不同枯落物添加量和處理方式對草地土壤微生物量碳的影響

杜會石，王良玉，陳智文

（吉林師范大學生態環境研究所，吉林四平136000）

陸地碳循環是全球碳循環的重要組成部分，關系到陸地生態系統生產力的形成，也影響到整個地球系統的能量平衡［1－2］。微生物作為陸地生態系統的主要分解者，在獲取資源建構自身生物量的同時，驅動著生態系統物質和能量的流通，調控著碳和養分在土壤－植物－大氣連續體間的循環，進而影響生態系統的結構與功能［3－5］。土壤微生物量碳是土壤中體積＜5 000μm3活體和死亡微生物體內碳的總和。草地是陸地生態系統的一個重要組成部分，土壤微生物在草地生態系統有機質分解轉化過程中起主導作用［6］。草地微生物量碳是土壤有機質中最活躍的組分之一，能夠敏感地反映土壤生態系統水平的微小變化［7］。目前，有關草地微生物量碳的研究逐步引起了學者的關注，并取得了一定的成果，如不同草地類型土壤微生物量碳隨海拔高度的降低和草地荒漠化程度的加劇而降低［8］；高寒草地土壤微生物量碳隨土層深度的增加而減少［9］；對草場采用放牧、補播、刈割、圍欄等不同管理措施可影響枯落物分解［10－14］，而向土壤微生物提供可利用碳的數量和質量，可刺激群落活性，進而又影響土壤微生物量碳含量［15］。但已有研究尚未關注不同枯落物添加量與處理方式對微生物量碳的影響問題。為了探究溫帶典型羊草草地土壤微生物量碳含量特征，選擇中國科學院東北地理與農業生態研究所長嶺草地農牧生態實驗站樣地為研究區，開展不同枯落物添加量和處理方式對不同深度土壤微生物量碳的影響研究，以期為陸地生態系統碳循環研究提供科學參數。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

樣地位于吉林省長嶺縣，中國科學院東北地理與農業生態研究所長嶺草地農牧生態實驗站（123°31′18″E，44°33′29″N）（圖1）。該實驗站2009年建立，地勢以低平原為主，海拔145 m，有帶狀沙丘分布，屬中溫帶半干旱半濕潤季風氣候，年均氣溫4.9℃，≥10℃有效積溫2 919℃，年均降水量310～480 mm，降水集中在6—9月。該區地處農牧交錯帶，土壤類型有風沙土、草甸土、堿土、鹽土等，pH值為 7.5～10.0，低平原植被為草甸，沙丘上分布有稀樹疏林。主要建群種或優勢種有羊草（Leymus chinensis）、虎尾草（Chloris virgata）、鹽地堿蓬 （Suacda salsa）、狗 尾 草 （Setaria luescens）和 猩 猩 草（Puccinellia tenuiflora）等。

1.2 試驗設計

試驗樣地采用裂區設計，各區組內小區面積為16 m×16 m，各枯落物添加處理隨機布置在小區中，分別為0添加量處理、200 g／m2枯落物添加量、400 g／m2枯落物添加量。枯落物添加時間為2010年5月初。

枯落物添加之前，每個小區再裂區為4個亞小區，4個處理被布置在這4個亞小區中。其中，“種”代表2010年5月初枯落物添加之前補播羊草（補播種子量2 000粒／m2），與之對應的“未種”代表未補播羊草；“留”代表在每年秋季保留當年地上生物量，與之對應的“割”代表在每年秋季刈割掉當年地上生物量（留茬高度3 cm）。4種播種處理方式分別用“Z”“W”“L”“G”表示。

利用襯管式直壓原狀土取土器于0、200、400 g／m2枯落物樣地采集0～40 cm土樣（鉆孔直徑2.5 cm），各小區4點采樣。土壤樣品采集時間為2015年11月8—9日。

1.3 試驗步驟與方法

土壤微生物量碳采用三氯甲烷熏蒸浸提法測得，步驟為鮮土去可見植物殘體后過2 mm篩，調節土壤含水量至田間持水量40%，于25℃培養4～7 d。濕土6份（各含50 g干土）加入 100 mL玻璃瓶中，用200 mL 0.5 mol／L的 K2SO4浸提。其他土樣放入干燥器中，加無乙醇三氯甲烷、濕濾紙條。抽真空，至三氯甲烷暴沸2 min以上，將其放入25℃黑暗處24 h后，將三氯甲烷完全抽干。加 200 mL 0.5 mol／L K2SO4，振蕩30 min后過濾。熏蒸與未熏蒸土壤樣品濾液中總碳（TC）與總氮（TN）用總CN分析儀850℃ 燃燒測定。

