定量研究土壤侵蝕與土壤養(yǎng)分、土壤微生物間的關(guān)系,農(nóng)業(yè)工程論文水土流失是全球最大的環(huán)境問題，全球有65%的土地存在不同程度的土地退化。中國是世界上土壤侵蝕較為嚴(yán)重的國家之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國水土流失面積3．67106km2，水土流失使我們國家每年流失土壤5．0109t，水土流失使得土壤的表土層隨徑流流走，土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)大量流失，造成土壤物理化學(xué)性質(zhì)的改變，進(jìn)而造成土壤質(zhì)量的下降、土地退化以及生產(chǎn)力的急劇下降〔1〕。Fernandez等〔2〕研究發(fā)現(xiàn)，土壤水分、土壤有機(jī)質(zhì)與土壤的侵蝕和流失有著密切的聯(lián)絡(luò)。賈銳魚等〔3〕對(duì)黃土高原南部的水土流失進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，該區(qū)因水土流失造成小麥減產(chǎn)達(dá)28%。根據(jù)我們國家現(xiàn)有的水土流失狀況，劇烈流失區(qū)主要分布在黃土高原。有關(guān)土壤侵蝕對(duì)徑流、泥沙和養(yǎng)分的影響以及土壤侵蝕與土壤碳循環(huán)之間的關(guān)系進(jìn)行了大量的研究〔4－7〕，然而，定量的討論土壤侵蝕與土壤養(yǎng)分的關(guān)系，近年來固然開展了一些研究〔8－9〕，但相對(duì)較少。土壤微生物作為土壤系統(tǒng)重要的組成部分，土壤碳循環(huán)經(jīng)過的重要介入者，在土壤生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化中起著很重要的作用，因而，研究土壤侵蝕與土壤微生物之間的關(guān)系具有重要意義。本文利用137Cs表征土壤侵蝕程度，定量研究土壤侵蝕與土壤養(yǎng)分、土壤微生物之間的關(guān)系，為更好的理解水土流失經(jīng)過與土壤功能和經(jīng)過之間的聯(lián)絡(luò)奠定科學(xué)基礎(chǔ)。1試驗(yàn)材料與方式方法1．1研究區(qū)域大概情況研究區(qū)位于陜西省延安市羊圈溝小流域(3641～3642N，10930～10931E)，流域面積2．02km2，該區(qū)地形破碎，溝壑縱橫，屬于黃土高原丘陵溝壑地貌，暖溫帶半干旱季風(fēng)氣候，海拔1025～1250m，年平均降水量550mm，降水量年內(nèi)和年際間變化大，70%的降水集中在每年的79月。該區(qū)域土壤類型主要為黃綿土，抗蝕性差，水土流失嚴(yán)重〔10〕。在羊圈溝小流域內(nèi)選擇4個(gè)典型的坡面，單一刺槐林坡面(F)、單一撂荒草地坡面(G)、在上坡、中坡和下坡分別分布為草地、林地和草地的草地林地草地搭配坡面(G－F－G)及分布為林地、草地和林地的林地草地林地搭配的坡面(F－G－F)。坡面上林地均為恢復(fù)年限25a的刺槐林，草地為同期退耕后構(gòu)成的撂荒地。每個(gè)坡面由上而下將坡面劃分為坡頂、坡肩、坡背、坡腳和坡趾5個(gè)典型地形部位。自坡頂?shù)狡轮涸O(shè)置5～6個(gè)樣地，樣地分布見圖1，每個(gè)樣地約200m2，每個(gè)樣地內(nèi)設(shè)置3個(gè)樣方，面積為25m2，詳細(xì)樣地信息見表1?！颈?】1．2土樣采集方式方法2007年8月在樣地的3個(gè)樣方中分別進(jìn)行0～10cm土層樣品的采集，每個(gè)土壤樣品為5鉆隨機(jī)土樣的混合。一部分新鮮土樣過2mm篩后于4℃保存，用于土壤微生物生物量和功能多樣性的測(cè)定;一部分土樣冷凍枯燥后－40℃保存，用于微生物群落構(gòu)造的測(cè)定;另一部分土樣風(fēng)干過2mm篩，用于pH和電導(dǎo)率的測(cè)定，過100目篩用于有機(jī)碳和全氮的測(cè)定。在坡面上每個(gè)樣地內(nèi)用3．5cm土鉆采集0～20cm土壤樣品，經(jīng)過風(fēng)干、研磨、過2mm篩、稱重和裝盒等經(jīng)過后進(jìn)行137Cs的測(cè)定。