杨树(Populus spp.)、水杉(Metasequoia glyptostroboides)是我国亚热带滨海盐土的重要造林树种, 它们生长快且能耐轻度盐碱, 因此常被作为这一地区复合农林业的理想树种(钟哲科等, 1996)。由于滨海地区处于陆地和海洋的交界处, 自然环境较为恶劣, 自然灾害频繁, 因此复合农林业系统的研究和应用已成为保障这一地区农业持续稳定发展的重要措施。关于林木对小气候调节、改善生态环境等研究已有不少报道, 但关于林木枯落物在复合农林业系统中对土壤微生物的作用, 研究仍很少。

植物枯落物是复合农林业系统中重要的养分来源, 土壤微生物不仅是促进这一养分循环的原动力, 又可作为养分积累和释放的库源(Paul et al., 1992)。不同的树种由于其枯落物成份的差异, 对土壤微生物影响是不一致的。通常认为, 随着枯落物进入土壤, 土壤有机质含量增加, 土壤微生物量增大。但也有不少报道, 一些植物的枯落物会对下层作物的土壤微生物带来不利, 如桉树的叶子含有一些同下层土壤微生物相拮抗的有毒有机物, 不利于土壤的复合经营(Igboanugo, 1998)。因此, 为全面评价和发挥复合农林业系统中林木的功能, 研究林木枯落物分解过程中土壤微生物量动态变化及对土壤微生物量的影响, 对于土壤肥力的保护和持续发展具有重要的意义。本研究选择两种较为常用的复合农林业树种(杨树、水杉)作为研究对象, 研究结果可供复合农林业体系建设参考。

1 试验材料和方法 1.1 试验地点

本试验点设在浙江省上虞市海涂实验农场, 该农场1984年由围垦而成, 位于浙江省杭州湾南岸, 土壤类型为潮土, 系海滨盐土经过改造、垦种、脱盐淡化而成, 土壤全盐量在0.5%~1.2%之间, pH为7.8~8.4, 有机C含量为5.0~13.0 g·kg^-1, 土壤质地为砂质壤土。试验点年均温15~17 ℃, 年降雨量1 150~1 400 mm, 年均日照时数1 900~2 100 h; 由于受海洋和大陆性气候的双重影响, 天气变化频繁, 暴雨、洪涝时有发生, 严重影响农林业生产。

调查和取样点在两条东西走向的主防护林带(杨树和水杉)以及介于两林带间的农田内。杨树和水杉林带各为两行, 行距1.5 m, 株距2 m。杨树为1994年春种植, 平均高11.5 m, 平均胸径10.7 cm, 水杉平均高7.6 m, 平均胸径6.8 cm。两林带间距为200 m, 中间农田的主要作物为棉花和蔬菜。

1.2 室内培养试验

2000-06初在试验林带采集树叶, 并在林带中间农田采集土样, 供室内培养用。树叶采集后用蒸馏水洗净、风干、磨碎, 并过1mm筛。土样在培养前, 加入一定量的蒸馏水, 使土壤保持在田间持水量的50%, 并在25 ℃的恒稳温箱中预先培养1星期。然后再将磨碎的树叶均匀掺入培养土壤中, 放入培养瓶, 瓶口用保湿薄膜封闭, 薄膜上用针刺2~3个小孔, 使培养土壤既能保持湿度, 又能处于通气状态。然后再把培养瓶放入25 ℃恒稳箱中培养。

掺入水杉叶的碳含量为472.0g·kg^-1(以干重为基础), 氮含量为7.13g·kg^-1, 杨树叶碳含量为403.0 g·kg^-1, 氮为6.21g·kg^-1。培养土壤的有机碳含量为6.4 g·kg^-1, 氮0.47 g·kg^-1, pH8.1, 土壤质地为砂质壤土。培养土壤中掺入叶子数量见表 1。每培养瓶中装入约1 kg培养土壤, 每处理重复3次。每隔20 d在培养瓶中取一定的土样, 测定土壤中微生物总量(碳、氮)。

