全 文 ：第 43 卷第 5 期
2 007 年 1 0月
兰 州大学学报 (自然科学版 )
Jo u r na lo f La n z ho u U ni v es ri ty (Na t
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文章编号 : 0 45乐 2059 (207 0) 0乐。 03各 5 0
添加豆科植物对弃耕地土壤养分和微生物量的影响
贾举杰 , 李金花 , 王 刚 , 李文金
(兰州大学 干早与草地生态教育部重点实验 , 甘肃 兰州 73 00 00)
摘 要 : 研究了中国黄土高原地 区人工添加豆科植物 (紫花首蓓 、 草木杯和沙打旺 )后 , 弃耕地养分特征
和微生物量的变化 . 结果表明: 添加豆科植物后 , 土壤有机碳 、 全氮和微生物量碳氮的质量分数明显增
加 . 此外 , 土壤全氮与土壤有机碳 、 土壤微生物氮之间显著正相关 , 微生物量碳氮比和微生物商之间显
著正相关 , 土壤微生物量碳既和微生物碳氮比之间显著正相关 , 又 和微生物商之间显著正相关 . 从短
时间来看 , 在弃耕地演替早期添加豆科植物 , 能够增加土壤有机碳 、 全氮和微生物量 , 提高土壤肥 力 ,
从而加速演替进程 .
关健词 : 豆科植物 ; 弃耕地 ; 有机碳 ; 全氮 ; 微生物量
中图分类号 : Q 14 3 文献标识码 : A
E价 , e t s o f t h e in t r o d u e t i o n o f l e g l l l l e S P e C l e S 0 1 5 0 11 n u t r i e n t s a n d
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植 被是 影 响土壤 有 机碳质量 分数 和 土壤结
构 的重要 因素 . 在弃耕地上 重建次生植被是遏制
黄 土高原地 区土壤退 化 以及加 速该地 区退 化生
态 系统恢 复的关键 I卜 2】. 在演替早期人工 引人演
替中后期 物种 或物种 组 (驱动 种 ) , 有利 于植被 的
恢复和群落生态功 能的恢复【3 一 5】. 一些生态恢复
实践表明 : 黄土高原弃耕地演替过程 中 , 在草 本
群 落 阶段或 灌丛群 落 阶段 人 工植树 6[J 或 引人 白
刺花 (s op h二 a da “ id 动冈 , 可以促进森林的快速 演
替 . 邹厚远 等 sI] 认为 , 黄土高原草原植被的 自然恢
复相 当缓慢 , 通 过补播优良牧 草沙打 旺 (A st 呵 l。
a ds 。 勺 e n s )和兴安 胡枝子 ( L e叩 e d e : a d a h o ir c a )能 加
速弃耕地植被的恢复 . 人工补播或引人这些种后
为什么会加速演替进程 ? 它的作用机理是什么 ? 这
收稿 日期 : 2 0 0 -6 1冬 04 . 修改稿收到 日期 : 2 0 0 7~ 0 -8 3 .0
甚金项目 : 国家 自然科学基金项 目(3 0 6 7 0 3 4 1) 和 国家重点基础研究发展规划项 目 (2 0 02 c B l l l 5 0 5 )资助 .
作者简介 : 李金花 (1 97 3 ) , 女 , 甘肃武威人 , 讲师 , 博士 , 研究方向为理论生态学 , 通讯联系人 , D m ial : lij in h u a p @ so h u . co m .
DOI : 10. 13885 /j . i ssn. 0455 -2059. 2007. 05. 025
兰州大学学报 ( 自然科学版 )第 4 3卷
些问题 目前还不清楚 .
土壤为生物的生长发育 、 繁演生息提供了必
要 的环境条件 . 土壤含碳量的多少很大程度上依
赖 于地表植被和 土地 利用状况 1 0, 且土壤有机碳
质量分数的变化会影响植物对水分和营养 元素
的吸收 , 进而影响植被结构和生产力 10 ]. 氮元素
是 调节陆地 生 态系统生 产力 、 结构和功能的关
键性元素 1 11. 土壤微生物参与土壤碳 、 氮等元素
的循环过程和土壤矿物质的矿化过程 , 对有机物
质 的分解转化 、 养分的转化和供应起着重要的作
用【1卜 13】, 其变化可反映土壤肥力的变化 .
本文研究了在黄土高原区弃耕地人工添加豆
科植物后 , 土壤有机碳 、 全氮和土壤微生物量碳氮
的变化犷探求在弃耕地演替初期添加豆科植物能
否加速演替进程 ? 旨在阐明驱动种对弃耕演替的
作用机理 , 揭示半干旱地 区弃耕地合理有效的恢
复模式 .
