小浪底庫區消落帶落干期土壤微生物生物量碳動態變化特征

張小磊，齊慶超，李 雅，裴穎春，李春發，王業寧

（1.河南省科學院地理研究所，河南 鄭州 450052； 2.河南省地礦局 測繪地理信息院，河南 鄭州 450006）

土壤微生物生物量碳（SMBC）是土壤碳庫中最活躍的組分［1］，其對土壤環境條件的變化極為敏感［2］，能及時調控土壤養分的累積與循環，體現土壤有機質的動態變化［3］，因此在土壤生態系統能量流動和物質循環過程中具有不可替代的作用［4-6］。 目前，相關學者已針對SMBC 開展了大量研究工作，如：李榮等［7］利用地統計學方法對哈尼梯田SMBC 的時空分布進行研究，認為SMBC 受季節、植被類型、地貌狀況等的共同影響，是土壤肥力變化的重要指標；施福軍等［8］對望天樹天然林SMBC 進行研究，認為在土壤深度、土壤養分、林分組成等因子的作用下，SMBC 表現出明顯的垂直分布特征；張靜等［9］對扎龍濕地不同生境下SMBC的變化特征進行分析后，也得出了與施福軍等［8］研究的相似結論。 由此可見，生境因子的改變能使SMBC 的變化特征產生顯著差異，這種差異在因受損而需恢復、重建的土壤-植被生態系統中表現得尤為明顯［10］。 因此，受損土壤-植被生態系統重建過程中SMBC 的動態變化及其影響因素受到學者們的密切關注。 然而，現階段此類研究較多集中在灘涂濕地［11-12］、砍伐（損毀）后林地［10，13］以及丘陵溝壑等水土流失易發地區［14-15］，對消落帶這一特殊生境內SMBC 的研究尚顯不足［16］。

小浪底水庫在黃河流域治沙防洪方面起著極為重要的作用［17］。 自2002年以來，小浪底水庫在每年6—7月進行大規模調水調沙［18］，其水位明顯下降，在庫區形成落差為30 ～40 m 的周期性反季節干濕交替坡狀地帶，即小浪底庫區消落帶。 該地帶具有垂直梯度上的自然地理變化特征，與周邊陸地、水體之間存在能量循環和物質交換的過程，被視為一類特殊的濕地生態系統。 然而，長期的周期性反季節干濕交替使小浪底庫區消落帶原有生態系統遭到破壞，土壤理化性質改變，土壤微生物活性及土壤養分轉化和循環受到影響［19］，這可能會引起消落帶 SMBC 特征改變，影響該庫區受損生態系統的恢復與重建。 基于此，本文以小浪底庫區洛陽市新安縣王村一典型消落帶為研究對象，通過對不同土層深度的SMBC 含量進行分析，揭示小浪底水庫水位下降后消落帶不同高程SMBC 含量的變化特征及差異，并對其影響因子進行探討，以期為消落帶土壤碳循環研究及小浪底庫區科學管理、土壤-植被生態系統恢復與重建提供基礎資料。

1 研究區概況

研究區位于洛陽市新安縣倉頭鎮西北部王村附近，屬小浪底庫區典型消落帶，地理坐標為112°13′—112°15′E、34°54′—34°57′N。 研究區遠離城鎮，周邊無污染源；氣候為暖溫帶大陸性季風氣候，多年平均氣溫為13.6 ℃；年內降水分布不均，一般集中于夏季，多年平均降水量為650 mm；全年平均日照時數為2 265 h，無霜期為231 d，相對濕度為68%；土壤類型以褐土為主，分布有少量潮土；水庫蓄水前消落帶內分布有農田、林地、灌叢、草本植物等，蓄水后消落帶內農田已基本退耕，現有植被以酸棗、荊條、狗牙根、蒿類等為主。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與處理

依據研究區所處位置地貌特征、土壤質地、水文情況以及植被覆蓋類型，分別在 275、265、255、245 m 這4 個高程進行樣品采集（采樣點分布示意見圖1），其中275 m 高程常年未被水淹，該高程所采集樣品為對照樣品。 根據2018年4—10月小浪底水庫水位變化情況于2018年6—8月進行樣品采集。 根據植被覆蓋類型在每個高程設置4 個采樣點，每個采樣點都隨機布設5 個樣方，在每個樣方內用梅花形布點法按0 ～10、10～20 cm 土層深度分層采集土壤樣品，除去石礫等雜物后將樣品混合均勻，用四分法獲取適量樣品，并將樣品置于4 ℃冷藏箱中帶回實驗室。 在采集樣品的同時用JC-TW 型土壤溫度測定儀測定5、15 cm處的土壤溫度。 將帶回的部分新鮮土壤樣品過2 mm 篩，放置于4 ℃冰箱中保存，以備SMBC 含量和土壤含水率的測定。 將其余土壤樣品在室溫下自然風干，研磨后過100 目篩，以備土壤pH 值、土壤有機碳等含量土壤理化指標的測定。

