谷曉楠,賀紅士,2,陶 巖,*,靳英華,張心昱,徐志偉,王鈺婷,宋祥霞

1 東北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,長春 130024 2 美國密蘇里大學(xué)自然資源學(xué)院,哥倫比亞 MO 65211 3 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點實驗室,北京 100101

土壤中的微生物和酶是生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)和生化過程的主要參與者與調(diào)節(jié)者,在驅(qū)動營養(yǎng)元素轉(zhuǎn)化、調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)功能等方面具有十分重要的作用[1- 2]。此外,土壤微生物和酶還對生態(tài)環(huán)境變化具有“指示性”的敏感反應(yīng),生態(tài)因子(植被群落類型、土壤理化性質(zhì)、水熱條件等)的差異將對微生物的群落結(jié)構(gòu)和酶活性產(chǎn)生顯著的影響,從而使土壤微生物和酶呈現(xiàn)明顯的地理性分布特征[3- 4]。

山地生態(tài)系統(tǒng)由于存在著垂直方向上的海拔變化,使得生態(tài)因子在相對較小的空間內(nèi)發(fā)生系列轉(zhuǎn)變,并由此引發(fā)山地區(qū)域小氣候、土壤理化特征、植被類型的梯度效應(yīng),因此成為研究土壤微生物和酶活性與生態(tài)因子關(guān)聯(lián)機(jī)制的熱點區(qū)域[5- 6]。諸多研究表明,土壤微生物和酶隨海拔分布可能受到多種生物及非生物因素的影響。M?nnist?等[7]通過對芬蘭拉普蘭北極地區(qū)不同海拔、不同植被類型下的土壤進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn),隨著土壤pH降低,微生物優(yōu)勢種群發(fā)生了相應(yīng)變化。曹瑞等[3]對四川雜谷腦河河岸的高山峽谷進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)土壤微生物生物量和土壤酶與土壤含水量、有機(jī)碳和全氮呈極顯著正相關(guān)。Lucas-Borja等[8]在地中海的研究表明,隨海拔變化的環(huán)境因子,如土壤溫度、濕度對酶活性的垂直分異起關(guān)鍵性作用；而斯貴才等[9]、金裕華等[10]在念青唐古拉山和武夷山自然保護(hù)區(qū)的研究卻發(fā)現(xiàn),酶活性與海拔梯度上的溫度變化不存在顯著相關(guān)性,而與土壤有機(jī)碳、全氮等理化指標(biāo)顯著相關(guān)。此外,Djukic等[11]認(rèn)為,生境的分解條件及植被組成是影響微生物和酶垂直變化的主要因子。由此可以發(fā)現(xiàn),不同區(qū)域的山地生態(tài)系統(tǒng),由于所處基帶位置的地帶性或非地帶性水熱條件及生態(tài)系統(tǒng)類型差異,影響土壤微生物和酶沿海拔分布的主導(dǎo)因子也在發(fā)生變化。

