小浪底库区消落带落干期土壤微生物生物量碳动态变化特征

张小磊，齐庆超，李 雅，裴颖春，李春发，王业宁

（1.河南省科学院地理研究所，河南 郑州 450052；

2.河南省地矿局 测绘地理信息院，河南 郑州 450006）

土壤微生物生物量碳（SMBC）是土壤碳库中最活跃的组分［1］，其对土壤环境条件的变化极为敏感［2］，能及时调控土壤养分的累积与循环，体现土壤有机质的动态变化［3］，因此在土壤生态系统能量流动和物质循环过程中具有不可替代的作用［4-6］。

目前，相关学者已针对SMBC 开展了大量研究工作，如：李荣等［7］利用地统计学方法对哈尼梯田SMBC 的时空分布进行研究，认为SMBC 受季节、植被类型、地貌状况等的共同影响，是土壤肥力变化的重要指标；
施福军等［8］对望天树天然林SMBC 进行研究，认为在土壤深度、土壤养分、林分组成等因子的作用下，SMBC 表现出明显的垂直分布特征；
张静等［9］对扎龙湿地不同生境下SMBC的变化特征进行分析后，也得出了与施福军等［8］研究的相似结论。

由此可见，生境因子的改变能使SMBC 的变化特征产生显著差异，这种差异在因受损而需恢复、重建的土壤-植被生态系统中表现得尤为明显［10］。

因此，受损土壤-植被生态系统重建过程中SMBC 的动态变化及其影响因素受到学者们的密切关注。

然而，现阶段此类研究较多集中在滩涂湿地［11-12］、砍伐（损毁）后林地［10，13］以及丘陵沟壑等水土流失易发地区［14-15］，对消落带这一特殊生境内SMBC 的研究尚显不足［16］。

小浪底水库在黄河流域治沙防洪方面起着极为重要的作用［17］。

自2002年以来，小浪底水库在每年6—7月进行大规模调水调沙［18］，其水位明显下降，在库区形成落差为30 ～40 m 的周期性反季节干湿交替坡状地带，即小浪底库区消落带。

该地带具有垂直梯度上的自然地理变化特征，与周边陆地、水体之间存在能量循环和物质交换的过程，被视为一类特殊的湿地生态系统。

然而，长期的周期性反季节干湿交替使小浪底库区消落带原有生态系统遭到破坏，土壤理化性质改变，土壤微生物活性及土壤养分转化和循环受到影响［19］，这可能会引起消落带 SMBC 特征改变，影响该库区受损生态系统的恢复与重建。

基于此，本文以小浪底库区洛阳市新安县王村一典型消落带为研究对象，通过对不同土层深度的SMBC 含量进行分析，揭示小浪底水库水位下降后消落带不同高程SMBC 含量的变化特征及差异，并对其影响因子进行探讨，以期为消落带土壤碳循环研究及小浪底库区科学管理、土壤-植被生态系统恢复与重建提供基础资料。

研究区位于洛阳市新安县仓头镇西北部王村附近，属小浪底库区典型消落带，地理坐标为112°13′—112°15′E、34°54′—34°57′N。

研究区远离城镇，周边无污染源；
气候为暖温带大陆性季风气候，多年平均气温为13.6 ℃；
年内降水分布不均，一般集中于夏季，多年平均降水量为650 mm；
全年平均日照时数为2 265 h，无霜期为231 d，相对湿度为68%；
土壤类型以褐土为主，分布有少量潮土；
水库蓄水前消落带内分布有农田、林地、灌丛、草本植物等，蓄水后消落带内农田已基本退耕，现有植被以酸枣、荆条、狗牙根、蒿类等为主。

2.1 样品采集与处理

依据研究区所处位置地貌特征、土壤质地、水文情况以及植被覆盖类型，分别在 275、265、255、245 m 这4 个高程进行样品采集（采样点分布示意见图1），其中275 m 高程常年未被水淹，该高程所采集样品为对照样品。

