土壤微生物对土地利用、管理措施、耕作和肥力水平等外界条件的变化十分敏感，它的分布与活动可以反映环境、生物因子对微生物的分布习性、群落组成、种群演替及其功能的影响(刘满强等，2003;Bucher et al.， 2005)。土壤微生物量碳、氮是植被所需碳、氮重要的“源”或“库”，是公认的综合评价土壤质量或肥力的重要指标，也是土壤生态系统变化的预警及敏感指标(Friedel et al.， 1996;漆良华等，2009)。土壤微生物对土壤温室气体(CO₂、CH₄和N₂O等)的排放亦具有重要作用，如：森林土壤中微生物参与下的硝化和反硝化作用是N₂O产生的主要过程，约占生物圈释放到大气中N₂O总量的90%(Bouwman，1990)。由于由人类活动引起的土地利用及覆盖变化是影响土壤碳库和氮库的最直接因子，故目前大多数学者主要集中研究不同土地利用方式下的土壤温室气体排放，但忽略了退耕后人工林的土壤改良效果及维持与改善土壤肥力的主导限制因子，导致经营措施存在一定的盲目性。

刺槐(Robinia pseudoacacia)适应范围广，集用材、饲料、蜜源、薪炭于一身，且根蘖性强，具根瘤固氮、提高地力之效，是退耕还林及荒山绿化的首选与先锋树种。众多研究表明：刺槐林具有显著提高土壤有机质、氮、磷、钾等含量的作用(张社奇等，2008；刘栋等，2012)，对土壤的改良作用显著优于侧柏(Platycladus orientalis)、荆条(Vitex negundo var.heterophylla)、毛白杨(Populus tomentosa)、沙棘(Hippophae rhamnoides)、油松(Pinus tabulaeformis)、柠条(Caragana korshinskii)和沙打旺(Astragalus adsurgens)等植被(胡婵娟等，2009；董莉丽等，2011)。刺槐一直是华北山地生态工程的主要造林树种之一。目前，对该区刺槐林的土壤改良效应和生物肥力尤其是土壤微生物量的动态变化尚缺乏系统研究，更未见刺槐林地与自然恢复植被土壤改良作用比较的研究。本文以农田为对照，研究退耕后的刺槐林地和近自然恢复植被土壤微生物量碳、氮含量的季节变化，旨在为该区退耕还林及后期管理决策提供科学依据，并为深入研究刺槐林地碳、氮循环及温室气体排放提供研究基础。

试验地位于黄河小浪底森林生态系统定位研究站(35°01′N，112°28′E)站区内。该站地处河南省济源市境内的太行山南段与黄河流域的交接处，定位站中心地区海拔410 m。属暖温带大陆性季风气候，年均气温12.4～14.3 ℃，年日照时数2 367.7 h，年均降水量641.7 mm，年平均蒸发量为1 611.2 mm，无霜期历年平均213.2天，试验区林分以人工林为主，刺槐为代表性树种之一。本研究选取样地均为半阳坡中部的退耕还林地，土壤类型为褐土。其中，农田轮作作物为小麦(Triticum aestivum)—绿豆(Vigna radiata)；自然恢复植被经12年自然演化，已形成以构树(Broussonetia papyrifera)为主，乔、灌、草相结合的群落结构；2个刺槐林样地的树龄分别是10和43年。

分别于2012年的春(3月28日)、夏(7月4日)、秋(10月1日)、冬(12月1日)，从农田(Farm l and ，FL)、自然恢复植被(naturally restored vegetation，NRV)、10年生刺槐(RP10)和43年生刺槐(RP43)4个样地取样，各样地设3个样方重复，每个样方面积100 m²。每个样方按S型布设9个样点，每个样点挖取土壤剖面，除去表层枯枝落叶，分0～5，5～10，10～20 cm 3层，分别取等量土壤混合均匀，剔除石砾、植物残根等，迅速带回实验室过直径2 mm筛，于4 ℃冰箱保存备用。

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，土液比为1 :4，浸提液中有机碳含量采用FeSO₄溶液滴定法测定，转换系数K_EC取0.38；浸提液中有机氮含量采用茚三酮比色法测定，转换系数m取5.0(李振高等，2008)。