1 材料与 方法
L l 研究地区自然概况
本研究在兰州大学黄土高原生态实验站 (N 3o6
02
` ,
E 10 4
“
2 5’ )进行 . 该实验站位于甘肃省榆中县
北 部黄土丘陵区中连川 流域 , 气候上属半干旱类
型 , 植被则为黄土高原西部荒漠草原 区 , 海拔 2 40
m
, 年均气温 4 . 4 “ C , 10 “ C 以上积温 1 5 0 7 “ C , 无霜
期 10 4 d , 年降雨量 360 m m , 作物生长期降雨量 280
~
. 主要土壤类型为黄绵土 、 黑麻坊土与灰钙土 .
该区域农业生产为雨养型 , 主要作物为春小麦 (跳 -
t葱e o m a e , t i、 m )、 胡麻 (L葱。 。 m 哪乞t a梅 s 。` 。。 ) 、 豌豆
(而。 m o a t该。 。。 ) 、 马 铃 薯 (oS at n 。。 坛 be二 s。 。 )
等 , 一年一熟制 .
L Z 研究方法
L .2 1 实脸设计
在退耕当年的农田人工播种 豆科植物 , 研究
添加豆科植 物对弃耕地 演替过程的影 响 . 实验
设置单播豆科植物紫花首楷 (材“ 坛cag o sa “ 、 )
、 草
木择 (硫“ 20加 s s o a o co l e。 ) 、 沙打旺 (A s t呵 a l , h o a仰 -
he e、 幼 )及不播种 (自然撂荒 )4个处理 , 分别用 A , B,
e
,
F代表 , 每个处理面积为 2 5 m x 2 5 m , 于 20 0 3年
春季进行实验 处理 . 同时 , 选取 自然撂荒地 9年
和 13 年两个处理 , 分别用 F g和 F 1 3表示 .
L .2 2 样品采集与浏定
每年于生物量最大 (8月中旬 )测定地上生物量
的同时 , 采用多点混合法采样 (0 、 20 c m ) , 测定土壤
有机碳 、 全氮和土壤微生物量碳氮 . 有机碳的测定
用重铬酸钾容量法一外加热法 , 凯氏定氮法测定
土壤全氮 , 微生物量碳氮用熏蒸浸提法测定 , 具体
操作见文献 {1 4} .
叨 (C m ; C ) = CE / 0
.
3 8
,
其中: w (C im 。 )为微生物碳量 ; cE 为熏蒸土壤有机
碳量和未熏蒸土壤有机碳量之差 , 单位为 m g / k .g
w (N m
, e
) = NE / 0
.
4 5
,
其中 : 叨 (N m ic) 为微 生 物氮 量 ; 场 为熏蒸 土样
所浸 提 的全氮和 未熏蒸土样之 间的差值 , 单位
为 m g / kg .
L .2 3 数据统计分析
用 s P s s( 13 .0 )进行数据统计分析 .
2 结果与分析
2
.
1 不 同处理土坡有机碳和全氮的变化
土壤有机碳 、 全氮质量分数及 w( )C /州 N )与
添 加 豆 科植物密切 相 关 (表 1) . 土 壤有机碳质
量分数 A > C > F > ;B 全 氮质 量分数 A > F > B > .C
随 着 演替 的进行 , 土 壤 有机 碳 、 全氮 质量 分数
及 w ( )C /。 (N )增加 ; 添加豆科植物 3年后土壤有机
碳 、 全 氮质量分数增 加显 著 , 上述指标第 1 , 2年
与第 3年之 间差异显 著 . 添加豆科植物与土壤有
机碳 、 全氮质量分数及叫 )C /w( N )成正相关 (表 2 ) .
添加豆科植物 3年后 , 紫花首楷处理的土壤性状优
于 9年的撂荒地土壤 , 草木择和沙打旺处理的土壤
性状与同期的撂荒地相 似 . 土壤有机碳与 豆科 植
l b b
.
1
表 1 演替早期添加豆科植物对土坟有机碳和全氮的影晌
A ve
r a g e s o f 5 0 11 o r g a n i e c a r b . n an d t
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·
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·
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·
1 2 ( o
·
0 1 )
c B
同一行中不同的小写字母表示彼此之间差异显著 (尸 < 。 . 0 5 ) ; 同一列中不同的大写字母表示彼此之间差异显著 (尸 < 0 . 0 5 ) .
第 5期 贾举杰 , 等: 添加豆科植瀚对弃耕地 土壤养分和微生物量的影响
物的 引人成 极 显著正相关 (: 二 .0 97 , 尸 < 0 . 0 1) 、 全
氮及 w ()C /。 (N )与豆科植物的引人成 显著正 相
关 (分别为 : = 0 . 85 , 尸 < 0 .0 5和 , 二 0 . 75 ) . 引人紫花首
楷 3年后 , 土壤有机碳 、 全氮质量分数已超过 自然
撂荒 9年的弃耕地 , 而 引人草木择和沙打旺 的处
理 , 土壤特征与自然撂荒 3年的处理基本相似 .
