光照强度对土壤微生物量碳的影响研究

2020-07-17李刚

绿色科技 2020年10期

李刚

(1.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西西安 710075；2.陕西省土地整治重点实验室，陕西西安 710075；3.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西西安 710075；4.自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，陕西西安 710075；5.陕西省土地整治工程技术研究中心，陕西西安 710075)

1 引言

陆地碳循环是全球碳循环的重要组成部分，直接影响到整个地球生态系统的能量平衡[1,2]。作为陆地生态系统的主要分解者，微生物在获得资源构建自身生物量的同时，也驱动着生态系统的物质、能量流通，调控碳和养分元素等在土壤-植物-大气连续体间的循环，最终影响整个生态系统的结构和功能[3，5]。土壤微生物是土壤生态系统的重要组成部分，对于土壤有机质分解、养分循环和植物养分利用具有十分关键的作用，同时对外部环境也极为敏感[6]。土壤微生物量碳是土壤中体积小于5000 μm3活体和死亡微生物内碳的总和，既是土壤有机质的活性部分，也是土壤中最活跃的因子[7,8]，对土壤有机质分解转化过程中起着主导作用[9]，因此可以将其作为综合评价土壤质量和肥力状况的指标之一[10,11]。

目前关于土壤微生物量碳的研究逐步引起了学者们的注意，取得了一定的成果，但主要集中在不同生态系统中土壤微生物量碳的动态变化研究、冻融过程对土壤微生物量碳的影响研究、植被根际土壤微生物量碳动态变化以及施肥等措施对土壤微生物量碳的影响等方面，如何提高土壤微生物量碳的研究主要集中在施肥和添加有机物料等方面，例如宋日等[12]研究了玉米根茬留田对土壤微生物量碳的影响，发现玉米根茬留田对提高土壤微生物量碳含量和土壤脲酶、磷酸酶、纤维素酶以及转化酶活性效果显著。刘龙等[13]的研究也获得了与宋日等人类似的结果。王继红[14]研究了氮磷肥对黑土玉米农田生态系统土壤微生物量碳的影响，结果表明氮肥是影响微生物量碳的主导因素。朱丽霞等[15]开展了施氮和覆膜对旱作春玉米农田土壤微生物的影响，发现无论覆膜与否，土壤微生物量碳均随施氮量的增加而增加。还有学者开展了城市污泥与园林废弃物混合堆肥对林地土壤微生物量碳的影响研究[16]，结果表明施用堆肥产品能够提高土壤微生物量。文嘉等[17]以洞庭湖重金属污染底泥为研究对象，探索了以NaCl和壳聚糖改性沸石改良的底泥对土壤中微生物量碳的影响，发现改性沸石改良的底泥对土壤微生物量碳也具有显著的改良作用。但已有的研究尚未关注光照作用对土壤微生物量碳的影响问题。

研究表明，在土壤中植物生长所需的营养元素的含量并不低，但是可被植物吸收的部分偏少，大部分以不易被植物吸收的形式存在[18,19]。若能以生态化的方式，人为对自然界的光能、风能、水等资源加以利用，加速将土壤中不易被植物直接吸收利用的养分激活，活化土壤中现有营养元素，形成良好的土壤结构与环境，那么在少量甚至几乎不施肥的条件下即可满足植物生长所需的营养元素供应。作为土壤中最重要的组成部分之一，土壤微生物时刻参与土壤中的物质循环和能量流动，改善着土壤环境[20]。它们是土壤的“厨师”，参与了土壤生态系统中几乎所有的生物和生物化学过程，在养分循环、植物多样性维持等方面发挥着极其重要作用，可以将土壤中一些不能被作物直接利用的物质转换成可利用的状态，最终实现土壤的可持续生产力的提升[21～24]。

如何利用自然手段增强土壤中微生物的活性和数量成为改善土壤质量的重要手段之一。光能、风能、水是地球上自然存在的能量来源。对于光能而言，地面上收集到的光辐射的波段范围大约为0.295～2.5 μm，可见光区占太阳辐射总能量的约50%。有研究表明，绝大多数土壤有益微生物类群的数量与光照条件呈正相关关系。因此可以利用光照激发土壤环境中微生物含量，进而促进土壤中营养元素的供应。为了探究光能对于土壤微生物量碳的影响，本研究选取自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室富平中试基地塿土为研究对象，分别研究不同光照时间、强度以及照射方式下土壤微生物量碳的变化特征，探讨光照条件下影响土壤微生物量碳的主要因素，以期为提高土壤质量提供科学参数。

2 试验材料与方法

2.1 研究区概况

试验所用样品采集于自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室富平中试基地(109°11′2″E，34°42′12″N)，位于陕西省渭南市富平县杜村镇褚塬村。该区域属暖温带大陆性半干旱季风气候，年降雨量约为470 mm，7～9月份降雨量占全年降雨量的49%左右，年蒸发量为1000～1300 mm，无霜期225 d，年均气温为13.4 ℃，年光能辐射总量为518～535 kJ/cm2。农业土壤以黑垆土、黄绵土以及娄土为主。

