岩溶区土层厚度对土壤微生物生物量的影响——以贵阳市花溪区为例

周 玮，苏春花，严 敏，李 玲

(贵州民族大学化学与科学学院，贵州 贵阳 550025)

岩溶区土层厚度对土壤微生物生物量的影响——以贵阳市花溪区为例

周 玮，苏春花，严 敏，李 玲

(贵州民族大学化学与科学学院，贵州 贵阳 550025)

采用野外挖掘土壤剖面及室内分析方法，将贵阳市花溪区喀斯特地区石灰岩和白云岩发育的土壤分为薄 (<40 cm)、中(40～90 cm)和厚(>90 cm)3种类型，研究不同土层厚度下土壤微生物生物量C、N、P的含量及土壤养分含量。结果表明：黔中喀斯特地区随着土层厚度的增加，土壤的微生物生物量C、N、P的含量逐渐增加；在同等土层厚度下石灰岩发育的土壤微生物生物量N、P含量明显高于白云岩发育的土壤，而微生物生物量C的含量则正好相反；相关性分析表明土壤pH值对微生物生物量C、P含量有显著影响，土壤全P含量对微生物生物量P有极显著影响。

土层厚度；微生物生物量；喀斯特地区

喀斯特山区由于特殊的气候条件和长期的岩溶作用，使得该地区土层较薄[1]，土层厚度是指从土壤表层到岩石层的垂直深度[2]，可以表征土壤中水分、养分的变化，影响地上植被的生长[3]，是一个包含了多种土壤属性的综合性因子。特别是在土层浅薄的喀斯特地区，土层厚度可以表示土壤侵蚀的变化[4]。目前国内对土层厚度的研究主要集中在土层厚度的尺度的空间变异[5-6]、土层厚度的野外调查方法的探讨[7-11]以及土层厚度对树木生长的影响[12-14]等方面，而对不同土层厚度下土壤性质的研究较少，特别是土壤的生物学性质方面，而对喀斯特地区不同土层厚度下土壤性质的研究目前还未见报道。

土壤微生物生物量是活的土壤有机质部分(不包括活的植物体如植物根系等)[15]，其变化程度会直接影响土壤养分循环和有效性[16]，多少还反映了土壤同化和矿化能力的大小，是表征退化喀斯特植被恢复过程中土壤质量的重要特征之一[17]。研究土壤微生物生物量对了解土壤养分含量、土壤养分循环和有效性、土壤肥力以及土壤质量都有重要意义，因此本文选择贵州省贵阳市花溪区喀斯特地区主要的2种岩石类型(石灰岩和白云岩)发育的土壤作为研究对象，研究在不同的土层厚度(薄土、中土、厚土)下土壤的微生物生物量的变化，探究土层厚度对土壤中微生物生物量的影响，揭示不同土层厚度下土壤中养分有效性及循环变化过程，为治理喀斯特地区石漠化、改善喀斯特地区生态环境提供参考。

1 研究地选择与土样采集

1.1研究地概况

试验地选在贵州省贵阳市的花溪区(106°27′—106°52′E、26°11′—26°34′N)，属于典型的亚热带季风气候，雨热同期，年均气温为14.9 ℃，年均降水量1229 mm(夏季雨水充沛)。在研究区域内选择花溪水库(其土壤由石灰岩发育形成)和贵州大学南校区(土壤由白云岩发育形成)作为研究对象，研究区内的灌丛主要有火棘(Pyracanthafortuneana)、野蔷薇(RosamultifloraThunb)、荚迷(ViburnumdilatatumThunb)、鼠李(RhamnusavuricaPall)、小叶女贞(LigustrumquihouiCarr.)等，草本植物主要有白蒿(HerbaartimisiaeSieversianae)、蚊子草(FilipendulapalmataMaxim.)、黑蒿(ArtemisiapalustrisLinn)、蛇莓(Duchesneaindica)、野地瓜藤(CaulisficiTikouae)、鬼针草(BidenspilosaL.)、附地菜(Trigonotispeduncularis)等。

根据前期对贵州省普定县喀斯特地区石灰土(包括白云岩及石灰岩发育土壤)土层厚度的全面调查，并进行聚类分析的结果，根据土层厚度(从土壤表层到岩石)变化将土壤划分为薄土(<40 cm)、中土(40～90 cm)、厚土(>90 cm)。

1.2土壤样品采集

分别在花溪水库、贵州大学南校区挖掘土壤剖面，从土壤表层到岩石层测量土壤厚度，按照薄土、中土、厚土的土层厚度选择样地，每种类型样地3个重复，在每个样地内按照5点采样法采集土样，每个样地3个重复，每个重复分2袋进行收集：1袋带回室内自然风干，过2 mm及0.25 mm筛，供土壤养分含量分析用，1袋直接放入冰箱，冷藏保存，供土壤微生物生物量测定使用。具体土样基本情况见表1。

