全 文 ：中国生态农业学报 2012年 3月 第 20卷 第 3期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Mar. 2012, 20(3): 322−329


* 国家自然科学基金项目(40971171, 41101254)和西北农林科技大学“青年学术骨干支持计划”项目资助
** 通讯作者: 黄懿梅(1971—), 女, 博士, 副教授, 主要研究方向为土壤生态和环境化学。E-mail: ymhuang1971@nwsuaf.edu.cn
刘栋(1987—), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为环境生态工程。E-mail: ld19871015@sina.com
收稿日期: 2011-06-29 接受日期: 2011-09-21
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2012.00322
黄土丘陵区人工刺槐林恢复过程中土壤氮素
与微生物活性的变化*
刘 栋1 黄懿梅1** 安韶山2
(1. 西北农林科技大学资源环境学院 农业部西北植物营养与农业环境重点实验室 杨凌 712100;
2. 西北农林科技大学水土保持研究所 杨凌 712100)
摘 要 为了探讨不同生长年限的人工刺槐(Robinnia pseudoacacia)林对土壤中氮素组成与微生物活性的影响
及机理, 本文采用“时空互代”法进行野外选点调查和采样, 对典型黄土丘陵区陕西省安塞纸坊沟小流域不同
林龄(10 a、15 a、30 a、38 a)人工刺槐林和撂荒地 3个土层 (0~10 cm、10~30 cm和 30~60 cm)中的全氮、铵
态氮、硝态氮、有机氮、微生物生物量碳和磷、基础呼吸及基本理化性质进行了研究。结果表明: 人工刺槐
林地土壤微生物生物量碳、磷含量和微生物熵都显著高于撂荒地(P<0.05)。随着人工刺槐林生长年限的增加,
各层土壤铵态氮、硝态氮和有机氮含量均逐渐增加, 其中有机氮的增加最显著; 土壤微生物生物量碳、磷含量
显著增加; 微生物熵显著增大而呼吸熵显著减小; 土壤有机碳、速效磷含量总体上显著增加(P<0.05); 容重和
碳氮比则呈下降趋势。随着土层深度的增加, 氮素、有机碳、速效磷和微生物生物量碳、磷含量显著减小
(P<0.05); 容重和 pH 显著增加。土壤微生物生物量碳、磷和呼吸熵均与有机氮、全氮、硝态氮显著正相关
(P<0.05)。分析发现, 刺槐的生长促使土壤中微生物可利用碳增加, 提高了碳的利用率, 使土壤微生物量碳、
磷含量增加; 微生物活性的提高反过来促进了土壤氮素含量的提高, 土壤中有机氮含量显著增加。与 10 a 生
刺槐林相比, 30 a生林地土壤表层的全氮含量明显增加, 氮素肥力由 7级(0.40 g·kg−1)上升为 5级(0.87 g·kg−1)
水平。
关键词 黄土丘陵区 人工刺槐林 林龄 微生物量氮、磷 微生物熵 氮养分 呼吸熵
中图分类号: S143.1 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2012)03-0322-08
Changes in soil nitrogen and microbial activity during Robinia pseudoacacia
recovery period in the Loess Hilly-Gully region
LIU Dong1, HUANG Yi-Mei1, AN Shao-Shan2
(1. College of Resources and Environment, Northwest A＆F University; Key Laboratory of Plant Nutrition and Agro-environment in
Northwest China, Ministry of Agriculture, Yangling 712100, China; 2. Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F
University, Yangling 712100, China)
Abstract This study determined the effect of Robinia pseudoacacia plantation age (10, 15, 30 and 38 years) on soil properties in
the Zhifanggou Basin, Ansai, Shaanxi Province. Soil samples were collected in the typical hilly region of the Loess Plateau from the
0~10 cm, 10~30 cm and 30~60 cm depths and analyzed for nitrogen (N) content, microbial biomass carbon (Cmic), microbial bio-
mass phosphorus (Pmic), microorganism quotient and basal respiration. Additional physical and chemical properties of soil were also
determined. The results showed that soil NH4+-N, NO3−-N, and organic N contents gradually increased with increasing plantation age
and decreased with increasing soil depth. Soil bulk density decreased with increasing plantation age and increased with increasing
soil depth. Total soil N in the 0~10 cm depth increased from 0.40 g·kg−1 in the 10-year-old plantation to 0.87 g·kg−1 in the 30-year-old
plantation. On soil N fertility scale, this represented an increase, from level-7 to level-5. Soil Cmic and Pmic were significantly
higher in R. pseudoacacia plantations than in abandoned lands (CK). Both soil Cmic and Pmic increased with increasing plantation
第 3期 刘 栋等: 黄土丘陵区人工刺槐林恢复过程中土壤氮素与微生物活性的变化 323


