五大連池不同噴發(fā)時(shí)期火山土壤微生物量變化特征

曹宏杰，王立民，徐明怡，黃慶陽，謝立紅，羅春雨，倪紅偉

(1.黑龍江省科學(xué)院自然與生態(tài)研究所，黑龍江哈爾濱 150040；2.濕地與生態(tài)保育國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150040；3.黑龍江省林業(yè)科學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150081)

土壤微生物作為地球生物演化進(jìn)程中的先鋒種類和重要的活性組分，廣泛參與土壤中的生物和生物化學(xué)反應(yīng)，是土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)化和養(yǎng)分循環(huán)的重要?jiǎng)恿椭饕?qū)動(dòng)因素，對生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展具有重要的促進(jìn)作用。盡管土壤微生物量碳僅占土壤有機(jī)碳的1.92%左右，但其對生態(tài)系統(tǒng)C、N循環(huán)的調(diào)控作用不容忽視，是植物所需營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)和轉(zhuǎn)運(yùn)的重要組成部分，因此微生物體碳、氮被認(rèn)為是土壤活性養(yǎng)分的重要儲(chǔ)存庫、植物生長可利用養(yǎng)分的重要來源。近年來我國學(xué)者在典型生態(tài)系統(tǒng)、土地利用方式及退化土壤植被恢復(fù)對土壤微生物量的影響等方面開展了大量研究，然而由于我國幅員遼闊，氣候條件、土壤類型以及地質(zhì)條件的復(fù)雜多樣，目前關(guān)于火山森林生態(tài)系統(tǒng)這一特殊生境土壤微生物量的研究還較少。

五大連池火山自然保護(hù)區(qū)，地處黑龍江省黑河市西南部，位于小興安嶺西南山麓與松嫩平原的過渡地帶，由不同噴發(fā)時(shí)期的14座火山組成，是我國保存最為完好的內(nèi)陸單成因火山群。國內(nèi)一些學(xué)者對該區(qū)域植被演替、物種組成、植物多樣性及植物功能性狀等方面進(jìn)行了大量研究。近年來，五大連池微生物方面的研究逐漸增多，主要包括礦泉水中微生物多樣性、古菌分布規(guī)律、人為干擾對放線菌群落結(jié)構(gòu)影響以及利用PLFA方法探討不同年代火山的細(xì)菌、真菌和放線菌的組成等。五大連池火山群植被演替階段、植物群落特性、土壤溫濕度、土壤理化性質(zhì)等調(diào)控土壤微生物量的因子與其他的森林生態(tài)系統(tǒng)存在一定的差異，同時(shí)，植物方面的研究結(jié)果表明五大連池不同噴發(fā)時(shí)間形成的火山其植物組成等方面均存在一定時(shí)序特征，但作為同一生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分的土壤微生物量的變化特征等目前鮮見報(bào)道，揭示不同噴發(fā)時(shí)期火山土壤微生物量的變化特征是深入研究該森林生態(tài)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。該研究通過空間代替時(shí)間的方法，選擇五大連池火山群中噴發(fā)歷史年代清晰、植被人為干擾較小的5座不同噴發(fā)時(shí)期的火山構(gòu)成歷史年代序列樣地，探討土壤微生物量的變化特征及其影響因子，以期為了解火山生態(tài)系統(tǒng)土壤生物特征提供依據(jù)，也為火山生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)開發(fā)、生態(tài)系統(tǒng)重建提供參考。

1 材料與方法

五大連池國家級自然保護(hù)區(qū)位于黑龍江省西北部五大連池市境內(nèi)，地處小興安嶺西南山麓與松嫩平原的過渡地帶。保護(hù)區(qū)東西長約40 km、南北寬約27 km，總面積1 060 km，其地理坐標(biāo)為126°00′～126°26′E、48°34′～ 48°48′N。五大連池國家級自然保護(hù)區(qū)(1996年)是我國第一個(gè)以火山自然環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)為保護(hù)對象的自然保護(hù)區(qū)，也是國家級地質(zhì)公園(2000年8月)和世界地質(zhì)公園(2004年2月)。五大連池火山群歷經(jīng)早更新世早期(βQ11)、早更新世晚期(βQ12)、中更新世早期(βQ21)、中更新世中期(βQ22)、中更新世晚期(βQ23)、上更新世早期(βQ31)和現(xiàn)代噴發(fā)共7次火山噴發(fā)旋回形成了14座火山，詳見參考文獻(xiàn)[15]。樣地位置及其概況如圖1所示。

