民勤绿洲不同退耕年限土壤微生物量的变化特性

王理德，何洪盛，韩福贵，陈思航，宋达成,2,3，王梓璇,2,3，闫沛迎

(1.甘肃省治沙研究所，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省河西走廊森林生态系统国家定位观测研究站，甘肃 武威 733000；3.甘肃民勤荒漠草地生态系统国家野外观测研究站，甘肃 民勤 733300；4.甘肃农业大学林学院,甘肃 兰州 730070)

民勤是我国典型的干旱沙区，这里曾经是一片植被茂盛、水源充足的天然绿洲[1]。然而，随着民勤绿洲经济规模、人口数量和人工绿洲的增加，用水量增加，地下水严重超采、矿化度逐渐增加，严重影响了该地区自然植被的生长，加剧了土地沙漠化与盐渍化[2-3]，再加上关井压田导致大片土地弃耕而撂荒，这些退耕地如果没有科学、合理、有效的保护方式，就会被风蚀沙化从而形成新的沙尘源，造成恶性循环，严重破坏民勤绿洲土壤生态系统[4]，因此，如何合理保护和恢复民勤绿洲退耕地是亟待解决的生态问题。

土壤是生态系统中许多生态过程的载体和植物生长的基质[5]，其生物学性质是反映土壤生态系统恢复程度的重要指标[6]。在营养库中虽然只占一小部分，但它既是养分的“库”，同时又是养分的“源”，是土壤生态系统的核心，直接或间接参与调节土壤有机质转换[7]、能量流动[8]、土壤肥力形成[9]、养分循环[10]及污染物的降解[11]等，特别是在生态系统物质循环和能量流动中占据主导作用，具有复杂的生物化学活性[12]。同时对土壤的演化具有重要的影响，在土壤生态环境恢复中极具影响力[13]。土壤微生物生物量是活的土壤有机质，是土壤活性大小的标志[14]，虽然在土壤有机质中仅占1%～5%，但是它不仅是调节其他养分的关键，而且还是有机质与土壤养分转化的动力，可以快速反映土壤质量的变化情况[15]，土壤微生物生物量是评价土壤肥力和质量状态的重要参数[16]。

目前，土壤微生物特性对土壤生态系统演变所起的作用越来越受到广大科研工作者的关注[17-19]，并成为该领域研究的前沿和热点[20-21]。国内外对土壤微生物的研究主要集中在微生物与植物群落的关系[22-23]、与土壤条件的关系[24-26]、与不同施肥方式的关系[27-28]、与不同土壤管理方式的关系[29-30]、与土壤酶的相互关系[31]。但是对于干旱绿洲退耕区土壤微生物量较少进行系统研究，特别是干旱区退弃耕地土壤微生物量季节变化规律的研究较少，更没有把微生物量的研究与退弃耕地修复紧密结合越来。

基于此，笔者采用空间尺度代替时间尺度的方法，对民勤不同年限 (1～31 a)退耕地土壤微生物生物量的变化特征和季节动态变化规律进行了系统研究，探讨民勤绿洲退耕地土壤微生物量的变化规律，旨在为民勤绿洲退耕地土壤修复提供实践参考，为该区域的生态恢复、管理及可持续发展提供理论依据。

1 研究区域与方法

1.1 研究区域概况

试验样地选在甘肃省民勤县北部的西渠镇黄辉村与自云村，地理坐标为北纬39°01′30″～39°03′28″，东经103°35′57″～103°37′56″。年降水量大约110 mm，主要集中在秋季，年平均蒸发量为2 644 mm左右，年均温度7.4 ℃，主要土壤类型是灰棕漠土。样地中主要草本植物有：蒙古猪毛菜(Salsolaikonnikovii)、碱蓬(Suaedaglauca)、田旋花(Convolvulusarvensis)、白茎盐生草(Halogetonarachnoideus)、骆驼蓬(Peganumharmala)、藜(Chenopodiumalbum)；灌木植物有：盐爪爪(Kalidiumfoliatum)、白刺(Nitrariaschoberi)、红砂(Reaumuriasongarica)、小果白刺(Nitrariasibirica)、枸杞(Lyciumchinense)等。

