薄层黑土微生物生物量碳和氮对.docx
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薄层黑土微生物生物量碳和氮对
薄层黑土微生物生物量碳和氮对
土壤侵蚀—沉积的响应
冯志珍1郑粉莉1,2†易祎3
（1西北农林科技大学水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西杨凌712100）
（2中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨凌712100）
（3西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌712100）
研究土壤侵蚀—沉积对土壤微生物生物量的影响可以为科学评估土壤侵蚀的环境效应提供依据。
以典型薄层黑土区——黑龙江省宾州河流域为研究区，利用土壤137Cs含量估算侵蚀速率，通过分析流域不同位置和不同坡面部位土壤微生物生物量碳和氮含量以及土壤侵蚀强度的差异，揭示土壤微生物生物量对土壤侵蚀—沉积的响应规律。
结果表明：
流域不同位置和不同坡面部位土壤微生物生物量的分布存在明显差异，并呈现出与土壤侵蚀—沉积空间分布相反的变化趋势。
土壤侵蚀速率在流域的分布为上游>中游>下游，在坡面的分布为坡中部>坡上部>坡下部；土壤微生物生物量碳（Microbialbiomasscarbon,MBC）和微生物生物量氮（Microbialbiomassnitrogen,MBN）在流域表现为下游>中游>上游，在坡面表现为坡下部>坡上部>坡中部。
回归分析表明，MBC、MBN、有机质（Soilorganicmatter,SOM）和全氮（Totalnitrogen,TN）含量随土壤侵蚀强度的增大而减少。
土壤侵蚀对土壤微生物生物量的分布有重要影响，土壤侵蚀—沉积过程引起土壤养分的迁移和再分布是导致侵蚀区和沉积区土壤微生物生物量分布产生差异的重要原因。
土壤侵蚀—沉积；土壤侵蚀速率；微生物生物量碳；微生物生物量氮；薄层黑土
S157A
东北黑土区是我国重要的商品粮生产基地，由于过度开垦和自然因素等共同影响，土壤侵蚀日益严重[1]。
区内现有水土流失面积27.59×104km2，占黑土区总面积的27%[2]，其中水蚀面积18.27×104km2，占黑土区总面积的18%，坡耕地黑土层厚度每年以0.3～1cm的速度递减[3]。
土壤侵蚀使得土壤的表土层随径流流走，土壤中的营养物质大量流失，造成土壤物理化学性质改变，从而导致土壤质量下降、土地退化以及生产力急剧下降，据统计资料显示，黑土区每年由于水土流失造成粮食减产高达14×108kg[4]。
土壤微生物作为土壤有机质和养分转化和循环的动力，在土壤生态系统的能量流动和养分转化过程中起着重要作用[5]。
土壤微生物生物量对环境变化具有较高的敏感性和响应性，被认为是比土壤有机质更灵敏的环境变化指示因子[6]。
研究表明，土壤微生物生物量可以表征土壤质量的优劣和土壤侵蚀速率的高低，其空间分布可以反映土壤侵蚀的程度[7-8]。
因此，研究土壤微生物生物量与土壤侵蚀—沉积的关系具有重要意义。
目前，关于土壤侵蚀对土壤理化性质的影响已有大量报道[9-10]，但定量地分析土壤侵蚀对土壤微生物生物量影响的研究较少，Hu等[11-12]针对黄土丘陵沟壑区开展了相关研究，有关东北黑土区这方面的研究更是鲜见报道。
本文以典型薄层黑土区——黑龙江省宾县宾州河流域为研究区，利用137Cs示踪技术，通过土壤侵蚀速率表征侵蚀程度，研究薄层黑土微生物生物量碳和氮对土壤侵蚀—沉积的响应，以期为科学评估土壤侵蚀的环境效应提供依据。
1材料与方法
1.1研究区概况
黑龙江省哈尔滨市宾县宾州河流域（127°26′04″～127°32′02″E，45°43′13″～45°51′37″N）（图1）位于松嫩平原东部边缘，属于松花江一级支流[3]。
