张 青， 李思瑶， 王 辰， 魏 岚， 梁运江

(延边大学 农学院，吉林 延吉 133002)

土壤微生物生物量碳、氮、磷是指土壤中所有活微生物体中碳、氮、磷的总量，土壤微生物不仅参与物质转化过程中的许多生化反应，而且通过自身的代谢和周转，促进土壤养分的循环和有效化，成为土壤有效养分的重要来源。微生物量碳和氮直接反映了土壤的肥力状况[1]。虽然土壤微生物量碳占土壤碳库的比例较小[2]，却是土壤有机质中的重要组成部分。土壤微生物本身所含的氮磷等是植物潜在有效的养分，是植物养分的重要的源和库[3]，对土壤养分转化，有机碳代谢及污染物降解具有重要作用。

季节性冻融是普遍存在于中高纬度或高海拔地区冬季前后土壤内部的自然现象，主要表现为季节性与昼夜性两者耦合作用于土壤，使其温度在0 ℃上下波动，是土壤冻结时冻层由表面向下移动而融化时融层由表层向下及深层向上移动的一种普遍物理现象[4]，对土壤的理化性质以及生物性质均有直接或者间接的影响。冻融作用在很大的程度上会影响该地区土壤微生物生物量碳、氮、磷含量和植物对养分的吸收过程。冻融交替会增加不同土层深度土壤总溶解磷、无机磷和有机磷释放量[5]，对比恒温处理的土壤，冻融处理后的土壤无机氮含量增加[6]。多数研究认为冻融作用会显著降低土壤微生物量碳和微生物量氮含量[6-9]，也有研究表明，随着冻融时间的增加，土壤中微生物量氮含量呈现先减小后增加的趋势[10]。现有土壤微生物量研究多集中于农田和林地，针对果园的研究较为欠缺，关于苹果梨园微生物量的研究少之又少。延边地区地处东北亚金三角，气候类型为低温近似海洋性的大陆季风气候，10月中旬地温在0 ℃上下波动，土壤昼融夜冻，11月下旬冻层达到最深冻结深度，翌年3月温度升高冻层开始融化，至3月下旬地温恢复到0 ℃上下，土壤昼融夜冻。对于暗棕壤上培育的苹果梨园，一年内近5个月处于冻融交替状态，由于气候条件的独特性和梨品种的特有性，且经历季节性冻融过程，有别于国内其它地方的果园生态系统。因此，该研究选取了延边朝鲜族自治州龙井市苹果梨园土壤为试材，采用氯仿熏蒸的方法测定微生物量碳氮磷的含量，以期为指导土壤改良、提高苹果梨的产量和质量提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

采样点位于延边朝鲜族自治州龙井市延边华龙果树农场苹果梨园，园区属低温近似海洋性的大陆季风气候，平均降水量为400～650 mm，季风特点显著，四季分明，形成了典型暗棕壤。果园行间清耕休闲，无灌水设施，施肥以磷酸二铵、硫酸钾、尿素为主。

1.2 研究方法

于2015年秋季10月采集冻融前土壤样品，分别选栽植年限为11、25、40、63年的苹果梨果树，果树基本情况与地理信息见表1～2，按5点取样法选取健康且长势良好的5株果树，避开施肥点，在距离树干1 m处设置采样点，共采集5个重复样点，分别采集0～20、20～40、40～60 cm土层的原状土，混匀后分别放入无菌袋内，冷藏带回进行风干处理，过1 mm筛。2016年4月气温回升后重复上述采样步骤采集冻融后土壤样品。风干土样放置于密闭塑料盒内，于阴凉干燥处常温保存。试验前将土壤含水量调节到田间持水量的50%，25 ℃黑暗条件下培养7 d后熏蒸测定。微生物量在新鲜和风干土壤中有一致的变化，其次休眠的真菌孢子和细菌寄存体能在风干土中长时间保持活性，可通过土壤预培养使土壤微生物复活，故使用风干土探索土壤微生物变化规律可行[11]。土壤微生物量碳、氮、磷分别采用熏蒸提取-重铬酸钾氧化容量法、熏蒸提取-茚三酮比色法和熏蒸提取-无机磷测定法测定。

