土壤微生物直接参与养分循环、有机质分解等诸多生态过程，尤其在陆地生态系统C循环中发挥着重要作用(Pascual et al.，2000; Harris，2003; Schipper et al.，2001)。由于微生物对外界胁迫的反应要比植物和动物敏感，因此，微生物群落的大小、组成和活性在不同的管理措施之间差异明显(Bossio et al.，1995; Panikov，1999)。土壤微生物指标已经用来评价退化生态系统中生物群系与恢复功能之间的联系，并能为退化土地恢复提供有用的信息(Harris，2003)。作为反映微生物群落状态和功能的常用指标(Rogers et al.，2001; 谢锦升等，2008)，微生物生物量既是土壤有机碳具有活性的部分，也是土壤速效养分的来源，在土壤发育过程中常随着有机质的积累而增加。微生物生物量与土壤肥力和土壤健康密切相关，可以作为生态学指标来反映人类的活动(Wardle et al.，2004)，也可以反映微生物群落的大小。在受干扰或恢复的生态系统中，微生物生物量在有机质和N素周转中发挥着重要作用(Powlson et al.，1987; Anderson et al.，1993; Rogers et al.，2001)。

衡阳紫色土丘陵坡地面积达16.25万hm²，区域水土流失严重，植被稀疏，基岩裸露，有的区域几乎没有土壤发育层，植被恢复十分困难，是湖南省生态环境最为恶劣的地区之一，也是中国南方极具代表性的生态灾害易发地区(杨宁等，2009a;2010b)。长期以来，该区域通过实施植被恢复及退耕还林还草取得了良好的水土保持效果；但以往研究多集中于有关植被恢复后径流泥沙减少及养分流失等方面(谢庭生等，2005;杨宁等，2009b;2012)，针对该区域植被恢复演替过程中土壤微生物生物量变化的研究相对较少。本研究从土壤微生物学角度研究衡阳紫色土丘陵坡地不同恢复阶段土壤微生物学生物量与土壤养分的演变，为评价该区域的植被恢复效果及土地质量管理提供科学依据。

研究区位于湖南省中南部，湘江中游(110°32′16″—113°16′32″ E，26°07′05″—27°28′24″ N)。属亚热带季风湿润气候，年均气温18 ℃，极端最高气温40.5 ℃，极端最低气温-7.9 ℃；年均降水量1 325 mm，年均蒸发量1 426.5 mm。平均相对湿度80%，全年无霜期286天。地貌类型以丘岗为主，呈网状分布于该区域中部海拔60～200 m的地带，东起衡东县霞流镇、大浦镇，西至祁东县过水坪镇，北至衡阳县演陂镇、渣江镇，南达常宁市官岭镇、东山瑶族乡和耒阳市遥田镇、市炉镇一带，以衡南、衡阳2县面积最大(杨宁等，2014a;2014b)。

结合当地资料，采用“空间序列代替时间序列”方法，在研究区域内选择坡度、坡向、坡位和裸岩率等生态因子基本一致的坡中下部，沿等高线设置有代表性的不同恢复阶段样地:草坡阶段(grassplot，GT)、灌草阶段(meadow thichet，MT)、灌丛阶段(frutex，FX)、乔灌阶段(arbor and frutex，AF)和乔木阶段(arbor，AR)。同时为了研究植被恢复程度，选取与上述样地生态因子相似的坡耕地(sloping farml and ，CK)与顶极阶段(top-level vegetation，TV)为对照样地。这种方法虽然无法保证不同时空气候等环境条件的恒定，但是可以取得较长时间尺度的研究结果，是生态学领域普遍采用的研究方法(杨宁等，2010a;2011;2013c;张继义等，2004)。样地概况见表 1。

表 1 样地概况 Tab.1 General situation of sample plots

表 1 样地概况 Tab.1 General situation of sample plots 样地Plot CK GT MT FX AF AR TV 海拔Elevation/m 135 125 130 135 130 130 125 纬度Latitude(N) 26°42′29″ 26°42′09 26°42′29″ 26°42′29″ 26°36′18″ 26°42′09″ 26°36′18″ 经度Longitude(E) 111°29′27″ 111°29′59″ 111°30′24″ 111°29′27″ 111°30′24″ 111°29′59″ 111°30′24″ 坡向Slope aspect SW15 SW13 SW12 SW10 SW15 SW15 SW12 坡度Slope degree/(°) 30 30 25 25 30 30 25 恢复年限Years/a 0 6 13 20 30 50 — 优势植被Dominant vegetation 玉米Zea mays 狗尾草Setaria viridis 糯米条Abelia chinensis 牡荆Vitex negundo var. cannabifolia,剌槐Robinia pseudoacacia 紫薇Lagerstroemia indica 苦楝Melia azedarach 枫香Liquidamdar formosana

