重度火烧迹地微地形对土壤微生物特性的影响<br/>——以坡度和坡向为例

重度火烧迹地微地形对土壤微生物特性的影响
——以坡度和坡向为例

2013-09-07白爱芹傅伯杰曲来叶孙家宝

生态学报 2013年17期

白爱芹，傅伯杰，曲来叶，* ，王淼，孙家宝

(1.中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085;2.中国科学院大学，北京 100049;3.黑龙江省森林保护研究所 154000)

大兴安岭林区是我国最大的林区和重要的木材供应基地，不仅是我国东北林区的重要组成部分，同时也对维护东北亚地区的生态平衡具有不可替代的作用［1］。然而该地区也是我国林火发生最严重的地区之一［2］，林火已成为大兴安岭地区森林生态系统重要的扰动因子［3］。严重的森林火灾会显著地改变森林生态系统的结构和演替过程［4］，例如:烧死大量的地上植被改变植物群落的组成;土壤物理性质恶化并造成土壤养分的大量流失;引起土壤水文功能改变;微型和大型动物区系减少;土壤微生物种群改变以及影响其他与之相关的一系列生态过程等等［5］。随之而来的火烧迹地森林植被的更新和土壤质量的恢复等问题，是恢复森林生态系统功能和维护自然生态平衡的关键。

重度火烧迹地(烧死木占蓄积量的60%以上)［6-8］的植被恢复一般建议采取人工促进更新或人工更新的方式［9］。目前，大兴安岭地区火烧迹地森林恢复的研究，大多集中于地上植被类型［4，10］以及土壤养分的变化［11-12］，对火烧迹地土壤生态系统中土壤微生物的研究还很薄弱。土壤微生物作为土壤有机质和养分(N、P、S等)转化和循环的动力，参与有机质的分解、腐殖质的形成，在土壤生态系统的能量流动和养分转化中起着重要作用［13］。土壤微生物群落的变化可以灵敏地反映外界条件变化引起的土壤状况变化［14-16］。土壤微生物生物量和多样性的变化是监测土壤质量变化的重要指标［17］。Vekemans等［18］认为揭示土壤微生物与土壤因子的相互关系对于森林生态系统恢复与重建具有重要意义。

在众多的环境因子中，地形因子因为影响了光、热、水、土的分布状况，对于火烧迹地森林土壤质量的恢复显得尤为重要，它能在不同程度上影响着生态系统各种自然生态过程［19］。本文通过考察对不同地形的火烧迹地土壤微生物生物量、代谢活性、碳源利用能力以及多样性指数的变化规律，旨在揭示大兴安岭林区地形对火烧迹地恢复过程中土壤微生物群落的影响，探讨土壤环境与土壤微生物群落的相互作用关系，为森林更新提供一定的理论依据。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

研究区新林区林业局位于黑龙江省西北部，地处大兴安岭伊勒呼里山的东北坡。地理坐标为东经123°41'至125°25'，北纬51°20'至52°10'，南北长约108 km，东西宽约103 km。寒温季风气候区，冬季达9 个月(平均气温＜10℃)，夏季最长不超过1个月(平均气温＞22℃)，全年降水量350—550 mm，积雪期达5个月。地带性土壤为棕色针叶林土，另外还分布有沼泽土，河滩森林草甸土［20］。地带性植被类型为寒温性针叶林，以兴安落叶松(Larix gmelinii)为优势树种，并混有少量樟子松(Pinus sylvestris var．mongolica)和白桦(Betula platyphylla Suk．)，灌木主要有兴安杜鹃(Rhododendron dauricum)、杜香(Ledum palustre)和越桔(Vaccinium vitis-idaea)等，草本主要有大叶章(Deyeuxia langsdorffii(Link)kunth)、小叶章(Deyeuxia angustifolia)和苔草(Carex appendiculata)等。地貌类型为大兴安岭北部石质中低山山地，坡度平缓，一般坡度在15°以下，局部阳坡较陡。海拔多在500—1000 m。

1.2 研究方法

1.2.1 试验设计

根据大兴安岭新林林业局防火办关于近30年来火灾发生的纪录，对该区的重度火烧迹地及其对照样地进行了考察。样地选取的标准是过火前优势乔木为兴安落叶松林并且火后没有或人为干预较少、自然更新的重度火烧迹地。本文选取了2003年重度火烧的处于相邻地点(海拔差异不超过30 m)的平地(F)、西坡(W)和南坡(S)火烧迹地共3块样地来考察坡度和坡向等地形因子对土壤微生物群落特征的影响。本文通过比较平地与坡地(西坡和南坡平均值)研究坡度的影响，而通过比较西坡和南坡研究坡向的影响。研究样地具体情况见表1。

