陇东黄土高原农田土壤微生物量碳和颗粒有机碳剖面分布特征

李玉进，王百群，，3，丁婷婷

（1．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 杨凌712100；2．西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌712100；3．中国科学院 水利部 水土保持研究所，陕西 杨凌712100）

农田生态系统有机碳变化是陆地生态系统碳循环研究的重要方面之一。农田土壤有机碳的含量和组成不仅反映了土壤有机质含量水平，而且还与农田的可持续利用密切相关［1］。Parton等［2］将土壤有机碳分为活性库（active pool）、缓性库（slow pool）和钝性库（passive pool）。依据物理分散方法，颗粒分组中的联合分组方法和生物学分组方法分别将土壤有机碳组分划分为颗粒有机碳（POC）和土壤微生物量碳（MBC）［3］。土壤颗粒有机质（POM）是指粒径大小为53～2 000μm土壤颗粒中的有机质，主要由不同分解阶段植物残体和微生物分解产物组成，具有比重小、C／N高、易被微生物分解等特征［4］，是一个能够有效反映土壤整体质量的指标［5］。土壤微生物量碳作为土壤有机碳中最活跃的部分，参与土壤中有机质的分解、腐殖质的形成、养分转化和循环等过程，是更具敏感性的土壤质量指标［6］。

陇东黄土高原沟壑区地貌主要由塬面和沟壑构成，塬面地形平坦，土地利用方式以农田为主，主要种植粮食作物，对于区域粮食生产和食物安全起着重要的作用。但是，由于该区降水分布不均，水分条件是限制塬面农田作物产量的重要因素之一。在塬面以外的沟壑区，地形支离破碎，千沟万壑，土壤侵蚀严重，对生态环境和农业生产造成明显的影响。合理利用当地有限的农业土壤资源，提高土壤质量，增加作物产量成为重要目标。陇东塬面农田具有悠久的农耕历史，该区农田土壤有机碳库变化对于区域有机碳循环具有重要的影响。土壤微生物量碳和颗粒有机碳是土壤有机碳库的重要组成部分，也可作为反映土壤质量的重要指标，在研究农田土壤质量动态变化方面起重要作用。本研究选取陇东黄土高原塬面农田土壤的典型剖面，通过研究土壤微生物量碳和颗粒有机碳的剖面分布特征，为评价区域农田土壤质量状况和探求适合区域农业可持续发展的农田管理措施提供基础依据。

1 材料与方法

1．1 研究区概况

选取地处陇东黄土高原沟壑区的宁县为研究区域，宁县位于东经107°40′—109°34′，北纬35°15′—35°52′，地势表现为东北高，西南低，海拔高度为885～1 687m，总土地面积2 633km2。宁县年平均气温8．0～9．0℃，气温年际变化明显，年均降水量500～625mm，降雨时空分布不均，降水东多西少，主要集中在7—9月，占年降水量的54．8%，属温带和半湿润气候。表层土壤温度的变化比较剧烈，深层比较稳定。宁县境内的黄土塬区主要有早胜塬、和盛塬、盘克塬、南义塬、春荣塬和一些小的残塬，塬面平坦开阔，土壤侵蚀微弱，是地带性黑垆土的主要分布区域，种植的作物主要有小麦、玉米、谷子、糜子、大豆等。

1．2 样品采集与分析

在不同的塬面上分别选取有代表性的1～2个田块，每一个田块挖取1个1m深土壤剖面，基本情况如表1所示。土壤类型为黑垆土，共选取5个采样剖面，每个剖面分层取样，每20cm土层作为采样层，在采样土层中，多点取样，样品充分混匀并剔除土壤中的植物根系及植物残体，土壤样品带回实验室风干，过2mm筛备用。

在测定风干土壤微生物量碳（Microbial biomass carbon，MBC）时，为了消除采样时温度和水分对土壤微生物量碳的影响，对土壤进行预培养［7］，称取120g风干土样，加入去离子水，使土壤含水量保持在田间持水量的40%左右，置于150ml烧杯中，在25℃下培养7d后，充分混匀，用于测定土壤 MBC。采用氯仿熏蒸浸提法测定土壤MBC［8］。

表1 土壤剖面采样点基本情况

依据Wander等［9］提供的方法测定土壤颗粒有机碳（Particulate organic carbon，POC）。称取过2mm 筛的风干土样20g，放入塑料瓶，加入50ml的5g／L的六偏磷酸钠溶液，手摇5min，再在往复式震荡机上振荡1h。然后将分散的土样过53μm筛，不断用蒸馏水冲洗，直到获得澄清溶液，收集通过筛的泥水样品。然后将筛上物转移到蒸发皿中，在80℃条件下，将筛上物和泥水样烘干，分别称重烘干样品，分别计算其占土壤的百分含量。原状风干土和泥水样烘干土样磨碎并过0．25mm筛，用重铬酸钾外加热法分别测定有机碳含量，差减法即得土壤颗粒有机碳含量。

