光照強度對土壤微生物量碳的影響研究

李 剛

(1.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710075；2.陜西省土地整治重點實驗室，陜西 西安 710075；3.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，陜西 西安 710075；4.自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，陜西 西安 710075；5.陜西省土地整治工程技術研究中心，陜西 西安 710075)

1 引言

陸地碳循環是全球碳循環的重要組成部分，直接影響到整個地球生態系統的能量平衡[1,2]。作為陸地生態系統的主要分解者，微生物在獲得資源構建自身生物量的同時，也驅動著生態系統的物質、能量流通，調控碳和養分元素等在土壤-植物-大氣連續體間的循環，最終影響整個生態系統的結構和功能[3，5]。土壤微生物是土壤生態系統的重要組成部分，對于土壤有機質分解、養分循環和植物養分利用具有十分關鍵的作用，同時對外部環境也極為敏感[6]。土壤微生物量碳是土壤中體積小于5000 μm3活體和死亡微生物內碳的總和，既是土壤有機質的活性部分，也是土壤中最活躍的因子[7,8]，對土壤有機質分解轉化過程中起著主導作用[9]，因此可以將其作為綜合評價土壤質量和肥力狀況的指標之一[10,11]。

目前關于土壤微生物量碳的研究逐步引起了學者們的注意，取得了一定的成果，但主要集中在不同生態系統中土壤微生物量碳的動態變化研究、凍融過程對土壤微生物量碳的影響研究、植被根際土壤微生物量碳動態變化以及施肥等措施對土壤微生物量碳的影響等方面，如何提高土壤微生物量碳的研究主要集中在施肥和添加有機物料等方面，例如宋日等[12]研究了玉米根茬留田對土壤微生物量碳的影響，發現玉米根茬留田對提高土壤微生物量碳含量和土壤脲酶、磷酸酶、纖維素酶以及轉化酶活性效果顯著。劉龍等[13]的研究也獲得了與宋日等人類似的結果。王繼紅[14]研究了氮磷肥對黑土玉米農田生態系統土壤微生物量碳的影響，結果表明氮肥是影響微生物量碳的主導因素。朱麗霞等[15]開展了施氮和覆膜對旱作春玉米農田土壤微生物的影響，發現無論覆膜與否，土壤微生物量碳均隨施氮量的增加而增加。還有學者開展了城市污泥與園林廢棄物混合堆肥對林地土壤微生物量碳的影響研究[16]，結果表明施用堆肥產品能夠提高土壤微生物量。文嘉等[17]以洞庭湖重金屬污染底泥為研究對象，探索了以NaCl和殼聚糖改性沸石改良的底泥對土壤中微生物量碳的影響，發現改性沸石改良的底泥對土壤微生物量碳也具有顯著的改良作用。但已有的研究尚未關注光照作用對土壤微生物量碳的影響問題。

研究表明，在土壤中植物生長所需的營養元素的含量并不低，但是可被植物吸收的部分偏少，大部分以不易被植物吸收的形式存在[18,19]。若能以生態化的方式，人為對自然界的光能、風能、水等資源加以利用，加速將土壤中不易被植物直接吸收利用的養分激活，活化土壤中現有營養元素，形成良好的土壤結構與環境，那么在少量甚至幾乎不施肥的條件下即可滿足植物生長所需的營養元素供應。作為土壤中最重要的組成部分之一，土壤微生物時刻參與土壤中的物質循環和能量流動，改善著土壤環境[20]。它們是土壤的“廚師”，參與了土壤生態系統中幾乎所有的生物和生物化學過程，在養分循環、植物多樣性維持等方面發揮著極其重要作用，可以將土壤中一些不能被作物直接利用的物質轉換成可利用的狀態，最終實現土壤的可持續生產力的提升[21～24]。

如何利用自然手段增強土壤中微生物的活性和數量成為改善土壤質量的重要手段之一。光能、風能、水是地球上自然存在的能量來源。對于光能而言，地面上收集到的光輻射的波段范圍大約為0.295～2.5 μm，可見光區占太陽輻射總能量的約50%。有研究表明，絕大多數土壤有益微生物類群的數量與光照條件呈正相關關系。因此可以利用光照激發土壤環境中微生物含量，進而促進土壤中營養元素的供應。為了探究光能對于土壤微生物量碳的影響，本研究選取自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室富平中試基地塿土為研究對象，分別研究不同光照時間、強度以及照射方式下土壤微生物量碳的變化特征，探討光照條件下影響土壤微生物量碳的主要因素，以期為提高土壤質量提供科學參數。

2 試驗材料與方法

2.1 研究區概況

試驗所用樣品采集于自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室富平中試基地(109°11′2″E，34°42′12″N)，位于陜西省渭南市富平縣杜村鎮褚塬村。該區域屬暖溫帶大陸性半干旱季風氣候，年降雨量約為470 mm，7～9月份降雨量占全年降雨量的49%左右，年蒸發量為1000～1300 mm，無霜期225 d，年均氣溫為13.4 ℃，年光能輻射總量為518～535 kJ/cm2。農業土壤以黑壚土、黃綿土以及婁土為主。

2.2 試驗設計

本試驗分別研究不同光照強度、不同光照時間對土壤微生物量的影響，其中光強對土壤養分及微生物量的影響研究試驗共設置200000 lux、100000 lux、10000 lux、1000 lux四組光照強度，以無光照土壤為對照組，每組試驗設置三組重復。