表1 采样果园基本情况

表2 采样果园地理信息

1.3 数据处理

所有试验数据采用SPSS 25.0软件统计分析，采用单因素方差分析分析冻融前、后不同土层内栽植年限对土壤微生物量碳、氮、磷含量的影响；采用独立样本t检验分析不同栽植年限下冻融作用对土壤微生物量碳、氮、磷含量影响的显著性；采用配对t检验分析冻融作用对整个土层土壤微生物量碳、氮、磷含量影响的显著性。

2 结果与分析

2.1 冻融作用对苹果梨园土壤微生物量碳的影响

由图1可知，在0～20 cm土层，在冻融前栽植年限为11、25年的土壤微生物量碳(MBC)含量显著低于其它年限土壤，经一季冻融后栽植年限为25年的果园土壤MBC含量显著低于其它土壤。不同栽植年限的果园土壤经冻融后MBC含量均表现出上升趋势，MBC含量分别比冻融前提高了102.7%、49.0%、20.1%和19.9%。其中，栽植年限为11年的果园MBC含量变幅较其它果园更为明显。栽植年限为40年果园冻融前后MBC含量均最高，但经冻融后增幅较小。分别对4个栽植年限果园土壤进行独立样本t检验发现，11年(P=0.000)的果园土壤冻融前后MBC含量差异极显著，其余年限果园冻融前后土壤MBC含量差异显著(P=0.018、P=0.023、P=0.035),对0～20 cm整个土层进行配对t检验发现，季节性冻融作用极显著影响土壤MBC含量(P=0.000)。

注：*表示处理间有显著性差异(P<0.05)，**表示有极显著差异(P<0.01)，ns表示无显著性差异。

在20～40 cm土层，冻融前栽植年限为11、25年果园土壤MBC含量显著低于其它年限土壤，经一季冻融后4个栽植年限果园土壤MBC含量均有显著性差异，其中11年果园含量最低。栽植年限为11、25和63年果园土壤经冻融后MBC含量均有所上升，分别比冻融前提高了61.7%、176.0%和13.7%，而63年果园土壤MBC含量降低了26.9%，其中25年果园土壤MBC含量变幅最明显。分别对4个不同栽植年限果园土壤进行独立样本t检验发现，10年(P=0.000)、25年(P=0.000)、40年(P=0.002)果园土壤MBC含量在经历季节性冻融前后差异极显著，63年果园土壤(P=0.014)差异显著。对20～40 cm整个土层进行配对t检验发现季节性冻融对土壤MBC含量无显著影响(P=0.201)。

40～60 cm土层中栽植年限为40年果园土壤MBC含量在冻融前显著高于其它年限果园，经冻融后4个栽植年限果园土壤MBC含量均有显著性差异，其中11年果园含量最低。栽植年限为11、40年果园土壤经冻融后MBC含量分别比冻融前降低了48.1%和44.1%，而栽植年限为25年、63年MBC含量分别比冻融前了升高了178.7%和11.4%，其中25年的果园土壤含量变幅最明显。分别对4个栽植年限果园土壤进行独立样本t检验发现，栽植年限为25年果园土壤MBC含量在经历季节性冻融后差异极显著，其余栽植年限MBC含量无显著性差异。对40～60 cm整个土层进行配对t检验发现季节性冻融对土壤MBC含量无显著影响(P=0.286)。

