广州市农田生态系统土壤养分和微生物量的分布特征

贾昌梅　牛显春　张冬梅

摘要：通过野外调查与室内分析，研究广州市农田生态系统土壤养分和微生物量及其垂直分布特征。结果表明，广州市土壤有机碳含量、全氮含量、全钾含量基本呈现出一致性规律，依次表现为花都区>黄浦区、白云区>天河区，全磷含量在4个地区没有显著差异；通过变异系数分析可知，广州市微生物量具有高度的空间变异性，而土壤全磷含量的变异系数最低，由此可知土壤微生物量是可以表征土壤肥力的敏感因子；线性回归分析可知，广州市土壤养分之间均具有良好的线性正相关性（P黄浦区、白云区>天河区；土壤微生物活度的变化范围在0.41～0.69，依次表现为花都区>黄浦区>白云区>天河区；广州市土壤微生物量碳周转率高于氮周转率，说明微生物量碳更新比微生物量氮快；广州市土壤养分含量、微生物量随土层深度的增加呈下降趋势，表现出上肥下瘦的特点，均以0～10 cm土层（表层）最高，呈现出明显的“表聚性”，20～30 cm土层基本相等，也即广州市农田生态系统土壤养分和微生物量差异表现在土壤表层，在深层并没有明显的差异。相关性分析可知，广州市土壤有机碳与全氮呈极显著线性正相关（P<0.01），土壤养分和土壤微生物量均呈现出一定的相关性。

关键词：广州市；农田生态系统；土壤养分；土壤微生物量；分布特征

中图分类号： S154.3；S606+.1 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2016）07-0446-06

土壤是生态系统中的重要组成部分，土壤养分在有机物质分解转化过程中起主导作用，影响着土壤生态系统中的能量流动、物质循环，能够反映土壤质量、健康状况[1-3]；土壤微生物量能反映参与调控土壤中能量、养分循环以及有机物质转化情况，被认为是土壤活性养分的储库，也是植物生长可利用养分的重要来源，在评价土壤肥力、环境监测、土地利用等方面有广泛的作用[4-5]；土壤养分和微生物量是构成农田生态系统中农作物高产稳产的物质基础，对农作物生长、发育及其产量有着直接影响[6-7]；与此同时，土壤养分、微生物量具有较大的时空尺度变化，受气候、成土母质、成土条件、地区、栽培历史等影响，导致土壤肥力差异较大，进而影响土壤养分、微生物量的分布、迁移[4，8]。

农田生态系统是在自然基础上经人工控制形成的农业生态系统中的亚生态系统，是地球上最重要的生态系统之一，提供着全世界66%的粮食供给[9-10]。农田生态系统具有高度的目的性、开放性、高效性、易变性、脆弱性、依赖性等特点，在提供功能、支持功能、调节功能以及文化功能方面起着独有的作用[11-12]。广州市地处华南地区，是我国重要的农业生产基地，丰富的水热资源为农业生产提供了良好的自然条件[13-14]，而近年来，广州市农田生态系统土壤质量逐步退化，对该地区农业可持续发展产生了严重影响，而关于该区土壤养分、微生物生物量的变化研究还鲜见报道。因此，笔者所在课题组对广州市农田生态系统土壤养分、微生物量及垂直分布开展系统研究，以期为有效地指导农业生产可持续发展提供科学依据，进而为该地区农业土地合理利用提供重要的决策依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

广州市（109°39′～117°19′E，20°13′～25°31′N）位于广东省中南部、珠江三角洲北缘，接近珠江流域下游入海口，是华南地区的中心城市，地势呈北高南低，东、北部是山区，中部是丘陵、台地，南部是珠江三角洲平原。该区属南亚热带海洋性季风气候，具有高温多雨、干湿季节明显的气候特点，年平均气温21～22 ℃，最冷月均温13～14 ℃，最热月均温28～29 ℃，≥10 ℃积温6 000～8 000 ℃；年平均降水量1 600～2 000 mm，降水主要集中在4—9月，占全年的80%以上，10月至翌年3月为旱季，湿热同期，雨量充沛；日照充足，年日照时间在1 800 h以上；地带性土壤主要有红壤、赤红壤、砖红壤。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集 根据广州市土壤类型的分布特征，分别在天河区、白云区、花都区和黄浦区选定农田生态系统，农田均为水旱轮作式旱田。取样时间为2015年7月，在每个采样区内设置3个重复样地，在每个样地用小钢铲采集5点法取 0～10、10～20、20～30 cm土样，混合均匀后，用4分法取适量土样，采样时除去土壤表面的动植物残体，将所采土壤样品充分混匀后用聚乙烯无菌塑料袋密封包好，并迅速带回实验室内进行分析测定。所取土样分为2份：1份新鲜土样过2 mm筛后测定土壤微生物量、微生物活度；1份自然风干（20 d）后去除碎片、部分根后过0.5 mm筛，测定土壤养分含量。

