不同修復模式邊坡土壤微生物量季節動態

張琳瑤 杜祥運 劉大翔

摘要：通過對四川省向家壩工程擾動區3種不同坡位土壤微生物量碳（MBC）和氮（MBN）含量進行季節動態監測，對其主要影響因子進行相關性分析，揭示土壤微生物量的季節變化特征及其主要影響因子。結果表明：3種邊坡MBC、MBN含量排序為天然林>植被混凝土>客土;土壤MBC、MBN表現出較高的空間異質性;土壤MBC含量與有機碳含量、全氮含量及含水量呈極顯著正相關（P<0.01），土壤MBN含量與有機碳、全氮及微生物量碳含量呈極顯著正相關（P<0.01），與pH值呈極顯著負相關（P<0.01）。研究區土壤微生物量的季節變化可能與氣候條件、植物生理過程、土壤環境因子、養分資源有關。

關鍵詞：修復模式;土壤微生物量碳;土壤微生物量氮;空間異質性;季節動態

中圖分類號： S154.3;X53 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）13-0320-05

在土壤生態系統中，土壤微生物量盡管只占小于 5 000 μm3 土壤體積，但既是養分的庫，又是養分的源，作為土壤中極為活躍的因子，參與了有機質分解以及腐殖質的形成等諸多生態過程，對陸地生態系統的能量流動以及碳氮循環有著重要的意義，并且影響了生態系統中的植物營養土壤結構和土壤肥力等變化，能綜合反映土壤質量狀況[1-2]。在土壤碳氮循環過程以及對自然和人為干擾的響應中，土壤微生物量能準確反映出微生物群落在土壤中的實際意義和作用潛力，被認為是土壤環境質量的靈敏生物指標[3]。土壤生態系統中土壤微生物量季節性波動模式復雜，受多種生態因子綜合作用的影響，主要與土壤中可利用碳和養分資源的限制、植物生長節律、土壤溫度及土壤濕度等因素有關[4-5]。而在邊坡生境中，地形因素可以通過影響土壤的微氣候、土壤的理化性質、植被的生長以及地下碳輸入等途徑影響土壤微生物的生長及生物量[6-7]。

近年來，我國大力加強大型水利水電工程的建設，而在大型工程建設的同時伴隨如大規模土石開挖形成高陡邊坡、碎渣堆棄、改變地形及掩埋原有植被等，解決此類生態環境問題一般須要采用人工修復方式[8]。而我國西南地區是典型的干熱河谷地帶，水利資源豐富，山高坡陡溝壑縱橫，是國家水利水電重點規劃與開發區。大型水利水電工程的興建必然會對工程區極其脆弱的生態環境產生嚴重的干擾，導致生態系統退化、物種多樣性喪失、滑坡、水土流失等一系列嚴重的生態環境問題[8-9]。目前，常采用人工方式修復被毀損的陸地植被[10]。相關研究大多集中于先鋒物種生理特性[11]、修復后不同修復土壤在同一地區肥力的對比分析[8]和生態環境監測與評價[12]，對恢復生態系統微生物生物量的研究主要集中在農業措施和環境條件[13-15]上，而對工程擾動區不同修復土壤中微生物量季節動態研究鮮有報道。

因此，本研究選取西南地區大型水利水電站——向家壩水電站工程擾動區不同恢復模式邊坡，進行土壤微生物碳氮含量的季節動態研究，以期了解不同生境土壤微生物量碳、氮含量及其季節變化，并從土壤微生物量角度分析不同生境土壤肥力狀況，為工程擾動區人工植被修復技術的篩選和應用提供一定的理論基礎。

1 研究地點與研究方法

1.1 研究地域概況

金沙江向家壩水電站位于滇東北最北端，地處金沙江與橫江交匯的三角地帶，地理坐標位于28°22′15″～28°39′16″N、104°03′27″～104°25′25″E之間。該地區屬南亞熱帶干熱季風氣候，是典型的干熱河谷地區，干熱少雨，干濕季分明。年均氣溫21～23 ℃;年均降水量896.2 mm，其中6—11月降水量占全年降水量的90%以上，年蒸發量在2 500～3 000 mm;年均相對濕度為81%左右;年日照時數2 200 h左右。

