定量研究土壤侵蚀与土壤养分、土壤微生物间的关系

　　水土流失是全球最大的环境问题，全球有 65%的土地存在不同程度的土地退化。中国是世界上土壤侵蚀较为严重的国家之一。据统计，中国水土流失面积 3． 67 ×106km2，水土流失使我国每年流失土壤 5． 0 ×109t，水土流失使得土壤的表土层随径流流走，土壤中的营养物质大量流失，造成土壤物理化学性质的改变，从而造成土壤质量的下降、土地退化以及生产力的急剧下降〔1〕。Fernandez 等〔2〕研究发现，土壤水分、土壤有机质与土壤的侵蚀和流失有着密切的联系。贾锐鱼等〔3〕对黄土高原南部的水土流失进行研究后发现，该区因水土流失造成小麦减产达 28%。依据我国现有的水土流失状况，剧烈流失区主要分布在黄土高原。

　　有关土壤侵蚀对径流、泥沙和养分的影响以及土壤侵蚀与土壤碳循环之间的关系进行了大量的研究〔4 －7〕，然而，定量的探讨土壤侵蚀与土壤养分的关系，近年来虽然开展了一些研究〔8 －9〕，但相对较少。

　　土壤微生物作为土壤系统重要的组成部分，土壤碳循环过程的重要参与者，在土壤生态系统的能量流动和养分转化中起着很重要的作用，因此，研究土壤侵蚀与土壤微生物之间的关系具有重要意义。本文利用137Cs 表征土壤侵蚀程度，定量研究土壤侵蚀与土壤养分、土壤微生物之间的关系，为更好的理解水土流失过程与土壤功能和过程之间的联系奠定科学基础。

　　1 试验材料与方法

　　1． 1 研究区域概况

　　研究 区 位 于 陕 西 省 延 安 市 羊 圈 沟 小 流 域( 36°41' ～36°42'N，109°30' ～ 109°31'E) ，流域面积2． 02 km2，该区地形破碎，沟壑纵横，属于黄土高原丘陵沟壑地貌，暖温带半干旱季风气候，海拔1 025 ～ 1 250 m，年平均降水量 550 mm，降水量年内和年际间变化大，70% 的降水集中在每年的 7—9月。该区域土壤类型主要为黄绵土，抗蚀性差，水土流失严重〔10〕。

　　在羊圈沟小流域内选择 4 个典型的坡面，单一刺槐林坡面( F) 、单一撂荒草地坡面( G) 、在上坡、中坡和下坡分别分布为草地、林地和草地的草地—林地—草地搭配坡面( G － F － G) 及分布为林地、草地和林地的林地—草地—林地搭配的坡面( F － G －F) 。坡面上林地均为恢复年限 25 a 的刺槐林，草地为同期退耕后形成的撂荒地。每个坡面由上而下将坡面划分为坡顶、坡肩、坡背、坡脚和坡趾 5 个典型地形部位。自坡顶到坡趾设置 5 ～6 个样地，样地分布见图 1，每个样地约 200 m2，每个样地内设置3 个样方，面积为 25 m2，具体样地信息见表 1。【表1】

　　
　　1． 2 土样采集方法

　　2007 年 8 月在样地的 3 个样方中分别进行 0 ～10 cm 土层样品的采集，每个土壤样品为 5 钻随机土样的混合。一部分新鲜土样过 2 mm 筛后于 4 ℃保存，用于土壤微生物生物量和功能多样性的测定;一部分土样冷冻干燥后 －40 ℃保存，用于微生物群落结构的测定; 另一部分土样风干过 2 mm 筛，用于pH 和电导率的测定，过 100 目筛用于有机碳和全氮的测定。在坡面上每个样地内用 3． 5 cm 土钻采集0 ～ 20 cm 土壤样品，经过风干、研磨、过 2 mm 筛、称重和装盒等过程后进行137Cs 的测定。

　　1． 3 137Cs 测定方法土壤中137Cs 测定用高纯锗伽玛能谱仪，测量时间不少于 28 000 s，测量相对误差 ＜ 10% ( 置信度95% ) ，土壤样品比活度由标准源相对比较法得到。