1.2.2 样品测定 土壤养分含量的测定：土壤有机碳（SOC）含量采用重铬酸钾氧化外加热法测定；土壤全磷（TP）含量用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定；土壤全氮（TN）含量用全自动凯氏定氮法测定；全钾（TK）含量采用火焰分光光度法测定；土壤微生物量碳（SMB-C）、微生物量氮（SMB-N）含量采用三氯甲烷熏蒸-K2SO4浸提法[15]测定。

土壤微生物的周转按照高云超等的方法进行估算[16]，相应公式为：

式中：F为微生物量流通量，kg/（hm2·年）；ρ为采样土壤密度，kg/m3；h为采样深度，m。

土壤微生物活度的测定：采用改进的FDA法[15]。

统计分析：利用Excel 2007、SPSS 18.00软件对数据进行分析；采用Origin 9.2作图；进行单因素方差分析（one-way ANOVA）；显著性分析采用LSD法。

2 结果与分析

2.1 广州市农田生态系统土壤养分分布特征

2.1.1 广州市农田生态系统土壤养分分布特征 由图1可知，广州市土壤有机碳、全氮、全磷、全钾含量基本呈现出一致性规律，其中土壤有机碳含量的变化范围为10.85～18.52 g/kg，依次表现为花都区>黄浦区>白云区>天河区，花都区显著高于其他地区（P<0.05），天河区显著低于其他地区（P白云区>黄浦区>天河区，花都区、白云区显著高于天河区、黄浦区（P天河区>花都区>黄浦区，4个地区土壤全磷含差异均不显著；土壤全钾含量的变化范围为18.56～25.49 g/kg，依次表现为花都区>黄浦区>白云区>天河区，花都区、黄浦区显著高于天河区、白云区（P<0.05），花都区、黄浦区差异不显著，天河区、白云区差异不显著；土壤全磷含量的变异系数最低。

2.1.2 广州市农田生态系统土壤养分的垂直分布特征 图2从土壤剖面反映了广州市土壤养分的垂直分布规律，可以看出：土壤有机碳、全氮、全磷、全钾含量随土层深度的增加呈下降趋势，表现出上肥下瘦的特点；土壤养分含量均以0～10 cm 土层（表层）最高，呈现出明显的“表聚性”；20～30 cm土层内土壤养分含量最低；10 cm土层以下土壤养分含量急剧下降，相同土层内土壤全量养分含量基本表现为花都区>黄浦区、白云区>天河区的规律，局部有所波动。广州市土壤养分含量在20～30 cm土层基本相等，也即广州市农田生态系统土壤养分差异表现在土壤表层，深层土壤养分含量并没有明显的差异。

2.2 广州市农田生态系统土壤养分线性相关性

通过SPSS分析，将广州市土壤养分数据进行线性拟合，经统计学检验得到拟合度R2、校正R2、显著值（P值）、F值，并在0.05、0.01水平检验显著性。结果表明，线性回归均达到极显著相关（P<001），各线性回归关系成立。由表1可知，广州市土壤有机碳、全氮、全磷、全钾含量之间均存在极显著正线性相关关系（P<0.01），表明广州市土壤养分之间均具有良好的线性正相关性（P<0.01）。

2.3 广州市农田生态系统土壤微生物量的分布特征

2.3.1 广州市农田生态系统土壤微生物量分布特征 从图3可以看出，广州市土壤微生物量碳含量的变化范围为423.6～658.9 mg/kg，依次表现为花都区>白云区>黄浦区>天河区，4个地区土壤微生物量碳含量差异均显著（P黄浦区>白云区>天河区，天河区、白云

区差异不显著，显著低于花都区、黄浦区（P天河区>花都区>黄浦区，白云区显著高于其他地区，天河区、黄浦区、花都区差异不显著，土壤微生物量碳、氮的变异系数均较土壤养分的变异系数大。

2.3.2 广州市农田生态系统土壤微生物量的垂直分布特征 从土壤剖面上看，图4反映了广州市土壤微生物量的垂直分布规律，可以看出：土壤微生物量碳、氮含量随土层深度的增加呈下降趋势，表现出上肥下瘦的特点；土壤微生物量碳、氮含量均以0～10 cm土层（表层）最高，呈现出明显的“表聚性”；20～30 cm土层内土壤微生物量碳、氮含量最低；10 cm土层以下急剧下降，相同土层内土壤微生物量碳、氮含量基本表现为花都区>黄浦区、白云区>天河区的规律，局部有所波动。广州市土壤微生物量碳、氮含量在20～30 cm土层基本相等，也即广州市农田生态系统土壤微生物量碳、氮含量差异表现在土壤表层，在深层并没有明显的差异。

2.4 广州市农田生态系统土壤的微生物周转

土壤微生物周转对土壤有机质、养分循环起着决定作用，对了解土壤养分供应潜力、植物养分的有效性有非常重要的意义。由图5可知，天河区土壤微生物周转率最低，微生物量碳周转率为0.69年-1，周转周期为1.13年，说明天河区土壤

微生物量碳为1.13年更新1次。由图6可知，天河区微生物量氮周转率为0.69年-1，周转周期为2.56年，天河区土壤微生物量氮为2.56年更新1次。广州市土壤微生物量碳周转率高于氮周转率，说明微生物量碳更新比微生物量氮快。