age and decreased with increasing soil depth. Microorganism quotient for all three soil layers was significantly greater in R. pseu-
doacacia plantations than in abandoned lands. Furthermore, the microorganism quotient [Cmic to TOC (total organic carbon) ratio]
increased significantly with increasing plantation age. Soil respiration quotient (basic respiration to Cmic ratio) for all three soil lay-
ers decreased significantly with increasing plantation age. Soil microorganism quotient was positively correlated with organic N, total
N and NO3−-N (P < 0.05). R. pseudoacacia plantations also improved some other soil physical and chemical properties. Organic C
and available P increased significantly with increasing plantation age. However, C to N ratio decreased with increasing plantation age.
R. pseudoacacia trees not only increased carbon availability to soil microorganisms, but also enhanced soil carbon utilization. More-
over, increase in microbial activity increased soil organic N content and overall soil fertility.
Key words Loess Hilly-Gully region, Robinia pseudoacacia plantation, Forest age, Soil microbial biomass N and P, Micro-
organism quotient, Nitrogen, Respiration quotient
(Received Jun. 29, 2011; accepted Sep. 21, 2011)
黄土丘陵区是国家退耕还林还草及生态建设的
重点区域。植被恢复能有效减少土壤侵蚀, 改善土
壤质量, 是黄土高原生态环境治理与水土保持的重
要措施[1]。人工林可通过次生演替在恢复土壤特性
和维持土壤肥力方面发挥重要作用[2]。刺槐较耐干
旱, 是黄土高原水土流失区引种最成功的造林树种
之一。氮是植物生长和发育所需的大量营养元素之
一, 也是植物从土壤中吸收量最大的矿质元素。但在
许多生态系统中是一种限制植物生长的重要元素。在
黄土丘陵区, 除受水分条件限制以外, 土壤全氮、有
机质和碱解氮含量低是人工林生长的重要限制性因
子之一[3−4]。而土壤氮素的有效性可以影响植物的水
分利用效率[5]。因此, 研究植被恢复过程中的氮素含
量及其影响因素对植被恢复重建具有重要意义。
土壤养分循环是由微生物活性调节的, 土壤微
生物量、微生物熵和代谢熵可以作为植被重建后生
态恢复的重要指标[6]。薛萐等[7]对人工刺槐林表层土
壤微生物量演变特性进行了研究。根据 Odum[8]的演
替理论, 稳定生态系统成熟的特征是保守的生物地
球化学循环和具备较高的保持养分的能力。然而对
于植被恢复过程中不同土壤层次氮素含量的变化特
征, 以及影响其变化的微生物活性还不太清楚。因
此 , 本研究选择黄土丘陵区典型人工刺槐林
(Robinnia pseudoacacia)下的土壤作为研究对象, 探
讨植被恢复过程中土壤主要养分—— 氮素含量和微
生物活性的演变特征及其相互关系, 旨在从微生物
学角度揭示植被恢复改善土壤生态环境的作用机制,
为评价人工林的生态恢复效果和生态恢复工程建设
提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
研究区为黄土高原典型丘陵沟壑地貌, 是中国
科学院安塞水土保持试验站生态恢复定位试验研究
小流域, 位于陕西省安塞县纸坊沟流域。该区地形破
碎, 沟壑纵横, 暖温带半干旱季风气候, 海拔 1 010~
1 400 m, 年均气温 8.8 ℃, 年均降水量 505.3 mm。
土壤类型以黄土母质上发育而成的黄绵土为主, 抗
冲抗蚀能力差, 植被类型处于暖温带落叶阔叶林向
干草原过渡的森林草原带[9]。
1.2 土样采集与处理
2010 年 7月下旬, 采用“时空互代”法在流域内
选择营造和管理方法一致, 土壤与成土母质类型相
同, 坡位相似的不同年限刺槐林: 10 a刺槐(RP10)、
15 a刺槐(RP15)、30 a刺槐(RP30)、38 a刺槐(RP38)
为研究样地, 以撂荒地(abandoned cropland, CK)为
对照, 采样地的地理特征及林下植被见表 1。
在选定的研究样地内的坡面上, 选择 2 个 10 m×
10 m的样方作为野外采样区的重复。每个样方内从
坡下到坡上按“S”型方法选择 6个点进行采样。在每
个采样点用土钻分别采集 0~10 cm、10~30 cm 和
30~60 cm的 3层原状土样, 分层将 6点土样混匀作
为每个采样区的代表性样品, 用塑料自封袋带回实
验室。新鲜土样过 2 mm筛, 分成 2份, 1份于 4 ℃
保存 , 进行微生物学性质分析 , 另一部分风干 , 进
行土壤理化性质分析。
1.3 分析项目与方法
1.3.1 土壤微生物量碳、磷和基础呼吸的测定
土壤微生物量碳、磷采用氯仿熏蒸浸提法测
定 [10−12]。熏蒸和未熏蒸的土样用 0.5 mol·L−1 K2SO4
(土∶水=1∶4)浸提, 浸提液中有机碳采用TOC自动
分析仪(Phoenix 8000)测定, 按照公式 Bc=Ec/KEc计算,
式中Ec为熏蒸与未熏蒸土样全碳的差值(mg·kg−1), KEc
为熏蒸杀死的微生物中碳被 K2SO4 所提取的比例,
取 0.45[13]; 微生物量磷用 0.5 mol·L−1 NaHCO3作浸
提剂, 在 1∶20的水土比中浸提 30 min, 提取液中的
磷采用钼锑抗显色法测定, 按公式 Bp=Ep/KEp 计算,
式中 Ep为熏蒸与未熏蒸土样速效磷的差值(mg·kg−1),
KEp 为熏蒸杀死的微生物中磷被 NaHCO3 所提取的
比例, 常取 0.40[14]。土壤基础呼吸采用室内密闭培
324 中国生态农业学报 2012 第 20卷