1.3 田间调查

田间调查在2000年5月和10月各进行1次。在林带内林冠下方和两林带间农田用环刀采集0~10 cm层的矿质土壤样品, 带回室内进行测定分析。在土壤微生物C、N测定前, 先在室内培养1个星期(水分含量为田间持水量的50%, 25 ℃)以减少采样和运输过程对土壤微生物带来的影响。

1.4 分析方法

土壤微生物量(C、N)测定采用薰蒸浸提法(Vance et al., 1987), 土壤样品先用无酒精氯仿薰蒸24 h(25 ℃), 然后用0.5 mol·L^-1K₂SO₄溶液浸提, 浸提液中的有机C、N采用碳氮分析仪(IDC Langewiesen)测定。土壤微生物C、N用下列公式换算:

土壤微生物C含量=(FE -C)÷0.38

土壤微生物N含量=(FE-N)÷0.54

FE-C、FE - N为薰蒸土壤和非薰蒸土壤浸提物中有机C、有机N含量之差, 0.38和0.54为换算系数(Brookes et al., 1985)。土壤和叶有机C和全N含量采用燃烧法(自动C、N测定仪, Foss Heraeus Vario EL)。土壤呼吸作用采用碱吸收滴定法, 土壤呼吸商(qCO₂)用下列公式计算(Anderson et al., 1993):

qCO₂ =土壤呼吸强度÷土壤微生物C含量

2 结果与讨论 2.1 室内培养结果

土壤微生物C变化在100 d的培养过程中, 对照样品的土壤微生物C含量变化不大, 培养100 d后只比培养初期(第20 d)下降了14%(表 2)。但各掺入树叶的土壤微生物C含量变动较大。通常来说, 土壤有机C含量增大, 土壤微生物C含量也增大, 但掺入杨树叶的土壤(处理1和2)比掺入相同数量水杉叶的土壤(处理3和处理4)微生物C含量普遍要大, 如处理1土壤和处理3土壤在前40 d的培养中土壤微生物C含量前者要显著高于后者(p =0.05), 而处理2的土壤在100 d的培养中其土壤微生物C含量始终显著地高于(p=0.05)处理4的土壤。比较培养土壤微生物C的变化动态, 掺入杨树叶的土壤微生物C最大值出现在40~60 d的培养过程中, 而掺入水杉叶的土壤出现在第60 d。这些结果表明, 杨树叶子较有利于土壤微生物的增加, 但在掺入初期增加迅速, 这可能同林木叶片中易分解的有机C有关, 随着掺入叶片中易分解有机C的减少, 土壤微生物C含量也减少(Ocio et al., 1991)。

关于不同树叶对土壤微生物C的影响及树叶间的交互影响, 我们曾作以下假设, 如果两试验树叶对土壤微生物量的影响没有交互作用, 则处理5土壤中微生物C含量应该同处理2和4的平均值相一致, 但结果表明(图 1), 处理5的微生物C含量在整个培养过程中都高于处理2和4的平均值, 尤其是在培养前期(20 d)和后期(100 d)。根据Wilcoxon配对比较的非参数分析方法(Statsoft, Inc., 1995)可以得到, 这两个值在整个培养过程中存在着显著的差异(p =0.043), 即处理5的微生物C含量显著高于处理2和4的平均值, 杨树和水杉树叶的混合对提高土壤微生物量具有显著的促进作用。

比较土壤培养100 d后的有机C及微生物C含量(表 3)可以得到, 有机质掺入后随着土壤有机质含量提高, 微生物C与有机C含量之比且下降。掺入水杉叶子的土样这一比值下降较大, 尤其是水杉枯落物土壤掺入比为2:100(处理4)水杉叶的土样, 这一比值下降至2.0%。比较培养100 d后的土壤微生物C含量(表 2), 处理4的微生物C含量同处理3和处理1没有显著性差异(p = 0.05), 这一结果或许同水杉叶子的化学组成有关。随着土壤中水杉叶子含量增加, 抑制土壤微生物增加的物质浓度也增加, 结果土壤有机C含量增加, 没有导致微生物C的增加。而当土壤中同时掺入杨树叶和水杉叶时, 则这种抑制状况能得到改善或消除。

