于偉偉,陳媛媛,楊 寧,崔博文,王效科, 3,*

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100085 2 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049 3 北京城市生態(tài)系統(tǒng)研究站, 北京 100085

硬化地表是城市化的重要標(biāo)志[1]。城市地表硬化是指利用地面磚、石材磚、柏油、水泥、混凝土、瀝青等覆蓋自然土壤,便于行人和車輛通行的現(xiàn)象[2],主要分為透水硬化(透水混凝土磚塊路面,人行道等)和不透水硬化(混凝土建筑,柏油路面等)兩種形式[3]。硬化地表在為城市提供干凈整潔的環(huán)境的同時(shí),也產(chǎn)生一系列負(fù)面影響,如減少雨水下滲形成地表徑流[4],增加地表溫度[5],改變土壤和植物的蒸發(fā)[6],阻止土氣交換[7]等。為了緩解硬化地表給城市帶來的不利影響和城市綠地面積不足,城市綠化樹木已經(jīng)栽種到硬化地表上[8],然而硬化地表會(huì)抑制樹木的生長(zhǎng)[6—9],降低植物根莖生物量[10]。不同類型硬化地表對(duì)樹木生長(zhǎng)的影響存在差異,有研究認(rèn)為透水硬化地表上植物生長(zhǎng)優(yōu)于不透水硬化地表[11-12],也有研究認(rèn)為兩種類型硬化地表對(duì)樹種生長(zhǎng)影響無顯著差異[13]?？赡苡捎诓煌瑯浞N對(duì)硬化地表的響應(yīng)存在差異[14]。

土壤微生物是生物地球化學(xué)循環(huán)的驅(qū)動(dòng)者,是生態(tài)系統(tǒng)功能和服務(wù)的重要支撐者。土壤微生物量能夠直接或間接反映土壤肥力狀況,與碳、氮等養(yǎng)分循環(huán)密切相關(guān),對(duì)土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和供應(yīng)起重要作用[15]。城市化過程中土地覆蓋方式的變化會(huì)顯著影響碳儲(chǔ)存的數(shù)量、理化性狀以及空間分布[16],進(jìn)而影響土壤微生物量。硬化地表從多方面影響土壤性質(zhì),如增加土壤的緊實(shí)度[17]、改變土壤理化特性[18-19]、提高土壤溫度、降低土壤含水量[20]、引起土壤碳流失[21]、阻礙凋落物進(jìn)入土壤、造成土壤微生物量碳、氮含量降低[18, 22-23]。與不透水硬化相比,透水硬化能在一定程度上緩解硬化地表對(duì)土壤微生物的消極影響[23]。Francini等[24]發(fā)現(xiàn)不同地表植被及樹種對(duì)土壤微生物的影響不同。已有研究均為硬化地表對(duì)樹木生長(zhǎng)和非根圍土壤微生物的研究,硬化地表對(duì)不同樹種非根圍和根圍土壤微生物量碳、氮(MBC, Microbial Biomass Carbon; MBN, Microbial Biomass Nitrogen)影響的研究還較少見報(bào)道。非根圍及根圍土壤微生物對(duì)硬化地表響應(yīng)的差異并不清楚,致使硬化地表對(duì)城市土壤微生物地下過程的影響認(rèn)識(shí)不全面。

本研究原位模擬透水和不透水兩種類型硬化地表,并設(shè)置自然地表為對(duì)照,選取5年樹齡的常綠針葉樹油松(Pinustabulaeformis)和落葉闊葉樹白蠟(Fraxinuschinensis)林中非根圍(距離樹干0.7 m左右)和根圍(2020 cm的樹池內(nèi))0—20 cm的表層土,采用氯仿熏蒸浸提法分析土壤MBC、MBN,探討不同類型硬化地表對(duì)土壤微生物量的影響及不同樹種非根圍和根圍土壤微生物的響應(yīng),為全面評(píng)價(jià)城市綠地生態(tài)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地設(shè)在北京市昌平區(qū)馬池口鎮(zhèn)丈頭村種子管理站(40°12′N,116°08′E),屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,年平均降水量550.3 mm,集中于夏季的6—8月份,年均氣溫12.1 ℃。土壤類型為潮土,質(zhì)地為砂壤。硬化地表于2012年4月鋪設(shè),試驗(yàn)開始前土壤基本理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)含量16.4 g/kg,全氮0.9 g/kg,速效磷38.1 mg/kg,速效鉀102.1 mg/kg,土壤pH值為8.3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地于2012年4月12日鋪設(shè),設(shè)置對(duì)照、透水地表和不透水地表三個(gè)處理,以自然地表作為對(duì)照,滲透率超過0.4 mm/s的透水磚鋪設(shè)地面作為透水地表,滲透率幾乎為0的不透水磚鋪設(shè)地面作為不透水地表。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù),分別種植油松和白蠟,每個(gè)重復(fù)種植樹木23棵,分5行,行距和株距均為1 m。硬化地表上樹根周圍留有20 cm×20 cm的方形樹坑。試驗(yàn)所用磚的大小為20 cm×10 cm×6 cm(長(zhǎng)×寬×高)。供試油松和白蠟選用1年生幼苗,于2012年4月16日移栽。

