全 文 ：中国生态农业学报 2014年 7月 第 22卷 第 7期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Jul. 2014, 22(7): 766−773


* “十二五”农村领域国家科技计划课题(2012BAD15BO4-3)资助
** 通讯作者: 倪九派, 主要从事土壤肥力与生态、水土保持研究。E-mail: nijiupai@163.com
张洋, 专业方向为土壤质量与环境。E-mail: zhy2198@163.com
收稿日期: 2014−03−28 接受日期: 2014−05−19
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2014.40377
三峡库区紫色土旱坡地桑树配置模式对土壤
微生物生物量碳氮的影响*
张 洋 倪九派** 周 川 樊芳玲 谢德体
(西南大学资源环境学院 重庆 400716)
摘 要 为探讨评价三峡库区紫色土旱坡地土壤肥力及土壤质量的生物学指标, 本试验研究了三峡库区典型
水土保育模式——桑树护坡对土壤微生物生物量碳氮的影响。试验共设横坡农作、双边桑树+横坡农作、等高
桑树+双边桑树+横坡农作及四边桑树+等高桑树+横坡农作 4 个处理。结果表明, 不同坡长及桑树布局间土壤
微生物生物量碳氮差异显著; 双边桑树+横坡农作处理能够显著降低土壤微生物生物量氮对土壤氮库的贡献,
使土壤微生物生物量碳平均提高 23.43 mg⋅kg−1; 而四边桑树+等高桑树+横坡农作处理却能够显著降低土壤微
生物商, 使土壤微生物生物量氮平均提高 21.81 mg⋅kg−1。此外，在横坡农作处理中土壤微生物生物量碳氮与
土壤碳氮具有极显著相关性, 而在旱坡地桑树系统中, 土壤微生物生物量碳氮与土壤碳氮相关性大多不显著。
由此可知, 旱坡地农桑配置模式在一定程度上可以提高土壤微生物生物量碳氮, 但不同桑树布局对土壤微生
物生物量碳氮在三峡库区紫色土旱坡地桑树系统中的维持能力并不一致, 将微生物生物量碳氮作为紫色土旱
坡地土壤质量演变的评价指标值得商榷。
关键词 紫色土旱坡地 水土保育模式 桑树护坡 土壤肥力评价 微生物生物量碳氮 微生物商 三峡库区
中图分类号: S152.7; S363 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2014)07-0766-08
Effects of configuration mode of crop-mulberry system in purple arid hillside
field on SMBC and SMBN in the Three Gorges Reservoir
ZHANG Yang, NI Jiupai, ZHOU Chuan, FAN Fangling, XIE Deti
(College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400716, China)
Abstract To explore the biological indices of soil fertility and quality evaluation of purple arid hillside field in the Three
Gorges Reservoir of China, the contents of soil microbial carbon (SMBC) and soil microbial nitrogen (SMBN) in
crop-mulberry agro-forest system in purple arid hillside field in the Three Gorges Reservoir was studied. The study used the
arid hillside crop field protected by mulberry as a typical soil and water conservation mode to determine the biological indices
of soil fertility and quality. The experiment consisted of four treatments, which were CT treatment (crops were planted along
transverse slope), T1 treatment (crops were planted along transverse slope with mulberry trees on upper-slope and lower-slope),
T2 treatment (crops were planted along transverse slope with mulberry trees on upper-slope, middle-slope and lower-slope);
T3 treatment (crops was planted along transverse slope with mulberry trees on middle-slope and the four sides of the slope.
The results showed that slope length and layout of mulberry caused significant differences in SMBC and SMBN contents. The
T1 treatment significantly limited the contribution of SMBN to total nitrogen but averagely increased SMBC by 23.43 mg·kg−1.
Also the treatment T3 significantly reduced microbial quotient and averagely increased SMBN by 21.81 mg·kg−1. Furthermore,
soil microbial biomass was highly significantly correlated with soil carbon and nitrogen in treatment CT. However, SMBC and
SMBN in different layouts of mulberry were largely not significantly correlated with soil carbon and nitrogen in purple arid
hillside field crop-mulberry system. Therefore while hillside field crop-mulberry modes increased soil microbial biomass to
some extent, the viability between SMBN and SMBC in purple arid hillside field crop-mulberry system in the Three Gorges
第 7期 张 洋等: 三峡库区紫色土旱坡地桑树配置模式对土壤微生物生物量碳氮的影响 767


Reservoir was not consistent. The study showed that both SMBN and SMBC were datable evaluation indices of soil quality in
purple arid hillside fields.
