云冷杉紅松混交林不同演替階段土壤微生物生物量碳與土壤蔗糖酶活性分析

劉振花

(阜新市林業(yè)局，遼寧 阜新 123000)

云冷杉紅松混交林不同演替階段土壤微生物生物量碳與土壤蔗糖酶活性分析

劉振花

(阜新市林業(yè)局，遼寧 阜新 123000)

通過對(duì)云冷杉紅松混交林不同演替階段(形成階段、發(fā)展階段、穩(wěn)定階段和頂級(jí)群落)不同土壤層次土壤微生物量碳(MBC)含量和土壤蔗糖酶活性及各個(gè)階段土壤總有機(jī)碳、全氮、速效鉀和有效磷的研究，采用對(duì)比分析方法分析了土壤微生物量碳和土壤蔗糖酶活性與土壤總有機(jī)碳、全氮、速效鉀和有效磷之間的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果顯示，土壤微生物量碳和土壤蔗糖酶活性與土壤總有機(jī)碳、全氮、速效鉀和有效磷之間均呈顯著正相關(guān)。

云冷杉紅松混交林；演替階段；微生物生物量碳；蔗糖酶活性

土壤微生物量碳(MBC)是指土壤中體積小于5～10 μm3活的微生物總量，在土壤有機(jī)質(zhì)中，屬于較活躍的部分，易發(fā)生變化。土壤微生物量碳在土壤有機(jī)質(zhì)庫(kù)中所占的比例很小，但卻是控制生態(tài)系統(tǒng)中碳、氮和其他養(yǎng)分流的關(guān)鍵[1]。土壤微生物量碳是推動(dòng)有機(jī)質(zhì)分解、轉(zhuǎn)化的動(dòng)力，進(jìn)入土壤的有機(jī)物質(zhì)都需在微生物的作用下才能完成代謝過程[2]。已有研究表明，微生物量碳與有機(jī)碳的變化方向一致，二者顯著正相關(guān)。由于土壤有機(jī)碳的含量高，短期內(nèi)難以檢測(cè)其變化大小，而微生物量碳周轉(zhuǎn)速率快，短時(shí)間內(nèi)能夠測(cè)定其變化大小。研究表明，微生物生物量碳與有機(jī)碳比率變化可以指示土壤有機(jī)質(zhì)變化[3]。

1 研究方法

1.1 研究地區(qū)自然概況

研究樣地位于黑龍江省伊春市涼水國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)。該地區(qū)地處小興安嶺山脈東南，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季長(zhǎng)，夏季短，太陽輻射量較小，年平均氣溫-0.3 ℃，年平均降水量約為680 mm，年平均蒸發(fā)量約為800 mm, 無霜期較短，為100～120 d。本區(qū)的地帶性土壤屬于暗棕壤，分布于大部分山地，占全區(qū)總面積的85%；在河流兩岸的階地上分布著草甸土，在河流兩岸的低洼地和山間谷地排水不良的地方分布著沼澤土和泥炭土。地帶性植被是以紅松為主的針闊混交林。常見的闊葉樹有紫椴(Tiliaamurensis)、青楷槭(Acertegmentosum)、花楷槭(Acerukurunduense)、蒙古櫟(Quercusmongolica)、擰筋槭(Acertriflorum)、千金榆(Carpinuscordata)、水曲柳(Fraxinusmandschurica)、黃波羅(Phellodendronamurense)等。下木有毛榛子(Corylusmandshurica)、胡枝子(Lespedezabicolor)、興安杜鵑(Rhododendrondauri-cum)、暴馬丁香(Syringareticulatavar.amurensis)等。草本植物的種類隨林齡的變化有所變化，主要以莎草科(Cyperaceae)、禾本科(Gramineae)、茜草科(Rubiaceae)以及菊科(Compositae)植物為主[4]。

1.2 土壤樣品采集

在涼水自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，選取立地條件相似的更新樹種(紅皮云杉、冷杉、紅松、白樺)的形成階段(30 a)、發(fā)展階段(50 a)、穩(wěn)定階段(70 a)、頂級(jí)群落(原始林)4個(gè)林分類型，在每個(gè)林分類型中各設(shè)置3塊30 m×30 m標(biāo)準(zhǔn)地，每塊標(biāo)準(zhǔn)地按“S”形設(shè)置5個(gè)土壤剖面，分別取A層、B層和C層土壤，裝于塑料袋中做好標(biāo)識(shí)。將土壤樣品分成2份，1份鮮樣去掉根系、石塊，過2 mm鋼篩后貯藏于4 ℃冰箱后供土壤微生物量碳的測(cè)定；另一份去掉根系、石塊并風(fēng)干，風(fēng)干土樣按照試驗(yàn)用量分成3份，分別過0.149 mm、0.25 mm和2 mm土壤篩，過篩后用密封袋儲(chǔ)存，供土壤基礎(chǔ)物理化學(xué)指標(biāo)和土壤蔗糖酶的測(cè)定。不同演替階段土壤肥力狀況見表1。