根据2018年4—10月小浪底水库水位变化情况于2018年6—8月进行样品采集。

根据植被覆盖类型在每个高程设置4 个采样点，每个采样点都随机布设5 个样方，在每个样方内用梅花形布点法按0 ～10、10～20 cm 土层深度分层采集土壤样品，除去石砾等杂物后将样品混合均匀，用四分法获取适量样品，并将样品置于4 ℃冷藏箱中带回实验室。

在采集样品的同时用JC-TW 型土壤温度测定仪测定5、15 cm处的土壤温度。

将带回的部分新鲜土壤样品过2 mm 筛，放置于4 ℃冰箱中保存，以备SMBC 含量和土壤含水率的测定。

将其余土壤样品在室温下自然风干，研磨后过100 目筛，以备土壤pH 值、土壤有机碳等含量土壤理化指标的测定。

图1 采样点分布示意（单位：m）

2.2 样品测定

采用酸度计法测定土壤pH 值，水土比为2.5 ∶1；
采用烘干法测定土壤含水率；
采用Mastersizer 3 000 激光粒度仪测定土壤黏粒（粒径＜0.002 mm）含量；
采用Multi N／C 2 100 元素分析仪测定土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）含量；
采用硫酸-高氯酸消解、比色法测定全磷（TP）含量；
采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法测定SMBC含量。

SMBC 含量（Cmic）的计算公式为

式中：EC为熏蒸与未熏蒸土壤有机碳含量的差值；
KC为换算系数，取值 2.22［10］。

2.3 数据处理

采用Excel 2007 和SPSS 17.0 软件进行数据处理与统计分析；
采用单因素方差分析法（ANOVA）处理不同土层及同一土层不同高程的SMBC 含量、SMBC／SOC 数据组的差异性；
采用Duncan 法检验不同数据组差异的显著性，显著性水平为 0.05，P＜0.05 为差异显著，P＜0.01为差异极显著；
采用Pearson 相关系数评价数据组间的相关关系。

3.1 消落带落干期土壤理化性质

小浪底库区消落带落干期土壤理化性质见表1，可以看出，7 个指标在不同高程及土层深度处具有明显的差异。

具体而言，所有高程土壤pH 值变化范围是6.90 ～7.83，0～10 cm 土层（上土层）土壤 pH 值大于 10～20 cm土层（下土层）土壤pH 值。

土壤含水率变化范围是16.26%～19.08%，与土壤pH 值不同，下土层土壤含水率明显大于上土层土壤含水率（P＜0.05），各土层的土壤含水率随高程下降逐渐升高。

土壤温度变化范围是24.20～25.63 ℃，黏粒含量变化范围是 6. 02% ～10.42%，上土层土壤温度黏粒含量均明显高于下土层土壤温度和黏粒含量。

土壤有机碳、全氮、全磷作为土壤养分因子，其变化范围分别是 3.99 ～9.45 g／kg、0.46 ～0.94 g／kg、0.12 ～0.32 g／kg，与土壤 pH 值、温度、黏粒含量一样，土壤有机碳、全氮、全磷含量均表现出在上土层中数值偏大的特征，并且在不同高程表现出明显差异，其中土壤有机碳含量和全氮含量的差异更显著（P＜0.05）。

表1 消落带土壤理化性质

3.2 不同高程 SMBC 含量的变化

小浪底库区消落带不同高程SMBC 含量随时间的变化见图2。

可知相同时段内同一高程0～10 cm 土层SMBC 含量明显高于 10 ～ 20 cm 土层 SMBC 含量。

4个高程0～10 cm 土层SMBC 含量最大值均出现在6月15 日，而最小值出现的时间各不相同，275、265、255、245 m 高程SMBC 含量的最小值分别出现在8月30 日、7月 30 日、7月 15 日、8月 30 日。

