廣州市農田生態系統土壤養分和微生物量的分布特征

賈昌梅　牛顯春　張冬梅

摘要：通過野外調查與室內分析，研究廣州市農田生態系統土壤養分和微生物量及其垂直分布特征。結果表明，廣州市土壤有機碳含量、全氮含量、全鉀含量基本呈現出一致性規律，依次表現為花都區>黃浦區、白云區>天河區，全磷含量在4個地區沒有顯著差異；通過變異系數分析可知，廣州市微生物量具有高度的空間變異性，而土壤全磷含量的變異系數最低，由此可知土壤微生物量是可以表征土壤肥力的敏感因子；線性回歸分析可知，廣州市土壤養分之間均具有良好的線性正相關性（P黃浦區、白云區>天河區；土壤微生物活度的變化范圍在0.41～0.69，依次表現為花都區>黃浦區>白云區>天河區；廣州市土壤微生物量碳周轉率高于氮周轉率，說明微生物量碳更新比微生物量氮快；廣州市土壤養分含量、微生物量隨土層深度的增加呈下降趨勢，表現出上肥下瘦的特點，均以0～10 cm土層（表層）最高，呈現出明顯的“表聚性”，20～30 cm土層基本相等，也即廣州市農田生態系統土壤養分和微生物量差異表現在土壤表層，在深層并沒有明顯的差異。相關性分析可知，廣州市土壤有機碳與全氮呈極顯著線性正相關（P<0.01），土壤養分和土壤微生物量均呈現出一定的相關性。

關鍵詞：廣州市；農田生態系統；土壤養分；土壤微生物量；分布特征

中圖分類號： S154.3；S606+.1 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）07-0446-06

土壤是生態系統中的重要組成部分，土壤養分在有機物質分解轉化過程中起主導作用，影響著土壤生態系統中的能量流動、物質循環，能夠反映土壤質量、健康狀況[1-3]；土壤微生物量能反映參與調控土壤中能量、養分循環以及有機物質轉化情況，被認為是土壤活性養分的儲庫，也是植物生長可利用養分的重要來源，在評價土壤肥力、環境監測、土地利用等方面有廣泛的作用[4-5]；土壤養分和微生物量是構成農田生態系統中農作物高產穩產的物質基礎，對農作物生長、發育及其產量有著直接影響[6-7]；與此同時，土壤養分、微生物量具有較大的時空尺度變化，受氣候、成土母質、成土條件、地區、栽培歷史等影響，導致土壤肥力差異較大，進而影響土壤養分、微生物量的分布、遷移[4，8]。

農田生態系統是在自然基礎上經人工控制形成的農業生態系統中的亞生態系統，是地球上最重要的生態系統之一，提供著全世界66%的糧食供給[9-10]。農田生態系統具有高度的目的性、開放性、高效性、易變性、脆弱性、依賴性等特點，在提供功能、支持功能、調節功能以及文化功能方面起著獨有的作用[11-12]。廣州市地處華南地區，是我國重要的農業生產基地，豐富的水熱資源為農業生產提供了良好的自然條件[13-14]，而近年來，廣州市農田生態系統土壤質量逐步退化，對該地區農業可持續發展產生了嚴重影響，而關于該區土壤養分、微生物生物量的變化研究還鮮見報道。因此，筆者所在課題組對廣州市農田生態系統土壤養分、微生物量及垂直分布開展系統研究，以期為有效地指導農業生產可持續發展提供科學依據，進而為該地區農業土地合理利用提供重要的決策依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

