中天山北麓不同草地类型微生物量及理化性质垂直地带性特征

赵高山,司艳娥, 孔都斯·帕尔哈提,艾克拜尔·伊拉洪

(新疆农业大学资源与环境学院, 乌鲁木齐 830052)

【研究意义】土壤是最大的陆地碳库,为人类和自然群落提供基本功能和服务。新疆占我国国土面积的1/6,拥有丰富的物产资源,包含广袤的草地面积,牧草草地面积约占全国草地面积的1/5[1]。天然草地为草原畜牧业的蓬勃发展提供充分条件,然而全疆天然草地面积的一半在北疆[2]。草地是本试验区的主要自然生态系统,是该地区畜牧业及经济发展的重要依托资源,对及时迅速估算出草原产草量对预防草地退化、避免放牧过度、维持草原生态稳态、确保畜牧业健康可持续发展具有重要意义[3]。【前人研究进展】草地土壤碳库是我国一个重要的碳汇[4],高寒草甸、高寒草原与温性草原的土壤有机碳储备量占我国草地总碳储备量的一半。土壤微生物量是土壤有机碳中活性最强的部分,包含微生物量碳、氮、磷。微生物量碳含量只占总有机碳的1%～4%[5],但对土壤可利用养分来说,却是重要的源和库。由于土壤微生物量碳能对外部环境变化做出迅速响应,因此它的含量和分布易受地形、植被、水分、温度、海拔及不同土地类型影响[6]。目前我国对微生物生物量的研究主要集中在森林土壤生境、土壤污染治理以及农田土壤肥力评估等方面[7-8]。王丰[9]在武夷山对4种不同海拔植被的研究中得出,微生物量碳随海拔升高而增加,且高山草甸>亚高山矮林>针叶林>常绿阔叶林,李聪等[10]在文山的研究也得出一致结论;而王宁等[11]在长白山的研究却得出微生物量碳随海拔升高先增加后减少;甚至Mendoza等[12]在厄瓜多尔亚马逊地区的研究得出微生物量随海拔升高而降低。殷睿等[13]在四川西部的研究得出,微生物量氮、全氮随海拔变化趋势一致,均随海拔升高而降低,Bayranvand等[14]在伊朗北部的阿尔博兹山脉的研究也得出一致结论。姚兰等[15]在黄山的研究却得出不同结论,他们认为,微生物量氮、溶解性有机氮随海拔升高而增加,这与Arunachalam等[16]的结论一致。杨起帆等[17]在江西官山的研究得出,土壤微生物量氮、溶解性有机氮含量随海拔升高呈先增加后降低的变化趋势。Klimek等[18]在喀尔巴阡山脉西部的研究指出,土壤活性氮组分受海拔、温度、湿度、微生物群落结构等因素影响,但其具体机制还需进一步研究。【本研究切入点】天山北坡的山地垂直自然带谱具有完整性、典型性,是进行垂直地带性研究的理想研究地[19]。查阅相关报道可以找到该地区地上部分生物量相关的研究[20-21],但对土壤微生物量的研究资料较少。【拟解决的关键问题】本研究以中天山北麓不同海拔、不同草地类型草原土壤为研究对象,进行土壤微生物量及理化性质的测定,探究土壤微生物量及理化性质的空间分布特征和土壤微生物量的影响因子,为该区草原生态系统的合理使用、草原生态系统的恢复提供科学依据和数据支持。

1 材料与方法

1.1 材料和样地

本试验在乌鲁木齐县进行采样,地处天山北麓。选择海拔1500～3000 m的草原进行采样(43.20°～43.55° N,87.11°～87.33° E)。按照许鹏主编的《新疆草地资源及其利用》[22],根据不同草地类型分布的海拔差异性可划分为不同海拔区间(表1)。

表1 采样点基本情况

1.2 取样方法

2021年6月调查取样。每隔海拔100 m为一个试验点,在同一个海拔高度选取3个样点[23], 水平距离间隔为100 m,挖掘土壤剖面采集土样,分别采取0～20、20～40、40～60 cm 3个土层的土样,共计144个土样。挑出植物根系、较大的石砾后,同一海拔、同一土层土样混匀后土样分为两部分:部分用于土壤微生物量的测定,部分在室内摊开经过自然风干后过筛,用于土壤理化性质的测定。