1.2 样地设置及土样采集

2011年11月，通过对民勤县相关政府部门和当地居民走访和查阅，明确研究区土地退耕时间，采用时空替代法，选择没有因自然因素变化而改变地形，或者微地形变化较小、植物均匀生长、没有人为因素干扰引起土壤物质再分配的退耕地为研究样地。在保证样地沙土母质相同的情况下，选择退耕时间(离2012年检测时间)为1、2、3、4、5、8、15、24及31 a的9个样地，每个试验样地面积为1 hm2(表1)。使用GPS定位，在每个样地内按“S”形方法选取5个土样采集点，并做好标记[32]。

表1 样地基本状况

2012年3、6、9及12月，在试验样地中已固定的“S”形5个样点上挖土壤剖面，土壤样品分别从0～10、>10～20、>20～30、>30～40 cm土层采集，为了更加具有代表性，把同一个试验样地所取的5个土样按照相同土层分别均匀混合，在每个样点上取3个重复土样。将1～2 kg混合均匀的土样装进恒温采样箱的无菌袋中，带回实验室进行土壤微生物生物量的测定和系统分析。

1.3 土壤微生物生物量测定

土壤微生物生物量用氯仿熏蒸法[33]测定。先将试验样地内取回的土样进行7 d预培养，然后取出3份，每份土样10 g，分别装进3个50 mL烧杯中，另外准备2个装有1 mol·L-1NaOH溶液和无乙醇氯仿的烧杯，将这5个烧杯装入底部放有水浸过滤纸的干燥器中，将干燥器用凡士林密封，用真空泵抽气，直到三氯甲烷沸腾2 min以上。确保干燥器不漏气的情况下，将阀门关闭，在25 ℃无光情况下，搁置24 h，再用真空泵抽气，直至三氯甲烷气味消失。

1.3.1土壤微生物生物量碳(MBC)测定[33]

土壤试验样品经氯仿熏蒸后，用0.5 mol·L-1K2SO4和K2Cr2O7-H2SO4外加热法测定微生物生物量碳(MBC，BMC)。

BMC=(Ec-Ec0)/0.38。

(1)

式(1)中，Ec为熏蒸土样液体中有机碳量，mg·kg-1；Ec0为没有熏蒸土样液体中有机碳量，mg·kg-1；0.38为校正系数。

1.3.2土壤微生物生物量氮(MBN)测定[33]

土样经三氯甲烷熏蒸后，用0.5 mol·L-1K2SO4溶液萃取，应用凯氏定氮法测定微生物生物量氮(MBN，BMN)。

BMN=(EN-EN0)/0.54。

(2)

式(2)中，EN为熏蒸土样液体中有机氮量，mg·kg-1；EN0为没有熏蒸土样液体中有机氮量，mg·kg-1；0.54为校正系数。

1.3.3土壤微生物生物量磷(MBP)测定[33]

土壤样品经过三氯甲烷熏蒸后，采用0.5 mol·L-1NaHCO3(pH值=8.5)溶液进行萃取，然后采取钼锑抗显色法，对微生物生物量磷测定(MBP，BMP)。

BMP=(EP-EP0)/0.54。

(3)

式(3)中，EP为熏蒸土样液体中有机磷量，mg·kg-1；EP0为没有熏蒸土样液体中有机磷量，mg·kg-1；0.54为校正系数。

1.4 土壤微生物生物量的加权平均值计算

(4)

(5)

式(4)～(5)中，Gm为土壤微生物量加权平均值;Vik为土壤微生物量；ωik为权重系数；i=1，2，…，n，其中n为处理个数；k为土层深度，k=1，2，3，4，分别表示0～10、>10～20、>20～30、>30～40 cm土层。

1.5 数据分析与处理

采用SPSS 19.0、Microsoft Excel 2007软件统计整理和分析数据，不同年代退耕地微生物生物量采用单因素方差分析(one-way ANOVA)进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同退耕年限土壤微生物生物量沿剖面分布规律