　　土壤侵蚀量计算选用农耕地侵蚀模型〔11〕，即：【1】

　　
　　式中: A 表示采样点137Cs 面积活度( Bq·m－ 2) ; Aref表示研究区137Cs 背景值( Bq·m－ 2) ; h 为土壤年流失厚度( cm) ; H 为耕作层厚度( cm) ; T 为采样年份。1． 4 土壤理化性质的测定方法土壤容重采用环刀法，pH 采用酸度计( 土∶水 =1∶ 2． 5) ，电导率采用电导率仪( 土∶ 水 = 1∶ 2． 5) 测定，土壤有机碳采用重铬酸钾氧化外加热法，全氮采用半微量凯式法〔12〕。

　　1． 5 土壤微生物生物量及多样性的测定方法

　　土壤微生物生物量碳采用氯仿熏蒸浸提法，氯仿熏蒸和未熏蒸土壤用 0． 5 mol·L－ 1K2SO4溶液浸提，土液比 1∶ 4，浸提溶液中有机碳含量采用 UV-Persuate 全自动有机碳分析仪 ( Tekmar-DohrmannCo． USA) 测定，转换系数 kC= 0． 45〔13〕。

　　土壤微生物多样性用 BIOLOG 方法进行测定〔14 －16〕。培养 96 h 的数据用于计算土壤微生物群落功能多样性。

　　Shannon-Wiener 多样性指数 H'：【2】

　　
　　式中: S 为被利用碳源的总数目; Pi为第 i 个孔的相对吸光值与整个微平板相对吸光值的比值，计算公式为Pi=C － R∑( C － R); C为有碳源的每个孔的光密度值; R 为对照孔的光密度值。

　　土壤微生物群落结构采用磷脂脂肪酸( PLFA)方法进行测定〔17〕，PLFA 的总量和单个 PLFA 的量可以用内标 19: 0 来进行计算。真菌的量用 18: 2ω6表示; 细菌的量用下列脂肪酸总和表示: i14: 0，i15: 0，a15: 0，15: 0，i16: 0，16: 1ω9，16: 1ω7t，i17: 0，a17: 0，17: 0，cy17，18: 1ω7，cy19〔18〕。

　　1． 6 数据分析方法

　　利用 Excel 2003 整理数据，SPSS 中的回归分析研究土壤侵蚀与土壤理化性质及土壤微生物之间的关系。

　　2 结果与分析

　　2． 1 137CS 含量在坡面上的空间分布137Cs 的含量用来表征土壤侵蚀程度，137Cs 的含量越低，表明土壤侵蚀越严重，137Cs 的含量在坡面上不同坡位的分布差异十分显着，不同的植被格局下土壤的侵蚀过程存在差异( 图 2) 。总体来讲，单一植被坡面刺槐林地和撂荒草地137Cs 含量的分布规律较为相似，中坡位和下坡位的含量比较高，而两种林草搭配的坡面上137Cs 含量的分布规律较为相似，在坡顶和下坡位含量较高。
　　
　　2． 2 137Cs 含量与土壤理化性质之间的关系将 4 个不同坡面上不同坡位的137Cs 含量与土壤理化性质进行回归分析后发现，137Cs 含量与土壤有机碳( SOC) 、全氮( TN) 、容重( BD) 和电导率( EC) 之间均存在显着的回归关系( P ＜0． 05) ，R2在0． 277 9 ～ 0． 629 3，但不同的土壤理化性质与137Cs含量之间呈现的最佳拟合方程存在差异，土壤有机碳和全氮为二项式，容重为线性回归方程，而电导率与137Cs 含量之间则为对数方程。土壤侵蚀过程对不同的土壤理化指标影响不同，其中，土壤有机碳、全氮和容重随着137Cs 含量的升高而升高，电导率则随着137Cs 含量的升高而降低。而土壤水分和 pH与137Cs 的含量之间关系不明显( 图 3) 。【图略】

