不同土地利用方式下降雨对土壤微生物量和呼吸的影响

第 2卷第 6期 5 21 0 1年 1 2月

水土保持学报J u n lo o l n a e n e v t n o r a fS i a d W t rCo s r a i o

Vo . 5 No 6 12 .De ., Ol e 2 1

不同土地利用方式下降雨对土壤微生物量和呼吸的影响苏慧敏，李叙勇，何丙辉，欧阳扬(_ 1西南大学资源与环境学院，庆 4 0 1;.国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室，京 10 8 )重 0 7 62中北 0 0 5摘要：球气候变化会导致陆地生态系统干旱频繁，降雨增多，入研究降雨对土壤微生物量和呼吸的全强深

影响，利于理解陆地生态系统中土壤碳、的循环。研究以北京市延庆县上辛庄水土保持科技示范园内有氮的标准径流小区为对象，讨不同土地利用方式下降雨对土壤微生物量和呼吸的影响及差异。结果表明，探 不同土地利用方式下土壤干旱时，雨使土壤微生物量和土壤呼吸产生激增效应。2 1降 0 0年 8月 3日降雨后经果林、地、用地的土壤微生物量碳与干旱期的相比分别增加了 0 4, . 1 1 9裸农 . 0 1 5,. 5倍；壤微生物量土氮与干旱期的相比分别增加了 17,. 3 3 7倍；壤呼吸与干旱期的相比分别提高了 1.,2 5, . 7 1 8,.土 2 4 1 . 2.,增幅度依次为农用地>裸地>经果林。农用地的土壤微生物量和土壤呼吸值均低于经果林、 05激裸地的，是降雨使其产生的激增幅度明显大于经果林和裸地的。但 关键词：壤微生物量；土壤呼吸；土地利用；雨土降中图分类号：14 3P 3 . S5.;321文献标识码： A文章编号： 0 92 4 ( O 1 0— 0 2 0 1 0 -2 22 l )60 9-4

Ra nf l Ef e t n S i i r b a o a s a i a l f c s o o lM c o i lBi m s nd S i s r to d r Dif r n n e Co ii n o lRe pi a i n Un e f e e tLa d Us nd to sS H u— i。,LIXu y ng U im n’ — o,HE ng hu

,OU ng ya g Bi— i Ya— n。

( . olg fR su cs n n io m n。 o twet n v ri, h n qn 0 7 6 2 S ae y L b r tr f U b n 1Cl e e o eo re a d E vr n e t S uh s U iest C o g ig 4 0 1; . t t Ke a o a oy o ra y a dRe in l oo y, ee rhC ne o c—n i n e t c n e, h n s Ac d m f S i cs B ii g 1 0 8 ) n g o a lg R sa c e t f r oe v r m n i c s C i e Ec r E o S e e a e y o ce e, e n 0 0 5 n jAb t a t sr c:Th o s qu nc sofg o lc i a e c a e a e d o htf e ue ta anf l n r a e e c n e e e l ba l m t h ng r r ug r q n nd r i ali c e s d,r s a c i e e r h ng t e e f c s o anf l ve t n s i m ir bi lbi h fe t fr i ale n s o o l c o a oma s a d s lr s r to s i s n oi e pia i n i mpo t n o un r t nd o c— r a t t de s a fe o s t m a d na c n t r e t i le o ys e s Ba e n a c ntnuo bs r a i n b f e a f e he ys e C nd N y mi s i e r s ra c s t m . s d o o i us o e v to e or nd a t r t

r i ej g,c a g si o t n so ol c o il ima sa ds i rs ia in u d rdfee tln s o— an i B in n i h n e c n e t fs i mir ba o s n ol e pr to n e ifr n a d u ec n n bdii ns we e de e mi e . Fur he m o e,d fe e t r s ns s o o lm ir bi lb oma s a d s i r s r to o to r t r n d t r r if r n e po e f s i c o a i s n o l e pia i n t