圖1 研究區(qū)分布圖Fig.1 The diagram of study area

長白山地處中朝兩國邊界,擁有北半球溫帶地區(qū)完整的植被垂直分布帶,特別是長白山高山苔原帶,是我國境內(nèi)唯一典型的山地苔原植被生態(tài)系統(tǒng)。此外,長白山還是世界著名的活火山之一,由于其經(jīng)歷過多次火山噴發(fā)的歷史,因此長白山垂直帶也是一個研究生態(tài)系統(tǒng)重建和演替過程的天然理想場所[12]。尤其在全球變暖的氣候背景下,長白山作為高緯度地區(qū)的高海拔山地,其生態(tài)系統(tǒng)對全球氣候變化有著更為敏感的反應(yīng)。同時,由于長白山不同坡向本身水熱條件的差異,以及火山噴發(fā)過程中對各個坡向植被、土壤、地形、水文所造成的影響不同,使目前長白山在不同坡向上形成了植被分布差異明顯的演替過程和分布格局,并且植被垂直帶的穩(wěn)定性較差,特別是高山和亞高山區(qū)域尤為顯著[13]。近20年來,長白山西坡出現(xiàn)了以小葉章(Deyeuxiaangustifolia)為代表的亞高山森林垂直帶草本植物上侵高山苔原帶的擴(kuò)張現(xiàn)象[14],導(dǎo)致現(xiàn)階段在長白山西坡岳樺林帶和苔原帶之間(2000—2200 m)發(fā)育出大片的草本植物,并形成了初具規(guī)模的、具有一定連續(xù)性的高山草甸帶植被群落類型,同時也說明了長白山西坡生態(tài)系統(tǒng)正處于演替過程之中。為了探究長白山西坡已有的生態(tài)系統(tǒng)過程和未來的發(fā)展趨勢,本文以高山—亞高山區(qū)域不同垂直植被帶土壤為研究對象,采用磷脂脂肪酸法(PLFA)和微孔板法分別測定土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及酶活性,探討(1)長白山西坡微生物群落結(jié)構(gòu)及酶活性沿海拔的分布特征；(2)垂直帶植被因子、土壤因子對微生物群落結(jié)構(gòu)及酶活性的影響,以期闡明長白山西坡土壤微生物群落及土壤酶的垂直分異機(jī)制,為深入了解演替過程對長白山生態(tài)系統(tǒng)的影響及揭示溫帶山地生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物變化規(guī)律提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于長白山自然保護(hù)區(qū)西坡(41° 54′—42° 0′,127°54′—128°3′),氣候條件屬于典型的大陸性溫帶季風(fēng)氣候,冬季寒冷多風(fēng),夏季溫涼短暫。隨著海拔梯度從530 m至2500 m,年平均氣溫從2.9℃降至-4.8℃,年平均降水量從750 mm增至1340 mm,其中60%以上降水主要集中在6—9月。由于沿海拔梯度氣候和地形的變化,形成了較為完整的植被垂直帶。

本研究選取長白山西坡海拔1500—2500 m之間的亞高山針葉林帶(CF)、亞高山岳樺林帶(EB)、高山草甸帶(AM)及高山苔原帶(AT)4個典型高山—亞高山垂直帶為研究區(qū)域(圖1),研究區(qū)主要環(huán)境特征見表1。

2 研究方法

2.1 土壤樣品的采集與處理

在CF帶、EB帶、AM帶和AT帶中,選取坡度坡向相近的典型區(qū)域設(shè)置實驗樣地,每個垂直帶選取3個樣地(3次重復(fù)),樣地面積20 m × 20 m。在每個樣地內(nèi)沿S形樣線用土鉆采集5個土壤樣品,采集深度為0—10 cm(由于苔原帶平均土層厚度為10 cm,為方便對比,各垂直帶統(tǒng)一選取10 cm深度),去除凋落物層,挑除石礫和植物根系等雜質(zhì)并裝袋,共采集土壤樣品60個,放入便攜式冰盒低溫保存帶回實驗室,用于土壤微生物PLFA、酶活性和土壤理化性質(zhì)測定。

2.2 土壤理化性質(zhì)測定

土壤溫度(T)采用便攜式土壤三參數(shù)測量儀(Field operated meter for moisture / temperature / salinity)進(jìn)行測定；土壤含水量(SWC)采用烘干法；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化法進(jìn)行測定,有機(jī)碳(SOC)與有機(jī)質(zhì)比率為1∶1.724；土壤pH采用電位法進(jìn)行測定,土水比1∶2.5；土壤全氮(TN)采用硫酸鉀-硫酸銅-哂粉(100∶10∶1)消煮,全磷(TP)采用硫酸-高氯酸消煮[15],均利用全自動化學(xué)分析儀(AMS/Westco SmartChem 140,Italy)測定；每個土壤樣品重復(fù)測定3次,取平均值。

2.3 土壤微生物PLFA測定方法

磷脂脂肪酸(Phospholipid fatty acid, PLFA)方法能夠快速準(zhǔn)確的提取并測定土壤活體微生物細(xì)胞膜的PLFA,被用于鑒定微生物類群和測定土壤微生物量[16],提取方法參考Bossio和Kong[17-18],微生物PLFA表征方法詳見表2。

表1 研究區(qū)主要環(huán)境參數(shù)

CF：亞高山針葉林帶 Coniferous forest,EB：亞高山岳樺林帶 Ermans birch forest,AM：高山草甸帶 Alpine meadow,AT：高山苔原帶 Alpine tundra

