熊詩(shī)源，許文年，夏 棟，黃曉樂(lè)

（1.三峽大學(xué) 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，湖北 宜昌443002；2.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌443002）

“十一五”以來(lái)，國(guó)家加大對(duì)公路、鐵路、水電等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入，在這些基礎(chǔ)建設(shè)工程中，伴隨著大量土石方的開(kāi)挖和回填，同時(shí)也大量破壞植被，導(dǎo)致大量次生裸地的出現(xiàn)。針對(duì)工程擾動(dòng)區(qū)生態(tài)極度脆弱的現(xiàn)實(shí)，國(guó)內(nèi)學(xué)者及工程界人士在引進(jìn)國(guó)外相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)研制了一系列的工程擾動(dòng)區(qū)（特別是開(kāi)挖巖石邊坡和混凝土邊坡）植被恢復(fù)技術(shù)［1］，開(kāi)展人工恢復(fù)，如噴混植生技術(shù)、客土噴薄、厚層基材等，以加速擾動(dòng)區(qū)的生態(tài)恢復(fù)，特別是根據(jù)擾動(dòng)區(qū)的具體條件加速生態(tài)恢復(fù)。這些技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)工程擾動(dòng)區(qū)坡面的快速綠化，因此在工程擾動(dòng)區(qū)生態(tài)創(chuàng)傷面得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)植被的恢復(fù)與重建過(guò)程促進(jìn)了土壤形成和發(fā)育，使土壤的性質(zhì)得到改善，土壤質(zhì)量和肥力明顯提高［2］。然而，目前擾動(dòng)區(qū)植被恢復(fù)技術(shù)考慮較多的是修復(fù)基材（植被混凝土等）在擾動(dòng)坡體上的穩(wěn)定性［3］，先鋒物種在修復(fù)基材中的適應(yīng)性［4］等方面，而對(duì)植被生長(zhǎng)條件下修復(fù)基材中土壤微生物特征的變化鮮有涉足。為此，分析植被混凝土（Vegetation－growing concrete gunning，VGCG）生態(tài)護(hù)坡中不同植被恢復(fù)模式對(duì)土壤微生物的影響和作用，評(píng)價(jià)不同植被恢復(fù)模式的效應(yīng)和功能，可以為邊坡的生態(tài)恢復(fù)工程提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

研究供試材料采自三峽大學(xué)植被混凝土生態(tài)防護(hù)坡面，該區(qū)位于湖北西部，地處長(zhǎng)江上游與中游的交匯處，鄂西山區(qū)向江漢平原的過(guò)渡地帶，地跨東經(jīng)110°15′－112°04′，北緯29°56′－31°34′之間，全年平均氣溫為14.8～16.9℃，總降水量為907～1 445mm，總雨日為125～158d，總?cè)照諘r(shí)數(shù)1 058～1 556h。冬季冷暖呈現(xiàn)明顯的階段性。春季陰雨多，光照少，溫度偏低。降水過(guò)程以連續(xù)性降水居多，降水量多，但強(qiáng)降水過(guò)程少，降水時(shí)空分布均勻。梅雨期較遲，降水集中。出梅后有一段高溫伏旱天氣。8月中旬出現(xiàn)一次明顯低溫連陰雨。秋季降溫早，氣溫升降反復(fù)無(wú)常，入冬時(shí)間正常。

2 樣品采集和分析方法

2.1 樣品采集

研究選擇立地條件基本相同的狗牙根（Cynodon dactylon L.，CD）、高羊茅（Festuca arundinacea，F(xiàn)A）、紫花苜蓿（Medicago sativa L.MS）等幾種不同植被恢復(fù)模式的標(biāo)準(zhǔn)地作為采樣地，以荒坡為對(duì)照坡地。在不同植被恢復(fù)模式的標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)采用“S”多點(diǎn)采集混合樣，分別采集0－5cm、5－10cm土層土壤。新鮮土樣采回后，過(guò)2mm篩，分成2份，一份于4℃保存新鮮樣品用于土壤微生物指標(biāo)測(cè)定，一份風(fēng)干備用以用于土壤理化性質(zhì)測(cè)定。分析樣品，不同植被恢復(fù)模式基本概況見(jiàn)表1。