圖1 研究區(qū)位置及其概況Fig.1 Location and overview of the study area

該區(qū)屬于寒溫帶大陸性季風(fēng)區(qū)氣候，夏季短而炎熱，在6、7月份時(shí)，最高溫可達(dá)到38 ℃；冬季長而嚴(yán)寒，在1月份，最低溫可達(dá)到-42 ℃。該地區(qū)的年平均氣溫為0～0.5 ℃，年降水量為467 mm，無霜期為110 d，霜凍期始于9月10日，終霜期在5月20日左右。

該研究選擇老黑山(laoheishan volcano,LHV)、東焦得布山(dongjiaodebushan volcano,DJDBV)、小孤山(xiaogushan volcano,XGV)、尾山(weishan volcano,WV)和北格拉球山(beigelaqiushan volcano,BGLQV)5座最后一次噴發(fā)歷史年代清晰、人為干擾少和生態(tài)環(huán)境完整的火山為研究對象，采用“空間代替時(shí)間”的方法，研究時(shí)間序列上土壤微生物量的變化特征。

2018年8月進(jìn)行土壤樣品的采集，為了降低土壤空間異質(zhì)性的影響和一次取樣對土壤造成的影響，在每座火山山體的南、北2個(gè)坡向的山腳、坡中和山頂?shù)耐黄挛辉O(shè)置3個(gè)20 m×20 m的樣方，樣方內(nèi)用多點(diǎn)混合法采集表層(0～10 cm)和底層(10～20 cm)土樣，每個(gè)坡位取3個(gè)重復(fù)土壤樣品，每個(gè)坡向共計(jì)采集土壤樣品9個(gè)，樣品采集后立即置入帶冰袋的冷藏箱內(nèi)，帶回實(shí)驗(yàn)室，剔除植物根系和石塊后將土樣分為2部分：一部分鮮土過2 mm篩后7 d內(nèi)完成土壤微生物量的測定，另一部分風(fēng)干后進(jìn)行土壤養(yǎng)分等指標(biāo)的測定。

土壤指標(biāo)的測定。pH用酸度計(jì)法；含水量(water content，WC)用烘干法；總有機(jī)碳(total organic carbon， TOC)和全氮(total nitrogen，TN)采用元素分析儀(歐維特EA3000，意大利)法；硝態(tài)氮和銨態(tài)氮分別采用酚二磺酸比色法和靛酚藍(lán)比色法；全磷(total phosphorus，TP)和速效磷(available phosphorus，AP)分別采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法和碳酸氫鈉浸提比色法。

微生物量碳和氮的測定。微生物量碳、氮采用總有機(jī)碳氮分析儀(耶拿 multi N/C?2100S)測定。土壤微生物量碳(soil microbial biomass carbon，SMBC)=(Ec-Ec)/0.38,土壤微生物量氮(soil microbial biomass nitrogen， SMBN)=(Ec-Ec)/0.54,其中,Ec為熏蒸土樣浸提液中碳或氮量，Ec為不熏蒸土樣浸提液中碳或氮量，0.38和0.54為校正系數(shù)。具體方法詳見參考文獻(xiàn)[17]。

所得數(shù)據(jù)為3個(gè)測試重復(fù)的平均值，所有結(jié)果以干土表示；用Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，SPSS 16.0進(jìn)行顯著性及相關(guān)性分析，OriginPro 2016b作圖。

2 結(jié)果與分析

不同坡向土壤微生物量碳和氮的變化特征。由圖2可知，土壤微生物量碳(SMBC)含量總體呈先增加后減少再增加的趨勢，土壤微生物量氮(SMBN)含量總體呈先增加后減少的趨勢。南坡不同歷史年代火山SMBC和SMBN含量均以老黑山最低，與其他火山之間差異顯著(<0.05)；東焦得布山SMBC含量最高，除與尾山差異不顯著外，與小孤山、老黑山和北格拉球山之間差異均達(dá)顯著水平(<0.05)。北坡小孤山SMBC和SMBN含量最高，與東焦得布山、尾山和北格拉球山差異顯著(<0.05)；小孤山SMBC含量與老黑山差異不顯著(>005)；老黑山SMBN含量最低，與小孤山SMBN含量相差1.17倍。

