土壤微生物生物量碳及其影响因子研究进展3黄辉(1陈光水(1谢锦升(1黄朝法(2(1.福建师范大学福州350007;2.福建省林业调查规划院福州350003摘要:笔者较为全面地综述了国内外土壤微生物生物量碳的研究成果。
笔者针对土壤微生物生物量碳主要受到碳氮限制、树种类型、土地利用方式、管理措施、土壤湿度和温度、土壤质地等因素的影响,提出了今后的研究应集中在以下几个方面:(1加强不同尺度土壤微生物生物量碳的影响因子及调控机理研究;(2进一步加强不同土壤类型下土壤微生物生物量碳动态及调控机理研究;(3对影响土壤微生物生物量碳高低不确定性的因子进行深入研究;(4加强其他因子对土壤微生物生物量碳影响的研究;(5探讨全球气候变化对土壤微生物生物量碳的影响。
关键词:微生物生物量碳;土壤;影响因子;全球变化Adva nces on Soil Microbial Biomass Ca rbon a nd Its Effect FactorHuang Hui(1Che n Gua ngshui(1Xie J ingsheng(1Huang Chaof a(1(1.Fujia n N or mal U niversity Fuzhou350007;2.Fujian Provincial Forest ry Surveya nd Planning Institute Fuzhou350003Abstract:The aut hors review current knowledge of t he p roperty and deter mination of soil microbial biomass carbon a nd several f act ors cont rolling its dynamics bot h at home a nd abroad.By now,t here are several f ac2 t ors influe ncing soil microbial biomass carbon w hich include inhere nt p roperties of t he soil like texture,mois2 ture and temp erature a nd etc.Besides t hese,external f act ors(C a nd N limitation,sp ecies typ e,ma nageme nt measures and diff ere nces in la nd usealso cont rol on soil microbial biomass carbon.Despite intensive resear2 ches in recent years,t he uncertainties of soil microbial biomass still re main f or f urt her studies:(1St re ngt he2 ning eff ect f act ors of soil microbial biomass carbon a nd its cont rol mecha nism at diff erent scale;(2Payingmore atte ntion t o t he study about soil microbial biomass carbon a nd its cont rol mecha nism;(3Deepe ning re2 search on uncertain f act ors of soil microbial biomass carbon such as te mperature;(4Enhancing e mp hasis t o t he eff ects of ot her f act ors on soil microbial biomass carbon;(5Discussing eff ects of global climatic changes on soil microbial biomass carbon.Key words:microbial biomass carbon;soil;eff ect f act ors;global cha nge土壤微生物生物量是指土壤中体积小于5×103μm3的生物总量,是土壤有机质中最为活跃的组分[1~3]。
其中,微生物生物量碳是其重要的组成部分。
作为土壤活性碳的一部分(图1,虽然只占土壤总有机碳的较小部分1%~4%,但它既可以在土壤全碳变化之间反映土壤微小的变化,又直接3收稿日期:2008-04-20基金项目:旗山学者资助计划(2005003。
作者简介:黄辉(1984~,男,福建福州人,硕士研究生,主要从事森林C、N循环研究。
通讯作者:陈光水(1976~,男,福建仙游人,副教授,硕士生导师,主要从事森林C、N循环研究。
参与了土壤生物化学转化过程,而且是土壤中植物有效养分的储备库,并能促进土壤养分的有效化,因此,在土壤肥力和植物营养中具有重要的作用[4~5]。
随着全球碳循环问题受到广泛关注,微生物生物量碳特别是森林土壤微生物生物量碳日益引起人们的重视。