养法[15]。
1.3.2 土壤氮素与基本理化性质的测定
参照文献[15], 全氮用全自动凯氏定氮仪测定,
铵态氮和硝态氮用氯化钾浸提、AA3 连续流动分析
仪测定, 有机碳采用 K2Cr2O7-H2SO4 油浴外加热法
测定, 速效磷用碳酸氢钠法测定, 土壤含水率用烘
干法测定, 容重用环刀法测定, pH 用 DELTA320 酸
度计测定。
1.3.3 数据处理与分析方法
在指标的测定分析过程中, 微生物学指标每个
土样平行测定 3 次, 理化性质每个土样平行测定 2
次。由于野外采样区重复 2次, 所以, 各指标的数据
至少为 4 个。数据的方差分析用 DPS 软件进行, 多
重比较采用 LSD法, 相关性分析用 SAS 6.12进行。
2 结果与分析
2.1 人工刺槐林的生长年限对土壤基本理化性质
的影响
土壤不同层次的理化性质随刺槐林生长年限的
变化如表 2 所示。不同林龄刺槐林, 土壤有机碳变
化表现出 30 a、38 a刺槐林总体高于 10 a、15 a刺
槐林, 增幅在 112%~185%之间。各刺槐林下土壤有
机碳含量, 在表层(3.78~7.58 g·kg−1)和中层(1.20~
4.55 g·kg−1)均低于撂荒地(CK), 但下层(2.81~3.49
g·kg−1)除 15 a刺槐(1.13 g·kg−1)外, 均高于 CK。土壤
的碳氮比在上层随着刺槐生长年限的延长而下降 ,
范围为 12.37~8.13且均低于 CK(26.48); 中层除 38 a
刺槐林外 , 呈现与上层一致的规律 , 比值范围为

表 1 不同年限人工剌槐林采样地点的地理特征及林下植被
Table 1 Geographical features and undergrowth vegetations of the studied R. pseudoacacia plantations with different ages
样地
Site
年限
Age (a)
海拔
Altitude (m)
坡向
Slope aspect
坡度
Slope degree (°)
纬度
Latitude
经度
Longitude
林下草本类型
Undergrowth vegetation
CK 0 1 305 正北 N 5 36°44′094″ 109°15′204″
茵陈蒿 Achillea capillaries
长芒草 Stipa bungeana
猪毛蒿 Artemisia scoparia
RP10 10 1 134 正西 W 11 36°45′553″ 109°15′704″ 铁杆蒿 A. sacrorum 胡枝子 Lespedeza dahurica
RP15 15 1 313 正东 E 14 36°44′317″ 109°14′370″ 茵陈蒿 A. capillaries 狗娃花 Heteropappus altaicus
RP30 30 1 185 北偏西 NW 13 36°45′931″ 109°15′914″ 铁杆蒿 A. sacrorum 胡枝子 L. dahurica
RP38 38 1 240 北偏西 NW 12 36°44′251″ 109°15′831″ 铁杆蒿 A. sacrorum 胡枝子 L. dahurica
RP10: 10 a刺槐 10-year R. pseudoacacia; RP15: 15 a刺槐 15-year R. pseudoacacia; RP30: 30 a刺槐 30-year R. pseudoacacia; RP38: 38 a
刺槐 38-year R. pseudoacacia; CK: 撂荒地 Abandoned cropland. 下同 The same below.

表 2 不同年限人工刺槐林下 3个土层土壤的基本理化性质
Table 2 Basic physical and chemical properties in three different soil layers of R. pseudoacacia plantations with different ages
土层
Soil depth (cm)
样地
Site
有机碳
Organic C (g·kg−1)
碳氮比
C/N ratio
速效磷
Available P (mg·kg−1)
容重
Bulk density (g·cm−3)
pH
0~10 CK 8.74±2.42aA 26.48±1.67aA 7.46±0.04cA 1.21±0.07aA 8.42±0.2dB
RP10 4.95±0.28abA 12.37±1.03 bA 5.58±0.06dA 1.02±0.01bB 8.71±0.01aB
RP15 3.78±0.28bA 9.21±0.33bcA 9.00±0.32bA 1.11±0.09abAB 8.50±0.02cC
RP30 7.58±2.84abA 8.81±0.24cAB 5.87±0.44dA 1.00±0.03bB 8.67±0.03bC
RP38 5.37±0.82abA 8.13±0.35cAB 14.54±0.12aA 1.01±0.01bB 7.79±0.01eC
10~30 CK 4.60±2.02aAB 21.90±2.09aA 6.85±0.13cB 1.23±0.05aA 8.67±0.028cA
RP10 3.37±0.98abAB 11.23±0.67bA 5.41±0.02dB 1.29±0.02aA 8.82±0.021aA
RP15 1.20±0.72bB 4.61±0.10cA 7.46±0.46bB 1.05±0.07bB 8.62±0.01cB
RP30 1.70±0.52bAB 4.14±0.85cB 5.51±0.10dAB 1.16±0.07abA 8.74±0.04bB
RP38 4.55±0.28aA 10.58±1.88bA 12.17±0.04aB 1.25±0.06bcB 8.03±0.01dB
30~60 CK 1.84±0.43bcB 8.36±0.65cA 6.58±0.15cB 1.24±0.09cA 8.72±0.02bcA
RP10 2.81±0.45abB 18.73±0.56aA 4.30±0.06dC 1.29±0.02aA 8.85±0.01aA
RP15 1.13±0.24cB 7.06±0.33cA 7.35±0.61bB 1.27±0.01abcA 8.70±0.02cA
RP30 3.49±0.67aB 13.96±0.31bA 4.55±0.01dB 1.28±0.03abA 8.78±0.01bA
RP38 2.31±0.47abcB 6.60±0.16cB 9.08±0.09aC 1.08±0.02bA 8.31±0.04dA
不同大写字母表示相同年限不同土层间差异达 5%显著水平 , 不同小写字母表示同一土层在不同年限间差异达 5%显著水平 , 下同。
Different capital letters indicate significant difference at 5% level among different soil layers of R. pseudoacacia plantation with same ages; different
small letters indicate significant difference at 5% level among R. pseudoacacia plantations with different ages, but soil layer is same. The same below.
第 3期 刘 栋等: 黄土丘陵区人工刺槐林恢复过程中土壤氮素与微生物活性的变化 325