整体而言，4个高程0 ～10 cm 土层SMBC 含量随时间推移都表现出明显的下降趋势，并且255 m 高程SMBC 含量的降幅最大。

图2 消落带不同高程SMBC 含量随时间变化情况

4 个高程 10 ～20 cm 土层 SMBC 含量随时间变化整体也呈下降趋势，但降幅较小。

各高程10～20 cm土层SMBC 含量的最大值同样都出现在6月15 日，275、255 m 高程SMBC 含量的最小值都出现在7月30 日，265、245 m 高程 SMBC 含量的最小值都出现在8月30 日。

消落带不同高程SMBC 含量的差异见图3，图中不同大写字母代表不同土层间的数据有显著差异（P＜0.05），不同小写字母代表同一土层不同高程的数据有显著差异（P＜0.05）。

分析可知，整个研究期内不同高程SMBC 含量具有明显差异。

在 0 ～10 cm 土层中，4 个高程SMBC 含量随高程下降呈现出先升高再降低的趋势，且存在显著差异（P＜0.05），其中：255 m高程 SMBC 含量最大（为 204.97 mg／kg），245 m高程SMBC 含量最小（为 59.68 mg／kg）。

在 10～20 cm 土层中，4 个高程SMBC 含量随高程下降同样呈现出先升高再降低的趋势，其中：245 m高程 SMBC 含量最小（为29.25 mg／kg），与其他 3 个高程 SMBC 含量差异显著（P＜0.05）；
265 m 高程 SMBC 含量最大（为 108.08 mg／kg），与 255 m 高程 SMBC 含量无显著差异（P＞0.05），但与275 m 高程 SMBC 含量存在显著差异（P＜0.05）。

图3 消落带不同高程SMBC 含量的差异

3.3 不同高程SMBC 与SOC 含量比值的变化

消落带各高程 SMBC 与 SOC 含量比值（SMBC／SOC）随时间的变化见图4，其变化范围为0.48%～3.18%。

4 个高程 0 ～ 10 cm、10 ～ 20 cm 土层 SMBC／SOC 的最大值均出现在试验初期（6月15 日），之后随时间变化整体缓慢下降，其中0～10 cm 土层SMBC／SOC 值的下降趋势更加明显，并且同一高程0 ～10 cm土层SMBC／SOC 值明显高于 10～20 cm 土层 SMBC／SOC 值。

图4 消落带不同高程SMBC／SOC 值的时间动态变化

消落带不同高程SMBC／SOC 值的差异见图5，整个研究时段内不同高程 SMBC／SOC 值差异较明显。在 0～10 cm 土层中，245 m 高程 SMBC／SOC 值最小（为1.06%），与其他3 个高程 SMBC／SOC 值存在显著差异（P＜0.05），但 275、265、255 m 这 3 个高程之间的SMBC／SOC 值差异未达显著水平（P＞0.05），其中：255 m高程 SMBC／SOC 值最大（为 2.19%），265、275 m 高程SMBC／SOC 值次之，分别为 2.12%和1.97%。

与 0 ～10 cm 土层 SMBC／SOC 值相似，在10～20 cm土层中，除245 m 高程 SMBC／SOC 值（为0.72%）较 275 m 高程SMBC／SOC 值（为 1.55%）显著偏低（P＜0.05）外，265、255 m 高程 SMBC／SOC 值均较高， 分别为 1.72%和1.67%，并且 275、265、255 m 这 3 个高程之间的SMBC／SOC 值无显著差异（P＞0.05）。

图5 消落带不同高程SMBC／SOC 值的差异

3.4 SMBC 与土壤环境因子的关系

采用Pearson 相关系数分析消落带SMBC 与土壤理化性质的相关性（见表2），可知研究时段内小浪底库区消落带SMBC 含量与土壤pH 值呈显著负相关（P＜0.05），与土壤含水率呈极显著正相关（P＜0.01），与土壤温度、SOC 含量、全氮含量呈显著相关（P＜0.05），与土壤黏粒含量、全磷含量呈正相关关系，但未达到显著水平（P＞0.05）。