Keywords Purple arid hillside field; Soil and water conservation mode; Crop-mulberry system; Soil fertility evaluation; Soil
microbial biomass carbon/nitrogen; Microbial quotient; Three Gorges Reservoir
(Received Mar. 28, 2014; accepted May 19, 2014)
土壤微生物生物量既是土壤有机质和养分循环
转化的动力, 又是土壤养分的储备库和植物有效养
料的重要来源, 对土壤肥力和生态系统具有重要作
用, 是土壤肥力水平的重要指标[1−2]。由于土壤微生
物生物量对外界反应的灵敏性, 可以作为反映环境
和管理措施变化的敏感标记, 对土壤利用和管理具
有重要的指示意义[3]。刘守龙等[4]认为在能够精确地
测定土壤有机质(SOM)变化之前, 微生物生物量动
态是土壤变化趋势的早期指示。土壤微生物生物量
的生物指标主要表现在土壤微生物生物量碳(SMBC)
和土壤微生物生物量氮(SMBN)两方面, SMBC虽然
只占土壤有机质(SOM)的 1%~5%, 但由于其固定和
矿化的特性, 使之既可能充当碳源, 又可能充当碳
汇, 对土壤碳库, 甚至全球大气 CO2 浓度起着重要
的调节作用[5]; SMBN 的活性与消长被认为是土壤
氮素循环的本质性内容, 对土壤氮库起着至关重要
作用[6]。土壤微生物商(MQ, SMBC/SOC)是指土壤微
生物生物量碳(SMBC)与土壤有机碳(SOC)总量的比
值 [4], 可作为指示土壤碳动态变化的灵敏指标 , 使
来自不同区域、不同土壤的微生物状况具有可比性,
被认为是客观反映土壤有机质(SOM)的输入量、微
生物生物量碳的转化速率、土壤碳的流失以及土壤
矿化部分有机碳稳定性的指标[7−8]。MQ 的值越高,
表明 SOC周转速度越快, 土壤矿化部分的有机碳越
不稳定; 反之 MQ 值越低越有利于土壤矿化部分有
机碳的稳定性[9]。
土壤微生物生物量的研究一直是国内外土壤科
学研究的热点。Kaschuk 等[10]认为土壤微生物生物
量与土壤耕作制度、施肥水平、土壤理化性状及根
系分泌物等关系密切, 并进一步指出永久性有机农
业能够增加土壤 SMBC 和微生物商。Islam 等[11]的
研究表明 , 由土壤耕作方式带来的土壤质量退化 ,
会伴随土壤微生物生物量及土壤有机质的降低。
Reyes-Reyes 等 [12]发现 , 在巴西高原的自然土壤中
种植玉米, 会使原有土壤微生物生物量减少, 土壤
有机质和微生物商降低。目前国内关于微生物生物
量的研究主要集中在地带性土壤中土地利用方式及
施肥制度对土壤微生物生物量的影响方面[13−17], 而
对于初育土壤, 尤其紫色土旱坡地的研究较少。桑
树(Morus alba L.)为落叶乔木, 拥有极其发达的根系,
易栽培, 具有良好的生态适应性和抗逆能力 [18], 其
在三峡库区植被恢复中具有重大生态效益和应用前
景[19]。三峡库区紫色土旱坡地土壤侵蚀及水土流失
是库区面源污染的重要原因, 桑树在紫色土旱坡地
水土保持及控制面源污染方面发挥着重要作用[20−21]。
本文依据三峡库区典型的水土保育模式——桑树护
坡, 在紫色土旱坡地建立径流小区, 实行横坡农作
与桑树种植方式相结合, 研究三峡库区紫色土旱坡
地桑树系统土壤微生物生物量碳氮的特征, 旨在为
建立三峡库区紫色土土壤肥力和土壤质量评价指标
及三峡库区水土保育模式的推广提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
研究区位于重庆市涪陵区玉溪镇王家沟小流域,
地理位置为北纬 29°30′, 东经 107°18′, 海拔 330 m。该
流域属于亚热带季风气候区, 年均气温 22.1 , ℃ 月均最
高气温30 , ℃ 月均最低气温8 ℃, 年均降水量1 130 mm,
年积温 5 300 , ℃ 年日照时数 1 055 h, 无霜期 331 d, 试
验区土壤类型为紫色土, 土壤容重为 1.45 g⋅cm−3, pH
5.4, 有机质 14.7 g⋅kg−1, 全氮 1.04 g⋅kg−1, 全磷 0.77 g⋅kg−1,
全钾19.7 g⋅kg−1, 碱解氮91.1 mg⋅kg−1, 有效磷27.2 mg⋅kg−1,
有效钾 93.5 mg⋅kg−1。
1.2 试验设计与材料
试验共设 4个处理: 横坡农作(CT)、双边桑树+
横坡农作(T1)、等高桑树+双边桑树+横坡农作(T2)、
四边桑树+等高桑树+横坡农作(T3), 具体设计如图
1所示。每个处理分 2个小区, 各处理小区修建坡度
均为 9°, 四周用水泥墙分隔, 长 12 m、宽 4 m, 高
0.75 m。四边桑带宽 0.5 m, 横坡桑树带间距 5.25 m。
各处理桑树均为 2011年 10月种植, 至 2013年 2月
采样时 , 各桑树坡耕系统已基本形成生物梯田格
局。各处理的种植制度均为玉米−榨菜轮作, 施肥方
式采用施后浅翻, 施肥量为常规施肥量, 即尿素(含