该流域面积为375km2，其中农用面积占60%左右。
流域内海拔在160~220m之间，地貌特征以漫岗丘陵地形为主，地势较为平缓，耕地坡度变化于1°～7°，坡长可达数百米，最长达数千米。
气候类型属于中温带大陆性季风气候，多年平均气温3.9℃，多年平均降水量548.5mm，其中6～9月的降雨量约占全年降水量的80%，无霜期约148d。
宾州河流域内土壤类型以黑土为主，占流域面积的60%以上，其中薄层黑土分布区占流域面积的40%以上，属典型的薄层黑土区[13]。
结合农用和薄层黑土分布面积，用于本研究采集坡面样品的面积约占流域总面积的30%。
土壤质地为粉壤土，其颗粒组成为（美国农业部制）：
砂粒（2—0.05mm）含量为5.82%，粉粒（0.05—0.002mm）含量为55.3%，粘粒（<0.002mm）含量为38.9%。
平均耕层土壤容重1.1gcm-3，有机质含量26.42gkg-1，全氮含量1.43gkg-1，pH为6.07。
野外调查表明，宾州河流域土壤侵蚀强度差异较大，黑土层厚度不但在流域上、中、下游变化明显，从坡顶至坡脚变化也较为显著，特别是坡中部土壤“破皮黄”现象明显[13-14]，坡脚则多发生沉积，是研究土壤微生物生物量对土壤侵蚀—沉积响应的天然试验场。
流域农地耕种历史已有80余年，主要以种植玉米为主，一年一熟制。
一般于4月底翻地，5月初播种，9月底～10月初收获。
玉米行距在60～70cm之间，株距在30～40cm之间，垄高在15～20cm之间。
施肥以N肥（尿素，施用量为180kghm-2），P肥（磷酸氢二铵，施用量为75kghm-2），K肥（氧化钾，施用量为60kghm-2）为主，均于播种前作底肥一次性施入，拔节期追施N肥（尿素，180kghm-2），除草剂多施用草甘膦异丙胺盐。
玉米在整个生育期内无灌溉，主要依靠自然降水。
图1研究区位置和采样坡面分布图
Fig.1Locationofthestudyareaanddistributionofsamplingslopes
1.2样地设置与样品采集
本研究以黑龙江省哈尔滨市宾县1:
1万比例尺地形图和土壤类型图为底图，以地形部位、表层黑土层厚度和土壤侵蚀空间分布特征为依据，在流域的上游、中游、下游各选取2个典型农耕地坡面作为采样坡面（图1）。
采样坡面坡度在3°～5°之间，坡长在200～300m之间，开垦历史在80a左右，种植作物为玉米，且农地施肥水平和管理措施基本相同。
根据坡长，每个坡面沿纵断面线在坡上部、坡中部和坡下部分别设置采样点，共计18个采样点，每个采样点设置3个重复。
采样点基本概况见表1。
位于宾州河流域的黑龙江省水土保持科学研究院科技园观测资料显示，该流域土壤在冬季处于冻土状态，春季4月份一般仍有降雪覆盖。
夏季气温较高，微生物代谢比较旺盛，玉米处于抽雄期，秋季气温降低，微生物代谢减弱，玉米处于成熟期。
据此，本研究分别于2011年和2012年的夏季（7月）和秋季（10月）采集土壤微生物生物量样品，采样深度为0～20cm，将采集的五份土样进行混合，四分法取适量土壤装入灭菌铝盒，4℃冰箱保存待测；于2012年夏季（7月）采集土壤理化性质样品，采样深度为0～20cm，采集五份土样进行混合，四分法取适量土壤带回，自然风干后，去除石块、土壤表面凋落物和植物根系等杂物，研磨粉碎后过0.25mm筛子待测；于2012年夏季（7月）采集137Cs土壤样品，采样深度为0～30cm，具体参照安娟[15]的采样方法。
该流域2011年7月和10月降雨量分别为143.3和24.8mm，平均气温分别为24.5和8.9℃；2012年7月和10月降雨量分别为129.9和25.3mm，平均气温分别为23.9和6.4℃。
表1采样点基本概况
Table1Basicinformationofthesamplingsites
样点编号
Sample
No.
坡面编号
Slope
No.