用WPS 2013和DPS 7.05统计软件处理和分析数据，采用LSD法检验不同处理间差异显著性。

各植被不同季节微生物量碳含量均随土壤深度增加而逐渐下降，4个样地0～5 cm土壤微生物量碳含量四季均值均显著高于下层土壤(图 1A)。各植被0～5 cm土壤微生物量碳含量季节动态变化明显，10和43年生刺槐林微生物量碳含量分别在春季和夏季最高，四季变幅分别为130.73～305.63，310.91～477.09 mg ·kg^-1，且43年生刺槐林微生物量碳含量在四季均显著高于10年生刺槐林，前者是后者的1.33～2.38倍。农田和自然恢复植被0～5 cm微生物量碳均在秋季最高，变幅分别为222.13～478.92，281.87～516.54 mg ·kg^-1(图 1B)。不同植被土壤微生物量碳含量的变幅在5～10 cm和10～20 cm 2个土层相似(图 1C，1D)。对5～20 cm土层，10和43年生刺槐林的微生物量碳含量均低于农田和自然恢复植被。

图 1 不同样地土壤微生物量碳含量动态 Fig. 1 Dynamics of microbial biomass carbon in soil with different vegetations A: 各土层土壤微生物量碳 变化的四季均值 Dynamic of seasonal mean microbial biomass carbon with different soil layer in four seasons; 0~5 cm,5~10 cm,10~20 cm土层土壤生物量碳的季节动态 Seasonal dynamics of microbial biomass carbon in 0～5 cm，5～10 cm， 10～20 cm soil layer，respectively. FL: 农田 Farm land； NRV: 自然恢复植被Natural restoration vegetation； RP10: 10年生刺槐 R. pseudoacacia 10-year-old； RP43: 43年生刺槐 R. pseudoacacia 43-year-old.下同。 The same below.

农田、自然恢复植被、10和43年生刺槐林地0～20 cm土层微生物量碳含量四季均值分别为251.94，290.68，150.66和197.34 mg ·kg^-1。自然恢复植被的微生物量碳含量四季均值最高，分别是农田、10和43年生刺槐林的1.15，1.93倍和1.47倍；10和43年生刺槐林的微生物量碳含量四季均值均低于农田，分别是农田的0.60和0.78倍；43年生刺槐林的微生物量碳含量是10年生刺槐林的1.31倍(图 1A)。

与土壤微生物量碳相同，土壤微生物量氮含量也随土深增加而下降。除农田外，其他3个样地0～5 cm土壤微生物量氮含量四季均值均显著高于下层土壤(图 2A)。43年生刺槐林、10年生刺槐林和农田0～5 cm土壤微生物量氮含量均在夏季最高，其四季变幅分别为51.31～162.46、34.13～76.42和17.62～51.72 mg ·kg^-1。自然恢复植被0～5 cm微生物量氮含量春季最高，四季变幅为65.06～95.30 mg ·kg^-1(图 2B)。不同植被微生物量氮含量的四季变幅大小在5～10 cm和10～20 cm两个层次相似(图 2C，2D)。

	图 2 不同样地土壤微生物量氮含量动态 Fig. 2 Dynamics of microbial biomass nitrogen in soil with different vegetations A: 各土层土壤微生物量氮 变化的四季均值Dynamic of seasonal mean microbial biomass nitrogen with different soil layer in four seasons; B: 0～5,5～10,10～20 cm土壤微生物量氮季节动态 Seasonal dynamics of microbial biomass nitrogen in 0-5, 5-10 and 10-20 cm soil layer,respectively.

农田、自然恢复植被、10和43年生刺槐林地0～20 cm土层微生物量氮含量四季均值分别为30.95、46.46、36.55和45.27 mg ·kg^-1。在0～20 cm土层中，自然恢复植被微生物量氮含量最高，分别是农田、10和43年生刺槐林微生物量氮含量的1.50、1.27倍和1.03倍；43年生刺槐林的微生物量氮含量是10年生刺槐林和农田的1.24和1.46倍(图 2A)。

