李秋梅,黎勝杰,王欣麗,劉 波,張廣娜,張 弛,高 遠(yuǎn),梅鶴平,王 蕓,*

1 山東省水土保持與環(huán)境保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,臨沂大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,臨沂 276000

2 臨沂大學(xué)農(nóng)林科學(xué)學(xué)院,臨沂 276000

3 山東省費(fèi)縣塔山國(guó)有林場(chǎng),臨沂 273421

凋落物和根系向土壤中的有機(jī)物輸入是森林生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)的兩個(gè)途徑,輸入有機(jī)物的質(zhì)量和數(shù)量可影響土壤碳匯功能和生產(chǎn)力,也影響土壤微生物的碳源供給。土壤微生物在土壤肥力維持和有機(jī)物分解中起重要作用。高質(zhì)量(高營(yíng)養(yǎng)、易分解)的有機(jī)物可被土壤微生物高效利用[1],而低質(zhì)量的有機(jī)物可能會(huì)導(dǎo)致土壤營(yíng)養(yǎng)匱缺從而抑制微生物代謝[2]。有機(jī)物的數(shù)量和質(zhì)量影響土壤微生物活性[3],進(jìn)而導(dǎo)致不同碳轉(zhuǎn)化過(guò)程的差異。

凋落物輸入途徑和數(shù)量對(duì)土壤碳代謝功能的影響存在爭(zhēng)議。盡管有研究表明,添加凋落物抑制美國(guó)Andrews溫帶針葉林土壤有機(jī)碳分解[4],但一般而言,添加地上凋落物刺激土壤呼吸。盡管有研究表明,去除凋落物增加溫帶闊葉林土壤微生物量碳[5],但大多研究表明去除凋落物降低土壤呼吸[6],降低土壤微生物碳源代謝功能[2]。限制凋落物碳輸入(去除凋落物和無(wú)輸入)顯著減少土壤有機(jī)碳含量[7],降低土壤呼吸[8]。

根系所產(chǎn)生的根際沉積和根凋落物為土壤微生物的重要碳源[9]。根系輸入一方面通過(guò)土壤微生物群落更有效地合成與礦物相關(guān)的土壤有機(jī)碳[9],另一方面根際引發(fā)效應(yīng)加速土壤有機(jī)質(zhì)的分解[10]。去除根系降低土壤有機(jī)碳含量[7]。根系對(duì)細(xì)菌和真菌的影響不同,真菌更喜歡來(lái)源于根系的碳,而不是微環(huán)境中的碳；細(xì)菌只有在無(wú)可替代碳源的情況下,才加強(qiáng)對(duì)源于根的碳利用[11]。去除根系降低闊葉林和針葉林土壤微生物生物量[12],降低溫帶針葉林土壤有機(jī)碳分解[4]。去除根系降低栓皮櫟(Quercusvariabilis)人工林和黑松(Pinusthunbergii)人工林土壤微生物的碳源代謝功能[2]。去除根系降低土壤有機(jī)磷含量[13],進(jìn)而降低微生物碳代謝。總之,去除根系會(huì)降低底物可利用性和有機(jī)碳的激發(fā)效應(yīng),導(dǎo)致土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能變化,但對(duì)微生物碳代謝功能的影響還存在爭(zhēng)議,并受環(huán)境條件的影響。

綜上所述,凋落物和根系對(duì)土壤微生物碳代謝功能的影響隨氣候帶(如亞熱帶和溫帶)、植被類(lèi)型(如針葉林和闊葉林)改變而變化,對(duì)土壤微生物碳源代謝功能的影響還存在爭(zhēng)議[2]。鑒于凋落物和根系主要成分為碳,簡(jiǎn)稱改變凋落物和根系輸入為改變碳輸入。

沂蒙山區(qū)位于溫帶的魯中南低山丘陵區(qū),其主要森林類(lèi)型之一為櫟類(lèi)次生林。本文期望揭示改變碳輸入途徑(地上與地下)、數(shù)量(凋落物倍增、凋落物去除與對(duì)照)對(duì)土壤微生物碳源代謝功能的定量影響,深化對(duì)溫帶天然次生林土壤有機(jī)碳代謝過(guò)程的認(rèn)識(shí)。

1 材料與方法

1.1 樣地概況與樣品采集

試驗(yàn)在山東省費(fèi)縣塔山國(guó)家森林公園(35°10′—36°00′ N, 117°35′—118°20′ E)開(kāi)展。當(dāng)?shù)啬昃鶞?3℃,平均年降水量700 mm，土壤為棕壤。選取土地利用歷史相似、林齡約為40 a 的櫟類(lèi)天然次生林(屬針闊混交林),于2014 年11 月開(kāi)展凋落物添加/去除和根系去除定位控制試驗(yàn)。試驗(yàn)采取隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì),因素為改變碳輸入,共設(shè)置5 個(gè)處理,包括對(duì)照(不進(jìn)行任何處理)、凋落物倍增、去除凋落物、去除根系和無(wú)輸入處理(去除凋落物和根系),5 次重復(fù)。隨機(jī)選取5 個(gè)樣地,每個(gè)樣地上選取一個(gè)20 m × 30 m 的樣方。在每個(gè)樣方上設(shè)置5 個(gè)1.5 m × 1.5 m 的小樣方,每個(gè)小樣方隨機(jī)設(shè)置一個(gè)處理(表1),所有選取的小樣方內(nèi)均沒(méi)有喬木。凋落物添加/去除處理每月開(kāi)展一次。根系去除處理每月開(kāi)展一次,其中,夏季每月兩次。

