大伙房水庫(kù)流域不同水源涵養(yǎng)林土壤微生物量碳氮特征及其影響因素

涂志華, 范志平, 王善祥, 秦依婷, 鄒藝華, 楊兆明, 王 珺, 尉永鍵, 王 瓊

(1.遼寧石油化工大學(xué)生態(tài)環(huán)境研究院，113001，遼寧撫順；2.海南大學(xué)林學(xué)院，570228，海口；3.中國(guó)科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，110016，沈陽)

土壤微生物量作為土壤生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)質(zhì)最為活躍的部分，是土壤有效養(yǎng)分的給源和庫(kù)存，在土壤碳氮生物地球化學(xué)循環(huán)過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1-2]。土壤微生物量碳、氮是土壤微生物量的重要組成部分，對(duì)土壤環(huán)境的變化非常敏感，能及時(shí)反映土壤微生物群落狀態(tài)、土壤質(zhì)量的變化以及整個(gè)土壤生態(tài)系統(tǒng)健康狀況[3-4]。研究表明，土壤微生物量受到植被類型、氣候、土壤水熱因子和人為因素的顯著影響[5-6]，在相同的氣候和土壤背景條件下，不同的植被類型的土壤微生物量也存在較大差異[7-8]。王娟娟等[3]研究表明不同城市森林植被類型與環(huán)境因子共同作用影響土壤微生物量的時(shí)空格局；吳然等[9]研究表明山西太岳山不同植被類型對(duì)土壤微生物量具有重要的影響，且凋落物氮是影響土壤微生物量的直接因素之一；林宇等[10]研究表明濱海沙地不同人工林植被類型土壤微生物量差異顯著，且細(xì)根生物量和凋落物生物量是影響土壤微生物量的重要影響因素。雖然，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展有關(guān)不同植被類型對(duì)土壤微生物量特征的影響研究[5,11-13]，但不同水源涵養(yǎng)林植被類型對(duì)土壤微生物量的影響及其影響因素的研究依然較少[14]。

大伙房水庫(kù)是遼寧省中部及南部城市群約2 300多萬人口的重要飲用水水源地，其水質(zhì)健康狀況尤為重要[15]。大伙房水庫(kù)流域水源涵養(yǎng)林是該水源地水生態(tài)安全的重要保障，伴隨水生態(tài)環(huán)境健康的重視，從土壤微生物量角度分析不同水源涵養(yǎng)林植被類型土壤生態(tài)健康狀況對(duì)大伙房水庫(kù)流域水源涵養(yǎng)林生態(tài)功能保護(hù)和建設(shè)具有重要意義。目前，對(duì)大伙房水庫(kù)流域水質(zhì)健康、重金屬污染、土壤無機(jī)N含量和淋溶特征等方面已開展相關(guān)研究[14,16-17]，由于缺少該流域水源涵養(yǎng)林植被類型對(duì)土壤微生物量碳氮及其影響因素的研究，影響該區(qū)域水源涵養(yǎng)林的水源涵養(yǎng)、水土保持等生態(tài)服務(wù)功能的準(zhǔn)確評(píng)估及水源涵養(yǎng)林優(yōu)化調(diào)控配置技術(shù)等問題。同時(shí)，該流域人工林林內(nèi)開展修枝整枝、林地清理及林下種植中草藥等經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)土壤微生物量碳氮的影響如何？因此，筆者以大伙房水庫(kù)流域落葉松人工林、油松人工林、紅松人工林和刺槐天然次生林4種不同水源涵養(yǎng)林植被類型為研究對(duì)象，分析不同植被類型對(duì)土壤微生物量碳、氮的變化特征，探討土壤理化性質(zhì)與凋落物養(yǎng)分特征對(duì)土壤微生物量碳、氮的影響，以期揭示不同水源涵養(yǎng)林生態(tài)系統(tǒng)及人類活動(dòng)對(duì)土壤微生物在土壤質(zhì)量變化和碳、氮生物地球化學(xué)循環(huán)機(jī)制中的作用，以期為大伙房水庫(kù)流域水源涵養(yǎng)林經(jīng)營(yíng)管理和建設(shè)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于遼寧省大伙房水庫(kù)上游社河流域內(nèi)溫道林場(chǎng)(E 124°08′～124°10′，N 41°46′～41°47′)，海拔200～500 m。氣候類型屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均降雨量800～1 000 mm，年均溫5～8 ℃。土壤類型主要是暗棕壤和棕壤。流域水源涵養(yǎng)林包括人工林和天然次生林，形成以落葉松(Larixgmelinii)、紅松(Pinuskoraiensis)、油松(Pinustabuliformis)等樹種的人工水源涵養(yǎng)林，以及刺槐(Robiniapseudoacacia)、山楊(Populusdavidiana)、蒙古櫟(Quercusmongolica)、樺樹(Betulautilis)等闊葉樹種組成的天然次生水源涵養(yǎng)林；林下灌木主要有胡枝子(Lespedezabicolor)、紫穗槐(Amorphafruticosa)、忍冬(Lonicerajaponica)、刺五加(Eleutherococcussenticosus)等；林下草本主要有葎草(Humulusscandens)、狹葉蕁麻(Urticaangustifolia)、紫花地丁(Violaphilippica)、車前草(Plantagoasiatica)等。

