干湿交替对坝上草原微生物活性的影响

李春和， 韩永娇， 杨 越,2， 张月丛， 杨依天， 杨 妮

(1.河北民族师范学院，河北承德 067000；2 北京师范大学资源学院，北京 100875)



干湿交替对坝上草原微生物活性的影响

李春和1， 韩永娇1， 杨 越1,2， 张月丛1， 杨依天1， 杨 妮1

(1.河北民族师范学院，河北承德 067000；2 北京师范大学资源学院，北京 100875)

[目的]为了认识干湿交替对土壤微生物活性的影响。[方法] 采用室内培养法，研究氮肥添加下栗钙土中土壤微生物呼吸及微生物量碳对恒湿处理和干湿交替的响应。[结果] 干旱土壤再湿润后激发了土壤微生物的生长，提高了土壤微生物活性。与恒湿处理相比，多次干湿交替后，土壤呼吸释放CO2累积量增加了28.40%。干湿交替处理培养过程中，干湿交替处理下土壤微生物量最大值为467.2 mg/kg，比恒湿处理高20.60%。[结论] 干湿交替对土壤微生物生长代谢有重要影响。

干湿交替;土壤呼吸;微生物;微生物量

土壤干湿交替是指土壤经历干旱，随后经历湿润，然后经历干旱的这种交替出现的循环过程。干湿交替是土壤频繁经历的自然过程，对CO2、CH4和N2O等温室气体的排放和水体富营养化有着深刻的影响[1]。草地是陆地生态系统中最重要、分布最广的生态系统类型之一,对全球碳循环和气候调节有着重要的作用和效应[2]。北方干旱半干旱草原区的气候特点是冬季寒冷漫长，夏季炎熟干燥，水分蒸发量大，为降水量的几倍到几十倍。河北丰宁坝上草原地区位于内蒙古牧区和华北农业区交错地带，是季风气候向大陆气候和湿润森林，向荒漠草原过渡的中间地带，是京津地区的沙源。受全球气候变化的影响，全球降水格局将发生改变[3-4]，河北坝上草原土壤出现干湿交替的频率将增大。研究干湿交替条件下土壤微生物活性的变化，对于保护坝上草原土壤、指示草原上植物的生长具有重要意义。采用实验室培养，模拟研究降雨引起的干湿交替条件下土壤中的微生物的动态变化，认识干湿交替体对土壤微生物活性的影响，预测气候格局变化以及降雨的增加对草原土壤的影响，对更好地利用和保护草地资源具有非常重要的作用。

1 材料与方法

1.1 试验材料供试土壤为栗钙土(0 ～ 20 cm)，采自河北省丰宁县大滩草地，于2013年10月按照“z”形采集8～10点混合样。土壤样品在室温下风干，过2 mm筛，其基本的理化性质为：pH 7.8，有机质17.47 g/kg，全N 1.06 g/kg，全P 0.27 g/kg，全K 17.60 g/kg。

1.2 试验设计每个样品称取10 g风干土壤于小瓶中，在25 ℃的恒温培养箱中预培养7 d，采用称重法定期补水，使得水分保持在风干土重的20%。预培养7 d后，即正式培养开始时向土壤样品中一次性加入0.5 ml (NH4)2SO4，加入量为0.1 mg N/g土。试验设2个处理：①恒湿培养处理，在培养过程中水分含量保持在风干土重的20%，培养时间为35 d；②干湿交替处理，供试土壤在25 ℃恒温培养箱中风干2 d，使得土壤含水量逐渐达到风干土重的10%，然后补水使得土壤含水量恢复到风干土重的20%，保持湿润3 d，如此干旱-湿润一次的过程即为一个干湿交替周期。在35 d的培养过程中，该处理一共干湿交替7次，设3次重复。在培养的第0、5、15、20、25和35天取样，测定土壤的微生物量碳。

1.3 测定方法土壤呼吸测定使用二氧化碳分析仪；土壤微生物生物量以微生物C表示，采用氯仿熏蒸法，利用TOC分析仪(Multi C/N 3000,analitikjena,Germany)测定；土壤的全碳、全氮的测定用元素分析仪(Elemental,Germany)。