不同土層深度土壤微生物量碳和氮的變化特征。由圖3可知，南、北2個(gè)坡向不同歷史年代火山土壤微生物量碳(SMBC)含量表層(0～10 cm)和底層(10～20 cm)的變化趨勢相同。表層SMBC含量顯著高于底層(<0.05)。南坡東焦得布山底層SMBC含量最高，與其他4座火山之間差異顯著(<0.05)。北坡老黑山、東焦得布山和小孤山底層SMBC含量較高，三者之間無顯著差異，北格拉球山底層SMBC含量高于尾山，二者差異顯著，且與老黑山、東焦得布山和尾山之間差異也顯著(<0.05)。

由圖3可知，南、北2個(gè)坡向不同歷史年代火山土壤微生物量氮(SMBN)含量表層和底層的變化趨勢相似，表層高于底層，南坡除老黑山外差異均達(dá)顯著水平(<0.05)；東焦得布山底層SMBN含量最高，與老黑山、小孤山和北格拉球山之間差異顯著(<0.05)。北坡小孤山底層SMBN含量最高，與其他4座火山之間差異顯著(<0.05)，東焦得布山、尾山和北格拉球山之間底層SMBN含量無顯著差異(>005)。

注：不同小寫字母表示同一坡向不同火山間差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示相同火山不同坡向間差異顯著(P<0.05)Note:Different lowercase letters indicate significant differences between different volcanoes in the same slope aspect (P<0.05),and different capital letters indicate significant differences between different slope aspects of the same volcano (P<0.05)圖2 不同坡向土壤微生物量碳和氮Fig.2 Soil microbial biomass carbon and nitrogen of different slopes

注：不同小寫字母表示同一土層不同火山間差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示相同火山不同土層間差異顯著(P<0.05)Note:Different lowercase letters indicate significant differences between different volcanoes in the same soil layer (P<0.05),and different capital letters indicate significant differences between different soil layers of the same volcano (P<0.05)圖3 不同土層微生物量碳和氮含量特征Fig.3 Characteristics of microbial biomass carbon and nitrogen in different soil layers

由圖4可知，不同歷史年代的5座火山微生物量碳、氮比值(SMBC/SMBN)在6.99～20.59。老黑山南、北2個(gè)坡向SMBC/SMBN值均顯著高于其他4座火山(<0.05)，老黑山SMBC/SMBN值南坡顯著高于北坡(<0.05)，而其他4座火山南坡和北坡之間差異不顯著(>005)。

由圖5可知，不同歷史年代火山SMBC/SMBN值表層(0～10 cm)和底層(10～20 cm)的變化趨勢相似。南坡除北格拉球山外，表層均高于底層，老黑山和尾山表層與底層SMBC/SMBN值差異顯著(<0.05)；老黑山表層和底層SMBC/SMBN值均最高，與其他4座火山之間均差異顯著(<0.05)。北坡老黑山和東焦得布山SMBC/SMBN值底層高于表層，且差異顯著(<0.05)。

注：不同小寫字母表示同一坡向不同火山間差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示相同火山不同坡向間差異顯著(P<0.05)Note:Different lowercase letters indicate significant differences between different volcanoes in the same slope aspect (P<0.05),and different capital letters indicate significant differences between different slope aspects of the same volcano (P<0.05)圖4 不同坡向土壤微生物量碳氮比Fig.4 The radio of soil microbial biomass carbon and nitrogen in different slope aspects

由圖6可知，SMBC對土壤總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率(SMBC/TOC)為0.92%～3.03%。老黑山SMBC/TOC值南、北2個(gè)坡向上與其他4座火山之間差異均達(dá)顯著水平(<0.05)，其他4座火山在南、北2個(gè)坡向差異均不顯著(>005)。東焦得布山、小孤山和尾山南坡和北坡之間的SMBC/TOC值差異顯著(<0.05)。SMBC/TOC值隨火山噴發(fā)時(shí)間的延長呈逐漸降低的趨勢。

由圖6可知，SMBN對土壤全氮的貢獻(xiàn)率(SMBN/TN)為1.19%～6.33%。小孤山SMBN/TN值最高，與其他4座火山之間差異顯著(<0.05)。東焦得布山、尾山和小孤山南、北2個(gè)坡向間SMBN/TN值差異顯著(<0.05)，東焦得布山和小孤山SMBN/TN值南坡低于北坡，尾山北坡低于南坡。SMBN/TN值隨火山噴發(fā)時(shí)間的延長呈逐漸升高再降低的趨勢。

