祁連山東段退化高寒草地修復過程中土壤微生物生物量變化

李雙雄,姚 拓*,王理德,韓江茹,宋達成,趙赫然,楊繼杰,李雪梅,吉凌鶴,姬如欣

(1.甘肅農業大學草業學院,草業生態系統教育部重點實驗室,甘肅 蘭州 730070; 2.甘肅省治沙研究所,甘肅 蘭州 730070;3.甘肅河西走廊森林生態系統國家定位觀測研究站,甘肅 武威 733000; 4.甘肅民勤荒漠草地生態系統國家野外科學觀測研究站,甘肅 民勤 733300)

祁連山東段位于甘肅省西北部,地處青藏高原最東緣,屬于典型的高寒生態系統,自然環境敏感脆弱[1],它不僅是西北地區生態保護的屏障,也是多條河流的發源地,其高寒草地生態系統對河西走廊生態保護、文化建設和經濟發展都有著極其重要的作用[2]。哈溪雙龍溝流域地處祁連山北坡的東端、石羊河上游的高寒區,其植被土壤狀況直接影響著下游居民的用水安全[3-4]。雙龍溝礦產資源豐富,早在20世紀80年代初就開始了大規模的人工及機械采礦活動,致使該區域土壤狀況、生態環境遭到嚴重破壞[5]。采礦后遺留的礦區,砂礫坑穴、砂山矸石等遍及河道,導致植被土壤發生了不同程度的退化。伴隨著經濟的快速發展及對礦產資源的需求增加,礦區已成為全球退化最為嚴重的生態系統之一[6]。近年來,礦區土地復墾和生態修復已成為國內外專家學者廣泛關注的熱點問題之一[7-8]。

草地退化會引起土壤和植被發生不同程度的退化,導致其生態系統多功能性下降[9]。土壤是植物生長的基質和生態系統中許多生態過程的載體,其生物學性質是反映土壤生態系統修復程度的重要指標[10],地上植被特征嚴重影響到土壤因子,會對水土保持及土壤肥力產生重要影響,而土壤健康狀況又將影響植被特征[11]。土壤中的微生物量碳(Soil microbial biomass carbon,SMBC)、微生物量氮(Soil microbial biomass nitrogen,SMBN)和微生物量磷(Soil microbial biomass phosphorus,SMBP)能敏感響應土壤環境變化,可直接或間接參與土壤理化過程,并在土壤的能量循環和物質轉化中起關鍵作用,是維持土壤質量的重要指標,可綜合反映土壤肥力特性和生物活性[12]。廢棄礦區不僅造成土地資源的浪費,長期遺留還會造成土壤和植被嚴重退化,對自然環境構成嚴重威脅[13]。由于自然因素及人為因素的雙重脅迫,加之礦區恢復環境特殊,土壤結構復雜,營養元素缺乏,導致多數植物的生物量不大,嚴重影響了該區域植被的自然恢復和土壤的系統修復進程[14]。目前,國內外關于廢棄礦區土壤微環境修復及區域層面煤礦生態修復規劃策略的研究較少[15-16],有研究表明,通過外源微生物菌劑添加可以增加土壤微生物數量,提高植物根際微生物活性,而微生物的代謝產物可以聯合植物對廢棄礦區進行修復[17],此外,選擇適宜的鄉土物種結合其他綜合修復措施對退化的高寒草地修復效果明顯[18]。

分析研究人工沙棘林(HippophaerhamnoidesLinn.)修復下退化高寒草地土壤微生物量的季節動態變化及垂直分布規律,有助于科學、有效掌握土壤特性及變化趨勢,對于雙龍溝廢棄礦區土地修復后的利用及祁連山生態保護都具有重要意義?；诖?本研究采用時空替代法[19],探究該區域土壤微生物量的變化規律及最佳修復年限,以期為祁連山東段退化高寒草地土壤系統修復提供實踐參考。

1 材料方法

1.1 研究區域概況

土樣采集地選在哈溪鎮雙龍溝廢棄礦區,位于甘肅省天祝縣西北部、祁連山東端(102°17′18″～102°33′42″ E,37°18′12″～37°25′18″ N),海拔2 760～4 370 m。流域內以森林和草原為主,以青海云杉(PiceacrassifoliaKom.)為建群樹種,并有少量祁連圓柏(SabinaprzewalskiiKom.)、山楊(PopulusdavidianaDode.)、紅樺(Betulaalbo-sinensisBurk.)等,灌木主要有杜鵑(RhododendronsimsiiPlanch.)、高山柳(SalixcupularisRehd.)、錦雞兒(Caraganaarborescenslam.)[3]。中晚更新世及全新世初期,由于冰川(融水)及一系列復雜的化學反應,在雙龍溝流域形成了典型的冰水堆積-階地型砂金礦床,砂(巖)金、鐵、銅、煤炭等礦產資源極為豐富[20]。

