准［9］:有机质采用重铬酸钾容量法—外加热法；全氮采用半微量开氏法；矿质氮采用氯化钾浸提，流动分析仪测定。数据为3个样区土壤测定结果的平均值，以烘干土壤计重，采用SAS和Excel软件进行处理。

2 结果与分析

2.1 不同植被区土地利用方式对土壤碳、氮的影响

如表2所示，0—10cm土层，森林区，森林草原区有机碳、全氮、铵态氮、硝态氮含量均表现为乔木林地最高。草原区则是在天然草地中最高。就相同土地利用方式来看，农地、乔木林地中全氮、铵态氮、硝态氮含量均是森林区显著高于森林草原区和草原区。灌木林地、天然草地、撂荒地森林草原区显著高于草原区。10—30cm土层表现出相似的变化规律。土壤碳氮比决定着土壤氮素矿化—微生物固定转化能力。森林区土壤碳氮比的变化范围为13～25，森林草原区26～53，草原区25～41。

表2 试验样地土壤碳氮含量

2.2 不同植被区各土地利用方式土壤中微生物量碳的差异

如图1所示，微生物量碳在森林区两土层中均是乔木林地显著高于农地；森林草原区两土层表现为:灌木林地＞天然草地＞乔木林地＞农地＞撂荒地，且0—10cm土层，乔木林地、天然草地、灌木林地中微生物量碳的含量比撂荒地分别高出86.29%，116.44%，142.62%，10—30cm土层分别高出59.79%，94.48%和205.53%；草原区两土层中，天然草地＞乔木林地＞灌木林地＞农地＞撂荒地，其中10—30cm土层天然草地、乔木林地微生物量碳的含量显著高于撂荒地，分别高出71.86%，69.79%。相同土地利用方式下，0—10cm土层，森林区微生物量碳的含量显著高于森林草原区和草原区，森林草原区显著高于草原区。10—30cm土层表现出相同的变化规律。

2.3 不同植被区各土地利用方式土壤中微生物量氮的差异

从图2中可以看出，微生物量氮在森林区两土层中均是乔木林地显著高于农地，分别高出39.14%，19.18%；0—10cm土层，森林草原区，灌木林地显著高于农地、撂荒地、乔木林地，分别高出43.49%，31.42%，49.00%。草原区，天然草地中微生物量氮含量最高，分别比乔木林地、灌木林地、农地、撂荒地高出30.86%，47.34%，45.91%和58.2%，而乔木林地、灌木林地、农地、撂荒地之间相差无几。10—30cm土层表现出相似的变化规律。相同土地利用方式不同植被区，0—10cm土层，森林区显著高于森林草原区和草原区，分别高出46.07%，54.45%；10—30cm土层，农地，森林区和森林草原区均显著高于草原区，分别高出51%，35.71%。乔木林地，森林区显著高于森林草原区和草原区，分别高出43.71%和61.88%。灌木林地、撂荒地，森林草原区显著高于草原区，分别高出64.63%和44.95%。

图1 不同植被区各土地利用方式下土壤微生物量碳含量

图2 不同植被区各土地利用方式的土壤微生物量氮差异

2.4 不同植被区各土地利用方式土壤中微生物量磷的差异

如图3所示，微生物量磷在森林区两土层中均是农地高于乔木林地；森林草原区两土层，农地＞撂荒地＞乔木林地＞天然草地＞灌木林地，且0—10cm土层，农地微生物量磷的含量显著高于乔木林地、天然草地、灌木林地，分别高出33.38%，42.88%和65.12%，10—30cm土层，农地显著高于天然草地、灌木林地，分别高出37.07%和43.39%，与乔木林地、撂荒地之间未表现出显著的差异性。草原区表现出了相似的变化规律。相同土地利用方式不同植被区下，农地、乔木林地微生物量磷含量在两土层中均是森林区显著高于森林草原区和草原区。灌木林地、天然草地在0—10cm土层森林草原区显著高于草原区，分别高出28.57%和25%。撂荒地在10—30cm土层森林草原区显著高于草原区，高出22.22%。