表2 表征微生物的PLFA

i、a、cy和Me分別表示異、反異、環(huán)丙基和甲基分枝脂肪酸；ω、c和t分別表示脂肪端、順式空間構(gòu)造和反式空間構(gòu)造

2.4 土壤酶測定方法

土壤三種水解酶(β- 1,4-葡萄糖苷酶,βG；β- 1,4-N-乙酰葡糖氨糖苷酶,NAG；磷酸酶,AP)活性分析采用微孔板熒光法[19],使用多功能酶標(biāo)儀(SynergyH4,BioTek)測定。βG 采用4-甲基傘形酮酰-β-D-吡喃葡糖酸苷為底物,NAG采用4-甲基傘形酮酰-β-D-吡喃葡糖酸為底物,AP采用4-甲基傘形酮磷酸酯為底物。酶測定過程中稱取鮮土樣1.0 g左右,加入125 mL 50 mmol/L的醋酸鈉緩沖液(pH=5),制備土壤懸浮液,所有樣品在微孔板中于20℃黑暗條件下培養(yǎng)4 h,儀器自動在每個孔中加入10 μL 1 mol/L的NaOH溶液,1 min后進(jìn)行熒光檢測。標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為4-甲基傘形酮,在365 nm波長處激發(fā),450 nm波長處測定。每個樣品重復(fù)8次。

土壤過氧化物酶(PER)和多酚氧化酶(PPO)同樣使用多功能酶標(biāo)儀進(jìn)行測定。底物均為L- 3,4-二羥基苯丙氨酸,土壤懸浮液制備與水解酶相同。PPO活性測定時 ,吸取600 μL土樣懸浮液和150 μL底物于深孔板內(nèi),PER則另加10 μL 0.3%的H2O2。所有樣品在微孔板中于20℃黑暗條件下培養(yǎng)5 h,培養(yǎng)結(jié)束后離心機(jī)3000 r/min離心5 min,取出后用移液槍轉(zhuǎn)移上清液250 μL至淺口透明板中,放入儀器后在460 nm下進(jìn)行吸收光檢測。

2.5 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)采用SPSS 20.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行分析,選擇單因素方差分析(One-Way ANOVA)進(jìn)行差異顯著性檢驗(Tukey HSD檢驗),用Origin Pro 8.5制圖。

采用Canoco 4.5軟件進(jìn)行排序分析,首先利用已建立的各垂直帶土壤微生物PLFA、酶活性和土壤環(huán)境因子數(shù)據(jù)矩陣,采用去趨勢對應(yīng)分析(DCA)確定排序軸的梯度長度(LGA)。土壤微生物和酶活性的LGA最大值均小于3,因此選擇RDA方法分析土壤微生物和酶活性與土壤環(huán)境環(huán)境因子之間的關(guān)系。DCA和RDA分析前均對物種數(shù)據(jù)進(jìn)行l(wèi)og(x+1)轉(zhuǎn)換和中心化,排序尺度側(cè)重于物種間的相關(guān)性,變量的顯著性用999次蒙特卡洛置換檢驗(Monte-Carlo permutation test)考察。

3 結(jié)果與分析

3.1 垂直帶土壤環(huán)境因子分布特征

土壤環(huán)境因子在各垂直帶間的組間方差分析均表現(xiàn)為極顯著差異(P< 0.01)。水熱因素中的土壤溫度和土壤含水量均表現(xiàn)出了一般山地規(guī)律,土壤溫度隨海拔升高而逐漸降低,AM帶與AT帶無顯著差異；土壤含水量大致表現(xiàn)為隨海拔升高逐漸增加,然而AM帶土壤含水量略低于EB帶,表明AM帶生態(tài)需水量(用于植物或微生物消耗)高于EB帶。從pH來看,各垂直帶土壤均呈酸性,其中AM帶土壤pH最小,CF帶和AT帶最高且數(shù)值接近。