表2 消落带SMBC 与土壤理化性质的相关系数

4.1 小浪底库区消落带SMBC 的变化特征

消落带周期性的淹水会导致不同高程土壤pH值、水分、养分等一系列环境因子发生改变，从而影响土壤微生物的种群结构及活性［20-21］，最终使SMBC 含量发生变化［2，11，22-24］。

275、265、255、245 m 高程消落带全年淹水时间分别0、117、202、263 d，据此整体上将淹水时长划分为短期（对应265 m 高程）、中期（对应255 m 高程）和长期（对应245 m 高程），可认为消落带SMBC 的变化与淹水时长有关。

具体地，中短期淹水能够促使 SMBC 含量增加，而长期淹水能够对SMBC 含量的增加产生明显的抑制作用，这与柴雪思等［16］的研究结果基本吻合。

在土壤垂直深度上，0 ～10 cm 土层 SMBC 含量显著高于 10 ～20 cm 土层SMBC 含量，并且 0 ～10 cm 土层 SMBC 含量的波动幅度较大，这也与以往同类研究结果较相似［9，10，25］。

SMBC 含量的变化与土壤微生物的活性密切相关［26］。

本研究采样时段正处于植物的生长季，随着植物生长进入旺盛期，植物对养分的竞争日趋激烈，从而在一定程度上限制土壤微生物对养分的获取，这可能导致SMBC 含量在时间维度上逐渐降低。

对于不同高程，中短期淹水时土壤中包含有机物在内的营养基质不易被矿化而产生累积效应，待水库水位下降后，累积的营养基质矿化速率提高，土壤微生物可利用的养分增多，繁殖加快，从而使SMBC 含量增加；
但淹水期过长时土壤中累积的营养基质在水力冲刷作用下大量流失，待水库水位下降后，土壤微生物难以获取足够的养分进行生长繁殖，引起SMBC 含量迅速降低，造成不同高程SMBC 含量表现出明显差异。

已有研究表明［27］，表层土壤是植物根系、凋落物等有机物集中分布的区域，随着土壤深度增加，有机物含量逐渐减少。

由表1可知，相对于10 ～20 cm 土层，土壤微生物在0～10 cm土层中可利用的营养基质更多，土壤微生物活性增强，SMBC 含量偏多，但表层土壤对外部环境的抗干扰能力相对较弱，从而导致SMBC 含量在0 ～10 cm土层波动较大。

4.2 小浪底库区消落带SMBC 对土壤肥力的影响

活性较高的土壤微生物能够加速土壤中物质代谢，提升土壤碳库的周转速率，从而促进土壤生态系统的养分和能量循环［28］。

一般而言，SMBC 含量越高，土壤微生物对SOC 的贡献越大，由于SOC 是土壤肥力的重要指标，因此SMBC／SOC 值能够反映土壤微生物活性对土壤肥力的影响［29］。

小浪底库区消落带不同高程SMBC／SOC 值的变化范围为0.48%～3.18%，与黄河下游三角洲贝壳堤［25］和三峡库区［16］的 SMBC／SOC值相比略低，这表明长期的周期性反季节淹水已使小浪底库区消落带土壤微生物活性受到严重影响，降低了其对土壤肥力的贡献。

研究期内各高程SMBC／SOC 值在试验初期达到峰值，之后呈下降趋势。

原因可能是消落带土壤落干前，淹水的胁迫效应制约了土壤微生物的种群和活性，但土壤落干后淹水的胁迫效应迅速消失，土壤微生物种群和活性得以快速恢复，SMBC 含量陡增，SMBC／SOC 值达到峰值，表明此时土壤碳库周转速率最高，土壤微生物活性对土壤肥力的贡献最大。