d f e e tln s o d to swe ec m p r d

i r n a d u e c n ii n r o a e .Th e u t h we o l c o il i ma s o l e p r t n we e f e r s ls s o d s i mi r b a o s,s i r s ia i r b o i c e s d b a n u e o lwa r u h r v o s y Co p r d t e v l e f e n e o e t e r i n r a e y r i f lwh n s i s d o g tp e iu l. m a e h a u s a t r a d b f r h an,t e h s i mi r b a i m a sc r o c e s d 0 4,1 5 n . 5 t e e p c i e y f re o o i f u t o e t a e o l c o i l o s a b n i r a e . 0 . 1 a d 1 9 i sr s e tv l o c n m c r i f r s,b r b n m l n n g iu t r ll n; t e s i mir b a i ma s n to e e p c i ey i c e s d 1 7, 1 8 n . a d a d a r l a a d h o l c o i lb o s i g n r s e t l n r a e . c u r v 7 . a d3 7 3tm e;t oi r s ia i n r s c i l n r a e 2 4,1 .5 a 0. ,t r rofa p iu sa— i s he s l e p r to e pe tvey i c e s d 1 . 2 nd 2 5 he o de m lt dewa g

rc lu a a d b r a d e o o c f u t f r s .Co a e t c n m i f u t f r s n a e l n。a r— iu t r lln> a e l n> c n mi r i o e t mp r d wih e o o c r i o e ta d b r a d g i c lu a a d h d l s o lm ir b a i ma s a d s i r s ia in, b t t e v ra i n r t s we e sg iia ty u t r ll n a e s s i c o i lb o s n o l e p r t o u h a i to a e r i n f n l c g e t r t a h s ff u t f r s n a e l n . r a e h n t o e o r i o e ta d b r a d Ke r s o lmi

r b a i ma s o lr s ia i n;l n s;r i f l y wo d:s i c o i l o s;s i e p r to b a d u e an a l

土壤水分波动通常会引起陆地生态系统物质循环的变化，这在于旱、半干旱和地中海地区尤为明显。持续干旱的土壤降雨后土壤微生物量碳、氮和土壤呼吸均产生激发效应，对陆地生态系统碳、的平衡起着很重这氮要的作用。早在 1 5 9 8年， i h首先发现风干土壤湿润后会促进土壤碳、素的矿化[。S hme等[研究表 Br c氮 1] ci l 2]明经历长时间干旱的土壤降雨后，土壤微生物量和土壤呼吸瞬间激增。同样 F y等[田间野外试验发现降雨 a 3

促进土壤 C的释放，玉盛等[报道干旱土壤降雨后土壤呼吸骤升至最大值但随后逐渐衰减。现在已有不 O杨 4 3少关于土壤微生物对降雨响应的研究，是针对不同土地利用方式下降雨对土壤微生物量和呼吸影响的对比但收稿日期： 0 10— 6 2 1—72基金项目；国家自然科学基金 (1 7 3 3 4 9 1 7 )中国科学院重大方向性项目( C一 w— 1 ) 4 0 1 2,0 7 2 1} KZ X2Y T 3

作者简介：慧敏 ( 9 6 )女，士，要从事土壤生态学和水土保持等研究。E malsh i 6 1 6 cr苏 18一，硕主— i u um8@ 2 .o: n通讯作者；叙勇 ( 9 5 )男，士，究员，要从事景观一流域模型研究。E malx l resa.n李 16一，博研主— i yi ce. cc:@

第 6期

苏慧敏等：同土地利用方式下降雨对土壤微生物量和呼吸的影响不

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研究还甚少。本研究在北京市延庆县上辛庄水土保持科技示范园内的标准径流小区进行为期 1 5d的连续观测，讨不同土地利用方式下土壤微生物量和土壤呼吸对降雨响应的差异。探