此外,土壤有機(jī)碳控制著土壤中能量和營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán),是微生物群落能量和營養(yǎng)物質(zhì)的穩(wěn)定來源[20],而土壤全氮中的有機(jī)氮(土壤有機(jī)氮占全氮的95%以上[21])被微生物吸收、利用和降解后,則成為植物可利用氮素的重要來源。本研究表明,土壤有機(jī)碳、全氮、全磷含量均隨海拔升高先增加再減少,有機(jī)碳和全氮最高值出現(xiàn)在EB帶。其中,土壤全磷最高值出現(xiàn)在AM帶,并顯著高于其他垂直帶,表明AT帶草甸化過程對土壤全磷含量產(chǎn)生了重要影響。土壤C/N總體表現(xiàn)為隨海拔升高逐漸增加的趨勢,EB帶和AM帶比較接近,二者與其他兩帶存在顯著差異(P< 0.05)(表3)。

表3 土壤基本理化性質(zhì)

同列不同小寫字母表示差異顯著(P< 0.05, Tukey′s HSD)

3.2 垂直帶土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征及比較

微生物的群落結(jié)構(gòu)是指土壤中各微生物類群的生物量以及各類群所占的比例,通常采用PLFA含量表征土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[22]。單因素方差分析顯示,各垂直帶土壤總PLFA和主要類群微生物PLFA組間差異極顯著,均表現(xiàn)出隨海拔升高先增加后減少的趨勢,且PLFA最大值均出現(xiàn)在EB帶,最小值均出現(xiàn)在AT帶(圖2)。其中,EB帶土壤總PLFA和各類群微生物PLFA顯著高于其他3個垂直帶。CF、AM、AT3個垂直帶的細(xì)菌PLFA含量無顯著差異；CF帶的真菌PLFA含量顯著高于AM帶和AT帶；AM帶的放線菌PLFA含量與CF帶和AT帶無顯著差異,但CF帶顯著高于AT帶。真菌/細(xì)菌PLFA比值(F/B)在各垂直帶之間表現(xiàn)出先減小后增加的趨勢,CF帶與AT帶比較接近,且明顯高于其他兩個垂直帶。

革蘭氏陽性菌(G+)和革蘭氏陰性菌(G-)是細(xì)菌中的兩種主要類群,G+/G-通常表征細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的變化。從圖2中可以看出,土壤G+和G-的PLFA含量仍然表現(xiàn)出先增加后減少的趨勢,在EB帶達(dá)到最大,并顯著高于其他3個垂直帶。CF帶土壤中G+的PLFA含量與AM帶無顯著差異,但明顯高于AT帶,而G-在CF、AM、AT3個垂直帶無顯著差異。G+/G-在AM帶達(dá)到最高,并顯著高于EB帶和AT帶,但與CF帶無顯著差異。

圖2 不同垂直植被帶下土壤微生物主要類群PLFA含量及比率Fig.2 Contents of soil microbes phospholipid fatty acids (PLFA) and ratios of fungi/bacteria and G+/G- from the different vertical vegetation zones(A)土壤微生物主要類群PLFA含量及比率(B)土壤革蘭氏陽性菌、陰性菌PLFA含量及比率；B：細(xì)菌Bacteria；F：真菌Fungi；A：放線菌Actinomycetes；G+：革蘭氏陽性菌Gram. positive bacteria；G-：革蘭氏陰性菌Gram. negative bacteria；tPLFA：總微生物PLFA含量total PLFA

3.3 垂直帶土壤酶活性特征及比較

不同垂直帶間,3種水解酶(βG、NAG、AP)和氧化酶PPO活性組間差異極顯著,而氧化酶PER活性組間差異不明顯(圖3)。土壤水解酶βG和AP活性呈現(xiàn)出隨海拔升高而逐漸增加的趨勢。其中,水解酶βG活性在相鄰垂直帶間差異不明顯,表現(xiàn)出很好的連續(xù)性；水解酶AP的活性在CF、EB、AM3個垂直帶的變化規(guī)律與βG相似,但在AT帶顯著升高,表明水解酶AP對苔原生態(tài)系統(tǒng)植被和水熱條件有很好的響應(yīng)。NAG活性隨海拔升高則表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢,EB帶活性最低,其他3個垂直帶無顯著差異。

圖3 不同垂直植被帶土壤酶活性變化Fig.3 The variation of different soil enzyme activities from the different vertical vegetation zones(A)三種水解酶活性,βG：β- 1,4-葡萄糖苷β- 1,4-glucosidase；NAG：β- 1,4-N-乙酰葡糖氨糖苷酶β- 1,4-N-acetylglucosaminidase；AP：酸性磷酸酶Acid phosphatase；(B)兩種氧化酶活性,PPO：多酚氧化酶Polyphenol oxidase；PER：過氧化物酶Peroxidase