1.3 樣品的采集與測(cè)定

于2015年9月9日用直徑2.5 cm的土鉆采集0—20 cm土層的土壤樣品。每個(gè)小區(qū)按“Z”形隨機(jī)采用5點(diǎn)混樣的方法取距離樹干0.7 m左右的土樣作為非根圍土,取樹池內(nèi)的土樣作為根圍土,硬化地表撬開磚,取完土后將磚復(fù)原,不透水硬化處理用水泥密封磚縫。樣品帶回實(shí)驗(yàn)室過2 mm篩后風(fēng)干并分二份,一份放在4 ℃冰箱用于微生物碳、氮的測(cè)定,另一份風(fēng)干用于土壤理化性狀的測(cè)定。

1.4 分析方法

微生物量碳、氮的測(cè)定采用氯仿熏蒸-浸提-非色散紅外吸收法：稱取兩份鮮土(25 g),一份用氯仿熏蒸24 h,另一份未熏蒸；用100 mL 0.5 mol/L的K2SO4溶液萃取,在搖床上震蕩30 min,用Whatman濾紙過濾；濾液用總有機(jī)碳(氮)分析儀(Elementar, Liqui TOC II, Germany)測(cè)定[25]。

土壤微生物生物量碳(C)和氮(N)計(jì)算：

C=CF-CUF/K

(1)

N=NF-NUF/K

(2)

式中,CF和NF分別為熏蒸土壤浸提液的碳和氮含量,CUF和NUF分別為未熏蒸土壤浸提液中的碳和氮含量,K為熏蒸提取法的轉(zhuǎn)換系數(shù),取值0.45。

土壤理化性狀的測(cè)定參見土壤農(nóng)化分析[15],土壤全碳、全氮和有機(jī)碳用元素分析儀測(cè)定[26],土壤pH值(土水比1∶ 5)用pH計(jì)測(cè)定[27]測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用SPSS 22.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。不同硬化處理間土壤微生物量碳的差異采用One-Way ANOVA進(jìn)行顯著性分析,非根圍和根圍之間采用非配對(duì)兩樣本平均值顯著差異檢驗(yàn)。用Origin Pro 2016制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 硬化地表對(duì)不同樹種土壤理化性狀的影響

硬化地表對(duì)不同樹種下土壤理化性狀有不同程度的影響(表1)。與Ctr相比,IPP使油松非根圍和根圍土壤含水量均顯著降低11%(P<0.05),使白蠟根圍土含水量顯著降低27%(P<0.05)。與PP相比,IPP使油松非根圍土壤全碳、全氮和C/N分別顯著升高18%、27%和顯著降低16%(P<0.05),使根圍土壤含水量顯著降低11%(P<0.05)；使白蠟根圍土壤含水量和全碳分別顯著降低33%和升高12%(P<0.05)。

表1 不同硬化處理下土壤理化性質(zhì)

同列不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)

2.2 硬化地表對(duì)不同樹種微生物量碳的影響

土壤MBC在不同樹種、不同位置均存在顯著差異,樹種和處理以及樹種和位置的交互作用對(duì)土壤MBC均有顯著影響(圖1)。與Ctr相比,PP和IPP使油松非根圍土壤MBC分別顯著降低74%和83%(P<0.05),使白蠟非根圍土壤MBC分別顯著降低72%和69%(P<0.05)；PP使白蠟根圍土壤MBC顯著降低52%(P<0.05)。與根圍土相比,油松非根圍土壤MBC在PP和IPP下分別顯著降低75%和87%(P<0.05)；白蠟土壤MBC在IPP下顯著降低76%(P<0.05)。可見,硬化地表降低非根圍土壤MBC。