表1 云冷杉紅松混交林不同演替階段土壤肥力

1.3 分析方法

土壤微生物生物量碳的測(cè)定采用氯仿熏蒸法，即將鮮土樣放入抽真空干燥器中，用氯仿熏蒸24 h，抽干凈剩余氯仿之后，用0.5 molL-1K2SO4浸提土壤，浸提液直接在有機(jī)碳分析儀上測(cè)定[5]。

土壤蔗糖酶的測(cè)定用3,5-二硝基水楊酸比色法。即稱取2 g風(fēng)干土于50 mL三角瓶中，注入15 mL 8%蔗糖溶液，加入5 mL pH5.5磷酸緩沖液和5滴甲苯。搖勻混合物后，放入37 ℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)24 h。定時(shí)取出，迅速過濾。從中吸取濾液1 mL，注入50 mL容量瓶中，加入3 mL 3,5-二硝基水楊酸，并在沸騰的水浴鍋中加熱5 min，隨即將容量瓶移至再來水流下冷卻3 min。溶液因生成3-氨基-5-硝基水楊酸而呈橙黃色，最后用蒸餾水稀釋至50 mL，并在分光光度計(jì)上于波長(zhǎng)508 nm處進(jìn)行比色[6]。

為了消除土壤中原有的蔗糖、葡萄糖而引起的誤差，每一土樣須做無基質(zhì)對(duì)照，整個(gè)實(shí)驗(yàn)需做無土壤對(duì)照。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤微生物生物量碳的演變

由圖1可見，土壤微生物生物量碳含量隨著演替階段的進(jìn)行而增加，進(jìn)入穩(wěn)定階段時(shí)，含量值最高，從穩(wěn)定階段到頂級(jí)群落，含量稍有減少。A層和B層土壤微生物生物量碳的含量變化較C層明顯，C層各個(gè)演替階段的微生物量碳含量變化較為平緩，A層土壤微生物量碳的含量從形成階段的1 616.55 mgkg-1到穩(wěn)定階段的2 170.92 mgkg-1，增長(zhǎng)幅度為34.31%。B層形成階段的土壤微生物量碳含量為1 072.21 mgkg-1，穩(wěn)定階段的微生物量碳含量為1 405.61 mgkg-1，C層的土壤形成階段和穩(wěn)定階段的微生物生物量碳含量分別為553.84 mgkg-1和708.24 mgkg-1，增長(zhǎng)幅度為27.88%。從不同土壤層次來看，土壤微生物量碳的含量大小順序依次是A層>B層>C層(圖1)。由于土壤表層土壤空氣比深層土壤空氣充足，土壤微生物絕大部分分布在土壤表層，因此，土壤A層的土壤微生物生物量碳含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于B層和C層[7]。

圖1 云冷杉紅松混交林不同演替階段土壤微生物生物量碳的含量變化

2.2 土壤蔗糖酶活性的演變

蔗糖酶的演變與林地內(nèi)的光照條件以及土壤空氣及熱量狀況有關(guān)，這是因?yàn)橐环矫孢@些因子會(huì)影響植物根系及土壤微生物種類；另一方面，不同光照條件和空氣狀況也會(huì)直接或間接影響土壤蔗糖酶的存在狀態(tài)與活性強(qiáng)弱[8]。本研究表明(圖2)，不同演替階段土壤蔗糖酶活性變化表層土比深層土明顯。A層土壤蔗糖酶活性從形成階段到發(fā)展階段降低顯著，而從發(fā)展階段到穩(wěn)定階段提高程度達(dá)顯著水平(P< 0.05)，從穩(wěn)定階段到頂級(jí)群落土壤蔗糖酶活性基本趨于穩(wěn)定；B層和C層土壤蔗糖酶活性無顯著差異。這是由于A層土壤受光照影響顯著。隨著演替的進(jìn)行，林內(nèi)的郁閉度也發(fā)生變化，郁閉度導(dǎo)致的光照及其他因子的差異，影響根系及土壤微生物的活性，從而影響土壤有機(jī)質(zhì)及營(yíng)養(yǎng)元素的含量、有效性及其他理化性質(zhì)，進(jìn)而直接或間接地影響土壤蔗糖酶活性。從林分的郁閉度和土壤蔗糖酶活性的相關(guān)分析可得土壤蔗糖酶活性和林分的郁閉度呈負(fù)相關(guān)。