1．3137Cs測(cè)定方式方法土壤中137Cs測(cè)定用高純鍺伽瑪能譜儀，測(cè)量時(shí)間不少于28000s，測(cè)量相對(duì)誤差＜10%(置信度95%)，土壤樣品比活度由標(biāo)準(zhǔn)源相比照較法得到。土壤侵蝕量計(jì)算選用農(nóng)耕地侵蝕模型〔11〕，即：【1】式中:A表示采樣點(diǎn)137Cs面積活度(Bqm－2);Aref表示研究區(qū)137Cs背景值(Bqm－2);h為土壤年流失厚度(cm);H為耕作層厚度(cm);T為采樣年份。1．4土壤理化性質(zhì)的測(cè)定方式方法土壤容重采用環(huán)刀法，pH采用酸度計(jì)(土∶水=1∶2．5)，電導(dǎo)率采用電導(dǎo)率儀(土∶水=1∶2．5)測(cè)定，土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀氧化外加熱法，全氮采用半微量凱式法〔12〕。1．5土壤微生物生物量及多樣性的測(cè)定方式方法土壤微生物生物量碳采用氯仿熏蒸浸提法，氯仿熏蒸和未熏蒸土壤用0．5molL－1K2SO4溶液浸提，土液比1∶4，浸提溶液中有機(jī)碳含量采用UV-Persuate全自動(dòng)有機(jī)碳分析儀(Tekmar-DohrmannCo．USA)測(cè)定，轉(zhuǎn)換系數(shù)kC=0．45〔13〕。土壤微生物多樣性用BIOLOG方式方法進(jìn)行測(cè)定〔14－16〕。培養(yǎng)96h的數(shù)據(jù)用于計(jì)算土壤微生物群落功能多樣性。Shannon-Wiener多樣性指數(shù)H：【2】式中:S為被利用碳源的總數(shù)目;Pi為第i個(gè)孔的相對(duì)吸光值與整個(gè)微平板相對(duì)吸光值的比值，計(jì)算公式為Pi=C－R(C－R);C為有碳源的每個(gè)孔的光密度值;R為對(duì)照孔的光密度值。土壤微生物群落構(gòu)造采用磷脂脂肪酸(PLFA)方式方法進(jìn)行測(cè)定〔17〕，PLFA的總量和單個(gè)PLFA的量能夠用內(nèi)標(biāo)19:0來進(jìn)行計(jì)算。真菌的量用18:26表示;細(xì)菌的量用以下脂肪酸總和表示:i14:0，i15:0，a15:0，15:0，i16:0，16:19，16:17t，i17:0，a17:0，17:0，cy17，18:17，cy19〔18〕。1．6數(shù)據(jù)分析方式方法利用Excel2003整理數(shù)據(jù)，SPSS中的回歸分析研究土壤侵蝕與土壤理化性質(zhì)及土壤微生物之間的關(guān)系。2結(jié)果與分析2．1137CS含量在坡面上的空間分布137Cs的含量用來表征土壤侵蝕程度，137Cs的含量越低，表示清楚土壤侵蝕越嚴(yán)重，137Cs的含量在坡面上不同坡位的分布差異特別顯著，不同的植被格局下土壤的侵蝕經(jīng)過存在差異(圖2)。總體來講，單一植被坡面刺槐林地和撂荒草地137Cs含量的分布規(guī)律較為類似，中坡位和下坡位的含量比擬高，而兩種林草搭配的坡面上137Cs含量的分布規(guī)律較為類似，在坡頂和下坡位含量較高。2．2137Cs含量與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系將4個(gè)不同坡面上不同坡位的137Cs含量與土壤理化性質(zhì)進(jìn)行回歸分析后發(fā)現(xiàn)，137Cs含量與土壤有機(jī)碳(SOC)、全氮(TN)、容重(BD)和電導(dǎo)率(EC)之間均存在顯著的回歸關(guān)系(P＜0．05)，R2在0．2779～0．6293，但不同的土壤理化性質(zhì)與137Cs含量之間呈現(xiàn)的最佳擬合方程存在差異，土壤有機(jī)碳和全氮為二項(xiàng)式，容重為線性回歸方程，而電導(dǎo)率與137Cs含量之間則為對(duì)數(shù)方程。土壤侵蝕經(jīng)過對(duì)不同的土壤理化指標(biāo)影響不同，華而不實(shí)，土壤有機(jī)碳、全氮和容重隨著137Cs含量的升高而升高，電導(dǎo)率則隨著137Cs含量的升高而降低。而土壤水分和pH與137Cs的含量之間關(guān)系不明顯(圖3)。