1.2 研究方法

于2014年3—12月期間，選取金沙江向家壩水電站工程擾動區的1個天然林邊坡作（對照）、1個植被混凝土基材邊坡、1個客土噴播邊坡這3個代表性邊坡樣地為研究對象（表1）。植被混凝土邊坡2005年施工，人工修復土壤為當地開挖原土壤、腐殖質、復合肥、水泥、混凝土綠化添加劑和保水劑的混合物[16]。客土噴播邊坡2004年施工，人工修復土壤為當地開挖原土壤、腐殖質及復合肥的混合物[17]。

1.3 數據處理

數據經Excel 2007整理后，采用SPSS統計分析軟件進行單因素方差分析（ANOVA）方法分析，再用Pearson分析方法進行相關性分析。

2 研究結果與分析

2.1 土壤微生物量碳時間動態

如圖2所示，天然林、植被混凝土和客土噴播土層下坡位土壤微生物量碳（MBC）含量的變化具有明顯的季節動態（P<0.05），在整個生長季內，天然林、植被混凝土和客土噴播MBC含量均呈現先上升后下降的變化動態，在9月時出現峰值，四季MBC含量變幅分別為462.69～694.04、210.35～567.85、168.25～420.63 mg/kg，除9月外，天然林MBC在四季均顯著高于植被混凝土、客土噴播，是植被混凝土、客土噴播的1.22～2.50、1.65～3.13倍。

如圖3所示，中坡位土壤MBC含量的變化具有明顯的季節動態（P<0.05），3種邊坡生境MBC含量呈現先上升后下降的趨勢。其中，天然林MBC峰值出現在6—9月;植被混凝土峰值出現在9—12月;客土噴播出現在9月。在整個生長季內，天然林中坡位土壤MBC含量（231.35～630.95 mg/kg）是植被混凝土（210.32～420.63 mg/kg）、客土噴播（168.25～483.73 mg/kg）含量的1.10～2.00、 1.30～2.30倍。

如圖4所示，上坡位土壤MBC含量的變化具有明顯著的季節動態（P<0.05），3種邊坡生境MBC含量呈現先上升后下降的趨勢，其中天然林和指標混凝土在9月出現峰值，客土噴播峰值出現在9—12月。在整個生長季內，植被混凝土上坡位土壤MBC含量是天然林、客土噴播含量的1.05～1.25、1.33～1.67倍。

將各邊坡所對應不同坡位、不同季節的土壤MBC含量求和后計算，得出不同類型邊坡土壤MBC含量的平均值。如圖5所示，天然林、植被混凝土和客土噴播土壤MBC含量均值分別為476.72、368.05、280.42 mg/kg。天然林的MBC坡位均值最高，分別是混凝土、客土的1.30、1.70倍;客土噴播的MBC含量均值最低，是植被混凝土的0.76倍。

2.2 土壤微生物量氮時間動態

3種邊坡生境下坡位土壤MBN含量的變化具有明顯的季節動態，結果如圖6所示，在整個生長季內，天然林、植被混凝土和客土噴播MBN含量均呈現逐步上升的變化動態，且在12月出現峰值，四季變幅較大，分別為20.74～35.26、9.68～13.83、6.91～11.75 mg/kg，且不同樣地之間差異顯著，天然林MBN含量在四季均顯著高于植被混凝土和客土噴播，是植被混凝土、客土噴播的1.57～2.50、1.83～5.00倍。

天然林與客土噴播生境中坡位MBN含量的變化具有顯著的季節動態，如圖7所示，2種生境MBN含量變化趨勢與上坡位大體一致，呈現逐步上升的趨勢，在12月出現峰值，MBN含量的變幅為20.74～37.33、8.30～10.37 mg/kg，植被混凝土生境MBN含量變幅為8.30～14.52 mg/kg。天然林生境MBN含量在四季均顯著高于植被混凝土和客土噴播，天然林中坡位MBN含量是植被混凝土、客土噴播含量的1.43～3.50、2.5～3.60倍。

