興安落葉松林土壤微生物生物量季節動態及影響因素1)

邸雪穎 耿瑩瑩 孫 龍 胡海清

(東北林業大學，哈爾濱，150040)

土壤微生物是生態系統的重要組成部分，土壤微生物生物量的多少及其變化是土壤肥力高低及其變化的重要依據之一［1］。這部分生物量雖然只占土壤總有機碳的1%～3%，但卻參與了生態系統養分循環、有機質分解等諸多生態過程，影響著土壤有機質的轉化，因而在陸地生態系統碳循環中發揮著重要作用［2－3］。以往關于森林土壤微生物生物量的研究主要針對不同森林類型土壤微生物生物量的特征［4－9］，生態恢復和退化過程植被變化對土壤微生物生物量的影響［10－14］，森林經營措施［15］、采伐干擾［16］以及N沉降和施加氮肥對土壤微生物生物量的影響［17－18］。研究區域主要集中于熱帶、亞熱帶及溫帶地區，對寒溫帶研究很少［19］。對興安落葉松天然林微生物生物量的研究鮮見報道。興安落葉松林占整個大興安嶺地區的70%以上［20］，是我國北方森林的典型類型，同時也是對全球氣候變化響應最為敏感的林分，其碳循環對氣候變化響應的研究比任何其他陸地生態系統更為重要而迫切［21－22］。目前對于大興安嶺地區興安落葉松林土壤微生物生物量數據非常缺乏，對其主要控制因素及其機制尚不清楚。因此，本研究選取了黑龍江省大興安嶺地區最為典型的森林類型——興安落葉松天然林為研究對象，研究其土壤微生物生物量的季節動態變化規律，探討影響土壤微生物生物量動態變化的因素，為進一步系統開展我國北方森林生態系統碳循環研究提供數據基礎。

1 研究區域概況

研究地點位于黑龍江省大興安嶺塔河林業局，地處黑龍江省北部、大興安嶺伊勒呼里山北坡，地理坐標為 123°19'～125°48'E，52°09'～53°23'N。東鄰呼瑪縣，西接漠河縣，南靠新林區、呼中區，北以黑龍江主航道中心線為界與俄羅斯隔江相望，邊境線長173 km。屬寒溫帶大陸性季風氣候，冬季漫長而寒冷，夏季短暫而濕熱，年平均氣溫－5℃，年降水量428 mm。海拔為937～1397 m，全年無霜期僅為98 d，地帶性土壤為棕色針葉林土。主要森林類型為興安落葉松林、白樺(Betula platyphylla)林、樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica)林、白樺落葉松混交林以及蒙古櫟(Quercus mongolica)林等，是我國北方森林典型分布區。

2 研究方法

樣地設置 在大興安嶺地區塔河林業局的典型興安落葉松林內設置3塊標準樣地，樣地大小為20 m×20 m，平行分布。該林分為37年生興安落葉松林，林分密度2100株·hm－2，興安落葉松平均胸徑(13.21±0.56)cm，平均樹高為(10.97±0.73)m。主要樹種組成為興安落葉松和白樺，比例9落1白。主要灌木草本為越橘(Vaccinium vitis-idaea Linn.)、篤斯越橘(V.uliginosum Linn.)和小葉章(Calamagrostis angustifolia Kom.)。土壤類型為棕色針葉林土，土層厚度44～55 cm，A層厚度約為14 cm。該林分位于東南坡中下位，坡度10°～12°。

樣品采集 采樣時間為2010年5月至9月，除5月份每月采集2次外，其余每月采樣一次。采用5點混合隨機取樣法，每個樣地隨機設置3個取樣點，每個樣點周圍取5個樣品進行混合，除去地表植被和地表覆蓋物，用土鉆采集土壤表層(0～15 cm)樣品，共計15份土壤樣品。土樣立即裝入冷藏箱，帶回實驗室置于2℃低溫儲存，并于一周內完成土壤微生物生物量碳、氮測定。同時將一部分土樣取出風干，用于土壤相關指標測定。土壤溫度(TS)是采用瞬時土壤溫度計于每次采樣時測定10 cm土壤溫度。

樣品室內分析 用PHS—3C型精密PH計測定pH值。烘干法測定土壤含水量(WS)。利用multiN/C3000分析儀和HT1500 Solids Module(Analytik Jena AG，德國)測定土壤有機碳(CS，O)質量分數。用KDY—9830凱氏定氮儀測定土壤全氮(NT)質量分數。