1.2 樣地選擇

通過走訪當地牧民,查閱和調查哈溪林場及哈溪鎮土地使用記錄,選擇試驗區人工沙棘林復墾矸石結構相似的土壤,且無自然因素導致地形變遷或人為因素引起土壤物質再分配的地段,以未治理廢棄礦地矸石區域土壤為對照(CK),選擇人工沙棘林2 a,5 a,10 a的復墾矸石地,為使采樣地更具代表性,每修復年限及對照各采集3個樣地,每個樣地內布設5個土樣采集點,共12個樣地,60個采樣點。

1.3 研究方法

1.3.1樣品采集 采樣時間分別選在2021年3,6,9,12月中旬(分別代表春、夏、秋、冬四季的土壤狀況)。在每個固定樣點上做好標記,每樣點3個重復。為消除不同土層間微生物生物量的影響,土壤采集選擇0～5 cm,20～25 cm和40～45 cm深度的非連續土層。6月和9月直接用環刀進行取樣,3月和12月由于土壤凍結,采樣時需用土鉆及鐵鍬進行物理破凍,待土壤疏松后,再用橡皮錘或其他工具敲打環刀手柄,以增加穿透力進行樣品采集。采樣后將土壤根據不同年限、不同土層分別進行均勻混合,每個樣品取土樣2 kg左右,裝入無菌袋,放于帶冰塊的泡沫箱內,帶回實驗室,貯存于4℃冰箱,用于土壤微生物生物量的測定。

1.3.2土壤微生物生物量測定 土壤微生物生物量測定采用氯仿熏蒸法。樣品采用氯仿熏蒸后,用滴定法測定SMBC,凱氏法測定SMBN,鉬銻抗比色法測定SMBP[21]。

1.4 數據分析與處理

采用SPSS 20.0,Microsoft Excel 2020軟件統計整理和分析數據,采用Origin 2022軟件制圖,不同年限及不同季節修復地微生物生物量采用單因素方差分析(One-way ANOVA)進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同季節土壤微生物生物量隨修復年限的變化特征

2.1.1不同季節土壤微生物量碳(SMBC)的年際變化 哈溪雙龍溝不同年限修復地SMBC含量隨修復年限的變化規律大致相似,秋季含量最高,冬季次之,春夏季含量較低。

0～5 cm土層:秋冬季SMBC含量的變化規律大致相似,在修復0-5 a時不斷上升至最大,5 a以后又出現下降趨勢;春夏季相似,0-2 a時出現緩慢下降,2-10 a時均出現不斷上升趨勢。不同季節間SMBC含量在0-5 a時差異顯著,10 a時差異不顯著(圖2A)。

圖2 不同土層土壤微生物量碳隨季節動態變化Fig.2 Soil microbial biomass carbon in different soil layers changed dynamically with seasons注:同一組折線圖上方英文小寫字母不同表示同一年限、不同季節間差異顯著(P<0.05)。CK,2 a,5 a,10 a分別代表未治理、修復2年、5年、10年的土壤狀況。下同Note:Different lowercase letters on the four individual lines indicate a significant difference between the different values in different seasons for the same abandonment years (P<0.05). The CK,2a,5a and 10a represent the soil conditions of unrestored,restored for two years,five years and ten years,respectively.the same as below

20～25 cm土層:不同季節SMBC含量隨修復年限的增加均呈現波動式上升趨勢,且不同年限不同季節間的SMBC含量差異顯著(P<0.05)。春季,SMBC含量隨修復年限的增加總體呈上升趨勢;夏季,0-5 a時含量相對穩定,而5-10 a時則急劇上升;秋季,隨修復年限的增加含量不斷增加;冬季,SMBC含量先下降后緩慢上升(圖2B)。

40～45 cm土層:不同修復年限下秋季SMBC含量顯著高于其他季節(P<0.05)。春秋季SMBC含量變化相似,即隨修復年限的增加呈現出不斷上升趨勢;夏冬季則隨修復年限的增加先下降,到2 a時均出現緩慢上升的變化趨勢(圖2C)。