1．3 数据分析

采用SPSS 16．0对测定数据进行统计分析，采用Excel 2007进行作图。

2 结果与分析

2．1 土壤微生物量碳的分布特征

从图1可以看出，各剖面0—20cm和20—40cm土层土壤微生物量碳含量均显著高于其它土层，呈明显表聚现象；0—60cm土层，随着土层深度增加，MBC含量降低，这与党亚爱等的研究结果一致［7］；随海拔高度升高，0—20cm土层MBC含量整体呈增加趋势，变化范围为180．92～282．53mg／kg。对于各个塬面，和盛塬H1和H2两个剖面点MBC含量在0—80cm土层随着土层深度增加呈递减趋势，80—100cm土层含量又增加；100cm深度内，早胜塬Z1剖面点MBC含量随土层深度增加呈现先减后增再减的变化趋势，但40—60cm和60—80cm土层 MBC含量相差不大；0—80cm土层，Z2剖面点MBC含量随土层深度增加而减小，在80—100cm含量又增加；100cm深度内，盘克塬P剖面点MBC含量随土层深度增加而减小，40—60cm和60—80cm相差不大。

图1 不同剖面土壤微生物量碳含量随土层的变化

由图2可以看出，0—20cm和20—40cm土层MBC／SOC均显著或极显著高于其它土层，其变化范围分别为2．29%～3．70%和1．00%～2．11%，其它土层MBC／SOC为0．17%～0．63%。从图1和图2可以看出各剖面MBC／SOC与MBC随土层的变化规律一致，说明MBC／SOC可以作为反映土壤剖面质量变化的指标。

图2 不同剖面MBC／SOC随土层的变化

土壤微生物量碳是比土壤有机碳更敏感的指标，可用来指示土壤肥力的动态变化和反映土壤质量状况［10，13］。土壤微生物量碳含量和分布受到气候（温度和降雨）和农田管理措施（施肥措施、耕作措施）的影响，表层土壤受人为干扰作用最强，土壤有机碳和土壤微生物量碳含量受到的影响作用较其它土层强烈。土壤温度的变化可以直接影响微生物的生长、矿化速率和酶的活性以及群落组成，尤其是对表层土壤微生物的影响更为明显［11］。Schimel等［12］研究表明经历长时间干旱的土壤降雨后，土壤微生物量和土壤呼吸瞬间激增。陇东黄土高原宁县黄土塬区土壤温度的变化表层比较剧烈，深层比较稳定，一年中降水主要集中在夏秋之间，春冬干旱少雨，同时降雨的时空分布不均，从地域上看，降雨东多西少，土壤有机碳和土壤微生物量碳含量极易受到土壤温度和降雨的影响，影响 土 壤 碳 的 活 性 和 存 储 。 大 量 研 究 表 明［6，11，13－15］，施肥可提高土壤微生物量碳含量，而长期有机无机肥料配施提高土壤微生物量碳含量的效果更显著，同时不同秸秆还田方式对土壤微生物量碳含量也影响较大。宁县黄土塬区作为陇东黄土高原重要的农作区，长期以来主要以传统的增施化肥来提高土壤质量和保证作物的产量，施肥对土壤有机碳和土壤微生物量碳含量的影响主要集中在耕层。保护性耕作对土壤微生物量有重要影响，且集中在土壤表层。徐阳春等［16］研究表明与常规耕翻相比长期免耕处理表土层土壤微生物量碳、氮含量分别增加了25．4%和45．4%。高云超等［17］研究表明秸秆覆盖免耕能提高表层土壤微生物量，0—7．5cm土层比翻耕处理年平均增高51．7%。干旱是宁县黄土塬区固有的气候特点，加上黄土高原土壤侵蚀严重，保水、保肥和提高作物产量成为重中之重，巩杰等［18］研究表明秸秆覆盖对表层（0—10cm）土温变化有明显的调节作用，覆盖对0—40cm土层可抑蒸保墒、保水和增加土壤中有机质含量，同时形成了不同时期新的土壤微生物区系，改变了土壤生物学活性，严昌荣等［19］通过实施5a的耕作措施研究表明不同耕作措施对土壤有机碳的影响主要集中在0—40cm土层。在0—5cm土层中，免耕覆盖处理的颗粒有机碳、可溶性有机碳和微生物碳含量最高，其次为秸秆还田、浅旋耕和常规耕作处理。与常规耕作处理相比，秸秆还田处理20—40cm土层的颗粒有机碳、可溶性有机碳和微生物碳含量提高。从图1可以看出，各剖面0—40cm土层微生物含量相对较高，这与长期施肥和作物残茬在土壤中的分解密切相关，而40cm以下各土层土壤微生物量碳含量较低，一方面说明土壤微生物数量相对较少和微生物活性较低，另一方面说明40cm以下土层有机碳基本处于一种稳定状态。