2.3 硬化地表對(duì)不同樹種微生物量氮的影響

土壤MBN在不同樹種、不同位置均存在顯著差異,位置和處理以及位置和樹種的交互作用對(duì)土壤MBN均有顯著影響,樹種、處理以及位置三者的交互作用對(duì)對(duì)土壤微生物量氮也有顯著影響(圖1)。與Ctr相比,PP和IPP使油松非根圍土壤MBN分別顯著降低67%和80%(P<0.05),使白蠟非根圍土壤MBN分別顯著降低64%和64%(P<0.05)；使油松根圍土壤MBN分別顯著降低84%和37%(P<0.05)。與PP相比,IPP使油松根圍土壤MBN顯著升高43%(P<0.05),使白蠟根圍土壤MBN顯著升高38%(P<0.05)。與根圍土相比,油松和白蠟非根圍土壤MBN在IPP下分別顯著降低74%和78%(P<0.05)。

圖1 土壤微生物量碳氮的分布Fig.1 Allocation of soil microbial carbon and nitrogen N-R：非根圍non-rhizosphere；R：根圍rhizosphere；Ctr：自然地表control；PP：透水硬化地表pervious pavement；IPP：不透水硬化地表impervious pavement；T：處理treatments；L：位置location； S：樹種tree species； *：*<0.05, **<0.01；ns：不顯著 no significant difference; 圖中小寫字母表示硬化處理間差異,大寫字母表示非根圍和根圍差異(P<0.05) ;F: F檢驗(yàn)值

2.4 硬化地表對(duì)土壤微生物量碳與有機(jī)碳比值(MBC/OC) 和微生物量氮與全氮比值(MBN/TN)的影響

土壤MBC/OC(微生物量碳/有機(jī)碳)和MBN/TN(微生物量氮/全氮)反應(yīng)土壤微生物對(duì)養(yǎng)分的利用率。硬化地表下不同樹種土壤MBC/OC 和MBN/TN存在差異(表2)。就不同類型硬化地表而言,與Ctr相比,油松和白蠟非根圍土壤MBC/OC 與MBN/TN在PP和IPP下均顯著降低(P<0.05),油松根圍土壤MBN/TN在PP和IPP下均顯著降低(P<0.05),白蠟根圍土壤MBC/OC 與MBN/TN在PP下均顯著降低(P<0.05)。就根圍和非根圍土而言,與根圍土相比,油松非根圍MBC/OC在PP和IPP下均顯著降低(P<0.05),MBN/TN在IPP下顯著降低(P<0.05)；白蠟非根圍土壤MBC/OC和MBN/TN在IPP下均顯著降低(P<0.05)。

表2 硬化地表下不同樹種非根圍和根圍土壤MBC/OC、MBN/TN/%

同列不同小寫字母表示硬化處理間差異顯著,同行不同大寫字母表示非根圍和根圍間差異顯著(P<0.05)

2.5 微生物量碳、氮與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系

土壤微生物量碳氮與土壤理化性質(zhì)相關(guān)分析(表3)。土壤微生物量碳與土壤全碳顯著正相關(guān)(P<0.05),與全氮、有機(jī)碳極顯著正相關(guān)(P<0.01)。土壤微生物量氮與土壤全碳、全氮顯著正相關(guān)(P<0.05),與有機(jī)碳極顯著正相關(guān)(P<0.01),與含水量顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。其中,土壤微生物量碳和土壤微生物量氮呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。土壤微生物量碳氮與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性較好,表明硬化地表下土壤微生物量碳氮能夠作為反應(yīng)土壤質(zhì)量變化的指標(biāo)。