土壤氧化酶方面,隨海拔升高,PPO活性表現(xiàn)為先增加后減小再增加的趨勢,EB帶和AT帶最高并比較接近,CF帶活性最低；PER活性表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢,但是各垂直帶之間差異不明顯(圖3)。由此可以看出,氧化酶PPO和PER的活性對于AM帶的響應(yīng)具有一定差異。

3.4 微生物群落結(jié)構(gòu)及酶活性與土壤環(huán)境因子的冗余分析(RDA)

3.4.1 微生物PLFA與土壤環(huán)境因子的RDA分析

長白山西坡4個垂直帶土壤微生物與土壤環(huán)境因子的RDA排序分析表明,前兩個排序軸共解釋了95.2%的土壤微生物信息和99.5%的土壤微生物與環(huán)境關(guān)系(圖4),蒙特卡羅檢驗結(jié)果顯示,所有排序軸對應(yīng)的環(huán)境變量對于響應(yīng)變量的解釋貢獻(xiàn)均達(dá)到統(tǒng)計學(xué)上的顯著水平(F微=8.46,P=0.022)。根據(jù)對土壤微生物排序圖和排序中得到的log文件分析,土壤全磷、全氮、有機(jī)碳、含水量與排序軸1和2呈正相關(guān)；土壤溫度、pH與排序軸1呈正相關(guān),與排序軸2呈負(fù)相關(guān)；C/N與排序軸1和2呈負(fù)相關(guān)。其中,土壤溫度、全磷、pH與兩軸的關(guān)聯(lián)系數(shù)較大。

圖4 土壤微生物PLFA及酶活性與土壤環(huán)境因子的RDA分析Fig.4 Redundancy analysis (RDA) of the phospholipids fatty acids (PLFA) data, the five enzyme activities data and environmental variables of soils實線代表環(huán)境因子,虛線代表物種

各微生物PLFA相關(guān)性方面,細(xì)菌、放線菌、G+、G-之間的關(guān)聯(lián)性較大,真菌與這四者之間的關(guān)聯(lián)性較小。在對土壤微生物總PLFA的貢獻(xiàn)率上,各微生物類群表現(xiàn)為G-> 細(xì)菌 > G+> 放線菌 > 真菌。其次,從土壤環(huán)境和土壤微生物群落整體構(gòu)成來看,垂直帶中的CF帶和AT帶最為接近,而二者與AM帶和EB帶的差異較大。各類群土壤微生物PLFA含量及總PLFA含量的最大值均出現(xiàn)在了EB帶,AM帶與CF帶比較接近,AT帶最小,這一結(jié)論與前文相互驗證(圖2)。另外,土壤環(huán)境因子中,全氮對細(xì)菌、真菌、放線菌、G+、G-的影響最大,表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系；而C/N則與各土壤微生物類群均表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系。此外,F/B與土壤pH表現(xiàn)為極顯著正相關(guān),與全磷表現(xiàn)為極顯著負(fù)相關(guān)；而G+/G-與土壤pH表現(xiàn)為顯著的負(fù)相關(guān)。

3.4.2 酶活性與土壤環(huán)境因子的RDA分析

土壤酶活性方面,前兩個排序軸共解釋了87.5%的土壤酶信息和95.6%的土壤酶活性和環(huán)境關(guān)系(圖4),蒙特卡羅檢驗同樣達(dá)到顯著水平(F酶=7.5,P=0.018)。根據(jù)對微生物酶活性排序圖和排序中得到的log文件分析,土壤有機(jī)碳、含水量、C/N、全磷與排序軸1和2呈正相關(guān)；土壤全氮與排序軸2呈正相關(guān),與排序軸1呈負(fù)相關(guān)；土壤溫度與排序軸1和2呈負(fù)相關(guān)。

