鼎湖山主要植被類型土壤微生物生物量研究

1、鼎湖山主要植被類型土壤微生物生物量研究易志剛1, 2，蟻偉民2，周麗霞2，王新明1*1. 中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所/有機地球化學(xué)國家重點實驗室，廣東 廣州 510640；2. 中國科學(xué)院華南植物園，廣東 廣州 510650摘要：對鼎湖山國家級自然保護區(qū)3種主要植被類型：季風(fēng)常綠闊葉林，針闊葉混交林和馬尾松林土壤微生物生物量進行了研究。結(jié)果表明，土壤微生物生物量（mg·kg-1）在季風(fēng)常綠闊葉林、針闊葉混交林和馬尾松林中分別為：822，588，530，季風(fēng)常綠闊葉林顯著高于針闊葉混交林和馬尾松林（P<0.01），而針闊葉混交林和馬尾松林無顯著差異（P>0.05）；土壤中

2、微生物量高的土壤中，有機碳含量也相應(yīng)高，兩者的比值可反應(yīng)土壤碳的積累或損失，研究表明，鼎湖山3種主要植被類型土壤均處于碳積累過程；季風(fēng)常綠闊葉林、針闊葉混交林和馬尾松林土壤微生物碳周轉(zhuǎn)量（t·hm-2·a-1）依次為：14.07，11.45，9.60，碳素的周轉(zhuǎn)帶動了其他營養(yǎng)元素的循環(huán)和能量的流動；土壤微生物代謝熵（mg·g-1·h-1）由低到高依次是季風(fēng)常綠闊葉林（0.59）、針闊葉混交林（0.96）和馬尾松林（1.33），表明土壤微生物對土壤碳的利用效率季風(fēng)常綠闊葉林較高，馬尾松林較低。關(guān)鍵詞：土壤微生物生物量；鼎湖山；代謝熵；碳周轉(zhuǎn)中圖分類號：S1

3、54.1 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-2175（2005）05-0727-03表 實驗地概況Table 1 The description of experiment plots at DBR植被類型1)海拔/m土壤特征pH(H2O浸提)土壤容重/(g·cm-3)w(有機碳)/(g·kg-1)w(全氮)/(g·kg-1)BF2703003.760.8632.028.9MF2002403.801.0523.122.4PF70804.041.2617.124.4 1）BF：季風(fēng)常綠闊葉林；MF：針闊葉混交林；PF：馬尾松林；下同土壤微生物是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最活躍

4、的組分，可促進物質(zhì)的分解和合成，同時作為營養(yǎng)庫，在陸地生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動中起重要作用。鼎湖山森林生態(tài)系統(tǒng)的土壤微生物區(qū)系組成和生物量等已有研究報道13，季風(fēng)常綠闊葉林、針闊葉混交林和馬尾松林是鼎湖山有代表性的3種主要植被類型，但土壤微生物生物量和碳素動態(tài)尚無系統(tǒng)研究。本文較系統(tǒng)的研究了鼎湖山3種主要植被類型的土壤微生物量，并分析了土壤微生物生物量與土壤有機碳和土壤呼吸的關(guān)系，從而為進一步了解土壤微生物在森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動中的作用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。1 研究樣地概況鼎湖山自然保護區(qū)位于112°35'E 23°08'N，地處熱帶和亞熱帶的過渡區(qū)，

5、屬季風(fēng)南亞熱帶濕潤氣候。年平均氣溫21 ，年降水量為1927.3 mm，相對濕度達80%以上4。土壤類型主要為赤紅壤、黃壤和山地灌叢草甸土。自然植被有季風(fēng)常綠闊葉林、溝谷雨林、山地常綠闊葉林、針葉闊葉混交林、馬尾松林、河岸林、稀樹灌叢和灌木草叢。本研究選取了處于演替系列不同階段的3種主要植被類型：季風(fēng)常綠闊葉林、針闊葉混交林和馬尾松林為研究對象（表1），對其中的土壤微生物生物量及其碳素動態(tài)進行了研究。2 研究方法分別于2001年7月底和2002年1月底在每個實驗地內(nèi)隨機采取7個點，采土深度為015 cm，土壤裝在封口袋內(nèi)，并在袋口塞上棉花，帶回實驗室。自然風(fēng)干后過2 mm篩，放在4 冰箱中備用

6、，用于測量土壤微生物生物量。土壤微生物生物量采用熏蒸培養(yǎng)法5，土壤微生物礦化速率取0.415, 6。在采集土壤樣品的同時，采用靜態(tài)箱堿石灰吸收法測量土壤呼吸速率3, 7。測定前一天剪去地面的綠色草本植物，每個林地同時測量7個樣點。微生物呼吸速率土壤呼吸速率×微生物呼吸占土壤呼吸的比例。3 結(jié)果與分析3.1 土壤微生物生物量鼎湖山3種主要植被類型土壤微生物生物量為530822 mg·kg-1（表2），季風(fēng)常綠闊葉林土壤微生物生物量顯著高于針闊葉混交林和松林（P<0.01），但針闊葉混交林和馬尾松林微生物生物量差異并不顯著（P>0.05）。該地區(qū)土壤微生物生物量大于