圖2 云冷杉紅松混交林不同演替階段土壤蔗糖酶活性的演變

2.3 土壤微生物生物量碳與土壤養(yǎng)分的相關(guān)關(guān)系

根據(jù)土壤微生物碳與總有機(jī)碳、全氮、有效磷和速效鉀之間的相關(guān)分析可以看出，土壤微生物量碳與上述土壤養(yǎng)分之間均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。這是由于土壤微生物一方面對(duì)土壤有機(jī)物質(zhì)起分解作用，使有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化成有效養(yǎng)分，另一方面，土壤微生物量碳對(duì)土壤中的無機(jī)營(yíng)養(yǎng)元素起到固定和保蓄作用，微生物量碳含量越高，土壤保肥作用越強(qiáng)，并使土壤養(yǎng)分趨于積累狀態(tài)。因此，土壤微生物量碳是植物礦質(zhì)養(yǎng)分的源和匯，是穩(wěn)定態(tài)養(yǎng)分轉(zhuǎn)變?yōu)橛行B(tài)養(yǎng)分的催化劑[9]。已有研究表明，土壤微生物量庫(kù)的微小變化都會(huì)影響到養(yǎng)分的循環(huán)和有效性[9]。本研究結(jié)果表明，土壤微生物碳含量與土壤總有機(jī)碳、全氮、有效磷和速效鉀含量間呈極顯著正相關(guān)(P< 0.01)(圖3)。Smith等研究表明[10]，微生物C、N、P、S與土壤有效C、N、P、S之間存在著某種動(dòng)態(tài)平衡，這說明土壤生物碳指示土壤肥力動(dòng)態(tài)變化比土壤有機(jī)碳更加靈敏，可以用來反映土壤肥力的動(dòng)態(tài)變化[11]。因此，土壤微生物量碳可以作為云冷杉紅松混交林林地土壤養(yǎng)分狀況的指標(biāo)。

圖3 土壤微生物生物量碳與土壤養(yǎng)分的相關(guān)關(guān)系

2.4 土壤蔗糖酶與土壤養(yǎng)分的相關(guān)關(guān)系

從圖4可以看出，土壤蔗糖酶活性與土壤總有機(jī)碳含量、土壤全氮量、土壤速效磷含量和土壤速效鉀含量均表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，其中與土壤總有機(jī)碳、全氮量和速效鉀均達(dá)到了極顯著相關(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為0.947 8、0.957 8和0.917 7)，與土壤速效磷也達(dá)到了顯著相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為0.898 5)。

圖4 土壤微生物量碳與土壤養(yǎng)分的相關(guān)關(guān)系

圖5 土壤蔗糖酶活性與土壤活性有機(jī)碳的相關(guān)關(guān)系

2.5 土壤微生物量碳與土壤蔗糖酶的相關(guān)關(guān)系

由圖5可以看出:土壤蔗糖酶與土壤微生物量碳(MBC)的相關(guān)系數(shù)為0.955 1(P<0.01)，這說明土壤蔗糖酶在云冷杉紅松混交林的演替過程中，與土壤微生物量碳呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié)論

土壤微生物生物量碳的含量A層和B層變化較C層明顯，C層各個(gè)演替階段的微生物生物量碳含量變化較為平緩，A層土壤微生物生物量碳的含量從形成階段的1 616.545 mgkg-1到穩(wěn)定階段的2 031.57 mgkg-1，增長(zhǎng)幅度為25.67%。B層和C層的土壤微生物生物量碳含量分別為1 926.39 mgkg-1和2 170.92 mgkg-1。A層蔗糖酶活性在發(fā)展階段較形成階段有所下降。B層和C層土壤蔗糖酶活性在整個(gè)演替過程中均無顯著差異。研究表明，土壤蔗糖酶活性與土壤總有機(jī)碳含量、全氮量、有效磷和速效鉀均表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，因此土壤蔗糖酶活性越高，越有利于土壤養(yǎng)分的積累。

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Microbial Biomass Carbon and Soil Invertase Activity of Mixed Stands ofPiceakoraiensis,AbiesfabricandPinuskoraiensisin Different Succession Stages

Liu Zhenhua

(Forestry Bureau of Fuxin City, Fuxin 123000,China)

The content of soil microbial biomass carbon (MBC) in different soil layers, soil invertase activity, total organic carbon (TOC), total nitrogen, available potassium, available phosphorus at all stages in different succession stages (the formation stage, stage of development, stability phase and climax community) of mixed spruce-fir-larch stands were studied.The correlation among MBC, soil invertase activity, TOC, total nitrogen, available potassium, and available phosphorus were analyzed.Result shows that：MBC, soil invertase activity, TOC, total nitrogen, available potassium, available phosphorus show significant positive correlation.

mixed forest of spruce-fir-larch;succession stages;microbial biomass carbon (MBC);invertase activity

1005-5215(2015)01-0013-04

2014-10-11

劉振花(1982-)，女，山東膠南人，碩士，工程師，從事林改工作.

S725.2

A

10.13601/j.issn.1005-5215.2015.01.005