廣州市（109°39′～117°19′E，20°13′～25°31′N）位于廣東省中南部、珠江三角洲北緣，接近珠江流域下游入?？冢侨A南地區的中心城市，地勢呈北高南低，東、北部是山區，中部是丘陵、臺地，南部是珠江三角洲平原。該區屬南亞熱帶海洋性季風氣候，具有高溫多雨、干濕季節明顯的氣候特點，年平均氣溫21～22 ℃，最冷月均溫13～14 ℃，最熱月均溫28～29 ℃，≥10 ℃積溫6 000～8 000 ℃；年平均降水量1 600～2 000 mm，降水主要集中在4—9月，占全年的80%以上，10月至翌年3月為旱季，濕熱同期，雨量充沛；日照充足，年日照時間在1 800 h以上；地帶性土壤主要有紅壤、赤紅壤、磚紅壤。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集 根據廣州市土壤類型的分布特征，分別在天河區、白云區、花都區和黃浦區選定農田生態系統，農田均為水旱輪作式旱田。取樣時間為2015年7月，在每個采樣區內設置3個重復樣地，在每個樣地用小鋼鏟采集5點法取 0～10、10～20、20～30 cm土樣，混合均勻后，用4分法取適量土樣，采樣時除去土壤表面的動植物殘體，將所采土壤樣品充分混勻后用聚乙烯無菌塑料袋密封包好，并迅速帶回實驗室內進行分析測定。所取土樣分為2份：1份新鮮土樣過2 mm篩后測定土壤微生物量、微生物活度；1份自然風干（20 d）后去除碎片、部分根后過0.5 mm篩，測定土壤養分含量。

1.2.2 樣品測定 土壤養分含量的測定：土壤有機碳（SOC）含量采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定；土壤全磷（TP）含量用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測定；土壤全氮（TN）含量用全自動凱氏定氮法測定；全鉀（TK）含量采用火焰分光光度法測定；土壤微生物量碳（SMB-C）、微生物量氮（SMB-N）含量采用三氯甲烷熏蒸-K2SO4浸提法[15]測定。

土壤微生物的周轉按照高云超等的方法進行估算[16]，相應公式為：

式中：F為微生物量流通量，kg/（hm2·年）；ρ為采樣土壤密度，kg/m3；h為采樣深度，m。

土壤微生物活度的測定：采用改進的FDA法[15]。

統計分析：利用Excel 2007、SPSS 18.00軟件對數據進行分析；采用Origin 9.2作圖；進行單因素方差分析（one-way ANOVA）；顯著性分析采用LSD法。

2 結果與分析

2.1 廣州市農田生態系統土壤養分分布特征

2.1.1 廣州市農田生態系統土壤養分分布特征 由圖1可知，廣州市土壤有機碳、全氮、全磷、全鉀含量基本呈現出一致性規律，其中土壤有機碳含量的變化范圍為10.85～18.52 g/kg，依次表現為花都區>黃浦區>白云區>天河區，花都區顯著高于其他地區（P<0.05），天河區顯著低于其他地區（P白云區>黃浦區>天河區，花都區、白云區顯著高于天河區、黃浦區（P天河區>花都區>黃浦區，4個地區土壤全磷含差異均不顯著；土壤全鉀含量的變化范圍為18.56～25.49 g/kg，依次表現為花都區>黃浦區>白云區>天河區，花都區、黃浦區顯著高于天河區、白云區（P<0.05），花都區、黃浦區差異不顯著，天河區、白云區差異不顯著；土壤全磷含量的變異系數最低。

2.1.2 廣州市農田生態系統土壤養分的垂直分布特征 圖2從土壤剖面反映了廣州市土壤養分的垂直分布規律，可以看出：土壤有機碳、全氮、全磷、全鉀含量隨土層深度的增加呈下降趨勢，表現出上肥下瘦的特點；土壤養分含量均以0～10 cm 土層（表層）最高，呈現出明顯的“表聚性”；20～30 cm土層內土壤養分含量最低；10 cm土層以下土壤養分含量急劇下降，相同土層內土壤全量養分含量基本表現為花都區>黃浦區、白云區>天河區的規律，局部有所波動。廣州市土壤養分含量在20～30 cm土層基本相等，也即廣州市農田生態系統土壤養分差異表現在土壤表層，深層土壤養分含量并沒有明顯的差異。