2 材料與方法

2.1 樣地設(shè)置與取樣

2.2 室內(nèi)分析測(cè)試

MBC=EC/kC；
MBN=EN/kN.

(1)

式中:EC、EN分別為熏蒸和未熏蒸浸提液中土壤有機(jī)碳、全氮的差值，g/kg；kC、kN為轉(zhuǎn)化系數(shù)，分別為0.38、0.54。

土壤微生物量熵反映土壤微生物對(duì)土壤有機(jī)碳、全氮的利用效率。土壤微生物量碳熵(qMBC)即土壤微生物量碳與土壤有機(jī)碳比值(MBC/SOC)；土壤微生物量氮熵(qMBN)即土壤微生物量氮與土壤全氮比值(MBN/TN)。

2.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

利用SPSS 18.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析不同植被類型土壤MBC和MBN含量、土壤MBC/MBN比以及土壤微生物量碳熵(qMBC)、氮熵(qMBN)的差異顯著性，并利用最小顯著差異法(LSD)進(jìn)行多重比較分析(α=0.05)，利用通徑分析模型檢驗(yàn)各變量間的作用方向、強(qiáng)度和解釋能力，采用Origin 8.0 軟件作圖。

3 結(jié)果

3.1 不同植被類型土壤理化性質(zhì)

表1 不同植被類型研究樣地基本概況

注：LYS：落葉松；YS：油松；HS：紅松；CH：刺槐。 下同。Notes: LYS=Larixgmelinii; YS=Pinustabuliformis; HS=Pinuskoraiens; CH=Robiniapseudoacacia. The same below.

表2 土壤理化特征

小寫字母表示不同植被類型差異顯著(P<0.05)。下同。The different lowercase letters at the same soil layer of data in the table refer to significant differences (P<0.05). The same below.圖1 不同植被類型土壤MBC、MBN質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化Fig.1 Content of soil microbial biomass carbon (MBC) and microbial biomass nitrogen (MBN) in two soil layers under different vegetation types

