土地利用方式變化對白漿土微生物生物量碳及代謝特征的影響

朱 珂，王 蕊，李 剛，修偉明，王 晶，李 冰，王麗麗，劉惠芬，趙建寧，楊殿林

（1.農業部環境保護科研監測所，天津 300191；2.天津農學院農學與資源環境學院，天津 300384）

土地利用方式變化對全球氣候、生物多樣性以及生態系統服務功能造成極大影響[1-4]。在過去的幾十年中，以砍伐森林為代價的農業面積增加現象在亞洲、南美洲和非洲尤為普遍[5-6]。自二十世紀五十年代以來，我國東北地區土地利用狀況同樣發生顯著變化，主要表現為耕地面積不斷增加，而森林等其他類型土地面積不斷減少[7]。土地利用方式變化對土壤生態系統的影響已引起全世界的廣泛關注[8-9]。

森林轉變為耕地是土地利用方式轉變的主要類型，這一過程改變了土壤的物理、化學和生物學性質，從而影響土壤質量[10-11]。研究表明，熱帶和亞熱帶森林轉變為農田后，土壤有機質減少，土壤微生物生物量和酶活性發生顯著變化[9，12]，土壤微生物群落結構和功能也發生改變[13]。土壤微生物作為土壤生態系統最為活躍的組成部分，能夠靈敏地反映土壤生態環境的變化，已廣泛用于指示土壤質量變化和探究不同土地利用方式對土壤特征的影響[12，14]。土壤微生物生物量和代謝特征作為微生物重要的生物學表征，能夠反映土壤中參與調控能量和養分循環的數量及其代謝情況的變化[15-16]，受土地利用方式的影響顯著[13，17-18]。在我國東北地區，由于對糧食供應需求的加大，一部分林地已經轉變為耕地[7]。雖然土地利用方式轉變帶來了糧食產量的大幅增加，但是對這種轉變下土壤生態系統的變化，特別是土壤微生物群落的變化缺乏研究。同時，在開墾林地的過程中一小部分空地逐漸發展成為天然草地，這種土地利用方式的轉變是否為東北地區生態重建提供新的參考以及其土壤生態系統變化情況同樣需要相關研究以提供理論依據。

本研究以我國東北丘陵地區白漿土的3種利用方式——林地、耕地以及草地為研究對象，通過測定土壤微生物生物量碳、活性以及群落代謝特征等指標，比較不同土地利用方式土壤微生物生物量碳和群落結構的差異，并耦合理化分析探討驅動微生物群落代謝特征變化的主要影響因子，探索土壤微生物群落對土地利用方式變化的響應機制，為我國東北丘陵地區白漿土的可持續利用及生態環境重建提供科學依據和理論指導。

1 材料與方法

1.1 研究區概況和研究對象

研究區位于吉林省四平市伊通滿族自治縣，地處長白山脈向松遼平原過渡的丘陵地帶。自二十世紀五十年代以來，該地區進行了大量的開墾和采伐，形成了林地、耕地和草地等多樣的土地利用類型。本研究的土壤樣品采自吉林省四平市伊通滿族自治縣的西葦鎮西葦林場和北京大北農生物技術有限公司吉林省試驗示范基地，試驗示范基地的耕地由林地轉型而來。試驗地（125°20′E，43°15′N）屬于中溫帶濕潤季風氣候區，年平均氣溫4.6℃，無霜期約138 d，年平均降雨量627.8 mm，土壤為白漿土，是吉林省分布面積最大的代表性土壤類型之一[20]。

試驗設3個處理：林地（F）、耕地（A）及草地（M）。其中，林地為紅松林（Pinus koraiensis），為當地林場的典型林分，林齡已達50年以上；耕地為農用坡耕地，緊鄰林地，出于擴大耕地面積的需要，23 a前林場將部分林地樹木砍伐后用作農業生產，其耕作制度為玉米連作，常年使用化肥，不施有機肥，近3 a化肥（N∶P∶K=15∶15∶15復合肥）施用量平均為750 kg·hm-2，以基肥形式一次性施入，由于丘陵區的地理特征造成玉米生產無法采用機械化作業，只能采用人工種植和收獲，玉米播種后噴施乙莠合劑封閉處理，全生育期不噴施農藥及不采取其他農事操作。而草地則是在林地樹木砍伐后，由一小部分未用于農業生產及其他用途的空地而逐漸形成的天然草地，其以野艾蒿（Ar?temisia lavandulifolia）、一年逢（Erigeron annuus）、突節老鶴草（Geranium krameri）等草本植物為主，同樣已有23 a之久。