11.23~4.14且均低于 CK(21.90); 下层表现为 10 a和
30 a较高。土壤速效磷含量在 3个土层都表现为 10 a
和 30 a刺槐林较低, 15 a次之, 38 a最高; 最小值均
出现在 10 a, 从上到下 3个土层中的速效磷含量 38 a
刺槐林分别是 10 a刺槐林的 261%、225%和 211%。
土壤容重在上层(1.00~1.21 g·cm−3)和中层(1.05~1.29
g·cm−3)无显著规律, 下层土壤容重基本随刺槐年限
增加逐渐降低, 从 1.29 g·cm−3降至 1.08 g·cm−3。不
同年限刺槐林土壤各层次的 pH 均大于 7, 为碱性土
壤, 均为 10 a>30 a>15 a>38 a, 且差异显著, 尤其是
表层土壤中, 38 a刺槐林远远低于其他年限刺槐林。
随土层深度增加, 有机碳、速效磷含量总体上显著减
小; 容重和 pH呈显著增加趋势; 而 C/N无明显规律。
2.2 人工刺槐林的生长年限对土壤氮素含量的影响
如表 3 所示, 随刺槐生长年限的增加, 铵态氮
在土壤表层(0~10 cm)和中层(10~30 cm)均呈现先增
加后降低的趋势: 从 10 a到 30 a, 表层铵态氮含量
从 1.46 mg·kg−1 增加至 3.56 mg·kg−1, 中层从 0.81
mg·kg−1增加至 2.13 mg·kg−1; 从 30 a到 38 a, 表层和
中层铵态氮含量均有不同程度的降低。
土壤表层硝态氮含量在刺槐生长 10~30 a 期间
增加显著, 从 1.81 mg·kg−1增加至 8.35 mg·kg−1, 38 a
时出现下降, 为 7.03 mg·kg−1。土壤中层和下层的硝
态氮含量在刺槐生长的 15~38 a, 均呈缓慢增加, 其
中中层含量从 0.53 mg·kg−1增加至 4.14 mg·kg−1, 下
层含量从 0.69 mg·kg−1增加至 3.07 mg·kg−1。
随着刺槐生长年限的延长, 3个层次土壤的有机
氮含量(除表层在 38 a 稍较低)均呈现增加趋势。表
层有机氮含量为 0.40~0.86 g·kg−1, 中层为 0.26~0.43
g·kg−1, 下层为 0.15~0.35 g·kg−1。有机氮的增长速率
在恢复的前 15 a相对较低, 15 a后增长较快, 在表
层、中层和下层 30 a较 15 a的增幅分别为 109%、
37%和 56%, 尤其是上层增加显著。38 a的 3个土层
从上到下土壤有机氮含量分别是 10 a的 165%、165%
和 233%。
不同年限人工刺槐林 3 个土层的全氮含量除表
层的 30 a、38 a, 中层的 10 a、30 a, 下层的 38 a有
微弱增加外, 其他值与有机氮含量均相同。由于全
氮含量主要由有机氮含量决定, 因此, 二者的变化
规律一致。
随土层深度增加, 硝态氮、有机氮和全氮含量
逐层显著减小; 而铵态氮含量无明显规律。
2.3 人工刺槐林的生长年限对土壤微生物活性的
影响
不同层次土壤的微生物活性随刺槐林生长年限
的变化见表 4。10 a、30 a刺槐林土壤的呼吸强度约
为其他样地的 2倍, 变化范围在 139~253 mg·kg−1·d−1,
而 15 a、38 a刺槐林土壤的呼吸强度与 CK相近, 均
在 100 mg·kg−1·d−1左右。不同林龄刺槐的表层土壤
(0~10 cm)微生物量碳含量顺序为 30 a>38 a>10 a>15
a, 均明显高于撂荒地, 分别为撂荒地的 4.5 倍、3.2
倍、3.0倍和 2.0倍。中层(10~30 cm)和下层(30~60 cm)
土壤微生物量碳含量顺序相同, 均为 38 a>30 a>10
a>15 a, 中层分别为撂荒地(CK)的 6.7 倍、6.5 倍、
3.7倍和 2.0倍, 下层为 9.4倍、6.8倍、1.2倍和 1.2
倍。3个土层中微生物量碳的总量表现为 10 a和 15 a
间差异不显著, 但显著小于 30 a 和 38 a (P<0.05,
n=3); 30 a、38 a间无显著差异。土壤微生物量磷含
量在不同年限刺槐林不同土层中均明显高于撂荒地;
且在表层土壤(0~10 cm), 随着刺槐年限的延长, 于