表1 不同植被恢復(fù)模式基本情況

2.2 分析指標(biāo)及測(cè)定方法

土壤含水量用烘干法，土壤pH用水浸提液電位測(cè)定法、土壤容重用環(huán)刀法、土壤有機(jī)質(zhì)（Organic matter，OM）采用重鉻酸鉀氧化－稀釋熱法，土壤全氮（Total N，TN）用凱氏定氮法，速效氮（Available N，AN）采用擴(kuò)散吸收法。土壤微生物量碳（soil microbial biomass C，SMBC）、土壤微生物量氮（soil microbial biomass N，SMBN）用氯仿熏蒸浸提法［5］。土壤呼吸強(qiáng)度采用堿液吸收法［6］。

2.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理比較用Turkey’s－b單因素方差分析，相關(guān)性分析用Pearson＇s test分析，在SPSS11.5軟件上分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤物理化學(xué)特征的變化

從圖1可以看出，3種植被混凝土生態(tài)坡地含水量由高到低依次為紫花苜蓿地＞狗牙根地＞高羊茅地，由單因素方差分析表明，紫花苜蓿地、狗牙根地和高羊茅地含水量差異顯著（P＜0.05）說(shuō)明植被混凝土生態(tài)護(hù)坡可以很好的涵養(yǎng)水分，因?yàn)槠旅婊謴?fù)植被能攔截徑流防止水土流失。紫花苜蓿莖葉覆蓋地面，根系密集，對(duì)提高土壤通透性和降雨入滲有很大影響，固持土壤作用強(qiáng)，攔截效果更好；高羊茅生長(zhǎng)旺盛，土壤水分消耗較大導(dǎo)致土壤儲(chǔ)水較低。在土壤容重方面，對(duì)照荒坡、高羊茅地、狗牙根地、紫花苜蓿地之間沒(méi)有顯著差異，這可能是因?yàn)殡m然地表植被覆蓋不同，但植被都比較單一，對(duì)土壤容重影響不顯著。無(wú)論哪種植被覆蓋模式，土壤pH 值在微堿性范圍內(nèi)（7.98～8.13），荒坡pH值為6.75，在中性范圍內(nèi)，因?yàn)樘砑铀嗪椭脖换炷撂砑觿┯绊懥送寥赖膒H值，使土壤呈堿性［7］。

3.2 土壤養(yǎng)分因子的變化

土壤有機(jī)質(zhì)的含量及其動(dòng)態(tài)平衡是反映土壤質(zhì)量或土壤健康的一個(gè)重要指標(biāo)，直接影響了土壤物理化學(xué)生物學(xué)性質(zhì)及土壤肥力的高低［8］。

由圖2可知，在表層土壤有機(jī)質(zhì)含量方面，高羊茅地最高（36.98g／kg），狗牙根地（21.38g／kg）和紫花苜蓿（20.24g／kg）其次。單因素方差分析表明，紫花苜蓿、狗牙根和紫花苜蓿顯著高于對(duì)照荒坡，高羊茅顯著高于狗牙根和紫花苜蓿。說(shuō)明坡地在恢復(fù)后種植高羊茅能顯著改善土壤有機(jī)質(zhì)含量，其次是狗牙根和紫花苜蓿，這可能與各種植被地上生物量及腐爛速度有關(guān)，有研究結(jié)果表明，在植被恢復(fù)過(guò)程中，一些禾本科，豆科植物逐漸生長(zhǎng)，有利于土壤有機(jī)碳、氮素的積累［9］，比較而言，高羊茅生長(zhǎng)旺盛，生物量大、腐爛快，而紫花苜蓿生物量小，狗牙根草木質(zhì)化程度高不易腐爛，所以相互間相差較大。