从表 1可知，各植被样地不同层次土壤微生物量碳氮比均有明显季节差异，其中，农田和自然恢复植被季节性差异远大于10和43年生刺槐林。农田、自然恢复植被、10和43年生刺槐林不同层次的碳氮比四季变幅分别为3.50～16.08，4.32～16.80，0.94～11.90，2.07～11.34，其季节均值分别为8.64，6.26，4.12和4.36。其中，10，43年生刺槐林碳氮比是农田的0.48和0.50倍，是自然恢复植被的0.66和0.70倍。

表 1 土壤微生物量碳氮比季节变化 Tab.1 Seasonal variation of soil microbial biomass C-N ratio

表 1 土壤微生物量碳氮比季节变化 Tab.1 Seasonal variation of soil microbial biomass C-N ratio 植被类型 Vegetation type 土层 Soil layer/cm 春季 Spring 夏季 Summer 秋季 Autumn 冬季 Winter 均值 Mean FL 0～5 5～10 10～20 13.62±5.76a 14.35±2.43a 15.68±9.15a 5.23±0.35a 5.40±0.26b 3.93±0.56b 16.08±2.46a 14.88±2.15a 14.10±0.77a 16.08±0.20ab 14.88±0.58b 14.10±1.99a 8.64 NRV 0～5 5～10 10～20 4.32±0.13b 5.43±0.66b 4.97±0.10b 4.33±0.20b 13.52±2.49a 16.80±25.72a 6.81±0.31b 11.78±1.70b 15.62±0.82a 6.81±1.03a 11.78±0.51a 15.62±1.86a 6.26 PR10 0～5 5～10 10～20 6.43±0.31b 4.43±0.05b 11.9±3.78b 3.71±0.72bc 7.78±0.13b 8.20±1.32b 4.04±1.38b 2.92±0.79c 2.30±0.91b 4.04±0.37bc 2.92±0.60bc 2.30±0.56a 4.12 RP43 0～5 5～10 10～20 6.54±0.16b 6.86±0.52b 6.35±0.62b 2.94±0.41c 7.25±2.18b 11.34±9.00b 6.22±1.30b 2.07±0.18c 3.13±1.33b 6.22±0.69c 2.07±0.79c 3.13±0.71b 4.36

农田、自然恢复植被、10和43年生刺槐林不同土层的有机碳含量分别为107.21～119.21，106.67～209.70，108.43～218.64和104.46～255.74 mg ·kg^-1，其均值分别为111.81，138.92，163.30和160.67 mg ·kg^-1(表 2)。微生物量碳对0～20 cm各样地土壤有机碳贡献率分别为1.59～2.20，1.95～2.11，1.40～1.67和0.89～1.59%(表 3)，各样地平均贡献率排序依次为：NRV>FL>RP10>RP43。

表 2 不同植被样地土壤春季有机碳和全氮的含量 Tab.2 Organic carbon and total nitrogen content of the soils with different vegetation in spring

表 2 不同植被样地土壤春季有机碳和全氮的含量 Tab.2 Organic carbon and total nitrogen content of the soils with different vegetation in spring 土层 Soil layer/cm FL NRV RP10 RP43 有机碳 Organic C/ (mg·kg - 1) 0～5 5～10 10～20 119.21±21.47c 109.01±11.00b 107.21±18.97a 209.70±5.21b 123.97±0.84ab 106.67±4.03a 218.64±19.98b 136.38±15.68a 108.43±5.25a 255.74±11.74a 121.80±15.26ab 104.46±6.26a 全氮 Total N/(g·kg - 1) 0～5 5～10 10～20 1.20±0.07b 1.25±0.07a 1.21±0.11a 1.81±0.13b 1.12±0.17a 1.03±0.06b 1.56±0.16b 1.16±0.08a 1.09±0.13ab 3.29±0.97a 1.23±0.26a 0.89±0.12c

表 3 春季微生物量对土壤营养库的贡献率 Tab.3 The contribution of microbial biomass to soil nutrient pool in spring

表 3 春季微生物量对土壤营养库的贡献率 Tab.3 The contribution of microbial biomass to soil nutrient pool in spring 土层Soil layer/cm FL NRV RP10 RP43 微生物量碳/有机碳 MBC/OC(% ) 0～5 5～10 10～20 1.85 2.20 1.59 1.96 2.11 1.95 1.40 1.54 1.67 1.59 1.23 0.89 微生物量氮/全氮 MBN/TN(% ) 0～5 5～10 10～20 1.74 1.43 0.47 6.12 4.97 4.75 3.81 4.80 1.87 2.33 2.26 1.96