图3 不同植被区各土地利用方式的土壤微生物量磷差异

2.5 不同土地利用方式土壤中微生物生物量的生理比值变化

由表3可以看出，0—10cm土层，森林区，微生物量碳、氮占有机碳、全氮的比值及微生物量碳氮比、碳磷比均表现为乔木林地高于农地；森林草原区，土壤微生物量碳占有机碳的比例在3.058%～3.799%，其中灌木林地最高，撂荒地最低，微生物量氮占全氮的比例天然草地最高，为5.679%。微生物量碳氮比、碳磷比表现为:天然草地＞乔木林地＞灌木林地＞农地＞撂荒地。草原区，微生物量碳占有机碳的比例在天然草地中最高，为3.091%。微生物量氮占全氮的比例变化范围为5.950%～4.363%。微生物量碳氮比的变化范围为6.200～10.304，其中草原区撂荒地最高，天然草地最低。微生物量碳磷比表现为:天然草地＞乔木林地＞灌木林地＞农地＞撂荒地。10—30cm土层呈现出相似的变化趋势。

表3 试验样地微生物生物量碳、氮占有机碳、全氮的比值及微生物量碳氮比和微生物量氮磷比

2.6 土壤微生物量与土壤碳氮的相关性

由表4可以看出，微生物量碳、代谢熵与有机碳极显著相关，相关系数分别为0.9463 和0.9200 ；微生物量氮、磷与有机碳显著相关；微生物量碳氮比与全氮极显著相关，相关系数为0.9016 ，代谢熵与全氮呈显著负相关，微生物量碳、氮、磷与全氮显著相关；硝态氮与代谢熵极显著负相关，相关系数为－0.9315 ，铵态氮与微生物量碳氮比显著相关。这就说明在不同的土地利用方式下，土壤微生物量与土壤养分状况之间有较好的一致性，土壤微生物代谢活动对土壤化学性质影响显著，且土壤微生物对土壤肥力的演变反映也较敏感。

表4 土壤微生物量与土壤化学性质相关性分析

3 结果讨论

3.1 土地利用方式对土壤微生物量碳氮磷及其相互关系的影响

土壤微生物作为土壤中有生命的部分，对土壤环境的变化极为敏感，可充分反映土地利用方式和生态功能的变化，同时微生物量不仅是土壤养分的重要来源，也是土壤养分固定的重要载体。不同的土地利用方式会使土壤微生物量产生差异［10］。本研究结果表明，森林区乔木林地中微生物量碳氮含量均高于农地。森林草原区土壤微生物量碳氮表现为:撂荒地＜农地＜乔木林地＜天然草地＜灌木林地。说明在该研究区，灌木林地更有利于土壤微生物量碳氮的积累。这与邱莉萍和董莉丽［11－12］的研究结果一致；而农地由于长期受到人为因素的干扰，使得表土侵蚀严重，有机物质矿化剧烈，加上秸秆等移出农田后，能还原给土壤中的枯枝落叶减少，使得微生物的能源缺乏，进而导致农田土壤中微生物量碳氮含量降低。草原区天然草地中微生物量碳氮含量最高，乔木林地和灌木林地相差无几，农地和撂荒地最低。这可能是因为茭蒿为天然草地中的优势物种，茭蒿本身为多年生的草本状半灌木，根毛丰富，使得该天然草地不仅地上生物量大，能够为土壤微生物提供大量凋落物，成为天然的有机肥。而且大量的根系分泌物和衰亡的根毛也能为微生物提供丰富的能源［13］；另外还可能与该天然草地所处的坡向有关。Bastida等［14］研究认为，坡向为正北方向的微生物量高，而该天然草地所处的的坡向正好为正北方向，且坡度较小。因此使得该天然草地微生物量碳氮含量高于林地。

微生物量磷的变化趋势与微生物量碳氮的截然不同，它表现为在农地和撂荒地中含量最高，这可能与土壤磷的含量受成土母质影响较大有关。而且已有研究［1］表明土壤微生物量磷的含量，还主要受施肥的影响，农地和撂荒地由于人为的施肥，尤其是增施有机肥为微生物的活动提供了养料，进而促进了微生物大量繁殖，并将部分有机磷和矿化的无机磷同化为微生物量磷，增加了土壤微生物量磷含量。