圖1 采樣點分布示意（單位：m）

2.2 樣品測定

采用酸度計法測定土壤pH 值，水土比為2.5 ∶1；采用烘干法測定土壤含水率；采用Mastersizer 3 000 激光粒度儀測定土壤黏粒（粒徑＜0.002 mm）含量；采用Multi N／C 2 100 元素分析儀測定土壤有機碳（SOC）、全氮（TN）含量；采用硫酸-高氯酸消解、比色法測定全磷（TP）含量；采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測定SMBC含量。 SMBC 含量（Cmic）的計算公式為

式中：EC為熏蒸與未熏蒸土壤有機碳含量的差值；KC為換算系數，取值 2.22［10］。

2.3 數據處理

采用Excel 2007 和SPSS 17.0 軟件進行數據處理與統計分析；采用單因素方差分析法（ANOVA）處理不同土層及同一土層不同高程的SMBC 含量、SMBC／SOC 數據組的差異性；采用Duncan 法檢驗不同數據組差異的顯著性，顯著性水平為 0.05，P＜0.05 為差異顯著，P＜0.01為差異極顯著；采用Pearson 相關系數評價數據組間的相關關系。

3 結果與分析

3.1 消落帶落干期土壤理化性質

小浪底庫區消落帶落干期土壤理化性質見表1，可以看出，7 個指標在不同高程及土層深度處具有明顯的差異。 具體而言，所有高程土壤pH 值變化范圍是6.90 ～7.83，0～10 cm 土層（上土層）土壤 pH 值大于 10～20 cm土層（下土層）土壤pH 值。 土壤含水率變化范圍是16.26%～19.08%，與土壤pH 值不同，下土層土壤含水率明顯大于上土層土壤含水率（P＜0.05），各土層的土壤含水率隨高程下降逐漸升高。 土壤溫度變化范圍是24.20～25.63 ℃，黏粒含量變化范圍是 6. 02% ～10.42%，上土層土壤溫度黏粒含量均明顯高于下土層土壤溫度和黏粒含量。 土壤有機碳、全氮、全磷作為土壤養分因子，其變化范圍分別是 3.99 ～9.45 g／kg、0.46 ～0.94 g／kg、0.12 ～0.32 g／kg，與土壤 pH 值、溫度、黏粒含量一樣，土壤有機碳、全氮、全磷含量均表現出在上土層中數值偏大的特征，并且在不同高程表現出明顯差異，其中土壤有機碳含量和全氮含量的差異更顯著（P＜0.05）。

表1 消落帶土壤理化性質

3.2 不同高程 SMBC 含量的變化

小浪底庫區消落帶不同高程SMBC 含量隨時間的變化見圖2。 可知相同時段內同一高程0～10 cm 土層SMBC 含量明顯高于 10 ～ 20 cm 土層 SMBC 含量。 4個高程0～10 cm 土層SMBC 含量最大值均出現在6月15 日，而最小值出現的時間各不相同，275、265、255、245 m 高程SMBC 含量的最小值分別出現在8月30 日、7月 30 日、7月 15 日、8月 30 日。 整體而言，4個高程0 ～10 cm 土層SMBC 含量隨時間推移都表現出明顯的下降趨勢，并且255 m 高程SMBC 含量的降幅最大。

圖2 消落帶不同高程SMBC 含量隨時間變化情況

4 個高程 10 ～20 cm 土層 SMBC 含量隨時間變化整體也呈下降趨勢，但降幅較小。 各高程10～20 cm土層SMBC 含量的最大值同樣都出現在6月15 日，275、255 m 高程SMBC 含量的最小值都出現在7月30 日，265、245 m 高程 SMBC 含量的最小值都出現在8月30 日。

消落帶不同高程SMBC 含量的差異見圖3，圖中不同大寫字母代表不同土層間的數據有顯著差異（P＜0.05），不同小寫字母代表同一土層不同高程的數據有顯著差異（P＜0.05）。 分析可知，整個研究期內不同高程SMBC 含量具有明顯差異。 在 0 ～10 cm 土層中，4 個高程SMBC 含量隨高程下降呈現出先升高再降低的趨勢，且存在顯著差異（P＜0.05），其中：255 m高程 SMBC 含量最大（為 204.97 mg／kg），245 m高程SMBC 含量最小（為 59.68 mg／kg）。 在 10～20 cm 土層中，4 個高程SMBC 含量隨高程下降同樣呈現出先升高再降低的趨勢，其中：245 m高程 SMBC 含量最小（為29.25 mg／kg），與其他 3 個高程 SMBC 含量差異顯著（P＜0.05）；265 m 高程 SMBC 含量最大（為 108.08 mg／kg），與 255 m 高程 SMBC 含量無顯著差異（P＞0.05），但與275 m 高程 SMBC 含量存在顯著差異（P＜0.05）。

