渤海泥质海岸典型防护林土壤微生物量季节动态变化

刘 平,邱 月,王玉涛,*,魏忠平,范俊岗,曹宝慧

1 沈阳农业大学林学院, 沈阳 110866 2 辽宁省林业科学研究院, 沈阳 110032

土壤微生物生物量(soil microbial biomass,SMB)是评价土壤生物学活性和土壤质量的敏感指标,在反映农林业管理措施对土壤肥力的影响方面扮演着重要角色[1-3],对于研究盐碱地土壤的肥力变化具有重要意义[4]。我国泥质海岸漫长,防护林建设是海岸盐碱地的重要生态治理措施。环渤海泥质海岸,已经营建了大面积防护林,但不同植被类型,由于进入土壤凋落物数量、土壤微生物群落结构的差异,土壤中微生物生物量及土壤营养物质存在很大差异[5-7]。许景伟等[8]研究表明,黑松刺槐、黑松麻栎及黑松紫穗槐混交林土壤微生物数量均显著高于黑松纯林,于洋等[9]研究结果同样表明落叶松白桦混交林林土壤微生物数量显著多于落叶松纯林。凋落物类型差异同样能显著影响土壤微生物生物量,不同的树种凋落物中含有不同的碳源和氮源,混交林植被种类多样,凋落物种类较多,有利于为不同的微生物提供营养物质,促进微生物生物量的增加[10]。以往林地土壤微生物量变化研究多集中于经历农耕、采伐等干扰后退化土壤上的人工林或者天然次生林[11-13],主要探讨退化土壤的肥力恢复。而海岸防护林是在处于发育初期的土壤上营造的,该土壤生物循环积累养分作用微弱,养分含量低,含盐量较高。已有研究表明海岸防护林可以影响土壤水盐变化[14-15]、氮磷含量[15-17]、酶活性[18-19],但这些研究多是对某一个或者几个因子进行研究,很难预警和反映土壤质量变化。而土壤微生物生物量可以敏感的反映土壤质量以及整个生态系统健康状况[15],其对防护林及环境因子的改变如何响应尚不明晰。

土壤微生物生物量的变化受土壤水分、温度、养分含量共同影响,而这些相关因子通常随季节转变而变化,因此土壤微生物生物量通常呈现一定的季节动态[11,13,20]。因此,本研究以渤海泥质海岸6种林分类型白榆(Ulmuspumila)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、白蜡(Fraxinuschinensis)、群众杨(Populuspopularis)、辽宁杨(Populus×liaoningensis)纯林、辽宁杨刺槐混交林为研究对象,比较研究不同林分类型及不同生长阶段土壤微生物生物量碳、氮的季节动态及与土壤养分、水分和电导率等的关系、从而分析防护林对渤海泥质海岸土壤肥力状况的影响,以期为评价该区域植被恢复状况提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区自然概况

试验地位于辽宁省西南部、渤海辽东湾畔锦州市凌海市建业乡建业村,地理坐标为40°58′N,120°20′E。该区地处于北温带,属大陆性气候,四季分明,雨热同季,日照充足,年平均气温8.7℃,无霜期为160—180 d,年降水量550—620 mm。该地区春季雨量少,气温回升快,平均气温8—10℃。夏季高温多雨,降雨量400—450 mm,占年降雨量62%—70%,极端温度可达39.5—42.0℃。秋季温雨骤减,平均气温为9—11℃。凌海市海岸线长83.7 km,该地区地势平坦,多风,土壤盐碱化程度较高。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置

本研究选择白榆、刺槐、白蜡、群众杨、辽宁杨纯林和辽宁杨刺槐混交林6种典型防护林为研究对象,以当地自然植被灌草地为对照,防护林与自然植被灌草地彼此相邻,立地条件相似。各防护林的林分情况如表1所示。

表1 林分基本情况表

UPM：白榆纯林(25 a),Ulmuspumila；RP：刺槐纯林,Robiniapseudoacacia;FC：白蜡纯林,Fraxinuschinensis；PP：群众杨纯林,Populuspopularis;PR：辽宁杨刺槐混交林,P. ×liaoningensisandR.pseudoacacia;UP：白榆纯林(10 a),Ulmuspumila;PL：辽宁杨纯林,Populus×liaoningensis；CK：对照灌草地,Control check；DBH：胸径,Diameter at breast height