表1 凋落物添加/去除和根系去除試驗(yàn)描述

于定位實(shí)驗(yàn)開(kāi)展21 個(gè)月后,即于2016 年8 月13 日取土樣,取樣深度0—10 cm。在每個(gè)小樣方取5 個(gè)土鉆(分布在樣方四個(gè)角和中心,直徑3.5 cm)的土,混合為一個(gè)土樣。共取25 個(gè)土樣。土樣置于4℃冷藏箱運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。一部分土樣用于4℃保存,過(guò)2 mm 篩,分析土壤微生物碳代謝功能；其余土樣風(fēng)干,分析理化性質(zhì)。

1.2 實(shí)驗(yàn)室分析

土壤微生物碳代謝功能采用群落水平代謝圖譜法表征,用Biolog EcoPlateTM(Biolog Inc., Hayward, CA, USA) 測(cè)定[14]。取相當(dāng)于10 g 干土的新鮮土樣,加95 mL無(wú)菌的0.85%的NaCl溶液振蕩30 min,取稀釋1000 倍的150 μL土壤溶液接種至Biolog Eco 微平板中,每個(gè)土樣接種到一個(gè)微孔板上,即每個(gè)土樣接種3次。然后置于25℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)240 h,每12 h于酶標(biāo)儀(Biotek, Synergy H1)上讀數(shù)1 次,波長(zhǎng)為590 nm。

土壤有機(jī)碳含量采用元素分析儀測(cè)定(vario MACRO cube, Elementar, Germany)。土壤含水量采用烘干法。pH值采用1∶5 的土水比測(cè)試[15]。有效磷含量采用樹(shù)脂法[16],銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量采用1∶5 的KCl溶液提取,銨態(tài)氮采用水楊酸法測(cè)試[15],硝態(tài)氮采用雙波長(zhǎng)紫外分光光度法測(cè)試[17]。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

1.3.1土壤微生物碳代謝特征

用孔的平均顏色變化率(Average well color development，AWCD)來(lái)表征土壤微生物碳代謝特征[18]。AWCD越高,碳代謝能力越高。

(1)

式中,Ci是590 nm 處孔的吸光度。R是對(duì)照孔的吸光度。N是碳源的種類(lèi)數(shù),此處為31。其中負(fù)的Ci-r設(shè)置為0[19]。

31 孔的AWCD均值隨時(shí)間t的變化,可用邏輯斯蒂增長(zhǎng)方程來(lái)擬合[20]。

(2)

式中,K是AWCD 的理論最大值,s是達(dá)到最大值一半的時(shí)間,R是邏輯斯蒂增長(zhǎng)曲線的指數(shù)斜率[20]。

由于96 h 是最接近達(dá)到AWCD最大值一半時(shí)間((93±2) h)的讀數(shù)時(shí)間,所以96 h 的吸光度值用來(lái)計(jì)算土壤微生物的碳代謝豐富度、多樣性和后續(xù)的冗余分析(Redundancy analysis, RDA)。

豐富度是在96 h 吸光度大于0.25 的碳源個(gè)數(shù)[21]。多樣性采用Shannon多樣性指數(shù)[22]。

H′=-∑piln(pi)

(3)

pi=ni/N

(4)

式中,ni為單個(gè)碳源吸光度,N為31 種碳源吸光度的和。

根據(jù)降解的相對(duì)難易程度,把Biolog Eco 微平板中的碳源分為六大類(lèi)。其中,糖類(lèi)、羧酸類(lèi)和氨基酸類(lèi)碳源歸為活性碳；胺類(lèi)、聚合物類(lèi)和其它類(lèi)碳源歸為惰性碳。

1.3.2方差分析和冗余分析

采用單因素隨機(jī)區(qū)組方差分析改變碳輸入對(duì)土壤微生物碳源代謝功能的影響,多重比較采用Duncan法。冗余分析(Redundancy analysis,RDA)用于分析土壤微生物碳源代謝功能與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系。因變量為31 種碳源在96 h 的吸光度,自變量為土壤理化性質(zhì),包含pH、含水量、有機(jī)碳含量、全氮含量、銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量、有效磷含量。用Monta-Carlo(999次)檢驗(yàn)顯著影響土壤微生物碳源代謝的因子。Spearman相關(guān)分析用于分析土壤微生物碳源代謝多樣性與土壤因子之間的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 改變碳輸入對(duì)櫟類(lèi)天然次生林土壤理化性質(zhì)的影響