之后如前文所述，消落带植物的生长可能加强了对土壤养分的剥夺，各高程SMBC 含量随时间逐渐下降，并且此时植物释放到土壤中的根系分泌物等有机物增多，导致相应高程SMBC／SOC 值随时间呈现下降趋势，这也说明随着落干期延长，土壤碳库的周转速率受到限制，土壤微生物活性对土壤肥力的贡献降低。

在土壤垂直深度上，同一高程下0 ～10 cm 土层SMBC／SOC 值明显高于 10 ～ 20 cm 土层 SMBC／SOC值，这与以往的研究结果较为一致［25］，表明土壤表层微生物对有机物具有更高的转化效率，从而有利于土壤肥力的提升。

除 245 m 高程外，0 ～10、10 ～20 cm 土层在265、255 m 高程的 SMBC／SOC 值均高于对照高程（275 m）的 SMBC／SOC 值，进一步表明短期、中期淹水能在一定程度上提高土壤微生物的活性及其对土壤肥力的贡献；
相反，长期淹水时土壤微生物活性受到抑制并导致其对土壤肥力的贡献降低。

综上可知，通过分析小浪底库区消落带SMBC 含量及SMBC／SOC 的变化特征能够从生物学角度揭示土壤微生物活性对土壤肥力的影响，且二者的值越大、越有利于土壤肥力的提升。

（1）小浪底库区消落带各高程 SMBC 含量及SMBC／SOC 值在6—8月随时间整体呈降低趋势，说明随着落干期延长，土壤微生物生存的适宜性降低，从而使土壤微生物的活性降低。

（2）消落带不同高程 SMBC 含量差异明显（P＜0.05），与对照高程（275 m）相比，265、255 m 高程SMBC 含量明显较高，而245 m 高程SMBC 含量较低。对于 SMBC／SOC 值而言，245 m 高程 SMBC／SOC 值最小，255 m 高程 SMBC／SOC 值最大，255、265、275 m 这3 个高程之间的 SMBC／SOC 值无显著差异（P＞0.05），表明短期、中期淹水能在一定程度上提高土壤微生物的活性，增强SMBC 对土壤碳库的贡献，而长期的淹水环境能对土壤微生物的活性产生极大的抑制作用，从而降低SMBC 对土壤肥力的贡献。

（3）在土壤垂直深度上，消落带 0 ～10 cm 土层SMBC 含量及 SMBC／SOC 值显著高于 10 ～20 cm 土层SMBC 含量及 SMBC／SOC 值，并且 0 ～ 10 cm 土层SMBC 含量的波动幅度较大，表明表层土壤SMBC 更易受到外部环境变化的影响。

（4）Pearson 相关分析表明，SMBC 与土壤含水率呈极显著正相关，与土壤pH 值呈显著负相关，与土壤温度、SOC 含量、全氮含量显著相关，表明土壤温度、含水率、pH 值、SOC 含量、全氮含量是影响小浪底库区消落带SMBC 含量及土壤肥力的关键因子。

猜你喜欢 小浪底土壤肥力库区 江垭库区鱼类群落组成和资源量评估当代水产(2022年8期)2022-09-20小浪底飞出欢乐的歌农村农业农民·A版(2022年2期)2022-02-25小浪底飞出欢乐的歌农村.农业.农民(2022年3期)2022-02-18行间生草对深州蜜桃园土壤肥力、pH和盐度影响河北果树(2022年1期)2022-02-16湖南省大中型水库库区管理工作实践与探索——以皂市水库为例湖南水利水电(2021年6期)2022-01-18浅析库区移民集中安置点规划设计中需注意的问题湖南水利水电(2021年6期)2022-01-18拉萨市土壤肥力变化趋势与改良策略西藏农业科技(2018年4期)2018-04-25黄河上的小浪底中国三峡(2018年1期)2018-03-08丹江口库区旧石器考古调查记大众考古(2015年7期)2015-06-26水利企业监督管理措施探讨——以黄河小浪底水资源投资有限公司为例中国水利(2015年4期)2015-02-28

推荐访问:生物量 库区 微生物