衰 2 添加豆科植物和 自然演替过程中土坟性状
飞h b . 2 5 0 11 P r o P e rt i e s u n d e r l e gu m e s P e e i e s i n
-
t r o d u c t i o n a n d n at u r al s u c e e s i o n
处理 。 (C o r 。 )/ (g / k g ) 、 (T N ) / (g /k g ) w (C ) /、 (N )
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,
sB
,
sC 分别表示添加紫花首箱 、 草木择 、 沙打旺 3年的
处理 ; F i , F 3 , F 。 , F z s 分别表示 z , 3 , 9 , 13年的撂荒地 .
同一列中不同的小写字母表示彼此之间差异显著 (尸 司 .0 5 ) .
对于 自然撂荒演 替 , 土壤有机碳 、 全氮质
量分数随着撂荒 时 间 的增加而增加 , 土壤有机
碳 、 叫 )C /叫 N )与演替时间呈正相关 . 引人豆科植
物后 , 土壤特征会发 生明显 的变化 (表 1) . 各处理
土壤有机碳质量分数 : 紫花首楷 > 沙打旺 > 自然
撂荒> 草木择 , 而 全氮质量分数 : 紫花首蓓 > 自然
撂荒> 草木择 > 沙打旺 . 随着演替的进行 , 土壤有
机碳 、 全氮及 m (c) /二 (N )呈增加趋势 , 但演替前两
年增加不显著 , 第 3年增加十分显著 . 土壤有机碳 、
全氮及 w ( )C / 、 (N )与豆科植物 的引人呈显著正相
关 (表 2 ) . 引人紫花首楷 3年后 , 土壤有机碳 、 全氮
质量分数已超过 自然撂荒 9年的弃耕地 , 而引人草
木择和沙打旺的处理 , 土壤特征与 自然撂荒 3年的
处理基本相似 .
.2 2 不同处理土坟徽生物 , 碳氮的变化
不同处理土壤微生物量碳大小为 A 3 > B 3 > C 3
> lF > aF > F。 > 1F 3 (表 3 ) . 随着演替的进行 , 土壤
微生物量碳逐渐减小 ; 添加豆科植物后土壤微 生
物量碳显 著增加 , 与对照相 比 , 引入紫花首楷 、 草
木择和沙打旺后土壤微生物量碳分别增加了 17 7%
1 1 0% 和 38 % , 其中 : 紫花首楷和草木梆处理增加
最显著 . 紫花首楷处理土壤微生物量碳是撂荒当
年土壤的 2倍左右 , 是撂荒 13 年土壤的 3倍 . 紫花
首楷对土壤微生物量碳氮的影响最大 .
l b b
.
3
衰 3
5 0 11
不同处理土城徽生物性状
m i e or b i al P
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处理 、 (M B C ) 。 (M B N ) 、 (M B C ) / w (M B C ) / 。 (M B N ) /
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.
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,
C s
,
F i
,
F 3
,
F g
,
F i 3 同表 2 .
同一列中不同的小写字母表示彼此之间差异显著 (尸< 。 .。句.
不同处理土壤微生物量氮大小为 A 3 > F I : > F l
> aB > F
3 > C 3 > F 。 (表 a) . 土 壤微生 物量 氮在
弃耕地 早期随 着演替 的 进 行 而 减 小 , 9年时 最
低 , 之后急剧增 加 . 与对照相 比 , 引人紫花首蓓 、
草木 择 和沙打旺后土 壤微 生物 量氮增 加 了 43 % ,
9% 和 一 4% , 紫花首蓓处理对土壤微生物量 氮的影
响最 大 . 紫花首楷处理土壤微生物量 氮是 9年撂
荒地 的 L 54 倍 . 演替过程 中 , 微 生物氮与 土壤 全
氮显著正相关 (尸 < 0 . 0 5 ); 微生物碳氮比 、 微生物碳
和全碳 比与微生物碳极显著正相 关沪 < 0 .叫 . 微
生物碳氮 比与微生物碳与全碳比之间极显著正相
关 ( p < 0 . 0 1) (表4 ) .
门
I妞b 。 4
衰 4 不同处理土坟各指标间相关性分析
S P e ar m a n
, 5 e o r r e l at i o n e o e m e i e毗 s a 幻n o n g 5 0 11 P r o P e rt i e s at va r io u s t r e at m e nt s
指标
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一 0 . 6 7 8 一 0 . 2 2 7 1 .以】O
* 表示显著相关 (尸 < 0 .0 5 ) ; * *表示极显著相关 (尸 <。 . 0 1) .