圖3 消落帶不同高程SMBC 含量的差異

3.3 不同高程SMBC 與SOC 含量比值的變化

消落帶各高程 SMBC 與 SOC 含量比值（SMBC／SOC）隨時間的變化見圖4，其變化范圍為0.48%～3.18%。 4 個高程 0 ～ 10 cm、10 ～ 20 cm 土層 SMBC／SOC 的最大值均出現在試驗初期（6月15 日），之后隨時間變化整體緩慢下降，其中0～10 cm 土層SMBC／SOC 值的下降趨勢更加明顯，并且同一高程0 ～10 cm土層SMBC／SOC 值明顯高于 10～20 cm 土層 SMBC／SOC 值。

圖4 消落帶不同高程SMBC／SOC 值的時間動態變化

消落帶不同高程SMBC／SOC 值的差異見圖5，整個研究時段內不同高程 SMBC／SOC 值差異較明顯。在 0～10 cm 土層中，245 m 高程 SMBC／SOC 值最小（為1.06%），與其他3 個高程 SMBC／SOC 值存在顯著差異（P＜0.05），但 275、265、255 m 這 3 個高程之間的SMBC／SOC 值差異未達顯著水平（P＞0.05），其中：255 m高程 SMBC／SOC 值最大（為 2.19%），265、275 m 高程SMBC／SOC 值次之，分別為 2.12%和1.97%。 與 0 ～10 cm 土層 SMBC／SOC 值相似，在10～20 cm土層中，除245 m 高程 SMBC／SOC 值（為0.72%）較 275 m 高程SMBC／SOC 值（為 1.55%）顯著偏低（P＜0.05）外，265、255 m 高程 SMBC／SOC 值均較高， 分別為 1.72%和1.67%，并且 275、265、255 m 這 3 個高程之間的SMBC／SOC 值無顯著差異（P＞0.05）。

圖5 消落帶不同高程SMBC／SOC 值的差異

3.4 SMBC 與土壤環境因子的關系

采用Pearson 相關系數分析消落帶SMBC 與土壤理化性質的相關性（見表2），可知研究時段內小浪底庫區消落帶SMBC 含量與土壤pH 值呈顯著負相關（P＜0.05），與土壤含水率呈極顯著正相關（P＜0.01），與土壤溫度、SOC 含量、全氮含量呈顯著相關（P＜0.05），與土壤黏粒含量、全磷含量呈正相關關系，但未達到顯著水平（P＞0.05）。

表2 消落帶SMBC 與土壤理化性質的相關系數

4 討 論

4.1 小浪底庫區消落帶SMBC 的變化特征

消落帶周期性的淹水會導致不同高程土壤pH值、水分、養分等一系列環境因子發生改變，從而影響土壤微生物的種群結構及活性［20-21］，最終使SMBC 含量發生變化［2，11，22-24］。 275、265、255、245 m 高程消落帶全年淹水時間分別0、117、202、263 d，據此整體上將淹水時長劃分為短期（對應265 m 高程）、中期（對應255 m 高程）和長期（對應245 m 高程），可認為消落帶SMBC 的變化與淹水時長有關。 具體地，中短期淹水能夠促使 SMBC 含量增加，而長期淹水能夠對SMBC 含量的增加產生明顯的抑制作用，這與柴雪思等［16］的研究結果基本吻合。 在土壤垂直深度上，0 ～10 cm 土層 SMBC 含量顯著高于 10 ～20 cm 土層SMBC 含量，并且 0 ～10 cm 土層 SMBC 含量的波動幅度較大，這也與以往同類研究結果較相似［9，10，25］。

SMBC 含量的變化與土壤微生物的活性密切相關［26］。 本研究采樣時段正處于植物的生長季，隨著植物生長進入旺盛期，植物對養分的競爭日趨激烈，從而在一定程度上限制土壤微生物對養分的獲取，這可能導致SMBC 含量在時間維度上逐漸降低。 對于不同高程，中短期淹水時土壤中包含有機物在內的營養基質不易被礦化而產生累積效應，待水庫水位下降后，累積的營養基質礦化速率提高，土壤微生物可利用的養分增多，繁殖加快，從而使SMBC 含量增加；但淹水期過長時土壤中累積的營養基質在水力沖刷作用下大量流失，待水庫水位下降后，土壤微生物難以獲取足夠的養分進行生長繁殖，引起SMBC 含量迅速降低，造成不同高程SMBC 含量表現出明顯差異。 已有研究表明［27］，表層土壤是植物根系、凋落物等有機物集中分布的區域，隨著土壤深度增加，有機物含量逐漸減少。 由表1可知，相對于10 ～20 cm 土層，土壤微生物在0～10 cm土層中可利用的營養基質更多，土壤微生物活性增強，SMBC 含量偏多，但表層土壤對外部環境的抗干擾能力相對較弱，從而導致SMBC 含量在0 ～10 cm土層波動較大。