1.2.2 土样采集方法

在各植被类型样地内,设置3个20 m×30 m的标准地,每个标准地内设置3个取样点。于2016年5月6号(春季),7月11号(夏季),9月20号(秋季)采集土壤样品,采样前一周内无有效降雨。为保证土壤样品的一致性,每季采样均在采样点附近取样,采集土壤表层0—10 cm土层与10—30 cm的土样,将3个小样方的样品同层混匀后作为该标准地的样品；采回的土壤样品去除细根与石块,通过2 mm筛,分成两份,一份土样采集后用自封袋密封贮于 4 ℃的冰箱中用于分析土壤微生物生物量,另一份置于阴凉干燥通风处自然风干用于土壤理化性质的测定。

1.2.3 测定的项目及方法

土壤微生物生物量碳(SMBC)和土壤微生物生物量氮(SMBN)采用氯仿熏蒸-K2SO4提取-自动分析法,参照吴金水等[21]的步骤,提取液中C、N采用自动分析仪(multi N/C 3100)测定。土壤理化性质测定参照《土壤农化分析》中的测定方法[22]。采用凯氏定氮法测定土壤全氮 (TN)；采用钼锑抗比色法测定全磷(TP)；采用重铬酸钾-外加热法测定土壤有机碳(SOC)；采用氯化钙浸提AA3连续流动分析仪测定土壤铵态氮、硝态氮含量；采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定土壤速效磷(AP)。

1.3 数据统计

数据经Microsoft Excel整理后,采用SPSS 22.0对数据进行统计分析,不同植被类型差异采用单因素方差分析(One-Way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)分析比较,采用Pearson 相关系数分析法评价微生物生物量碳、氮与土壤理化学性质的关系(α=0.05),所有数据均为3次重复平均值。本研究采用Origin 8制图。

2 结果与分析

2.1 渤海泥质海岸不同防护林土壤微生物生物量碳含量

由图1A可知,白榆(25 a)、刺槐、白蜡、群众杨、辽宁杨刺槐混交林、白榆(10 a)、辽宁杨土壤SMBC均高于对照灌草地,分别为对照灌草地的250.43%,197.55%,147.83%,182.10%,143.46%,121.80%,153.53%,其中白榆(25 a)与对照灌草地差异显著。造林25 a后防护林SMBC含量均值为153.95 mg/kg,较造林10 a的防护林下SMBC含量均值110.51 mg/kg,增加了39.31%。0—10 cm土层SMBC含量均高于10—30 cm土层(图1B),其中白榆(25 a)和群众杨林地土层间SMBC达到显著水平(P<0.05)。白榆(25 a)、刺槐、白蜡、群众杨、辽宁杨刺槐混交林、白榆(10 a)、辽宁杨与对照灌草地0—10 cm SMBC均值分别为279.60,221.85,127.23,238.92,130.40,142.26,134.54,119.18 mg/kg,分别为10—30 cm SMBC含量的239.20%,244.02%,119.10%,483.77%,134.79%,281.24%,123.95%,304.70%。

渤海泥质海岸6种林分类型土壤0—10 cm与10—30 cm土层SMBC含量季节动态规律主要表现为“V”字型(图1C,图1D),春秋季高,夏季低。在0—10 cm和10—30 cm土层内SMBC夏季均值为99.54 mg/kg和65.01 mg/kg。对照灌草地SMBC季节动态在0—10 cm呈倒“V”字型,在10—30 cm土层中春季>夏季>秋季。

图1 不同防护林及灌草地土壤微生物生物量碳含量动态Fig.1 Dynamics of soil microbial biomass carbon (SMBC) in different plantations and shrub landA：不同防护林SMBC含量,相同小写字母表示不同防护林间SMBC含量差异未达到显著水平P<0.05；B：各土层SMBC均值,相同小写字母表示同一防护林SMBC含量未达到显著水平P<0.05；C、D：防护林下不同土层SMBC季节变化,相同小写字母表示同一树种季节间SMBC差异未达到显著水平P <0.05

2.2 渤海泥质海岸不同防护林土壤微生物生物量氮含量

由图2A可知,白榆(25 a)、刺槐、群众杨、辽宁杨刺槐混交林、辽宁杨林下SMBN分别为对照灌草地的208.57%,102.02%,105.47%,106.19%,101.17%,其中白榆(25 a)与对照灌草地差异达到显著水平(P<0.05)。造林25 a白榆SMBN含量为25.36 mg/kg,较造林10 a的白榆SMBN含量10.40 mg/kg,增加了143.85%。0—10 cm土层SMBN含量均高于10—30 cm土层(图2B),其中白榆(25 a和10 a)和群众杨土层间SMBN差异达到显著水平。白榆(25 a)、刺槐、白蜡、群众杨、辽宁杨刺槐混交林、白榆(10 a)、辽宁杨与对照灌草地0—10 cm SMBN季节含量均值分别为39.34,16.08,9.38,22.54,13.38,18.97,15.24,17.31 mg/kg,分别为10—30 cm SMBN含量的345.46%,183.99%,125.56%,724.67%,107.54%,1036.77%,162.76%,246.98%。

