湘東丘陵區(qū)不同母質(zhì)發(fā)育底土的土壤微生物商

魏 亮，盛 浩，潘 博，劉廣花，宋迪思

(湖南農(nóng)業(yè)大學 資源環(huán)境學院，湖南 長沙 410128)

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湘東丘陵區(qū)不同母質(zhì)發(fā)育底土的土壤微生物商

魏 亮，盛 浩，潘 博，劉廣花，宋迪思

(湖南農(nóng)業(yè)大學 資源環(huán)境學院，湖南 長沙 410128)

土壤微生物商(土壤微生物生物量碳和有機碳的比值：MBC/SOC)常作為表土有機碳和肥力變化的敏感指標，但能否應用于不同母質(zhì)發(fā)育的底土仍有待驗證。通過選取湘東丘陵區(qū)3種母質(zhì)發(fā)育的土壤(花崗巖紅壤、酸性紫色土和第四紀紅土紅壤)，挖掘土壤剖面采集土壤樣品深至母質(zhì)/母巖層，研究不同母質(zhì)發(fā)育底土的微生物商分布和差異。結果表明，3種母質(zhì)發(fā)育土壤SOC和MBC含量隨剖面加深而降低，但微生物商在某些深層底土層(淀積層、母質(zhì)層)升高。在酸性紫色土和花崗巖紅壤底土層，微生物較易利用的溶解性有機碳(DOC)含量也出現(xiàn)升高現(xiàn)象。底土DOC/SOC的升高可部分解釋微生物商的剖面分布規(guī)律。土壤MBC含量與SOC、DOC含量均呈顯著正相關關系，但MBC含量與DOC含量關系更為密切。在湘東丘陵區(qū)，微生物商無法指示不同母質(zhì)發(fā)育底土的SOC和肥力差異，評價底土的肥力質(zhì)量還需綜合考慮SOC、MBC含量等其他土壤指標。圖3，表2，參35。

有機碳；微生物生物量碳；溶解性有機碳；深層土壤；母質(zhì)

0 前 言

土壤是覆蓋在地殼之上的一層淺薄生物膜，為陸地微生物的大本營。土壤微生物包含體積<5×103μm3的細菌、真菌和放線菌，常用微生物生物量碳(MBC)的形式表征[1]。MBC不僅是陸地生物地球化學循環(huán)中最活躍的組分之一，也參與土壤發(fā)生和發(fā)育、養(yǎng)分的釋放和環(huán)境污染物行為，對植被變化[2]、人類活動[3](土地利用、耕作、施肥、火燒)和氣候變化[4]的響應敏感。

MBC占土壤有機碳(SOC)的比例為微生物商(MBC/SOC)。有研究表明，在指示表土SOC和土壤肥力質(zhì)量的變化上，微生物商比起單獨的MBC或SOC指標更具有應用價值，可指示表土質(zhì)量和健康的變化[5-6]。盡管目前已積累較多表土或耕作層的MBC資料[7-9]，但深層底土(如B層、C層)因采樣困難、工作量大及花費高等原因，底土微生物商的資料仍很有限。微生物商的土壤剖面分布規(guī)律較復雜，有研究顯示微生物商隨土壤剖面加深而降低[10-11]，但也有水稻土、紫色土和花崗巖紅壤底土微生物商升高的報道[12-14]。一般底土SOC含量低、養(yǎng)分貧乏及O2缺乏，微生物利用碳的策略可能區(qū)別于表土[15]。研究微生物商的剖面分布規(guī)律，對了解底土SOC組成和肥力質(zhì)量狀況具有重要作用。

雖然底土常埋藏于表土之下，但近年來強烈的人為干擾(土地整理、機械整地和深翻)加上嚴重的水土流失，導致局部肥沃的表土損失和底土出露，甚至底層生土覆蓋在表層熟土之上。本研究選取湘東丘陵區(qū)3種母質(zhì)發(fā)育的土壤剖面，測定MBC和有機碳含量，目的在于(1)了解微生物商的剖面分布規(guī)律；(2)驗證微生物商能否指示底土SOC的變化；(3)了解底土質(zhì)量狀況和為底土資源的科學利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣點概況