20世纪70年代以来,随着土壤微生物生物量碳测定方法的不断改进和简化该领域的研究取得了重大进展。
目前,国外有关土壤微生物生物量碳的研究较多,而我国有关森林土壤微生物生物量碳的研究几乎是空白。
鉴于此,本文综述了目前国际上土壤微生物生物量碳研究动态,期望对未来国内开展相关研究有所裨益。
图1土壤活性有机碳库分类通常情况下,土壤微生物生物量(SMB 分为微生物生物量碳(SMBC 、微生物生物量氮(SMBN 、微生物生物量磷(SMBP 和微生物生物量硫(SMBS 等,一般用微生物生物量碳来表示。
目前研究发现,土壤微生物生物量碳受到许多因素的影响,如:碳氮限制、不同树种、土地利用方式、管理措施、土壤湿度和温度、土壤质地等。
碳氮限制大量研究表明,土壤微生物生物量碳与土壤有机碳和全氮之间密切相关[6~9]。
微生物大多数是异养型的,新鲜而易分解的生物有机质的含量往往是决定它们分布和活性的主要因素。
Follett 研究发现,微生物进行周期性的生长,年输入的有机碳大多用于维持微生物的活动。
当有机碳输入受限制时,微生物生物量将利用土壤中现存的活性有机碳直至耗尽为止,随后微生物生物量开始下降[10]。
有学者认为土壤添加了葡萄糖或蔗糖等易分解碳源,则会使微生物的快速繁殖且活性增强,这表明微生物量的大小受到碳有效性的限制[11]。
Kuik 2man et al 报道,当土壤中的矿化氮增加时,微生物群落就开始分解具有较高碳氮比的基质,这表明较高碳氮比的基质的分解率受到氮有效性的限制[12]。
Jonasson et al 证明了北极土壤中无机碳的增加会刺激微生物的活性[13]。
有机质的C/N 比也能影响土壤的微生物生物量碳,有机质的C/N 比低的土壤其单位重量有机质所含的微生物生物量碳高于有机质C/N 比高的土壤,说明有机质的品质对土壤微生物量的影响[14]。
为评价不同生态系统中土壤C 和N 在限制土壤微生物生物量方面的重要性,Wardle 对22种文献中的相关数据进行了分析,结果发现微生物生物量碳与底物的碳、氮成显著正相关,而且微生物生物量碳与底物氮的相关性比与底物碳的相关性来得强,表明大部分生态系统中,土壤氮主要影响微生物生物量碳的大小[15]。
植被类型植被类型对土壤微生物生物量碳有很大影响。
不同的植被类型因其地上部分生物量的差异使输入到土壤中的有机碳量明显不同,植被的种类不同其枯落物的质量也不同,以上两个方面均会影响土壤微生物的活动。
从不同植被对土壤微生物生物量碳影响结果来看,呈现出的一般规律为:植被覆盖地>裸地,阔叶树种>针叶树种,天然林>人工林[16~18]。
Wang et al调查了裸地、竹林、杉木林、柑桔林和水稻田5种不同植被覆盖地土壤微生物生物量碳,结果表明裸地含量最低[16]。
朱志建[17]等比较了亚热带4种最主要的森林植被下土壤微生物量碳含量,从平均值来看,常绿阔叶林最高,为0.338g/kg,杉木林最低,为0.260g/kg。
再则, Wang et al在中国科学院森林生态实验地研究发现,与次生阔叶天然林相比,一代、二代杉木人工林的微生物生物量碳分别减少了47%和54%。
这主要是由于天然林的根系统较庞大,且具有保护性的树冠,使得其与人工林相比,土壤比重更低,养分水平(尤其是N更高,而这种土壤环境更有利于微生物活动,固定更多的碳[18]。
土地利用方式土地利用方式不仅会使得土壤有机质发生变化,在一定程度上也会引起微生物量的波动[19~23]。
多数研究表明,在相似的环境或土壤条件下,土地利用方式的不同对土壤微生物量碳有相当大的影响[24~27]。
例如:J enkinson和Powlson对林地、草地、耕地表层土壤微生物生物量C的测定结果表明,草地和林地土壤微生物生物量C为耕地土壤的2~4倍[24]。
在印度4种土地利用方式(森林、稀树草原、农田和煤矿土壤中,森林土壤微生物生物量C最高(609μg C/g,农田土壤最低(250μg C/g[25]。
王小利等对亚热带红壤低山肯福样区的4种不同土地利用方式表层0~20cm的微生物生物量穗状花序碳含量进行了研究,结果显示,水田>林地>旱地>果园[26]。
Follett 等报道了美国内布拉斯加州西部的高平原区(温带大陆性气候微生物生长的碳有效性随着耕作强度的增加而降低,免耕、残茬覆盖和犁耕地的0~10cm表层土壤微生物生物量分别为天然草地的57%、52%和36%[27]。
不同土地利用方式对土壤表层微生物生物量穗状花序碳的影响机制各不相同。
土地利用方式的不同使得进入土壤的各种物质和数量有明显的差异,同时也易改变土壤水分条件,这可能是导致土壤有机碳和氮素含量差异的原因之一[28]。
有研究表明干湿交替能够显著降低土壤微生物量[29~30]。
旱作方式下频繁发生的土壤干湿交替促进了土壤有机碳和氮素的分解,难以维持较高的微生物量;而淹水状况下,土壤有机碳和氮素的分解较慢,加之有机肥投入量相对较高,且秸秆还田普遍,因此,水田的微生物生物量穗状花序碳明显高于旱地[26~28]。
此外,进入林地表层土壤的枯枝落叶量比通过作物根茬和根系分泌物进入旱地土壤的新鲜有机物要多[26],解释了林地比旱地具有更高微生物生物量穗状花序碳的原因。
而果园有机肥一般施在20~50cm土壤深度内,故其表层土壤微生物活性相对较低[25]。