7、非洲熱帶森林（280480 mg·kg-1）8，略高于同屬該氣候帶的橡樹林（380.8568.3 mg·kg-1）9，但小于溫帶森林微生物生物量（1 080 mg·kg-1）5，土壤微生物生物量大小與氣候、植被和土壤有密切關(guān)系，而土壤有機碳的含量對土壤微生物生物量起關(guān)鍵作用10。3種林型土壤微生物生物量的高低順序與土壤有機碳一致，土壤微生物生物量的高與低也反映了土壤有機碳庫的大小1。表2 鼎湖山不同植被類型土壤微生物生物量及其與土壤有機碳比值及微生物代謝熵Table 2 Soil microbial biomass, ratio of Cmic to Corg a

8、nd metabolic quotient of different vegetation types in DBR植被類型土壤微生物生物量/(mg·kg-1)w(有機碳)/(g·kg-1)(Cmic/Corg)/(mg·g-1)微生物呼吸1)/(mg·kg-1·h-1)代謝熵/(mg·g-1·h-1)7月1月平均BF87776782232.025.70.4850.59MF62654958823.125.50.5650.96PF56749353017.131.00.7051.33 1）以每千克干質(zhì)量土壤中微生物每小時所釋放出

9、的CO2-C毫克數(shù)計算3種林型土壤微生物生物量都是冬季（旱季）較小，夏季（雨季）較大，與潘超美等在橡樹林的報道基本一致11。從鼎湖山的氣候觀測，雨季發(fā)生在49月，旱季發(fā)生在103月。根據(jù)鼎湖山的物候觀測，植物的抽芽和長葉集中在35月，這個期間土壤溫度逐漸回升，49月雨水充足，植物生長旺盛，植物向地下部分輸送的有機物較多，而根際微生物主要是利用根分泌物和滲出物為底物而生長和繁殖的，所以根際微生物特別活躍。這些條件均有利于微生物的生長代謝；9月份溫度開始降低，1月溫度基本達到最低值，此時植物生長較弱，凋落物減少，運輸?shù)礁康姆置谖餃p少，不利于微生物生長。3.2 土壤微生物生物量（Cmic）與土壤有

10、機碳（Corg）比值表3 鼎湖山不同植被類型土壤微生物年轉(zhuǎn)化碳素Table 3 Carbon turnover by the soil microbes of different vegetation type in DBR植被類型微生物呼吸/(g·m-2·d-1)新物質(zhì)產(chǎn)量/(g·kg-1·d-1)細胞物質(zhì)干質(zhì)量/(g·kg-1)轉(zhuǎn)化周期/d年周轉(zhuǎn)代數(shù)年轉(zhuǎn)化Cmic量/(t·hm-2)BF8.060.04031.64440.299.0614.07MF7.800.03901.17529.6312.3211.45PF8.000.0400

11、1.06026.0014.049.60Cmic/Corg是衡量一個生態(tài)系統(tǒng)土壤有機碳積累或損失的一個重要指標(biāo)，該比值越高表示土壤碳的積累10，鼎湖山3種主要植被類型Cmic/Corg值介于25.531 mg·g-1之間（表2），高于氣候基本相同的經(jīng)濟林該比值（12.4315.75 mg·g-1）9。已有研究表明，鼎湖山400 a自然林該值為19.5 mg·g-13，該自然林被認為是該地區(qū)成熟的頂級群落，土壤碳循環(huán)基本達到平衡狀態(tài)。以該自然林為標(biāo)準(zhǔn)，將該地區(qū)3種主要植被類型土壤與之比較，大于19.5 mg·g-1的為碳積累，小于19.5 mg·g

12、-1的為碳損失，從分析結(jié)果可以看出，本研究3種林型土壤碳素均處于積累之中，其中馬尾松林處于強烈的碳積累過程。3.3 土壤微生物代謝熵與碳的利用土壤微生物呼吸和土壤微生物生物量的比率，即土壤微生物代謝熵（每克Cmic每小時釋放的CO2-C毫克數(shù)），是衡量土壤微生物對土壤碳利用效率的一個重要依據(jù)，一般來說，土壤熟化程度越高，土壤代謝熵逐漸減小1, 8, 11。表2可見，季風(fēng)常綠闊葉林代謝熵最低，碳利用效率最高；馬尾松林代謝熵最高，碳利用效率最低。本實驗與蟻偉民等1在鼎湖山自然林得到的有關(guān)土壤微生物代謝熵（0.44 mg·g-1·h-1）相比，結(jié)果偏高，主要是由于土壤呼吸測量方法

13、不同，蟻偉民等測量土壤呼吸采用的方法為NaOH溶液吸收法。研究表明，堿石灰吸收CO2的速率為堿液的2倍7。本研究得到的土壤微生物代謝熵與Ding et al8在電白小良地區(qū)得到的土壤微生物代謝熵（0.62.7 mg·g-1·h-1）相比低，說明鼎湖山土壤微生物對碳的利用效率較高。3.4 土壤微生物碳素轉(zhuǎn)化土壤微生物繁殖快，周轉(zhuǎn)期短，在森林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動中起著重要作用。根據(jù)瓦格納微生物轉(zhuǎn)化理論12，表3中列出了3種主要植被類型的土壤微生物的周轉(zhuǎn)期，年轉(zhuǎn)化代數(shù)和碳素轉(zhuǎn)化量。表中新物質(zhì)產(chǎn)量由每呼吸1 g CO2產(chǎn)生0.005 g新物質(zhì)計算得到，用表示；細胞物質(zhì)干質(zhì)量