經檢驗，繪制的碳標準曲線接近于1，可信度較高。通過微生物量碳計算公式得出土壤微生物量碳含量［16］：

式中：MB－C是微生物量碳，單位mg／kg；C0是未熏蒸土樣總C濃度，單位為mg／L；CE是熏蒸土樣總C濃度；1 000是轉換 kg的系數；V是0.5mol／LK2SO4溶液體積，單位為L；m是土壤樣品的烘干質量，單位為g；KEC是培養期間被殺死的微生物體中的碳被浸提出來的比例，取值0.38。

1.4 數據處理

數據利用SPSS 17.0進行數理分析，對不同添加量、不同處理和不同深度之間微生物量碳的差異進行方差分析，顯著性水平為 0.05。

2 結果與分析

2.1 0 g／m2枯落物添加量土壤微生物量碳特征

0 g／m2枯落物添加量下，各處理土壤微生物量碳含量均隨深度增加而減少。0～10 cm土壤剖面深度ZL處理土壤微生物量碳含量最高，為309.69 mg／kg，WG處理含量最低，為206.74 mg／kg，4種不同處理方式的土壤微生物量碳含量均在200 mg／kg以上，不同處理間土壤微生物量碳含量無顯著差異（P＞0.05）；10～20 cm ZL處理土壤微生物量碳含量高達121.93 mg／kg，WG處理土壤微生物量碳含量最低，二者相差72.08 mg／kg，WL、ZL、ZG顯著高于 WG（P＜0.05）；20～30 cm 4種處理土壤微生物量碳含量依次為ZG＞ZL＞WG＞WL，ZG顯著高于其他3種處理（P＜0.05）；30～40 cm各種處理土壤微生物量碳含量依次為WG＞ZL＞ZG＞WL，WG、ZL、ZG土壤微生物量碳含量顯著高于WL（P＜0.05）（圖2－A）。同一處理不同深度間土壤微生物量碳含量具有差異，WL處理0～10 cm顯著高于20～30、30～40 cm（P＜0.05），WG和ZL處理0～10 cm與10～20、20～30、30～40 cm差異顯著 （P＜0.05）；ZG處理0～10 cm土壤微生物量碳含量顯著高于30～40 cm（P＜0.05）（圖3－A）。

2.2 200 g／m2枯落物添加量土壤微生物量碳特征

200 g／m2枯落物添加量下，各處理土壤微生物量碳含量隨深度變化規律與0 g／m2枯落物添加量一致。0～10 cm ZL和WG處理微生物量碳含量分別出現最高值與最低值，為338.26 mg／kg和 234.32 mg／kg，各處理土壤微生物量碳含量均在230 mg／kg以上，不同處理間土壤微生物量碳含量無顯著差異（P＞0.05）；10～20 cm ZL處理土壤微生物量碳含量最高（128.69 mg／kg），分別為 WL、WG、ZG處理的 1.05、2.39和1.52倍，且 ZL和 WL顯著高于 WG（P＜0.05）；20～30 cm各種處理土壤微生物量碳含量依次為ZG＞WL＞ZL＞WG，ZG顯著高于WG（P＜0.05）；30～40 cm各處理土壤微生物量碳含量依次為WG＞ZG＞ZL＞WL，但4種處理土壤微生物量碳含量無顯著差異（P＞0.05）（圖2－B）。同一處理不同深度間土壤微生物量碳含量存在顯著差異（P＜0.05），WL和ZL處理土壤表層0～10 cm的微生物量碳含量均顯著高于20～30、30～40 cm（P＜0.05），WG處理和 ZG處理下 0～10 cm土壤微生物量碳含量顯著高于其他處理（P＜0.05）（圖3－B）。

2.3 400 g／m2枯落物添加量土壤微生物量碳特征

400 g／m2枯落物添加量下，各處理方式土壤微生物量碳含量隨深度變化規律與其他添加量一致。0～10 cm各處理土壤微生物量碳含量依次為ZL＞WL＞ZG＞WG，各處理方式土壤微生物量碳含量均在360 mg／kg以上，不同處理間無顯著差異（P＞0.05）；10～20 cm ZL處理土壤微生物量碳含量最高，為 141.74 mg／kg，WG處理土壤微生物量碳最低，為59.75 mg／kg，WL和 ZL顯著高于 WG和 ZG；20～30 cm ZG處理土壤微生物量碳含量最高（92.06 mg／kg），分別為 WL、WG、ZL的1.21、2.29、1.45倍，ZG顯著高于 WG（P＜0.05）；30～40 cm各種處理土壤微生物量碳含量依次為ZG＞WG＞ZL＞WL，最高值與最低值相差 22.29 mg／kg，ZG顯著高于WL（P＜0.05）（圖2－C）。同一處理不同深度間土壤微生物量碳含量存在顯著差異（P＜0.05），WL處理0～10 cm顯著高于30～40 cm，WG和ZG處理下0～10 cm土壤微生物量碳與10～20、20～30、30～40 cm差異顯著（P＜0.05），ZL處理0～10 cm顯著高于20～30、30～40 cm（P＜0.05）（圖3－C）。