3.2 植被区对土壤微生物量碳氮磷及其相互关系的影响

黄土高原地区属大陆性气候，植被自东南向西北，从湿润的森林植被区过渡到干旱的草原植被区［15］。植被的变化通过吸收养分和归还有机物等影响着土壤的物理、化学和生物学性质。本研究得出，土壤养分和微生物量均是从森林植被区、森林草原植被区、草原植被区呈现出降低趋势。这可能是由于从森林植被区到草原植被区，降雨量逐渐减少，植被覆盖度降低，使得能归回到土壤中的营养元素越来越少，再加上不合理的土地利用方式，使得土壤侵蚀越来越严重。有研究［16］指出水蚀是黄土高原土壤侵蚀的主要类型，森林区由于植被较好，水蚀比较轻微，森林草原区和草原区由于植被覆盖度低等因素，使得土壤侵蚀严重，有机物质矿化加剧，进而导致微生物量含量降低［17－20］。从植被演替的角度看，草原区主要是以草本植物为主，这也是草原区天然草地营养元素和微生物量高的一个原因，但该区植被群落比较单一，而到了森林草原区和森林区，乔木林地灌木林地成了优势群落。已有大量的研究表明，林地将更有利于土壤养分的积累。

3.3 各植被区不同土地利用方式下微生物量碳、氮与土壤碳氮的关系

Jenkinson［21］研究表明，在没有任何人为因素干扰的情况下，微生物量并不能完全反映土壤中微生物活性、结构和功能。因此在分析土壤微生物量的绝对量外，还应考虑土壤微生物量占全量的比例，进而从微生物学的角度揭示不同植被区土壤生物学性质的变异特征。有研究［2，22］报道指出，土壤微生物量碳、氮占有机碳、全氮比例分别为0.27%～7.0%，2%～6%，而在本研究中，土壤微生物量碳、氮占土壤有机碳、全氮的比值分别为2.362%～3.993%，2.887%～5.571%，在报道范围内。但微生物量碳所占有机碳的比相对偏低。这可能与该流域的土壤有机碳含量、降水量以及采样时间有关。

根系物质和植被凋落物在分解过程中诱导形成微生物区系差异进而导致土壤微生物量碳、氮比不同。一般情况下，细菌碳氮比在5∶1左右，放线菌在6∶1左右，真菌在10∶1左右［23］。根据本研究中微生物量碳氮比值来看，林地、草地中真菌的含量较高，农地、撂荒地细菌含量较高。这可能与土壤有机碳与全氮的比值有关，有研究表明真菌更易在碳氮比高的土壤中生存，细菌则相反，而本研究结果中林地和草地土壤碳氮比高于农地。土壤微生物量碳磷比一般可以作为衡量微生物矿化土壤有机质释放磷或从环境中吸收固定磷素潜力的指标。碳磷比值小说明微生物在矿化土壤有机质中释放磷的潜力较大，土壤微生物量磷对土壤有效磷库有补充作用；碳磷比值大则说明土壤微生物对土壤中有效磷有同化趋势，易出现微生物与作物竞争性吸收土壤有效磷的现象，具有较强的固磷潜力。本研究土壤微生物量碳磷比在7～75之间［24］，符合一般规律。

4 结论

黄土丘陵各植被区不同土地利用方式下土壤养分和土壤微生物量有较大差异。微生物量磷的含量在3个植被区中均是在农地、撂荒地中相对较高，微生物量碳、氮森林区乔木林地高于农地，森林草原区则表现为:灌木林地＞天然草地＞乔木林地＞农地＞撂荒地，草原区表现为:天然草地＞乔木林地＞灌木林地＞农地＞撂荒地。说明在该区种植林地和天然草地对土壤微生物量的提高有明显的促进作用。

相同土地利用方式下，土壤养分和微生物量在森林区最高、森林草原区次之、草原区最低，说明植被覆盖度和多样性对土壤养分的存储具有显著的影响。

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