表3 硬化地表下土壤微生物量碳、氮與土壤理化性質(zhì)相關(guān)分析

N=36, **<0.01, *<0.05

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)硬化地表下兩個(gè)樹種非根圍土壤微生物MBC和MBN 均顯著降低(P<0.05)(圖1)。以往關(guān)于硬化地表對(duì)土壤微生物影響的研究均為非根圍土壤,Piotrowska和Charzyński[23]通過野外實(shí)際采樣的方法研究半透水和不透水硬化地表對(duì)土壤微生物的影響,結(jié)果表明兩種類型的硬化地表均降低土壤MBC、MBN；Wei等[22]通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)也發(fā)現(xiàn)不透水硬化地表降低土壤MBC、MBN,均與本研究一致。一方面,植物凋落物為土壤微生物提供食物和能量,硬化地表阻礙凋落物進(jìn)入土壤[21],造成土壤MBC、MBN含量降低[18, 22-23]；另一方面,硬化地表從多方面影響土壤性質(zhì),如硬化地表增加土壤的緊實(shí)度[17]、提高土壤溫度、降低土壤含水量[20],進(jìn)而改變土壤理化特性[18-19],本研究中也發(fā)現(xiàn)不同類型的硬化地表下土壤理化性狀有不同程度的改變(表1),土壤MBC、MBN與土壤理化性狀關(guān)系密切(表3),理化性狀的改變自然也會(huì)引起土壤MBC、MBN的變化；其次,硬化地表導(dǎo)致土壤質(zhì)量降低,可供土壤微生物利用的C、N養(yǎng)分減少,也不利于土壤微生物的生長(zhǎng)。本研究中兩個(gè)樹種在PP和IPP下非根圍土壤MBC/OC(微生物量碳/有機(jī)碳) 和MBN/TN (微生物量氮/全氮)均顯著降低(表2),MBC/OC、MBN/TN被定義為微生物商[28],對(duì)土壤質(zhì)量的變化具有指示意義,該比值越高,土壤質(zhì)量越高,越利于土壤微生物的生長(zhǎng)[29]。劉恩科等[30]通過研究農(nóng)田土壤微生物發(fā)現(xiàn)MBC/OC、MBN/TN的變化趨勢(shì)和MBC、MBN一致,本試驗(yàn)關(guān)于非根圍土壤微生物的研究與之相符?？梢?硬化地表導(dǎo)致非根圍土壤質(zhì)量下降。

本研究發(fā)現(xiàn)不同硬化地表對(duì)兩個(gè)樹種根圍土壤微生物量的影響與非根圍不同(圖1,表2)。與Ctr相比,油松根圍土壤MBN和MBN/TN均表現(xiàn)為Ctr>PP>IPP(P<0.05),白蠟根圍土壤MBC、MBC/OC和MBN/TN均表現(xiàn)為Ctr, IPP>PP(P<0.05),MBN表現(xiàn)為IPP>PP(P<0.05)。一方面,硬化地表壓緊土壤[17],不利于土壤微生物的生長(zhǎng),會(huì)導(dǎo)致硬化地表下土壤微生物量降低[18, 22-23],但硬化地表下樹木根系伸展受阻,樹池中根系會(huì)增多[12],根系分泌物含量也會(huì)增多,一定程度上又能促進(jìn)土壤微生物的生長(zhǎng),加之樹池中一定量枯枝落葉的堆積,為微生物提供養(yǎng)分,Viswanatha[6]研究發(fā)現(xiàn)透水和不透水硬化地表下根圍土壤二氧化碳排放速度和二氧化碳濃度均較高,表明樹池中微生物呼吸作用強(qiáng)烈,所以本試驗(yàn)硬化地表下根圍土壤MBC、MBN并沒有完全表現(xiàn)出來降低的趨勢(shì),但Viswanatha[6]的研究發(fā)現(xiàn)透水硬化地表下根圍土壤氧氣濃度比不透水高,并認(rèn)為透水硬化地表對(duì)根圍土更有利,本試驗(yàn)并沒有發(fā)現(xiàn)這一有利現(xiàn)象；另一方面,硬化地表材質(zhì)不同,土壤微生物量降低程度也不同,透水硬化更利于水分流失,養(yǎng)分會(huì)隨水分流出,Morgenroth和Visser[11]研究發(fā)現(xiàn)透水硬化地表上植物生長(zhǎng)優(yōu)于不透水硬化,本研究發(fā)現(xiàn)油松根圍土壤微生物量在透水硬化地表下高于不透水硬化地表,與之一致。本試驗(yàn)對(duì)于根圍土壤微生物的研究發(fā)現(xiàn)土壤微生物MBC/OC、MBN/TN(微生物商)的變化趨勢(shì)和MBC、MBN并不完全一致,這與張明等[31]的研究相符?？梢?微生物商更能反應(yīng)土壤質(zhì)量[29]。