农田、自然恢复植被、10和43年生刺槐不同层次的土壤中全氮含量分别为1.20～1.25，1.03～1.81，0.89～3.29和1.09～1.56 g ·kg^-1，其均值分别为1.22，1.32，1.27和1.80 g ·kg^-1(表 2)。微生物量氮对0～20 cm各样地全氮贡献率分别为0.47～1.74，4.75～6.12，1.87～4.80和1.96～2.33%(表 3)，各样地平均贡献率排序依次为：NRV>RP10>RP43>FL。

从表 4可知，土壤微生物量碳、氮之间具有显著相关性，它们与土壤全氮、有机质和速效钾含量也相关显著；除此之外，土壤微生物量碳还与土壤硝态氮含量相关显著。这说明土壤营养与微生物量碳、氮之间具有相互影响的复杂关系。

表 4 土壤微生物量碳、氮含量之间及其与土壤养分含量的相关系数^① Tab.4 Correlation coefficients between soil microbial biomass(C, N)and soil nutrients contents

表 4 土壤微生物量碳、氮含量之间及其与土壤养分含量的相关系数① Tab.4 Correlation coefficients between soil microbial biomass(C, N)and soil nutrients contents 硝态氮Nitrate-N 铵态氮Ammonium-N 全氮Total N 有机质Organic matter 速效磷Available P 速效钾Available K 微生物量碳Microbial biomass C ①* , **:分别表示相关性显著(P<0.05) 和极显著(P<0.01) Indicate significant correlation at 0.05 and 0.01 level, respectively. 微生物量碳Microbial biomass C 0.62* 0.3 0.78** 0.71** 0.08 0.90** 1 微生物量氮Microbial biomass N 0.43 0.26 0.57* 0.53* -0.34 0.64* 0.85**

1)森林土壤微生物量碳、氮与土壤养分的关系土壤微生物量变化受温度、湿度、土壤理化性质、植被、土层深度等因素影响。本研究表明，土壤微生物量碳、氮含量均与土壤全氮、有机质和速效钾含量显著正相关，此外，微生物量碳还与土壤硝态氮显著正相关，土壤微生物量碳、氮之间也极显著正相关。这说明微生物量碳、氮含量可反映土壤营养状况(多祎帆等，2012;胡嵩等，2013)；同时，提高土壤全氮、有机质、速效钾等含量，亦可有效促进土壤微生物活性。各样地土壤微生物量碳、氮均随着土层加深而减少，这是由于土壤表层积累了较多枯枝落叶和腐殖质，营养源较丰，水热条件和通气状况好，随着土层加深，通透性变差，养分减少，限制了土壤微生物活动(张威等，2012;刘爽等，2010)。

2)土壤微生物量碳、氮季节动态在不同森林生态系统中，由于各种生态因子作用及关键生态因子的不同，土壤微生物量碳、氮的季节波动可能差异显著。同一植被在不同海拔、土层及演替阶段的土壤微生物量季节波动也有很大差异(杨凯等，2009;Devi et al.， 2006)。胡婵娟等(2011)研究发现刺槐林地微生物量碳在夏、春季较秋季高，草本自然恢复植被微生物量碳含量在秋季最高。本研究结果与该报道基本一致，即：10年生和43年生刺槐林微生物量碳含量在春、夏季高，在秋季和冬季降低；但农田和自然恢复植被微生物量碳含量在秋季最高。这可能是因为春夏季节刺槐生长旺盛，大量根系分泌物给微生物带来了丰富营养；自然恢复植被具有丰富的1年生草本植物，其根系寿命比树木根系短，虽然地上有机物质的输入较少，但秋季根系死亡为微生物提供了更多可利用资源。除自然恢复植被外，其他样地微生物量氮含量均在夏季最高，这与胡婵娟等(2011)和Singh等(1989)的研究结果一致。