表1 样地基本情况

2 研究方法

2.1土壤样品测定方法

土壤微生物生物量测定参考文献[18]：土壤微生物量C采用熏蒸提取-容量分析法，土壤微生物量N采用熏蒸提取-茚三酮比色法，土壤微生物量P采用熏蒸提取-全P测定法，土壤化学性质测定参考文献[19]：土壤有机C测定采用硫酸-重铬酸钾外加热法，碱解N测定采用扩散法，速效P测定采用钼锑抗比色法，pH值采用pH计法。

2.2数据处理

本文采用Microsoft Office Excel 2003软件及SPSS 13.0对数据进行整理及统计分析。

3 结果与分析

3.1不同土层厚度下土壤养分含量

2种母岩发育土壤中不同土层厚度的有机质及养分含量的变化情况见表2。从表2可以看出白云岩发育的土壤速效养分及有机质含量明显高于石灰岩发育的土壤，其中碱解N的差异最为明显，平均相差55 mg·kg-1。不同的土层厚度下2种岩石发育的土壤有机质都表现为随着土层厚度的增加含量逐渐增加；速效K、速效P的含量则是中土最高、薄土最低；碱解N的含量随着土层厚度的增加呈降低的趋势。从以上分析可以看出，在<40 cm的薄土层中土壤有机质及速效P、速效K含量都较低，而速效N的含量则最高，说明随着岩溶地区水土流失的加剧，土壤从薄土到厚土的迁移过程中，C、P、K元素的迁移能力最强，而N元素则是在薄土层中大多数有机态的N转化成了利用率高的无机态的N元素，促使薄土层N元素的流失。白云岩发育的土壤pH值略高于石灰岩发育的土壤，均表现为中性偏碱性。

表2 不同土层厚度下的养分含量

3.2不同土层厚度下土壤微生物生物量

图1 不同土层厚度下土壤微生物量C含量

3.2.1 微生物量C 土壤微生物量C是组成土壤微生物生物量的重要成分之一，是土壤中微生物体内所有C的总和[20]，其含量变化会影响土壤的很多特性，如土壤肥力程度、土壤的养分等，是土壤有机碳库中比较活跃的部分，与土壤中CO2气体的排放有明显的关系。石灰岩及白云岩发育土壤的微生物量C在不同的土层厚度下的变化情况见图1，从图1可以看出，石灰岩及白云岩发育的土壤，随着土层厚度的增加，土壤中微生物量C的含量逐渐增加。石灰岩发育的土壤土层厚度<40 cm的薄土层中微生物量C含量最低，为179.9 mg.kg-1；厚度90 cm以上的厚土层中微生物量C含量最高，为331.5 mg.kg-1。而白云岩发育的土壤微生物量C则在所有土层中明显低于石灰岩发育的土壤，这是因为白云岩发育的土壤总的土层比较浅薄，在研究区域内土壤厚度<80 cm，并且土壤松散，石砾含量较高，土壤的通气透水性能较好，因此土壤的温度变化较大，水分不容易保存，这样的环境条件不利于微生物的生长及发育。

图3 不同土层厚度下土壤微生物量P的含量

3.2.2 微生物量N 土壤微生物量N是指土壤中微生物体内所有N素的总和。土壤N素主要是由土壤有机质中的N所决定的，植物所吸收的N素营养亦主要来源于土壤有机态N，土壤微生物中的N是土壤有机态N的组成部分[21]。从图2可以看出，随着土层厚度的增加，土壤中微生物生物量N的含量呈增加趋势，白云岩发育的土壤薄土与中土的微生物生物量N的含量变化不大，仅相差0.39 mg·kg-1；石灰岩发育的土壤厚土中微生物生物量N含量最高，为3.48 mg·kg-1，明显高于薄土和中土，薄土和中土含量较低，分别为0.66、0.74 mg·kg-1，低于白云岩发育土壤中同等土层下的含量。

3.2.3 微生物量P 土壤微生物量P是指所有活体微生物中所含的P，植物的有效P主要来源于土壤的微生物量P[22]。从图3可以看出，2种岩石发育的土壤微生物量P随着土层厚度的增加含量逐渐增加，薄土中含量最低，厚土中含量最高，与微生物量C及微生物量N的变化趋势一致。且白云岩发育土壤的微生物量P的含量在各土层厚度下均高于石灰岩发育土壤的含量。石灰岩发育土壤中薄土与厚土之间微生物量P含量相差0.19 mg·kg-1。