表1 研究样地概况Table1 A survey of study sites

1.2.2 土样的采集

由于该区土层极薄，因此采集了0—10 cm的土壤样品。取样时首先去除表面的枯枝落叶层以及其他杂物，然后用直径为3 cm的土钻每个样地随机选取5个点，该5点的土样均匀混合作为一个样品，在每个样地至少选取3个混合样品。新鲜土样马上放入4℃冰盒保存，部分新鲜土样实验室过2 mm筛后用于土壤微生物生物指标的测定;另一部分土样风干过2 mm筛，用于土壤理化常规指标的测定。

1.2.3 测定方法

土壤理化指标的测定:全碳(TC)、全氮(TN)采用元素分析仪测定，pH值采用酸度计(土水比为1∶5)，电导率(EC)采用电导率仪(土水比为1∶5)测定，土壤有机碳(SOC)采用重铬酸钾氧化外加热法，元素分析仪测定，其它土壤指标如土壤碱解氮含量(AN)、土壤含水率(SOM)的测定采用土壤农化常规分析方法［21］。

微生物指标的测定:土壤微生物生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸浸提法，氯仿熏蒸和未熏蒸土壤用0.5 mol/L的K2SO4溶液浸提(土液比为1∶4)，浸提溶液中有机碳含量采用UV-Persuate全自动有机碳分析仪(Tekmar-Dohrmann Co，USA)测定，转换系数 kC取值 0.45［22］;土壤微生物生物量氮(MBN)参照 Brookes等［23］的方法测定，转换系数(kN)取值0.54。

微生物群落代谢活性采用Biolog EcoPlate微平板培养法［24-26］测定。具体方法除每孔接种量为150μL外，其它过程均与何寻阳等［27］的方法一致。土壤微生物的整体代谢活性用培养时间为96 h的Biolog EcoPlate微平板的每孔颜色平均变化率(AWCD)来描述，土壤微生物群落多样性指标如Shannon-Wiener多样性指数(H')、丰富度指数(S)、Shannon-Weiner均匀度指数(E)、Simpon优势度指数(Ds)也根据该培养时间的数据进行计算。计算方法采用胡婵娟等［28］的方法:

式中，C为有碳源的每个孔的光密度值，R为对照孔的光密度值，n为碳源的数目，BIOLOG生态板的C源数目为31。土壤微生物群落功能多样性指标的计算公式如下:

式中，Pi为第i个孔的相对吸光值与整个微平板相对吸光值的比值，计算公式为:

1.3 统计分析

对土壤理化数据，土壤微生物量，土壤微生物代谢功能多样性，采用SPSS 13.0软件进行单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)比较不同数据组间的差异;对不同类型碳源的利用，采用SPSS 13.0进行主成分分析，采用Primer 5.0软件进行聚类分析;用Pearson相关系数评价不同因子间的相关关系。

2 结果与分析

2.1 坡度对土壤微生物群落的影响

研究考察了平地和坡地的火烧迹地土壤微生物群落的微生物生物量、碳源利用情况以及多样性的变化规律。图1表明土壤微生物生物量碳(MBC)和土壤微生物生物量碳氮比(MBC/MBN)平地均高于坡地，其中MBC/MBN差异达到极显著水平，平地和坡地分别为9.5和6.8，平地与坡地的土壤微生物对31种碳源的利用亦具有明显的差异性。AWCD值、土壤微生物对4种碳源的利用情况和多样性指数均表现为平地极显著低于坡地。

通过对96 h培养后各种碳源的相对吸光值进行聚类分析和主成分分析，可以看到平地和坡地土壤微生物对碳源的利用情况(图2)。聚类分析结果表明平地和坡地之间碳源利用的差异较大，平地土壤微生物的碳源利用方式较为相似，而坡地(西坡和南坡)土壤微生物的碳源利用相似。主成分分析第1主成分(PC1)聚集了63.5% 的数据变异，说明坡度是影响土壤微生物碳源利用的主要因素，PC1轴上平地主要分布在正方向，坡地主要分布在PC1轴负方向。平地和坡地在PC1轴上出现了明显的分异，也再次表明平地和坡地在碳源利用方面存在显著差异。

