遼東山區(qū)次生林土壤微生物生物量對微生物呼吸影響

范阿南 劉 峰

(大連市林業(yè)科學研究院，大連，116039) (內(nèi)蒙古赤峰市紅山區(qū)國營城郊林場)

土壤微生物生物量是指土壤中除活的植物體外體積小于5 ×103μm3的生物總量，主要包括細菌、真菌、藻類和原生動物等［1－2］。微生物生物量雖然只占土壤有機質(zhì)庫的很小部分，但卻是控制生態(tài)系統(tǒng)中碳、氮和其它養(yǎng)分流的關鍵［3］，影響著所有進入土壤的有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化，是整個生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分和能源循環(huán)的“關鍵”和“動力”［4］。土壤微生物生物量同時也是土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過程中的一個重要的源和庫［5］。土壤微生物生物量對環(huán)境變化敏感，能夠較早地指示生態(tài)系統(tǒng)功能的變化［6］，微生物量庫的任何變化將會影響?zhàn)B分的循環(huán)和有效性［7］。

遼東山區(qū)的植物區(qū)系主要以長白植物區(qū)系為主，近100年來由于特殊的歷史和社會原因使遼東山區(qū)的森林遭到了幾次大規(guī)模的破壞，在劇烈的人為干擾下，這一地區(qū)穩(wěn)定的頂級群落闊葉紅松林大部分消失，形成了目前主要以柞屬(Quercus)、樺屬(Betura)、楊屬(Populus)、槭屬(Acer)等樹種為主的次生林。本研究以遼東山區(qū)天然次生林為研究對象，較系統(tǒng)地研究了主要天然次生林植被類型在森林演替過程中的土壤微生物生物量以及土壤微生物呼吸強度，為深入了解干擾條件下土壤微生物生物量碳、氮在森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動的功能提供基礎數(shù)據(jù)，為該區(qū)域的森林經(jīng)營實踐提供理論參考。

1 研究區(qū)概況

研究地位于中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所清原森林生態(tài)實驗站(海拔456 ～1 116 m)。氣候?qū)偈芗撅L影響的溫帶大陸性氣候，主要土壤種類為棕色和暗棕色森林土，植物區(qū)系主要以長白植物區(qū)系為主。這一地區(qū)曾遭遇幾次大規(guī)模的破壞，原有頂級群落闊葉紅松林大部分消失，現(xiàn)有植被以次生林為主。胡理樂等［8］將遼東山區(qū)天然次生林劃分為蒙古櫟、胡桃楸、雜木林、水曲柳和花曲柳5 個主要群落類型，本研究以其中的蒙古櫟、胡桃楸和雜木林3個類型為研究對象，試驗地林分特征見表1。

表1 遼東山區(qū)次生林樣地基本特征

2 材料與方法

試驗地設置:選取具有代表性的蒙古櫟林、雜木林、胡桃秋林林分，每個林分內(nèi)設置30 m ×30 m 固定樣地，試驗在20 m ×20 m 區(qū)域內(nèi)進行，10 m 作為緩沖區(qū)。對林地內(nèi)胸徑大于4 cm 的樹木進行每木檢尺，測量樹高和胸徑。

土壤微生物呼吸測定:土壤表面CO2通量采用LI－COR 公司生產(chǎn)的LI－6400 便攜式測定系統(tǒng)連接的土壤呼吸室(LI－Cor Inc.，Lincoln，NE，USA)直接測定。土壤微生物異養(yǎng)呼吸(RH)采用挖壕法［5］間接測定。挖壕6 個月后，測定壕內(nèi)土壤呼吸速率，測得的挖壕樣方內(nèi)的CO2通量即為土壤微生物呼吸速率。