流域位置
Locationinthevalley
坡面位置
Positiononaslope
经/纬度
Longitude
/Latitude
海拔
Elevation
（m）
有机质
Organicmatter
（gkg-1）
全氮
Totalnitrogen
（gkg-1）
B-1
B
上游
坡上部
127°28′32.7″E/45°44′32.2″N
186
16.43
1.21
B-2
坡中部
127°28′26.4″E/45°44′30.2″N
182
20.85
1.35
B-3
坡下部
127°28′17.1″E/45°44′26.4″N
173
22.72
1.24
E-1
E
坡上部
127°28′01.5″E/45°44′16.4″N
183
19.64
1.08
E-2
坡中部
127°28′04.9″E/45°44′15.1″N
180
19.85
1.03
E-3
坡下部
127°28′08.0″E/45°44′15.2″N
176
36.27
1.07
A-1
A
中游
坡上部
127°32′02.4″E/45°45′49.6″N
173
21.24
1.36
A-2
坡中部
127°31′57.4″E/45°45′48.0″N
169
24.25
1.17
A-3
坡下部
127°31′52.7″E/45°45′46.3″N
163
28.84
1.34
C-1
C
坡上部
127°28′15.7″E/45°47′38.7″N
164
20.67
1.16
C-2
坡中部
127°28′20.3″E/45°47′35.5″N
152
23.30
1.08
C-3
坡下部
127°28′19.1″E/45°47′28.8″N
150
27.87
1.37
D-1
D
下游
坡上部
127°28′14.2″E/45°48′03.0″N
156
23.33
1.36
D-2
坡中部
127°28′20.5″E/45°48′12.8″N
152
27.36
1.20
D-3
坡下部
127°28′19.0″E/45°48′24.5″N
150
41.60
1.61
F-1
F
坡上部
127°29′11.9″E/45°51′28.9″N
154
21.52
1.58
F-2
坡中部
127°28′53.1″E/45°51′32.4″N
145
26.71
1.29
F-3
坡下部
127°28′35.4″E/45°51′36.1″N
139
35.85
1.73
1.3分析方法
土壤微生物生物量采用氯仿熏蒸浸提法测定[16]。
将新鲜土壤样品置于25℃恒温培养箱培养7d后（电子天平测量精度为0.001g），用去乙醇氯仿在-0.07MPa、25℃真空干燥器内熏蒸24h，熏蒸与未熏蒸的土壤均用K2SO4溶液浸提。
浸提液中土壤微生物生物量碳（Microbialbiomasscarbon,MBC）使用总有机碳自动分析仪（TOC）测定（TOC测量精度为0.01g），转换系数取0.45[17]，土壤微生物生物量氮（Microbialbiomassnitrogen,MBN）采用过硫酸钾氧化法测定[16]（紫外分光光度计测量精度为0.001g），转换系数取0.54[17]。
土壤有机质（Soilorganicmatter,SOM）采用重铬酸钾外加热氧化法测定[18]，全氮（Totalnitrogen,TN）采用半微量凯氏法测定[18]（凯氏定氮仪测量精度为0.0001g），样品重复测量误差为95%置信水平±5%。
土壤中137Cs含量的测定：
称取250g土样装入φ40mm×81mm的有机玻璃盒中（电子天平测量精度为0.001g），用胶带密封后，使用经LabSOCS后的γ谱仪（BE5030，CANBERRA，USA）测量密封盒中土壤的137Cs能量，测定137Cs的能量为661keV，测定时间为43152～45346s。
测量完成后，使用DSA-1000数字化谱仪解谱，Genie-2000谱分析软件分析谱数据，得到137Cs的比活度和不确定度，计算测量分析误差（不确定度/比活度×100）[19]，样品重复测量误差为95%置信水平±5%。
1.4数据处理
基于张信宝质量平衡模型估算土壤侵蚀速率[20]，模型表达式如下：
（1）
式中，A为侵蚀区137Cs的活度（Bqm-2）；A0为采样年137Cs的背景值（Bqm-2），参考安娟等[15]和杨维鸽等[21]在相同研究区的结果，即为2379.0Bqm-2；φ1为混入耕层的137Cs与总沉降量之比；φ2为侵蚀分选颗粒的校正因子；h为年平均土壤侵蚀深度（ma-1）；D为年均犁底层深度（cm）；n为采样年份。
土壤侵蚀速率计算公式如下：
（2）
式中，E为土壤侵蚀速率（kgm-2a-1）；h同公式
（1）；ρ为土壤容重（kgm-3）。
采用单因素方差分析（One-wayANOVA）和最小显著性差异法（Least-SignificantDifference,LSD）进行显著性检验，利用回归分析研究土壤微生物生物量和养分与土壤侵蚀速率之间的关系。
上述统计分析由SPSS20.0统计软件完成。
2结果
2.1流域土壤微生物生物量碳和氮基本特征
宾州河流域土壤MBC在2011年和2012年夏秋两季的波动范围分别为76.9～346.1和94.9～438.1mgkg-1，平均值分别为210.3和234.7mgkg-1；MBN在2011年和2012年夏秋两季的波动范围分别为1.8～33.8和5.7～23.1mgkg-1，平均值分别为12.0和13.0mgkg-1。
MBC和MBN在秋季均显著低于夏季，而在两年间的相同季节之间变化不显著（p<0.05）（表2）。
表2研究流域土壤微生物生物量碳和氮基本特征
Table2Basiccharacteristicsofsoilmicrobialbiomasscarbonandmicrobialbiomassnitrogeninthestudiedvalley
时间
Time
微生物生物量碳MBC（mgkg-1）
微生物生物量氮MBN（mgkg-1）
平均值±标准差
Mean±SD
最大值Max
最小值Min
平均值±标准差
Mean±SD
最大值Max
最小值Min
2011年夏季
Summerin2011
254.5±44.8a
318.7
160.4
17.3±5.1a
33.8
11.3
2011年秋季
Autumnin2011
166.2±64.2b
346.1
76.9
6.8±3.4b
14.6
1.8
2012年夏季
Summerin2012
274.6±67.8a
438.2
187.7
17.5±3.2a
23.1
11.4
2012年秋季
Autumnin2012
194.8±80.1b
359.7
94.9
8.6±3.0b
14.9
5.7
注：
同一列不同字母表示显著性差异（p<0.05）Note:
Differentlettersinthesamecolumnrepresentsignificantdifferenceat0.05level.