從表1可以看出，不同歷史年代火山SMBC和SMBN呈極顯著正相關(guān)(<0.01)，老黑山SMBC與土壤總有機(jī)碳(TOC)、全氮(TN)、全磷(TP)、銨態(tài)氮(NH-N)、硝態(tài)氮(NO-N)、速效磷(AP)和pH具有顯著的相關(guān)關(guān)系，SMBN與除速效磷外也具有顯著的相關(guān)關(guān)系；東焦得布山SMBC和SMBN與理化因子均具有顯著的相關(guān)關(guān)系；而小孤山、尾山和北格拉球山SMBC和SMBN僅與部分理化因子具有顯著的相關(guān)關(guān)系。隨著火山生態(tài)系統(tǒng)發(fā)育時(shí)間的延長，土壤微生物量與理化因子的相關(guān)程度下降，表明土壤養(yǎng)分不再成為其存在發(fā)展的限制因素。

注：不同小寫字母表示同一土層不同火山間差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示相同火山不同土層間差異顯著(P<0.05)Note:Different lowercase letters indicate significant differences between different volcanoes in the same soil layer (P<0.05),and different capital letters indicate significant differences between different soil layers of the same volcano (P<0.05)圖5 不同土層土壤微生物量碳氮比Fig.5 The radio of soil microbial biomass carbon and nitrogen in different soil layers

3 討論

該研究表明SMBC含量總體呈先增加后減少再增加的趨勢，而SMBN含量總體呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。楊寧等對衡陽紫色土丘陵坡地植被恢復(fù)階段土壤特性的演變研究中發(fā)現(xiàn)，在生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)或發(fā)育初期土壤微生物量呈增加趨勢。Jia等研究認(rèn)為土壤微生物量會(huì)隨著生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)年限增加而增加，達(dá)到一個(gè)最大值后會(huì)呈現(xiàn)一個(gè)相對穩(wěn)定的狀態(tài)；梁月明等和高喜等研究認(rèn)為土壤微生物量隨植被的恢復(fù)而增大，這些與該研究的結(jié)果并不一致，這可能是因?yàn)橐酝南嚓P(guān)研究都是在相對較短的時(shí)間尺度上進(jìn)行的，反映的是植物一個(gè)演替過程中土壤微生物量的變化。土壤微生物量表層高于底層，且不同火山間存在明顯差異,說明火山噴發(fā)時(shí)間的不同造成火山生態(tài)系統(tǒng)土壤發(fā)育程度和植物群落的差異，進(jìn)而影響土壤微生物量的分布和數(shù)量，也與各土層土壤養(yǎng)分含量、水熱條件、微生物活性等不同有關(guān)。

該研究結(jié)果表明，SMBC和SMBN含量北坡高于南坡。研究表明，地形因素可以通過改變和重塑環(huán)境微氣候、土壤理化性質(zhì)、植被生長狀況以及地下碳輸入等途徑影響土壤微生物的生長及生物量。坡向作為山地的主要地形因子，對土壤理化性質(zhì)、土壤微生物組成、活性及群落結(jié)構(gòu)、土壤與植物的化學(xué)計(jì)量學(xué)特征等具有重要影響。因此，坡向影響土壤的含水率進(jìn)而提高土壤的微生物周轉(zhuǎn)及其數(shù)量可能是南北坡存在差異的原因。該研究結(jié)果與趙彤等、劉效東等的研究結(jié)果一致。 這些說明山地土壤微生物量北坡高于南坡可能是一個(gè)普遍現(xiàn)象。

注：不同小寫字母表示同一坡向不同火山間差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示相同火山不同坡向間差異顯著(P<0.05)Note:Different lowercase letters indicate significant differences between different volcanoes in the same slope aspect (P<0.05),and different capital letters indicate significant differences between different slope aspects of the same volcano (P<0.05)圖6 不同坡向微生物量對土壤營養(yǎng)庫的貢獻(xiàn)率特征Fig.6 Characteristics of contribution rate of microbial biomass to soil nutrient bank in different slope aspects

