云冷杉紅松混交林不同演替階段土壤微生物生物量碳與土壤蔗糖酶活性分析

劉振花

(阜新市林業局，遼寧 阜新 123000)

云冷杉紅松混交林不同演替階段土壤微生物生物量碳與土壤蔗糖酶活性分析

劉振花

(阜新市林業局，遼寧 阜新 123000)

通過對云冷杉紅松混交林不同演替階段(形成階段、發展階段、穩定階段和頂級群落)不同土壤層次土壤微生物量碳(MBC)含量和土壤蔗糖酶活性及各個階段土壤總有機碳、全氮、速效鉀和有效磷的研究，采用對比分析方法分析了土壤微生物量碳和土壤蔗糖酶活性與土壤總有機碳、全氮、速效鉀和有效磷之間的相關關系，結果顯示，土壤微生物量碳和土壤蔗糖酶活性與土壤總有機碳、全氮、速效鉀和有效磷之間均呈顯著正相關。

云冷杉紅松混交林；演替階段；微生物生物量碳；蔗糖酶活性

土壤微生物量碳(MBC)是指土壤中體積小于5～10 μm3活的微生物總量，在土壤有機質中，屬于較活躍的部分，易發生變化。土壤微生物量碳在土壤有機質庫中所占的比例很小，但卻是控制生態系統中碳、氮和其他養分流的關鍵[1]。土壤微生物量碳是推動有機質分解、轉化的動力，進入土壤的有機物質都需在微生物的作用下才能完成代謝過程[2]。已有研究表明，微生物量碳與有機碳的變化方向一致，二者顯著正相關。由于土壤有機碳的含量高，短期內難以檢測其變化大小，而微生物量碳周轉速率快，短時間內能夠測定其變化大小。研究表明，微生物生物量碳與有機碳比率變化可以指示土壤有機質變化[3]。

1 研究方法

1.1 研究地區自然概況

研究樣地位于黑龍江省伊春市涼水國家級自然保護區內。該地區地處小興安嶺山脈東南，屬溫帶大陸性季風氣候，冬季長，夏季短，太陽輻射量較小，年平均氣溫-0.3 ℃，年平均降水量約為680 mm，年平均蒸發量約為800 mm, 無霜期較短，為100～120 d。本區的地帶性土壤屬于暗棕壤，分布于大部分山地，占全區總面積的85%；在河流兩岸的階地上分布著草甸土，在河流兩岸的低洼地和山間谷地排水不良的地方分布著沼澤土和泥炭土。地帶性植被是以紅松為主的針闊混交林。常見的闊葉樹有紫椴(Tiliaamurensis)、青楷槭(Acertegmentosum)、花楷槭(Acerukurunduense)、蒙古櫟(Quercusmongolica)、擰筋槭(Acertriflorum)、千金榆(Carpinuscordata)、水曲柳(Fraxinusmandschurica)、黃波羅(Phellodendronamurense)等。下木有毛榛子(Corylusmandshurica)、胡枝子(Lespedezabicolor)、興安杜鵑(Rhododendrondauri-cum)、暴馬丁香(Syringareticulatavar.amurensis)等。草本植物的種類隨林齡的變化有所變化，主要以莎草科(Cyperaceae)、禾本科(Gramineae)、茜草科(Rubiaceae)以及菊科(Compositae)植物為主[4]。

1.2 土壤樣品采集

在涼水自然保護區內，選取立地條件相似的更新樹種(紅皮云杉、冷杉、紅松、白樺)的形成階段(30 a)、發展階段(50 a)、穩定階段(70 a)、頂級群落(原始林)4個林分類型，在每個林分類型中各設置3塊30 m×30 m標準地，每塊標準地按“S”形設置5個土壤剖面，分別取A層、B層和C層土壤，裝于塑料袋中做好標識。將土壤樣品分成2份，1份鮮樣去掉根系、石塊，過2 mm鋼篩后貯藏于4 ℃冰箱后供土壤微生物量碳的測定；另一份去掉根系、石塊并風干，風干土樣按照試驗用量分成3份，分別過0.149 mm、0.25 mm和2 mm土壤篩，過篩后用密封袋儲存，供土壤基礎物理化學指標和土壤蔗糖酶的測定。不同演替階段土壤肥力狀況見表1。

表1 云冷杉紅松混交林不同演替階段土壤肥力

1.3 分析方法

土壤微生物生物量碳的測定采用氯仿熏蒸法，即將鮮土樣放入抽真空干燥器中，用氯仿熏蒸24 h，抽干凈剩余氯仿之后，用0.5 molL-1K2SO4浸提土壤，浸提液直接在有機碳分析儀上測定[5]。