本研究發(fā)現(xiàn)硬化地表下根圍土壤微生物量會(huì)高于非根圍土,不同樹種的響應(yīng)也存在差異。一方面,地表硬化降低土壤含水量[20],阻止土氣交換[7],增加地表溫度[5],導(dǎo)致非根圍土壤微生物生存環(huán)境惡劣,同時(shí),硬化地表使非根圍地表與土壤分開,阻擋枯枝落葉進(jìn)入非根圍土,使得非根圍土壤養(yǎng)分不足,均不利于非根圍土壤微生物的生長(zhǎng),而根圍樹池中土壤沒有硬化地表的阻隔,不僅有一定量枯枝落葉的堆積,還能積存一定量的水分,樹池又在樹蔭下,不會(huì)導(dǎo)致溫度過高,所以硬化地表下根圍土壤MBC、MBN會(huì)高于非根圍土；另一方面,硬化地表土地緊實(shí)不利于根系伸展[12],樹木根系多聚集在樹池,導(dǎo)致非根圍根系減少,樹池中根圍土根系分泌物會(huì)高于非根圍；其次,油松和白蠟分別屬于常綠針葉樹和落葉闊葉樹,Polyakova和Billor[32]研究發(fā)現(xiàn)不同樹種凋落物不同,凋落物的種類及數(shù)量與土壤微生物量密不可分,加之不同樹種根系分泌物不同,樹種對(duì)不同類型硬化地表的響應(yīng)存在差異[14],本研究發(fā)現(xiàn)油松根圍土壤微生物MBN在透水硬化下高于不透水,白蠟根圍土壤微生物MBN在透水硬化地表下低于不透水,表明不同樹種根圍土壤微生物對(duì)不同類型硬化地表的響應(yīng)存在差異。同時(shí),不同類型硬化地表溫度及表層土壤溫度不同[14],而種植不同樹種也會(huì)改變土壤溫度及水分含量,土壤溫度和水分的變化也會(huì)影響土壤微生物的生長(zhǎng)。

相關(guān)分析結(jié)果顯示,土壤MBC、MBN與土壤全碳、全氮、有機(jī)碳顯著正相關(guān),MBC和MBN之間也顯著正相關(guān)。表明本研究中土壤MBC、MBN與土壤養(yǎng)分關(guān)系密切,可以作為土壤質(zhì)量的顯示因子,進(jìn)一步驗(yàn)證前人的研究結(jié)果[33]。本研究中土壤MBC與含水量關(guān)系不大,MBN與含水量負(fù)相關(guān),說明土壤MBC、MBN與土壤養(yǎng)分的關(guān)系存在差異,張潔等[34]發(fā)現(xiàn)土壤MBN受土壤含水量的影響更大。本研究發(fā)現(xiàn)土壤MBC、MBN與土壤pH并沒有相關(guān)性,這與Srivastava的研究一致[35],但Xu等[36]認(rèn)為土壤pH值與城市土壤微生物密切相關(guān)并且是土壤微生物變化的驅(qū)動(dòng)因子,可能由于本研究中土壤pH值均為中性偏堿,說明在一定范圍內(nèi)pH值并不一定是城市土壤微生物變化的驅(qū)動(dòng)因子。本研究發(fā)現(xiàn)MBC、MBN與土壤C/N并沒有相關(guān)性,張立欣等[37]認(rèn)為C/N是影響土壤MBC、MBN變化的主要因素之一,可能由于不同類型硬化地表以及不同樹種根圍和非根圍土等復(fù)雜因素的影響導(dǎo)致。

4 結(jié)論

硬化地表改變土壤理化性狀,降低土壤質(zhì)量,導(dǎo)致土壤微生物量降低,對(duì)土壤微生物的生長(zhǎng)具有不利影響,非根圍和根圍土壤微生物對(duì)硬化地表的響應(yīng)存在差異,根圍土壤微生物受到的不利影響相對(duì)小一點(diǎn)；不同樹種下土壤微生物對(duì)硬化地表的響應(yīng)也存在一定的差異。