土壤中的微生物C与N培养土壤的微生物C与N含量没有显著的线性相关(图 2(a)), 如果把掺入杨树叶和水杉叶的培养土壤各自进行分析, 则土壤微生物C与N之间存在着很好的相关性(图 2(b), (c))。从相关得到的直线方程还可以推知, 掺入杨树和水杉叶的土壤, 如果土壤微生物C含量一样, 则掺入水杉叶子土壤的微生物N含量较高。这一结果表明, 培养土壤中的微生物群落随着不同树叶的掺入而产生差异, 同水杉树叶分解相联系的土壤微生物群落的N含量要高于同杨树叶子分解相联系的土壤微生物群落。

2.2 田间调查结果

试验土壤的pH值较为一致(表 4), 两次测定值变幅也很小, 而土壤电导率两次测定间变化较大, 尤其是农田土壤。水杉林带土壤表层积累的有机质较大, 全氮含量也较高。这些结果表明林带土壤与农田土壤已表现出一定的差异。

林带内的微生物C含量要高于农田, 这同林带土壤有机质含量有关。但比较微生物C与有机C的比例则农田土壤的这一比值要高于林地土壤, 土壤微生物N含量与全N含量之比也呈现这一趋势。通常来说, 热带亚热带土壤中微生物C占有机C的2%~6%, 微生物N占全N的3%~8%(Bartels et al., 1999; Walters et al., 1991), 这二个参数被认为既是反映土壤经营和气候的重要指标, 又是土壤生态功能变化的重要尺度(Ross et al., 1999; Priha et al., 1997)。本研究土壤的这两个参数都在正常范围内(表 4)。两林带土壤的微生物C与有机C的比例相似, 但水杉林带的微生物N与全N之比要高于杨树林带, 这一结果与室内培养结果相一致。

林地土壤较高的有机C含量与林木枯落物归还量及土壤中的分解速度有关。结合室内培养结果可以认为, 水杉林带土壤有机C的积累与土壤较低的微生物量(微生物C有机C)有着密切的联系。

另外, 林地土壤的呼吸强度要高于农田, 这与土壤较高的微生物含量有关(表 4)。土壤呼吸熵值(qCO₂)是衡量土壤微生物生理生态状况的重要参数, 数值高, 表明土壤有机C利用率低, 土壤微生物处于环境的胁迫状态(Anderson et al., 1993)。温带土壤这一数值范围大致在1~7之间(Anderson et al., 1993; Bartels et al., 1999), 而热带和亚热带土壤至今尚很少有类似的资料。但从本研究的结果看, 这一值似乎较高, 尤其是10月份测定值。这一数值同土壤电导率相一致, 这表明土壤盐分含量对土壤微生物存在着环境胁迫。另外, 林地土壤的qCO₂值也要略大于农田土壤, 林地土壤随着土壤有机质含量的增加, 土壤微生物生理生态状况没有得到改善, 这或许与这一特殊的土壤条件有关。试验土壤pH值较高, 且具有一定的盐含量, 养分含量又不均衡, 因此, 在土壤改良上除了注意有机质这一指标外, 还应重视其它的环境状况和养分元素的平衡如pH, 以促进土壤微生物生理生态状况的改善。

3 小结与建议

室内培养和田间调查结果表明, 在滨海盐土壤杨树和水杉的枯落物分解过程中微生物量表现出不一致性。杨树叶子分解较快, 且对土壤微生物增加较快和明显, 而水杉叶子则分解较慢, 对土壤微生物的增加也较慢, 微生物自身的N含量较高, 有利于土壤有机质的积累。而把水杉叶子同杨树叶子混合在一起, 则有利于水杉林地土壤微生物条件的改善。因此, 若在有机质条件较好的滨海盐土, 可考虑营建以杨树为主的复合农林系统, 而对有机质条件较差的立地, 则应考虑建造以水杉及水杉与杨树相配置的复合农林系统。另外, 根据本研究的土壤微生物生物指标分析, 由于滨海盐土成土条件的特殊性, 土壤环境改良不能只重视有机质这一指标, 还应同其它的一些环境和化学因子如pH值等相结合, 以保证土壤微生物系统的正常发展。