圖1 不同植被恢復(fù)模式的土壤物理特征

在表層土壤全氮含量方面，紫花苜蓿地最高（1.65g／kg），對(duì)照荒坡最低（0.92g／kg），由高到低依次為紫花苜蓿地＞高羊茅地＞狗牙根地＞對(duì)照荒坡，由單因素方差分析表明，紫花苜蓿地顯著高于其它恢復(fù)模式樣地，高羊茅、狗牙根與對(duì)照坡地差異不顯著。紫花苜蓿屬于豆科植物，具有固氮作用，其根部根瘤菌能夠固定空氣中的游離氮，增加土壤中的氮。

在表層土壤速效氮含量方面，紫花苜蓿地（76.04 mg／kg）最高，其次是高羊茅地（44.82mg／kg）、狗牙根地（40.40mg／kg），對(duì)照荒坡最低（20.92mg／kg），由單因素方差分析表明，紫花苜蓿顯著高于高羊茅和狗牙根，紫花苜蓿、高羊茅和狗牙根顯著高于對(duì)照荒坡。恢復(fù)邊坡為粗放式管理，期間沒(méi)有施肥，土壤氮素變化主要受植物生長(zhǎng)和利用的影響。表明植被覆蓋能提高土壤中速效氮含量。

圖2 不同植被恢復(fù)模式的土壤養(yǎng)分特征

3.3 土壤微生物量的變化

土壤微生物是土壤中有生命的成分，對(duì)土壤環(huán)境各種變化極為敏感，微生物量庫(kù)的任何變化，都會(huì)影響土壤養(yǎng)分的循環(huán)和有效性，土壤微生物體碳是土壤微生物的綜合性指標(biāo)之一，它不僅從總體上反映微生物受環(huán)境因子影響的變化，還反映了微生物對(duì)環(huán)境作用的能力，是土壤有機(jī)質(zhì)庫(kù)的活躍部分［10］

單因素方差分析表明（圖3），各樣地之間表層土壤微生物量碳含量差異顯著（p＜0.05）。高羊茅地最高（546.85mg／kg），對(duì)照荒坡（271.13mg／kg）最低，順序?yàn)楦哐蛎┑兀竟费栏兀咀匣ㄜ俎５兀緦?duì)照荒坡。

微生物量氮是指活的微生物體內(nèi)所含有的氮，是有機(jī)氮庫(kù)中的活性部分，它周期短、易礦化，是主要的可礦化氮源，對(duì)土壤氮素供應(yīng)和循環(huán)具有重要的意義［11］。在表層土壤微生物量氮含量方面，單因素方差分析表明，各樣地之間差異顯著（p＜0.05）。紫花苜蓿地最高（61.41mg／kg），對(duì)照荒坡最低（12.75 mg／kg）由高到低依次為紫花苜蓿地＞高羊茅地＞狗牙根地＞對(duì)照荒坡。

微生物量碳，微生物量氮與土壤有機(jī)質(zhì)，全氮變化趨勢(shì)基本一致。有研究顯示微生物量碳指示著土壤總有機(jī)質(zhì)的狀態(tài)與積累情況與本研究結(jié)果基本一致。植被得到恢復(fù)，有機(jī)物質(zhì)輸入增多，供微生物利用的碳源氮源增大，微生物活性及微生物量升高，但由于不同植被恢復(fù)模式輸入有機(jī)物質(zhì)的數(shù)量和質(zhì)量不同，從而造成不同微生物種類和數(shù)量的差異，導(dǎo)致恢復(fù)過(guò)程中土壤生物學(xué)質(zhì)量各異。Jenkinson研究認(rèn)為，在無(wú)外部因素干擾的情況下，土壤微生物量并不能完全反映微生物的活性、結(jié)構(gòu)和功能，因此在分析微生物量的絕對(duì)量外，還應(yīng)考慮微生物量碳、氮在全碳、全氮中的比例，從微生物學(xué)角度揭示植被恢復(fù)過(guò)程中土壤生物學(xué)質(zhì)量的變異。

