土壤微生物是构成土壤生态系统的重要组成部分, 是土壤有机质和养分转化与循环的主要动力, 在生物地化循环及生态系统功能中扮演着必不可少的角色, 对陆地生态系统发挥着至关重要的功能[1,2]。土壤中碳和氮的转化主要是在微生物参与下进行的, 微生物在其生命活动过程中不断同化环境中的碳, 同时又向外界释放碳素 (代谢产物) , 不仅在养分转化中起着重要作用, 而且其自身也是很大的养分供应源和储备库[3,4,5]。
峨眉山, 典型的高山地貌 (海拔3 099 m) , 地形复杂, 土壤种类多样, 气候垂直差异大, 植物种类繁多, 垂直带谱明显。峨眉山从低山到高山可划分为4个植被带:即常绿阔叶林带、常绿与落叶阔叶混交林带、针阔叶混交林带和寒温性针叶林带。由于受长期自然和人类活动的影响, 各植被带内又存在不同面积的多种人工栽培植被和森林破坏后形成的次生植被, 增加了峨眉山植被类型的复杂性。研究其土壤微生物成分, 并对其相互关系进行研究, 不仅具有重大的理论研究意义, 而且对发展可持续的生态农业系统具有重要的应用价值。然而, 目前尚未见峨眉山土壤微生物的相关报道, 因此, 本课题以峨眉山土壤为研究对象, 采用单因素方差分析法, 对不同海拔梯度下三大土壤微生物量碳、氮进行研究, 旨在为全球高山生态系统植被分布动态格局和土壤营养循环本质提供基础资料。
1 材料与方法
1.1 样地选择和取样
在峨眉山选取4个海拔梯度 (4个不同的植被带分布类型) (见表1) , 每个海拔梯度选取3块均一性较好的3m×3 m样地, 除去表面调落物和沙石后, 用土钻 (直径为2.5 cm, 容量深度为15 cm) 对角线交叉取样, 每个样地取2份土样, 每8管土混合为一个土样, 装入无菌自封袋, 带回实验室低温保存 (重复6次) 。
1.2 数据处理
采用Microsoft Excel 2007对数据进行处理, 用SPSS13.0统计分析软件进行单因素方差分析, 用Microsoft Excel 2007软件绘图, 并采用最小显著差异法 (LSD) 比较不同数据组间的差异 (a=0.05) 。数据的变异性用标准差 (SD) 表示。
2 试验结果
2.1 土壤基底值
测定土壤的本底理化值 (p H、全氮、全磷) 、微生物量碳氮见表2。由表2可知, 峨眉山土壤总体偏酸性 (因为峨眉山市周围有大量的工厂, 长期受酸雨的侵蚀) , 样地酸性A (金顶3 010 m)
2.2 土壤微生物量
对不同海拔梯度微生物量碳的实验结果进行处理分析 (见图1) , 在2 433 m海拔高度下既针叶林与阔叶林混交, 土壤微生物生物量碳含量最高, 达到123.798 3 mg/kg。在1 475 m海拔高度既常绿与落叶阔叶混交, 土壤微生物量碳最小为77.205 mg/kg。约1.6倍。总的来说, 海拔越高, 土壤微生物生物量碳含量越大。然而, 统计分析结果表明, B、C样地之间差异明显 (P=0.036<0.05) 。
对不同海拔梯度微生物量氮的实验结果进行处理分析 (见图2) , 在2 433 m海拔高度下既针叶林与阔叶林混交, 土壤微生物生物量氮含量最高, 达到24.171 7 mg/kg。在1 475 m海拔高度既常绿与落叶阔叶混交。土壤微生物量氮最小为18.506 7 mg/kg。约1.3倍。总的来说, 与微生物量碳的变化呈现相似趋势:海拔越高, 土壤微生物生物量氮含量越大。其中结果表明, B、C样地之间差异较大但并不明显 (P=0.073>0.05) 。
3 讨论
总体来看, 微生物量在高海拔梯度比低海拔要高, 呈现出正相关趋势。在已有的一些研究结果中都表明, 影响土壤微生物量的其中一个十分重要的因素是土壤有机质含量[6,7], 土壤中的有机质影响整个土壤中代谢过程中的营养物和能量循环, 为微生物群落提供稳定的营养和能量, 是土壤微生物量形成的重要因素。因此土壤微生物量与土壤中有机质的量存在相似的关系, 一般来说该土壤的有机质越高那么该土壤的微生物量就越高, 微生物量碳、氮与总有机质碳和全氮含量呈现正相关性。这与本次试验所得出的结果相类似, 本次试验也为此规律提供了数据基础。