土壤樣品采自湘東瀏陽市轄區(qū)，區(qū)域地貌屬典型中、低山和丘陵，氣候屬中亞熱帶濕潤季風氣候。地帶性植被為中亞熱帶常綠闊葉林，但中、低海拔的原生植被大多轉變?yōu)獒樔~人工林、毛竹林和次生灌叢。本區(qū)母巖/母質(zhì)類型豐富，地帶性土壤和非地帶性土壤在中域上多呈枝狀組合，微域上呈鏈條式的復域分布。

2014年5月，按湖南省第二次土壤普查分類方案，選擇當?shù)氐湫湍纲|(zhì)發(fā)育的第四紀紅土紅壤、酸性紫色土和花崗巖紅壤(Ⅰ、Ⅱ)3個土屬[16]，進行野外調(diào)查?；◢弾r紅壤Ⅰ生長的優(yōu)勢植物種為杉木(CunninghamiaLanceolata)，平均樹高約5 m，林下植被有油茶(Camelliaoleifera)、香樟(Cinnamomumcamphora)、芒箕(Dicranopterisdichotoma)和箭竹(Fargesiaspathacea)，花崗巖紅壤Ⅱ生長的優(yōu)勢植物種為毛竹(Phyllostachysedulis)，少量混生香樟、杉木。酸性紫色土生長的優(yōu)勢植物種為馬尾松(Pinusmassoniana)，平均樹高約20 m，混生香樟和杉木，林下芒箕密布。第四紀紅土紅壤生長的優(yōu)勢植物種亦為馬尾松，平均樹高約3 m，林下植被有香樟、枸樹(Broussonetiapapyrifera)、茅草(Imperatacylindrica)，植被覆蓋稀疏，樣地概況見表1。

表1 采樣點基本狀況

注：Oi為弱分解和未分解的枯枝落葉層，A為淋溶層，AB為淋溶層和淀積層的過渡層，B為淀積層，C為母質(zhì)層。

Note:Oi is the litter which is weak decomposition and un-decomposed ;A is for leaching layer;AB is for transition layer between A and B;B is for layer deposition;C is for parent material.

1.2 樣品采集和分析

選擇類似地形部位隨機挖掘土壤剖面2～3個，深至母質(zhì)層/母巖，按顏色、干濕度、緊實度、土壤質(zhì)地、孔隙和根系分布劃分土壤發(fā)生層，記錄發(fā)生層深度，采集發(fā)生層土壤樣品，同一層次樣品混勻。帶回室內(nèi)的新鮮土樣，置于無菌塑料布上混勻，迅速剔除肉眼可見的土壤異物。將土壤樣品分為2份，一份過2 mm孔徑篩后，密封置于4℃冰箱避光保存，用于MBC測定；另一份風干，過0.149 mm孔徑篩后用于SOC測定。

土壤MBC含量測定采用氯仿熏蒸浸提法[1]，用重鉻酸鉀外加熱容量法分別測定熏蒸和未熏蒸處理濾液中的C含量。本課題組之前發(fā)現(xiàn)，重鉻酸鉀外加熱容量法不能完全氧化溶液中的C，測得溶解性有機碳(DOC)含量低于總有機碳分析儀(TOC)法測得數(shù)據(jù)，并提出了本區(qū)類似土壤DOC數(shù)據(jù)的轉換方程[17]：TOC儀法測得DOC含量(mg·kg-1)=1.8×容量法測得DOC含量(mg·kg-1) - 27.5。熏蒸和未熏蒸處理濾液中的C含量的差值(MBC轉換系數(shù)2.22)即為MBC含量，未熏蒸處理濾液中的C含量為DOC含量。SOC含量測定采用重鉻酸鉀外加熱容量法[18]。

2 結果與分析

2.1 土壤SOC、DOC和MBC含量

土壤SOC含量在A層以下迅速降低，以花崗巖紅壤的降幅(80%～94%)最大，見圖1。從表土(A層)看，花崗巖紅壤SOC含量最高(24 g·kg-1～29 g·kg-1)，酸性紫色土和第四紀紅土紅壤較低(5 g·kg-1～6 g·kg-1)。底土(A層以下)SOC含量均處于較低水平(< 6 g·kg-1)。