　　2． 3 137Cs 含量与土壤微生物生物量及土壤微生物功能多样性之间的关系土壤侵蚀对土壤微生物生物量没有直接的影响，137Cs 的含量与微生物生物量碳( MBC) 之间无显着的回归关系( 图 4) 。但回归分析显示，土壤侵蚀对微生物功能多样性存在显着的影响，微生物功能多样性指数随着137Cs 含量的增加呈降低趋势( 图 5) 。【图略】

　　2． 4137Cs 含量与微生物菌群之间的关系将137Cs 含量与细菌、真菌、革兰氏阴性菌和阳性菌分别进行回归分析，研究表明，137Cs 含量与土壤微生物生物量之间没有显着的相关关系，但137Cs含量与细菌、革兰氏阴性菌和阳性菌之间均存在显着的相关关系( P ＜0． 05，图 6) ，R2分别为 0． 401 4、0． 341 6 和 0． 388 6，随着137Cs 含量的增加，细菌、革兰氏阴性菌和阳性菌的变化趋势相似，呈现先降低再升高的趋势。137Cs 含量与真菌之间的回归关系未达到显着水平( P ＞0． 05) 。【图略】

　　3 讨 论

　　137Cs 含量与土壤理化性质之间存在显着的相关关系，土壤侵蚀可以直接影响土壤有机碳、全氮、容重和电导率。研究结果与以往的结果相一致，Li等〔8〕发现，137Cs 可以直接定量表示土壤有机碳在坡面上的重新分配;137Cs 和土壤有机碳之间存在显着的正相关关系〔6〕。土壤中密度比较小、粒径比较小的黏粒和砂粒在水土流失过程中比较容易随径流流失，而土壤有机碳主要集中分布在表土层且密度较低，因此，较容易受土壤侵蚀的影响〔19 －20〕。也有研究表明，137Cs 含量与全氮之间没有显着的相关关系，土壤全氮的含量主要受植被的影响〔9〕。

　　土壤微生物在黄土丘陵沟壑区坡面上自坡顶至坡趾存在一定的空间分布规律〔21〕，但本研究中坡面上137Cs 含量和土壤微生物生物量之间未见显着的相关关系。在本研究样地内进行的相关研究发现，土壤微生物生物量与土壤养分之间存在显着的相关关系〔22〕，这也与以往的研究相一致〔23〕，同时，137Cs含量与土壤养分之间也存在显着的相关关系，因此，推断土壤侵蚀对土壤微生物生物量的影响主要是通过影响土壤养分的分布从而间接影响微生物生物量的分布。对137Cs 含量和微生物不同群落进行回归分析发现，土壤侵蚀与细菌菌群之间存在显着的相关关系，关于侵蚀环境下137Cs 含量与土壤微生物之间的关系相关研究较少，结论不是很明确，且土壤微生物与土壤理化性质相比，更易受外界如植被及环境因素的影响，对外界的变化反应更为敏感，因此，还需要更进一步的研究。研究中发现，137Cs 含量与土壤微生物功能多样性指数之间存在显着的负相关关系，很难理解随着137Cs 含量的升高，而微生物功能多样性指数为什么呈降低趋势，但从历史上讲，在植被恢复以前，黄土丘陵沟壑区坡耕地主要分布在侵蚀较难发生、地形较为平坦的坡顶和坡脚位置，而耕作可以明显减少微生物的多样性〔24〕，长期的耕作可以引起土壤干燥，破坏土壤的机械结构，土壤的板结，减少土壤的孔隙度，干扰微生物对食物资源的获取，从而减少微生物的多样性〔25〕。

　　4 结 论

　　通过坡面上137Cs 含量与土壤理化性质和土壤微生物性质之间的关系研究，可以看出，土壤侵蚀过程能够直接影响土壤养分的分布，且对土壤的结构产生影响，对土壤微生物的影响机制较为复杂，主要通过影响土壤性质，改变土壤微生物群落的生长环境和营养物质的含量来影响土壤微生物的繁殖，两者之间的关系还需更深入的研究。