1.2 土壤樣品采集

于2017年6月在各處理樣地中采集土壤樣品。在林地和草地中分別選取15 m×15 m的3個樣方，每個樣方中各設15個采樣點，采樣時去除表層的枯枝落葉，采用W形多點采樣法采集0～15 cm的表層土壤。在試驗基地中選取3個小區作為耕地樣地，小區面積為10 m×15 m，同樣采用W形多點采樣法在每個小區中隨機選取15個采樣點，采集0～15 cm的表層土壤。將同一處理同一小區（樣方）的土壤充分混勻形成一個混合樣品，裝入1個自封袋中，放入低溫樣品儲藏箱中帶回實驗室。土壤樣品分為2份，1份存放在4℃用于測定微生物生物量碳和功能多樣性；1份風干磨細后用于分析理化性質。各處理的土壤基本理化性質見表1。

1.3 土壤微生物生物量碳測定

土壤微生物生物量碳采用氯仿熏蒸-硫酸鉀提取法[22]，稱取10 g土壤樣品，在真空干燥器中使用氯仿熏蒸培養24 h后，反復抽真空，去除土樣中殘留的氯仿，每一份土壤樣品需要無熏蒸對照。用40 mL 0.5 mol·L-1的硫酸鉀溶液浸提30 min，過濾，用TOC測定提取液中的有機碳含量。微生物商用土壤微生物生物量碳含量與有機碳含量的比值表示。

1.4 土壤微生物群落代謝特征

微生物群落代謝特征分析采用Biolog微生物自動分析系統（Biolog，Hayward，CA，USA）[23]。稱取5 g土壤于三角瓶中，加入45 mL滅菌NaCl溶液（0.85%，下同），恒溫培養振蕩器中180 r·min-1振蕩30 min。取振蕩后的土壤溶液加入NaCl溶液稀釋至1000倍，吸取150 μL稀釋液加到Biolog-Eco微平板孔中，每個樣品1板，每板3次重復。Biolog-Eco微平板加蓋封好后，置于生化培養箱中28℃恒溫避光連續培養168 h，每隔24 h讀取波長在590 nm（顏色+濁度）和750 nm（濁度）的吸光值。選取Biolog-Eco微平板培養96 h的吸光值進行微生物群落功能多樣性指數和微生物碳源利用能力分析。

平均顏色變化率（AWCD）用于描述土壤微生物代謝活性，用590 nm下的相對吸光值減去750 nm下的相對吸光值表示，計算公式如下：

式中：Ci（590-750）=（Ai-A0）-（Bi-B0），Ai為第i孔在590 nm處的吸光度值，A0為對照孔在590 nm處的吸光度值，Bi為第i孔在750 nm處的吸光度值，B0為對照孔在750 nm處的吸光度值。n為培養基碳源的種類數，本研究中n值為31。

采用Shannon指數（H’）、Simpson指數（D）和Mc?Intosh指數（U）表征土壤微生物群落功能多樣性的變化[16，20]。計算公式如下：

式中，Pi為第i孔的相對吸光值與整個平板相對吸光值總和的比值；ni是第i孔的相對吸光值Ci（590-750）。

1.5 數據統計分析

采用SPSS 22.0軟件中one-way ANOVA的Dun?can多重比較方法及Data Reduction工具進行差異顯著性分析（P＜0.05）和主成分分析（Principle compo?nent analysis，PCA）。采用軟件Origin 9.0繪圖。通過冗余分析（Redundancy analysis，RDA）確定土壤微生物群落碳源利用模式與環境因子之間的關系。