N46%)1 250 kg⋅hm−2和复合肥(N︰P2O5︰K2O=15︰
15︰15)2 150 kg⋅hm−2, 玉米与榨菜的施肥量分别占
当年施肥总量的 40%和 60%。玉米品种为‘渝糯 7号’,
榨菜品种为‘永安少叶’。
1.3 样品采集测定与数据处理
样品采集: 于 2013 年 2 月榨菜收获后, 每个小
768 中国生态农业学报 2014 第 22卷


区土壤按照下坡的顺序, 在距离小区上缘 1.5 m、3.5 m、
6.0 m、8.5 m、10.5 m处用土钻采集表层(0~20 cm)
土样, 每个样点随机取 3 点土样, 剔除杂物后混合,
一部分土样过 2 mm筛后, 放入 4 ℃冰箱内保存, 用
于分析土壤微生物生物量碳和氮, 另一部分土样自
然风干, 碾磨并过 100 目筛, 用于测定土样有机质
及全氮。
样品的测定: 土样微生物生物量碳(SMBC)、微
生物生物量氮(SMBN)测定采用氯仿熏蒸 0.5 mol⋅L−1
K2SO4 提取法, 分别用重铬酸钾氧化法和凯氏定氮
法测定提取液中的碳、氮[22−23]。土样中有机碳(SOC)
和全氮(TN)分别采用重铬酸钾氧化法和凯氏定氮法
测定[24]。
微生物商(MQ)的计算: MQ=SMBC/SOC[4] (1)
试验数据采用 EXCEL和 SPSS软件进行统计分
析, 并用 LSD 法进行统计分析和多重比较, 差异显
著性用不同大小写字母表示, 对微生物生物量和土
壤碳氮进行相关性分析, 相关性系数采用 Pearson简
单相关系数表示。

图 1 试验小区示意图
Fig. 1 Schematic diagram of experimental plot
CT: 横坡农作; T1: 双边桑树+横坡农作; T2: 等高桑树+
双边桑树+横坡农作; T3: 四边桑树+等高桑树+横坡农作。下同。
CT: crops were planted along transverse slope; T1: crops were
planted along transverse slope with mulberry trees on upper-slope
and lower-slope; T2: crops were planted along transverse slope with
mulberry trees on upper-slope, middle-slope and lower-slope; T3:
crops were planted along transverse slope with mulberry trees on
middle-slope and four sides of slope. The same below.
2 结果与分析
2.1 不同处理及坡长对土壤微生物生物量碳(SMBC)
的影响
本试验结果表明, 不同坡长及桑树布局间 SMBC
差异显著。横坡农作(CT)处理中 SMBC随着坡长的
延伸呈递减趋势, 但其他处理中桑树布局会干扰这
种趋势(图 2), 4种处理中除双边桑树+横坡农作(T1)
处理 SMBC 随坡长呈正增长, 其他处理均呈现负增
长。4种处理 SMBC随坡长变化的幅度存在差异, 横
坡农作(CT)和双边桑树+横坡农作(T1)小区内 SMBC
变化幅度较小 , 其含量差异不显著 , 平均分别为
147.986 mg⋅kg−1和 163.96 mg⋅kg−1; 四边桑树+等高
桑树+横坡农作(T3)小区内SMBC变化最为剧烈, 最小
值为 69.64 mg⋅kg−1, 最大值为 138.32 mg⋅kg−1, 变幅为
68.68 mg⋅kg−1; 等高桑树+双边桑树+横坡农作(T2)小
区中 SMBC 由上到下呈现先降低后升高的“V”形, 在
中间带的等高桑树附近最低, 其含量为99.79 mg⋅kg−1。
横坡农作(CT)中 SMBC平均为 147.88 mg⋅kg−1, 与横
坡农作(CT)相比, 双边桑树+横坡农作(T1)处理能够
提高 SMBC, 其平均含量为 163.96 mg⋅kg−1, 比横坡
农作(CT)高 15.98 mg⋅kg−1; 而等高桑树+双边桑树+
横坡农作(T2)和四边桑树+等高桑树+横坡农作(T3)
处理与横坡农作(CT)相比却降低 SMBC, 其平均含
量分别为 127.28 mg⋅kg−1和 103.72 mg⋅kg−1, 分别比
横坡农作(CT)处理少 20.7 mg⋅kg−1和 39.7 mg⋅kg−1。

图 2 不同处理土壤微生物生物量碳(SMBC)沿坡长的变化
Fig. 2 Changes of soil microbial biomass carbon (SMBC)
along slope under different treatments
坡长为从坡上到坡下的距离。图中误差线表示 3个样本的标
准误 , 不同小写字母表示相同坡长不同处理之间差异显著
(P<0.05), 不同大写字母表示相同处理不同坡长之间差异显著
(P<0.1), 下同。Slope length is the distance to upper-slope. Error
bars in figure represent the standard errors of the samples (n=3).