表 3 不同年限人工刺槐林下 3个土层土壤的氮素含量
Table 3 Content of soil nitrogen in three different soil layers of R. pseudoacacia plantations with different ages
土层
Soil depth (cm)
样地
Site
铵态氮
Ammonium-N (mg·kg−1)
硝态氮
Nitrate-N (mg·kg−1)
有机氮
Organic N (g·kg−1)
全氮
Total N (g·kg−1)
CK 1.45±0.13bA 1.80±0.42bA 0.33±0.03cA 0.33±0.03cA
RP10 1.46±0.63bA 1.81±0.32bA 0.40±0.04cA 0.40±0.04cA
RP15 2.83±0.29aA 2.15±0.25bA 0.41±0.03cA 0.41±0.03cA
RP30 3.56±0.32aA 8.35±4.40aA 0.86±0.03aA 0.87±0.03aA
0~10
RP38 1.70±0.12bA 7.03±1.97abA 0.66±0.08bA 0.67±0.08bA
CK 1.48±0.07bA 0.65±0.08cA 0.21±0.00cB 0.21±0.00cB
RP10 0.81±0.16cA 1.54±0.28bcAB 0.26±0.03bA 0.27±0.03bA
RP15 1.74±0.16abB 0.53±0.12cB 0.30±0.02bcB 0.30±0.02bcB
RP30 2.13±0.39aAB 3.45±0.60abA 0.41±0.02aB 0.44±0.02aB
10~30
RP38 1.50±0.03bA 4.14±1.57aA 0.43±0.03aB 0.43±0.03aB
CK 1.45±0.54aA 0.91±0.53bA 0.22±0.04bAB 0.22±0.04bAB
RP10 0.73±0.03aA 0.76±0.36bB 0.15±0.01cB 0.15±0.01cB
RP15 1.55±0.24aB 0.69±0.14bB 0.16±0.00cC 0.16±0.00cC
RP30 1.50±0.03aB 1.29±0.22bA 0.25±0.01bC 0.25±0.01bC
30~60
RP38 1.81±0.13aA 3.07±0.46aA 0.35±0.02aB 0.36±0.02aB


326 中国生态农业学报 2012 第 20卷


30 a前缓慢上升, 之后明显增长, 达到 27.5 mg·kg−1
左右, 为 CK 的 6.7 倍, 年均增加率为 5.64%; 在中
层(10~30 cm)和下层(30~60 cm)土壤, 除 30 a下降外,
总体上随年限增加而增大, 30 a后显著增加并在 38 a
达到最大, 分别为 21.2 mg·kg−1、11.4 mg·kg−1左右,
为 CK的 19.1倍和 51.9倍。38 a刺槐土壤中微生物
量磷含量在 3个土层中均显著高于其他土壤(P<0.05,
n=3); 在其余样点 , 表层土壤中微生物量磷含量表
现为 30 a>15 a≈10 a; 中层为 15 a>30 a>10 a; 下层为:
15 a>30 a≈10 a。
土壤呼吸熵又称微生物的代谢熵, 为基础呼吸
与微生物量碳之间的比率, 反映了单位生物量的微
生物在单位时间里的呼吸强度。土壤中、下层的呼
吸熵高于上层, 各层呼吸熵随刺槐生长年限的增加
而显著降低, 下层土壤的年降低率为 9.1%, 上层和
中层土壤的年降低率分别为 1.5%和 0.6%。
Cmic/TOC 是指土壤微生物固定的有机碳(Cmic)占
土壤有机碳(TOC)的比例, 也称为微生物熵。表层土
壤 Cmic/TOC 的变化范围为 5.09~6.26, 约为 CK 的
5~6倍; 中层土壤Cmic/TOC随刺槐年限增加逐渐增
大, 在 30 a达到最大值 8.64, 之后降低至 3.05; 下层
Cmic/TOC在 10~38 a间由 0.44增加至 3.80。表层和
中层土壤的微生物量碳 /微生物量磷(Cmic/Pmic)的
最小值均出现在 38 a刺槐林, 分别为 11.35和 6.51,
而下层表现为 15 a刺槐的 Cmic/Pmic最小, 为 1.63。
随土层深度的增加, 基础呼吸除 RP15 有显著
减小外, 其他样点无明显变化。微生物量碳、微生
物量磷含量总体上显著减小, 而土壤呼吸熵和微生
物熵无明显规律。
2.4 土壤氮素含量及其他理化性质与微生物活性
的相关分析
由表 5 可知: 土壤铵态氮、硝态氮、有机氮和
全氮均与微生量碳极显著正相关, 与 Cmic/TOC 显
著或极显著正相关; 硝态氮、有机氮和全氮均与微
生物量磷极显著正相关, 与呼吸墒显著或极显著负
相关。
由表 6 可以看出: 土壤有机碳与硝态氮、有机
氮、全氮、微生物量碳显著正相关; 速效磷仅与微
生物量磷极显著正相关; 土壤容重与微生物量碳、
Cmic/TOC、铵态氮、硝态氮、有机氮、全氮显著或
极显著负相关, 但与呼吸墒显著正相关; pH 与微生
物量磷、硝态氮呈极显著或显著负相关。