1.3 测定方法

1.3.1 土壤微生物量测定 土壤微生物量采用氯仿熏蒸法[24]测定,微生物量碳(Microbial biomass carbon,MBC)采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定,微生物量氮(Microbial biomass nitrogen,MBN)采用茚三酮比色法测定。

1.3.2 土壤理化性质测定 土壤理化性质的测定参考鲍士旦主编《土壤农化分析》第三版[25]。

1.4 数据分析

使用Microsoft Excel 2019进行数据记录与预处理,SPSS 25.0进行单因素分析方差分析(One-way ANOVA),Origin 2021绘图,图表中数据均为平均值±标准偏差。

2 结果与分析

2.1 不同草地类型微生物量的空间分布特征

温性荒漠草原土壤微生物量碳、氮含量(图1)在海拔1500～1700 m范围内随海拔升高表现出先降后升趋势,呈“V”型曲线,并在海拔1700 m分别达到(883.26±34.77) 和(108.57±3.43) mg/kg的最大值,而在海拔1600 m分别达到(366.93 ±31.78)和(8.98±0.39) mg/kg的最小值。 0～20 cm土层中,海拔1700、1500 m的微生物量碳含量显著高于1600 m(P<0.05,下同);20～40、40～60 cm土层中,海拔1700 m的微生物量碳含量显著高于其他海拔。在微生物量氮含量方面,各土层微生物量氮含量在海拔1700 m处显著高于1500、1600 m,且各土层之间差异显著。

MBC:土壤微生物量碳;MBN:土壤微生物量氮。不同大写字母表示同一海拔不同土层土壤微生物量之间差异显著(P<0.05);不同小写字母表示同一土层不同海拔土壤微生物量之间差异显著。下同。MBC:Soil microbial biomass C;MBN:Soil microbial biomass N.Different capital letters indicate significant difference of soil microbial biomass in different soil layers at the same altitude (P<0.05).Different lowercase letters indicate significant difference of soil microbial biomass in the same soil layer at different elevations.The same as below.图1 温性荒漠草原不同海拔微生物量碳(a)、氮(b)空间分布Fig.1 Spatial distribution of carbon (a) and nitrogen (b) of microbial biomass at different altitudes in temperate desert steppe

如图2所示,温性草甸草原土壤微生物量碳、氮含量在海拔1800～2000 m范围内随海拔升高呈先降后升趋势。其含量在海拔1800 m分别达到(2014.71±39.21) 和(191.96±1.05) mg/kg的最大值,而在1900 m处分别达到(366.93±31.78)和(15.56±0.61) mg/kg的最小值。0～20、20～40 cm土层中,海拔1800 m处微生物量碳含量显著高于1900、2000 m;40～60 cm土层微生物量碳含量在海拔1800、2000 m差异不显著,但均显著大于1900 m。在微生物量氮含量方面,各土层微生物量氮含量在海拔1800 m显著高于1900、2000 m。

图2 温性草甸草原不同海拔微生物量碳(a)、氮(b)空间分布Fig.2 Spatial distribution of carbon (a) and nitrogen (b) of microbial biomass at different altitudes in temperate meadow steppe

从图3可见,山地草甸土壤微生物量碳、氮含量在海拔2100～2500 m范围内呈先升后降趋势。其含量在海拔2200 m分别达到(2715.73±39.53)和(268.11±15.84) mg/kg的最大值,而在海拔2500 m处分别达到(316.07±39.10)和(14.57±0.84)mg/kg的最小值。0～20、20～40 cm土层微生物量碳含量在海拔2200 m显著高于其他海拔。40～60 cm土层微生物量碳含量在海拔2200 m显著高于其他海拔。在微生物量氮含量方面,0～20 cm土层微生物量氮含量显著高于其他土层,且在海拔2200 m处显著高于其他海拔。

图3 山地草甸不同海拔微生物量碳(a)、氮(b)空间分布Fig.3 Spatial distribution of carbon (a) and nitrogen (b) of microbial biomass at different altitudes in mountain grassland

高寒草甸土壤微生物量碳、氮含量(图4)在海拔2600～3000 m范围内呈先升后降趋势。其含量在海拔2900 m分别达到(3324.10±83.10)和(343.11±3.67)mg/kg的最大值,而在海拔2600 m分别达到(569.54±35.23)和(29.00±0.22)mg/kg的最小值。0～20 cm土层微生物量碳含量在海拔2900 m处显著高于其他海拔,且其它海拔之间微生物量碳含量差异显著;20～40、40～60 cm土层微生物量碳含量在海拔2900 m处均显著高于其他海拔。在微生物量氮含量方面,所有土层的微生物量氮含量在海拔2900 m处显著高于其他海拔。