Different lowercase letters mean significant difference among dif-
ferent treatments with same slope length at P < 0.05. Different
uppercase letters mean significant difference among different slope
lengths under same treatment at P < 0.1. The same below.

2.2 不同处理及坡长对土壤微生物生物量氮(SMBN)
的影响
不同桑树布局和坡长的 SMBN 存在显著性差
异。通过比较图 2 和图 3 可以发现, 不同桑树处理
对 SMBN 的影响与 SMBC 截然不同, 双边桑树+横
坡农作(T1)和四边桑树+等高桑树+横坡农作(T3)小
区中 SMBN 含量随着坡长而呈现正增长, 相比坡长
1.5 m 处, SMBN 随坡长增加的幅度分别为 2.96~
27.82 mg⋅kg−1、37.70~52.48 mg⋅kg−1; 横坡农作(CT)
第 7期 张 洋等: 三峡库区紫色土旱坡地桑树配置模式对土壤微生物生物量碳氮的影响 769



图 3 不同处理土壤微生物生物量氮(SMBN)沿坡长
的变化
Fig. 3 Changes of soil microbial biomass nitrogen (SMBN)
along slope under different treatments
对照小区中 SMBN 含量随着坡长逐级递减, 相比坡
长 1.5 m处, 减少了 150.22%; 等高桑树+双边桑树+横
坡农作(T2)小区 SMBN 含量随坡长呈“S”形变化, 在
等高桑树拦截处 SMBN含量最低, 为 93.99 mg⋅kg−1。
从图 3 可以看出, 各小区处理 SMBN 的变化幅
度比 SMBC的变化幅度(图 2)大, 这是由于氮素是作
物生长的大量元素, 其含量不仅受土壤肥力水平高
低及外源氮肥种类和投入量的影响, 而且还受地上
部作物布局及需求量的影响。桑树布局处理中 SMBN
变化幅度相对于横坡农作(CT)处理较大, 其中等高
桑树+双边桑树+横坡农作(T2)小区中 SMBN变化幅
度最大, 最高值为坡长 3.5 m 处的 208.74 mg⋅kg−1,
最低值为坡长 6 m处的 90.37 mg⋅kg−1。4种处理小
区中 SMBN 平均含量差异显著, 其中双边桑树+横
坡农作(T1)小区 SMBN 平均含量在整个小区内始终
低于其他小区, 为 60.04 mg⋅kg−1, 而四边桑树+等高
桑树+横坡农作(T3)小区 SMBN 平均含量最高, 为
151.23 mg⋅kg−1。
2.3 不同处理下土壤微生物生物量对土壤碳库和
氮库的影响
土壤碳、氮是土壤肥力的重要指标, 其变化主
要受气候、地貌、土壤类型和种植方式等因素影响。
本试验研究表明不同桑树布局土壤碳、氮含量存在
显著差异。横坡农作(CT)小区与双边桑树+横坡农作
(T1)和四边桑树+等高桑树+横坡农作(T3)小区中的
SOC在坡长<3.5 m处存在显著差异, 在坡长>3.5 m
处差异不显著 , 而横坡农作(CT)与双边桑树+横坡
农作(T1)和四边桑树+等高桑树+横坡农作(T3)小区
中的全氮(TN)在整个坡长处差异均不显著。土壤中
碳/氮在一定程度上可以表征土壤肥力的变化程度,
表 1表明不同桑树布局土壤中碳/氮为 9.37%~22.32%,
且相互之间差异显著。其中等高桑树+双边桑树+横
表 1 不同处理土壤微生物生物量对土壤碳库和氮库的影响
Table 1 Effects of soil microbial biomass on soil carbon pools and soil nitrogen pools under different treatments
坡长 Slope length (m) 指标
Index
处理
Treatment 1.5 3.5 6.0 8.5 10.5
