土壤團(tuán)聚體微生物量對紫花苜蓿種植年限的響應(yīng)

海龍，姚拓，張文明

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730070;2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

土壤團(tuán)聚體是土壤中有機(jī)無機(jī)顆粒在膠結(jié)、凝聚作用及動植物活動的團(tuán)聚作用下形成的，是土壤結(jié)構(gòu)的基本組成單元[1]。土壤團(tuán)聚體對土壤通氣性，養(yǎng)分供蓄及抗侵蝕有重要影響，具有良好結(jié)構(gòu)的團(tuán)聚體有助于提高土壤質(zhì)量[2]。已有研究表明，不同粒徑團(tuán)聚體的理化性質(zhì)、供應(yīng)能力存在一定差異[3]，微生物特性也可能不盡相同。土壤微生物活動會對團(tuán)聚體的形成及不同粒級間轉(zhuǎn)換產(chǎn)生影響，此外微生物參與有機(jī)質(zhì)分解、腐殖質(zhì)形成、能量調(diào)控、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化循環(huán)等生化過程[4]。土壤微生物量大小可以反映土壤有機(jī)物質(zhì)的代謝強(qiáng)度及土壤肥力水平[5]，能敏感地指示土壤環(huán)境變化。其中微生物量碳是土壤有機(jī)質(zhì)中的活性部分，微生物量氮是氮素養(yǎng)分循環(huán)中的重要來源[6]，可作為評判土壤養(yǎng)分含量高低的生物學(xué)指標(biāo)。

黃土高原丘陵溝壑區(qū)由于其特殊的地理、氣候和土壤條件，土壤侵蝕、退化嚴(yán)重[7]，生態(tài)環(huán)境脆弱。不科學(xué)、不合理的人類活動導(dǎo)致水土流失、生態(tài)失衡等問題更加突出。紫花苜蓿是一種優(yōu)質(zhì)的豆科牧草，高產(chǎn)、營養(yǎng)價值豐富、蛋白質(zhì)含量高、抗逆性強(qiáng)，根系具有很強(qiáng)的根瘤固氮作用[8]，在優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu)、減少水土流失，恢復(fù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮著重要作用。由于其具有較好的抗旱固土能力，紫花苜蓿在黃土高原被廣泛種植，成為改善黃土高原生態(tài)環(huán)境的重要途徑[9]。然而隨著種植年限的增加，加之管理不善，紫花苜蓿地出現(xiàn)了土壤質(zhì)量及牧草品質(zhì)逐步退化，牧草產(chǎn)量下降等現(xiàn)象。目前國內(nèi)學(xué)者對紫花苜蓿做了大量研究工作[10-13]，主要集中在紫花苜蓿土壤水分動態(tài)變化、土壤理化特征等方面，而在團(tuán)聚體尺度上對苜蓿地土壤的生物學(xué)特征研究比較少。土壤團(tuán)聚體作為微生物活動的微場所，其中微生物量的變化能夠敏感地反映土地利用和管理上的差異[14]。通過研究不同種植年限紫花苜蓿草地土壤團(tuán)聚體中微生物量碳、氮分布特征，可為合理評價苜蓿種植的生態(tài)學(xué)效應(yīng)以及科學(xué)管理人工苜蓿草地提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地選在定西市隴西縣，該區(qū)是黃土高原半干旱丘陵區(qū)。平均海拔1 673 m，年日照時數(shù)2 751.4 h，年均氣溫9.3℃，極端最高溫39.1℃，最低溫-23.1℃，年均降水量445.8 mm，無霜期146 d。試驗(yàn)地土壤類型為黃綿土，近似于半干潤淡色始成土(Ustochnept)，相應(yīng)于FAO分類系統(tǒng)中的鈣積始成土(Calcic Cambisols)，土壤土層深厚，母質(zhì)為第四紀(jì)風(fēng)成黃土。

1.2 樣品采集

在野外實(shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上，采用空間分布代替時間序列的方法，綜合考慮坡向、坡位，采集自然生態(tài)條件相同，種植年限分別為3、7、12、18 a的紫花苜蓿草地樣本，種植面積均在200 m2以上。采用隨機(jī)取樣法設(shè)3個25 m2的典型樣方，每個樣方相同土層3個樣點(diǎn)組成一個混合樣。采集0～20、20～40 cm兩個土層原狀土柱樣品，裝入硬質(zhì)塑料盒中。基于從農(nóng)田更替為苜蓿草地，對照選取常規(guī)管理模式的農(nóng)田土壤并采集樣本。將土樣帶回室內(nèi)后，去除石塊和植物殘體等雜質(zhì)，沿自然結(jié)構(gòu)輕輕掰成直徑約1 cm的小土塊，自然風(fēng)干后分成兩個亞樣本。其中一個采用干篩法[15]分離出>5、5～2、2～1、1～0.25、<0.25 mm五級團(tuán)聚體，用作團(tuán)聚體分析，另一個過篩后供土壤有機(jī)碳的測定。