2.1.2不同季節土壤微生物量氮(SMBN)的年際變化 研究發現,哈溪雙龍溝SMBN含量相對穩定,受修復年限的影響較小。

0～5 cm土層:春季SMBN含量在0-5 a時緩慢上升,5-10 a時趨于穩定;夏季含量最低,在0-5 a時無顯著變化,5-10 a時上升;秋季含量在0-5 a時呈現先上升后下降的變化趨勢,在5 a后又緩慢上升;冬季含量整體呈現不斷上升趨勢(圖3 A)。

圖3 不同土層土壤微生物量氮隨季節動態變化Fig.3 Soil microbial biomass nitrogen in different soil layers changed dynamically with seasons

20～25 cm土層:不同年限SMBN含量呈現出秋季>春季>冬季>夏季。秋季SMBN含量在2-5 a時出現上升,其余時段處于小幅度變動狀態,其他季節SMBN隨修復年限的增加含量相對穩定?？傮w上,20～25 cm土層的SMBN含量處于相對穩定狀態(圖3 B)。

40～45 cm土層:春冬季SMBN含量隨修復年限的增加無顯著變化;夏秋季變化趨勢相似,呈現出倒“N”型變化格局,2季節間的含量差異顯著(P<0.05)(圖3 C)。

2.1.3不同季節土壤微生物量磷(SMBP)的年際變化 不同土層、不同季節間SMBP含量隨修復年限的增加呈現出冬季含量較高,夏秋季次之,春季較低的變化趨勢。

0～5 cm土層:春季,SMBP含量在修復0-5 a時均無顯著變化,但5 a后緩慢上升;夏季,在0-2 a時急劇下降,2 a之后緩慢上升;秋季,在0-5 a時急劇上升至最大值18.66 mg·kg-1,后出現了急劇下降;冬季,隨修復年限的增加呈現不斷下降的變化趨勢(圖4A)。

圖4 不同土層土壤微生物量磷隨季節動態變化Fig.4 Soil microbial biomass phosphorus in different soil layers changed dynamically with seasons

20～25 cm土層:春冬季SMBP含量隨修復年限的變化較相似,修復0-5 a時無顯著變化,5 a之后出現了緩慢上升,且2季節間差異顯著(P<0.05);夏秋季變化趨勢較相似,在0-2 a時急劇上升,2 a后不斷下降?？傮w上,冬季SMBP含量相對穩定且顯著高于其他季節(圖4B)。

40～45 cm土層:春季SMBP含量隨修復年限的增加無顯著變化,夏冬季變化相似,在0-2 a時急劇下降,2 a后趨于穩定變化,秋季呈“N”型變化規律,冬季SMBP含量顯著高于其他季節(P<0.05)(圖4C)。

2.2 不同修復年限土壤微生物生物量垂直分布規律

研究發現,不同土層的SMBC含量隨修復年限的增加總體呈上升趨勢。同一土層、不同年限中,0～5 cm土層SMBC含量隨修復年限的增加而顯著增加(P<0.05),20～25 cm呈現先緩慢增加至5 a后急劇上升,40～45 cm含量在不同年限間差異顯著(P<0.05)。在同一年限、不同土層中,修復0 a時,隨土層的加深SMBC含量無明顯變化;修復2 a時,20～25 cm土層含量較高;修復5 a時,0～5 cm土層含量較高;修復10 a時,3個土層SMBC含量均增加到最大值,且0～5 cm>20～25 cm>40～45 cm,分別為133.28,119.17和100.47 mg·kg-1(圖5A)。

圖5 不同土層、不同修復年限的土壤微生物量分布Fig.5 The soil microbial biomass distribution in different soil layers for different restoration years注:同一組直方柱上方英文小寫字母不同表示同一土層、不同年限間差異顯著(P<0.05)。各土層含量分別為3,6,9,12月含量的平均值Note:The different lowercase letters above the four square columns of the same soil layer indicate a significant difference between different restoration years (P< 0.05). The value of each soil layer was the average values in March,June,September and December

SMBN含量表現為:在0～5 cm土層,各年限含量差異顯著(P<0.05),在20～25 cm及40～45 cm土層各年限含量無較大變化。同一土層、不同年限中,0～5 cm土層的SMBN含量隨修復年限的增加呈現不斷上升趨勢,各年限間差異顯著(P<0.05);20～25 cm土層在修復前期無顯著變化,修復后期呈現緩慢上升趨勢;40～45 cm土層呈現波動式變化,各年限含量差異不顯著。同一年限、不同土層中,修復0 a時,40～45 cm土層含量較高;修復2 a時,0～5 cm土層含量較高;修復5 a時,0～5 cm及40～45 cm土層含量較高;修復10 a時,隨土層的加深,SMBN含量不斷降低(圖5B)。