CT 12.30±1.34cA 12.81±1.32cB 13.25±1.39bcC 13.69±1.46bcD 14.12±1.61bcE
T1 16.04±1.57bC 15.31±1.49bB 17.83±1.83bD 15.34±3.96bE 14.52±1.53bcA
T2 11.98±1.02cB 13.63±1.33bcD 13.05±1.29bcC 11.55±1.07cA 14.26±1.51bcE
SOC
(g⋅kg−1)
T3 15.74±1.69bC 16.21±1.75bD 12.19±11.35cA 14.37±1.42bcB 17.09±1.89bE
CT 1.23±0.31aE 1.19±0.26aD 1.14±0.35aC 1.10±0.21aB 1.05±0.26aA
T1 1.11±0.13aB 1.23±0.29aC 1.14±0.17aB 1.05±0.16aA 1.12±0.17aB
T2 0.54±0.09bA 0.79±0.11bB 0.93±0.11aC 1.23±0.37aE 1.10±0.21aD
TN
(g⋅kg−1)
T3 1.15±0.11aC 1.49±0.25aD 1.12±0.13aC 0.81±0.07aA 0.99±0.09aB
CT 10.03±1.21cA 10.78±1.31cB 11.59±0.12cC 12.46±0.13cD 13.4±0.25bcE
T1 14.44±0.23bcC 12.48±0.13cA 15.66±0.21bcD 19.38±.37aE 12.96±0.22cB
T2 22.32±0.53aE 17.26±0.26bD 14.09±0.16bcC 9.37±0.11cA 12.99±0.21cB
SOC/TN
(%)
T3 13.74±0.17bcB 10.86±0.14cA 10.88±0.13cA 17.71±0.21bC 17.17±0.22bD
CT 1.05±0.07bA 1.09±0.07bB 1.14±0.06bC 1.19±0.13bD 1.26±0.11bE
T1 4.01±0.51aE 3.33±0.29aD 2.91±0.34aC 2.54±0.33aB 1.89±0.15abA
T2 1.88±0.13abE 0.64±0.07bcA 1.06±0.25bC 1.09±0.21bD 0.94±0.05bcB
SMBC/SMBN
(%)
T3 1.40±0.13bE 0.68±0.07bcC 0.56±0.03cB 0.89±0.09bcD 0.33±0.02cA
CT 1.24±0.07aE 1.17±0.03aD 1.12±0.11aC 1.06±0.09aB 1.01±0.07aA
T1 0.84±0.06aB 1.22±0.17aE 0.96±0.09aC 0.77±0.07bA 1.17±0.15aD
T2 1.44±0.37aE 0.99±0.02aD 0.76±0.03bA 0.86±0.01bB 0.92±0.01aC
SMBC/SOC
(%)
T3 0.77±0.08bC 0.57±0.08bB 0.80±0.09bD 0.96±0.09aE 0.41±0.01bA
CT 11.79±1.07abD 11.56±1.16abCD 11.32±0.07abBC 11.05±1.31abB 10.77±1.13abA
T1 3.01±0.45bcA 4.57±0.16bcB 5.18±0.29bcC 5.90±0.71bcD 8.01±0.89bcE
T2 17.03±1.09aD 26.43±1.43aE 10.14±1.87bB 7.33±0.79bA 12.71±1.48aC
SMBN/TN
(%)
T3 7.54±0.86bA 9.06±0.32bB 15.43±1.89aC 19.06±1.68aD 20.80±2.28aE
表中数值为平均值 ± 标准误(n=3)。Values in the table are means ± SEs (n=3).