表 4 不同年限人工刺槐林下 3个土层中的土壤微生物活性
Table 4 Soil microbial activity in three different soil layers of R. pseudoacacia plantation with different ages
土层
Soil depth
(cm)
样地
Site
基础呼吸
Microbial respiration
(mg·kg−1·d−1)
微生物量碳(Cmic)
Microbial biomass C
(mg·kg−1)
微生物量磷(Pmic)
Microbial biomass P
(mg·kg−1)
呼吸熵
Respiration quotient
[mg(CO2)·g−1(biomass-C)·h−1]
微生物碳/有机碳
Cmic/total organic C
(%)
CK 104.54±8.54bA 94.89±4.28dA 4.10±1.45dA 40.88±1.29aB 1.12±0.26bA
RP10 253.03±3.47aA 281.34±1.20bcA 5.91±0.47cdA 30.80±3.83bB 5.69±0.29aA
RP15 108.59±15.11bA 193.73±39.55cA 7.84±1.20cA 16.35±2.67cB 5.09±0.66aA
RP30 236.90±40.69aA 429.74±62.46aA 11.54±1.22bA 15.21±3.91cA 6.26±3.16aA
0~10
RP38 111.83±5.03bA 312.12±19.27bA 27.49±0.21aA 14.31±0.99dA 5.84±0.53aA
CK 97.10±4.60bA 20.62±0.63bB 1.11±0.01dB 197.35±3.49aB 0.49±0.20bA
RP10 191.97±33.45aA 76.38±10.85abB 2.71±0.47cdB 103.41±5.38bB 2.41±1.02abB
RP15 98.19±5.51bAB 40.74±5.25bB 4.68±0.66bB 101.07±10.05bB 4.30±3.03abA
RP30 222.50±24.23aA 133.98±45.72aB 3.81±0.47bB 68.66±4.64bcA 8.64±5.29aA
10~30
RP38 101.76±10.94bA 137.94±31.02aB 21.17±0.07aB 19.49±2.95cA 3.05±0.86abB
CK 94.05±2.25aA 9.47±2.03bC 0.22±0.13dB 442.77±39.71abA 0.54±0.23cA
RP10 139.41±30.57aA 11.83±5.30bC 1.28±0.25cC 626.94±43.39aA 0.44±0.25cB
RP15 76.15±3.13aB 11.78±3.74bB 7.13±0.42bAB 380.13±29.43bcA 1.02±0.11cA
RP30 139.27±55.77aA 64.15±4.04aB 1.69±0.01cB 142.63±5.21cdA 1.85±0.24bA
30~60
RP38 66.82±24.72aA 88.74±25.26aB 11.42±0.11aC 49.28±7.06dA 3.80±0.31aB

表 5 土壤氮素组成与微生物活性的相关性系数
Table 5 Correlation coefficients between soil nitrogen compositions and microbial activity
微生物量碳(Cmic)
Microbial biomass C
微生物量磷(Pmic)
Microbial biomass P
呼吸熵
Respiration quotient
微生物碳/有机碳
Cmic/total organic C
基础呼吸
Microbial respiration
铵态氮 Ammonium-N 0.67** 0.26 −0.49 0.61* 0.24
硝态氮 Nitrate-N 0.86** 0.74** −0.52* 0.62* 0.34
有机氮 Organic N 0.94** 0.65** −0.62* 0.71** 0.43
全氮 Total N 0.94** 0.65** −0.62** 0.70** 0.45
*和**分别表示相关性达显著(P<0.05)和极显著水平(P<0.01), 下同。* and ** indicate significant correlation at 0.05 and 0.01 level, respec-
tively. The same below.

第 3期 刘 栋等: 黄土丘陵区人工刺槐林恢复过程中土壤氮素与微生物活性的变化 327


表 6 土壤氮素组成、微生物活性和理化性质的相关系数
Table 6 Correlation coefficients among soil nitrogen compositions, microbial activity and physical and chemical properties
有机碳 Organic C 碳氮比 C/N ratio 速效磷 Available P 容重 Bulk density pH
铵态氮 Ammonium-N 0.29 −0.37 0.12 −0.63** −0.12
硝态氮 Nitrate-N 0.51* −0.29 0.47 −0.60* −0.55*
有机氮 Organic N 0.57* −0.29 0.40 −0.74** −0.47
全氮 Total N 0.55* −0.27 0.41 −0.73** −0.49
基础呼吸 Microbial respiration 0.27 −0.09 −0.46 −0.29 0.39
微生物量碳(Cmic) Microbial biomass C 0.59* −0.21 0.29 −0.76** −0.36
微生物量磷(Pmic) Microbial biomass P 0.28 −0.31 0.89** −0.47 −0.91**
呼吸熵 Respiration quotient −0.40 0.19 −0.41 0.57* 0.48
微生物碳/有机碳 Cmic/total organic C 0.07 −0.59* 0.20 −0.74** −0.23