1.3 測定項目與方法

將干篩后的土壤樣品含水量調(diào)節(jié)至田間含水量的50%，于廣口瓶中25℃下密封預(yù)培養(yǎng)7 d，然后進(jìn)行微生物量碳、氮測定。

土壤微生物量碳(MBC)、微生物量氮(MBN)采用氯仿熏蒸-硫酸鉀浸提法[16]，MultiN/C 2100分析儀進(jìn)行測定，計算公式如下：

MBC=EC/KEC

MBN=EN/KEN

式中：EC為熏蒸與未熏蒸土壤浸提液中有機(jī)碳的差值，KEC=0.38；EN為熏蒸與未熏蒸土壤浸提液中總氮的差值，KEN=0.45。

土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳(TOC)測定采用外加熱重鉻酸鉀容量法[17]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel 2016軟件數(shù)據(jù)處理及圖表制作，通過SPSS 24.0軟件進(jìn)行單因素方差分析。圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植年限土壤團(tuán)聚體TOC分布特征

土壤團(tuán)聚體TOC含量在評價土壤養(yǎng)分儲蓄能力方面具有重要意義。0～20 cm土層，各粒級土壤團(tuán)聚體TOC含量均高于20～40 cm土層。0～20 cm土層，各粒級團(tuán)聚體TOC在>0.25 mm粒級中隨直徑的減小而逐漸增加，即在1～0.25 mm粒級團(tuán)聚體中含量最大，其含量達(dá)8.69～10.37 g/kg，而在>5 mm團(tuán)聚體中最小，為5.92～8.50 g/kg。隨苜蓿種植年限延長，TOC含量表現(xiàn)為12 a>18 a>7 a>3 a>CK，12 a與CK，3，7，18 a相比，增幅分別達(dá)19.38%～43.56%、10.44%～22.47%、9.20%～11.94%、3.63%～6.93%。20～40 cm土層土壤團(tuán)聚體TOC分布特征與0～20 cm一致，但變化幅度減小(圖1)。

圖1 不同種植年限土壤團(tuán)聚體TOC含量Fig.1 Distribution of organic carbon contents in soil aggregates with different alfalfa plantation years注：同一粒級不同小寫字母代表處理間差異顯著(P<0.05)，下同

2.2 不同種植年限土壤團(tuán)聚體MBC分布特征

0～20 cm土層，土壤團(tuán)聚體MBC含量在>5、5～2、2～1、1～0.25 mm粒級中依次呈遞增趨勢，<0.25 mm粒級中MBC含量最低，為110.26～174.04 mg/kg。隨種植年限延長，土壤團(tuán)聚體MBC含量呈現(xiàn)出增加后降低的變化趨勢，12 a團(tuán)聚體MBC含量達(dá)到最大，為174.04～343.96 mg/kg，是CK的1.56～1.79倍。20～40 cm土層土壤團(tuán)聚體MBC變化趨勢與0～20 cm一致，但變化幅度明顯減小(圖2)。

圖2 不同種植年限土壤團(tuán)聚體MBC含量Fig.2 Distribution of MBC contents in soil aggregates with different alfalfa plantation years

2.3 不同種植年限土壤團(tuán)聚體MBN分布特征

0～20 cm土層，各粒級土壤團(tuán)聚體MBN分布特征與MBC分布特征基本一致，表現(xiàn)為1～0.25 mm>2～1 mm>5～2 mm大于>5 mm，僅<0.25 mm粒級的MBN含量低于>5 mm。與CK相比，不同種植年限紫花苜蓿地土壤團(tuán)聚體>5mm、5～2 mm、2～1 mm、1～0.25 mm、<0.25 mm粒級的MBN含量分別增加5.83～14.33、3.95～12.95、6.29～23.99、3.02～22.32、1.47～5.16 mg/kg。其中，種植12 a 1～0.25 mm粒級MBN含量顯著高于其他年限，比CK高43.85%～91.72%，比7、18 a分別高11.09%～21.66%，6.24%～16.23%，7 a、18 a間無顯著差異。20～40 cm土層，MBN在1～0.25 mm團(tuán)聚體中分布最多，<0.25 mm團(tuán)聚體中分布最少，與表土層分布規(guī)律一致，但各粒級不同年限間土壤團(tuán)聚體MBN含量差異明顯變小，且含量均低于0～20 cm土層(圖3)。

圖3 不同種植年限土壤團(tuán)聚體MBN含量Fig.3 Distribution of MBN contents in soil aggregates with different alfalfa plantation years