3.2 不同植被類型土壤MBC和MBN含量變化

由圖1可見，大伙房水庫(kù)流域落葉松人工林、油松人工林、紅松人工林和刺槐天然次生林土壤MBC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為92.69～562.55 mg/kg(圖1(a))。不同水源涵養(yǎng)林植被類型0～10、10～20 cm土層土壤MBC質(zhì)量分?jǐn)?shù)均表現(xiàn)為刺槐天然次生林>油松人工林>落葉松人工林>紅松人工林，且在刺槐天然次生林和油松人工林二者之間差異不顯著(P>0.05)，但顯著大于落葉松人工林和紅松人工林(P<0.05)，落葉松人工林和紅松人工林二者之間差異亦不顯著(P>0.05)。不同水源涵養(yǎng)林植被類型土壤MBC含量在不同土層間差異顯著(P<0.05)，均表現(xiàn)為土壤表層最高。落葉松人工林、油松人工林、紅松人工林和刺槐天然次生林0～10 cm土層土壤MBC含量是10～20 cm土層的1.83、2.55、2.24、2.46倍。

MBC/MBN: soil microbial biomass carbon/soil microbial biomass nitrogen, qMBC: soil microbial biomass carbon/soil organic carbon, qMBN: soil microbial biomass nitrogen/total nitrogen, the same below. 圖2 不同植被類型土壤MBC/MBN、qMBC、qMBN的變化Fig.2 Character of MBC/MBN, qMBC, qMBN in two soil layers under different vegetation types

不同水源涵養(yǎng)林植被類型土壤MBN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為64.10～193.42 mg/kg(圖1(b))。不同水源涵養(yǎng)林植被類型0～10、10～20 cm土層土壤MBN含量均表現(xiàn)為刺槐天然次生林>油松人工林>落葉松人工林>紅松人工林，在0～10 cm土層，刺槐天然次生林顯著大于油松人工林、落葉松人工林和紅松人工林(P<0.05)，落葉松人工林和紅松人工林二者之間差異不顯著(P>0.05)；在10～20 cm土層，刺槐天然次生林和油松人工林二者之間差異不顯著(P>0.05)，但顯著大于落葉松人工林和紅松人工林(P<0.05)。不同植被類型土壤MBN含量在不同土層間差異顯著(P<0.05)，均表現(xiàn)為土壤表層最高。落葉松人工林、油松人工林、紅松人工林和刺槐天然次生林0～10 cm土層土壤MBN含量是10～20 cm土層的1.18、1.48、1.53、1.62倍。

3.3 土壤微生物量碳氮比(MBC/MBN)及碳熵(qMBC)、氮熵(qMBN)的變化

由圖2可見，大伙房水庫(kù)水源涵養(yǎng)林不同植被類型土壤微生物量碳氮比(MBC/MBN)變化范圍在2.12～3.15(0～10 cm)、1.40～1.91(10～20 cm)之間。在0～10 cm土層，土壤MBC/MBN的大小順序?yàn)橛退扇斯ち?刺槐天然次生林>落葉松人工林>紅松人工林；在10～20 cm土層，土壤MBC/MBN的大小順序?yàn)榇袒碧烊淮紊?油松人工林>紅松人工林>落葉松人工林。不同土層土壤MBC/MBN均表現(xiàn)為在刺槐天然次生林和油松人工林二者之間差異不顯著(P>0.05)。但顯著大于落葉松人工林和紅松人工林(P<0.05)，落葉松人工林和紅松人工林二者之間差異亦不顯著(P>0.05)。

不同水源涵養(yǎng)林植被類型土壤qMBC的變化范圍在0.38%～0.81%，不同土層土壤qMBC變化存在差異，在0～10 cm土層，油松人工林(0.81%)顯著大于刺槐天然次生林(0.58%)、落葉松人工林(0.56%)和紅松人工林(0.57%)(P<0.05)，在10～20 cm土層，刺槐天然次生林(0.57%)和油松人工林(0.56%)顯著大于落葉松人工林(0.38%)和紅松人工林(0.39%)(P<0.05)。不同植被類型土壤qMBN的變化范圍在3.26%～3.59%，在0～10 cm土層，紅松人工林(3.58%)大于落葉松人工林(3.50%)、油松人工林(3.46%)和刺槐天然次生林(3.27%)，不同植被類型之間差異不顯著(P>0.05)，在10～20 cm土層，油松人工林(3.59%)大于落葉松人工林(3.26%)、紅松人工林(3.29%)和刺槐天然次生林(3.31%)，不同植被類型之間差異不顯著(P>0.05)。