表土DOC含量以花崗巖紅壤I最高(1 035 mg·kg-1)。第四紀紅土紅壤DOC含量隨剖面加深而降低，酸性紫色土某些底土層出現(xiàn)峰值，見圖1。底土DOC含量介于65 mg·kg-1～688 mg·kg-1，酸性紫色土底土DOC含量與表土接近，C2層的DOC含量甚至高于表土層。

圖1 不同母質(zhì)發(fā)育土壤剖面有機碳和溶解性有機碳含量Fig.1 Contents of SOC and DOC across soil profiles derived from different parent materials

土壤MBC含量亦隨剖面加深而降低，見圖2。表土MBC含量介于200 mg·kg-1～1 344 mg·kg-1，以花崗巖紅壤Ⅰ最高，A層以下底土MBC含量低，介于14 mg·kg-1～292 mg·kg-1。

圖2 不同母質(zhì)發(fā)育土壤剖面微生物生物量碳含量Fig.2 Contents of MBC across soil profiles derived from different parent materials

2.2 土壤MBC含量與SOC、DOC含量的相關關系分析

回歸分析表明，土壤MBC含量與SOC、DOC含量呈極顯著正相關關系，但MBC含量與DOC含量回歸方程的決定系數(shù)(0.46)更高，反映土壤微生物與DOC的關系更為密切，見圖3。

圖3 土壤MBC含量與SOC、DOC含量的關系Fig.3 Correlations of soil MBC with SOC and DOC contents

2.3 土壤微生物商

土壤微生物商介于0.6%～13.2%，在某些深層底土層(如B層、C層)明顯升高，見表2。表土MBC/SOC介于0.8%～7.9%，均低于剖面均值。在剖面上，MBC/SOC在B層及以下底土出現(xiàn)峰值(7.3%～13.2%)。值得注意的是，在酸性紫色土和花崗巖紅壤I的C層仍有較高的微生物商(5.5%～13.2%)。

表2 不同母質(zhì)發(fā)育土壤剖面的微生物商(%)

注：—表示該剖面無此土層。

Note:“—”means that there is no this type of soil layer in the soil profile.

3 討 論

本研究中，微生物商在某些深層底土層明顯升高，這與一些研究報道微生物商隨土層加深而降低的結果相反[19-20]。也有研究表明，花崗巖紅壤[12,21]、板巖紅壤[22]、酸性紫色土[23-25]和水稻土[13]底土的微生物商有升高的現(xiàn)象。此外，在相同的微生物生物量下，溫帶淋溶土底土(0.5 m ～1.7 m)的微生物活性和表土(0～0.2 m)類似[26]。

底土微生物商升高的機理非常復雜，可能主要有(1)表層溶解性有機質(zhì)經(jīng)淋溶遷移至底土，在某些底土層DOC含量出現(xiàn)峰值[27](圖1)，從而增加了某些底土層微生物可利用底物的有效性；(2)較高的底土pH也可能顯著提高底土C的代謝強度[28]；(3)底土微生物長期適應于嚴酷的環(huán)境(緊實、缺O(jiān)2和瘦瘠)，在群落組成上與表土具有顯著的差異，可能具有更高的碳利用效率[29]；例如，底土細菌群落在利用老齡有機質(zhì)上具有更強的代謝能力[30]；(4)底土受母質(zhì)中原生礦物的影響更為強烈，礦物組成也可能強烈影響土壤微生物商[31]。

一些研究報道，土壤微生物商敏感地指示表土SOC和肥力質(zhì)量的短期變化[5,7,32]。但本研究中隨剖面加深，微生物商與SOC變化并不一致(圖1和表2)，說明用微生物商指示土壤剖面上SOC和肥力質(zhì)量存在區(qū)域差異，在巖溶區(qū)和紅壤丘崗區(qū)，微生物商也無法指示環(huán)境差異較大的表土SOC的空間變化[8]。這進一步表明，應用微生物商指示SOC和肥力長期變化時應當謹慎。