2 結果與分析

2.1 土壤微生物生物量碳和微生物商變化

由表2可見，耕地的微生物生物量碳為79.33 mg·kg-1，比例為林地的0.45（P＜0.01），說明林地轉型為耕地后，微生物生物量碳顯著降低。而草地的微生物生物量碳達到367.03 mg·kg-1，分別是耕地和林地的4.63倍和2.08倍，差異極顯著（P＜0.01），說明草地的微生物生物量碳顯著升高。土壤微生物商是指土壤微生物生物量碳占土壤有機碳含量的百分比，反映土壤中活性有機碳所占的比例[25]。微生物商的變化情況與微生物生物量碳相同，即草地＞林地＞耕地，3種土地利用方式間差異顯著。

表1 不同處理的土壤理化性質變化Table 1 Changes in physical-chemical characteristics of soil in different treatments

表2 不同處理的微生物量碳和微生物商變化Table 2 Changes in soil microbial biomass carbon and microbial quotient in different treatments

2.2 土壤微生物群落平均顏色變化率（AWCD）

AWCD表征微生物群落碳源利用率，是土壤微生物群落利用單一碳源能力的一個重要指標，反映了土壤微生物代謝活性和群落生理功能多樣性[16]，數值越高，微生物代謝活性就越高[24]。不同處理土壤AWCD值如圖1所示，隨培養時間的延長AWCD值逐漸升高，培養24 h前，各處理土壤的AWCD值無明顯變化，培養24 h后，林地、耕地和草地的AWCD值均明顯升高。在整個培養過程中，草地的AWCD值明顯高于林地和耕地，除培養144 h外，林地的AWCD值均高于耕地。

圖1 不同處理土壤平均顏色變化率（AWCD）變化Figure 1 Changes in AWCD in different treatments

2.3 土壤微生物群落AWCD和多樣性指數

本研究采用96 h的吸光值計算獲得微生物群落AWCD值和功能多樣性指數。如表3所示，草地的AWCD值最高，林地次之，耕地最低；草地顯著高于林地和耕地（P＜0.05），而林地和耕地間差異不顯著（P＞0.05），說明草地土壤微生物對碳源消耗量最大，微生物活性最高，林地次之，而耕地土壤微生物對碳源消耗最少，微生物活性最小。草地的Shannon指數顯著高于林地和耕地（P＜0.05），而林地高于耕地，林地和耕地的差異同樣不顯著（P＞0.05），Simpson指數和McIntosh指數的分析結果與Shannon指數相同。以上結果表明，不同處理的微生物群落Shannon指數、Simpson指數和McIntosh指數的變化表現出與AWCD相似的規律，說明林地轉型為耕地降低了土壤微生物群落代謝活性和利用底物碳源的微生物種類，而草地土壤微生物群落代謝活性和多樣性指數均顯著升高。

2.4 土壤微生物對底物碳源的相對利用率

Biolog-Eco微平板上共有31種單一碳源，可分為6大類，包括糖類（12種）、氨基酸類（6種）、羧酸類（5種）、聚合物類（4種）、胺類（2種）和酚酸類（2種）。由圖2可見，3種土地利用方式土壤微生物對各類碳源相對利用率最高的是糖類，占總碳源利用率的44.63%～53.61%，其次為氨基酸類，占總碳源利用率的21.09%～25.45%，羧酸類次之，占總碳源利用率的8.31%～15.16%，而對其他3類碳源的相對利用率較低。耕地土壤微生物對糖類、酚酸類和氨基酸類碳源的相對利用率高于林地，其中對氨基酸的相對利用率顯著高于林地（P＜0.05），而對羧酸類、聚合物類和胺類碳源的相對利用率低于林地，對聚合物類的相對利用率差異顯著（P＜0.05）。而草地土壤微生物對羧酸類、酚酸類和胺類利用率在3種土地利用方式中最高，而對糖類和氨基酸類碳源的相對利用率最低，對聚合物類的相對利用率介于林地和耕地之間。說明土地利用方式變化改變了土壤微生物對碳源利用的偏好。

表3 不同處理土壤微生物群落AWCD和多樣性指數變化Table 3 Changes in AWCD and functional diversity indices of soil microbial community in different treatments