通过分析与土壤微生物生长和代谢相关的土壤物理化学指标，发现只有土壤水分平地极显著高于坡地，而土壤养分(土壤全碳、有机质、全氮、速效氮)平地虽然高于坡地，但是并未达到显著水平。pH值和电导率表现为平地显著小于坡地。这说明平地和坡地影响土壤微生物代谢多样性的原因可能是由土壤水分、pH值和电导率的差异导致。

进一步分析土壤微生物指标与土壤理化性质的相关关系。发现MBC与TN、TC、SOC、AN、SM均呈显著正相关关系，其中与TN、TC、SOC达到极显著水平，说明土壤养分和土壤水分是影响土壤微生物生物量碳的重要因素。MBC与pH值、EC显著负相关。MBC/MBN与坡度呈极显著负相关关系，MBC/MBN与SM显著正相关，与pH值、EC显著负相关，可以发现土壤微生物群落结构受到坡度、土壤水分、pH值和电导率的影响。AWCD值与坡度、pH值以及H'表现显著正相关关系，其中与坡度和H'达到极显著水平。AWCD与TC、SOC、SM表现显著负相关关系，并且与SM达到极显著水平;H'与坡度极显著正相关，与pH值显著正相关，与TN显著负相关与TC、SOC、SM极显著负相关。以上结果表明土壤微生物群落多样性与坡度、土壤水分、pH值和TN显著相关。

图2 平地和坡地的聚类分析与主成分分析Fig．2 Cluster analysis and principle components analysis on soil microbial community in flat and slope lands

第一主成分PC1与坡度及土壤理化指标相关分析结果表明，第一主成分PC1与坡度、TC和SM具有极显著的相关关系，与pH值具有显著的相关关系。

2.2 坡向对土壤微生物群落的影响

上面的研究结果揭示了坡度对土壤微生物生物量、群落结构和代谢多样性的影响有显著差异，进一步分析不同坡向，即半阳坡的西坡和阳坡的南坡对土壤微生物群落的影响(图3)。结果表明MBC、MBC/MBN、AWCD值、H'以及土壤微生物对不同碳源的利用能力西坡高于南坡，其中MBC西坡为845.3 mg/kg南坡为635.2 mg/kg，差异显著，对糖类的利用上两坡向差异显著。

图3 西坡和南坡土壤微生物生物量碳含量、MBC/MBN、AWCD、土壤微生物对不同类型碳源的利用情况以及H'Fig．3 Soil microbial biomass carbon，MBC/MBN，AWCD，Use efficiency of different carbon sources by soil microbes，and Shannon-Weiner index of diversity(H')of west and south slopes

西坡和南坡土壤物理化学性质的结果表明:土壤TN、TC、AN、SM含量西坡显著高于南坡，土壤有机质没有显著差异;pH值、EC西坡低于南坡，其中EC的差异极显著。

对土壤微生物生物量和代谢多样性指数与土壤理化性质进行了相关分析，发现MBC与坡向、TN、AN、EC呈显著相关关系，其中与AN呈极显著相关关系，说明坡向显著影响土壤微生物量碳，而速效氮的含量可能是影响生物量碳的最主要因子。MBC/MBN与pH值呈现显著负相关关系，说明细菌与真菌的比例受到pH值的调控和影响。AWCD与H'正相关关系但不显著，AWCD和 H'均与土壤养分、pH值、EC无显著相关关系，说明坡向可能与土壤微生物代谢活性和多样性的关系并不密切。土壤水分与坡向、TN、TC、SOC、AN呈显著正相关关系，其中与TC达到极显著水平。

3 讨论

平地和坡地的地形差异对土壤微生物的生物量、群落结构、代谢活性和多样性有显著性的影响。平地土壤微生物量碳高于坡地，相关分析表明这可能与平地的土壤养分和水分高于坡地有关。与平地相比，坡地更容易受到土壤侵蚀的作用，养分和水分更易于流失，这在重度火烧迹地的初期草本还没恢复的时期表现的尤为明显，因而平地相对坡地在这一时期土壤质量恢复的更快。