兰州大学学报 (自然科学版 ) 第 43 卷
3 结论与讨论
土壤养分能供应和协调植物生长的营养和环
境条件 , 对植被恢复起极其重要的作用 . 在弃耕
地植被恢复过程 中 , 植被的物种结构和组成与土
壤中营养元素有关 , 而且植 被群落的物种 多样性
以及 植被群落的演替与土壤养分有十分密切 的
关系 . 通过撂荒演替进行植被的自然恢复能够增
加 土壤有机质 , 在一定程度 上减轻土壤侵蚀 . 通
常情况下 , 土壤有机质随着演替时间的增加而增
加 lsI } , 而全氮则不一定 lsI 一叫 . L an d gr af 等 lsI 】的研
究表明 , 土壤全碳在弃耕地演替过程 中没有 明显
的变化趋势 . 我们的研究表明 : 土壤有机碳和全
氮随演替时间的增加而增加 , 与 iJ a等 1 6] 的研究一
致 . m ()C /二 (N )在演替过程中增加 , 且在演替早期
差异显著 , 说明有机质 的数量 和质量均受撂荒演
替的影 响 , 而 G u g en b er ge r等 1 7 }则认为撂荒演替
只影响有机质的数量而不影响有机质的质量 .
我们的研究表明 : 土壤有机碳 、 全氮和 w( c) /
w( N) 与豆科植物的添加显著正相关 . 添加草木择
后土壤有机碳和全氮要 比对照处理的低 , 说明草
木梅可能阻碍土壤的发育 , 这与 uR it ig ian 。 等 1 5]
的研究一致 , 他们认为松树的存在会阻碍土壤的
发育 . 然而 , 添加草木择的群落具有最高的地上生
物量和植被盖度 , 对养分的输 出高 , 可能是导致土
壤养分较低的原因 1 9一 20 1; 这反过来增加了演替后
期物种 的侵人 和定居机会 , 从而驱动植 物群落的
演替 . 引人豆科植物 3年后 , 土壤有机碳和全氮显
著增加 , 这 可能是 由于土壤群 落的响应要滞后于
植物群落 . 添加紫花省楷 3年后土壤 的养分状况
优于 9年的撂荒地 , 而添加草木挥和沙打旺的土壤
养分与 3年的撂荒地基本一致 . 添加豆科植物各处
理中 , 添加紫花首楷后 的土壤有机碳和全氮质量
分数最 高 , 说明紫花首蓓对增加 土壤有机碳和全
氮较好 , 引人豆科植物能够增加土壤养分通量 , 驱
动演替 lz 】.
微生物量 是土壤有机质库中的活性部分 , 被
认 为 是表 征 土壤有机质状态 和 变化的指 标 , 对
于土壤 养分的转化过 程和供应 状况具有重要 意
义 10 ] . 微生物量碳与有机碳的比值 (M B C / C二` )又
称为微生物商 , 它可以作为反映因土壤管理措施
变化而造 成 有机质变化的一个 指标畔 } , 能 预测
土壤有机质长期变化或监测土地退化及恢复嘟 } ,
M B C/ oC
r : 也可以用来指示土壤碳 的平衡 、 积累或
消耗 . 我们的研究表明 : 添加紫花首楷土壤微生物
量最高 , 13 年的撂荒地土壤有机碳最高 , 表明土壤
管理措施影响土壤微生物量 . 引人豆科植物能显
著增加土壤微生物量 , 其中紫花首楷处理土壤微
生物量最高 , 说明添加豆科植物有利于土壤微生
物量的积累 . 研究表明 , 土壤微生物量与土壤有机
碳呈线性相关阳 ], 我们的研究进一步证 明了这一
点 . 添加豆科植物后微生物商显著增加 , 说明演替
早期添加豆科植物能快速恢复弃耕地土壤 .
M B C/ M B N 常被用来描述微生物群落结构和
状态 , M B C /M B N 较大说明真菌比例高 , 相反 则
细菌占优势 l叫 . M B c /M B N 受土壤性状 (水分 、 结
构 、 p H 、 基质 、 微生物的活性等 )的影响阳 , 2 5】. 真
菌占优势的群落 M B C / M B N 为 7 、 12 , 而细菌占优
势时为 3、 61到 . 我们的研究表明: M B c / M BN 还
受豆科植物 的影响 , 引入紫花首楷 M B C /M B N 最
高, 13 年的撂荒地最低 . 各处理间M B C /M B N 为 7 . 16
、 20 . 72 , 说明土壤微生物群落中真菌占优势 .
上述结果表 明 : 弃耕地早期 添加豆科植物能
够增加土壤有机碳 、 全氮和微生物量 , 提高土壤肥
力 , 从而促进弃耕地的恢复 , 但还需要做长期的实
验来进一步研究添加豆科植物对土壤性状的影响 .
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