2.2 冻融作用对苹果梨园土壤微生物量氮的影响

由图2可知，在0～20 cm土层中，栽植年限为10、25年果园土壤微生物量氮(MBN)含量在冻融前显著低于其它年限土壤，经冻融后栽植年限为63年果园土壤MBN含量显著高于其它年限土壤。栽植年限为10、25和63年土壤经冻融后MBN含量均呈上升趋势。分别对4个不同栽植年限果园土壤进行独立样本t检验发现，4个栽植年限果园土壤冻融前后MBN含量均呈显著性差异(P11=0.000、P25=0.000、P40=0.008、P63=0.000)。对0～20 cm整个土层进行配对t检验发现季节性冻融作用对土壤MBN含量无显著影响(P=0.059)。

图2 季节性冻融下不同土层微生物量氮随栽植年限的变化

在20～40 cm土层中，在冻融前4种栽植年限土壤MBN含量均呈显著差异，冻融后栽植年限为63年果园土壤MBN含量显著高于其他年限，栽植年限为11年土壤MBN含量显著低于其他年限。所有栽植年限果园土壤经冻融后MBN含量均呈上升趋势，其中，63年果园变幅较其它园龄更为明显。分别对4个栽植年限果园土壤进行独立样本t检验发现，栽植年限为40年果园土壤MBN含量在经历季节性冻融后无显著性差异，其余栽植年限土壤MBN含量在季节性冻融前后差异极显著(P10=0.002、P25=0.000、P63=0.004)。对20～40 cm整个土层进行配对t检验发现，季节性冻融对MBN有极显著影响(P=0.005)。

在40～60 cm土层中，在冻融前11、40年栽植年限土壤MBN含量均显著低于其他年限，经冻融后，4种栽植年限土壤MBN含量均呈显著性差异，其中，11年MBN含量最少，63年MBN含量最多。所有栽植年限土壤经冻融后MBN含量均呈上升趋势。分别对4个栽植年限果园土壤进行独立样本t检验发现，冻融前后所有栽植年限土壤MBN含量均呈显著性差异(P11=0.001、P25=0.000、P40=0.006、P63=0.000)。对40～60 cm整个土层进行配对t检验发现，季节性冻融对土壤MBN含量有极显著影响(P=0.001)。

2.3 冻融作用对苹果梨园土壤微生物量磷的影响

由图3可知，在0～20 cm层次，冻融前后土壤微生物量磷(MBP)含量在各栽植年限果园土壤中均呈显著性差异，冻融前11年果园MBP含量最低，冻融后40年果园MBP含量最高。所有年限果园土壤经冻融后MBP含量均呈上升趋势，分别比冻融前升高了73.8%、9.0%、89.9%和28.6%。分别对4个栽植年限果园土壤进行独立样本t检验发现，11、40年果园土壤冻融前后MBP含量差异极显著(P=0.002、P=0.000)，其余无显著差异。对0～20 cm整个土层进行配对t检验发现，季节性冻融作用对土壤MBP 含量有极显著影响(P=0.000)。

图3 季节性冻融下不同土层微生物量磷随园龄的变化

20～40 cm土层中冻融前后栽植年限为11年的果园土壤中MBP含量均显著低于其它年限土壤。各个年限果园土壤经冻融后MBP含量均呈上升趋势，分别比冻融前升高了70.5%、20.2%、48.0%和5.4%，其中11年果园MBP含量变幅较其它年限更为明显。分别对4个栽植年限的果园土壤进行配对t检验发现，11、40年土壤冻融前后MBP含量差异极显著(P=0.008、P=0.001)，其余年限无显著差异。对20～40 cm整个土层进行配对t检验发现，季节性冻融作用对土壤MBP 含量有极显著影响(P=0.001)。

40～60 cm土层中栽植年限为10年的果园土壤MBP含量在冻融前后均低于其它年限土壤。栽植年限为10、25、63年土壤经冻融后MBP含量均呈上升趋势，分别比冻融前升高了11.9%、29.7%和11.5%，而40年的果园土壤比冻融前降低了45.3%，并且40年果园MBP含量变幅较其它年限更为明显。分别对4种年限果园土壤进行独立样本t检验发现，只有40年果园土壤冻融前后MBP含量差异显著(P=0.023)。对20～40 cm整个土层进行配对t检验发现季节性冻融作用对土壤MBP含量无显著影响。