客土噴播生境上坡位MBN含量變幅為8.30～14.52 mg/kg。天然林、植被混泥土生境MBN含量的變化具有顯著的季節動態，如圖8所示，2種生境邊坡MBN含量變化趨勢與上坡位大體一致，呈逐步上升的趨勢，變幅為20.74～37.33、6.22～12.44 mg/kg，在整個生長季內，天然林生境較植被混凝土、客土噴播2種生境上坡位土壤存在顯著性差異，天然林生物量氮含量在四季均顯著高于植被混凝土、客土噴播，其上坡位MBN是植被混凝土、客土噴播含量的2.17～3.60、2.50～3.40 倍。

將各邊坡所對應不同坡位、不同季節的土壤MBN含量求和后計算，得出不同類型邊坡土壤MBN含量平均值。如圖9所示，天然林、植被混凝土、客土噴播土壤MBN含量平均值分別為28.86、11.75、10.20 mg/kg。天然林的MBN含量平均值最高，分別是混凝土、客土的2.46、2.83倍;客土噴播MBN含量坡位平均值最低，是植被混凝土的0.87倍。

2.3 土壤微生物量含量與土壤環境因子相關性

土壤微生物量碳、氮含量與土壤環境因子相關分析（表2）表明，土壤MBC含量與有機碳含量、全氮含量及含水量呈極顯著正相關（P<0.01）;土壤MBN含量與有機碳含量、全氮含量及微生物量碳含量呈極顯著正相關，與pH值呈極顯著負相關。

3 討論

3.1 不同修復類型土壤微生物量的差異

土壤微生物量作為土壤環境質量的生物指標[3]，可以靈敏地反映環境因子變化，對不同土地利用方式和生態功能的變化作出評價[20]。本研究中MBC、MBN含量的范圍分別為168.25～694.04、6.22～37.33 mg/kg，天然林MBC、MBN含量大多都顯著大于植被混凝土和客土噴播，植被混凝土MBC、MBN含量大于客土噴播，但有時差異不顯著。總體來看，植被混凝土肥力水平略優于客土噴播，低于天然林。

土壤微生物量的變化極為復雜，并受土壤理化性質、土壤利用方式及植被類型差異等的影響。對于同一氣候條件下不同區域的同種、異種土壤，其土壤內凋落物、根活性及微氣象因子也明顯不同，這使得這些區域的土壤微生物量也會存在一定差異[21-23]。薛萐等研究發現，人工林生境的MBC含量顯著低于自然林生境[24]，人工刺槐林雖然可以顯著增加土壤MBC含量，但仍顯著低于該區頂級群落的土壤MBC[25]，本研究結果與之一致。植被混凝土與客土噴播作為人工技術修復邊坡，一方面人工修復邊坡由于修建時間短，植被演替時間也較短于天然林樣地，植被多樣性與空間格局都遠不及天然林樣地。張于光等研究發現，即使土壤性質相似，不同植物群落能夠維持的微生物量差異也較大，其中歸還土壤的植物殘體數量和質量不同，也是造成土壤有機碳、土壤微生物量差異較大的原因之一[26]。另一方面人工技術修復邊坡中為了使邊坡結構穩定加入了一些物料，這些也可能不利于土壤微生物的生長和繁殖[27]，導致其土壤微生物量較低于天然林邊坡。而植被混凝土中添加的綠化添加劑等物料能適當提高土壤中微生物量含量，使得植被混凝土微生物量略高于客土噴播。進一步說明植被類型、土地利用方式是影響土壤微生物量的重要因素。

3.2 不同修復類型土壤微生物量碳氮含量的季節變化

土壤微生物量受季節影響明顯，這不僅與植物生長節律的自身因素有關，還與氣候條件、土壤環境因子及可利用碳和養分資源的賦存環境有關[28]。向家壩工程擾動區3種邊坡土壤微生物量碳含量存在明顯的季節變化，且3種邊坡變化趨勢基本一致，表現為MBC含量在秋夏季高于春冬季，峰值出現在9月，這與之前的研究結果[5，29-31]一致。土壤MBC含量與有機碳含量、全氮含量以及含水量呈極顯著正相關，說明土壤有機碳含量、全氮含量以及含水量可能是影響本研究區土壤微生物量碳含量季節變化的主要因子，與大多數研究結論[15，32]相同。直接調控森林土壤MBC含量及其季節變化的主導因子不是土地利用方式或地上植被類型，而可能是由于5—9月土溫升高、降雨增多使得植物生長旺盛、根系活動能力的增強，根系分泌物含量增加，植物根系的影響又造成土壤有機碳礦化作用增大，進一步形成了利于微生物生長的環境，加上土壤微生物本身的活性隨溫度而增加，分解利用能源物質的速率加快，維持了較快的周轉速率，這些綜合因素最終使得土壤微生物量在該段時間出現峰值。

