五大连池不同喷发时期火山土壤微生物量变化特征

摘要 [目的]明确火山喷发后森林生态系统长期发展演化过程中土壤微生物量的变化特征。[方法]采用空间代替时间的方法，选择五大连池火山群中的老黑山（1721年喷发）、东焦得布山（17万年前喷发）、小孤山（28万年前喷发）、尾山（40万年前喷发）和北格拉球山（70万年前喷发）构成土壤发育的时间序列，分析土壤微生物量碳和氮含量以及土壤理化因子，探索火山喷发形成后森林生态系统长期演化过程中土壤微生物量的时间动态及其影响因子。[结果]随火山喷发形成时间增加，微生物量碳含量总体呈先增加后减少再增加的趋势;微生物量氮总体呈先增加后减少的趋势。土壤微生物量在南坡和北坡上差异显著，数量上表现为北坡>南坡。土壤微生物量碳和氮对土壤总有机碳和全氮的贡献率分别为0.92%～3.03%和1.19%～6.33%，表层（0～10 cm）高于底层（10～20 cm），贡献率的时间变化特征与土壤微生物量碳和氮的时间变化特征基本一致。土壤微生物量碳和氮呈极显著正相关;随火山喷发时间的延长，土壤微生物量与理化因子的相关程度下降。[结论]不同喷发时期火山土壤微生物量及其对土壤养分的贡献率呈波动性变化特征，不同坡向和土层深度土壤微生物量含量存在明显分异，土壤养分对微生物生存发展的限制作用随生态系统发育时间延长而降低。

关键词 五大连池;火山;喷发时期;土壤微生物量;变化特征

中图分类号 S154.3文献标识码 A文章编号 0517-6611（2022）19-0070-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.19.018

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Variation Characteristics of Soil Microbial Biomass in Wudalianchi during Different Volcano Eruption Periods

CAO Hong-jieWANG Li-min XU Ming-yi 2 et al

（1.Institute of Natural Resources and Ecology，Science Academy of Heilongjiang Province，Harbin，Heilongjiang 150040;2.National and Provincial Joint Engineering Laboratory of Wetlands and Ecological Conservation，Harbin，Heilongjiang 150040）

Abstract [Objective]To clarify the variation characteristics of soil microbial biomass during the long-term development and evolution of forest ecosystems after volcanic eruptions.[Method]Using the method of space instead of time，Laoheishan （erupted on 1721），Dongjiaodebu （erupted at 170 000 years ago），Xiaogushan （erupted at 280 000 years ago），Weishan （erupted at 400 000 years ago），and Beigelaqiu （erupted at 700 000 years ago） in the Wudalianchi volcanic group were selected to form the time series of soil development，the carbon and nitrogen contents of soil microbial biomass and soil physicochemical factors were analyzed，and the temporal dynamics of soil microbial biomass and its influencing factors during the long-term evolution of forest ecosystems after the formation of volcanic eruptions were explored.[Result]With the increase of volcanic eruption formation time，the microbial biomass carbon content generally increased first，then decreased and finally increased; the microbial biomass nitrogen generally increased firstly and decreased then.The soil microbial biomass was significantly different between the southern and northern slopes，and the quantity was expressed as the northern slope > the southern slope.The contribution rates of soil microbial biomass carbon and nitrogen to soil total organic carbon and total nitrogen were 0.92%-3.03% and 1.19%-6.33%，respectively.The surface layer （0-10 cm） was higher than the bottom layer （10-20 cm），and the temporal variation characteristics of the contribution rate were basically consistent with the temporal variation characteristics of soil microbial biomass carbon and nitrogen.There was a extremely significant positive correlation between soil microbial biomass carbon and nitrogen.With the extension of volcanic eruption time，the correlation between soil microbial biomass and physicochemical factors decreased.[Conclusion]The soil microbial biomass and its contribution rate to soil nutrients showed fluctuating characteristics in different eruption periods volcanic.The microbial biomass content of soil in different slope directions and soil depth showed differentiation.The limiting effect of soil nutrients on microbial survival and development decreased with the extension of ecosystem development time.

Key words Wudalianchi;Volcano;Eruption periods;Soil microbial biomass;Variation characteristics

土壤微生物作为地球生物演化进程中的先锋种类和重要的活性组分，广泛参与土壤中的生物和生物化学反应[1]，是土壤中物质转化和养分循环的重要动力和主要驱动因素，对生态系统的发展具有重要的促进作用[2]。尽管土壤微生物量碳仅占土壤有机碳的1.92%左右[3]，但其对生态系统C、N循环的调控作用不容忽视，是植物所需营养物质循环和转运的重要组成部分[4]，因此微生物体碳、氮被认为是土壤活性养分的重要储存库、植物生长可利用养分的重要来源[5]。近年来我国学者在典型生态系统[6]、土地利用方式[7]及退化土壤植被恢复[8]对土壤微生物量的影响等方面开展了大量研究，然而由于我国幅员辽阔，气候条件、土壤类型以及地质条件的复杂多样，目前关于火山森林生态系统这一特殊生境土壤微生物量的研究还较少。