2013年5月，在各样地内分设3个大于1 hm²的独立样地，且在各独立样地内随机设置3个10 m×10 m的样方(各样方间距＞10 m)，在每个样方随机采取5点(0～20 cm)混合取样，去掉土壤中可见植物根系和残体，将土样分为2部分：一部分新鲜土样过2 mm筛后用于测定土壤微生物生物量与呼吸强度；另一部分土壤风干后过筛供测定土壤理化性状等。微生物生物量碳(microbial biomass carbon，MBC)采用氯仿熏蒸-K₂SO₄浸提法测定，转换系数K取0.45(Vance et al.，1987)；微生物生物量氮(microbial biomass nitrogen，MBN)采用氯仿熏蒸-K₂SO₄提取-氮自动分析仪法测定，转换系数K取0.45(Sparling et al.，1993)；微生物生物量磷(microbial biomass phosphorus，MBP)采用氯仿熏蒸-NaHCO₄提取-Pi测定-外加Pi校正法测定，转换系数K取0.40(Brookes et al.，1982)；呼吸强度(respiration intensity，RI)采用碱液吸收法测定(鲁如坤，2000)；土壤密度(soil density，SD)采用环刀法测定，土壤有机碳(soil organic carbon，SOC)测定采用重铬酸钾氧化-外加热法，全氮(total nitrogen，TN)测定采用半微量凯氏法，碱解氮(alkali-hydrolyzable nitrogen，AN)测定采用扩散吸收法，全磷(total phosphorus，TP)测定采用NaOH熔融-钼锑抗显色-紫外分光光度法，速效磷(available phosphorus，AP)测定采用NaHCO₃提取-钼锑抗显色-紫外分光光度法，pH采用电极电位法测定(鲁如坤，2000)。土壤碳氮比(C/N)即SOC(因变量)与TN(自变量)进行回归分析所得的斜率，代谢熵(qCO₂)是呼吸强度与微生物量的比值(RI/MBC)。

采用SPSS 13.0软件进行数据处理与统计分析。采用单因素方差分析法(one-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)比较不同数据间的差异，用Pearson相关系数分析不同因子间的相关系数。所有数据均为3次重复的平均值。

由表 2可知：与坡耕地(CK)相比，在植被恢复至0～6年的GT阶段，SOC和TN没有显著改变；在6～20年的MT和FX阶段，土壤性质迅速改善，在20年时达到第1个高峰，并在20～30年的AF阶段保持相对稳定；在20～30年的AF阶段，除TP显著增加外，C/N，AN和AP均显著下降；在30～50年的AR阶段，土壤性质的改善显著增强，在50年时达到第2个高峰，较坡耕地(CK)SOC，TN，C/N，AN，TP和AP含量的增加幅度分别为299%，181%，42%，278%，7%和108%，而SD降低了14%。但50年时的土壤养分含量与TV阶段相比还存在一定的差距，其中SOC，TN，AN和AP显著低于TV阶段，分别仅为TV阶段的54%，55%，72%和94%，而SD显著高于TV阶段，为TV阶段的132%。

表 2 不同植被恢复阶段土壤理化特征^① Tab.2 Physico-chemical properties of the soils in different re-vegetation stages

表 2 不同植被恢复阶段土壤理化特征① Tab.2 Physico-chemical properties of the soils in different re-vegetation stages 项目Item CK GT MT FX AF AR TV 密度Density/(g·cm-3) 1.22a 1.33b 1.24a 1.20a 1.11ac 1.07c 0.81d pH 8.62a 8.72a 8.66a 8.60a 8.56a 8.54a 8.32a SOC/(g·kg-1) 2.75a 2.88a 3.89b 6.42ac 5.95ac 10.97c 20.23d TN/(g·kg-1) 0.37a 0.36a 0.46ab 0.73b 0.71b 1.04c 1.90d C/N 7.43a 8.00b 8.47b 9.04bc 8.15b 10.55c 10.65c AN/(mg·kg-1) 20.86a 16.99b 35.09ac 57.09d 42.01c 78.78de 109.01e TP/(g·kg-1) 0.55ab 0.49a 0.51ab 0.57ab 0.62b 0.59b 0.61b AP/(mg·kg-1) 1.65a 1.58b 1.88c 3.45d 1.98c 3.44d 3.65e ① 同行不同字母表示差异显著(P＜0.05) Different letters in the same row mean significant difference at 0.05 level. 下同The same below.