微生物量氮含量也存在明顯的季節變化規律，但天然林與2種人工修復邊坡變化趨勢不同，表現為天然林MBN含量在春季最低，隨著植物的生長MBN含量逐漸增加，而植被混凝土邊坡與客土噴播邊坡則表現為MBN含量在春夏季較低，其他季節中MBN含量相對穩定，這與Franzluebbers等的研究結果[32-33]一致。筆者猜測，雨熱同季的環境影響了土壤溫度和濕度以及能源物質的輸入，為微生物提供了良好的代謝環境，促進了其生長和繁殖。之后，隨著土壤溫度下降，光照時間減少等因素，不同植被類型下的土壤微生物群落組成受到影響，使不同邊坡類型下MBN含量的季節變化趨勢的不同。

3.3 不同邊坡坡位的土壤微生物量的差異

眾多的環境因子中，邊坡地形因子影響了光、熱、水、土的分布狀況，也可導致土壤微生物量發生季節變化[34]。本研究發現，不同季節坡位間MBC、MBN含量存在明顯差異，這與張地等運用通徑分析模型得到的不同坡位間土壤MBC無顯著差異的結果[35]不一致，但與許多研究[36-37]一致。由于不同生境的主要影響因子不同，而土壤微生物量通常受這些因子的交互影響，使得土壤微生物量的季節變化存在差異[38]。白愛芹等在對微地形對土壤微生物特性的影響研究中指出，坡度、坡向影響了土壤養分和水分條件，進而影響了土壤微生物的生物量，使得坡地土壤MBC含量低于平地土壤，使得南坡和西坡土壤MBC含量顯著不同[36]。張地等發現，草本豐富度在下坡位對土壤微生物量的負作用突顯，而含水量和土壤有機碳含量是影響上坡位和中坡位的主要因素[35]。而秦華軍等認為，調節土壤微生物量碳氮含量沿坡位梯度變化的主要生態因子是過氧化氫酶等酶活性，因而土壤MBC含量在下坡與上坡間差異顯著[37]。各邊坡在不同時期內MBC與MBN含量沿坡位變化沒有明顯規律，沒有出現明顯的在坡底富集和坡面流失的趨勢，表現出較高的空間異質性，這可能是因為所選取坡地均屬于公路兩側的人工修復邊坡，其坡度較大且厚度只有10～20 cm，而研究區域多雨和濕潤氣候，長期的沖刷侵蝕作用使許多礦化產物隨著地表和地下徑流由高處向坡腳淋洗遷移，組內異質性較為明顯，加上在較小尺度下取樣，土壤微生物對于環境反應敏感，致使MBC、MBN含量在沿坡位梯度上分布無明顯規律。由于本試驗沒有對凋落物、微生物群落、溫度以及速效養分分布進行研究，因此，關于在不同季度下對MBC、MBN含量分布格局沿坡面的響應有待進一步研究。

4 結論

天然林MBC、MBN含量平均值分別是植被混凝土的 1.30、2.46倍，是客土1.70、2.83倍，植被混凝土MBC、MBN含量均高于客土噴播，植被混凝土修復邊坡肥力水平高于客土噴播而低于天然林。

3種邊坡MBC、MBN含量隨季節變化的趨勢基本一致，且季節差異明顯，表現為MBC含量在秋夏季高于春冬季，峰值出現在9月，MBN含量在秋冬季高于春夏季。表明向家壩工程擾動區土壤微生物生物量碳、氮含量存在明顯的季節變化格局差異和空間異質性。

土壤MBC、MBN含量沿坡面空間分布規律性不明顯，表現出較高的空間異質性。其中，土壤MBC、MBN含量與有機碳、全氮含量呈極顯著正相關，土壤MBC含量與含水量呈極顯著正相關。

土壤微生物量碳、氮含量的季節性變化可能受不同機制的驅動，與氣候條件、植物生理過程、土壤環境因子與可利用碳和養分資源有關。其中，植被類型與修復模式會引起微生物量氮含量季節性變化差異。

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