所選3種母質(zhì)發(fā)育表土的MBC含量介于200 mg·kg-1～1 344 mg·kg-1，落入本區(qū)研究的林地、旱地表土MBC含量的范圍(130 mg·kg-1～1 502 mg·kg-1)[8,14,33]。通常，土壤MBC含量受植被、環(huán)境因素(溫度和水分)、母質(zhì)、地形和人為干擾等因素強烈影響[1]?？紤]到3種母質(zhì)發(fā)育土壤的區(qū)域氣候、地形部位類似，植被狀況(覆蓋度和林分組成)和母質(zhì)可能是影響土壤MBC含量的關鍵因素。植被通過調(diào)控凋落物和根系的活性C輸入，影響表土MBC含量。據(jù)樣地調(diào)查，花崗巖紅壤I、酸性紫色土地上植被生長良好，喬木生物量高(平均樹高分別約30 m和20 m)，土壤有機質(zhì)和DOC含量豐富(圖1)，供給土壤微生物豐富的有機物，有利于微生物繁殖[34]；相反，第四紀紅土紅壤有機質(zhì)匱乏，DOC含量也較低，微生物可利用碳源少，種群數(shù)量可能主要受到C有效性限制。統(tǒng)計顯示，MBC含量與SOC、DOC含量呈顯著正相關關系(圖3)。底土MBC含量低于表土，這與本區(qū)先前報道的結果基本一致[19,12]。一方面隨土層加深，土壤有機質(zhì)、養(yǎng)分和新鮮植物殘體等急劇減少(圖1)，微生物易利用的能源物質(zhì)缺乏；另一方面底土堅實，水、熱和通氣條件較差、O2含量低，土壤酶活性較低，不利于土壤好氧微生物生長[35]。

4 結 論

在湘東丘陵區(qū)，花崗巖、紫色碎屑巖和第四紀紅土發(fā)育土壤的SOC含量、MBC含量均隨剖面加深而降低。但土壤的微生物商在某些深層底土層明顯升高，反映微生物生物量在底土有機質(zhì)中占有更高的比例。隨著剖面加深，溶解性有機質(zhì)在某些底土層積累，可以部分解釋底土層微生物商升高的現(xiàn)象。本研究表明，微生物商無法指示不同母質(zhì)發(fā)育底土的SOC和肥力差異，應用微生物商指示SOC和肥力長期變化時應當謹慎。

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Subsoil Microbial Quotient Derived from Different Parent Materials in East Hunan Province

WEI Liang,SHENG Hao,PAN Bo,LIU Guanghua,SONG Disi

(CollegeofResourcesandEnvironment,HunanAgriculturalUniversity,Changsha410128,China)

Soil microbial quotient,ratio of soil microbial biomass C to total organic C (MBC/SOC),is recommended as a sensitive indicator in the dynamics of topsoil organic C and soil fertility.However,whether it is applicable to subsoils derived from different parent materials is still unclear.Three soil profiles derived from different parent materials (red soil derived from granite,acidic purple soil and red soil derived from Quaternary red clay) were digged down to the soil C/R horizon,and the subsoil microbial quotient and its distribution were studied.Results showed that contents of MBC and SOC decreased with soil depth,while the microbial quotient increased in some deep subsoil horizons (illuvial or parent material horizon).Besides,content of soil dissolved organic carbon (DOC) was also increased in some deep horizons of acidic purple soil and red soil derived from granite.The increase of subsoil DOC/SOC can partially explain the profile distribution of microbial quotient.Regression analysis showed that the content of MBC was positively correlated with SOC and DOC contents,with a much higher R2for DOC.This study implied that microbial quotient could not indicate the dynamics of SOC and soil fertility in subsoil derived from different parent materials in east Hunan Province,other soil indices (e.g.,SOC and MBC) would be comprehensively considered for soil fertility evaluation.

organic carbon; microbial biomass carbon; dissolved organic carbon; deep soil horizon; parent material

10.11689/j.issn.2095-2961.2016.04.007

2095-2961(2016)04-0255-06

2016-01-11；

2016-03-02.

國家自然科學基金項目(41571234)；國家大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(G(S)CX1410).

魏 亮(1993-)，女，陜西西安人，專業(yè)方向為農(nóng)業(yè)土壤資源利用.

盛 浩(1982-)，男，湖南長沙人，博士，副教授，主要從事亞熱帶山區(qū)土壤碳吸存與環(huán)境研究.

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