土壤微生物生物量采用氯仿熏蒸浸提法測定［23］。將采回的新鮮土壤過2 mm土壤篩，去除土壤中的石塊和植物根系等，采用氯仿熏蒸浸提法測定Cm和Nm［4］，其中熏蒸處理為25℃真空條件下培養24 h，提取液采用 0.5 mol·L－1K2SO4(土液比為 1∶2.5)。浸提液中的有機碳和全氮質量分數采用MultiN/C3000分析儀測定。土壤微生物量碳［24］(Cm，mg·kg－1)和土壤微生物量氮［25］(Nm，mg·kg－1)分別由下式求得:

式中:CE、NE分別為熏蒸和未熏蒸土樣浸提液中有機碳、全氮的差值，0.45為校正系數。

數據處理與分析 采用方差分析(ANOVA)檢驗試驗處理對Cm和Nm的影響，Duncan檢驗比較處理間Cm和Nm的顯著性差異。用線性回歸和Pearson相關系數評價Cm和Nm與土壤體積含水量、土壤溫度、pH值、土壤有機碳和土壤總氮之間的關系。統計分析均應用SPSS17.0統計軟件完成。

3 結果與分析

3.1 興安落葉松林土壤微生物生物量碳、氮的季節動態變化

由圖1可見，興安落葉松林的Cm和Nm變化趨勢基本相同，即冬春交替時期呈增加趨勢，Cm和Nm由5 月8 日的 813.19、46.25 mg·kg－1增加到 5 月22 日的 1065.38、75.18 mg·kg－1，為整個研究期間的最大值。隨后在6、7、8月份取樣測定的結果顯示，Cm和Nm均呈快速下降趨勢，維持在很低的水平，分別為 75.12、24.59、72.57、20.11、70.02、15.63 mg·kg－1，較為穩定。進入秋季，Cm和Nm再次迅速增加，9 月 26 日測定的結果為 301.07、60.77 mg·kg－1，增加明顯。隨后10月16日采樣測定的結果顯示，Cm和 Nm分別為 173.89、28.61 mg·kg－1。進入初冬時期，土壤微生物生物量又開始緩慢下降，但仍較生長季盛期要高。

本研究中，興安落葉松林的Cm和Nm有類似的季節變化格局(表1)。土壤微生物量的季節性變異主要與能源的供應有關［26］。冬春交替時期土壤微生物生物量碳及氮都較高，原因主要來自于積雪融化、溫度升高，土壤水分和養分開始供應，土壤微生物種群活動開始，Cm和Nm開始迅速增加。6月末至8月末，溫度很高，土壤進入快速的礦化期［27］，微生物活動增強，土壤剩余的能源很快被耗竭。當能源不足時，微生物活動開始減弱，限制了微生物的生長繁殖。土壤微生物量在7月末下降到最低值，這種趨勢直到土壤得到外源能量供應或植物根系旺盛生長能夠提供較多有機物時才得到扭轉［28］。另外，大興安嶺地區屬于雨熱同期，采樣的6、7、8月中，都處于雨期，而3次采樣的樣地基本上都處于水淹狀態，水分過多導致大量土壤微生物死亡，使得土壤微生物生物量迅速下降。9月以后，隨著土壤溫度降低，微生物活性減弱，能源消耗減少，以及外界大量落葉、根系衰老和碳水化合物由地上向地下轉移，營養物質的輸入，導致土壤微生物量逐漸增加，重新于9月份達到較大值［29］。進入10月份后，土壤環境溫度迅速下降，凋落物分解速率下降，微生物種群隨著養分供應的減少及土壤溫度的降低開始緩慢下降。從表1可明顯看出，興安落葉松天然林土壤微生物生物量碳及氮的變化趨勢基本呈雙峰模式，即高(生長季初期)、低(生長季盛期)、高(生長季末期)的變化格局。

表1 興安落葉松林土壤微生物生物量碳、氮的季節動態變化

3.2 興安落葉松林土壤微生物生物量碳和氮的影響因子

Pearson相關分析表明，Cm與Nm呈顯著相關(P＜0.05)，Cm與土壤溫度(TS)呈顯著負相關(P＜0.05)，Cm與土壤有機碳(CS，O)和土壤全氮(NT)呈極顯著正相關(P＜0.01)，與土壤體積含水量(WS)、pH值沒有顯著的相關關系。Nmic與土壤有機碳(CS，O)和土壤全氮(NT)呈極顯著正相關(P＜0.01)，與土壤溫度(TS)、土壤體積含水量(WS)和pH值沒有顯著的相關關系(表2)。