图4 高寒草甸不同海拔微生物量碳(a)、氮(b)空间分布Fig.4 Spatial distribution of carbon (a) and nitrogen (b) of microbial biomass at different altitudes in alpine meadow

综上,土壤微生物量受草地类型、海拔高度、土层深度显著影响。土壤微生物量碳、氮含量在海拔1500～3000 m范围内波动变化,总体上呈先增后降趋势。土壤微生物量碳、氮含量在0～60 cm土层范围内随土层深度加深显著降低。土壤微生物量碳、氮含量在不同草地类型分布特征为:高寒草甸>山地草甸>温性草甸草原>温性荒漠草原。

2.2 不同草地类型土壤物理性质空间分布特征

从表2可知,在温性荒漠草原中,除0～20 cm土层外,土壤含水量随海拔升高呈先降后升趋势,最大值为18.48%±0.04%,除海拔1600 m外,40～60 cm土层含水量显著高于其它土层。土壤容重随海拔升高呈先降后升趋势,最大值为(1.37±0.02)g/m3。除海拔1600 m外,0～20 cm土层土壤容重显著高于其它土层。

表2 土壤物理性质空间分布

温性草甸草原的土壤含水量除20～40 cm土层外,随海拔呈先降后升趋势,最大值为28.37%±0.04%。土壤容重除40～60 cm土层外,随海拔升高而降低,最大值为(1.13±0.03) g/m3。

在山地草甸中,除40～60 cm土层外,土壤含水量随海拔升高呈先降后升趋势,最大值为41.10%±0.02%。除40～60 cm土层外,土壤容重随海拔升高呈先升后降趋势,最大值为(1.23 ±0.03)g/m3。

高寒草甸土壤含水量随海拔变化呈“双峰曲线”,最大值为69.14%±0.04%,除海拔2600 m外,20～40 cm土层土壤含水量显著高于其余土层。土壤容重随海拔变化也呈“双峰曲线”,最大值为(0.53± 0.04)g/m3。

综上,土壤理化性质随海拔增加呈明显的异质性,土壤容重随海拔升高而降低,在不同土层间变化趋势不明显。土壤含水量随海拔升高波动增加,在不同海拔间差异显著。土壤容重平均值在不同草地类型间呈现:高寒草甸<山地草甸<温性草甸草原<温性荒漠草原。土壤含水量平均值在草地类型间呈现:高寒草甸>山地草甸>温性草甸草原>温性荒漠草原。

2.3 不同草地类型土壤化学性质空间分布特征

从表3可知,在温性荒漠草原中,除0～20 cm土层外,土壤碱解氮随海拔升高而升高,其最大值为(49.58 ±0.12) mg/kg。此外,各海拔中碱解氮含量随土层深度增加而显著减少。除40～60 cm土层外,土壤全氮含量随海拔升高而升高,最大值为(0.31±0.00)g/kg。此外,各海拔中土壤全氮含量随土层深度增加呈显著降低趋势。在土壤有机质含量方面,除0～20 cm土层外,有机质含量随海拔升高呈先降后升趋势,最大值为(44.27±0.19) g/kg,且在各海拔中,土壤有机质含量随土层深度增加呈显著降低趋势。土壤pH随海拔升高呈先升后降趋势,最大值为(8.81±0.19)。

表3 土壤化学性质空间分布

在温性草甸草原中,土壤碱解氮、全氮、有机质含量均随海拔升高呈先降后升趋势,且差异显著,最大值分别为(127.25±0.24)mg/kg、(0.65±0.02)g/kg、(10.35±0.27) g/kg。另外在各海拔中土壤碱解氮、全氮、有机质含量随土层深度增加显著降低。pH随海拔升高呈先升后降趋势,最大值为8.42±0.07。

在山地草甸中,土壤碱解氮、全氮、有机质含量随海拔增加呈“N”型曲线变化,最大值分别为(198.97±2.53) mg/kg、(1.39±0.05)g/kg、(95.59±0.52)g/kg,且在各海拔中,土壤碱解氮、全氮、有机质含量随土层深度增加呈显著降低趋势。