圖2 不同處理土壤微生物群落相對利用率的變化Figure 2 Changes of relative utilization rate by soil microbial community in different treatments

2.5 主成分分析

主成分分析可以清晰反映各處理在碳源利用上的具體差異。主成分個數的提取原則一般要求其累積方差貢獻率達到85.0%[25]，本研究共提取7個主成分，累積方差貢獻率達到96.9%。選取累積方差貢獻率為48.9%的前2個主成分PC1和PC2來分析土壤微生物群落功能多樣性。一般認為，位于同一象限的各處理在第1、2主成分得分值離散較小，沒有顯著性差異，說明這些處理土壤的微生物碳代謝功能群結構相似；位于不同象限的各處理在第1、2主成分得分值差異較大，說明不同處理土壤微生物碳代謝功能群結構存在較大差異[25]。由圖3可以看出，耕地位于第三象限，林地位于第三和第四象限，而草地位于第一、二和四象限。耕地和林地間的距離要小于耕地、林地與草地的距離。說明林地轉型為耕地后，土壤微生物對底物碳源的代謝特征發生明顯變化，而草地土壤微生物對底物碳源的代謝特征顯著不同，與草地相比，耕地與林地土壤微生物群落功能結構較為相似。

圖3 不同處理微生物碳源利用類型的主成分分析Figure 3 Principal components analysis of carbon utilization of microbial community in different treatments

2.6 RDA分析

對3種土地利用方式土壤微生物群落對不同碳源利用的相對吸光值進行RDA分析，確定環境因子對土壤微生物群落碳源利用模式的影響。結果（圖4）表明，前兩軸可以解釋土壤微生物代謝特征變化的67.9%，耕地、林地和草地土壤微生物群落代謝特征明顯發生分離，且分別聚為一類。速效磷、銨態氮和硝態氮與耕地土壤微生物代謝特征變化顯著相關；全氮和全磷與草地土壤微生物代謝特征顯著相關；有機質和土壤pH與林地土壤微生物代謝特征相關。經蒙特卡洛檢驗發現，土壤pH（P=0.004）、全氮TN（P=0.004）、有機質OM（P=0.014）、速效磷AP（P=0.026）和硝態氮NO-3-N（P=0.026）與土壤微生物代謝特征變化顯著相關，說明土地利用方式變化后土壤微生物群落代謝特征變化是這5種環境因子共同作用的結果。

3 討論

圖4 不同處理土壤微生物代謝特征的RDA分析Figure 4 RDA analysis of soil microbial community metabolic characteristics in different treatments

土壤微生物不僅是土壤養分轉化與循環的動力，本身也是土壤養分的儲存庫，對土壤養分的轉化與供應起到重要作用[32]。本研究發現林地土壤微生物生物量碳顯著高于耕地，而草地的微生物生物量碳顯著高于林地，說明耕地和草地土壤微生物生物量較林地向相反的方向變化。相關分析發現，土壤微生物生物量碳與土壤 pH（R=0.733，P=0.025）和有機質（R=0.900，P=0.001）分別呈顯著正相關和極顯著正相關關系。本研究中林地轉變為耕地后，土壤pH顯著降低（表1），這與長期施用化肥導致農田土壤酸化加劇有關[26-27]。微生物生長受到土壤酸化加劇的抑制，其活性也相應降低[32]。耕地的有機質含量低于林地（表1），這與Fang等[30]研究結果一致。土壤有機質含量取決于碳輸入和降解速率的平衡，而農田向土壤輸入碳的量低于自然生態系統[31]，隨著其自身碳源的不斷消耗，有機質含量逐漸降低。土壤中多數微生物是異養型的，受到有機質的影響顯著，其分布和活性均依賴于有機質[33-34]，因此微生物生物量碳與有機質含量表現為正相關。但是本試驗地為丘陵地，其獨特的地理特征也決定了其耕作制度，由于無法采用機械化，因此玉米的種植和收獲均采用人工方式，這導致收獲后，除玉米地上部分移出農田外，其根茬仍全部保留在農田里，這可能是耕地土壤中有機質含量較林地下降不顯著的原因，但不同土地利用類型下返還到土壤中碳源類型的改變可能造成微生物數量的顯著變化，其生物量碳也發生顯著變化。由于草地在樹木砍伐后受到人為的擾動較少，且不同植物交錯疊加，根系分泌物豐富，有機質含量和pH最高，為微生物的生存和繁殖提供了所需的營養和能源物質以及適宜的生存環境，因此其微生物生物量碳也最高。同時，本研究中反映土壤中活性有機碳所占比例的微生物商的變化情況與微生物生物量碳相同，表明土地利用方式變化改變了土壤微生物商，土壤活性有機碳的周轉發生了相應改變。