1.4 数据处理采用Microsoft Excel 2003软件处理数据及绘图，应用SPSS13.0统计分析软件检验2个处理数据差异的显著性。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤呼吸速率的影响由图1可知，供试土壤的基础呼吸为0.212 6 mg/(kg·h)。在添加氮肥第1天后，2个处理土壤呼吸均迅猛增加，1 d内达到最大值后又开始不同程度的下降。其中,恒湿处理土壤呼吸速率在氮肥添加的第1个小时便达到最大值1.029 mg/(kg·h)，远远高于初始值，为初始值的4.84倍。此时，干湿交替处理的呼吸只达0.577 5 mg/(kg·h)，仅为恒湿处理的56.13%。此后，恒湿处理的呼吸速率便迅速下降，培养第4个小时后下降到0.813 6 mg/(kg·h)，而干湿交替处理的呼吸速率仍处于稳定的缓慢增长的趋势，培养第4个小时后上升到0.798 2 mg/(kg·h)，但仍远远小于恒湿处理的最大值。在培养第1天结束时，2个处理土壤呼吸分别为0.582 5和0.583 6 mg/(kg·h)，无显著差异。随着培养时间的进行，恒湿处理的呼吸速率一直处于稳定下降的趋势。在培养结束时，土壤呼吸速率仅为初始值的39.84%，下降为0.084 7 mg/(kg·h)。干湿交替处理土壤呼吸速率随土壤水分的变化呈波浪式变化的趋势。

2.2 不同处理对土壤呼吸释放CO2累积量的影响从图2可以看出，在培养前期，恒湿及干湿处理土壤呼吸释放CO2累积量相当，无明显差异，均保持较高的增长速度。随着培养时间的进行，2个处理土壤呼吸释放CO2累积量增长速度逐渐降低。其中，恒湿处理下土壤释放的CO2累积量增长速度在0.05水平显著低于干湿交替处理下土壤释放的CO2累积量增长速度。在培养结束时，恒湿处理土壤呼吸释放CO2累积量为204.9 mg/kg，干湿交替处理土壤呼吸释放CO2累积量较之高出28.40%，为263.1 mg/kg，两者差异在0.05水平显著。

2.3 不同处理对土壤微生物量的影响从图3可以看出，2个处理土壤微生物量表现出相同的变化趋势。在培养前期，随着培养时间增加呈增加趋势，随后则以较为缓慢的速度增长，在第4次取样时土壤中微生物量达到最大值，干湿交替处理下土壤微生物量为467.2 mg/kg，比恒湿处理高20.60%。随后，由于缺乏底物，土壤微生物量随培养时间的增加呈降低的趋势，干湿交替处理土壤微生物量下降的速度在0.05水平显著高于恒湿处理下。在培养时间结束时，恒湿处理土壤的微生物量为253.4 mg/kg，干湿交替处理下土壤微生物量为274.4 mg/kg，差异不显著(P>0.05)。

3 结论与讨论

研究表明，与恒湿处理相比，多重干湿交替处理能够显著提高土壤微生物的活性。在干湿交替处理下，干旱土壤再湿润的时候，能够激发CO2的产量，呈现一个小的脉冲，随干湿交替频率的增加，这种效应越来越低。在底物充足的时候，干湿交替处理增加了土壤微生物量的含量。在自然条件下，土壤频繁地处在干湿交替的变化中，且每次干旱和湿度强度和持续时间以及干湿交替的频率均不同。同时，存在很多不确定性因素，例如温度、植物根系、凋落物、人类活动的干扰等。虽然控制试验所得的结果不能直接运用到自然情况中去，但是可以提供一些基本的趋势。

3.1 干湿交替处理对土壤呼吸的影响土壤呼吸速率动态变化可表明土壤中微生物生长情况的变化。它与土壤中底物和土壤中水分变化密切相关。在自然条件下，土壤表面经历着水分的季节性波动。水分变化对CO2产量的激发在土壤中也是很常见的现象[5-6]。特别是在干旱、半干旱和地中海环境中，土壤很干燥，降雨不频繁，土壤再湿润所释放的CO2可能在全年土壤表面释放的CO2产量中占很大的比例[7]。

在培养开始时，底物的添加刺激了土壤微生物的生长，恒湿处理土壤呼吸迅猛增加。而在干湿交替处理下，土壤处于干旱失水的状态，抑制微生物活性[8]，降低CO2的释放。当干旱的土壤再湿润的时候，通常情况下能够刺激微生物活性，并且释放CO2。这在干湿交替的第一个周期内表现不明显，主要是因为此时土壤呼吸作用的主导因子是添加的底物。随着培养时间的进行，干湿交替处理土壤呼吸速率随着土壤水分的变化呈波浪式变化的趋势，在干旱土壤再湿润的时候激发了CO2的产生，土壤呼吸速率均呈现出一个小小的脉冲。Fierer等[9]通过对橡树和草地土壤进行水分的室内控制试验，发现在干旱土壤再湿润时，激发CO2的产量，并且能够持续2～6 d。Saetre等[10]对半干旱地区草地和灌木土壤的研究表明，在土壤再湿润后， 17 h内 CO2的产量增加了10倍。Schmitt等[11]对挪威云杉林灰化土壤试验中也同样发现CO2产量激发现象。