五大连池火山自然保护区，地处黑龙江省黑河市西南部，位于小兴安岭西南山麓与松嫩平原的过渡地带，由不同喷发时期的14座火山组成，是我国保存最为完好的内陆单成因火山群。国内一些学者对该区域植被演替、物种组成、植物多样性及植物功能性状[9-10]等方面进行了大量研究。近年来，五大连池微生物方面的研究逐渐增多，主要包括矿泉水中微生物多样性、古菌分布规律、人为干扰对放线菌群落结构影响以及利用PLFA方法探讨不同年代火山的细菌、真菌和放线菌的组成等[11-14]。五大连池火山群植被演替阶段、植物群落特性、土壤温湿度、土壤理化性质等调控土壤微生物量的因子与其他的森林生态系统存在一定的差异，同时，植物方面的研究结果表明五大连池不同喷发时间形成的火山其植物组成等方面均存在一定时序特征，但作为同一生态系统的重要组成部分的土壤微生物量的变化特征等目前鲜见报道，揭示不同喷发时期火山土壤微生物量的变化特征是深入研究该森林生态系统的重要基础。该研究通过空间代替时间的方法，选择五大连池火山群中喷发历史年代清晰、植被人为干扰较小的5座不同喷发时期的火山构成历史年代序列样地，探讨土壤微生物量的变化特征及其影响因子，以期为了解火山生态系统土壤生物特征提供依据，也为火山生态系统的保护开发、生态系统重建提供参考。

1 材料与方法

1.1 样地概况

五大连池国家级自然保护区位于黑龙江省西北部五大连池市境内，地处小兴安岭西南山麓与松嫩平原的过渡地带。保护区东西长约40 km、南北宽约27 km，总面积1 060 km 其地理坐标为126°00′～126°26′E、48°34′～ 48°48′N。五大连池国家级自然保护区（1996年）是我国第一个以火山自然环境及生态系统为保护对象的自然保护区，也是国家级地质公园（2000年8月）和世界地质公园（2004年2月）。五大连池火山群历经早更新世早期（βQ11）、早更新世晚期（βQ12）、中更新世早期（βQ21）、中更新世中期（βQ22）、中更新世晚期（βQ23）、上更新世早期（βQ31）和现代喷发共7次火山喷发旋回形成了14座火山，详见参考文献[15]。样地位置及其概况如图1所示。

该区属于寒温带大陆性季风区气候，夏季短而炎热，在6、7月份时，最高温可达到38 ℃;冬季长而严寒，在1月份，最低温可达到-42 ℃。该地区的年平均气温为0～0.5 ℃，年降水量为467 mm，无霜期为110 d，霜冻期始于9月10日，终霜期在5月20日左右。

1.2 研究对象及采样方法 该研究选择老黑山（laoheishan volcano，LHV）、东焦得布山（dongjiaodebushan volcano，DJDBV）、小孤山（xiaogushan volcano，XGV）、尾山（weishan volcano，WV）和北格拉球山（beigelaqiushan volcano，BGLQV）5座最后一次喷发历史年代清晰、人为干扰少和生态环境完整的火山为研究对象，采用“空间代替时间”的方法，研究时间序列上土壤微生物量的变化特征。

2018年8月进行土壤样品的采集，为了降低土壤空间异质性的影响和一次取样对土壤造成的影响，在每座火山山体的南、北2个坡向的山脚、坡中和山顶的同一坡位设置3个20 m×20 m的样方，样方内用多点混合法采集表层（0～10 cm）和底层（10～20 cm）土样，每个坡位取3个重复土壤样品，每个坡向共计采集土壤样品9个，样品采集后立即置入带冰袋的冷藏箱内，带回实验室，剔除植物根系和石块后将土样分为2部分：一部分鲜土过2 mm筛后7 d内完成土壤微生物量的测定，另一部分风干后进行土壤养分等指标的测定。

1.3 测定方法

1.3.1 土壤指标的测定。pH用酸度计法;含水量（water content，WC）用烘干法;总有机碳（totalorganic carbon， TOC）和全氮（total nitrogen，TN）采用元素分析仪（欧维特EA3000，意大利）法;硝态氮和铵态氮分别采用酚二磺酸比色法和靛酚蓝比色法;全磷（total phosphorus，TP）和速效磷（available phosphorus，AP）分别采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法和碳酸氢钠浸提比色法[16]。

1.3.2 微生物量碳和氮的测定。

微生物量碳、氮采用总有机碳氮分析仪（耶拿 multi N/C2100S）测定。土壤微生物量碳（soil microbial biomass carbon，SMBC）=（Ec-Ec0）/0.38，土壤微生物量氮（soil microbial biomass nitrogen， SMBN）=（Ec-Ec0）/0.54，其中，Ec为熏蒸土样浸提液中碳或氮量，Ec0为不熏蒸土样浸提液中碳或氮量，0.38和0.54为校正系数。具体方法详见参考文献[17]。