表1 微生物量與土壤理化因子的相關(guān)性

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展以及土壤肥力形成的核心驅(qū)動(dòng)力，它不僅參與土壤有機(jī)質(zhì)分解、釋放養(yǎng)分，與土壤速效養(yǎng)分的來源密切相關(guān)，可作為土壤質(zhì)量研究的有效指標(biāo)，同時(shí)還與地上植被存在土壤養(yǎng)分競爭關(guān)系，因此，在分析土壤微生物量絕對含量的同時(shí)，還應(yīng)該考慮SMBC和SMBN含量在土壤有機(jī)碳和全氮中的比例。土壤微生物量與土壤全量養(yǎng)分的比值代表了土壤單位營養(yǎng)所負(fù)載的微生物量，可以用來表征土壤微生物量的潛在有效營養(yǎng)源/匯特征。該研究中，老黑山和其他4座火山的SMBC/TOC值差異顯著，說明火山噴發(fā)后植被恢復(fù)過程的前期微生物量是潛在的營養(yǎng)源，而生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)到一定階段土壤微生物量是潛在的營養(yǎng)庫。生態(tài)系統(tǒng)達(dá)到相對穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，土壤微生物量與土壤全量有機(jī)碳的比值處于穩(wěn)定狀態(tài)，其比值大小還可以表征土壤碳素的平均可利用性，即代表微生物的代謝活性。該研究中，SMBC/TOC值隨噴發(fā)時(shí)間延長呈逐漸降低的趨勢，除老黑山外其他4座火山的SMBC/TOC值無顯著差異且波動(dòng)范圍很小，這可能說明老黑山和其他4座火山微生物代謝活性存在明顯的差別，而其他4座火山雖然噴發(fā)年代存在差異但生態(tài)系統(tǒng)可能已經(jīng)處于一個(gè)相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

土壤微生物量碳氮比(SMBC/SMBN)是表征微生物群落結(jié)構(gòu)信息的重要指標(biāo)，一般情況下，細(xì)菌、真菌和放線菌的碳氮比具有相對固定的比值。該研究發(fā)現(xiàn)老黑山土壤微生物量碳氮比最高，在14.79～20.59，其他4座火山的土壤微生物量碳氮比在6.99～11.18，說明老黑山和其他4座火山的微生物組成存在顯著差異，老黑山土壤的真菌含量相對豐富而其他4座火山土壤的細(xì)菌和放線菌比例可能較高，這一結(jié)論還需要通過磷脂脂肪酸(PLFA)以及高通量測序等技術(shù)進(jìn)一步驗(yàn)證。

土壤微生物量極易受土壤環(huán)境因子的影響，是土壤有機(jī)組分中最易變化和最活躍的部分，其含量與土壤養(yǎng)分等環(huán)境指標(biāo)有關(guān)。該研究中，老黑山和東焦得布山的土壤總有機(jī)碳、全氮、全磷、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和pH與SMBC和SMBN間存在顯著的相關(guān)關(guān)系，而其他3座火山SMBC和SMBN僅與部分土壤因子具有顯著的相關(guān)關(guān)系。

火山噴發(fā)后生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)初期，火山熔巖風(fēng)化速度緩慢，外來營養(yǎng)元素稀缺，土壤發(fā)育程度較低甚至還未出現(xiàn)明顯的土層分化，其有效養(yǎng)分的供給能力不能滿足微生物的代謝需要，成為微生物增長的限制因素，因此，表現(xiàn)出與土壤微生物量存在較強(qiáng)的相關(guān)性，隨著火山生態(tài)系統(tǒng)發(fā)育的不斷成熟，植被狀況得到改變，植物根系分泌物和凋落物輸入增加，土壤養(yǎng)分能夠滿足微生物的生長要求，不再成為其生存發(fā)展的限制因素，因此，表現(xiàn)為土壤微生物量與理化因子的相關(guān)程度下降。

由于不同歷史年代噴發(fā)的火山生態(tài)系統(tǒng)演化時(shí)間存在差異，地表覆蓋狀況、物種組成與結(jié)構(gòu)不同，影響生態(tài)過程、養(yǎng)分循環(huán)及演替方式，決定著五大連池火山演替的發(fā)展方向與速度，進(jìn)而導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能的改變。因此，推測生態(tài)系統(tǒng)發(fā)育時(shí)間的長短可能是導(dǎo)致土壤理化因子對土壤微生物量的影響程度存在差異的主要原因。

4 結(jié)論

隨火山噴發(fā)形成時(shí)間增加，SMBC含量總體呈先增加后減少再增加的趨勢，SMBN含量總體呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。土壤微生物量在不同坡向有顯著的差異，表現(xiàn)為北坡大于南坡。SMBC和SMBN對土壤總有機(jī)碳和全氮的貢獻(xiàn)率分別為0.92%～3.03%和1.19%～6.33%。SMBC和SMBN間呈極顯著正相關(guān)；隨著火山生態(tài)系統(tǒng)發(fā)育時(shí)間的延長，土壤微生物量與理化因子的相關(guān)程度下降，土壤養(yǎng)分不再成為其生存發(fā)展的限制因素。