徐慧博，喬紅娟，雷茵茹*

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院濕地研究所，北京 100091；2.濕地生態(tài)功能與恢復(fù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091；3.北京漢石橋濕地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測(cè)研究站，北京 101399；4.中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所，北京 100091)

土壤微生物生物量(microbial Biomass，MB)是近40年來興起的研究領(lǐng)域。人類最早研究土壤微生物生物量是從平板記數(shù)法開始。早期對(duì)土壤微生物生物量的研究使人們認(rèn)識(shí)到土壤微生物生物量是土壤微生物群落和植物可利用的不穩(wěn)定的能量和營養(yǎng)物的來源，并且具有極高的靈敏性，是反映土壤質(zhì)量、人類干擾以及土地利用變化最敏感的指標(biāo)之一。隨著全球變暖趨勢(shì)逐漸明顯，土壤微生物生物量在有機(jī)質(zhì)的分解、土壤溫室氣體釋放的土壤過程和全球碳循環(huán)中的作用已經(jīng)成為全球氣候變化研究的重要內(nèi)容之一[1]。

目前，研究土壤微生物生物量的動(dòng)態(tài)變化已經(jīng)變得越來越熱門，森林土壤微生物生物量的動(dòng)態(tài)變化也已有不少研究，但大多只涉及表面現(xiàn)象，對(duì)變化規(guī)律和調(diào)控機(jī)理的研究較為缺乏。鑒于此，筆者綜述了土壤微生物生物量的測(cè)定方法，以及土壤微生物量的變化和影響因素。在此基礎(chǔ)上，展望了今后森林土壤微生物生物量的研究。

1 土壤微生物生物量及其測(cè)定方法

土壤微生物生物量指土壤中體積小于5×103/μm3的生物總量，但活的植物體如植物根系等不包括在內(nèi)，它是活的土壤有機(jī)質(zhì)部分。土壤微生物生物量是土壤養(yǎng)分的儲(chǔ)存庫和植物生長可利用養(yǎng)分的重要來源，與微生物個(gè)體數(shù)量指標(biāo)相比，更能反映微生物在土壤中的實(shí)際含量和作用潛力，因而具有更加靈敏、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，而且森林土壤微生物量C比其他有機(jī)C、N對(duì)土壤質(zhì)量和植被種類變化的反應(yīng)更直接和敏感，已成為近年來國內(nèi)外土壤學(xué)研究的熱點(diǎn)之一[2]。

微生物生物量的測(cè)定最早采用的是直接鏡檢法。具體做法是直接在顯微鏡下觀測(cè)，數(shù)出目鏡范圍內(nèi)微生物的個(gè)數(shù)，但這種方法較為粗糙、誤差較大。除直接鏡檢法外，目前微生物量測(cè)定方法主要有三磷酸腺苷法、底物誘導(dǎo)呼吸法、氯仿熏蒸法等[3]。

三磷酸腺苷法的原理是由于ATP是所有生命體的能量儲(chǔ)存物質(zhì)，ATP只存在于活的細(xì)胞體內(nèi)，細(xì)胞死后ATP迅速失去活力。在活的微生物細(xì)胞內(nèi)，ATP的含量相對(duì)比較穩(wěn)定，因此可以通過土壤中ATP含量的測(cè)定，估算出土壤中微生物的生物量。目前測(cè)定三磷酸腺苷含量的方法有氣相色譜法、液相色譜法、等速電泳法、生化發(fā)光法等。這種方法能夠快速準(zhǔn)確地測(cè)定土壤中的ATP含量，但是難以排除其中的植物根系。

底物誘導(dǎo)呼吸法是Anderson and Domsch于1978年提出的測(cè)定方法。該方法起源于純培養(yǎng)研究，微生物對(duì)易利用底物的反映強(qiáng)度與微生物量存在線性關(guān)系，可用于土壤微生物量的測(cè)定[4]。在自然環(huán)境中，土壤微生物的呼吸活動(dòng)一般很低，但是當(dāng)在土壤中加入有機(jī)物時(shí)，土壤微生物的生命活動(dòng)加強(qiáng)，此時(shí)其呼吸量與微生物數(shù)量密切相關(guān)。因此，有研究者認(rèn)為誘導(dǎo)呼吸量可以轉(zhuǎn)化為微生物生物量。