2.2土壤微生物生物量碳和氮空间分布
由于受气温和地温的影响，研究流域春季和冬季不适合采集土壤微生物生物量样品，而MBC和MBN含量在2011年和2012年相同季节显著性差异不明显。
所以，用2011年和2012年夏秋两季各采样点MBC和MBN含量的平均值，分析土壤微生物生物量碳和氮的空间分布规律。
结果表明，宾州河流域上游、中游和下游MBC含量的波动范围分别为175.0～221.9、166.6～266.1和204.9～314.8mgkg-1，平均值分别为190.9、215.6和261.0mgkg-1；MBN含量的波动范围分别为10.1～13.4、9.4～15.2和12.5～18.0mgkg-1，平均值分别为11.2、11.9和14.5mgkg-1。
MBC和MBN在流域的分布皆为下游>中游>上游，二者在流域下游均显著高于上游和中游，上游与中游之间差异不显著（p<0.05）。
与下游MBC和MBN含量相比，MBC在上游和中游含量分别减少了26.9%和17.4%，MBN在上游和中游含量分别减少了22.9%和18.1%（图2）。
图2流域不同位置土壤微生物生物量碳和氮的对比
Fig.2Microbialbiomasscarbonandmicrobialbiomassnitrogeninsoilrelativetolocationinthevalley
注：
不同字母表示显著性差异（p<0.05）。
下同Note:
Differentlettersrepresentsignificantdifferenceat0.05level.Thesamebelow
在坡面尺度上，坡面上部、中部和下部MBC含量的波动范围分别为166.6～272.4、175.0～224.4和181.1～314.8mgkg-1，平均值分别为216.3、200.3和250.9mgkg-1；MBN含量在坡面上部、中部和下部的波动范围分别为10.3～18.0、9.4～13.1和12.0～15.6mgkg-1，平均值分别为12.5、11.2和13.9mgkg-1。
MBC和MBN在坡面的分布皆为坡下部>坡上部>坡中部，二者在坡下部均显著高于坡中部，坡上部与坡中部和坡下部之间差异不显著（p<0.05）。
与坡下部MBC和MBN含量相比，MBC在坡上部和坡中部含量分别减少了13.8%和20.2%，MBN在坡上部和坡中部含量分别减少了10.0%和19.5%（图3）。
图3不同坡面部位土壤微生物生物量碳和氮的对比
Fig.3Microbialbiomasscarbonandmicrobialbiomassnitrogeninsoilrelativetopositiononaslope
2.3流域土壤侵蚀—沉积空间分布
土壤侵蚀速率是评价土壤侵蚀强度的最重要指标。
基于对137Cs估算宾州河流域土壤侵蚀速率的数据分析，发现土壤侵蚀速率在流域的分布表现为上游>中游>下游，且三者之间差异显著（p<0.05）（图4（a））。
流域上游侵蚀最为严重，侵蚀速率介于315～8088tkm-2a-1之间（正值代表侵蚀，负值代表沉积），平均值为3265tkm-2a-1；中游侵蚀程度次之，伴有明显的沉积现象，侵蚀沉积速率介于-1831～5072tkm-2a-1之间，平均值为1622tkm-2a-1；下游侵蚀较弱，侵蚀和沉积现象并存，侵蚀沉积速率介于-3905～2823tkm-2a-1之间，平均值为154tkm-2a-1。
土壤侵蚀速率在坡面的分布表现为坡中部>坡上部>坡下部，且三者之间差异显著（p<0.05）（图4（b））。
坡中部侵蚀最为严重，侵蚀速率介于2527～8088tkm-2a-1之间，平均值为4817tkm-2a-1；坡上部侵蚀相对较轻，侵蚀速率介于964～2362tkm-2a-1之间，平均值为1657tkm-2a-1；坡下部表现出明显的沉积，侵蚀沉积速率介于-3905～344tkm-2a-1之间，平均值为-1433tkm-2a-1。