4.2 小浪底庫區消落帶SMBC 對土壤肥力的影響

活性較高的土壤微生物能夠加速土壤中物質代謝，提升土壤碳庫的周轉速率，從而促進土壤生態系統的養分和能量循環［28］。 一般而言，SMBC 含量越高，土壤微生物對SOC 的貢獻越大，由于SOC 是土壤肥力的重要指標，因此SMBC／SOC 值能夠反映土壤微生物活性對土壤肥力的影響［29］。 小浪底庫區消落帶不同高程SMBC／SOC 值的變化范圍為0.48%～3.18%，與黃河下游三角洲貝殼堤［25］和三峽庫區［16］的 SMBC／SOC值相比略低，這表明長期的周期性反季節淹水已使小浪底庫區消落帶土壤微生物活性受到嚴重影響，降低了其對土壤肥力的貢獻。

研究期內各高程SMBC／SOC 值在試驗初期達到峰值，之后呈下降趨勢。 原因可能是消落帶土壤落干前，淹水的脅迫效應制約了土壤微生物的種群和活性，但土壤落干后淹水的脅迫效應迅速消失，土壤微生物種群和活性得以快速恢復，SMBC 含量陡增，SMBC／SOC 值達到峰值，表明此時土壤碳庫周轉速率最高，土壤微生物活性對土壤肥力的貢獻最大。 之后如前文所述，消落帶植物的生長可能加強了對土壤養分的剝奪，各高程SMBC 含量隨時間逐漸下降，并且此時植物釋放到土壤中的根系分泌物等有機物增多，導致相應高程SMBC／SOC 值隨時間呈現下降趨勢，這也說明隨著落干期延長，土壤碳庫的周轉速率受到限制，土壤微生物活性對土壤肥力的貢獻降低。

在土壤垂直深度上，同一高程下0 ～10 cm 土層SMBC／SOC 值明顯高于 10 ～ 20 cm 土層 SMBC／SOC值，這與以往的研究結果較為一致［25］，表明土壤表層微生物對有機物具有更高的轉化效率，從而有利于土壤肥力的提升。 除 245 m 高程外，0 ～10、10 ～20 cm 土層在265、255 m 高程的 SMBC／SOC 值均高于對照高程（275 m）的 SMBC／SOC 值，進一步表明短期、中期淹水能在一定程度上提高土壤微生物的活性及其對土壤肥力的貢獻；相反，長期淹水時土壤微生物活性受到抑制并導致其對土壤肥力的貢獻降低。

綜上可知，通過分析小浪底庫區消落帶SMBC 含量及SMBC／SOC 的變化特征能夠從生物學角度揭示土壤微生物活性對土壤肥力的影響，且二者的值越大、越有利于土壤肥力的提升。

5 結 論

（1）小浪底庫區消落帶各高程 SMBC 含量及SMBC／SOC 值在6—8月隨時間整體呈降低趨勢，說明隨著落干期延長，土壤微生物生存的適宜性降低，從而使土壤微生物的活性降低。

（2）消落帶不同高程 SMBC 含量差異明顯（P＜0.05），與對照高程（275 m）相比，265、255 m 高程SMBC 含量明顯較高，而245 m 高程SMBC 含量較低。對于 SMBC／SOC 值而言，245 m 高程 SMBC／SOC 值最小，255 m 高程 SMBC／SOC 值最大，255、265、275 m 這3 個高程之間的 SMBC／SOC 值無顯著差異（P＞0.05），表明短期、中期淹水能在一定程度上提高土壤微生物的活性，增強SMBC 對土壤碳庫的貢獻，而長期的淹水環境能對土壤微生物的活性產生極大的抑制作用，從而降低SMBC 對土壤肥力的貢獻。

（3）在土壤垂直深度上，消落帶 0 ～10 cm 土層SMBC 含量及 SMBC／SOC 值顯著高于 10 ～20 cm 土層SMBC 含量及 SMBC／SOC 值，并且 0 ～ 10 cm 土層SMBC 含量的波動幅度較大，表明表層土壤SMBC 更易受到外部環境變化的影響。

（4）Pearson 相關分析表明，SMBC 與土壤含水率呈極顯著正相關，與土壤pH 值呈顯著負相關，與土壤溫度、SOC 含量、全氮含量顯著相關，表明土壤溫度、含水率、pH 值、SOC 含量、全氮含量是影響小浪底庫區消落帶SMBC 含量及土壤肥力的關鍵因子。