在高寒草甸中,除0～20 cm土层外,土壤碱解氮含量随海拔增加呈降—升—降的趋势,最大值为(288.22±2.53)mg/kg。此外,各海拔中土壤碱解氮含量随土层深度增加呈显著降低趋势。土壤全氮、有机质含量随海拔升高呈先升后降趋势,最大值分别为(1.58±0.01)、(134.53±0.39) g/kg,且在各海拔中,土壤全氮、有机质含量随土层深度增加而显著降低。土壤pH除20～40 cm土层外,其值随海拔变化呈“N”型曲线,最大值为6.88±0.05。

综上,土壤含水量、有机质、全氮、碱解氮含量随海拔升高而波动增加,在不同海拔间差异显著。土壤含水量、有机质、全氮、碱解氮含量随土层深度加深而显著降低。在海拔1500～3000 m区间内,土壤有机质含量区间为9.38～134.53 g/kg;全氮含量区间为0.01～1.58 g/kg;全磷含量范围为0.27～1.33 g/kg。土壤有机质、全氮、碱解氮含量平均值在草地类型间呈现为:高寒草甸>山地草甸>温性草甸草原>温性荒漠草原。

2.4 不同土层微生物量与理化性质相关性分析

从表4可知,通过对0～20 cm土层土壤微生物量与土壤理化性质进行相关分析,微生物量碳、氮含量与海拔呈极显著正相关(P<0.01,下同);微生物量碳、氮含量与有机质、全氮、碱解氮含量均呈极显著正相关。微生物量碳含量与pH、容重呈极显著负相关。微生物量氮含量与微生物量碳呈极显著正相关,与pH、容重呈显著负相关。

表4 0～20 cm土层微生物量与理化性质相关性

从表5可知,20～40 cm土层土壤微生物量碳、微生物量氮含量与海拔呈极显著正相关;微生物量碳、微生物量氮含量与有机质、全氮、碱解氮、含水量呈极显著正相关。微生物量碳含量与pH、容重呈极显著负相关。微生物量氮含量与微生物量碳呈极显著正相关,与pH呈显著负相关。

表5 20～40 cm土层微生物量与理化性质相关性

从表6可知,通过对40～60 cm土层土壤微生物量与土壤理化性质进行相关性分析发现,40～60 cm土层,微生物量碳、微生物量氮含量与海拔呈极显著正相关;微生物量碳、微生物量氮含量与土壤有机质、全氮、碱解氮呈极显著正相关。微生物量碳含量与pH、容重呈极显著负相关。微生物量氮含量与微生物量碳、土壤含水量分别呈现极显著和显著正相关。

表6 40～60 cm土层微生物量与理化性质相关性

综上,微生物量碳、微生物量氮、土壤有机质、全氮、碱解氮、含水量均与海拔呈极显著正相关。微生物量碳、氮含量与土壤有机质、全氮、碱解氮、含水量、海拔呈极显著正相关。土壤容重、pH、碳氮比、微生物量碳氮比均与海拔呈显著负相关。因此海拔是影响土壤微生物量、土壤理化性质的重要因子。

3 讨 论

3.1 不同草地类型微生物量分布差异

温性荒漠草原土壤微生物量碳、氮含量平均值分别为610.91、37.23 mg/kg;温性草甸草原土壤微生物量碳、氮含量平均值分别为930.25、66.38 mg/kg;山地草甸土壤微生物量碳、氮含量平均值分别为973.84、 98.61 mg/kg;高寒草甸土壤微生物量碳、氮含量平均值分别为1372.35、110.08 mg/kg。不同草地类型微生物量分布特征为:高寒草甸>山地草甸>温性草甸草原>温性荒漠草原。这一结果与康健[26]在贺兰山的研究结果一致。导致该结果一方面是因为随着海拔逐渐升高、温度逐渐降低、湿度逐渐升高从而导致不同草地类型土壤微生物量分布呈现差异[27];另一方面是因为各草地类型的土壤类型不同,高寒草甸、山地草甸的土壤类型为黑钙土,温性草甸草原、温性荒漠草原为栗钙土,而黑钙土的土壤有机碳含量显著高于其他土壤类型,并且土壤微生物量与土壤总有机碳含量呈显著正相关(P<0.05),从而导致高寒草甸、山地草甸土壤微生物量碳、氮含量显著高于温性草甸草原、温性荒漠草原(P<0.05),这与吴小刚等[28]的研究结果一致。此外,随着地上植被覆盖度、土壤含水量增加,导致土壤中粘粒所占比例提高,沙粒含量持续降低,使土壤团聚体的水稳定性团粒含量增加[29],为土壤有机质的累积提供有利条件,进而导致土壤微生物量在高寒草甸更高。