從各土壤酶箭頭之間的夾角判斷,水解酶βG和AP活性的相關(guān)性較大,而氧化酶PPO和PER活性的相關(guān)性較大。其次,從各酶活性與土壤環(huán)境因子間的夾角分析可知,水解酶βG和AP活性與C/N呈顯著和極顯著正相關(guān)(PβG< 0.05；PAP< 0.01),與土壤含水量呈極顯著正相關(guān),與土壤溫度和全氮呈極顯著負(fù)相關(guān)；水解酶NAG與各土壤環(huán)境因子均無顯著相關(guān)關(guān)系。氧化酶PPO和PER與土壤含水量、有機(jī)碳、全氮、C/N呈顯著或極顯著正相關(guān),與土壤溫度呈顯著負(fù)相關(guān)；此外,氧化酶PER還與全磷呈顯著正相關(guān)。

4 討論

4.1 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與垂直帶植被類型的關(guān)系

垂直帶中,EB帶微生物總PLFA和各類群微生物PLFA均顯著高于CF帶和AT帶。究其原因,EB帶的優(yōu)勢種岳樺為闊葉樹種,其數(shù)量豐富的凋落物為微生物提供了相對穩(wěn)定的生存環(huán)境和大量的可利用底物,促進(jìn)了微生物的繁殖代謝。而CF帶中是以紅松、云冷杉等針葉樹為主,針葉林為常綠樹種,葉片凋落數(shù)量有限,且凋落后針葉不易分解；AT帶以牛皮杜鵑、篤斯越桔、寬葉仙女木等低矮、墊狀苔原木本植物為主,葉片較小,凋落物少,再加上AT帶氣候寒冷,年平均氣溫較低,因此AT帶的凋落物也難于分解,CF帶和AT帶土壤微生物能夠有效利用的有機(jī)質(zhì)底物貧乏,微生物繁殖代謝較為緩慢。

其次,真菌和細(xì)菌是土壤中兩種主要的功能微生物組分[23],F/B可表征兩個種群的相對豐富程度消長狀況。有研究表明,真菌和細(xì)菌代謝所利用的底物不同,不同植被群落類型通過改變凋落物種類和底物質(zhì)量來影響微生物群落結(jié)構(gòu)[22,24]。本研究中不同垂直帶的植被群落類型差異明顯,種類組成、群落結(jié)構(gòu)、優(yōu)勢物種均不相同,其提供的可分解底物也不相同。CF帶的凋落物為低營養(yǎng)、含有大量酚類物質(zhì)的有機(jī)物,難于分解,適合真菌生長[24]；EB帶為闊葉樹種,其豐富的凋落物為微生物提供大量高營養(yǎng)、易分解底物,促進(jìn)細(xì)菌繁殖[25],隨著植被類型從CF帶向EB帶轉(zhuǎn)變,真菌逐漸減少,細(xì)菌逐漸豐富,F/B降低。土壤F/B在高山草甸群落最低,究其原因,一方面森林植被比多年生草本含有更多的菌根真菌[26],貢獻(xiàn)了較高的真菌生物量；另一方面,草本植物根系發(fā)達(dá),細(xì)根密集于表層,根系分泌物和衰亡的根系為細(xì)菌提供了豐富的高質(zhì)量易分解有機(jī)物[27],促進(jìn)了細(xì)菌的生長繁殖及其較高的生物量。大多數(shù)研究發(fā)現(xiàn),真菌比細(xì)菌具有更好的耐受性,更易適應(yīng)低溫、低pH、低養(yǎng)分的生存環(huán)境。因此,F/B在土壤N、P養(yǎng)分含量貧乏且含有大量嗜酸灌木的高山苔原群落較高[28]。

土壤G+和G-的PLFA變化規(guī)律與其他菌群類似,均在EB帶達(dá)到最高；而G+/G-在AM帶和CF帶較EB帶和AT帶高(圖2)。G-比G+在富營養(yǎng)環(huán)境中生長更為迅速[29],而G+則對分解木質(zhì)素和纖維素的貢獻(xiàn)相對較大[30],因此,CF帶的G+/G-要高于EB帶(圖2)。另外,G+/G-還可用于指示土壤營養(yǎng)狀況,該比值越高表示營養(yǎng)脅迫越強(qiáng)烈[31]。本研究中,G+/G-與C/N呈顯著負(fù)相關(guān)(P< 0.05),在一定程度上指示了不同垂直帶土壤有機(jī)碳和全磷的含量變化情況。