Jenkinson于1976年提出了一種間接微生物量測(cè)定方法，即氯仿熏蒸殺死和溶解土樣中微生物，重新培養(yǎng)土壤10 d后測(cè)定土壤呼吸。根據(jù)熏蒸與未熏蒸土樣釋放CO2量的差值，計(jì)算土壤微生物量C，此方法稱為熏蒸培養(yǎng)法[5]。用氯仿熏蒸土壤后再進(jìn)行培養(yǎng)時(shí)，其CO2的釋放量大幅度增加，比沒有熏蒸的土壤高很多，并且發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)期間CO2的釋放量與原來土壤中的微生物量存在著非常顯著的相關(guān)性，從而通過測(cè)定一定培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)土壤CO2的釋放量，就可以計(jì)算土壤微生物量[6]。該方法是目前較好的微生物量測(cè)定方法，但是花費(fèi)時(shí)間較長，且不適用于風(fēng)干土壤，對(duì)鈣質(zhì)土、淹水土壤的結(jié)果均不可靠。

2 森林土壤微生物生物量隨著季節(jié)的改變而發(fā)生變化

森林土壤微生物生物量(—soil microbial biomass of forest，SMB)受季節(jié)改變帶來的光照、溫度、水分等因子變化的影響往往也具有明顯的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化特征。在不同的森林生態(tài)系統(tǒng)中，由于各種環(huán)境因子復(fù)雜的綜合作用以及關(guān)鍵環(huán)境因子的主導(dǎo)地位不同，SMB的季節(jié)變化也存在著顯著差異[7]。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此做了大量研究，目前主要有夏低冬高型、干濕季節(jié)交替循環(huán)型、夏高冬低型、秋高春低型、春高冬低型5種變化格局。

(1)夏低冬高型。王國兵等[8]發(fā)現(xiàn)，北亞熱帶2種森林生態(tài)系統(tǒng)(次生櫟林和火炬松人工林)SMB-C(土壤微生物生物量)均表現(xiàn)為在生長旺季(夏季)維持較低水平，在休眠季節(jié)(冬季)維持較高水平；何榮等[9]也發(fā)現(xiàn)，在武夷山不同海拔梯度下4種植被類型(常綠闊葉林、針葉林、亞高山矮林和高山草甸)SMB具有一致的變化趨勢(shì)，均表現(xiàn)為冬春最大、夏季最小的特征。

(2)干濕季節(jié)交替循環(huán)型。王衛(wèi)霞等[10]對(duì)南亞熱帶3種人工林(格木紅椎和馬尾松)SMB研究發(fā)現(xiàn)，SMB-C在雨季最小、干旱季最大，隨季節(jié)干濕交替呈明顯的循環(huán)變化規(guī)律；Saynes等[11]也發(fā)現(xiàn)，墨西哥季節(jié)性干旱的熱帶森林(原始森林和處于演替末期的次生林)SMB- C在旱季最大，雨季初期最??；Barbhuiya等[12]認(rèn)為，SMB-C、 SMB-N和SMB-P等在雨季最低，是由于植物對(duì)土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)的吸收加大，而限制了微生物的利用，導(dǎo)致SMB-C、SMB-N和SMB-P等在雨季降低。但也有研究發(fā)現(xiàn)，SMB在雨季最大，而在旱季最小。

(3)夏高冬低型或秋高春低型。Devi等[13]對(duì)印度曼尼普爾邦櫟樹混交林SMB的季節(jié)性變化進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，SMB-C和SMB-N呈夏季高冬季低的格局。李勝藍(lán)等[14]對(duì)湘中丘陵區(qū)4種森林類型SMB研究得出，杉木人工林和馬尾松+石櫟闊葉混交林SMB-C均呈夏高冬低型的變化格局；石櫟+青岡常綠闊葉林SMB-C呈夏高冬低型變化格局，但SMB-N呈秋高春低型格局；南酸棗落葉闊葉林SMB-C和SMB-N均呈秋高春低型格局。