土壤微生物生物量土樣采集、制備:每月土壤呼吸測定后，在每個土壤呼吸觀測點附近用鉆土芯法采集土樣。土鉆直徑為4 cm，每個采樣點分0 ～10、＞10 ～20、＞20 ～30 cm 3 個層次分別收集，每個觀測點選4 個采樣點，將采集到的每個層次的4 個重復混合作為一個樣品裝入密封袋中，回實驗室后迅速過篩。過篩后的土壤(D ＜2 mm)用作土壤微生物量測定。

微生物生物量碳、氮測定:氯仿熏蒸浸提［9］，用碳、氮自動分析儀(Multi N/C3000，Germany)測定碳、氮質(zhì)量分數(shù)。

數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計方法:采用Excel(2003)和SPSS(11.5)對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析和制圖。

3 結果與分析

3.1 不同林分土壤微生物生物量碳的動態(tài)變化

蒙古櫟林、雜木林和胡桃楸林土壤微生物生物量碳質(zhì)量分數(shù)均具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律，生長季內(nèi)呈單峰趨勢(表2)。4月份3 個群落土壤微生物生物量碳最低，5、6月份逐漸升高，至7月份升至整個生長季的最高值，隨后再逐漸下降。整個生長季，蒙古櫟林微生物生物量碳大于雜木林，但只在10月份差異顯著，胡桃楸林的微生物生物量碳最小，但也只在4、5、7、9月份與其它2 種群落差異顯著。

表2 遼東山區(qū)不同林分土壤微生物生物量碳、氮季節(jié)變化 mg·kg －1

3.2 不同林分土壤微生物生物量氮的動態(tài)變化

蒙古櫟林、雜木林、胡桃楸林土壤微生物生物量氮質(zhì)量分數(shù)均表現(xiàn)明顯的季節(jié)變化，均呈單峰趨勢(表2)。各群落土壤微生物生物量氮質(zhì)量分數(shù)在4月份最低，5、6月份逐漸增加，蒙古櫟林和雜木林在7月份微生物生物量氮最高，而胡桃楸林在8月份最高，隨后各群落土壤微生物生物量氮質(zhì)量分數(shù)均逐漸降低。生長季土壤微生物生物量氮質(zhì)量分數(shù)大小順序依次為蒙古櫟林、雜木林、胡桃楸林。4月份3 個群落微生物生物量氮質(zhì)量分數(shù)分別為5.87、4.24、3.78 mg/kg，蒙古櫟林比雜木林高38%，差異不顯著，胡桃楸林最低，只是蒙古櫟和雜木林的64%和89%。5、6月份3 個群落微生物生物量氮質(zhì)量分數(shù)間差異不顯著。7月份3 個群落微生物生物量氮質(zhì)量分數(shù)分別為241.62、184.89、76.71 mg/kg，蒙古櫟林比雜木林高31%，但差異不顯著，胡桃楸林最低，是蒙古櫟林和雜木林的32%和41%。8月份3 個群落微生物生物量氮質(zhì)量分數(shù)依次為215.72、146.72、123.37 mg/kg，蒙古櫟林分別是雜木林和胡桃楸林的1.47、1.75 倍，雜木林比胡桃楸林高，但二者差異不明顯。9月份，3 個群落微生物生物量氮質(zhì)量分數(shù)分別為180.20、144.74、71.86 mg/kg，蒙古櫟林比雜木林高，但二者差異不明顯，胡桃楸林微生物生物量氮質(zhì)量分數(shù)最低，明顯低于蒙古櫟林和雜木林，僅占二者的40%和50%。10月份3 個群落的微生物生物量氮質(zhì)量分數(shù)分別為100.41、36.25、21.78 mg/kg，相對于9月份降低較明顯，蒙古櫟林生物量是雜木林和胡桃楸林的2.77、4.61 倍，雜木林微生物生物量氮質(zhì)量分數(shù)雖然高于胡桃楸林，但二者差異不明顯。