MBC/MBN反映土壤中真菌和细菌的比例，微生物生物量碳氮比越高，土壤中真菌所占的数量越多［29］。平地MBC/MBN高于坡地并且差异极显著，说明平地土壤微生物群落中真菌/细菌比值大于坡地真菌/细菌比值，反映了平地和坡地在微生物群落结构的差异。火烧后由于风力和降水对灰烬的重新分配会引起土壤有效氮在空间分布上的异质性［30］。地形差异导致的土壤有效氮异质性可能是引起土壤微生物群落结构变化的因素，研究结果发现平地有效氮含量虽然高于坡地含量，但未达到显著水平，说明土壤有效氮不是影响群落结构组成的主要因素，而平地和坡地的土壤含水量、pH值、电导率具有显著差异，并且MBC/MBN与此三者显著相关。因此三者可能是引起土壤微生物群落结构组成差异的重要因素。

AWCD值是反映土壤微生物对碳源的综合利用能力指标，它一方面与土壤微生物量有关，又与土壤微生物群落的多样性有关，数据分析结果表明平地土壤微生物群落代谢活性极显著地低于坡地。在对糖类、脂类、氨基酸和代谢物等四类碳源利用能力的研究发现平地土壤微生物对各类碳源的利用能力都显著的低于坡地。主成分分析和聚类分析的结果，反映了平地和坡地土壤微生物在碳源利用上的差异。坡度、TN、TC、SM、pH值与第一主成分PC1具有极显著的相关关系，可能是导致土壤微生物在对碳源利用能力上的差异的重要因素。H'是将丰富度和均匀度综合起来的一个量，能较全面的说明土壤微生物的物种多样性，它与AWCD的变化规律一致，说明土壤微生物的物种多样性在平地亦低于坡地。

由于土壤微生物对养分有效性及土壤质量具有重要的作用，植物与土壤微生物之间存在着相互依存、相互竞争的关系，土壤微生物直接或间接作用于植物多样性和生产力［14］，对植物的生长发育和群落结构的演替具有重要作用［31-32］。因此平地和坡地土壤微生物群落在生物量、群落结构、代谢活性和多样性的显著差异，将直接影响植物对养分吸收和植物生长，最终可能导致植物群落演替的速度和群落结构的不同。

不同的坡向，即西坡和南坡的土壤微生物群落特征也存在明显差异。大兴安岭地区重度火烧迹地在火后草本物种迅速增多，物种丰富度增加，相近火烧年份的草本相似度接近［10］。但是发现西坡和南坡的土壤有机质含量和全碳有差异，西坡和南坡的TN、AN含量和土壤水分西坡显著高于南坡，TN、TC、SOC、AN与土壤水分呈显著正相关关系。MBC与坡向、TN、AN呈显著相关关系，由于调查取样的西坡和南坡的坡度相同，所以西坡和南坡在土壤养分含量的差异可能是由于土壤含水量不同导致，西坡和南坡土壤养分和水分含量的不同可能是导致土壤微生物碳库差异的主要原因。其中MBC与AN呈极显著正相关关系，说明速效氮可能是影响西坡和南坡MBC高低的主要因子。MBC/MBN西坡高于南坡但差异不显著，反映了两坡向土壤微生物群落结构的相似性。AWCD和H'与土壤养分、pH值、EC相关关系未达到显著水平，说明坡向可能与土壤微生物代谢活性和多样性的并无密切关系。

综合以上研究结果，由于坡度影响土壤养分和水分条件，进而影响了土壤微生物的生物量、群落结构、物种多样性和碳源利用能力，因而火烧迹地恢复初期平地相比较于坡地土壤质量更好，在种源相同的条件下更易于植物进行更新。但随着恢复时间的增加，坡度影响逐渐减弱，在本研究重度火烧迹地恢复6a后，土壤微生物量碳的差异已不显著，但土壤微生物群落结构、物种多样性以及代谢特性仍具有显著差异，这可能与坡度因素仍然显著影响土壤水分含量有关。西坡和南坡坡向的差异对土壤微生物群落影响不明显，但土壤有效氮在坡向的差异导致了微生物碳的显著不同，可见由于坡向引起的土壤有效氮空间异质性在重度火烧6a后仍对土壤碳库具有显著影响。由于本研究没有找到合适的北坡进行对照研究，关于坡向对土壤微生物群落特征的影响还需要未来进一步的补充。

致谢:东北林业大学袁晓颖教授以及大兴安岭新林林业局防火办和林场对野外群落调查、土壤取样给予支持，特此致谢。

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