2．2 土壤颗粒有机碳分布特征

从图3可以看出，各剖面100cm深度内随土层深度增加土壤颗粒有机碳含量减小，0—20cm和20—40cm颗粒有机碳含量与其它土层差异均极显著（P＜0．01）；各剖面土壤颗粒（53～2 000μm）质量百分含量为2．13%～5．76%，其中0—20cm和20—40cm土层百分含量较高；0—20cm和20—40cm土层土壤颗粒有机碳含量变化范围分别为（1．02±0．05）～（1．68±0．01）g／kg，（0．25±0．02）～（0．96±0．03）g／kg，40cm以下土层颗粒有机碳含量较低。

图3 不同剖面土壤颗粒有机碳含量随土层的变化

由图4可以看出，各个剖面POC／SOC与POC的整体变化规律一致，说明POC／SOC也可作为反映土壤剖面质量变化的指标。0—20cm和20—40cm土层POC／SOC相对于其它土层较高，变化范围分别为13．46%～19．13%和5．08%～16．16%。Franzluebbers等［20］研究表明寒冷和半干旱地区起源于森林的农业土壤的POC占总SOC的比例为16%～44%，本研究POC／SOC相对较低，这可能与农田土壤类型、农田管理措施及耕种年限有关。由于POM在温暖湿润的气候条件下更容易分解，因此POM含量一般在寒冷和半干旱地区较高［4］。陇东黄土高原属于干旱、半干旱区，土壤颗粒有机碳的累积具有极大潜力。Cambardella等［21］研究表明免耕处理的POC占总有机碳的比例比休闲的18%和留茬覆盖的19%更高，达到25%。Wander等［9］研究表明免耕土壤表层（0—5cm）的有机碳和POC含量比传统耕作增加了25%和70%，但在5—17．5cm土层深度却分别减少了4%和18%，孟凡乔等［22］研究表明秸秆还田使得0—20cm土壤颗粒有机碳含量明显增加，且整株还田比粉碎还田更能增加10—20cm土壤颗粒的有机碳含量，而免耕对土壤颗粒有机碳的增加主要表现在0—10cm，进一步表明免耕或秸秆覆盖对POC含量有重要影响，同时也影响了POC在土壤剖面中的分布。陇东黄土高原土壤侵蚀严重，严重影响农田土壤质量，推广免耕或秸秆覆盖等保护性耕作措施一方面可以减少土壤的扰动，提高了土壤颗粒有机碳的物理保护机制和维持了土壤微生物的活性，另一方面隔离降雨对土壤的直接接触，增加土壤入渗，减少土壤养分的流失。施肥措施对POC有重要作用，从而影响其在土壤剖面中的分布，大量研究表明［23－25］，施用化肥、有机肥或者有机肥配合化肥均能增加土壤POC含量，但有机肥或者有机肥配施化肥效果更佳。从图3可以看出，以传统耕作为主的陇东黄土高原农田土壤，长期的施肥和作物残茬在土壤中的分解明显增加了0—20cm和20—40cm土层POC含量，表聚现象也非常明显。

图4 不同剖面POC／SOC随土层的变化

3 结 论

不同剖面土层土壤微生物量碳差异显著，主要集中在0—20cm和20—40cm；在0—60cm土层，随着土层深度增加，MBC含量降低；随着海拔高度增加，0—20cm土层MBC含量整体呈增加趋势，变化范围为180．92～282．53mg／kg；在0—20cm 和20—40 cm土层，MBC／SOC均显著或极显著高于其它土层，其变化范围分别为2．29%～3．70%和1．00%～2．11%，40cm 以 下 土 层 MBC／SOC 为 0．17% ～0．63%。剖面 MBC／SOC与 MBC随土层的变化规律一致，说明MBC／SOC可以作为反映土壤剖面质量变化的指标。

各剖面随着土层深度增加，POC含量下降，0—20cm和20—40cm土层POC含量与其它土层差异极显著；0—20cm和20—40cm土层POC变化范围分别为1．02～1．681g／kg和0．25～0．96g／kg，40 cm以下土层颗粒有机碳含量较低；各个剖面POC／SOC与POC的变化规律一致，其中0—20cm和20—40cm土层POC／SOC相对于其它土层较高，变化范围分别为13．46%～19．13%和5．08%～16．16%；POC／SOC也可以作为反映土壤剖面质量变化的指标。

气候（温度和降雨）、施肥制度和耕作措施是影响土壤微生物量碳和颗粒有机碳剖面分布特征的重要因素。探求合理的农业管理措施，如有机或有机无机配施的施肥制度、免耕或秸秆覆盖等保护性耕作措施对增加作物产量，促进陇东黄土高原农田土壤有机碳储量和土壤质量的提高，保障农业的可持续发展具有重要的意义。

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