由表 3可知：土壤微生物生物量随恢复年限的增加而变化，MBC，MBN和MBP均在20和50年时出现2个峰值，其中MBC在6～13年的MT阶段增加，达到显著水平，50年时的MBC较坡耕地(CK)增加220%，但只有TV阶段的51.41%，MBN在0～6年的GT阶段达显著水平，50年时的MBN较坡耕地(CK)增加216%，但仅为TV阶段的55.55%，MBP在13～20年的FX阶段增加，达到显著水平，50年时的MBP较坡耕地(CK)增加92%，但只有TV阶段的65.78%；MBC/SOC，MBN/TN和MBP/TP的变化规律在13年内的GT与MT阶段均呈现出基本相似的稳定阶段，随后MBC/SOC在13～30年的FX和AF阶段增加，达到显著水平，至30～50年的AR阶段又显著降低，其值为3.71%～4.81%，MBN/TN在13～50年的FX和AR阶段降至显著水平，其值为5.49%～6.67%，MBP/TP在20年出现第1峰值，随后在20～30年的AF阶段显著下降，至50年时又显著增至第2峰值，其值为1.29%～2.20%；在0～13年的GT和MT阶段MBC/MBN显著升高，其值为4.96～5.76，在13～50年的FX和AR阶段，其值基本稳定，略大于7.0；在0～6年的GT阶段，RI较坡耕地(CK)显著增大，至20年达最大，而后又显著减小，至50年其值基本与坡耕地(CK)持平，呈现出“n”形变化规律，与SOC，MBC的变化不同步；qCO₂在恢复的0～20年的GT与FX阶段显著高于坡耕地(CK)，随后显著降低，至50年最低，基本与TV阶段持平。

表 3 不同植被恢复阶段土壤微生物量、呼吸强度与qMB值 Tab.3 Microbial biomass,respiration strengths and qMB values in different re-vegetation stages

表 3 不同植被恢复阶段土壤微生物量、呼吸强度与qMB值 Tab.3 Microbial biomass,respiration strengths and qMB values in different re-vegetation stages 项目Item CK GT MT FX AF AR TV MBC/(mg·kg-1) 127.09a 119.09a 158.98b 308.09c 286.11bc 407.23e 792.13f MBN/(mg·kg-1) 18.09a 23.99b 27.61ac 42.00c 40.18c 57.09d 102.78e MBP/(mg·kg-1) 6.75a 6.69a 6.58a 13.22b 10.56c 14.96d 19.88e MBC/SOC(%) 4.62a 4.14b 4.09b 4.80c 4.81c 3.71d 3.92e MBN/TN(%) 4.89a 6.67b 6.00b 5.75ab 5.66ab 5.49ab 5.41ab MBP/TP(%) 1.23a 1.37a 1.29a 2.32b 1.70ab 2.20b 3.26c MBC/MBN(%) 7.03a 4.96b 5.76ab 7.34a 7.12a 7.13a 7.71a RI/(mg·kg-1d-1) 52.09a 108.98d 120.09c 170.76e 66.08b 54.45a 103.00d qCO2/(mg·g-1h-1) 16.09a 37.08b 31.09c 23.77ac 9.87d 5.78e 5.38e

微生物生物量、呼吸强度与土壤养分、恢复年限的相关分析(表 4)表明:MBC，MBN与MBP之间呈极显著正相关(P＜0.01)，MBC，MBN，MBP与SOC，TN，AN，TP与恢复年限呈显著或极显著正相关(P＜0.05或 P＜0.01)， qCO₂与恢复年限，TN，TP呈显著或极显著负相关(P＜0.05或 P＜0.01)，恢复年限与SOC，TN，TP呈显著或极显著正相关(P＜0.05或 P＜0.01)。

表 4 土壤微生物量、呼吸强度和qCO₂与养分因子的相关性^① Tab.4 Correlations among microbial biomass, respiration, qCO₂ and soil nutrients