广州市土壤微生物量碳、氮周转基本呈现出一致性规律，其中土壤微生物量碳转移量大小表现为花都区>黄浦区>白云区>天河区，4个地区差异均显著（P花都区>白云区>天河区，黄浦区、花都区差异并不显著；土壤微生物量碳周转期排序为天河区>白云区>黄浦区>花都区；土壤微生物量碳流通量大小为黄浦区>花都区>白云区>天河区，4个地区差异均显著（P黄浦区>白云区>天河区，花都区、黄浦区差异不显著，显著高于其他地区（P黄浦区>白云区>天河区，天河区、白云区差异并不显著；土壤微生物量氮周转期排序为天河区>白云区>黄浦区>花都区，白云区、黄浦区、花都区差异并不显著，显著低于天河区（P花都区>白云区>天河区，黄浦区、花都区差异并不显著。

2.5 广州市农田生态系统土壤微生物活度

由图7可见，单因素方差分析结果表明，广州市土壤微生物活度的变化范围为0.41～0.69，表现为花都区>黄浦区>白云区>天河区，黄浦区、花都区差异不显著，白云区、黄浦区差异不显著，天河区显著低于其他地区（P<0.05）。主要是由于天河区土壤肥力较低，导致活动区土壤微生物数量、酶活性降低，从而造成土壤微生物活度显著较低。

2.6 广州市农田生态系统土壤养分与土壤微生物量相关分析

由表2可知，土壤有机碳含量与全氮含量、全钾含量、微生物量碳含量呈极显著正相关（P<0.01），与全磷含量、微生物量氮含量呈显著正相关（P<0.05）；土壤全氮含量与微生物量氮含量呈极显著正相关（P<0.01），与全磷含量、全钾含量、微生物量碳含量呈显著正相关（P<0.05）；土壤全磷含量与微生物量氮含量呈显著正相关（P<0.05）；土壤微生物量碳含量与微生物量氮含量呈极显著正相关（P<0.01）。

3 讨论与结论

土壤养分不仅能反映土壤“营养库”中养分的贮量水平，而且能在一定程度上影响有效养分的供应能力[1-3]。本研究

中土壤系统内部因子处于动态变化和平衡中，通过变异系数分析可知，广州市土壤微生物量具有高度的空间变异性，而土壤全磷含量的变异系数最小，即在相同的区域，其含量存在明显差异，而土壤微生物量的变异程度高于土壤养分，由此可知土壤微生物量是可以表征土壤肥力的敏感因子；土壤微生物量库的微小变化都会影响养分的循环和有效性，而结构良好、有机碳和水分含量较高的土壤能为土壤微生物活动提供优良的生境，有利于土壤微生物的生长[4-5]。农田生态系统主要是由于人为的大量施肥，造成水溶性养分含量增加，进而导致土壤微生物量的变异性较大，加上农田作物具有致密的浅层根系，能够更好地富集土壤微生物量；而土壤全磷含量在不同区域差异并不显著，主要是由于磷作为一种沉积性元素，其分解作用缓慢，因此其变化范围和空间变异性较低[17-18]。

从土壤养分、微生物量的垂直分布特征来看，土壤养分、微生物量随土层深度的增加呈下降趋势，表现出上肥下瘦的特点，均以0～10 cm土层（表层）最高，呈现出明显的“表聚性”，20～30 cm土层土壤养分和微生物量最低，10 cm土层以下急剧下降，相同土层内土壤养分和微生物量基本表现为花都区>黄浦区、白云区>天河区规律，局部有所波动。广州市土壤养分、微生物量在20～30cm土层基本相等，即广州市农田生态系统土壤养分、微生物量差异表现在土壤表层，在深层并没有明显的差异。在农业生产中，可以根据土壤养分、微生物量在土壤剖面的垂直分布特征，选择适当的浅根系或深根系农作物进行种植，以充分利用土壤中养分。

大量研究表明，土壤有机碳与全氮呈显著正相关[19-21]。本研究结果表明，广州市土壤有机碳含量与全氮含量呈极显著线性正相关性（P<0.01），土壤养分和土壤微生物量均呈现出一定的相关性，表明土壤有机质作为碳源和其他营养成分的来源，有利于微生物及酶活性的提高。土壤微生物活动和代谢进而影响土壤养分含量，它们可以看作相互作用和影响的地下有机整体，体现了地下生态系统各指标之间的统一性，也进一步证实土壤微生物量碳氮是可以作为表征土壤肥力的敏感因子，这与前人的研究结果[19-21]相一致。因此，要提高广州市农田生态系统土壤肥力，则应该从提高土壤有机质含量、调节有机质的积累与分解入手。此外，由广州市农田生态系统土壤养分和微生物量分布规律和特征可知，我们可以从中借鉴经验，促进土地资源的管理及合理有效利用，在今后的土地利用中，大力推进秸秆还田、作物留茬，保证土壤养分的有效积累，促进农田土壤养分的恢复和利用。

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