2.2 廣州市農田生態系統土壤養分線性相關性

通過SPSS分析，將廣州市土壤養分數據進行線性擬合，經統計學檢驗得到擬合度R2、校正R2、顯著值（P值）、F值，并在0.05、0.01水平檢驗顯著性。結果表明，線性回歸均達到極顯著相關（P<001），各線性回歸關系成立。由表1可知，廣州市土壤有機碳、全氮、全磷、全鉀含量之間均存在極顯著正線性相關關系（P<0.01），表明廣州市土壤養分之間均具有良好的線性正相關性（P<0.01）。

2.3 廣州市農田生態系統土壤微生物量的分布特征

2.3.1 廣州市農田生態系統土壤微生物量分布特征 從圖3可以看出，廣州市土壤微生物量碳含量的變化范圍為423.6～658.9 mg/kg，依次表現為花都區>白云區>黃浦區>天河區，4個地區土壤微生物量碳含量差異均顯著（P黃浦區>白云區>天河區，天河區、白云

區差異不顯著，顯著低于花都區、黃浦區（P天河區>花都區>黃浦區，白云區顯著高于其他地區，天河區、黃浦區、花都區差異不顯著，土壤微生物量碳、氮的變異系數均較土壤養分的變異系數大。

2.3.2 廣州市農田生態系統土壤微生物量的垂直分布特征 從土壤剖面上看，圖4反映了廣州市土壤微生物量的垂直分布規律，可以看出：土壤微生物量碳、氮含量隨土層深度的增加呈下降趨勢，表現出上肥下瘦的特點；土壤微生物量碳、氮含量均以0～10 cm土層（表層）最高，呈現出明顯的“表聚性”；20～30 cm土層內土壤微生物量碳、氮含量最低；10 cm土層以下急劇下降，相同土層內土壤微生物量碳、氮含量基本表現為花都區>黃浦區、白云區>天河區的規律，局部有所波動。廣州市土壤微生物量碳、氮含量在20～30 cm土層基本相等，也即廣州市農田生態系統土壤微生物量碳、氮含量差異表現在土壤表層，在深層并沒有明顯的差異。

2.4 廣州市農田生態系統土壤的微生物周轉

土壤微生物周轉對土壤有機質、養分循環起著決定作用，對了解土壤養分供應潛力、植物養分的有效性有非常重要的意義。由圖5可知，天河區土壤微生物周轉率最低，微生物量碳周轉率為0.69年-1，周轉周期為1.13年，說明天河區土壤

微生物量碳為1.13年更新1次。由圖6可知，天河區微生物量氮周轉率為0.69年-1，周轉周期為2.56年，天河區土壤微生物量氮為2.56年更新1次。廣州市土壤微生物量碳周轉率高于氮周轉率，說明微生物量碳更新比微生物量氮快。

廣州市土壤微生物量碳、氮周轉基本呈現出一致性規律，其中土壤微生物量碳轉移量大小表現為花都區>黃浦區>白云區>天河區，4個地區差異均顯著（P花都區>白云區>天河區，黃浦區、花都區差異并不顯著；土壤微生物量碳周轉期排序為天河區>白云區>黃浦區>花都區；土壤微生物量碳流通量大小為黃浦區>花都區>白云區>天河區，4個地區差異均顯著（P黃浦區>白云區>天河區，花都區、黃浦區差異不顯著，顯著高于其他地區（P黃浦區>白云區>天河區，天河區、白云區差異并不顯著；土壤微生物量氮周轉期排序為天河區>白云區>黃浦區>花都區，白云區、黃浦區、花都區差異并不顯著，顯著低于天河區（P花都區>白云區>天河區，黃浦區、花都區差異并不顯著。

2.5 廣州市農田生態系統土壤微生物活度

由圖7可見，單因素方差分析結果表明，廣州市土壤微生物活度的變化范圍為0.41～0.69，表現為花都區>黃浦區>白云區>天河區，黃浦區、花都區差異不顯著，白云區、黃浦區差異不顯著，天河區顯著低于其他地區（P<0.05）。主要是由于天河區土壤肥力較低，導致活動區土壤微生物數量、酶活性降低，從而造成土壤微生物活度顯著較低。