4.2 土壤酶活性與垂直帶植被類型的關(guān)系

一般認(rèn)為,高海拔地區(qū)的土壤酶活性比低海拔地區(qū)的土壤酶活性低[32]。而本文的研究結(jié)果中,土壤酶活性并未出現(xiàn)與海拔因子的明顯負(fù)相關(guān)性(圖3),不僅如此,水解酶中的βG和AP活性還表現(xiàn)出了隨海拔升高逐漸增加的趨勢。AT帶的土壤AP活性顯著高于其他垂直帶,主要是因為長白山AT帶地處高緯度、高海拔地區(qū),常年低溫大風(fēng)致使多數(shù)植物難以生長,生境貧氮貧磷[33]。當(dāng)土壤中磷元素的有效性較低時,微生物會釋放更多的AP,促進(jìn)土壤磷循環(huán),以滿足植物及微生物生長的需要[34]。βG可降解纖維素,在降解有機(jī)碳復(fù)合物的過程中發(fā)揮重要作用,其水解產(chǎn)物(糖類)是土壤微生物的主要能量來源[35],NAG與土壤有機(jī)碳和氮的轉(zhuǎn)化關(guān)系密切,能將幾丁質(zhì)轉(zhuǎn)化為氨基糖,是土壤礦質(zhì)氮的主要來源[36]。EB帶的βG和NAG較低,主要是因為EB帶土壤有機(jī)碳含量較高,有機(jī)質(zhì)豐富,分解有機(jī)質(zhì)的酶可能產(chǎn)生負(fù)反饋效應(yīng),減少用于胞外酶合成的能量,使養(yǎng)分更高效的用于微生物生長,從而限制了養(yǎng)分釋放[37],因此抑制了βG和NAG酶活性。

此外,氧化酶PPO和PER是主要的木質(zhì)素分解酶,PPO能夠氧化酚類化合物中的苯環(huán),PER能夠氧化木質(zhì)素大分子得到簡單的酚類,兩者直接影響著土壤有機(jī)質(zhì)的積累和礦化過程,同時也對腐殖質(zhì)的合成與分解具有重要意義[38]。氧化酶多由真菌分泌合成,且與土壤有機(jī)質(zhì)輸入組分密切相關(guān)[39],EB帶較高的真菌含量以及有機(jī)質(zhì)含量可能是高氧化酶活性的原因。

4.3 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與垂直帶土壤環(huán)境因子的關(guān)系

微生物礦化有機(jī)質(zhì)釋放出礦質(zhì)營養(yǎng)以滿足植物和土壤中微生物的需求,另一方面,微生物對無機(jī)氮的生物固定作用也減少了土壤中氮肥的損失。土壤微生物不僅是土壤氮素的礦化和固持的執(zhí)行者,而且是提供植物營養(yǎng)元素的活性庫。土壤微生物各類群PLFA及總PLFA均與土壤全氮呈顯著正相關(guān)關(guān)系。在山地生態(tài)系統(tǒng)中,高山亞高山區(qū)域?qū)儆诘湫偷呢毜?。而在貧氮生境?氮的有效性能夠影響植物生產(chǎn)力,并改變異氧代謝所需底物的質(zhì)量,從而對微生物群落產(chǎn)生影響[40]。對于地處高緯度的長白山而言,垂直帶中的CF帶、EB帶、AM帶、AT帶均位于高海拔區(qū)域,屬典型貧氮生境,因此土壤全氮含量也可以被認(rèn)為是調(diào)控土壤微生物沿海拔梯度變化的主要影響因子。

另外,陸地生態(tài)系統(tǒng)中的氮儲存于土壤有機(jī)質(zhì)庫中,因而土壤氮的變化又與土壤有機(jī)碳的變化緊密聯(lián)系。土壤C/N不僅是土壤質(zhì)量的敏感指標(biāo),而且影響土壤有機(jī)碳和氮的循環(huán)。通常,土壤C/N的降低將會為微生物提供更多的能量,進(jìn)而提高微生物的活性。然而在此過程中,有機(jī)質(zhì)礦化時會釋放出更多的無機(jī)氮,這些無機(jī)氮雖然可以促進(jìn)植物的吸收利用,但是很難在土壤中累積,最終使土壤氮元素通過淋溶或反硝化過程而被損失掉。