表 4 土壤微生物量、呼吸强度和qCO2与养分因子的相关性① Tab.4 Correlations among microbial biomass, respiration, qCO2 and soil nutrients 项目Item 微生物量碳MBC 微生物量氮MBN 微生物量磷MBP 呼吸强度RI 代谢熵qCO2 恢复年限Years 微生物量氮MBN 0.972** 微生物量磷MBP 0.946** 0.921** 呼吸强度RI -0.023 -0.015 0.132 代谢熵qCO2 -0.664* -0.558 -0.309 0.448 恢复年限Years 0.879** 0.880** 0.558 -0.567 -0.912** 土壤有机碳SOC 0.899** 0.991** 0.897** -0.018 -0.505 0.805* 全氮TN 0.991** 0.980** 0.896** -0.069 -0.689* 0.900** 碱解氮AN 0.900** 0.945** 0.932** 0.332 -0.458 0.511 全磷TP 0.678* 0.632* 0.698* -0.321 -0.888** 0.598* 速效磷AP 0.551 0.457 0.543 0.432 -0.333 0.456 ① **: P＜0.01； *: P＜0.05.

植被恢复可以通过根系分泌物和残体向土壤提供C，N，影响土壤物质循环，增加土壤养分含量，改善土壤性质(杨宁，2014a;Rutigliano et al.，2004)。在研究中，植物的生长特性导致土壤养分的改善，并呈现出一定的规律性，在0～6年的GT阶段，地表裸露较大，土壤水分蒸发强烈，抑制了土壤酶活性，加之生物量低，凋落物少，水土流失相对较强，养分和有机质低下，土壤性质没有显著改善或略有降低(杨宁等，2013d)；在6～20年的MT与FX阶段，植物迅速生长增加了植被覆盖度，减少了径流、泥沙及养分的流失，而根系的分泌物和枯枝落叶增加了土壤有机物质的输入，土壤性质显著改善，在20年时达到第1个高峰(杨宁等，2013a)；在20～30年的AF阶段，植物生理机能衰退，生长减慢，土壤养分积累下降；在30～50年的AR阶段，原来植物开始衰败，多年来对土壤的改善有利于植被的更新，土壤的生物学环境得到改善，促进了土壤团聚体和地表结皮的形成，降低土壤养分的分解速度，使土壤易于抵抗水蚀和风蚀，土壤性质改善显著，在50年时达到第2个高峰，基本呈现出“W”形的变化规律，与Garcia等(2002)和Gil-Sotres等(2005)的研究结果基本一致。

C/N是表征土壤微生物生长是否受到C限制或N限制的重要指标，影响到土壤微生物的群落结构。当土壤C/N≥30和C/N≤20时，土壤微生物生长分别受到氮源和碳源的限制，而C/N=25时对土壤微生物生长最有利(张利青等，2012)，在衡阳紫色土丘陵坡地的植被恢复过程中，C/N处于7.43～10.65之间(表 2)，说明 C源供给数量是土壤微生物生长的主要限制因子。

土壤微生物生物量反映微生物群落的容量及活性，受植被凋落物、植物残体及根系分泌物的影响较大，能更敏感地反映土壤养分的变化(杨宁等，2013b;Pascual et al.，2000)。此外，土壤微生物生物量可以指示土壤中C，N的固定程度，养分矿化导致土壤微生物生物量降低，养分固定导致微生物生物量上升(McGill et al.， 1986)。Wardle等(2004)指出微生物生物量在演替的中间阶段达最大值，并与树的基面积达到最大值的时间一致。Jia等(2005)研究表明，微生物生物量随恢复年限而增加，在17年达到峰值，而后下降，最后保持在一个相对平稳的水平。本研究结果与之基本相似，所不同的是土壤微生物生物量在20和50年时出现2个峰值。这是因为：坡耕地(CK)由于人类的频繁干扰，表土侵蚀严重，有机物质矿化加剧，导致微生物生物量低下，随着植被的恢复，集中在表层的凋落物增多，根系密度、根系生物量和分泌物增加，促进了土壤微生物的生长，提高了土壤微生物生物量，在20年时微生物生物量出现第1个峰值(杨满元等，2013)；演替后期，先锋物种为植物群落的拓殖与更替提供了良好的生态环境，促进后续物种的生长、发育和群落演替进程，生态系统趋于良性发展，微生物生物量在50年时达到第2个峰值。

植被恢复过程中，MBC/SOC，MBN/TN和MBP/TP指标的变化比养分和微生物生物量的变化更稳定，表现出更平滑的变化趋势。衡阳紫色土丘陵坡地植被恢复后MBC/SOC，MBN/TN和MBP/TP的值分别为3.71%～4.81%，5.49%～6.67%和1.29%～2.32%(表 3)，Zeller等(2001)研究报道MBC/SOC，MBN/TN和MBP/TP的值分别为0.27%～7.0%，2.0%～6.0%和0.5%～8.5%；本研究与其研究结果相似，但MBC/SOC，MBN/TN相对偏高，MBP/TP相对偏低。衡阳紫色土丘陵坡地SOC与N素贫瘠，微生物代谢功能期短，要维持植物生长所需要的C源与N源等营养物质，必须提高MBC/SOC，MBN/TN的值来维持高的代谢能力。