1材料与方法 1 1试验地概况 .试验区

表 1试验区土壤理化性质总磷含mg-

研究地设在北京市延庆县上辛庄水土保持科技示范园内相邻的经果林、地、裸农用地 3个标准径流小区，流小区长 1 径 5

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麓 H麓 p值

1, 5I,"宽 I坡度为 1。 1 1 T 5。经果

林内种有 1 5棵核桃树，耕作方式是等高沟垄耕作，用地内种植玉米，作方式农耕

是常规耕作。该地区属暖温带半湿润大陆性季风气候，季寒冷干燥，季高温多雨。2 1冬夏 0 0年降雨量为 4 1 2 3 . mm,雨分布不均，降主要集中在夏季 6—8月份，旱频繁。试验区的土壤理化性质见表 1干。1 2试验设计与样品采集 .

于 21 0 0年 7月 3 0日一8月 1 3日进行连续 1 5d的土壤采样。非降雨天每天上午 9 0:0在示范园内已选定

的径流小区进行表土 (一2 m)样， O 0c采降雨天于雨停后立即采样。在每个径流小区内随机选 7个点，采样点呈 s形均匀分布，行混合采样，进除去动植物残体和碎石等，四分法取适量土样于封口袋中，一部分新鲜土样迅速于O~4℃保存， 8月 1于 3日将土壤样品带回实验室进行室内分析，定土壤微生物量和土壤呼吸；测剩余土样风干后过筛，用于土壤常规养分测定。1 3测定方法与数据分析 .

土壤呼吸采用静态碱液吸收法[测定； 5 土壤微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸一 K S提取方法测定；壤：O。 土

微生物量碳，采用 TO自动分析仪 ( iu T ) C Lq i OC测定； 土壤微生物量氮，用全氮方法测定；采土壤含水量采用烘干法测定；土壤有机质采用重铬酸钾氧化一外加热法；土壤全氮、全碳采用元素分析仪 ( r LI) Vai E]测定； o I土壤速效磷采用 Na O HC。浸提一钼锑抗吸光光度法；土壤 p值用酸度计测定。 H 所有数据采用 S S 8 0进行统计、 P S1 .方差分析，图表采用 E cl x e并根据 S S P S分析结果制作。

2结果与分析 2 1降雨对土壤含水置的影响 .

由图 1可以看出，降雨改善了土壤水分状况。7月 3 0日延庆试验区迎来了干旱近 1 5d的第一场降雨，但

是这次的降雨量仅为 1 8mm,壤含水量变化不大。直到 8月 3日随着降雨的发生，前干旱的土壤瞬间含 .土先水量激增，果林、经裸地、用地的土壤含水量与干旱期的相比分别提高了 0 8, . 6 1 3倍，农 . 5 0 6, . 1农用地提高的

幅度明显大于经果林和裸地的。8月 4

日的又一次的降雨使土壤含水量达到第一个峰值，下来随着干旱的接恢复，土壤含水量降低。直到 8月 8日伴随着降雨，经果林、地、用地的土壤含水量再次激增，裸农与干旱阶段时相比分别增加了 6,2,3,后逐渐下降。经果林、地、用地的土壤含水量降雨前后的变化趋势 5 4 7然裸农基本一致，不同土地利用下的径流小区土壤含水量存在显著差异，果林土壤含水量明显高于农用地的，但经表明等高垄沟耕作的经果林的保水能力明显强于常规耕作的农用地的保水能力。2 01 5 1 2

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日期(日)月. 图 1降雨前后土壤含水量的变化

图 2降雨前后土壤微生物量碳的变化

2 2降雨对土壤微生物量的影响 .