在自然条件下，土壤并不只是经历一次干旱和湿润，干湿交替的频率对微生物活性也有很大的影响。随着培养时间的进行，干旱的土壤再湿润激发土壤呼吸的脉冲越来越小，其原因可能在于不稳定碳随培养时间减少[12]或土壤中细菌群落发生改变[13]。Borken等[7]分析了现有的文献报道，发现随着干湿交替的频率增加，再湿润对CO2产量的激发效应会不断减弱。这一结果在农业土壤、草地土壤和森林土壤中都是一致的。

3.2 干湿交替处理对土壤微生物量的影响在土壤中，水分状况变化(如干湿交替)对土壤的微生物活性有重要影响[5,14]。干湿交替对土壤微生物活性的影响主要表现在每次干旱后期微生物量均较低,在干旱条件下有一部分微生物死亡[15]。当土壤重新湿润时易被活下来的生物降解时,在土壤湿润后又刺激微生物生长。土壤水势的快速变化能使微生物经历渗透性的冲击[16]。

在试验开始时，由于氮肥增加，刺激微生物生长，恒湿、干湿交替处理土壤微生物含量迅速增加。在培养前期，与恒湿处理相比，干湿交替处理显著增加了土壤中微生物量含量。土壤微生物经历干旱，再湿润的时候，对其生理来说也是一种胁迫。在经历再湿润的初期，微生物量会大量增加，其原因在于存活下来的微生物量能够很好地利用养分资源或死去的微生物[17]。随着干湿交替频率的增加，土壤干旱再湿润刺激土壤微生物生长的效应持续进行，在培养的第20天时达最大值。在干旱条件下，土壤团粒结构会被压缩，从而暴露新的土壤表面和前期受到保护的有机质[18]。土壤压缩的强度和团粒结构的稳定性与土壤有机质含量、微生物量有着很大的关系[19]。在土壤再经历湿润的时候，土壤会膨胀，土壤团粒结构遭到进一步的破坏，暴露给微生物的有机质表面进一步增加，从而增加非生物有机质的生物可利用性[20]。但是，这种土壤物理结构破坏对土壤有机质可利用性和微生物活性的影响只是限制在少量几次干湿循环之内[18-19]。Xiang等[8]通过对比研究表层土和次表层土，发现多次干湿交替增加了两层土壤中的生物量，其最值出现在多次干湿交替处理的后期，并且次表层土的响应更强烈，其生物量比初始时增加了5～8倍，而表层土中只增加了30%。Schimel等[21]也发现干湿交替的频率增加了桦树土壤中的微生物量。这些研究都与该试验结果一致，即多次干湿交替可以增加土壤中微生物量含量。

在培养后期，恒湿及干湿交替处理下土壤微生物量迅速降低，主要是由于整个试验过程中没有外源碳输入，土壤中可供微生物消耗的有机质数量有限。同时，多次干湿交替后土壤持水能力下降，土壤团聚体裂解，释放出有机质含量逐渐耗尽[18]。

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Influence of Drying-wetting Cycles on Microbial Activity in Bashang Soil

LI Chun-he1,HAN Yong-jiao1,YANG Yue1,2

(1.Hebei Normal University for Nationalities,Chengde,Hebei 067000; 2.College of Resources Science and Technology,Beijing Normal University,Beijing 100875)

[Objective]The research aimed to study the effects of drying-wetting cycles on microbial actitity. [Method] The influence of drying-wetting cycles on the respiration of the soil and the dynamics of microbial biomass C in soil with the addition of nitrogen fertilizer was investigated,through a laboratory incubation test.[Result] Compared with the continuous wetting treatment,drying-wetting cycles stimulated the microbial growth, and CO2respiration cumnlant decreased 28.40%.Druing the incubation,drying-wetting cycles resulted in the increase of microbial biomass carbon by about 20.60%, and the amount was 467.2 mg/kg.[Conclusion] Drying and rewetting cycles had direct and indirect effects on soil microbes.

Drying-wetting cycles; Soil respiration; Microbies; Microbial biomass

承德市财政局扶持项目(CZ2012008)。

李春和(1965- ),男,河北故城人,教授，硕士，从事环境土壤学方面的研究。

2015-02-05

S 154.2

A

0517-6611(2015)09-086-03