可见，土壤侵蚀强度随着坡长的增加，分布呈现弱—强—弱的变化趋势，坡面上存在明显的侵蚀强弱交替变化规律。
图4流域不同位置（a）和不同坡面部位（b）土壤侵蚀速率的分布
Fig.4Distributionsofsoilerosionrateinthevalleyrelativetolocation（a）andpositiononaslope（b）
2.4土壤微生物生物量碳和氮对侵蚀—沉积的响应
将土壤微生物生物量碳和氮空间分布与土壤侵蚀—沉积的空间分布进行对比后发现，流域尺度上，土壤微生物生物量碳和氮在侵蚀强度较大的流域上游含量较低，在侵蚀强度较小的流域中游含量居中，在主要表现为沉积的流域下游含量较高；坡面尺度上，土壤微生物生物量碳和氮在侵蚀强度较大的坡中部含量较低，在侵蚀强度较小的坡上部含量居中，在以沉积为主的坡下部含量较高。
说明土壤侵蚀强度的空间分布对土壤微生物生物量的分布有重要影响。
分别将MBC、MBN、SOM和TN与土壤侵蚀速率进行回归分析（图5），发现MBC、MBN、SOM和TN与土壤侵蚀速率之间均存在极显著的线性关系（p<0.01），相关系数分别为0.7177、0.6206、0.6513和0.5634。
MBC、MBN、SOM和TN含量随土壤侵蚀强度的增大而减少。
可见，土壤微生物生物量和养分含量与土壤侵蚀密切相关，坡耕地土壤侵蚀显著影响土壤微生物生物量和养分含量。
图5土壤微生物生物量、有机质和全氮与土壤侵蚀速率关系分析
Fig.5Relationshipsofsoilmicrobialbiomass,organicmatterandtotalnitrogenwithsoilerosionrate
分别将MBC和MBN与SOM和TN进行回归分析（图6），发现MBC和MBN与SOM之间均存在极显著的线性关系（p<0.01），相关系数分别为0.7139和0.5520；MBC和MBN与TN之间也均存在极显著的线性关系（p<0.01），相关系数分别为0.7444和0.6015。
MBC和MBN含量随土壤养分含量的减少而减少，说明严重的土壤侵蚀通过影响土壤养分含量而影响土壤微生物生物量的含量。
图6土壤微生物生物量与有机质和全氮关系分析
Fig.6Relationshipsofsoilmicrobialbiomasswithorganicmatterandtotalnitrogen
3讨论
3.1土壤微生物生物量分布特征
不同地区不同生态系统中，影响土壤微生物生物量变化的主导环境因素存在差异，从而形成不同的土壤微生物生物量空间变化格局。
本研究中MBC和MBN在流域和坡面尺度均呈现出一致的变化规律，而胡婵娟等[22]的研究中二者在黄土丘陵沟壑区坡面尺度上呈现出不一致的分布趋势。
流域不同位置和不同坡面部位的侵蚀环境存在差异，导致土壤微生物生物量在流域和坡面尺度上呈现出相应的空间分布特征。
本研究中MBC和MBN在流域尺度上的分布规律皆为下游>中游>上游，这与张孝存等[23]和易祎等[24]在东北黑土区的研究结果一致；MBC和MBN在坡面尺度上的分布规律皆为坡下部>坡上部>坡中部，这与张孝存等[23]和易祎等[24]的研究结果略有差异，但总体呈现坡下部含量较高，坡上部和坡中部含量较低的变化趋势。
不同研究区坡上部和坡中部土壤微生物生物量的分布存在差异，其原因可能与坡面土壤侵蚀—沉积分布特征有关。
3.2流域土壤侵蚀—沉积分布特征
本研究流域土壤侵蚀速率在流域尺度的分布特征为上游>中游>下游，在坡面尺度的分布特征为坡中部>坡上部>坡下部。
这与安娟等[15]和王禹等[25]利用137Cs示踪法研究东北黑土区土壤侵蚀分布特征的结论相一致，在水力侵蚀作用下，侵蚀区土壤颗粒及其吸附的137Cs随侵蚀泥沙
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