7 3月 0日一8月 1 3日期间经果林、裸地、用地的土壤微生物量的变化趋势基本一致。8月 3日迎来了农 干旱近 1第一场降雨量比较大的降雨， 5d 3种土地利用方式下土壤微生物量均产生了激发效应，达到了一个峰

值，是随着 8月 4 E的降雨，但 l土壤微生物量显著下降。8月 8日的降雨同样使经果林、裸地、用地的土壤微农生物量激增，是 8月 9日的降雨使微生物量急剧下降。表明降雨对土壤微生物量的影响与土壤自身的水分但

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水土保持学报

第 2卷 5

状况密切相关，降雨能激发干旱土壤微生物量，抑制潮湿土壤微生物量。经果林、而裸地、用地之间土壤微生农物量存在一定的差异，果林土壤微生物量显著高于裸地和农用地的。由图 2图 3知，经、可 8月 3 1 3降雨后土壤微生物量碳、明显高于干旱阶段的，果林、地、用地的土壤微生物量碳与干旱期的相比，别增加了氮经裸农分 0 4 1 5, . 5倍；壤微生物量氮分别增加了 1 7,. 3 3 7,壤微生物量增加幅度依次为农用地>裸 .,. 1 1 9土 . 7 1 8,.倍土

地>经果林。8月 8日降雨同样使土

壤微生物量产生了激增效应，果林、经裸地、用地的土壤微生物量碳与农干旱期的相比，分别提高了 0 5,. 2 1 1倍，用地增加的幅度显著高于经果林和裸地的； . 6 0 5,. 4农经果林、裸地、农

用地的微生物量氮与干旱期的相比，别提高了 1 2,. 5 1 2分 . 5 1 4,. 7倍，个处理间差异不显著。 3f1 2

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图 3降雨前后土壤微生物量氮的变化

图 4降雨前后土壤呼吸的变化

2 3降雨对土壤呼吸的影响 .

7月 3 01 3—8月 1 3日期间经果林、地、用地的土壤呼吸的变化趋势基本一致。由图 4可看出，裸农 7月 3 O

日、 8月 3日、 8月 4日和 8月 8日的降雨均使土壤呼吸有所增加。降雨后经果林、地、用地土壤呼吸作用裸农明显强于干旱期的。试验期间农用地土壤呼吸始终低于经果林、地的，明经果林、地土壤有机质矿化作裸表裸

用强于农用地的。8月 31 3降雨使土壤呼吸产生了激增效应，果林、地、用地土壤呼吸释放的 C z与经裸农 O量干旱期的相比，分别提高了 1 . ,2 5,O 5; 2 4 1 . 2 . 8月 8日降雨同样使土壤呼吸产生了激增效应，经果林、裸地、农用地的土壤呼吸与干旱期的相比，分别提高了 1 .,1 7,7 4,用地的激增幅度明显高于经果 6 6 1 . 1 . 农林和裸地的。

3讨论 探讨土壤微生物量和土壤呼吸的变化规律对于深入理解土壤碳、循环过程及其对气候变化的响应与适氮应具有重要意义。降雨不仅是土壤水分的主要来源，而且对地下生物化学过程具有重要的调控作用[, 7进而直]

接影响土壤微生物量和土壤呼吸[。降雨会使土壤微生物量和土壤呼吸产生强烈的激增效应， 2]即使少量的降雨也是如此[。土壤微生物具有很强的环境适应性， 8]在干旱胁迫时，多数微生物具备体内渗透调节机制，大通过合成可溶性有机物降低渗透压，在体内积累高浓度的溶质来保持体内的水势与外界环境相平衡[。降雨后， g]

土壤的水势迅速增加，微生物承受着巨大

的渗透冲击，一部分微生物细胞完全消溶，放出有机物质来降低土释

壤水势，剩余微生物得以幸免[另一部分微生物为了适应迅速增加的土壤水势，速处理之前所积累的溶使 1叩；迅质，将这些溶质分解成小分子碳水化合物和易分解的可溶碳，放大量含碳化合物，释随后被幸存的微生物快速分解，放出大量的 C。1释 OL。土壤面临严重的干旱胁迫时，壤微生物降低基质的扩散导致新陈代谢的改土变L,时不仅微生物数量减少， q此]而且土壤呼吸下降，微生物仍处于对水分的“谢机敏状态- 2,但代 D]即当水分得到补给后，生物可以迅速利用底物进行新陈代谢，生物量和土壤呼吸会迅速激增。本试验中，种不同微微 3 土地利用方式下在土壤干旱时，雨使土壤微生物量和土壤呼吸产生了明显的激增效应。这与 wu等[研究降 1叩结果一致，降雨改善土壤水分状况后，土壤微生物量和土壤呼吸增加。也有研究者指出，降雨使旱季澳大利亚昆士兰州北部热带半干旱的森林土壤呼吸增加 3倍[ 1引。但是也有研究显示，降雨明显抑制了土壤呼吸，强如D vd o a isn等在研究巴西亚马逊河流域的森林和草原的土壤呼吸时，在强降雨发生后土壤呼吸出现了减弱的情况[ 1。张红星等[] 1对黄土高原小麦田土壤呼吸研究表明， 5在土壤干旱时，降雨促进了土壤呼吸，强而在土壤湿