土壤蔗糖酶的測定用3,5-二硝基水楊酸比色法。即稱取2 g風干土于50 mL三角瓶中，注入15 mL 8%蔗糖溶液，加入5 mL pH5.5磷酸緩沖液和5滴甲苯。搖勻混合物后，放入37 ℃恒溫培養箱培養24 h。定時取出，迅速過濾。從中吸取濾液1 mL，注入50 mL容量瓶中，加入3 mL 3,5-二硝基水楊酸，并在沸騰的水浴鍋中加熱5 min，隨即將容量瓶移至再來水流下冷卻3 min。溶液因生成3-氨基-5-硝基水楊酸而呈橙黃色，最后用蒸餾水稀釋至50 mL，并在分光光度計上于波長508 nm處進行比色[6]。

為了消除土壤中原有的蔗糖、葡萄糖而引起的誤差，每一土樣須做無基質對照，整個實驗需做無土壤對照。

2 結果與分析

2.1 土壤微生物生物量碳的演變

由圖1可見，土壤微生物生物量碳含量隨著演替階段的進行而增加，進入穩定階段時，含量值最高，從穩定階段到頂級群落，含量稍有減少。A層和B層土壤微生物生物量碳的含量變化較C層明顯，C層各個演替階段的微生物量碳含量變化較為平緩，A層土壤微生物量碳的含量從形成階段的1 616.55 mgkg-1到穩定階段的2 170.92 mgkg-1，增長幅度為34.31%。B層形成階段的土壤微生物量碳含量為1 072.21 mgkg-1，穩定階段的微生物量碳含量為1 405.61 mgkg-1，C層的土壤形成階段和穩定階段的微生物生物量碳含量分別為553.84 mgkg-1和708.24 mgkg-1，增長幅度為27.88%。從不同土壤層次來看，土壤微生物量碳的含量大小順序依次是A層>B層>C層(圖1)。由于土壤表層土壤空氣比深層土壤空氣充足，土壤微生物絕大部分分布在土壤表層，因此，土壤A層的土壤微生物生物量碳含量遠遠大于B層和C層[7]。

圖1 云冷杉紅松混交林不同演替階段土壤微生物生物量碳的含量變化

2.2 土壤蔗糖酶活性的演變

蔗糖酶的演變與林地內的光照條件以及土壤空氣及熱量狀況有關，這是因為一方面這些因子會影響植物根系及土壤微生物種類；另一方面，不同光照條件和空氣狀況也會直接或間接影響土壤蔗糖酶的存在狀態與活性強弱[8]。本研究表明(圖2)，不同演替階段土壤蔗糖酶活性變化表層土比深層土明顯。A層土壤蔗糖酶活性從形成階段到發展階段降低顯著，而從發展階段到穩定階段提高程度達顯著水平(P< 0.05)，從穩定階段到頂級群落土壤蔗糖酶活性基本趨于穩定；B層和C層土壤蔗糖酶活性無顯著差異。這是由于A層土壤受光照影響顯著。隨著演替的進行，林內的郁閉度也發生變化，郁閉度導致的光照及其他因子的差異，影響根系及土壤微生物的活性，從而影響土壤有機質及營養元素的含量、有效性及其他理化性質，進而直接或間接地影響土壤蔗糖酶活性。從林分的郁閉度和土壤蔗糖酶活性的相關分析可得土壤蔗糖酶活性和林分的郁閉度呈負相關。

圖2 云冷杉紅松混交林不同演替階段土壤蔗糖酶活性的演變

2.3 土壤微生物生物量碳與土壤養分的相關關系

根據土壤微生物碳與總有機碳、全氮、有效磷和速效鉀之間的相關分析可以看出，土壤微生物量碳與上述土壤養分之間均呈極顯著正相關關系。這是由于土壤微生物一方面對土壤有機物質起分解作用，使有機物質轉化成有效養分，另一方面，土壤微生物量碳對土壤中的無機營養元素起到固定和保蓄作用，微生物量碳含量越高，土壤保肥作用越強，并使土壤養分趨于積累狀態。因此，土壤微生物量碳是植物礦質養分的源和匯，是穩定態養分轉變為有效態養分的催化劑[9]。已有研究表明，土壤微生物量庫的微小變化都會影響到養分的循環和有效性[9]。本研究結果表明，土壤微生物碳含量與土壤總有機碳、全氮、有效磷和速效鉀含量間呈極顯著正相關(P< 0.01)(圖3)。Smith等研究表明[10]，微生物C、N、P、S與土壤有效C、N、P、S之間存在著某種動態平衡，這說明土壤生物碳指示土壤肥力動態變化比土壤有機碳更加靈敏，可以用來反映土壤肥力的動態變化[11]。因此，土壤微生物量碳可以作為云冷杉紅松混交林林地土壤養分狀況的指標。