3.4 不同植被類型凋落物碳氮的變化

由圖3可知，大伙房水庫(kù)不同水源涵養(yǎng)林植被類型凋落物碳(Litter C)變化范圍在353.81～416.75 g/kg之間，表現(xiàn)為刺槐天然次生林>紅松人工林>油松人工林>落葉松人工林，刺槐天然次生林高于其他植被類型，但與紅松人工林、油松人工林差異不顯著(P>0.05)；凋落物氮(Litter N)變化范圍在8.39～17.55 g/kg，表現(xiàn)為刺槐天然次生林>油松人工林>紅松人工林>落葉松人工林，刺槐天然次生林顯著高于其他植被類型(P<0.05)，但紅松人工林、油松人工林、落葉松人工林差異不顯著(P>0.05)；凋落物碳氮比(Litter C/N)變化范圍為23.85～44.18，表現(xiàn)為紅松人工林>落葉松人工林>油松人工林>刺槐天然次生林，刺槐天然次生林顯著低于其他植被類型(P<0.05)。

圖3 不同植被類型凋落物碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.3 Content of litter carbon and nitrogen in different vegetation types

3.5 土壤微生物量碳氮與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

3.6 通徑分析

表3 土壤微生物量碳氮及土壤理化性質(zhì)、凋落物碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的相關(guān)性

注：**表示極顯著相關(guān)(P<0.01)；*表示極顯著相關(guān)(P<0.05)。Notes:**indicates significant correlation at 0.01 level, and*indicates significant correlation at 0.05 level.

表4 土壤理化性質(zhì)、凋落物碳氮對(duì)土壤MBC質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響的通徑系數(shù)

表5 土壤理化性質(zhì)、凋落物碳氮對(duì)土壤MBN質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響的通徑系數(shù)

4 討論

土壤微生物量受到植被類型、土壤及氣候等多種生態(tài)因子的影響，其中，植被類型是重要的因素之一[4-5]。不同植被類型土壤水熱因素、凋落物數(shù)量與質(zhì)量、根系生物量及根系分泌物的差異影響土壤微生物的活性，進(jìn)而影響土壤微生物量[13,19-20]。筆者研究表明刺槐天然次生林土壤MBC、MBN含量顯著高于紅松、油松和落葉松人工林，這與胡亞林等[14]在同研究區(qū)域研究發(fā)現(xiàn)闊葉林土壤MBC、MBN含量大于針葉林的結(jié)果一致，不同林分土壤MBC、MBN差異主要可能是刺槐天然次生林凋落物碳、氮含量較高，可為土壤提供豐富的有機(jī)物質(zhì)，使得微生物活性增強(qiáng)，另外，闊葉林凋落物分解速率快，為土壤微生物提供更多的養(yǎng)分，因此土壤微生物量也大[21]；與闊葉林相比，針葉林凋落物中存在較多難分解的單寧、酚類物質(zhì)、萜類物質(zhì)，影響土壤微生物活動(dòng)，因而土壤MBC、MBN含量低于闊葉林[2,5]。大伙房水庫(kù)4種水源涵養(yǎng)林植被類型土壤MBC、MBN均在表層最大，這與土壤有機(jī)碳、全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的分布一致，即隨著土層的加深而減少，這主要是表層土壤因凋落物分解、細(xì)根周轉(zhuǎn)及根系分泌物形成較多的碳、氮源輸入和能量來源，為微生物提供豐富的養(yǎng)分來源，且凋落物的覆蓋保持表層土壤較高的含水量，促進(jìn)土壤微生物的生長(zhǎng)繁殖[9-10]。