3 讨论
3.1 人工刺槐林恢复对土壤氮素含量的影响
在总氮库中, 土壤全氮是土壤氮素肥力的基础,
植物有效性氮通常是限制植物生长的基本要素[16]。
异养微生物对有机质的矿化是生产植物有效性氮的
基本机制[17]。在植物生长过程中, 土壤有机含氮化
合物在土壤微生物的作用下, 可以分解释放出植物
可以吸收利用的多种形态氮素(硝态氮、铵态氮和各
种氨基酸等)。研究区 3种氮素形态(铵态氮、硝态氮
和有机氮)的含量均随刺槐林龄的增加而逐渐增大,
其中以有机氮为主要的氮素积累形态。这主要是因
为刺槐根系发达密集, 根部具有固氮根瘤, 可以增
加土壤中的氮素; 另一方面, 徐开未等 [18]发现, 刺
槐根瘤具有良好的抗逆性, 具有耐高温、低温及酸
碱环境的特性, 保证了刺槐根部稳定的氮素积累。
本研究土壤表层铵态氮、硝态氮在刺槐生长 30 a前
逐渐增大, 而 38 a出现降低的现象与刺槐人工林随
着树龄的增加, 菌根侵染率先增加后降低且菌根侵
染率与根瘤菌数显著正相关[19]有关。氮素的累积不
仅只出现在表层土壤, 在中、下层土壤中, 氮素含量
也随刺槐林龄的增大呈显著增加趋势, 这可能与根
系聚集层次及分泌物、表层土壤养分对下层的作用
等因素有关, 因为林龄较高的刺槐根系分布也较深,
李鹏等[20]发现刺槐阳坡根系集中在 40~80 cm土层。
丰富的根系会支持更多微生物固氮和新陈代谢活
动。不同年限的人工刺槐林土壤氮素含量均高于撂
荒地, 说明刺槐对土壤氮素含量的增加效果比较明
显。由于刺槐生长过程中, 每年有大量的枯枝落叶
重新返回到生态系统中, 为系统的养分补给和改善
提供了充足的物质来源, 这些物质经微生物分解后
形成腐殖质, 土壤有机质含量增加, 同时将大气中
的氮素固定到土壤中 , 使土壤特性不断得到改善 ,
改善后的土壤又能为植被恢复提供更多的营养物质,
促进植被恢复, 二者相互促进, 互为动力[7]。经过 30
a 的恢复后, 土壤表层中全氮含量由 10 a 的 0.40
g·kg−1 增加到 0.87 g·kg−1, 由 7 级(全氮含量<0.5
g·kg−1)变为 5 级水平(全氮含量在 0.76~1.0 g·kg−1),
从氮素含量来看, 土壤肥力得到很大提高。
3.2 人工刺槐林恢复对土壤微生物活性的影响
反映微生物总的活性指标的基础呼吸没有表现
出随人工刺槐林生长年限增加而增加的规律, 在 3
个土层也没有显著变化。3 个土层中都表现为刺槐
林 10 a和 30 a值较大, 15 a和 38 a值较低, 其原因
有待于进一步研究(很可能与土壤含水量有关)。其值
与微生物量碳和 Cmic/TOC均显著相关。
土壤微生物量碳是反映土壤系统健康和土壤质
量的重要生物学指标[21], 可以敏感地反映管理措施、
人为干扰等对土壤生态系统的影响程度, 同时也是
获知土壤性质改变和土壤退化程度的有力工具[22]。植
被恢复过程中土壤微生物量碳的增长可在一定程度
上反映地上部分净初级生产力的增长, 因为净初级
生产力调控土壤活性碳的含量, 进而影响土壤微生
物量碳[23]。本研究中, 土壤中微生物量碳的含量人
工刺槐林远远高于撂荒地, 且总体上随着林龄增加
而显著增加, 是因为刺槐的种植使得有机质输入增
多, 供微生物利用的碳源增加, 微生物活性及微生
物量升高[24], 土壤的初级生产力上升, 养分积累加
速。而本研究中土壤微生物量碳与全氮、硝态氮、
铵态氮呈极显著正相关, 也表明随着人工刺槐林年
限的增加, 土壤微生物量碳增加, 各种氮素不断积
累。同一样点上层土壤的微生物量碳含量显著高于
下层, 但不同土层的微生物量碳差异弱于刺槐生长
年限引起的差异。10 a和 30 a人工刺槐林表层土壤
微生物量碳含量呈现递增趋势, 而后在 38 a出现下
降, 这与 Jia等[25]研究结果一致。表明在刺槐生长后
期其生理机能降低, 生长减慢, 出现衰败迹象。铵态
氮、硝态氮和有机氮含量在 30 a 后下降可能与此有
关。而在中下层土壤中, 微生物量碳均随林龄的增
长而显著增加。
土壤微生物量磷是土壤有机磷的重要组成部分,
328 中国生态农业学报 2012 第 20卷


