張 青， 李思瑤， 王 辰， 魏 嵐， 梁運江

(延邊大學 農(nóng)學院，吉林 延吉 133002)

土壤微生物生物量碳、氮、磷是指土壤中所有活微生物體中碳、氮、磷的總量，土壤微生物不僅參與物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中的許多生化反應(yīng)，而且通過自身的代謝和周轉(zhuǎn)，促進土壤養(yǎng)分的循環(huán)和有效化，成為土壤有效養(yǎng)分的重要來源。微生物量碳和氮直接反映了土壤的肥力狀況[1]。雖然土壤微生物量碳占土壤碳庫的比例較小[2]，卻是土壤有機質(zhì)中的重要組成部分。土壤微生物本身所含的氮磷等是植物潛在有效的養(yǎng)分，是植物養(yǎng)分的重要的源和庫[3]，對土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，有機碳代謝及污染物降解具有重要作用。

季節(jié)性凍融是普遍存在于中高緯度或高海拔地區(qū)冬季前后土壤內(nèi)部的自然現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為季節(jié)性與晝夜性兩者耦合作用于土壤，使其溫度在0 ℃上下波動，是土壤凍結(jié)時凍層由表面向下移動而融化時融層由表層向下及深層向上移動的一種普遍物理現(xiàn)象[4]，對土壤的理化性質(zhì)以及生物性質(zhì)均有直接或者間接的影響。凍融作用在很大的程度上會影響該地區(qū)土壤微生物生物量碳、氮、磷含量和植物對養(yǎng)分的吸收過程。凍融交替會增加不同土層深度土壤總?cè)芙饬?、無機磷和有機磷釋放量[5]，對比恒溫處理的土壤，凍融處理后的土壤無機氮含量增加[6]。多數(shù)研究認為凍融作用會顯著降低土壤微生物量碳和微生物量氮含量[6-9]，也有研究表明，隨著凍融時間的增加，土壤中微生物量氮含量呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢[10]。現(xiàn)有土壤微生物量研究多集中于農(nóng)田和林地，針對果園的研究較為欠缺，關(guān)于蘋果梨園微生物量的研究少之又少。延邊地區(qū)地處東北亞金三角，氣候類型為低溫近似海洋性的大陸季風氣候，10月中旬地溫在0 ℃上下波動，土壤晝?nèi)谝箖觯?1月下旬凍層達到最深凍結(jié)深度，翌年3月溫度升高凍層開始融化，至3月下旬地溫恢復到0 ℃上下，土壤晝?nèi)谝箖觥τ诎底厝郎吓嘤奶O果梨園，一年內(nèi)近5個月處于凍融交替狀態(tài)，由于氣候條件的獨特性和梨品種的特有性，且經(jīng)歷季節(jié)性凍融過程，有別于國內(nèi)其它地方的果園生態(tài)系統(tǒng)。因此，該研究選取了延邊朝鮮族自治州龍井市蘋果梨園土壤為試材，采用氯仿熏蒸的方法測定微生物量碳氮磷的含量，以期為指導土壤改良、提高蘋果梨的產(chǎn)量和質(zhì)量提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

采樣點位于延邊朝鮮族自治州龍井市延邊華龍果樹農(nóng)場蘋果梨園，園區(qū)屬低溫近似海洋性的大陸季風氣候，平均降水量為400～650 mm，季風特點顯著，四季分明，形成了典型暗棕壤。果園行間清耕休閑，無灌水設(shè)施，施肥以磷酸二銨、硫酸鉀、尿素為主。

1.2 研究方法

于2015年秋季10月采集凍融前土壤樣品，分別選栽植年限為11、25、40、63年的蘋果梨果樹，果樹基本情況與地理信息見表1～2，按5點取樣法選取健康且長勢良好的5株果樹，避開施肥點，在距離樹干1 m處設(shè)置采樣點，共采集5個重復樣點，分別采集0～20、20～40、40～60 cm土層的原狀土，混勻后分別放入無菌袋內(nèi)，冷藏帶回進行風干處理，過1 mm篩。2016年4月氣溫回升后重復上述采樣步驟采集凍融后土壤樣品。風干土樣放置于密閉塑料盒內(nèi)，于陰涼干燥處常溫保存。試驗前將土壤含水量調(diào)節(jié)到田間持水量的50%，25 ℃黑暗條件下培養(yǎng)7 d后熏蒸測定。微生物量在新鮮和風干土壤中有一致的變化，其次休眠的真菌孢子和細菌寄存體能在風干土中長時間保持活性，可通過土壤預(yù)培養(yǎng)使土壤微生物復活，故使用風干土探索土壤微生物變化規(guī)律可行[11]。土壤微生物量碳、氮、磷分別采用熏蒸提取-重鉻酸鉀氧化容量法、熏蒸提取-茚三酮比色法和熏蒸提取-無機磷測定法測定。