本次研究表明, 随着海拔梯度的升高, 每个海拔标志植物发生变化, 具体由亚热带喜暖性低山常绿阔叶林和亚热带耐寒性中山常绿阔叶林逐步变为亚高山常绿针叶林与灌丛草甸, 因此不论是地面生物量、植物凋落物厚度、土壤中有机质等因素也随之发生相应变化。在A样地其植物种类明显发生变化, 灌丛草甸植物的一年生习性和在土壤表层的大量集中分布, 使得此地区微生物量高于其余海拔。然而, B样地比A样地的微生物生物量碳氮含量高, 可能是由于在B样地 (针叶林与阔叶林混交) 采集的土壤是四个海拔中凋落物最多, 而凋落物的质量和数是土壤微生物量的一个重要的决定因子, 这也从一个角度解释了为什么B样地的微生物量要高于其余样地。
之前在该地的其他研究表明, 微生物数量在A海拔高度时土壤中微生物数量巨大, 而根据一些已有的研究可以知道, 土壤中微生物的数量对有机质以及微生物量氮的数量有着很大的作用[8,9]。所以在A处理应是土壤微生物量碳、氮值最大处, 然而结果表明B>A, 根据另一个同学对这2个海拔土壤酶活性研究中由于温度等因素的影响发现B地区的过氧化氢酶活性要明显高于A地区, 而过氧化氢酶可以促进土壤中各种化合物的氧化, 可以通过酶促过氧化氢的途径有效防止土壤中的细菌、微生物遭受生物体新陈代谢过程中产生的过氧化氢的毒害。这可能就是导致此结果的原因之一。同样微生物量碳氮含量、p H值、含水量、有机质含量在C海拔最低, 而D海拔却有所回升。其中在C海拔过氧化氢酶活性为5.545 1 mg/ (g·h) , D海拔为11.288 2 mg/ (g·h) , 因此D海拔较高的过氧化氢酶活性更好的保护了该样地的一些细菌以及土壤微生物, 促使D海拔高度的微生物量碳氮含量要高于C海拔。
根据研究结果, 随着海拔高度的变化土壤中的其他一些理化值也相应发生变化。土壤中的含水量随着海拔高度的增加而增加, 这与前人的研究结果相一致, 本研究也加强了该结论。海拔的不断升高致使气温逐渐下降, 到一定的温度, 会引起降水增多, 而由于海拔升高所引起的气温的下降必然会导致土壤中水分的蒸发量减少, 在这一增一减中造成土壤湿度随着海拔的升高而提高。而降水量和气温会对土壤中的有机质含量产生影响。简单来看由于降水量和土壤湿度较大, 同时温度相对降低, 会直接对分解、释放动植物残体造成影响, 致使大部分以有机物形式沉积在土壤中。土壤中氮磷的积累和消耗程度取决于土壤有机质的积累和分解[10]。这也表明土壤湿度会对微生物量碳、氮含量造成影响, 从另一个角度解释了随着海拔的升高, 土壤微生物量碳、氮含量总体呈增加趋势的原因。
本次试验还对不同海拔的p H值进行了分析, 其值在5.95~4.69, 在最低海拔酸性最高, 其余3个海拔地区酸性差异不大, 其原因可能是由于在较低的海拔地区, 空气中存在的酸性物 (二氧化碳, 二氧化硫) 较多, 凝结成雨时造成酸性影响较大。可以的将此作为依据, 建议相关部门加强对我市空气污染的治理, 保护好环境。通过此研究值并未发觉土壤p H与微生物量之间的明显关系。同时可以看出, 土壤微生物量碳、氮、磷和土壤总有机碳、全氮、全磷含量随海拔高度的升高以及海拔植被的变化有相似的规律, 但由于实验分析不足, 并不能肯定其中的确切关系, 还需进行进一步的研究和实验。
4 结论
本研究可得出以下几点结论:土壤微生物量碳、氮含量总体呈现出随着海拔的升高呈现升高的趋势;土壤有机质、含水量、全氮、全磷、全钾含量随着海拔高度的升高而升高, 但其与微生物量碳、氮含量未呈现出明显相关性;本研究中B、D两个海拔高度的值都因为过氧化氢酶的较高活性而使得其微生物量碳、氮含量分别高于A、C两地。所以过氧化氢酶对土壤微生物量碳、氮含量影响较为明显。
摘要：土壤微生物是构成土壤生态系统的重要组成部分, 是土壤有机质和养分转化与循环的主要动力, 对陆地生态系统发挥着至关重要的功能。以峨眉山土壤为研究对象, 对不同海拔梯度下土壤微生物量碳、氮进行研究。结果表明:峨眉山微生物量碳、氮含量总体趋势是随着海拔高度的升高而升高, 但由于某些环境因素 (如凋落物、微生物数量和酶活性等) 对实验结果的综合影响, 呈“V”字型变化趋势。
关键词：峨眉山,微生物量,碳,氮,海拔梯度
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