是植物生长所需磷的一个重要来源, 也是土壤有机
磷转变为植物可吸收磷的一个枢纽和重要途径[26]。本
研究中, 微生物量碳含量在土壤表层显著高于中层
和下层; 刺槐生长的初期(10 a)与撂荒地相当, 之后
随人工刺槐林龄的增高显著增大。一方面是因为林下
草本植物根系生物量及土壤表层枯落物增加, 土壤
微生物分泌磷酸酶类促进土壤有机质的分解, 同时
通过代谢活动向体外释放无机磷和有机磷; 另一方
面随植被恢复, 地表覆盖度增加 , 可减少土壤养分
的流失[27]。另外, 微生物量碳含量与土壤 pH显著负
相关, 可能与植被恢复过程中 , 根系分泌的有机酸
使土壤中的矿物磷溶解释放, 从而被微生物利用有
关。本研究中微生物量磷与速效磷、有机氮、硝态
氮呈极显著相关 , 进一步说明随着刺槐林的生长 ,
可通过对微生物量的改变进而改善土壤养分状况。
生态系统发展中微生物熵(Cmic/TOC)的变化可
以反映有机物质量的变化和碳对土壤微生物群落的
有效性[28]。表层的 Cmic/TOC 较高可能是由于土壤
微生物利用的有机质来自新鲜凋落物的比例较大 ,
因此微生物量碳占土壤有机碳的比例较高。中、下
层较低的 Cmic/TOC 可能是惰性有机质的累积导致
有机质只有少部分供应土壤微生物 [27]。本研究中 ,
刺槐林土壤中的微生物熵在 3 个土层中都显著高于
撂荒地, 且随林龄的增长而显著增大。说明随着刺
槐林生长年限的增大, 土壤中可供微生物利用的碳
增多, 从而使微生物活性增大。
对土壤呼吸熵的利用来自生态系统能量演替理
论的概念 [8], 呼吸熵降低被认为是随着生态系统稳
定性的增加, 碳的利用效率增加[29−30]。本研究中土
壤呼吸熵在 3 个土层都随着刺槐林龄的增加而显著
减小, 充分说明刺槐的生长提高了土壤中碳的利用
效率, 有利于土壤生态系统的恢复。
综上所述, 随着刺槐林龄的增长, 可供微生物
利用的碳增加, 土壤微生物量碳、磷含量显著增加,
提高了土壤中碳的利用率和微生物活性。而固氮微
生物活性的提高又反过来促进了土壤氮素含量的提
高, 使土壤中有机氮含量显著增加。
3.3 人工刺槐林恢复对土壤基本理化性质的影响
刺槐林下的土壤有机碳、速效磷含量总体随刺
槐生长年限延长而显著增加, 容重呈下降趋势。这
主要是由于每年枯枝落叶和营养元素等物质的返
回为林下土壤的养分补给和改善提供充足的物质
来源, 这些物质经微生物分解后形成腐殖质使土壤
有机质含量增加, 而且随植物生长, 根系也会同时
向土壤中释放大量的离子及有机物质。而一般土壤
有机质含量越高 , 孔隙度越大 , 通气性越好 , 土壤
容重就越低[31]。随土层深度增加, 有机碳、速效磷
含量总体上显著减小 , 这与刘文利等 [32]的研究结
果一致。可见, 刺槐林的生长也改善了土壤其他一
些理化性状。
4 结论
人工刺槐林土壤铵态氮、硝态氮、有机氮和全
氮含量大体上均随着刺槐生长年限的增加而逐渐增
加, 其中有机氮的增加最为显著。随土层深度增加,
硝态氮、有机氮和全氮含量逐层显著减小, 铵态氮
无明显规律。经过 30 a的恢复后, 土壤表层中全氮
含量由 10 a的 0.40 g·kg−1增加到 0.87 g·kg−1, 由 7级
变为 5级水平, 土壤氮素肥力得到很大提高。
微生物量碳和微生物量磷的含量总体上表现为:
刺槐林土壤中明显高于撂荒地, 且随刺槐生长年限
延长而显著增加; 随土层深度的增加而显著减小。
刺槐林土壤中的微生物熵在 3 个土层中都显著高于
撂荒地, 且随林龄的增长而显著增大。土壤呼吸熵
在 3 个土层都随着刺槐林龄的增大而显著减小。且
这些微生物活性指标都与土壤中氮素含量显著正相
关。分析发现, 刺槐的生长使土壤中可供微生物利
用的碳增加, 并且提高了土壤中碳的利用率, 从而
使土壤微生物量碳、磷含量显著增加, 而微生物活
性的提高又反过来促进了土壤氮素含量的提高, 使
土壤中有机氮含量显著增加。
刺槐林下的土壤有机碳、速效磷含量总体随刺
槐生长年限延长而显著增加, 容重和碳氮比则呈下
降趋势。随土层深度增加, 有机碳、速效磷含量总
体上显著减小, 容重和 pH呈显著增加趋势。说明刺
槐林的生长也改善了土壤其他一些理化性状。
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