770 中国生态农业学报 2014 第 22卷


坡农作(T2)小区与其他处理小区中的土壤碳/氮在坡
长<6.0 m 处存在显著差异, 而双边桑树+横坡农作
(T1)小区与四边桑树+等高桑树+横坡农作(T3)小区
中的土壤碳/氮在坡长>8.5 m处存在显著差异。土壤
微生物生物量是土壤碳、氮库的重要组成部分, 其
比值能够反映土壤微生物群落结构信息, 一般情况
下细菌碳氮比为 5︰1左右, 放线菌为 6︰1左右, 而
真菌为 10︰1 左右[1]。本试验中各处理微生物生物
量碳氮比均低于 5︰1, 说明紫色土旱坡地桑树配置
系统中土壤微生物群落可能以细菌为主。
土壤微生物生物量在土壤碳、氮库中所占比例
虽然较小, 但作用至关重要。本试验中各小区处理
土壤微生物生物量对土壤碳、氮库的贡献率分别表
现为: SMBC为 0.5%~1.25%、SMBN为 3%~27% (表
1)。其中 SMBC/SOC为土壤微生物商(MQ), 是土壤
有机质变化的一个指示指标, 反映了土壤微生物生
物量与土壤有机质含量的紧密联系。任天志[9]认为
在标示土壤过程或土壤健康变化时, 微生物商要比
微生物碳或全碳单独应用有效的多, 因为商是一个
比值, 能够避免在使用绝对量或对不同有机质含量
的土壤进行比较时出现的一些问题。本试验中不同
小区处理的土壤微生物商(MQ)随着坡长表现各异,
其中横坡农作 (CT)小区的微生物商 (MQ)平均为
1.12%, 普遍高于其他小区, 但与等高桑树+双边桑
树+横坡农作(T2)小区和双边桑树+横坡农作(T1)小
区差异不显著。四边桑树+等高桑树+横坡农作(T3)
小区的微生物商(MQ)相对其他各小区处理较小, 平
均为 0.70%, 且与其他小区差异显著(表 1)。SMBN/
TN 表示 SMBN 对土壤氮库的贡献率, 通常用来表
征土壤微生物群落结构特征, 可用作土壤氮素供应
能力和有效性的评价指示[9]。SMBN 对土壤氮库的
贡献率在各小区处理间变化幅度较大, 平均为 3%~
26.5%(表 1), 本试验中横坡农作(CT)处理 SMBN/TN
在整个小区内与其他桑树布局处理均没有显著差异,
而等高桑树+双边桑树+横坡农作(T2)处理的 SMBN/
TN 在坡长<3.5 m 处与四边桑树+等高桑树+横坡农
作(T3)处理和双边桑树+横坡农作(T1)处理均有显著
性差异, 在坡长 3.5~8.5 m处与四边桑树+等高桑树+
横坡农作(T3)有显著性差异, 而与双边桑树+横坡农
作(T1)处理差异不显著, 四边桑树+等高桑树+横坡
农作(T3)处理的 SMBN/TN 与双边桑树+横坡农作
(T1)处理在坡长<3.5 m 处差异不显著 , 而在坡长
>3.5 m处存在显著差异。
2.4 不同处理土壤微生物生物量与土壤碳氮相关
性分析
相关分析结果(表 2)表明, 不同处理土壤微生物
生物量与土壤碳氮的相关性表现各异。其中横坡农
作(CT)小区中 SMBC 与 SOC 和 C/N 均呈现极显著
正相关, 与全氮(TN)呈极显著负相关; 等高桑树+双
边桑树+横坡农作 (T2)小区和双边桑树+横坡农作
(T1)小区 SMBC 与土壤全氮(TN)呈显著负相关, 与
SOC 相关性不显著; 四边桑树+等高桑树+横坡农作
(T3)小区 SMBC与 SOC、土壤全氮(TN)和 C/N相关
性不显著(表 2)。SMBN表征土壤氮素, 在横坡农作
(CT)中与 SOC、土壤全氮(TN)和 C/N均呈现极显著
正相关; 等高桑树+双边桑树+横坡农作(T2)小区中
SMBN与 SOC存在显著正相关, 与土壤全氮(TN)、
C/N 比相关性不显著; 双边桑树+横坡农作(T1)和四
边桑树+等高桑树+横坡农作(T3)小区中 SMBN 与
SOC、土壤全氮(TN)和 C/N 相关性均不显著。本试
验表明在横坡农作(CT)中土壤微生物生物量与土壤
肥力关系密切, 可作为评价土壤质量的生物学指标,
而在三峡库区水土保育模式——旱坡地桑树系统中,
土壤微生物生物量与土壤肥力相关性表现不同, 作
为评价其土壤质量的指标还值得商榷。
表 2 不同处理土壤微生物生物量与土壤碳氮相关性
Table 2 Correlation coefficients between soil microbial bio-
mass and soil carbon and nitrogen under different treatments
处理
Treatment
有机质
Organic carbon
全氮
Total N
碳氮比
C/N
CT 0.999** −0.999** 0.999**
T1 0.221 −0.668* −0.126
T2 0.029 −0.813* 0.888*
微生物生物量碳
Soil microbial
biomass
carbon
T3 0.381 −0.390 0.200
CT 0.999** 0.999** 0.999**
T1 −0.192 0.063 −0.354
T2 0.666* 0.119 0.138
微生物生物量氮
Soil microbial
biomass nitrogen
T3 −0.040 0.349 0.319
“**”和“*”分别表示极显著(P<0.01)和显著(P<0.05)相关。“**”:
correlation is significant at 0.01 level. “*”: correlation is significant at
0.05 level.