【圖略】2．3137Cs含量與土壤微生物生物量及土壤微生物功能多樣性之間的關(guān)系土壤侵蝕對(duì)土壤微生物生物量沒有直接的影響，137Cs的含量與微生物生物量碳(MBC)之間無顯著的回歸關(guān)系(圖4)。但回歸分析顯示，土壤侵蝕對(duì)微生物功能多樣性存在顯著的影響，微生物功能多樣性指數(shù)隨著137Cs含量的增加呈降低趨勢(shì)(圖5)?！緢D略】2．4137Cs含量與微生物菌群之間的關(guān)系將137Cs含量與細(xì)菌、真菌、革蘭氏陰性菌和陽性菌分別進(jìn)行回歸分析，研究表示清楚，137Cs含量與土壤微生物生物量之間沒有顯著的相關(guān)關(guān)系，但137Cs含量與細(xì)菌、革蘭氏陰性菌和陽性菌之間均存在顯著的相關(guān)關(guān)系(P＜0．05，圖6)，R2分別為0．4014、0．3416和0．3886，隨著137Cs含量的增加，細(xì)菌、革蘭氏陰性菌和陽性菌的變化趨勢(shì)類似，呈現(xiàn)先降低再升高的趨勢(shì)。137Cs含量與真菌之間的回歸關(guān)系未到達(dá)顯著水平(P＞0．05)?！緢D略】3討論137Cs含量與土壤理化性質(zhì)之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系，土壤侵蝕能夠直接影響土壤有機(jī)碳、全氮、容重和電導(dǎo)率。研究結(jié)果與以往的結(jié)果相一致，Li等〔8〕發(fā)現(xiàn)，137Cs能夠直接定量表示土壤有機(jī)碳在坡面上的重新分配;137Cs和土壤有機(jī)碳之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系〔6〕。土壤中密度比擬小、粒徑比擬小的黏粒和砂粒在水土流失經(jīng)過中比擬容易隨徑流流失，而土壤有機(jī)碳主要集中分布在表土層且密度較低，因而，較容易受土壤侵蝕的影響〔19－20〕。也有研究表示清楚，137Cs含量與全氮之間沒有顯著的相關(guān)關(guān)系，土壤全氮的含量主要受植被的影響〔9〕。土壤微生物在黃土丘陵溝壑區(qū)坡面上自坡頂至坡趾存在一定的空間分布規(guī)律〔21〕，但本研究中坡面上137Cs含量和土壤微生物生物量之間未見顯著的相關(guān)關(guān)系。在本研究樣地內(nèi)進(jìn)行的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，土壤微生物生物量與土壤養(yǎng)分之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系〔22〕，這也與以往的研究相一致〔23〕，同時(shí)，137Cs含量與土壤養(yǎng)分之間也存在顯著的相關(guān)關(guān)系，因而，推斷土壤侵蝕對(duì)土壤微生物生物量的影響主要是通過影響土壤養(yǎng)分的分布進(jìn)而間接影響微生物生物量的分布。對(duì)137Cs含量和微生物不同群落進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn)，土壤侵蝕與細(xì)菌菌群之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系，關(guān)于侵蝕環(huán)境下137Cs含量與土壤微生物之間的關(guān)系相關(guān)研究較少，結(jié)論不是很明確，且土壤微生物與土壤理化性質(zhì)相比，更易受外界如植被及環(huán)境因素的影響，對(duì)外界的變化反響更為敏感，因而，還需要更進(jìn)一步的研究。研究中發(fā)現(xiàn)，137Cs含量與土壤微生物功能多樣性指數(shù)之間存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，很難理解隨著137Cs含量的升高，而微生物功能多樣性指數(shù)為什么呈降低趨勢(shì)，但從歷史上講，在植被恢復(fù)以前，黃土丘陵溝壑區(qū)坡耕地主要分布在侵蝕較難發(fā)生、地形較為平坦的坡頂和坡腳位置，而耕作能夠明顯減少微生物的多樣性〔24〕，長(zhǎng)期的耕作能夠引