由圖4可知，在表層土壤 MBC／SOC方面，狗牙根地最高（2.12%），高羊茅地最低（1.48%），由高到低依次為狗牙根＞對(duì)照荒坡＞紫花苜蓿＞高羊茅。由單因素方差分析表明，狗牙根與對(duì)照荒坡之間差異不顯著，高羊茅與紫花苜蓿之間差異不顯著，狗牙根和對(duì)照荒坡顯著高于高羊茅和紫花苜蓿（p＜0.05）。

圖3 不同植被恢復(fù)模式的土壤微生物量碳與微生物量氮

圖4 不同植被恢復(fù)模式的土壤MBC／SOC、MBN／TN

在表層土壤 MBN／TN方面，狗牙根最高（3.81%），其 次 是 紫 花 苜 蓿 （3.74%）、高 羊 茅（3.51%），對(duì)照荒坡最低（1.41%）。由單因素方差分析表明，狗牙根、紫花苜蓿、高羊茅之間沒(méi)有顯著性差異，但3者顯著高于對(duì)照坡地（p＜0.05）。

不同植被恢復(fù)模式恢復(fù)后，土壤微生物量碳、氮在全碳、全氮的比例變化不同，狗牙根地、紫花苜蓿地和高羊茅地顯著高于對(duì)照，造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于在對(duì)照樣地中土壤有機(jī)碳、全氮含量明顯低于植被恢復(fù)后的樣地，而恢復(fù)后的樣地微生物量碳、氮增加幅度快于土壤有機(jī)碳、全氮的增加幅度。另一方面，狗牙根地中提供了適合土壤微生物生長(zhǎng)所需要合適的C／N環(huán)境，是微生物得到豐富，微生物量碳、氮在全碳、全氮中的比例迅速上升，其增長(zhǎng)幅度大于其他覆蓋模式樣地，表明在植物恢復(fù)的過(guò)程中，合適的碳氮比有利于土壤微生物量在全碳、全氮中的比例升高。

3.4 土壤呼吸強(qiáng)度和微生物代謝熵（qCO2）的變化

土壤呼吸作為土壤質(zhì)量和肥力的重要生物學(xué)指標(biāo)，在一定程度上反映了土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和供應(yīng)能力，表征著土壤的生物學(xué)特性和物質(zhì)代謝強(qiáng)度。在生態(tài)恢復(fù)過(guò)程中植被的變化通過(guò)吸收養(yǎng)分和歸還有機(jī)物等影響著土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)，土壤微生物呼吸隨之變化，指示著系統(tǒng)恢復(fù)中土壤質(zhì)量的演變過(guò)程。

由圖5可知，不同植被恢復(fù)模式下表層土壤的呼吸強(qiáng)度不同，單因素方差分析表明，各樣地間差異顯著（p＜0.05）。高羊茅地最高（91.03mg／kg·d），對(duì)照坡地最低（50.05mg／kg·d），由高到低依次為高羊茅地＞狗牙根＞紫花苜蓿＞對(duì)照坡地。

土壤代謝熵（qCO2）是基礎(chǔ)呼吸強(qiáng)度與微生物量碳的比率，它把微生物生物量的大小和微生物整體活性有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，代表了微生物群落的維持能大小和對(duì)基質(zhì)的利用效率，是反映環(huán)境因素等對(duì)微生物活性影響的一個(gè)敏感性指標(biāo)［12］。qCO2效率高，則形成單位微生物質(zhì)量所呼出的CO2少，qCO2較??；qCO2效率低，說(shuō)明利用相同能量而形成的微生物量小，qCO2較大，釋放的CO2較多。在土壤微生物代謝熵方面，紫花苜蓿地最高（7.86mg／g·h），高羊茅地最低（5.12mg／g·h），由高到低依次是紫花苜蓿＞對(duì)照荒坡＞狗牙根地＞高羊茅地，由單因素方差分析表明，紫花苜蓿地與對(duì)照荒坡之間差異不顯著，但高羊茅、狗牙根顯著低于對(duì)照荒坡（p＜0.05）。