2.3 樣品的處理及測定

采集不同光照處理下土壤鮮樣，去除土壤中的可見植物殘體，過2 mm篩，調節土壤含水量至田間持水量的40%，并在25 ℃恒溫箱中培養7 d。土壤微生物量碳采用熏蒸提取法測定。其基本原理為：氯仿熏蒸土壤時由于微生物的細胞膜被氯仿破壞而殺死，微生物中部分組分成分特別是細胞質在酶的作用下自溶和轉化為K2SO4溶液可提取的成分。采用碳-自動分析儀器(multi-NC-3100，德國)測定提取液中碳的含量，以熏蒸和不熏蒸土壤中提取碳增量除以轉換系數KEC就可以估計土壤重微生物量碳含量：

MBC=(CE-C0)×V×100/(m×KEC)

(1)

式(1)中：MBC為微生物量碳，單位為mg/kg；C0為未熏蒸土樣總碳濃度，單位為mg/L；CE為熏蒸后土樣總碳濃度；V為0.5 mol/L K2SO4溶液的體積，單位為L；m是土壤樣品質量，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，為0.38。

2.4 數據處理

本研究所獲得的數據采用SPSS 16.0進行統計分析，分析不同光照處理條件下土壤微生物量碳的差異性，顯著性水平為0.05。

3 結果與分析

3.1 光強對土壤微生物量碳的影響

圖1為光強對土壤微生物量碳的影響，圖中CK1、CK2、CK3分別為試驗前土壤中微生物量碳含量、與試驗同步的自然光照的土壤微生物量碳含量、與試驗同步的未經光照的土壤微生物量碳含量。

圖1 光強對土壤微生物量碳的影響

研究發現，試驗開展1 d后，光照強度為100000 lux及1000 lux的光照處理下土壤微生物量碳含量增加效果最為顯著，分別增加了118.89%和148.15%，而200000 lux和10000 lux光照處理下土壤微生物量碳含量分別降低了72.59%和85.29%。10 d后，200000、100000、10000、1000 lux光強下土壤微生物量碳含量分別較試驗前的變化為：-3.72%、-20.74%、22.96%和-6.67%。結果表明，短時間內100000 lux及1000 lux對土壤微生物量碳有顯著的增加效果，但是光照時間過長，對土壤微生物量碳含量的影響不大。照射30 d以后，所有處理中微生物量碳含量均顯著下降。結果顯示：1 d后1000 lux和10000 lux光強處理下土壤微生物量碳含量顯著增加，可能是因為這兩個光強為微生物的增殖和活動創造了條件(表1)。

表1 光強對土壤微生物量碳的影響百分數 %

根據第一階段研究結果，重點選取了100000 lux和1000 lux兩種光照強度的處理，以無光照的處理為對照。結果表明(圖2)，與第一階段研究結果類似，在短時間內(<6 h)，光照強度為100000 lux及1000 lux的光照處理下土壤微生物量碳含量增加效果最為顯著，6 h后土壤微生物量碳含量顯著降低，可能是受到了較低溫度的影響。試驗開展1 h后，100000 lux 和1000 lux光照下土壤微生物量碳分別增加了96.77%和112.9%，CK處理的土壤微生物量量碳增加了0.95%，幾乎沒有變化。6 h后， 100000 lux 和1000 lux光照下土壤微生物量碳分別降低了17.83%和6.45%，CK處理的土壤微生物量碳降低了22.58%。結果表明試驗開展1 h后土壤微生物量碳增加效果最明顯。

圖3分別為不同光照強度下土壤含水率和溫度的變化特征。研究表明試驗開始后，不同光照強度下土壤含水率均隨著光照時間的增加而降低，其中10000 lux光照強度下土壤含水率下降速率最快，其次為1000 lux光照強度的土壤含水率，CK處理的土壤含水率變化最小。試驗開始后，10000 lux光照強度下土壤溫度明顯升高，1000 lux光照強度土壤溫度略微有所升高，CK處理的土壤溫度呈下降趨勢。

圖2 光強對土壤微生物量碳的影響

圖4為光照強度與土壤含水率、溫度之間的關系，1、2、3分別為CK、1000 lux和10000 lux光照強度。根據統計分析可知，光照強度與土壤含水率呈顯著負相關關系(p<0.05)，表明光照可以顯著降低土壤含水率。光照強度與土壤溫度呈顯著正相關(p<0.05)，表明光照可以顯著增加土壤溫度。

圖5為土壤含水率、溫度分別與土壤微生物量碳之間的關系，根據統計分析，結果表明土壤含水率與土壤微生物量碳含量之間呈顯著正相關關系(p<0.05)，表明土壤含水率對土壤微生物量碳的含量的影響顯著。土壤溫度與土壤微生物量碳含量之間呈負相關關系，但相關關系不顯著(p>0.05)，原因可能在于7.2～20 ℃的溫度均適宜土壤微生物的生活，導致溫度變化對微生物量碳的影響不顯著。

圖3 不同光照強度下土壤含水率和溫度的變化特征

圖4 光照強度與土壤含水率、溫度之間的關系

圖5 土壤含水率、溫度分別與土壤微生物量碳之間的關系

3 結論

(1)光照1 h后，100000 lux 和1000 lux光照下土壤微生物量碳分別增加了96.77%和112.9%。

(2)土壤含水率對土壤微生物量碳的影響較為顯著，隨著土壤水分含量的增加而增加。

(3)土壤溫度對土壤微生物量碳的含量影響不顯著，原因可能在于7.2～20 ℃的溫度均適宜土壤微生物的存活。