圖3 土壤微生物生物量碳與土壤養分的相關關系

2.4 土壤蔗糖酶與土壤養分的相關關系

從圖4可以看出，土壤蔗糖酶活性與土壤總有機碳含量、土壤全氮量、土壤速效磷含量和土壤速效鉀含量均表現出正相關關系，其中與土壤總有機碳、全氮量和速效鉀均達到了極顯著相關(相關系數分別為0.947 8、0.957 8和0.917 7)，與土壤速效磷也達到了顯著相關(相關系數為0.898 5)。

圖4 土壤微生物量碳與土壤養分的相關關系

圖5 土壤蔗糖酶活性與土壤活性有機碳的相關關系

2.5 土壤微生物量碳與土壤蔗糖酶的相關關系

由圖5可以看出:土壤蔗糖酶與土壤微生物量碳(MBC)的相關系數為0.955 1(P<0.01)，這說明土壤蔗糖酶在云冷杉紅松混交林的演替過程中，與土壤微生物量碳呈現出正相關關系。

3 結論

土壤微生物生物量碳的含量A層和B層變化較C層明顯，C層各個演替階段的微生物生物量碳含量變化較為平緩，A層土壤微生物生物量碳的含量從形成階段的1 616.545 mgkg-1到穩定階段的2 031.57 mgkg-1，增長幅度為25.67%。B層和C層的土壤微生物生物量碳含量分別為1 926.39 mgkg-1和2 170.92 mgkg-1。A層蔗糖酶活性在發展階段較形成階段有所下降。B層和C層土壤蔗糖酶活性在整個演替過程中均無顯著差異。研究表明，土壤蔗糖酶活性與土壤總有機碳含量、全氮量、有效磷和速效鉀均表現出正相關關系，因此土壤蔗糖酶活性越高，越有利于土壤養分的積累。

[1] 徐秋芳,姜培坤,沈泉.灌木林與闊葉林土壤有機碳庫的比較研究[J].北京林業大學學報,2005,27(2):182-221

[2] 沈宏,曹志洪,徐志紅.施肥對土壤不同碳形態及碳庫管理指數的影響[J].土壤學報, 2000,37(2):166-173

[3] Wander M M, Traina S J, Stinner B R, et al.The effects of organic and conventional management on biologically active soil organic matter fraction[J].Soil Sci Am J, 1994, 58: 1130-1139

[4] 中國科學院南京土壤研究所.土壤微生物量碳的研究方法[M ].北京：科學出版社，1985:36-46

[5] 何友軍，王清奎，汪思龍,等.杉木人工林土壤微生物生物量碳氮特征及其與土壤養分的關系[J].應用生態學報，2006, 17(12):2292-2296

[6] 高祥斌.森林土壤化學性質與土壤酶活性典型相關分析[J].四川林勘設計,2006(3)：16-19

[6] 劉振花，陳立新，王琳琳.紅松闊葉混交林不同演替階段土壤活性有機碳的研究[J].土壤通報, 2009,45(5):1098-1103

[8] Carter M R, Rennie D A.Dynamics of soil microbial biomass N under zero and shallow tillage for spring wheat, using15N-urea.Plant Soil, 1984,76: 157-164

[9] Coleman D C, Reid CPP, Cole C V.Biological strategies of nutrient cycling in soil systems.AdvEcolRes, 1983(13): 51-55

[10] 周禮愷.土壤酶活性的總體在評價土壤肥力水平中的作用[J].土壤學報,1983,20(4): 413-417

[11] 關松蔭.土壤酶及其研究法[M].北京:農業出版社，1986

Microbial Biomass Carbon and Soil Invertase Activity of Mixed Stands ofPiceakoraiensis,AbiesfabricandPinuskoraiensisin Different Succession Stages

Liu Zhenhua

(Forestry Bureau of Fuxin City, Fuxin 123000,China)

The content of soil microbial biomass carbon (MBC) in different soil layers, soil invertase activity, total organic carbon (TOC), total nitrogen, available potassium, available phosphorus at all stages in different succession stages (the formation stage, stage of development, stability phase and climax community) of mixed spruce-fir-larch stands were studied.The correlation among MBC, soil invertase activity, TOC, total nitrogen, available potassium, and available phosphorus were analyzed.Result shows that：MBC, soil invertase activity, TOC, total nitrogen, available potassium, available phosphorus show significant positive correlation.

mixed forest of spruce-fir-larch;succession stages;microbial biomass carbon (MBC);invertase activity

1005-5215(2015)01-0013-04

2014-10-11

劉振花(1982-)，女，山東膠南人，碩士，工程師，從事林改工作.

S725.2

A

10.13601/j.issn.1005-5215.2015.01.005