植被混凝土邊坡恢復(fù)后，土壤代謝熵變大。隨著有機(jī)質(zhì)含量積累，肥效的作用導(dǎo)致土壤微生物活性比較高，利用基質(zhì)的效率比較高。Odum［13］認(rèn)為環(huán)境脅迫條件下，微生物必須從維持生長(zhǎng)和繁殖的能量中分流出一部分去補(bǔ)償由于脅迫所需要付出的額外能量。植被混凝土中由于摻入水泥，此種環(huán)境下微生物要維持其正常的生命活動(dòng)必然要付出外的維持能，因此qCO2高。

圖5 不同植被恢復(fù)模式下土壤呼吸強(qiáng)度與微生物代謝熵

表2 不同深度土壤土壤特征變化

3.5 不同土層深度間土壤生化指標(biāo)的變化

由表2可知，相同恢復(fù)模式下，不同取樣深度，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、微生物量存在差異，表現(xiàn)出一定規(guī)律，即表現(xiàn)為隨土層深度增加而降低的趨勢(shì)，且隨土層深度的增加而變化差異極顯著（p＜0.01），李濤［14］研究表明土壤微生物數(shù)量隨采樣深度的增加而降低，這與本研究結(jié)果相同。地表地面提供較多的枯枝落葉，這為土壤微生物的生長(zhǎng)提供了營(yíng)養(yǎng)來(lái)源，一定程度上促進(jìn)了土壤中微生物的繁殖。而深層土由于土壤較緊實(shí)，不利于微生物生長(zhǎng)。

MBC／SOC、呼吸熵表現(xiàn)為隨土層深度增加有升高的趨勢(shì)。隨土層深度的增加而變化差異顯著（p＜0.05），表層的有機(jī)碳全氮含量明顯高于亞表層土壤，而微生物碳、氮的增加幅度慢于亞表層的增加幅度。說(shuō)明植被混凝土表層土壤中有豐富的有機(jī)碳、氮素，要維持植物生長(zhǎng)所需要的碳源、氮源和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，則必須提高表層土壤中微生物量在有機(jī)碳和全氮中所占比例來(lái)維持高的有機(jī)物代謝和物質(zhì)循環(huán)。

3.6 不同植被模式土壤物理、化學(xué)生物特征之間的關(guān)系

由表3可以看出，不同植被恢復(fù)模式下表層土壤物理與化學(xué)生物特征之間有顯著或極顯著的相關(guān)關(guān)系，其中含水量與全氮、速效氮、微生物氮分別達(dá)到了顯著與極顯著相關(guān)；土壤化學(xué)與土壤生物性質(zhì)之間有有顯著或極顯著的相關(guān)關(guān)系，其中全氮與速效氮、微生物氮、分別達(dá)到了極顯著與顯著相關(guān)，有機(jī)碳與微生物碳、呼吸強(qiáng)度、代謝熵、分別達(dá)到了極顯著與顯著相關(guān)，此外土壤微生物特征之間也有顯著或極顯著的相關(guān)關(guān)系，其中微生物碳與呼吸強(qiáng)度、代謝熵之間有極顯著相關(guān)關(guān)系，其中，代謝熵與微生物碳、有機(jī)碳、呼吸強(qiáng)度呈顯著的負(fù)相關(guān)。可見(jiàn)土壤微生物類群與土壤物理化學(xué)性狀有極顯著的相關(guān)關(guān)系，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮等有機(jī)和無(wú)機(jī)養(yǎng)分的轉(zhuǎn)換有積極作用。這一結(jié)果說(shuō)明土壤微生物與土壤養(yǎng)分循環(huán)、代謝有著重要的關(guān)系。與前人研究結(jié)果一致。有關(guān)研究顯示，土壤微生物生物量是衡量生態(tài)穩(wěn)定性的指標(biāo)之一，同時(shí)也可以作為生態(tài)環(huán)境土壤健康和肥力的指標(biāo)［15］。