由图1可以看出，相同退耕年限的土壤MBC、MBN及MBP含量均随土层的加深而减小，0～10 cm土层的土壤MBC、MBN及MBP含量高于或者显著高于其他3层(>10～20、>20～30、>30～40 cm)，可见民勤绿洲退耕地土壤微生物生物量随着土壤深度的增加，其含量逐渐降低，在总生物量中，表层生物量占比最大，表聚现象突出。

图1表明，在0～30 cm土层，随着退耕年限的不断增加，土壤MBC含量在退耕前期逐渐减小，在8～31 a内逐渐增大，在退耕8～31 a期间, 0～10、>10～20及>20～30 cm土层的土壤SMC最大值分别为979.13、610.00和480.22 mg·kg-1；在>30 ～ 40 cm土层中，MBC含量随退耕年限的增大而逐渐减小，第1年时最高，为327.74 mg·kg-1；MBN含量的变化趋势表现为在退耕前4 a先增大，在4～8 a慢慢减小，到退耕8～31 a期间逐渐稳定。在退耕第4年时样地内各土层SMN含量达到最高值，从上到下分别为215.50、184.49、169.00 和138.23 mg·kg-1；土壤MBP含量在0 ～10 cm土层呈先增大(1～4 a)后减小(4～31 a)的变化规律，退耕第4年含量最高，最大值为168.35 mg·kg-1；随着退耕年限的增加，>10～40 cm土层土壤MBP含量的变化表现为退耕前2 a先减小，随后逐渐升高，最后趋于降低。

为了更加准确地研究土壤微生物生物量在不同年限退耕地及不同土层深度中的变化，同时各土层土壤微生物生物量的平均数能包含长期变动趋势，采用加权平均值来分析研究不同年限退耕地土壤微生物生物量的变化规律(表2)，不同年限退耕地相同土层中的土壤MBC含量成波动式变化，加权平均的最大值出现在退耕24 a(629.88 mg·kg-1)，最小值出现在退耕3 a(177.79 mg·kg-1)。退耕 1～3 a逐渐减小，然后再逐渐增大，到24 a趋于平稳。土壤MBN含量的变化表现为：随着退耕年限的增加，土壤MBN含量呈先波动式减小，再波动式增大，最后再波动式减小的趋势，直到退耕24 a趋于稳定。

表2 不同年限退耕地土壤微生物生物量

表中数据均为不同土层(0～10、>10～20、>20～30及>30～40 cm)各指标的加权平均值。2011年的退耕年限为离检测时间1 a,其余类推。

在退耕1～2 a时，土壤MBN含量逐渐减小，随后大幅度增加，到退耕4 a时，加权平均值达到最大值183.73 mg·kg-1，然后相对趋于平稳再下降，到退耕15 a前后，加权平均值降低到最小值79.92 mg·kg-1。土壤MBP含量总体表现为：随着退耕年限的增加，MBP含量呈波动式增大、再波动式减小的趋势。退耕5～8 a时，加权平均值达到了最大值121.12 mg·kg-1，然后随着退耕年限的增大，土壤MBP含量逐渐减小，最后逐渐稳定。总体来讲，民勤绿洲退耕地土壤MBP含量随着自然演变年限的增加呈现出上升的趋势。MBC/MBN含量比呈先上升后下降的趋势，退耕8 a时比值最大(6.74)。

2.2 不同退耕年限土壤微生物生物量的季节性变化特征

从图2可以看出，民勤绿洲不同年限退耕地土壤MBC含量的季节动态变化规律大致相似，秋季最大，夏季与春季居中，冬季最小。大致呈现出从3月开始土壤MBC含量呈升高趋势，到9月达到峰值，然后又持续降低，12月下降到最低值。0～10 cm土层土壤MBC含量变化幅度较大，>30～40 cm土层的土壤MBC含量变化幅度逐渐变小。土壤MBN含量的季节动态变化表现为：在不同年限退耕地变化趋势均呈现为倒“V”型分布格局，3—9月逐渐增大，9月达到峰值，然后又持续减小，12月下降到最低值。

在整个生长季，样地表层土壤MBN含量变幅较大。不同年限退耕地MBP含量的季节动态大致相似，秋季与夏季较大，春季居中，冬季最小。总体呈从3月开始土壤MBP含量逐渐升高，到6月或者9月达到峰值，然后又持续降低，12月下降到最低值。退耕初期季节变化幅度逐渐增大，退耕5 a时0～20 cm土层6月变化幅度达到最大值，然后逐渐减小，退耕15 a后土壤MBP含量季节变化极小。