渤海泥质海岸6种林分类型土壤 SMBN含量也存在明显季节动态。在0—10 cm土层, SMBN季节规律仍为“V”字型(图1C),对照灌草地SMBN季节变化表现为倒“V”字型。在10—30 cm土层内,防护林林下SMBN季节变化规律并不一致,白榆(25 a和10 a)SMBN与0—10 cm土层季节变化规律一致；刺槐、辽宁杨SMBN季节规律与0—10 cm土层相反,表现为夏季最高。

图2 不同防护林及灌草土壤微生物生物量氮含量动态Fig.2 Dynamics of soil microbial biomass nitrogen in different plantations and shrub landA：不同防护林SMBN含量,相同小写字母表示不同防护林间SMBN含量差异未达到显著水平P<0.05；B：各土层SMBN均值,相同小写字母表示同一防护林SMBN含量未达到显著水平P<0.05；C、D：防护林下不同土层SMBN季节变化,相同小写字母表示同一树种季节间SMBN差异未达到显著水平P<0.05

2.3 土壤微生物生物量碳氮比

从表2可知,各防护林不同层次土壤微生物生物量碳氮比均有明显季节差异。白榆纯林(25 a)、刺槐、白蜡、群众杨、辽宁杨刺槐混交林、白榆(10 a)、辽宁杨春季、夏季、秋季不同土壤层次土壤微生物生物量碳氮比均高于对照灌草地,分别为对照灌草地的1.11,1.40,1.53,1.72,1.32,2.43,1.64倍。

2.4 土壤微生物生物量对土壤营养库的贡献率

白榆(25 a)、刺槐、白蜡、群众杨、辽宁杨刺槐混交林、白榆(10 a)、辽宁杨和对照灌草地不同土层的有机碳含量分别为8.20—13.66,7.45—10.44,7.50—8.97,4.87—11.58,3.90—6.21,3.62—6.48,5.64—6.39,5.19—8.00 g/kg,全氮含量分别为0.99—1.54,0.88—1.00,0.70—0.86,0.63—1.02,0.41—0.69,0.43—0.70,0.56—0.61,0.54—0.49 g/kg(表3)。各样地SMBC对土壤有机碳的平均贡献率依次为刺槐>辽宁杨>白榆(10 a)>辽宁杨刺槐混交林>白榆(25 a>群众杨>白蜡>对照灌草地；各样地SMBN对土壤全氮的平均贡献率排序依次为刺槐>对照灌草地>辽宁杨>白榆(25 a)>白榆(10 a)>群众杨>辽宁杨刺槐混交林>刺槐。

2.5 土壤微生物生物量碳、氮含量间及其与土壤肥力因子的相关性分析

土壤微生物生物量与土壤养分之间存在显著相关性(表4)。土壤微生物生物量碳、氮之间呈极显著相关,相关系数为0.784。土壤电导率与SMBC、SMBN呈显著负相关,相关系数分别为-0.462和-0.449。SMBC、SMBN与有机碳、全氮、速效磷显著相关,与含水量、pH无显著相关性,土壤电导率与土壤含水量、pH极显著正相关,表明土壤养分与土壤微生物生物量碳、氮之间具有相互影响的复杂关系。

表2 土壤微生物量碳氮比季节变化

表中括号内的数值表示为标准误；后面相同小写字母表示同一土层树种间差异未达到显著水平P<0.05

表3 微生物生物量对土壤营养库的贡献率

MBC：微生物生物量碳,Microbial biomass carbon；MBN：微生物生物量氮,Microbial biomass nitrogen；OC：有机碳,Organic carbon；TN：全氮,Total nitrogen

表4 土壤微生物生物量、土壤酶活性与土壤理化学性质的相关关系

3 讨论

土壤微生物生物量季节变化既受森林类型、树种组成和树龄影响,也受气候、土壤理化性质等因子影响[12,23]。本研究中不同类型防护林土壤微生物生物量碳、氮存在明显的季节变化,春秋季大于夏季,这与柽柳防护林[4]和落叶松人工林[12]研究结果中土壤微生物生物量秋季较高一致,但是与春季最低不一致。秋季大量枯落物进入土壤后分解,使得土壤养分增加,生长季增加的细根产生大量分泌物,也为土壤微生物提供大量碳氮源[24-26],因此,秋季土壤微生物生物量碳、氮含量较高。而本研究土壤微生物生物量夏季最低,可能与沿海地区盐分动态变化有关,夏季地下水位上升,盐碱也随之向上运动,抑制了微生物活动有关。另外防护林地比对照灌草地植被覆盖度大,生长旺盛,对土壤微生物量消耗较大。王国兵等[27]研究次生栎林和火炬松人工林土壤微生物生物量碳表明其在植物生长旺季维持在较低水平,而在植物休眠季节维持在较高水平。本研究中土壤微生物生物量春季也较高,可能是春季土壤温度开始回升,冻结期积累的养分随着融化过程释放,显著增加了土壤中有效养分,促进了土壤微生物的活动,使得微生物生物量在春季增加,Devi等[23]在栎树林地研究也有一致发现。