3.3 不同林分土壤微生物呼吸速率的變化

生長季蒙古櫟林、雜木林、胡桃楸林土壤微生物呼吸速率及變化規(guī)律不同(圖1)。土壤微生物呼吸速率由大到小為蒙古櫟林、雜木林、胡桃秋林;蒙古櫟林和雜木林土壤微生物呼吸速率最低值出現(xiàn)在4月份，分別為0.74、0.66 g·m－2·d－1，而胡桃秋林土壤微生物呼吸速率則在生長季結束的10月份達到最低，為0.84 g·m－2·d－1;8月蒙古櫟林和胡桃秋林土壤微生物呼吸速率達到峰值，分別為2.77、1.83 g·m－2·d－1，而雜木林群落土壤微生物呼吸速率則在6月份就已達到最大，為1.98 g·m－2·d－1。

圖1 遼東山區(qū)不同林分生長季土壤微生物呼吸速率的變化

3.4 土壤微生物生物量碳、氮與土壤微生物呼吸的關系擬合

對土壤微生物呼吸與土壤微生物生物量碳、氮進行回歸分析，結果見表3?；貧w分析表明，蒙古櫟林、雜木林和胡桃楸林土壤微生物呼吸與土壤微生物生物量碳、氮均具有線性關系。土壤微生物是所有進入土壤的有機質(zhì)的分解者和轉(zhuǎn)化者，土壤微生物碳是活的有機質(zhì)部分，它的變化與土壤生物活性密切相關，直接或間接影響土壤呼吸的強弱。Scott－Denton 等［10］認為，土壤呼吸速率與微生物生物量碳關系密切;Liu 等［11］對長白山典型森林生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸進行研究表明，土壤呼吸和土壤微生物生物量碳之間呈正相關關系，但未達到顯著水平;而Sato 等［12］的研究卻發(fā)現(xiàn)二者之間沒有關系。目前有關土壤呼吸與微生物生物量氮之間的研究并不多。遼東山區(qū)次生林蒙古櫟林、雜木林和胡桃楸林土壤微生物呼吸與土壤微生物生物量氮的相關性好于與土壤微生物生物量碳的相關性。蒙古櫟林和胡桃楸林土壤微生物呼吸與微生物生物量碳之間的決定系數(shù)分別為0.633 4 和0.669 0，關系顯著(P ＜0.05)，雜木林微生物呼吸與微生物生物量碳之間具有極顯著的線性關系(R2=0.852 3，P ＜0.01);蒙古櫟林、雜木林和胡桃楸林土壤微生物呼吸與微生物生物量氮之間線性回歸決定系數(shù)分別為0.824 4、0.907 9 和0.871 8，均達極顯著水平(P ＜0.01)。說明土壤微生物生物量大小決定了土壤微生物呼吸的強弱。

表3 遼東山區(qū)林分土壤微生物呼吸與土壤微生物生物量碳、氮關系的擬合方程

4 結論

次生林群落土壤微生物生物量碳、氮均具明顯的季節(jié)變化，生長季內(nèi)呈單峰曲線變化，基本于7、8月達到最大值;生長季內(nèi)，蒙古櫟林微生物生物量碳質(zhì)量分數(shù)最高，胡桃楸林最低，彼此間差異不顯著。土壤微生物生物量氮質(zhì)量分數(shù)大小順序與微生物生物量碳一致，胡桃楸林土壤微生物生物量氮質(zhì)量分數(shù)明顯低于蒙古櫟林和雜木林。蒙古櫟林和胡桃楸林土壤微生物呼吸與微生物生物量碳間決定系數(shù)分別為0.633 4 和0.669 0，關系顯著(P ＜0.05)，雜木林微生物呼吸與微生物生物量碳之間具有極顯著的線性關系(R2=0.852 3，P ＜0.01);蒙古櫟林、雜木林和胡桃楸林土壤微生物呼吸與微生物生物量氮之間線性關系極顯著，決定系數(shù)分別為0.824 4、0.907 9 和0.871 8(P ＜0.01)。

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