SMBP含量表現出:同一土層、不同年限中,隨修復年限的增加,0～5 cm土層SMBP含量呈現波動式變化;20～25 cm土層含量呈現先迅速增加后不斷降低的變化趨勢;40～45 cm土層各年限間的差異顯著(P<0.05)。同一年限、不同土層中,修復0 a時,SMBP含量呈現40～45 cm>0～5 cm>20～25 cm;修復2 a時,20～25 cm及40～45 cm土層含量較高且基本一致;修復5 a時,隨土層的加深,SMBP含量不斷下降;修復10 a時,恰好與5 a時狀況相反(圖5C)。

2.3 不同修復年限對土壤微生物生物量化學計量比及其特征影響

研究發現,隨修復年限的增加,SMBC∶SMBN,SMBC∶SMBP和SMBN∶SMBP呈現不斷上升趨勢,最大比值分別為6.09,22.36和4.94,為最初比值的1.41倍、3.17倍和2.64倍。不同修復年限中,SMBC∶SMBN在40～45 cm增幅最大,為57.82%,SMBC∶SMBP和SMBN∶SMBP均在0～5 cm土層中增幅最大,分別為216.71%和164.17%,這與該區域表層土壤微生物量含量較高密切相關。研究表明,在人工沙棘林建植后,隨修復年限的推移,該區域內SMBC,SMBN和SMBP含量有上升趨勢,土壤狀況正在逐步改善(表1)。

表1 不同修復年限土壤微生物生物量化學計量比Table 1 Stoichiometric ratio of soil microbial biomass in different restoration years

3 討論

土壤微生物量碳、氮、磷是土壤活性養分的儲存庫,能靈敏反映環境因子的變化[21]。土壤微生物是土壤的重要組成部分,參與土壤碳、氮、磷等元素的循環及土壤礦物質的礦化過程,并對有機物質的分解轉化起主導作用,進而影響植被的生長發育。土壤微生物生物量常被作為植物所需營養元素的轉化因子和資源庫,是體現土壤發育狀況和生化強度的一項主要指標[22]。隨著季節及修復年限的變化,土壤微生物生物量也會發生變化,這主要是由于氣溫、降水量、凋落物、地上植被狀況及土壤微生物對養分的競爭等導致,在不同生態系統中,SMBC,SMBN和SMBP含量隨季節變化規律也有所不同[23],本研究也表現出類似的規律。

在哈溪雙龍溝廢棄礦區土壤修復過程中,SMBC,SMBN和SMBP含量的季節變化具有較大差異。不同年限修復地SMBC含量隨季節變化規律大致相似,秋季含量最高,冬季次之,夏季與春季較低。這是由于進入春季,地溫回升,土壤微生物數量增加、活性提升,解凍后土壤中原有的可溶性有機碳利用分解加強,較多的營養物質被微生物固定[24],導致SMBC含量逐漸升高。在9月份前后,SMBC含量出現峰值,且含量顯著高于其他月份,是由于8-9月份的哈溪雙龍溝氣溫較高,晝夜溫差加大,地表枯枝落葉增加,加之降水增多,極大程度提升了微生物的生長及代謝活動,這也導致了SMBC含量的增加。12月份氣溫降低,土壤凍結,導致微生物的分解作用降低,SMBC含量也隨之降低。并且,在0～5 cm的表層土壤中,SMBC含量較高,且變化幅度較大,這與馬俊梅等人[25]研究發現的土層越深,土壤微生物量越低,且隨著修復年限的增加各土層土壤微生物量之間的差異逐漸減小結果相似。SMBN含量的季節變化相對穩定,秋季含量較高且變動幅度較大,其他季節含量隨修復年限的增加變化緩慢,在3個土層中,0～5 cm土層中含量相對較高,20～25 cm和40～45 cm土層中含量較低,且整體呈現先波動變化,最終走向平衡,這與王理德等人[26]的研究結果相似。研究區域多被沙棘等灌木、半灌木及禾本科植被覆蓋,豆科類植物含量較少,土壤中缺乏固氮菌等微生物的根際生存環境,這可能是導致SMBN含量少的主要原因之一,特殊的地域風貌、自然條件、土壤結構等因素也應考慮[27]。不同季節的SMBP含量隨修復年限的增加呈現出冬季含量最高,夏秋季次之,春季含量最低的現象,且該區域整體的SMBP含量較低。這表明SMBP含量在一年之中不斷積累,不同土層間冬季含量也顯著高于其他季節(P<0.05),修復5-10 a左右,SMBP含量整體趨于穩定狀態,這可能是由于修復后期,土壤鹽堿化程度加重,pH值上升等因素導致[28],在一定程度上也抑制了SMBP對季節變化的敏感性,導致在修復后期,SMBP含量隨季節的變化不明顯。不同土層SMBP含量的季節變化也基本相似,表明該區域的SMBP在不同土層的分布較均勻,其含量受土層深度的影響較少,這也與SMBP對環境及土壤因素的敏感性有關。在同一年限中,雖有季節性變化,但哈溪雙龍溝的區域植被、土壤環境整體情況未發生很大程度的轉變。