表1 采樣果園基本情況

表2 采樣果園地理信息

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 25.0軟件統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析分析凍融前、后不同土層內(nèi)栽植年限對土壤微生物量碳、氮、磷含量的影響；采用獨立樣本t檢驗分析不同栽植年限下凍融作用對土壤微生物量碳、氮、磷含量影響的顯著性；采用配對t檢驗分析凍融作用對整個土層土壤微生物量碳、氮、磷含量影響的顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 凍融作用對蘋果梨園土壤微生物量碳的影響

由圖1可知，在0～20 cm土層，在凍融前栽植年限為11、25年的土壤微生物量碳(MBC)含量顯著低于其它年限土壤，經(jīng)一季凍融后栽植年限為25年的果園土壤MBC含量顯著低于其它土壤。不同栽植年限的果園土壤經(jīng)凍融后MBC含量均表現(xiàn)出上升趨勢，MBC含量分別比凍融前提高了102.7%、49.0%、20.1%和19.9%。其中，栽植年限為11年的果園MBC含量變幅較其它果園更為明顯。栽植年限為40年果園凍融前后MBC含量均最高，但經(jīng)凍融后增幅較小。分別對4個栽植年限果園土壤進行獨立樣本t檢驗發(fā)現(xiàn)，11年(P=0.000)的果園土壤凍融前后MBC含量差異極顯著，其余年限果園凍融前后土壤MBC含量差異顯著(P=0.018、P=0.023、P=0.035),對0～20 cm整個土層進行配對t檢驗發(fā)現(xiàn)，季節(jié)性凍融作用極顯著影響土壤MBC含量(P=0.000)。

注：*表示處理間有顯著性差異(P<0.05)，**表示有極顯著差異(P<0.01)，ns表示無顯著性差異。

在20～40 cm土層，凍融前栽植年限為11、25年果園土壤MBC含量顯著低于其它年限土壤，經(jīng)一季凍融后4個栽植年限果園土壤MBC含量均有顯著性差異，其中11年果園含量最低。栽植年限為11、25和63年果園土壤經(jīng)凍融后MBC含量均有所上升，分別比凍融前提高了61.7%、176.0%和13.7%，而63年果園土壤MBC含量降低了26.9%，其中25年果園土壤MBC含量變幅最明顯。分別對4個不同栽植年限果園土壤進行獨立樣本t檢驗發(fā)現(xiàn)，10年(P=0.000)、25年(P=0.000)、40年(P=0.002)果園土壤MBC含量在經(jīng)歷季節(jié)性凍融前后差異極顯著，63年果園土壤(P=0.014)差異顯著。對20～40 cm整個土層進行配對t檢驗發(fā)現(xiàn)季節(jié)性凍融對土壤MBC含量無顯著影響(P=0.201)。

40～60 cm土層中栽植年限為40年果園土壤MBC含量在凍融前顯著高于其它年限果園，經(jīng)凍融后4個栽植年限果園土壤MBC含量均有顯著性差異，其中11年果園含量最低。栽植年限為11、40年果園土壤經(jīng)凍融后MBC含量分別比凍融前降低了48.1%和44.1%，而栽植年限為25年、63年MBC含量分別比凍融前了升高了178.7%和11.4%，其中25年的果園土壤含量變幅最明顯。分別對4個栽植年限果園土壤進行獨立樣本t檢驗發(fā)現(xiàn)，栽植年限為25年果園土壤MBC含量在經(jīng)歷季節(jié)性凍融后差異極顯著，其余栽植年限MBC含量無顯著性差異。對40～60 cm整個土層進行配對t檢驗發(fā)現(xiàn)季節(jié)性凍融對土壤MBC含量無顯著影響(P=0.286)。