此外,圖4顯示土壤全磷與F/B呈顯著負(fù)相關(guān)。Tan等[41]發(fā)現(xiàn)長期施用磷肥會增加土壤細(xì)菌群落多樣性,Lauber等[42]對特定真菌相對豐度的分析也表明,全磷含量能夠?qū)е抡婢鷥?yōu)勢菌群的轉(zhuǎn)變。土壤有機(jī)質(zhì)與氮、磷等養(yǎng)分元素存在相互耦合關(guān)系,土壤磷元素的變化可能會導(dǎo)致土壤中微生物代謝所利用的碳底物發(fā)生改變,而不同菌群選擇利用的碳底物不同,從而改變細(xì)菌與真菌在整體微生物群落中的存在結(jié)構(gòu)。

4.4 土壤酶活性與垂直帶土壤環(huán)境因子的關(guān)系

βG、AP和PPO三種酶均與土壤含水量表現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系。這主要是因為,土壤水分的增加能夠為各種酶促反應(yīng)提供反應(yīng)條件與場所,從而使土壤酶活性隨土壤含水量的升高而增強(qiáng)[43]。此外,通常認(rèn)為在一定溫度閾值內(nèi),酶活性與土壤溫度呈正相關(guān)[44]。但本文研究表明,五種酶中的βG、AP和PPO三種酶卻與土壤溫度表現(xiàn)為顯著的負(fù)相關(guān),而與土壤含水量和C/N表現(xiàn)為顯著正相關(guān)(圖4)。這表明山地生態(tài)系統(tǒng)的水熱組合過程與水平地帶性的水熱協(xié)同作用有著本質(zhì)的區(qū)別。山地生態(tài)系統(tǒng)中,隨著海拔升高,環(huán)境熱量逐漸降低,而降水量逐漸增加,土壤含水量增加對酶活性的促進(jìn)作用可能抵消由于溫度下降所產(chǎn)生的限制作用,再加上植被類型差異對微生物利用底物的影響,使得山地生態(tài)系統(tǒng)土壤酶活性變化規(guī)律更加復(fù)雜化。

除土壤含水量和溫度外,碳元素也是影響土壤酶活性的重要因子。有機(jī)質(zhì)可改變土壤孔隙度、通氣度與土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu),具有顯著的緩沖作用和持水作用,是各種酶類的重要載體,為土壤酶發(fā)揮作用提供場所與適宜的條件[45],因此較高的土壤有機(jī)碳及有機(jī)質(zhì)含量能促進(jìn)土壤酶的合成,進(jìn)而成為影響酶活性的主要因子。

5 結(jié)論

長白山西坡各垂直帶間的土壤理化性質(zhì)、微生物PLFA及土壤酶活性均存在顯著差異。隨海拔升高,土壤微生物總PLFA和各類群微生物PLFA呈現(xiàn)出先增加后減少的變化特征,表現(xiàn)為亞高山岳樺林帶>亞高山針葉林帶>高山草甸帶>高山苔原帶。細(xì)菌、放線菌的PLFA含量表現(xiàn)出很好的相關(guān)性,在對土壤微生物總PLFA的貢獻(xiàn)率上,表現(xiàn)為細(xì)菌>真菌>放線菌,G-> G+。土壤全氮含量與各微生物類群均表現(xiàn)為顯著正相關(guān),而C/N則與各土壤微生物類群均表現(xiàn)為負(fù)相關(guān),二者是調(diào)控土壤微生物沿海拔變化的主要因子。

土壤水解酶βG和AP活性的相關(guān)性較大,且呈現(xiàn)出隨海拔升高而逐漸增加的特征,其中AP活性對高山苔原帶生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)出很好的響應(yīng)。土壤含水量、C/N和土壤溫度是調(diào)控土壤酶活性沿海拔變化的主要因子。

高山苔原帶草甸化過程對土壤含水量、全磷含量、水解酶AP活性產(chǎn)生重要影響,而對土壤微生物PLFA和其他酶活性影響不大。長白山垂直帶土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和酶活性除了受到土壤環(huán)境因子和水熱條件的影響,還與植被群落組成及凋落物性質(zhì)具有緊密聯(lián)系。

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