表2 土壤微生物參數與土壤環境因子之間的相關系數

4 結論與討論

大興安嶺地區興安落葉松林森林生態系統的土壤微生物生物量碳和氮存在著顯著的季節變化格局，表現為秋季和春季土壤微生物生物量較高、生長季較低的格局。王國兵等［5］在綜合前人研究的基礎上，發現森林土壤微生物生物量的季節波動主要有夏高冬低型、夏低冬高型和干—濕季節交替循環型3種模式，這些變化類型主要與土壤溫度、土壤濕度、季節干—濕交替循環或與植物的生長節律等有關。本文研究結果與王國兵對北亞熱帶次生櫟林和火炬松(Pinus taeda L.)人工林土壤微生物生物量的研究結果相一致，即:季節性波動明顯，植物生長旺季維持在較低水平，而植物休眠季節維持在較高水平。

土壤微生物和植物之間雖然有一種互利關系，即植物為土壤微生物的生長提供碳源，而土壤微生物礦化有機養分供植物生長，但是它們對土壤中營養的利用屬于競爭關系。森林皆伐后(植物停止對養分的吸收)，導致土壤微生物生物量迅速増加［30］。Barbhuiya等［31］認為，植物在雨季對土壤養分的大量需求限制了土壤微生物對養分的可利用性，因此雨季土壤微生物生物量碳、氮較低;土壤微生物生物量碳、氮在雨季最低和在冬季最高，暗示了植物生長對養分的吸收與土壤微生物對體內養分的保持具有同步性，這有利于生態系統受到干擾后的恢復。Edwards等［32］研究發現，土壤微生物生物量在凍融循環的早期達到最大值，直到凍融循環的后期，土壤微生物生物量、土壤可溶解有機碳、氮還維持在一個較高水平，在土壤溫度穩定上升到0℃以上的前期，土壤可溶解有機碳、氮的活性突然急劇降低，然后土壤微生物生物量急劇降低，可能是植物根系對營養的競爭導致了土壤微生物庫的瓦解。上述研究對本文研究結果給出了很好的解釋。

土壤微生物生物量的季節性動態變化是一個復雜過程，不同森林生態系統土壤微生物生物量的季節變化不同［32－33］。而在同一生態系統，即使氣候條件相同、不同植被下土壤微生物生物量的季節變化也不同［11］。影響土壤微生物生物量碳季節波動的因子主要有土壤碳和氮的限制、殘留物和營養的輸入、土壤濕度以及土壤溫度等［34］。本研究結果表明:Cm與Nm呈顯著相關，Cm與土壤溫度(TS)呈顯著負相關，Cm與土壤有機碳(CS，O)和土壤全氮(NT)呈極顯著正相關。Nm與土壤有機碳(CS，O)和土壤全氮(NT)呈極顯著正相關。相關分析結果說明:在不同季節，土壤微生物生物量碳與氮的變化趨勢一致，且都與土壤總有機碳和土壤總氮呈極顯著正相關(表1)，這說明土壤有機質是影響土壤微生物生物量的重要因素［35］，有機質含量高，能為微生物在進行自身合成與代謝過程中提供足夠的碳、氮物質來源以及能量來源［36］。吳建國等［9］研究也發現，Cm和Nm都隨土壤有機碳的增加而增加。Allen［37］等也報道Cm和Nm與土壤碳、氮含量存在顯著相關關系。還有一些試驗結果表明，土壤微生物生物量碳在一年中的變化可能與土壤中植物根系分泌物的變化有關，說明土壤微生物的生長也可能受到土壤中有效碳和養分的限制。楊凱等［19］對落葉松人工林微生物生物量碳、氮的研究結果表明，微生物生物量碳、氮之間以及土壤微生物生物量碳、氮與土壤有機碳、全氮呈顯著正相關，而與土壤水分無相關性。劉占峰等［10］對人工油松(Pinus tabulaeformis Carr.)林土壤微生物生物量C、N研究結果表明，土壤微生物生物量C與土壤有機碳、全氮呈顯著正相關，都與本文的研究結果一致。王國兵等［5］的研究表明，北亞熱帶次生櫟林和火炬松人工林林下土壤微生物生物量碳與土壤溫度之間具有顯著的負相關關系，而與土壤濕度無顯著相關關系，也與本文研究結果一致。由于區域差異、生態系統差異以及干擾的影響，對影響土壤微生物生物量的原因也有很多研究提出了不同意見。Chen等［38］在對我國臺灣西部海岸沙丘森林生態系統中的研究發現，土壤微生物生物量碳、氮的波動主要與土壤濕度有關，溫度對土壤微生物生物量波動的影響很小。綜合看來，土壤溫濕度等環境因子固然重要，但不可否認的是，土壤養分狀況是影響森林土壤微生物生物量的最主要的因素。

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