3)退耕还林刺槐林对土壤肥力的培育植被恢复有利于土壤生物学特性改善，在众多植被恢复模式中，刺槐林生态效应最为明显(张笑培等，2010)。随着刺槐年龄增加，有机质输入增多，供微生物利用的碳氮源增大，微生物活性和微生物量升高(薛萐等，2007)。张笑培等(2010)研究发现，30年生刺槐林土壤生物学特性优于20和5年生刺槐林。薛萐等(2007)研究表明，在生态恢复过程中，刺槐林土壤微生物量变化在10～15年后达到显著水平；恢复50年的刺槐林微生物量碳、氮、磷较坡耕地分别增加213%，201%和83%。本研究也表明土壤微生物量碳、氮含量随刺槐树龄增大而升高，43年生刺槐林0～20 cm土层的微生物量碳、氮含量是10年生刺槐林的1.31和1.24倍。且43年生刺槐林土壤中有机碳和全氮含量分别是10年生刺槐的0.98和1.42倍，分别是农田的1.44和1.48倍。这表明退耕还林刺槐林地可以改善土壤的营养状况和生物活性，且树龄越大，土壤越肥沃。

微生物量碳氮比在一定程度上可反映土壤微生物的种类和区系组成(黄昌勇等，2000)，细菌、放线菌和真菌的碳氮比一般在5 :1，6 :1和10 :1左右(陈国潮等，1998)。本研究中10和43年生刺槐林土壤微生物量碳氮比值分别为4.12和4.36，远低于农田的8.64，且刺槐林微生物量碳氮比季节变幅较小，表明刺槐土壤中细菌菌群尤其是固氮根瘤菌可能在全年占有优势。这与不同植被土壤中微生物菌数测定结果一致，刺槐林地土壤细菌为优势菌，农田土壤中放线菌为优势菌，而近自然恢复植被土壤中真菌为优势微生物(田丽青，2014)。

4)自然恢复植被对土壤肥力的培育本研究的自然恢复植被经过长期自然演化，乔、灌、草植被丰富，枯枝落叶较多，使土壤营养特别是微生物量碳、氮含量丰富。何云等(2013)研究表明，草本植物能迅速增加土壤微生物数量，林草复合模式可显著增加土壤微生物量碳含量。本试验结果显示自然恢复植被0～20 cm土层的微生物量碳氮含量四季均值最高，其微生物量碳含量分别是10和43年生刺槐林的1.93和1.47倍，微生物量氮含量分别是它们的1.27和1.03倍。

微生物量对土壤营养库的贡献率高说明有较多营养被微生物固定，从而成为潜在营养源(杨成德，2007)。Zeller等(2001)报道，土壤微生物量碳、氮含量占有机碳、全氮的比例分别为0.27%～7.0%和2%～6%。本研究表明自然恢复植被春季的微生物量碳氮对土壤营养库的贡献率均高于其他样地，其微生物量碳对土壤有机碳的贡献率分别是10和43年生刺槐林的1.31和1.63倍；微生物量氮对全氮贡献率分别是10和43年生刺槐林的1.51和2.42倍。这表明自然恢复植被土壤中有较多营养被微生物固定，这主要是因为该样地灌、草植被丰富，土壤微生物活性较强。

由土壤中微生物量碳、氮含量及其对土壤营养库的贡献率可知：退耕还林应注重乔、灌、草合理配置，自然恢复更利于改善土壤微生物的结构和功能。

本研究表明不同植被土壤微生物量碳、氮含量季节变化差异显著。土壤微生物量碳、氮含量随刺槐树龄增大而升高，43年生刺槐林0～20 cm土层的微生物量碳、氮含量均值分别是10年生刺槐林的1.31和1.24倍，分别是农田的0.78和1.46倍。自然恢复植被0～20 cm土层的微生物量碳、氮含量四季均值最高，其微生物量碳含量分别是农田、10和43年生刺槐林的1.15，1.93和1.47倍，微生物量氮含量分别是它们的1.50，1.27和1.03倍。土壤微生物量碳氮比由高到低依次为农田、自然恢复植被、43和10年生刺槐。土壤微生物量碳对土壤有机碳贡献率由高到低依次为自然恢复植被、农田、10和43年生刺槐林，而土壤微生物量氮对土壤全氮的贡献率由高到低依次为自然恢复植被、10和43年生刺槐林、农田。各样地土壤微生物量碳、氮含量之间具有显著相关性，它们与土壤全氮、有机质和速效钾含量也相关显著；除此之外，土壤微生物量碳还与土壤硝态氮含量相关显著。