土壤MBC/MBN與有機(jī)質(zhì)質(zhì)量相關(guān)，可以作為評(píng)價(jià)土壤供氮能力及反映土壤微生物種類和區(qū)系[6,22-23]。一般來說，土壤微生物三大類群細(xì)菌、真菌、放線菌的MBC/MBN分布為5∶1、10∶1、6∶1[2, 9]。本研究中，不同植被類型土壤MBC/MBN的變化范圍為1.40～3.15，一定程度上說明了該區(qū)域不同植被類型土壤細(xì)菌數(shù)量較大于真菌及放線菌。這與牛小云等[24]研究發(fā)現(xiàn)遼東山區(qū)日本落葉松人工林細(xì)菌數(shù)量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的結(jié)果一致。土壤微生物量熵反映土壤微生物對(duì)土壤有機(jī)碳、全氮的利用效率，較高的利用率說明土壤環(huán)境中活性有機(jī)碳庫(kù)大，有利于土壤微生物的生長(zhǎng)[3,9]。本研究中，不同植被類型土壤qMBC總體表現(xiàn)為油松人工林和刺槐天然次生林較大，即油松人工林和刺槐天然次生林土壤SOC向土壤微生物量碳轉(zhuǎn)化效率大。一般土壤qMBC為1%～5%，而本研究4種水源涵養(yǎng)林植被類型土壤qMBC在0.38%～0.81%之間，且低于2%，可能意味著該地區(qū)土壤碳源的“平均可利用”較低且土壤可能受到自然或人為的強(qiáng)烈干擾，土壤MBC碳庫(kù)降低速率將大于SOC碳庫(kù)[3,10]，這可能與該區(qū)域林內(nèi)開展修枝整枝、林地清理及林下種植中草藥經(jīng)濟(jì)活動(dòng)等有關(guān)。不同植被類型土壤qMBN為3.26%～3.59%且差異不顯著，且處于一般2%～7%的范圍內(nèi)，即不同植被類型土壤TN向土壤微生物量氮轉(zhuǎn)化的效率差異不大。

5 結(jié) 論

2)不同植被類型土壤MBC、MBN質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為92.69～562.55 mg/kg和64.10～193.42 mg/kg，且均表現(xiàn)為刺槐天然次生林>油松人工林>落葉松人工林>紅松人工林，在不同土層間差異顯著，0～10 cm土壤MBC、MBN含量分別是10～20 cm土層的1.83～2.55、1.18～1.62倍。

3)不同植被類型土壤MBC/MBN變化范圍為1.40～3.15；土壤qMBC的變化范圍為0.38～0.81%，土壤受到較強(qiáng)烈的人為干擾；土壤qMBN的變化范圍為3.26～3.59%，且差異不顯著。

4)相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，土壤理化性質(zhì)、凋落物養(yǎng)分含量與土壤MBC、MBN顯著正相關(guān)；通徑分析結(jié)果表明，土壤全氮、無機(jī)氮、有機(jī)碳、土壤含水量是直接影響該區(qū)域不同植被類型土壤微生物量碳、氮的主導(dǎo)因素。

綜上研究表明，大伙房水庫(kù)流域不同水源涵養(yǎng)林類型對(duì)土壤MBC、MBN影響顯著，刺槐天然次生林對(duì)土壤MBC、MBN庫(kù)作用更大，有利于養(yǎng)分累積。在該研究區(qū)直接調(diào)控土壤MBC、MBN大小可能與N養(yǎng)分限制、土壤有機(jī)質(zhì)和土壤含水量等主導(dǎo)因子有關(guān)，而修枝整枝、林地清理及林下經(jīng)濟(jì)活動(dòng)可能影響土壤質(zhì)量的變化。因此，今后在大伙房水庫(kù)流域應(yīng)加強(qiáng)對(duì)刺槐天然次生林水源涵養(yǎng)林的建設(shè)和保護(hù)，減少人為干擾。