3.3土壤微生物生物量与土壤化学性质的关系

土壤化学性质与微生物生物量的相关性分析见表3。从表3可以看出，土壤中微生物量P与土壤全P含量呈极显著正相关关系，有机质与速效P及碱解N呈极显著或显著正相关关系，微生物量C、P与pH值呈显著相关关系，微生物量N与微生物生物量C呈正相关关系，其他相关关系则不明显。从分析结果可知，微生物生物量P与土壤中全P的含量极显著相关，说明土壤中全P的含量对微生物量P的含量影响较大；pH值对生物量C及微生物量P都有明显影响，因为土壤中微生物的生存、繁殖都受pH值影响，pH值是影响微生物特性的关键因子之一。

表3 土壤化学性质与微生物生物量的相关性分析

*：**为差异极显著；*为差异显著。

图4 土壤中微生物量C、N、P分别占SOC、TN、TP的百分比

从图4可以看出微生物量C、N、P仅占土壤中有机C(SOC)、全N(TN)、全P(TP)的很少部分，但它是土壤C、N、P元素中比较活跃的部分，对土壤元素的循环有很重要的作用，可以表征土壤中元素的变化及转移。石灰岩发育土壤中微生物量C占土壤中有机C的比例较多，白云岩发育土壤则相对较少。石灰岩及白云岩发育土壤中微生物量P占土壤中全P的比例较少，仅占0.004%～0.015%，说明土壤中通过微生物作用转化的P元素的含量比较少，C、N元素较多，因为土壤中P主要以固定态形式存在，土壤中P素多，但植物可利用的少，通过微生物同化的更少。

4 结论与讨论

本文选择黔中喀斯特地区碳酸盐岩发育形成的土壤在不同的土层厚度下的土壤微生物生物量进行研究，探讨喀斯特地区不同的土层厚度下土壤中养分的变化情况，研究结果如下。

1)黔中喀斯特地区随着土层厚度的增加，土壤的微生物量C、N、P的含量逐渐增加。Allison等[23]发现，微生物总生物量随厚度下降。Ilieva-Makulec[24]发现，随着土壤厚度的增加，线虫总数和种类多样性减少。说明土层厚度的变化对土壤中的微生物及微生物生物量有明显影响，土层变薄对土壤的生物学特性有明显制约作用，这与本研究的结果一致。且目前国内外有很多研究[12-14，25]证明土层厚度逐渐变薄，对地上生长的植被有明显的制约作用，表现出明显的地上生长不良现象，这一方面是由于土层浅薄对植物的根系生长不利或扎根不良[26]，另一方面也证明土层厚薄对土壤中的养分转化有影响，从而影响了植物对土壤养分的吸收作用。且根据对微生物生物量占土壤中营养物质的百分比的分析可以看出，随着土层厚度的增加，土壤中微生物生物量的含量在土壤中所占的比例逐渐增加，这也说明土壤随着土层厚度的增加，土壤养分的同化及矿化作用增强，地上植物能吸收利用的量逐渐增加。

2)在同等厚度下石灰岩发育的土壤微生物量N、P含量明显高于白云岩发育的土壤，而微生物量C的含量则正好相反，白云岩发育的土壤中的含量低于石灰岩发育的土壤。微生物量N、P的含量在石灰岩发育的土壤中所占的含量低于白云岩发育的土壤。通过相关性分析可以看出，土壤的pH值对微生物量C、P有显著影响，对微生物量N影响不显著。土壤全P含量对微生物量P有极显著影响，这与卢晓强等[27]的研究结果有差异，卢晓强等的研究结果表明：除了K、Na和交换性Na+外，土壤微生物量与其他养分元素均呈现显著的正相关关系。

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EffectsofSoilThicknessontheMicrobialBiomassofKarstArea—A case study of Huaxi district in Guiyang

ZHOUWei，SUChunhua，YANMin，LILing

(ChemicalandEnvironmentalcollegeofGuizhouMinzuUniversity，Guiynag550025，Guihzou，China)

The method is investigation and sampling in the field and the laboratory analysis.We studied the soil microbial biomass and soil fertilization under thin soil，middle soil and thick soil in Huaxi district of Guiyang.The results showed that the content of microbial biomass carbon，nitrogen，and phosphorus gradually increased with the soil thickness increasing.The content of microbial biomass nitrogen and phosphorus in the soil developed from limestone is significantly higher than that from dolomite under same soil layer.The microbial carbon is the opposite.The result of correlation analysis showed：pH value has significant effect on the microbial biomass carbon and phosphorus，the total phosphorus content has a significant effect on microbial biomass phosphorus.

soil thickness；microbial biomass；karst

10.13428/j.cnki.fjlk.2017.03.007

2016-12-23；

： 2017-03-14

贵州省科技厅、贵州民族大学联合基金项目(黔科合LH字[2014]7382)；贵州民族大学引进人才项目(校引才科研[2014]04号)

周玮(1982—)，女，贵州盘县人，贵州民族大学化学与科学学院副教授，从事土壤生态研究。E-mail：605466767@qq.com。

S714.3

： A

： 1002-7351(2017)03-0038-05