3 讨论
土壤微生物生物量的高低反映了土壤微生物新
陈代谢的强弱, 是表征土壤碳库和氮库的重要指标,
其在土壤中的多少受多重因素影响。本试验研究结
果表明, 土壤微生物生物量受坡长、桑树布局等因
素影响, 其含量和分布因坡长与桑树系统的交互作
用强弱而存在差异, 等高桑树+双边桑树+横坡农作
(T2)小区中等高桑树拦截处 SMBC和 SMBN含量都
较同小区其他处低, 双边桑树+横坡农作(T1)小区中
SMBC 含量高于其他小区, 但其 SMBN 含量却远低
于其他小区。在横坡农作(CT)小区中, 由于没有桑树
系统的干扰, 土壤微生物生物量随坡长而递减, 与
第 7期 张 洋等: 三峡库区紫色土旱坡地桑树配置模式对土壤微生物生物量碳氮的影响 771


SOC、全氮及 C/N 存在显著相关性, 这与李娟等[13]
的研究结果相似。张海燕等[25]指出, 土壤微生物生
物量的增加归因于土壤碳氮含量的增加, 但本研究
发现在有桑树系统的农田里, 土壤微生物生物量与
土壤碳氮含量相关性大多不显著, 说明紫色土旱坡
地农桑系统对土壤微生物生物量和土壤碳氮库的影
响程度并不一致, 土壤微生物生物量的高低并不指
示土壤碳氮含量的积累差异, 土壤微生物生物量并
不能代替 SOC或全氮来反映紫色土旱坡地农桑系统
的土壤肥力。造成这种差异的原因一方面可能是由
于桑树生长过程中会影响土壤 pH, pH也是影响土壤
微生物生物量的关键因素[26]; 另一方面可能由于桑
树系统根系分泌物形成的微域环境影响土壤碳氮的
活性和土壤微生物种群多样性, 而土壤碳氮活性和
微生物种群多样性是影响土壤微生物生物量的重要
因素[27−28]。值得一提的是桑树种植过程中, 氮与碳
固持具有相反的规律, 这可能是由于桑树生长过程
中吸收土壤中的氮素, 使土壤氮素减少, 碳氮比增
加, 而桑树凋落物进一步增加土壤碳含量, 土壤碳
的增加有助于微生物生物量碳的合成[28]。此外, 不
同桑树布局下, 微生物生物量碳氮累积亦不同, 这
可能是由于桑树和榨菜在生长的过程中, 需要吸收
大量氮素维持自身生长 , 同时产生大量的凋落物 ,
增加土壤碳的含量, 土壤不同碳氮比对土壤微生物
生物量碳氮的维持能力不同[29]; 并且不同坡长处榨
菜及桑树生长状况和凋落物数量存在差异, 也可能
导致不同处理及坡长下土壤微生物生物量碳氮的累
积存在差异。
SMBC是 SOC中活性较高的部分, 其消长反映
微生物利用土壤碳源合成自身物质并大量繁殖和微
生物细胞解体使有机碳矿化的过程, 是土壤总碳变
化的一个快速敏感指标[29]。MQ 可以充分反映土壤
中活性有机碳所占的比例, 从微生物学的角度揭示
土壤肥力的差异, 由于 SMBC 周转快, 所以 MQ 值
越大, SOC周转越快, MQ 可以作为土壤碳动态研究
的有效指标[9]。SMBC 含量主要受环境条件、植物
生长、耕作方式等因素的综合影响, 本试验研究表
明各处理小区中 SMBC 含量除受坡长影响外, 桑树
布局也能够显著影响 SMBC 的含量, 双边桑树+横
坡农作(T1)处理能够增加土壤 SMBC 含量, 而等高
桑树+双边桑树+横坡农作(T2)和四边桑树+等高桑
树+横坡农作(T3)处理却降低小区 SMBC含量, 并且
本研究发现在等高桑树附近 SMBC含量要低于小区
其他处, 这主要是因为 SMBC 受土壤水分、土壤碳
氮、植物根系等因素影响, 坡度和坡长能够通过土壤
表面径流或者壤中流影响土壤水分和碳氮的分布[30],
而桑树布局也能通过根系作用影响土壤水分和碳氮
磷迁移, 同时小区上缘的土壤氮素随着地表径流和
壤中流向下流失, 被等高桑树拦截, 使土壤氮素富