許多研究認(rèn)為有機(jī)碳與全氮、微生物量碳與微生物量氮呈顯著相關(guān)，本研究未能證實(shí)它們之間存在相關(guān)性，一方面是因?yàn)椴煌脖换謴?fù)過(guò)程中植被有機(jī)碳的積累與氮素固定不一致所誘導(dǎo)的微生物區(qū)系不同，導(dǎo)致微生物對(duì)碳源利用和氮素固定、分配及轉(zhuǎn)化的多樣性。另一方面，植被混凝土抑制了土壤微生物活性，微生物代謝功能差，降低了土壤微生物對(duì)碳源和氮源的利用，不能有效參與土壤養(yǎng)分循環(huán)和代謝。

4 結(jié)論

（1）邊坡植被恢復(fù)后，土壤的理化性質(zhì)得到改善，土壤含水量升高，有助于涵養(yǎng)水分，植被覆蓋能有效防止邊坡的水土流失。各種植物覆蓋土壤含水量差異較 大，其中紫花苜蓿由于根系發(fā)達(dá)，涵養(yǎng)水分效果最好。

表3 土壤物理化學(xué)特性以及微生物量之間的相關(guān)性

（2）邊坡植被的恢復(fù)能增強(qiáng)土壤腐殖化作用，促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的發(fā)育，明顯提高土壤中有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤肥力狀況，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮含量增加。但不同植被恢復(fù)模式，對(duì)土壤腐殖化作用有差異，有機(jī)質(zhì)增加量不同。其中高羊茅生長(zhǎng)旺盛，生物量大、腐爛快，土壤有機(jī)質(zhì)增加最大，紫花苜蓿為豆科植物，具有固氮作用，對(duì)土壤全氮、速效氮提高作用明顯。

（3）邊坡植被恢復(fù)能顯著提高土壤微生物量碳、氮含量。由于土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)和土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，高的有機(jī)質(zhì)會(huì)為微生物的生長(zhǎng)提供足夠的碳氮和能源，這就使得土壤微生物活性增強(qiáng)，微生物數(shù)量提高，微生物量碳、氮含量與土壤全碳、全氮和速效氮含量有極顯著的正相關(guān)關(guān)系。不同植被對(duì)土壤改善作用不同，對(duì)有機(jī)質(zhì)、微生物量碳改善作用大小依次為高羊茅＞狗牙根＞紫花苜蓿，對(duì)全氮、速效氮、微生物碳改善作用大小依次為紫花苜蓿＞高羊茅＞狗牙根，因此在進(jìn)行群落類型的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮物種的多樣性，功能性綜合改善土壤狀況。

（4）植被混凝土生態(tài)修復(fù)后，土壤呼吸強(qiáng)度明顯升高，微生物代謝熵顯著降低，為微生物代謝提供了豐富的可利用物質(zhì)，使微生物群落的食物網(wǎng)復(fù)雜化，生態(tài)系統(tǒng)更趨于穩(wěn)定。

（5）相關(guān)性分析說(shuō)明微生物量碳、氮、呼吸強(qiáng)度與土壤化學(xué)養(yǎng)分相關(guān)性最為密切，植被混凝土生態(tài)修復(fù)過(guò)程中，土壤理化性質(zhì)與微生物性質(zhì)相互影響，相互促進(jìn)，使土壤質(zhì)量逐步得到改善和提高，表明土壤微生物量可以作為評(píng)價(jià)植被混凝土基材質(zhì)量的生物學(xué)指標(biāo)。

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