3 讨论

土壤微生物的功能可通过微生物生物量来反映[34]，同时微生物生物量与其所处土壤环境密不可分[35]。在民勤绿洲退耕地恢复过程中，土壤微生物生物量随着土层的加深而逐渐减小。由图1可以看出，在4个土层中，土壤微生物生物量占比较大的是0～10 cm土层。方差分析显示，各土层对MBC、MBN、MBP含量的影响显著(P<0.05)。马文文等[36]、文都日乐等[37]研究结果也呈现出类似的规律。这主要是由于土壤表层有少量的枯枝落叶凋落物及其所产生的腐殖质，有机质含量高[38]，再加上表层温度条件和通气状况良好，微生物生长旺盛，代谢活跃[39]。另外，好氧菌大多居于土壤表层，活性较强，随着土层的加深，生境条件越来越差，好氧菌逐渐减少，代谢活动较弱的厌氧菌逐渐占主导地位，使深层的土壤微生物生物量减少，微生物生物量的分布发生变化，出现了明显的表聚性[40]。

随着退耕地恢复时间的增加，土壤MBC与MBN含量呈先波动下降，最终走向平衡的态势，MBP含量总体上呈波动上升的趋势。在退耕地恢复的前几年，物种丰富度和物种多样性指数都比较大[41-42]，土壤MBC、MBN、MBP含量也较高，随恢复年限的增加，物种丰富度和多样性指数下降[42]，MBC、MBN、MBP含量也逐渐减小。比较研究区9个样地发现，MBC含量的最大值在退耕后24 a左右出现，为629.88 mg·kg-1。而这个时候，MBN、MBP含量居中；退耕4 a的土层中，MBN含量达到最大值(183.73 mg·kg-1)，MBC、MBP含量居中；退耕8 a的样地中MBP含量最大(121.12 mg·kg-1)，MBC、MBP含量居中。微生物生物量是土壤养分的重要来源，是土壤中活的有机质[43]。在退耕后的24 a期间出现土壤MBC含量的最大值，可见MBC的积累是一个极其缓慢的过程；在退耕后的4 a内，土壤MBN含量的加权平均值达到最大值，这说明土壤肥力水平最好的时间是退耕4 a，到退耕5 a时又恢复到退耕3 a时的状况，可见退耕5 a左右是土地修复的关键时期，为了防止土地的沙漠化及其盐渍化，在土地退耕5 a左右要进行合理的人工干预，这与项目组前期研究结果相似[41]；土壤MBP含量的最大值出现在退耕后的5～8 a，但波动范围较小，退耕中期(3～15 a )土壤MBP含量的加权平均值在110～120 mg·kg-1之间，由此可见，退耕年限的延长对MBP的影响较小，这可能与磷在土壤中的存在形态较为复杂有关，而且土壤磷分布受成土母质中矿物成分、地貌、土地使用程度等多种条件的影响，几乎不受自然环境和植被的影响[36,44]。土壤MBC、MBN、MBP是土壤活性养分的库，能敏锐地反映环境因子的变化[45]。

土壤 SMBC/SMBN比≥30和SMBC/SMBN比≤20分别表示土壤微生物生长受到氮源和碳源的限制，当SMBC/SMBN比=25时对土壤微生物生长最有利[46]，在不同年限退耕地土壤中，SMBC/SMBN比介于1.28～6.74，说明碳源供给数量是土壤微生物生长的主要限制因子。相关性分析也显示，土壤微生物量与土壤养分呈不同程度的相关性[47]，其中与土壤有机质呈极显著相关。然而土壤是较为复杂的生态系统，土壤微生物量还会受温度、气温、土壤容重等因素的影响，应综合考虑。