(4)春高冬低型。譚波等[15]研究了川西亞高山/高山森林不同海拔岷江冷杉林土壤微生物生物量生態(tài)學(xué)過程，發(fā)現(xiàn)各海拔森林土壤在冬季維持著較高的微生物生物量，并隨土壤凍融過程不斷變化。受凍結(jié)初期土壤凍融循環(huán)影響，土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層冬季微生物生物量碳和氮含量均顯著降低，在凍結(jié)期變化不明顯，在融化期急劇增加至融化后顯著降低，且土壤有機(jī)層微生物生物量在融化期具有一個(gè)明顯的年高峰值。

3 森林土壤微生物生物量的影響因素

土壤微生物的生長和活動(dòng)需要不斷地從外界獲取能量和養(yǎng)分，并對(duì)土壤的環(huán)境條件，如濕度、溫度以及通氣性等具有一定的要求，因此SMB動(dòng)態(tài)變化受多方面因素的影響。目前學(xué)者研究探討最多的主要有土壤養(yǎng)分與凋落物的輸入量、土壤溫濕度以及林木生長節(jié)律和所處生長階段、pH、森林類型等因子。

3.1土壤養(yǎng)分與凋落物的輸入量凋落物是土壤微生物生物量的組成部分之一。土壤中養(yǎng)分含量對(duì)SMB大小有重要影響，由于C和N是合成生物體內(nèi)蛋白質(zhì)和核苷酸等生物大分子的關(guān)鍵元素，因此土壤中C和P的含量成為限制土壤微生物生長以及SMB的重要因子。吳藝雪等[16]研究發(fā)現(xiàn)，西雙版納石灰山季雨林SMB-C高于季節(jié)溝谷雨林的主要原因在于石灰山季雨林有機(jī)質(zhì)C和N的含量明顯高于季節(jié)溝谷雨林。已有研究表明[8]，當(dāng)森林地表凋落物被清除后，SMB-C會(huì)顯著減少。同時(shí)也有研究發(fā)現(xiàn)，SMB的季節(jié)變化模式與凋落物的季節(jié)變化模式具有一致性，即SMB的季節(jié)變化受凋落物節(jié)律的影響，但不同地區(qū)SMB與凋落物節(jié)律的關(guān)系有所不同。例如，對(duì)西雙版納熱帶雨林SMB-C動(dòng)態(tài)變化研究發(fā)現(xiàn)，SMB-C與林地前2個(gè)月的凋落物量波動(dòng)呈正相關(guān)，SMB-C的波動(dòng)周期相比凋落物量滯后2個(gè)月[16]；而對(duì)波多黎各熱帶雨林SMB的動(dòng)態(tài)變化研究發(fā)現(xiàn)，SMB的季節(jié)變化周期要比凋落物提前30 d[17]。

3.2土壤溫度和濕度土壤溫度和濕度影響土壤微生物的活性及其群落結(jié)構(gòu)組成，也影響植物生長凋落物腐爛分解以及生物在土壤中的活動(dòng)和分布，從而可能對(duì)SMB產(chǎn)生影響。一些研究認(rèn)為，SMB的季節(jié)性變化與土壤溫度和濕度有關(guān)。例如，陳珊等[18]研究SMB與土壤生境的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，土壤溫度和水分含量對(duì)SMB的影響較強(qiáng)，隨著土壤溫度和含水量的增加，SMB呈增加的趨勢(shì)。但也有研究表明，土壤濕度對(duì)SMB的影響要強(qiáng)于土壤溫度。例如，Chen等[19]在對(duì)我國臺(tái)灣西部海岸沙丘森林生態(tài)系統(tǒng)SMB研究發(fā)現(xiàn)，SMB-C和SMB-N的變化主要與土壤濕度有關(guān)，與土壤溫度的變化不相關(guān)。也有一些研究表明，SMB主要受土壤溫度的調(diào)控，與土壤濕度無關(guān)。例如，李世清等[20]在研究SMB-N與土壤溫度、濕度的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，SMB-N與土壤溫度呈顯著或極顯著的正相關(guān)性，與土壤濕度關(guān)系并不密切。這些研究表明，土壤溫度和濕度在影響SMB時(shí)有時(shí)又是共同起作用，有時(shí)又是單獨(dú)起作用。