2.2 凍融作用對蘋果梨園土壤微生物量氮的影響

由圖2可知，在0～20 cm土層中，栽植年限為10、25年果園土壤微生物量氮(MBN)含量在凍融前顯著低于其它年限土壤，經(jīng)凍融后栽植年限為63年果園土壤MBN含量顯著高于其它年限土壤。栽植年限為10、25和63年土壤經(jīng)凍融后MBN含量均呈上升趨勢。分別對4個不同栽植年限果園土壤進行獨立樣本t檢驗發(fā)現(xiàn)，4個栽植年限果園土壤凍融前后MBN含量均呈顯著性差異(P11=0.000、P25=0.000、P40=0.008、P63=0.000)。對0～20 cm整個土層進行配對t檢驗發(fā)現(xiàn)季節(jié)性凍融作用對土壤MBN含量無顯著影響(P=0.059)。

圖2 季節(jié)性凍融下不同土層微生物量氮隨栽植年限的變化

在20～40 cm土層中，在凍融前4種栽植年限土壤MBN含量均呈顯著差異，凍融后栽植年限為63年果園土壤MBN含量顯著高于其他年限，栽植年限為11年土壤MBN含量顯著低于其他年限。所有栽植年限果園土壤經(jīng)凍融后MBN含量均呈上升趨勢，其中，63年果園變幅較其它園齡更為明顯。分別對4個栽植年限果園土壤進行獨立樣本t檢驗發(fā)現(xiàn)，栽植年限為40年果園土壤MBN含量在經(jīng)歷季節(jié)性凍融后無顯著性差異，其余栽植年限土壤MBN含量在季節(jié)性凍融前后差異極顯著(P10=0.002、P25=0.000、P63=0.004)。對20～40 cm整個土層進行配對t檢驗發(fā)現(xiàn)，季節(jié)性凍融對MBN有極顯著影響(P=0.005)。

在40～60 cm土層中，在凍融前11、40年栽植年限土壤MBN含量均顯著低于其他年限，經(jīng)凍融后，4種栽植年限土壤MBN含量均呈顯著性差異，其中，11年MBN含量最少，63年MBN含量最多。所有栽植年限土壤經(jīng)凍融后MBN含量均呈上升趨勢。分別對4個栽植年限果園土壤進行獨立樣本t檢驗發(fā)現(xiàn)，凍融前后所有栽植年限土壤MBN含量均呈顯著性差異(P11=0.001、P25=0.000、P40=0.006、P63=0.000)。對40～60 cm整個土層進行配對t檢驗發(fā)現(xiàn)，季節(jié)性凍融對土壤MBN含量有極顯著影響(P=0.001)。

2.3 凍融作用對蘋果梨園土壤微生物量磷的影響

由圖3可知，在0～20 cm層次，凍融前后土壤微生物量磷(MBP)含量在各栽植年限果園土壤中均呈顯著性差異，凍融前11年果園MBP含量最低，凍融后40年果園MBP含量最高。所有年限果園土壤經(jīng)凍融后MBP含量均呈上升趨勢，分別比凍融前升高了73.8%、9.0%、89.9%和28.6%。分別對4個栽植年限果園土壤進行獨立樣本t檢驗發(fā)現(xiàn)，11、40年果園土壤凍融前后MBP含量差異極顯著(P=0.002、P=0.000)，其余無顯著差異。對0～20 cm整個土層進行配對t檢驗發(fā)現(xiàn)，季節(jié)性凍融作用對土壤MBP 含量有極顯著影響(P=0.000)。

圖3 季節(jié)性凍融下不同土層微生物量磷隨園齡的變化

20～40 cm土層中凍融前后栽植年限為11年的果園土壤中MBP含量均顯著低于其它年限土壤。各個年限果園土壤經(jīng)凍融后MBP含量均呈上升趨勢，分別比凍融前升高了70.5%、20.2%、48.0%和5.4%，其中11年果園MBP含量變幅較其它年限更為明顯。分別對4個栽植年限的果園土壤進行配對t檢驗發(fā)現(xiàn)，11、40年土壤凍融前后MBP含量差異極顯著(P=0.008、P=0.001)，其余年限無顯著差異。對20～40 cm整個土層進行配對t檢驗發(fā)現(xiàn)，季節(jié)性凍融作用對土壤MBP 含量有極顯著影響(P=0.001)。

40～60 cm土層中栽植年限為10年的果園土壤MBP含量在凍融前后均低于其它年限土壤。栽植年限為10、25、63年土壤經(jīng)凍融后MBP含量均呈上升趨勢，分別比凍融前升高了11.9%、29.7%和11.5%，而40年的果園土壤比凍融前降低了45.3%，并且40年果園MBP含量變幅較其它年限更為明顯。分別對4種年限果園土壤進行獨立樣本t檢驗發(fā)現(xiàn)，只有40年果園土壤凍融前后MBP含量差異顯著(P=0.023)。對20～40 cm整個土層進行配對t檢驗發(fā)現(xiàn)季節(jié)性凍融作用對土壤MBP含量無顯著影響。