土壤微生物生物量随着季节的变化而改变，这主要是由于气温、凋落物以及土壤微生物与植物对养分的竞争等原因造成的，在不同的生态系统中，土壤MBC、MBN、MBP含量的季节变化规律也不同[48]。就是在相同的生态系统中，不同生境的土壤中MBC、MBN、MBP含量的季节变化规律也不一样[49]。民勤绿洲退耕地土壤MBC、MBN、MBP含量的季节变化规律具有较大差异。不同年限退耕地MBC含量的季节动态大致相似，秋季最大，夏季、春季居中，冬季最小。从3月开始随月份的增大MBC含量逐渐增大，到8—9月达到峰值，然后随月份的增大又逐渐减小，12月降为最低值。这是因为进入春季，地温回升，土壤微生物数量增加、活性提高，解冻后土壤中原有的可溶性有机碳利用分解加强，较多的营养物质被微生物固定[50]，土壤MBC含量逐渐升高。不同年限退耕地土壤MBN含量的季节动态变化显现出倒“V”型分布状况，从3月开始随月份的增大MBN含量逐渐增大，到6或者9月到达峰值，后又连续减小，12月减小到最低值。这一结果与GARCIA等[51]的研究结果相似。从3月开始土壤MBP含量逐渐升高，到6或9月达到峰值，然后随着月份的增加又持续降低，12月下降到最低值。退耕初期季节变化幅度逐渐增大，退耕5 a的时候，0～20 cm土层6月变化幅度达到最大值，然后变化幅度减小，尤其在退耕15 a后，MBP含量季节波动幅度很小。这是由于3月植被快速萌发，摄取了土壤中大量的营养物质，所以土壤可溶解有机碳、氮、磷含量急剧减小。在某一水平上造成了与微生物间的营养需求竞争局面，减少了微生物的营养可获取量，抑制其生存和繁殖，因此MBC、MBN、MBP 含量均降低。进入5—6月，由于气温升高、大量植物根系活动能力的变强，致使有机质矿化作用变大，养分富裕，根系分泌物丰富，微生物生物量增大。土壤取样时间为2012年9月下旬，正好是研究区降水量增加的时候，此时又有大量的植物枯枝落叶积累，中午温度较高，所以研究区大量的植物枯枝落叶、地表湿润、温度较高等自然现象都有利于增强土壤微生物活性，促进土壤中营养物质的输入以及碳水化合物从地上逐渐向地下转移，土壤中微生物可使用的有机质逐渐增加，故土壤微生物生物量出现峰值[40]。冬季土壤温度比较低，低温抑制了土壤微生物的活性，其代谢随之变缓，因此土壤微生物生物量下降。在退耕的初期，不同年限退耕地土壤MBP含量的季节变化幅度逐渐增加，然后季节变化幅度逐渐减小，尤其是退耕15 a后，土层MBP含量波动较小，基本无季节变化。这可能是由于退耕后期，土壤的盐碱化程度加重，pH值明显升高[52]，在一定程度上抑制了土壤MBP含量对季节变化的敏感性，使土壤MBP含量在退耕后期随着季节的不同几乎没有变化。

4 结论

在甘肃民勤绿洲退耕地自然恢复过程中，相同年限退耕地表层土壤微生物生物量显著高于深层土壤；土壤MBC与MBN含量随着退耕年限的增加，逐渐减小，土壤MBP含量则表现为波动式上升的趋势，土壤微生物生长的主要限制因子是碳源。不同年限退耕地土壤MBC含量的季节动态变化大致相似，冬季最小，夏季与春季居中，秋季最大。MBN含量的季节动态呈现出倒“V”型分布的状态，从3月开始随月份的增大MBC含量逐渐升高，到6或者9月到达峰值，然后随月份的增大又连续减小，12月减小到最低值。土壤MBP含量基本表现为秋季、夏季较大，春季居中，冬季最小。在不同的生境中，各类生态因子的共同作用以及关键生态因子的主导位置的不同，土壤MBC、MBP含量的季节变化可能存在着一定的差别。

目前影响干旱沙区退耕地土壤微生物生物量变化因子的研究还相对薄弱，今后还需加强这方面的研究。但是，从土壤微生物特性来看，退耕4 a时，土壤的熟化程度和土壤肥力水平达到了最好状态。退耕5 a后，土壤的肥力呈相对下降的趋势。因此，退耕5 a左右是土地修复、利用及荒漠化治理的关键时期。