2.2 试验设计

本试验分别研究不同光照强度、不同光照时间对土壤微生物量的影响，其中光强对土壤养分及微生物量的影响研究试验共设置200000 lux、100000 lux、10000 lux、1000 lux四组光照强度，以无光照土壤为对照组，每组试验设置三组重复。

2.3 样品的处理及测定

采集不同光照处理下土壤鲜样，去除土壤中的可见植物残体，过2 mm筛，调节土壤含水量至田间持水量的40%，并在25 ℃恒温箱中培养7 d。土壤微生物量碳采用熏蒸提取法测定。其基本原理为：氯仿熏蒸土壤时由于微生物的细胞膜被氯仿破坏而杀死，微生物中部分组分成分特别是细胞质在酶的作用下自溶和转化为K2SO4溶液可提取的成分。采用碳-自动分析仪器(multi-NC-3100，德国)测定提取液中碳的含量，以熏蒸和不熏蒸土壤中提取碳增量除以转换系数KEC就可以估计土壤重微生物量碳含量：

MBC=(CE-C0)×V×100/(m×KEC)

(1)

式(1)中：MBC为微生物量碳，单位为mg/kg；C0为未熏蒸土样总碳浓度，单位为mg/L；CE为熏蒸后土样总碳浓度；V为0.5 mol/L K2SO4溶液的体积，单位为L；m是土壤样品质量，单位为g；KEC是培养期间被杀死的微生物体中的碳被浸提出来的比例，为0.38。

2.4 数据处理

本研究所获得的数据采用SPSS 16.0进行统计分析，分析不同光照处理条件下土壤微生物量碳的差异性，显著性水平为0.05。

3 结果与分析

3.1 光强对土壤微生物量碳的影响

图1为光强对土壤微生物量碳的影响，图中CK1、CK2、CK3分别为试验前土壤中微生物量碳含量、与试验同步的自然光照的土壤微生物量碳含量、与试验同步的未经光照的土壤微生物量碳含量。

图1 光强对土壤微生物量碳的影响

研究发现，试验开展1 d后，光照强度为100000 lux及1000 lux的光照处理下土壤微生物量碳含量增加效果最为显著，分别增加了118.89%和148.15%，而200000 lux和10000 lux光照处理下土壤微生物量碳含量分别降低了72.59%和85.29%。10 d后，200000、100000、10000、1000 lux光强下土壤微生物量碳含量分别较试验前的变化为：-3.72%、-20.74%、22.96%和-6.67%。结果表明，短时间内100000 lux及1000 lux对土壤微生物量碳有显著的增加效果，但是光照时间过长，对土壤微生物量碳含量的影响不大。照射30 d以后，所有处理中微生物量碳含量均显著下降。结果显示：1 d后1000 lux和10000 lux光强处理下土壤微生物量碳含量显著增加，可能是因为这两个光强为微生物的增殖和活动创造了条件(表1)。

表1 光强对土壤微生物量碳的影响百分数 %

根据第一阶段研究结果，重点选取了100000 lux和1000 lux两种光照强度的处理，以无光照的处理为对照。结果表明(图2)，与第一阶段研究结果类似，在短时间内(<6 h)，光照强度为100000 lux及1000 lux的光照处理下土壤微生物量碳含量增加效果最为显著，6 h后土壤微生物量碳含量显著降低，可能是受到了较低温度的影响。试验开展1 h后，100000 lux 和1000 lux光照下土壤微生物量碳分别增加了96.77%和112.9%，CK处理的土壤微生物量量碳增加了0.95%，几乎没有变化。6 h后， 100000 lux 和1000 lux光照下土壤微生物量碳分别降低了17.83%和6.45%，CK处理的土壤微生物量碳降低了22.58%。结果表明试验开展1 h后土壤微生物量碳增加效果最明显。

图3分别为不同光照强度下土壤含水率和温度的变化特征。研究表明试验开始后，不同光照强度下土壤含水率均随着光照时间的增加而降低，其中10000 lux光照强度下土壤含水率下降速率最快，其次为1000 lux光照强度的土壤含水率，CK处理的土壤含水率变化最小。试验开始后，10000 lux光照强度下土壤温度明显升高，1000 lux光照强度土壤温度略微有所升高，CK处理的土壤温度呈下降趋势。

图2 光强对土壤微生物量碳的影响

图4为光照强度与土壤含水率、温度之间的关系，1、2、3分别为CK、1000 lux和10000 lux光照强度。根据统计分析可知，光照强度与土壤含水率呈显著负相关关系(p<0.05)，表明光照可以显著降低土壤含水率。光照强度与土壤温度呈显著正相关(p<0.05)，表明光照可以显著增加土壤温度。

图5为土壤含水率、温度分别与土壤微生物量碳之间的关系，根据统计分析，结果表明土壤含水率与土壤微生物量碳含量之间呈显著正相关关系(p<0.05)，表明土壤含水率对土壤微生物量碳的含量的影响显著。土壤温度与土壤微生物量碳含量之间呈负相关关系，但相关关系不显著(p>0.05)，原因可能在于7.2～20 ℃的温度均适宜土壤微生物的生活，导致温度变化对微生物量碳的影响不显著。