土壤微生物生物量與土壤養分密切相關,其化學計量比是判定微生物群落結構變化的重要指標[29]。當SMBC∶SMBN ≤20和SMBC∶SMBN ≥30分別表示土壤微生物生長受到碳源及氮源的限制,比值為25時,對土壤微生物生長最有利[30]。在本研究中,不同修復年限土壤中SMBC∶SMBN介于3.21～6.09之間,總體隨修復年限增加呈上升趨勢,在修復10 a時比值最大,僅為6.09,說明土壤碳、氮營養不平衡,這也嚴重影響到土壤微生物的生長。有關分析也表明,土壤微生物數量與土壤養分存在不同程度的相關性[31]。然而,土壤生態系統比較復雜,其微生物量還會受土壤濕度、溫度、團粒結構、pH值等因素影響[32],應綜合考慮。SMBC∶SMBP和SMBN∶SMBP在不同土層表現出波動式變化規律,最大比值分別為22.36及4.94。土壤C∶N,C∶P和N∶P對于分析土壤微生物生物量有著重要意義[33],由于植被和土壤的C養分比差異很大,所以碳固定依賴于植被和土壤之間碳和養分的分配以及輸入的碳對微生物組成的影響[34]。土壤微生物可以調整一些礦化酶的生產力,從而獲取適宜比例的碳、氮和磷[35-36],有研究表明,微生物量C∶P一般在7～30之間變化,C∶P比值小說明微生物在礦化土壤有機質中釋放磷的潛力較大,土壤微生物量磷對土壤有效磷庫有補充作用;相反,說明土壤微生物對土壤有效磷有同化趨勢,易出現微生物與作物競爭性吸收土壤有效磷的現象,具有較強的固磷潛力[37]。在種植沙棘后,哈溪雙龍溝的植被狀況隨修復年限的增加發生了改變,但碳源的輸入途徑較少,這在很大程度上限制了微生物的組成,微生物組成結構單一,進而導致土壤微生物生物量長期處于較低水平。

研究發現,本研究區域內SMBC,SMBN和SMBP的最大值分別出現在修復5 a(9月)、10 a(12月)和5 a(9月),含量分別為194.38,51.90,18.66 mg·kg-1?？梢?在修復5 a時,該區域土壤微生物生物量最適宜微生物的生長,土壤狀況較好。但整體來看,SMBN,SMBP含量隨修復年限的增加呈波動式變化規律且含量相對較低,可能是由于該區域在修復前為廢棄礦區,未進行適度的機械和生物修復,長期擱置導致土壤淋溶、沙化、水土流失[38],進而導致土壤退化及微生物生物量減少。

4 結論

在祁連山東段哈溪雙龍溝退化高寒草地修復過程中,表層土壤的微生物生物量顯著高于較深層次土壤;SMBC含量隨修復年限的增加總體呈上升趨勢,SMBN含量總體處于相對穩定的狀態,SMBP含量隨修復年限的增加呈波動式變化且到修復后期趨于穩定;不同土層SMBC含量隨季節變化規律大致相似,秋季含量最高,冬季次之,春夏季較低,SMBN含量受修復年限及季節性變化的影響較小,SMBP含量處于長期漫長累積的狀態;修復5 a時,SMBC及SMBP含量達到峰值,此時的SMBN含量處于相對穩定狀態,因此,修復5 a左右是土地修復、利用及綜合治理的關鍵時期。