14、由土壤微生物生物量×2計算得到（因為土壤微生物細胞干組織的50由生物量碳組成），用X表示；轉(zhuǎn)化因數(shù)為K，其計算公式為K=ln(X/(X-)/t，ln為自然對數(shù)，t為時間；轉(zhuǎn)化周期為轉(zhuǎn)化因數(shù)的倒數(shù)，即T=1/K；土壤微生物年周轉(zhuǎn)代數(shù)=365/轉(zhuǎn)化周期。假設(shè)現(xiàn)存土壤微生物生物量不變，則：年碳素轉(zhuǎn)化量=現(xiàn)存土壤微生物生物量×年周轉(zhuǎn)代數(shù)鼎湖山3種主要植被類型土壤微生物年轉(zhuǎn)化碳量的大小順序依次是：季風(fēng)常綠闊葉林>針闊葉混交林>馬尾松林，與這三種植被類型的植物生長情況相一致，3種植被類型年總第一性生產(chǎn)力（t·hm-2）分別是：15.081，11.764，5.707

15、 13。土壤微生物年碳素轉(zhuǎn)化量越大，供給植物生長的碳素及其他營養(yǎng)元素也越多，森林生長越迅速；森林生長越迅速，提供給微生物的能量和呼吸底物也就越多，從而微生物的生物量和年碳素轉(zhuǎn)化量也越大。正是土壤微生物和植物之間的這種相互作用促進了森林生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)和健康發(fā)展。4 結(jié)論（1）鼎湖山3種主要植被類型土壤微生物生物量由高到低依次是季風(fēng)常綠闊葉林>針闊葉混交林>馬尾松林，土壤微生物量和土壤有機碳含量關(guān)系密切，土壤微生物量高的土壤中，其有機碳庫也相應(yīng)較大，兩者的比值可反應(yīng)土壤碳的積累或損失，研究表明鼎湖山3種主要植被類型土壤均處于碳積累過程，而馬尾松林處于強烈的碳積累過程。（2）代謝熵是衡量

16、土壤微生物對土壤碳的利用效率高低的指標(biāo)，代謝熵越低，微生物對土壤碳的利用效率越高。鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林土壤微生物利用土壤碳的效率最高，混交林次之，馬尾松林最低。（3）土壤微生物生物量高的土壤中微生物碳的周轉(zhuǎn)量較大，碳素的周轉(zhuǎn)還帶動了其他營養(yǎng)元素的周轉(zhuǎn)，有利于生態(tài)系統(tǒng)的生存和持續(xù)發(fā)展。參考文獻：1 蟻偉民, 傅聲雷, 周存宇, 等. 鶴山人工林和鼎湖山自然林土壤微生物生物量的研究J. 生態(tài)學(xué)報, 1995, 15(Supp.A): 141147.YI W M, FU S L, ZHOU C Y, et al. A study on soil microbial biomass in artifi

17、cial and natural forestsJ. Acta Ecologica Sinica, 1995, 15 (Supp. A): 141147.2 鄧邦權(quán), 呂祿成. 鼎湖山自然保護區(qū)不同林型下土壤微生物生物化學(xué)過程強度的研究: . 不同土壤含碳物質(zhì)的礦化與土壤微生物的代謝活性和生物量J. 熱帶亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)研究, 1986, 4: 5363.DENG B Q, LU L C. Study of microbes and biochemical activity of different forest soils in Ding Hu Shan Biosphere Reserve

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19、ee major vegetation types in Dinghushan Biosphere ReserveJ. Acta Ecologica Sinica, 2003, 23(8): 207212.4 黃展帆, 范征廣. 鼎湖山的氣候J. 熱帶亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)研究, 1982, 1: 1116.HUANG Z F, FAN Z G. The climate of DinghushanJ. Tropical and Subtropical Forest Ecosystem, 1982, 1: 1116.5 JENKINSON D S, POWLSON DS. The effects o

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25、5, 2: 19.Soil microbial biomass of the main forests in Dinghushan Biosphere ReserveYI Zhi-gang1, YI Wei-min2, ZHOU Li-xia2, WANG Xin-ming11. State Key Laboratory of Organic Geochemistry, Guangzhou Institute of Geochemistry, the Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510640, China;2. South China Botan

26、ical Garden, the Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510650, ChinaAbstract: Soil microbial biomass (Cmic) of three main vegetations in Dinghushan Biosphere Reserve (DBR), namely monsoon evergreen broadleaf forest (BF), mixed forest (MF) and pine forest (PF), was studied in April, 2001 and March, 2002. They were 822, 588, 530 mg·kg-1 in BF, MF and PF, respectively; with significant difference between BF and MF or