润时，土壤呼吸在雨中及雨后分别下降了 3和 1。 3 5 土壤微生物量是土壤有机质和土壤养分转化与循环的动力，土壤呼吸主要是由土壤微生物的活动引起，土

壤呼吸代表了土壤碳素的周转速率和微生物的整体活性。土壤微生物量和土壤呼吸对土壤环境因子的变化极为敏感，地利用类型的不同会引起土壤微生物量和呼吸的变化。本研究表明，土经果林地的土壤微生物量碳和氮含量显著高于裸地和农用地的，用地的土壤呼吸明显低于经果林和裸地的。农用地为玉米坡耕地，农由于耕

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种、肥等人为扰动较剧烈，施表土侵蚀严重，机物质矿化剧烈，之作物收获后，有加秸秆被取

走，生物能源严重微缺乏，使微生物量降低。经果林地内种植有核桃树，由于每年的枯枝落叶重新返回到土壤中，机物质输入逐有渐增多，生物可利用的碳源氮源增加，且核桃树根系的分泌物和衰亡的根系为微生物提供了丰富的能源，微而

微生物活性及微生物量升高 6。但是降雨使农用地的土壤微生物量和土壤呼吸产生的激增效应明显高于经 l]果林和裸地的。Hav ro les n等 "研究发现干旱的土壤降雨后，壤的水势从一3 0Mp土 . a变为一1 0Mp, . a土壤微生物量增加不明显。然而也有研究结果显示，干旱的土壤降雨后并没有发现土壤微生物量有变化， Fee如 irr等[栎树和草地的土壤研究发现， 1对 1降雨并没有引起土壤微生物量的改变。出现不同的试验结果，能是由可

于土壤微生物所处的不同生理状况引起的。活跃的微生物与休眠状态下的微生物相比，降雨事件更为敏感，对 较高的微生物活性与较低的活性相比，微生物量下降更为强烈。原则上微生物对干旱胁迫的敏感是很好理其解的，是，壤的不同质地与不同的土地利用关于土壤微生物群体的适应性仍然存在着许多的不确定。所但土以，干旱胁迫下的微生物的敏感性和碳、的循环过程仍然不是很清晰，氮尚需要进一步研究。

有机质能够使土壤表面产生疏水性，并且疏水性随干旱强度的增加而增强。降雨时，疏水性使可流动的水分受到抑制，而减缓表层土壤的湿润，大程度上减小了水势的增加[从很 1引。缓慢增加的水势能够给微生物提供更多时间平衡环境中的水势，并且调整其新陈代谢，因此，降雨对疏水性强的土壤微生物量和呼吸的影响有所减缓]”。本研究显示，降雨使农用地土壤微生物量和土壤呼吸产生的激增幅度明显高于经果林和裸地的， 这是因为疏水性与土壤有机质密切相关，由于本试验农用地的土壤有机质显著低于经果林和裸地的，在土壤干旱时，降雨使农用地土壤含水量产生激增的幅度也是明显强于经果林和裸地的，明农用地的疏水性要低于经表

果林和裸地的。经果林地通过植物凋落物能够提高土壤有机质从而提高土壤

疏水性，农用地土壤中有机物而含量比较低，疏水性一般不显著。其参考文献：

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