土壤微生物生物量受林分类型、生长阶段、凋落物数量和质量、林地的理化性质等影响显著[3,23,28]。本文研究表明各种类型防护林土壤有机碳、全氮均高于对照灌草地,各类土壤微生物生物量碳、氮与土壤有机碳、全氮呈极显著正相关,土壤微生物生物量碳还与速效磷呈极显著正相关,土壤微生物量碳、氮之间也极显著正相关。这说明微生物量碳、氮含量可反映土壤营养状况[12,29]。林木枯落物增加土壤中有机质,可以给微生物活动提供物质和能量来源[12,24],同时,微生物又可促进枯落物分解[30]。防护林地土壤微生物生物量碳、氮均随着土层加深而减少,土壤中有机碳、全氮、速效磷、铵态氮、硝态氮等土壤养分在土壤垂直梯度中具有明显的层次性,由于土壤表层积累了较多枯枝落叶和腐殖质,营养源较丰,水热条件和通气状况好,随着土层加深,通透性变差,养分减少,限制了土壤微生物的数量和活动能力[12,31]。李玥等[31]对上海市沿海防护林土壤微生物研究也表明随着土层加深微生物数量减少。本研究还表明土壤微生物生物量碳、氮与土壤的电导率成呈显著负相关,与土壤水分无显著相关关系。说明土壤含盐量是影响土壤微生物生物量的限制因子,而水分对土壤微生物生物量没有显著影响。研究结果普遍认为盐碱会降低微生物种群数量和功能,而水分对土壤微生物的影响结论并不一致[31-32],李玥等[31]表明沿海防护林土壤含水率与细菌、真菌、放线菌数量的相关性都不显著,杨凯等[12]研究也发现土壤湿度对落叶人工林土壤微生物碳、氮无限制性影响。在本研究中,土壤微生物生物量与土壤含水量关系不显著,土壤电导率与土壤含水量呈极显著正相关,盐随水动,夏季渤海泥质海岸降雨量增大,土壤含水量增加,土壤盐分随着地下水位的升高而向地表聚集,从而抑制土壤微生物活动。

相同林龄土壤微生物生物量变化模式基本一致,但不同林分之间仍存在一定差异。在本研究中,白榆(25 a)土壤微生物生物量显著高于其他3种相同林龄防护林。可能与白榆对盐碱条件的强适应性有关。很多研究表明,同一地区不同森林类型因树种组成变化、凋落物的数量和质量[33]、细根生物量[34]不同,形成林内环境差异,导致土壤有机质、养分库的差异[9]。在本研究中还发现25 a防护林林下土壤微生物生物量显著高于造林10 a防护林,10 a防护林土壤微生物生物量与对照灌草地差异不显著。由于随着林分的发育,树木可通过根系分泌物、细根以及枯落物分解等途径提高土壤有机质含量,增加土壤微生物可利用的营养物质[35]。毛瑢[36]和高晶[37]等人研究表明幼龄林林下土壤微生物生物量碳氮含量处于较低水平,随着林分的发育,土壤微生物生物量含量增加。也有研究表明,造林使得土壤微生物生物量碳氮降低,如4年生和 7年生速生杨树林[38]。

4 结论

渤海泥质海岸防护林土壤微生物生物量碳、氮含量春秋季节大于夏季。造林可以提高土壤微生物生物量,且土壤微生物生物量碳、氮含量随着土层加深而降低,随着树龄增大而升高。同样是25 a防护林,白榆林分土壤微生物生物量显著高于其他3种防护林。土壤微生物生物量对土壤有机碳的贡献率均大于对照灌草地,辽宁杨刺槐混交林对全氮的贡献率较显著。土壤微生物生物量与土壤全氮、有机碳和速效磷含量显著相关,与土壤电导率呈负显著相关。可见,防护林可以通过改善土壤微生物生物量来提高渤海泥质海岸土壤肥力,选择抗性强且有大量枯落物的阔叶树种,合理的混交配置可以增加土壤改良效果。