2.4 不同枯落物添加量土壤微生物量碳特征差異

0～10 cm深度同一處理不同枯落物添加量間，土壤微生物量碳含量差異顯著（P＜0.05）（圖 4－A），400 g／m2枯落物添加量下各處理土壤微生物量碳含量顯著高于0、200 g／m2添加量（P＜0.05）；10～20、20～30、30～40 cm深度各處理不同枯落物添加量間均差異不顯著（P＞0.05）（圖4B－4D）。

3 討論與結論

土壤微生物量碳可反映土壤環境的微小變化，直接參與土壤生物、化學轉化過程，是土壤供給植物營養的有效養分儲備庫，在評價環境變化、土壤肥力和植物營養中具有重要作用［17－18］。本試驗表明，溫帶羊草草地土壤微生物量碳含量隨枯落物添加量增加而增加，400 g／m2添加量下，表層土壤微生物量碳含量高于0、200 g／m2添加。隨土層深度加深而降低，土壤微生物量碳具有明顯的表聚性，0～20 cm土壤微生物量碳含量顯著高于20～40 cm（P＜0.05），這與趙娜等研究結果［19－20］一致。土壤微生物量碳受土壤特性如地表枯落物、土壤溫度、水分、養分等的影響［21］，枯落物在土壤表面的累積對土壤溫度、水分也有一定調節作用，能反過來影響土壤微生物的生存環境并決定其數量和活性，進而影響有機質的分解和養分的釋放、轉移與利用［22］。同時，表層土壤水熱和通氣狀況良好，且土壤表層積聚大量植物根系殘體，這為微生物活動提供了更為豐富的養分條件［19］。因此，隨著枯落物添加量增加，土壤養分條件得到改善，土壤微生物量碳含量隨之增加。

土壤微生物量碳含量對不同管理措施存在響應差異。土壤微生物數量與土壤養分含量、地上地下植物生物量均呈正相關關系［6］。合理的管理措施（如補播圍墾）能有效增加土壤有機碳和微生物量碳，提高植物吸收和固定CO2量［19］，進而增加土壤微生物量碳含量。本試驗ZL處理顯著增加了地上和地下生物量，改善土壤環境，從而提高微生物量碳含量，其對土壤表層微生物量碳含量影響高于其他處理。因此，不同枯落物添加量和管理措施可引起土壤剖面不同深度微生物量的變化，使土壤微生物量碳、養分等存有差異，進而影響草原土壤的功能和結構，并對全球碳循環起到重要作用。

為探究溫帶羊草草地枯落物添加量和處理方式對草地微生物量碳含量影響，選取長嶺草地試驗地為研究對象，研究土壤微生物量碳含量變化特征。主要結論如下：同一枯落物添加量條件下，相同深度不同處理間土壤微生物量碳含量存有差異，0～10 cm各處理差異不顯著（P＞0.05），10～20、20～30、30～40 cm各處理存在顯著差異（P＜0.05）；而同一枯落物添加量和處理條件下，不同深度間土壤微生物量碳含量差異顯著（P＜0.05），0～10 cm深度土壤微生物量碳含量顯著高于其他深度（P＜0.05），10～20、20～30、30～40 cm深度間土壤微生物量碳多無明顯差異。同一處理條件下，相同深度土壤微生物量碳含量隨枯落物添加量增多而增加。0～10 cm土壤剖面深度，400 g／m2枯落物添加量土壤微生物碳含量顯著高于0、200 g／m2添加量（P＜0.05），10～20、20～30、30～40 cm土層不同枯落物添加量間無顯著差異（P＞0.05）。枯落物還田與適當管理措施，是保持和增加土壤微生物量碳的有效措施，對維護草地生態系統具有重要的作用。

致謝：感謝中國科學院東北地理與農業生態研究所周道瑋研究員對實驗站采樣工作的支持；感謝吉林師范大學張爽、齊跡、張東方同學對室內化驗分析工作的幫助。

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