3 討論與結(jié)論

季節(jié)性凍融對土壤微生物生物量的影響是一個復雜過程，不同果園系統(tǒng)的微生物對凍融響應(yīng)不同[2,12]，即使是同一果園系統(tǒng)中，氣候條件相同的情況下，不同土層、不同栽植年限下土壤微生物量的凍融響應(yīng)也不同。

凍融過程通過改變土壤中水分狀況及分布情況而影響土壤的物理、化學、生物等性質(zhì), 對土壤微生物量影響極其復雜[13]。即使是在同一果樹品種下，不同土層微生物量的變化也不同。土壤微生物量對環(huán)境有極強的敏感性，其含量變化可能與干燥度、母質(zhì)、土壤濕度、溫度以及季節(jié)氣候有關(guān)。由圖1～3可知，在經(jīng)歷季節(jié)性凍融后土壤微生物量含量整體較凍融前上升，且在0～40 cm土層增長幅度大于40～60 cm土層，這反映了土壤微生物隨土層變化的分布格局，即微生物量隨土層的加深而減少[14]。這與有機質(zhì)、全氮的分布規(guī)律相同，說明土壤深度是影響土壤微生物量凍融變化的因素之一，其原因可能是表層土壤中微生物更多的受外界環(huán)境因子影響，凋落物的數(shù)量和質(zhì)量以及水分和溫度條件等都對微生物有直接影響，而影響深層土微生物的更多的是營養(yǎng)元素在土壤中的淀積以及果樹根系的根際效應(yīng)，并且深層土環(huán)境較為穩(wěn)定，故凍融作用對深層土壤微生物的影響小于表層土壤。其次,凍融作用會導致土壤容重降低、土壤團聚體結(jié)構(gòu)損壞[15]，該研究區(qū)春季干燥多風，秋季涼爽少雨，冬季寒冷期長，春季溫度升高和干燥度增加有利于改善土壤通氣狀況，促進微生物增多，從而導致土壤微生物量生物量增加[16]，這與張超凡的研究結(jié)果一致[17]。

土壤微生物的凍融變化還與果樹的生長階段有關(guān)，拋開受凍融作用影響較小的深層土壤，在0～40 cm土層大體上10和20年果園土壤MBC、MBN經(jīng)季節(jié)性凍融后增幅大于40和60年，產(chǎn)生這種結(jié)果的原因可能是幼齡蘋果梨樹冠幅小，郁閉度低，樹下光照條件較好，使樹下草本發(fā)育充分，有利于微生物活動，土壤微生物數(shù)量明顯增加，而成熟期蘋果梨樹樹冠遮蓋面積大，樹下光照不足，形成相對封閉的小氣候，不利于土壤微生物活動，故使土壤MBC和MBN含量降低。王國兵[18]研究證明，影響土壤微生物量磷季節(jié)性變異的主要因子是土壤濕度和土壤溫度。該文研究證明，栽植年限為40年果園土壤MBP含量經(jīng)季節(jié)性凍融后差異顯著，其原因可能為壯年期果樹生命活動旺盛，落果與枯枝落葉豐富，使有機質(zhì)含量較高。有機質(zhì)是磷養(yǎng)分的載體，是土壤微生物生長繁殖的必需物質(zhì)，土壤微生物獲得更多的養(yǎng)分進而增強了微生物活性。其次季節(jié)性凍融過程中土壤顆粒的破碎和部分微生物體的死亡增加了土壤中有機碳含量[19]，待春季氣溫回升時這些有機碳成為土壤微生物的碳源，刺激微生物活性，導致土壤中礦化作用的加強，土壤中部分有機磷礦化為無機磷，有利于土壤微生物的繁殖。再者，凍融作用可直接作用于土壤中的Fe2O3膜，使包裹在其中的閉蓄態(tài)磷釋放，從而提高了土壤中有效磷含量，進而促進了微生物的繁殖[20]。最后壯年果樹根系發(fā)達，有利于土壤良好結(jié)構(gòu)形成，增強土壤鎖水保肥能力，在春季微生物復蘇時可提供更充足的養(yǎng)分，提高了微生物活性。相比于土壤微生物量碳、氮，土壤微生物量磷周轉(zhuǎn)速率更快，對環(huán)境變化更敏感[21]。