3.3林木生長節(jié)律和所處生長階段林木生長節(jié)律和所處生長階段也是影響SMB大小的重要因素之一。植物生長隨氣候的季節(jié)波動(dòng)表現(xiàn)出相應(yīng)的物候節(jié)律，對(duì)SMB也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。例如，王國兵等[8]認(rèn)為，在北亞熱帶森林SMB的動(dòng)態(tài)變化主要與林木生長發(fā)育節(jié)律有關(guān)。同時(shí)，植被所處生長階段不同，土壤環(huán)境凋落物輸入也有所差別，會(huì)影響到SMB的大小。例如，Saynes等[11]對(duì)墨西哥季節(jié)性干旱熱帶森林SMB-C研究發(fā)現(xiàn)，處于演替早期以及演替中期的次生林SMB-C明顯大于演替末期次生林SMB-C的含量。

3.4pH徐文煦等[21]研究了黑龍江省東部山地帽兒山—小興安嶺—大興安嶺系列生態(tài)系統(tǒng)中圈定的樣地。發(fā)現(xiàn)土壤pH與微生物中的C、N含量成反比。帶嶺落葉松林和帽兒山的樺樹林、紅松林pH與微生物數(shù)量呈正相關(guān)，這可能是由于以上地區(qū)真菌數(shù)量較多，而真菌適合生長于偏酸性的土壤環(huán)境。另外，帽兒山地區(qū)樺樹林的pH與微生物量也呈正相關(guān)，但相關(guān)性都不顯著。

3.5森林類型賀若陽等[22]對(duì)川西亞高山天然針葉林、樺木次生林、人工云杉林有機(jī)層和礦質(zhì)層土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量以及土壤微生物生物量和呼吸進(jìn)行比較分析，結(jié)果表明，天然針葉林轉(zhuǎn)化為次生林和人工林，微生物生物量C、N含量顯著下降，其中微生物生物量C依次為天然林>次生林>人工林，微生物生物量N含量依次為天然林>次生林>人工林，3種森林類型土壤微生物生物量C(SMB-C)的年均含量特征為馬尾松林>混交林>樟樹林；微生物生物量N(SMB-N)為樟樹林>馬尾松林>混交林，均不存在顯著差異(P>0.05)。徐佳晶等[23]研究了西雙版納5種森林類型(熱帶季節(jié)雨林、熱帶季風(fēng)常綠闊葉林、曼安次生林、雞血藤次生林和溝谷林次生林)的土壤微生物生物量。與熱帶季節(jié)雨林和熱帶季風(fēng)常綠闊葉林相比，3種次生林所具有的微生物C含量顯然是最高的。溝次生林中的微生物C含量顯著高于其他4種林型。土壤微生物生物量C、N與土壤含水量、土壤有機(jī)碳、土壤總N顯著正相關(guān)，與土壤C/N顯著負(fù)相關(guān)。

4 研究展望

目前有關(guān)森林土壤微生物生態(tài)的研究雖有不少報(bào)道，但整體研究水平還有待提高。因此，廣泛開展基礎(chǔ)性研究仍需加強(qiáng)。特別是現(xiàn)在全球變化、環(huán)境污染等因素影響了各種營養(yǎng)元素的生物地化循環(huán)。土壤微生物的種類數(shù)量和功能作用也隨之發(fā)生了相關(guān)變化。這些情況都要求生態(tài)學(xué)家、分類學(xué)家、土壤學(xué)家等各類專家共同合作，進(jìn)行多學(xué)科、全方位、多層次的綜合研究。

土壤各類微生物生理群在土壤形成及土壤物質(zhì)循環(huán)和土壤養(yǎng)分供給中起著重要的作用，并且是土壤熟化程度等重要指標(biāo)。但目前的研究相對(duì)較少，而且由于土壤各類微生物生理群的分布、數(shù)量等，不但與其本身的特性有關(guān)，并且與其所處的土壤環(huán)境、植物類群、植被狀況、氣候帶特點(diǎn)等有關(guān)，甚至與植物間的化感作用也有關(guān)系，是多種因素的綜合結(jié)果，所以研究的結(jié)果差別較大。因此，應(yīng)加強(qiáng)森林土壤微生物生理群方面的研究。

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