集, 高氮抑制微生物细胞固持碳的能力, 加速土壤原
有有机碳分解, 使土壤的碳氮比下降, 降低 SMBC含
量[28]。作为 SMBC与 SOC的比值, MQ能够表征不
同桑树系统对 SMBC 的维持能力, 国外关于微生物
生物量的研究结果表明, 旱地轮作条件下, 土壤微
生物商多为 1.5%~3.5%, 长期连作同种作物的则主
要为 1.0%~3.0%[31−32], 该数据高于紫色土旱坡地农
桑系统的研究结果, 表明紫色土旱坡地农桑系统对
SMBC具有较低的维持能力。同时研究结果表明, 4
种处理除四边桑树+等高桑树+横坡农作 (T3)处理
外, 其他处理 MQ 差异不显著, 说明农桑系统对提
高紫色土旱坡地土壤碳的转化速率、降低土壤碳的
流失, 提高土壤矿化部分有机碳的稳定性等方面作
用不大。
SMBN 是土壤氮素的重要来源, 是土壤氮素矿
化势的重要组成部分, 不仅能够表征土壤矿化氮的
丰度, 还可以反映土壤氮素的矿化过程, 在土壤氮
素循环与转化过程中起着至关重要的调节作用, 其
含量不仅与有机氮源和碳源多少有关, 而且与微生
物活动外部条件如土壤温度、水分和氧气等因素有
关[33−34]。虽然 SMBN 含量只占土壤全氮的 2%~5%,
但由于 SMBN 的周转率比土壤有机氮快 5 倍之多,
因此大部分的矿化氮来自于 SMBN[35]。SMBN对外
界环境反映较为敏感, 具有局域性, 本试验研究表
明, 桑树系统小区内 SMBN变化趋势随着坡长递增,
并且其变化幅度较 SMBC 大, 造成这种差异的原因
一方面是由于桑树在生长过程中, 其根系分泌物促
进土壤微生物大量繁殖, 从而固持一部分土壤无机
氮, 被微生物固持的氮素一部分在榨菜及桑树生长
期间逐渐矿化释放出来, 供榨菜及桑树吸收, 另一
部分转化为性质稳定的有机氮, 使小区内 SMBN 含
量随桑树和榨菜的分布而变化; 另一方面是由于紫
色土旱坡地土壤中氮素极易随着地表径流或者壤中
流迁移 [30], 导致小区上缘氮素流失, 下缘土壤氮素
累积, 使小区中土壤微生物固持和释放氮的能力存
在差异, 导致 SMBN 变化幅度加大。SMBN 对土壤
氮库的贡献率在不同桑树系统间存在显著差异, 但
其与土壤碳氮含量相关性不显著, 这是由于一方面
SMBN 具有较快的周转率, 而土壤碳氮库相对稳定,
并且 SMBN受外界施入的氮肥及作物根系分泌物的
影响较大[33], 另一方面 SMBN 的形成与土壤有效氮
和微域环境密切相关, 而不同桑树系统在成长的过
程中与微生物争夺土壤有效氮的能力不同, 形成的
772 中国生态农业学报 2014 第 22卷


微域环境也存在差异。
4 结论
作为三峡库区紫色土旱坡地典型的水土保育模
式, 桑树护坡能够显著影响土壤微生物生物量的累
积和分布。坡长及桑树布局是影响紫色土旱坡地土
壤微生物生物量的重要因子, 土壤微生物生物量对
于其变化的反应灵敏度高于土壤有机碳和总氮量。
旱坡地桑树配置模式在一定程度上能够提升紫色土
土壤微生物生物量, 但不同桑树布局对土壤微生物生
物量的提升存在显著差异, 四边桑树+等高桑树+横坡
农作(T3)处理有利于土壤微生物生物量氮(SMBN)的
累积, 却对于土壤微生物生物量碳(SMBC)具有较低
的维持能力, 而双边桑树+横坡农作(T1)处理却呈现
相反的结果。在横坡农作中, 土壤微生物生物量可
以作为土壤肥力评价的指标; 但在农桑系统中, 土
壤微生物生物量与土壤碳氮相关性不显著, 因此将
其作为三峡库区紫色土旱坡地农桑系统土壤质量演
变的评价指标值得商榷。
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