耕地的AWCD值和多樣性指數均低于林地，說明林地轉變為耕地后加之長期化肥施加，土壤微生物主要代謝類群發生改變，微生物群落的多樣性指數降低和利用碳源能力下降。與Bossio等[37]研究發現在熱帶地區森林土壤微生物群落多樣性指數高于連續種植玉米的農田及Brackin等[38]研究發現農田土壤碳源底物利用水平低于桉樹林的研究結果一致。同時發現草地的AWCD值和多樣性指數均顯著高于耕地和林地，分析認為草地與耕地和林地相比，其地表植被發生明顯改變，這導致了根系分泌物的變化，已有研究表明根系分泌物對土壤微生物的分布有重要作用，直接影響土壤微生物的數量、活性和群落結構[38]，同時其土壤理化性質也有明顯改變，這些方面差異的綜合作用造成了草地微生物的活性和多樣性明顯變化。

微生物對不同類型碳源的相對利用程度可以反映微生物的代謝功能類群[39]。本研究顯示，耕地對氨基酸、酚酸類和糖類的相對利用率高于林地，而對羧酸類、聚合物類和胺類碳源的相對利用率低于林地，這6種碳源中，對糖類和氨基酸類的相對利用率（累計79.1%）明顯高出林地（68.9%），這些易于代謝的高能量底物最容易被農田土壤中的微生物代謝[38]。而Biolog-Eco微平板所提供的31種單一碳源中的18種為糖類和氨基酸類，符合耕地土壤微生物群落對碳源的偏好，因此耕地微生物群落在碳源充足的條件下，生長繁殖速度加快，代謝能力提高。林地土壤微生物群落對氨基酸類、糖類和羧酸類碳源的相對利用率相對較高，這與胡嬋娟等[40]的研究結果一致，而且林地對羧酸類碳源的相對利用率明顯提升，符合Brackin等[38]研究羧酸類碳源是森林土壤微生物利用的重要碳源的結果。而草地對糖類和氨基酸類碳源的相對利用率在3種土地利用方式中最低，而對羧酸類、酚酸類和胺類利用率最高，對聚合物類的相對利用率介于林地和草地之間，說明其土壤微生物對碳源利用的偏好同樣發生了明顯變化。PCA分析結果發現林地轉變為耕地后，土壤微生物碳源的利用發生改變，而草地土壤微生物對底物碳源的代謝特征顯著不同于林地和耕地。通過RDA分析，進一步發現土壤pH、總氮、有機質、速效磷和硝態氮與微生物功能多樣性密切相關，說明土地利用方式變化改變了土壤的理化性質，進而導致了土壤微生物功能群落的不同。

4 結論

（1）土壤微生物生物量碳、微生物商、代謝活性和功能多樣性變化情況相同，均表現為草地＞林地＞耕地。

（2）土壤微生物對碳源利用的偏好因土地利用方式而改變。3種土地利用方式土壤微生物群落結構不同，但與草地相比，耕地與林地土壤微生物群落結構較為相似。

（3）土壤理化性質的改變是導致微生物群落代謝特征變化的主要原因，其代謝特征變化主要受土壤pH、總氮、有機質、速效磷和硝態氮等因子共同影響。

（4）雖然草地土壤微生物活性和多樣性等指標均明顯高于林地和耕地，但按照因地制宜的環境改善策略，在吉林省丘陵區采用退耕還林的生態重建方案更符合當地實際。