3 讨论与结论

季节性冻融对土壤微生物生物量的影响是一个复杂过程，不同果园系统的微生物对冻融响应不同[2,12]，即使是同一果园系统中，气候条件相同的情况下，不同土层、不同栽植年限下土壤微生物量的冻融响应也不同。

冻融过程通过改变土壤中水分状况及分布情况而影响土壤的物理、化学、生物等性质, 对土壤微生物量影响极其复杂[13]。即使是在同一果树品种下，不同土层微生物量的变化也不同。土壤微生物量对环境有极强的敏感性，其含量变化可能与干燥度、母质、土壤湿度、温度以及季节气候有关。由图1～3可知，在经历季节性冻融后土壤微生物量含量整体较冻融前上升，且在0～40 cm土层增长幅度大于40～60 cm土层，这反映了土壤微生物随土层变化的分布格局，即微生物量随土层的加深而减少[14]。这与有机质、全氮的分布规律相同，说明土壤深度是影响土壤微生物量冻融变化的因素之一，其原因可能是表层土壤中微生物更多的受外界环境因子影响，凋落物的数量和质量以及水分和温度条件等都对微生物有直接影响，而影响深层土微生物的更多的是营养元素在土壤中的淀积以及果树根系的根际效应，并且深层土环境较为稳定，故冻融作用对深层土壤微生物的影响小于表层土壤。其次,冻融作用会导致土壤容重降低、土壤团聚体结构损坏[15]，该研究区春季干燥多风，秋季凉爽少雨，冬季寒冷期长，春季温度升高和干燥度增加有利于改善土壤通气状况，促进微生物增多，从而导致土壤微生物量生物量增加[16]，这与张超凡的研究结果一致[17]。

土壤微生物的冻融变化还与果树的生长阶段有关，抛开受冻融作用影响较小的深层土壤，在0～40 cm土层大体上10和20年果园土壤MBC、MBN经季节性冻融后增幅大于40和60年，产生这种结果的原因可能是幼龄苹果梨树冠幅小，郁闭度低，树下光照条件较好，使树下草本发育充分，有利于微生物活动，土壤微生物数量明显增加，而成熟期苹果梨树树冠遮盖面积大，树下光照不足，形成相对封闭的小气候，不利于土壤微生物活动，故使土壤MBC和MBN含量降低。王国兵[18]研究证明，影响土壤微生物量磷季节性变异的主要因子是土壤湿度和土壤温度。该文研究证明，栽植年限为40年果园土壤MBP含量经季节性冻融后差异显著，其原因可能为壮年期果树生命活动旺盛，落果与枯枝落叶丰富，使有机质含量较高。有机质是磷养分的载体，是土壤微生物生长繁殖的必需物质，土壤微生物获得更多的养分进而增强了微生物活性。其次季节性冻融过程中土壤颗粒的破碎和部分微生物体的死亡增加了土壤中有机碳含量[19]，待春季气温回升时这些有机碳成为土壤微生物的碳源，刺激微生物活性，导致土壤中矿化作用的加强，土壤中部分有机磷矿化为无机磷，有利于土壤微生物的繁殖。再者，冻融作用可直接作用于土壤中的Fe2O3膜，使包裹在其中的闭蓄态磷释放，从而提高了土壤中有效磷含量，进而促进了微生物的繁殖[20]。最后壮年果树根系发达，有利于土壤良好结构形成，增强土壤锁水保肥能力，在春季微生物复苏时可提供更充足的养分，提高了微生物活性。相比于土壤微生物量碳、氮，土壤微生物量磷周转速率更快，对环境变化更敏感[21]。