2.4 不同種植年限土壤團(tuán)聚體微生物量碳氮比(MBC/MBN)分布特征

團(tuán)聚體MBC/MBN變化為5.27～7.17。0～20 cm土層，>0.25 mm各粒級團(tuán)聚體MBC/MBN高于<0.25 mm團(tuán)聚體，最大相差1.33倍。隨種植年限延長，MBC/MBN在>5 mm粒級團(tuán)聚體中呈現(xiàn)出先增加后下降的變化趨勢，7 a時為6.63，顯著高于CK和18 a，分別是CK和18a的1.18和1.14倍，而CK和18 a之間無顯著差異。其余各粒級不同年限與CK間無顯著差異。20～40 cm土層，MBC/MBN變化范圍為5.27～6.20，隨年限變化較為平緩，不同年限間無顯著差異，且MBC/MBN均低于表土層(表1)。

2.5 不同種植年限土壤團(tuán)聚體微生物熵(MBC/TOC)分布特征

0～20 cm土層，不同年限苜蓿草地土壤微生物熵均隨團(tuán)聚體直徑的減小呈先增加后降低的變化趨勢，1～0.25 mm粒級微生物熵為2.68%～3.33%，達(dá)到最大，而<0.25 mm粒級微生物熵最小，為1.29%～1.73%。隨著苜蓿種植年限的延長，<5 mm土壤團(tuán)聚體微生物熵呈現(xiàn)出先增高后降低的變化趨勢，12 a達(dá)到最大，其變化為1.73%～3.34%。20～40 cm土層，1～0.25 mm團(tuán)聚體微生物熵最高，各粒級不同年限間土壤團(tuán)聚體微生物熵差異不顯著。此外，20～40 cm土層團(tuán)聚體微生物熵均低于10～20 cm土層(表2)。

表2 不同種植年限土壤團(tuán)聚體中微生物熵

3 討論

土壤團(tuán)聚體中不同大小的孔隙為土壤微生物活動提供微環(huán)境，能影響土壤微生物量的分布[18]。微生物量碳、氮是土壤中易被利用的養(yǎng)分，不同粒級土壤團(tuán)聚體中微生物量碳、氮的分布可以敏感地反映土壤肥力變化。本研究表明不同粒級團(tuán)聚體中，土壤有機(jī)碳、微生物量碳、氮最大值均集中于1～0.25 mm較小團(tuán)聚體中，與劉毅等[19]研究結(jié)果一致。與大團(tuán)聚體相比，1～0.25 mm團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，有機(jī)、無機(jī)膠體結(jié)合從而固碳效果好，但也可被微生物分解利用，促進(jìn)微生物生長。李瑋等[20]研究表明，5～2 mm團(tuán)聚體中微生物量碳含量較高，榮勤雷等[21]研究表明，<0.25 mm團(tuán)聚體中微生物量碳、氮含量較高，這可能與植被類型、地理環(huán)境、管理方式等因素有關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)隨苜蓿種植年限延長，土壤團(tuán)聚體微生物量碳、氮含量表現(xiàn)為12 a>18 a>7 a>3 a>CK，表明退耕還草，種植牧草對土壤微生物生物量有明顯的促進(jìn)作用[22]。這可能與根系分泌物及微生物合成物質(zhì)在土壤中隨種植年限延長不斷積累，微生物活動更為活躍，代謝加快有關(guān)，但超過一定年限，苜蓿生長衰退，維持微生物活動的物質(zhì)減少，微生物量碳、氮開始下降。

微生物量碳氮比在一定程度上可以反映苜蓿種植年限對土壤微生物數(shù)量以及種群結(jié)構(gòu)的影響[23]，細(xì)菌C/N為5∶1，真菌為10∶1，放線菌為6∶1[24]。本研究中，不同年限各粒級團(tuán)聚體中MBC/MBN為5.27～7.17，表明土壤中微生物群落可能主要為細(xì)菌和放線菌。微生物熵主要用來表征土壤活性有機(jī)碳特征，反映碳的動態(tài)循環(huán)以及土壤質(zhì)量變化。土壤團(tuán)聚體微生物熵較大值集中于1～0.25 mm團(tuán)聚體中，說明1～0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳活性較高。隨種植年限增加，微生物熵先增加后減小，與薛冬等[25]研究結(jié)果一致。綜合微生物量碳氮比和微生物熵，種植苜蓿土壤團(tuán)聚體中微生物量比較豐富，土壤團(tuán)聚體中碳活性也較高。表明種植紫花苜蓿有利于改善土壤結(jié)構(gòu)，提高活性有機(jī)碳含量，增加土壤微生物生物量，促進(jìn)微生物活動，但種植年限超過12 a，土壤會發(fā)生一定程度退化。

4 結(jié)論

1)不同種植年限土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳，微生物量碳、氮，微生物熵在1～0.25 mm粒級中含量達(dá)到最大。隨紫花苜蓿種植年限延長，土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳，微生物量碳、氮，微生物熵均先增加后減少，12年生苜蓿草地含量最高。

2)不同年限土壤團(tuán)聚體中微生物量碳氮比和微生物熵在>0.25 mm團(tuán)聚體中較高。