3.2 微生物量在土壤中的垂直分布差异

0～20 cm土层微生物量碳、氮含量范围为(601.50～3324.10)、(22.00～343.11) mg/kg;20～40 cm土层微生物量碳、氮含量范围为(522.60～1567.88)、(14.95～179.99) mg/kg;40～60 cm土层微生物量碳、氮含量范围为(316.07～751.07)、(8.98～96.50 )mg/kg。土壤微生物量随土层深度增加而显著降低(P<0.05),这与前人研究结果一致[30-34]。一方面可能是因为表层土壤有适宜植物根系生长发育的水、气条件和光照强度,使得表层土壤植物根系密集,且根系会不断从根尖向土壤中分泌多糖、酚类、有机酸等多种物质[35],导致微生物可利用的资源丰富,使得微生物量增加;另一方面可能是因为地上部分的枯枝败叶腐解增加表层土壤的养分含量,从而使土壤微生物拥有更加适宜繁衍的生存环境,进而提高微生物量,这与杜会石等[36]的研究结果一致。

3.3 微生物量的海拔分布差异

微生物量碳、氮含量随海拔的变化范围分别为(316.07～3324.10)、(8.98～343.11)mg/kg,总体呈先增后减的变化趋势,这与前人研究结果一致[37-38]。一方面可能是因为随着海拔逐渐升高引起土壤水分逐渐增加、温度逐渐降低,这些环境因子改变导致土壤微生物的生物活性增强,从而使微生物繁殖扩散,土壤微生物量增加;然而当这些条件变化达到某一阈值时就会降低土壤微生物的生物活性从而使得微生物数量减少,土壤微生物量降低[39];另一方面可能是因为随着海拔升高引起的温度降低与含水量增加导致枯落物与动物排泄物等腐解速度变慢,使它们以有机质的形态累积在土壤中,使微生物量增加,这与Lovell等[40]的研究结果相一致。虽然海拔升高导致高寒草甸地区温度低于温性荒漠草原,但微生物量受温度降低的胁迫效应低于地上生物量增加的影响,因此高寒草甸土壤微生物量显著高于温性荒漠草原。海拔对微生物量的影响是复杂的,海拔通过影响土壤的基本理化性质如:pH、含水量、有机质含量等来间接引起微生物量的变化。

3.4 影响微生物量的生态因子

通过对微生物量、土壤理化性质和海拔的相关性进行分析,土壤微生物量与有机质、全氮、碱解氮、海拔高度均呈极显著正相关(P<0.01,下同),与含水量呈正相关。土壤微生物量与土层深度呈显著负相关,与pH、容重值呈不同程度负相关。Taylor等[41]发现,土壤微生物量与土壤pH负相关,本试验结果与其吻合,其原因可能是pH升高会抑制土壤微生物的生物活性从而使微生物量降低。李荣等[42]在哈尼梯田的研究发现,土壤微生物量与土壤容重呈负相关,这与本研究结论一致。随着海拔升高,土壤有机质累积使土壤全氮、碱解氮含量随之升高,使土壤维持在一个肥沃状态导致微生物量增加。谷雪景等[43]在内蒙古典型草原的研究表明,土壤微生物量与土壤有机质、全氮、碱解氮含量均呈极显著正相关,这也与本试验结果一致,赵春梅等[44]在对不同母质发育的橡胶林土壤微生物特征研究中也得到了相同结果。综上,土壤微生物生物量受海拔、草地类型、土壤理化性质的影响较大,但其响应机制仍需进一步探究。

4 结 论

(1)土壤微生物量在不同草地类型的分布特征为高寒草甸>山地草甸>温性草甸草原>温性荒漠草原。

(2)土壤微生物量在海拔1500～3000 m范围内,随海拔升高呈先升后降的变化趋势。土壤微生物量碳、氮含量随海拔的变化范围分别为(316.07～3324.10)、(8.98～343.11)mg/kg。在0～60 cm土层中,土壤微生物量随土层深度增加而显著减少。

(3)土壤微生物量与有机质、全氮、碱解氮和土壤含水量呈极显著正相关(P<0.01)。土壤微生物量与海拔高度呈显著正相关,与土层深度呈显著负相关(P<0.05),与pH、容重呈负相关。