2.6 廣州市農田生態系統土壤養分與土壤微生物量相關分析

由表2可知，土壤有機碳含量與全氮含量、全鉀含量、微生物量碳含量呈極顯著正相關（P<0.01），與全磷含量、微生物量氮含量呈顯著正相關（P<0.05）；土壤全氮含量與微生物量氮含量呈極顯著正相關（P<0.01），與全磷含量、全鉀含量、微生物量碳含量呈顯著正相關（P<0.05）；土壤全磷含量與微生物量氮含量呈顯著正相關（P<0.05）；土壤微生物量碳含量與微生物量氮含量呈極顯著正相關（P<0.01）。

3 討論與結論

土壤養分不僅能反映土壤“營養庫”中養分的貯量水平，而且能在一定程度上影響有效養分的供應能力[1-3]。本研究

中土壤系統內部因子處于動態變化和平衡中，通過變異系數分析可知，廣州市土壤微生物量具有高度的空間變異性，而土壤全磷含量的變異系數最小，即在相同的區域，其含量存在明顯差異，而土壤微生物量的變異程度高于土壤養分，由此可知土壤微生物量是可以表征土壤肥力的敏感因子；土壤微生物量庫的微小變化都會影響養分的循環和有效性，而結構良好、有機碳和水分含量較高的土壤能為土壤微生物活動提供優良的生境，有利于土壤微生物的生長[4-5]。農田生態系統主要是由于人為的大量施肥，造成水溶性養分含量增加，進而導致土壤微生物量的變異性較大，加上農田作物具有致密的淺層根系，能夠更好地富集土壤微生物量；而土壤全磷含量在不同區域差異并不顯著，主要是由于磷作為一種沉積性元素，其分解作用緩慢，因此其變化范圍和空間變異性較低[17-18]。

從土壤養分、微生物量的垂直分布特征來看，土壤養分、微生物量隨土層深度的增加呈下降趨勢，表現出上肥下瘦的特點，均以0～10 cm土層（表層）最高，呈現出明顯的“表聚性”，20～30 cm土層土壤養分和微生物量最低，10 cm土層以下急劇下降，相同土層內土壤養分和微生物量基本表現為花都區>黃浦區、白云區>天河區規律，局部有所波動。廣州市土壤養分、微生物量在20～30cm土層基本相等，即廣州市農田生態系統土壤養分、微生物量差異表現在土壤表層，在深層并沒有明顯的差異。在農業生產中，可以根據土壤養分、微生物量在土壤剖面的垂直分布特征，選擇適當的淺根系或深根系農作物進行種植，以充分利用土壤中養分。

大量研究表明，土壤有機碳與全氮呈顯著正相關[19-21]。本研究結果表明，廣州市土壤有機碳含量與全氮含量呈極顯著線性正相關性（P<0.01），土壤養分和土壤微生物量均呈現出一定的相關性，表明土壤有機質作為碳源和其他營養成分的來源，有利于微生物及酶活性的提高。土壤微生物活動和代謝進而影響土壤養分含量，它們可以看作相互作用和影響的地下有機整體，體現了地下生態系統各指標之間的統一性，也進一步證實土壤微生物量碳氮是可以作為表征土壤肥力的敏感因子，這與前人的研究結果[19-21]相一致。因此，要提高廣州市農田生態系統土壤肥力，則應該從提高土壤有機質含量、調節有機質的積累與分解入手。此外，由廣州市農田生態系統土壤養分和微生物量分布規律和特征可知，我們可以從中借鑒經驗，促進土地資源的管理及合理有效利用，在今后的土地利用中，大力推進秸稈還田、作物留茬，保證土壤養分的有效積累，促進農田土壤養分的恢復和利用。

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