土壤微生物熵(qMB)是MBC与SOC的比值，可用来表示土壤质量的变化过程，预测SOC的长期变化，表征土壤退化和恢复情况，比养分和微生物的变化更稳定。该值较高意味着SOC活度较高，与SOC含量相比，其与土壤质量关系更为密切(陈璟等，2013a； 2013c)。在坡耕地(CK)中，惰性SOC少，qMB较高(4.62%)； 在0～13年的GT与MT阶段，惰性SOC开始积累导致SOC只有较少部分供应土壤微生物，qMB降低(4.09%～4.14%)； 在13～30年的FX与AF阶段，惰性SOC积累进一步加强，为满足植被所需营养物质，提高qMB(4.80%～4.81%)以维持高的有机物代谢与物质循环； 至30～50年的AR阶段，虽然MBC的绝对量最大(407.23 mg·kg^-1)，但SOC活度较低，导致qMB显著降低(3.71%)。

MBC/MBN可以反映土壤微生物种类和区系，一般情况下，细菌的MBC/MBN在5/1左右，放线菌在6/1左右，真菌在10/1左右(陈璟等，2013a)。在0～13年的GT与MT阶段，MBC/MBN在4.96～5.76之间，在13～50年的FX至AR阶段，MBC/MBN在7.12～7.34之间，说明在0～13年土壤细菌数量在微生物总数所占的比例高于其他恢复阶段，植被凋落物与根系物质分解过程诱导微生物区系发生变化，从而促进演替进程的发展。

本研究发现，RI与SOC，MBC的变化不同步，相关系数分别为-0.018，-0.023。Sparling(1981)认为RI代表了活性MBC的部分，Anderson等(1985)则认为呼吸代表了整个微生物群落的活性，包括休眠和未休眠状态的微生物群落，一般认为土壤中微生物大部分处于休眠状态，只有一小部分对呼吸有贡献。另有学者(陈璟等，2013b)认为土壤微生物的活动受土壤温度、土壤养分状况以及植物根系与土壤微生物对土壤养分的竞争状况等影响，同时也说明了SOC，MBC不是影响RI变化的唯一生态因子。

qCO₂是表征土壤微生物活性的一个敏感指标，反映了土壤微生物对基质的利用效率，其值越低表示土壤微生物对基质的利用效率越高(陈璟等，2013a； 2013c)。本研究中，坡耕地(CK)受人为干扰频繁，养分矿化加剧，微生物生存压力较大，必须付出额外的维持能以维持正常生命活动，因而qCO₂较高(16.09 mg·g^-1h^-1CO₂-C)； 0～20年的GT，MT和FX阶段，植被处于快速恢复期，对有效的养分需求量较大，微生物必须加快对养分固定来满足植物生长的需要，导致微生物体的周转率加快，qCO₂升高(23.77～37.08 mg·g^-1h^-1CO₂-C)； 20～50年的AF与AR阶段，微生物所受的胁迫减小，qCO₂降低(5.78～9.87 mg·g^-1h^-1CO₂-C)，低qCO₂可以保证高的代谢效率，使土壤有充足的活性SOC，能维持较好的土壤性状与可持续利用潜力。

本研究中，土地质量的改善与恢复年限显著相关，说明在衡阳紫色土丘陵坡地可在一定程度上依靠植物的自肥能力来提高土地质量。研究还发现，在20～30年的AF阶段，植物生长减缓，群落衰退，土壤养分积累呈下降趋势，50年的土壤质量虽然高于坡耕地(CK)，但远低于顶极阶段(TV)，回归结果显示，植被恢复过程中SOC，TN，TP，MBC，MBN和qCO₂的年增长量分别为0.123 g·kg^-1，0.011 g·kg^-1，0.003 g·kg^-1，5.187 mg·kg^-1，0.586 mg·kg^-1和 -0.449 mg·g^-1h^-1CO₂-C，据此估计，坡耕地(CK)的土地质量要恢复到TV阶段，SOC，TN，TP，MBC，MBN和qCO₂分别需要146，124，50，119，128和49年，因此，必须从生态重建的高度，科学引入后续物种，促进植物群落的拓殖与更替，以加速该区域的生态恢复进程。