去除根系處理和無(wú)輸入處理均顯著降低了土壤pH(P<0.05,表2)。凋落物倍增處理顯著增加了土壤有機(jī)碳、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量(P<0.05,表2),去除凋落物處理、去除根系處理和無(wú)輸入處理均顯著降低了土壤銨態(tài)氮含量(P<0.05)；改變碳輸入對(duì)土壤含水量、全氮、有效磷含量都沒(méi)有顯著影響(P>0.05)。

表2 改變碳輸入對(duì)沂蒙山區(qū)櫟類(lèi)天然次生林土壤理化性質(zhì)的影響

2.2 改變碳輸入對(duì)櫟類(lèi)天然次生林土壤微生物碳源代謝功能的影響

與對(duì)照相比,凋落物倍增處理增加櫟類(lèi)天然次生林土壤微生物碳源代謝豐富度、碳源代謝多樣性和碳源代謝強(qiáng)度(圖1),但不顯著(P>0.05)。去除凋落物處理顯著降低土壤微生物碳源代謝豐富度和碳源代謝強(qiáng)度(P<0.05,圖1)。去除根系處理和無(wú)輸入處理都沒(méi)有顯著影響土壤微生物碳源代謝功能(P>0.05)。去除凋落物處理降低土壤微生物碳源代謝功能的幅度大于去除根系處理。

圖1 改變碳輸入對(duì)土壤微生物碳源代謝多樣性的影響

凋落物倍增處理增加了土壤微生物對(duì)糖類(lèi)碳源的代謝豐富度,去除凋落物處理、去除根系處理和無(wú)輸入處理均降低了糖類(lèi)的代謝豐富度,都不顯著(P>0.05,表3)。無(wú)輸入處理顯著降低了胺類(lèi)碳源的代謝豐富度(P<0.05)。其余處理對(duì)羧酸類(lèi)、氨基酸類(lèi)、聚合物類(lèi)和其它類(lèi)碳源代謝豐富度影響都不顯著(P>0.05)。

表3 改變碳輸入對(duì)土壤微生物六大類(lèi)碳源代謝豐富度的影響

表4 改變碳輸入對(duì)土壤微生物六大類(lèi)碳源代謝Shannon多樣性指數(shù)的影響

表5 改變碳輸入對(duì)土壤微生物六大類(lèi)碳源代謝強(qiáng)度的影響

圖2 改變碳輸入處理下微生物碳源代謝多樣性與土壤因子之間的冗余分析

2.3 改變碳輸入對(duì)櫟類(lèi)天然次生林土壤微生物碳源代謝功能的影響途徑

土壤有機(jī)碳和銨態(tài)氮含量顯著影響不同凋落物輸入途徑和數(shù)量變化條件下土壤微生物碳源代謝多樣性,兩者解釋了土壤微生物碳源代謝多樣性變異的 27.4% (F=5.06,P=0.001,圖2),其中軸1 解釋了24.0%的變異(F=8.45,P=0.001),軸2解釋了3.4%的變異(F=1.79,P=0.086)。土壤微生物的碳源代謝豐富度、多樣性、強(qiáng)度與土壤有機(jī)碳和銨態(tài)氮含量都顯著正相關(guān)(P<0.05,表6)。凋落物倍增處理在銨態(tài)氮和有機(jī)碳含量增加的方向。去除凋落物處理、無(wú)輸入處理都位于銨態(tài)氮和有機(jī)碳含量減少的方向(圖2)。這表明凋落物倍增處理通過(guò)增加土壤銨態(tài)氮和有機(jī)碳含量(表2),增加土壤微生物碳源代謝功能,去除凋落物和無(wú)輸入處理通過(guò)降低土壤銨態(tài)氮和有機(jī)碳含量(表2),降低土壤微生物碳源代謝功能。

表6 碳源代謝多樣性與土壤因子之間的秩相關(guān)分析

3 討論

3.1 改變碳輸入對(duì)土壤微生物碳源代謝功能的影響

本研究中,凋落物倍增處理輕微增加土壤微生物碳源代謝Shannon多樣性。盡管有研究表明凋落物倍增降低針葉林土壤微生物代謝活性[4],但綜合本研究和大量國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究[2],凋落物倍增增加針闊混交林土壤微生物代謝活性。本研究中,凋落物倍增處理增加土壤微生物對(duì)糖類(lèi)和胺類(lèi)的代謝能力,降低對(duì)羧酸類(lèi)、氨基酸類(lèi)和聚合物類(lèi)的代謝能力。凋落物倍增對(duì)針葉林土壤活性碳代謝能力(如糖類(lèi)、淀粉、羧酸類(lèi)、纖維素等代謝或代謝相關(guān)土壤酶活性(β-葡萄糖苷酶、蔗糖酶、纖維二糖酶等)或基因多樣性)的影響爭(zhēng)議較大[2, 23],但降低對(duì)惰性碳的代謝能力(如胺、聚合物、幾丁質(zhì)、角質(zhì)、木質(zhì)素等代謝或代謝相關(guān)土壤酶活性(芳基硫酸酯、β- 1, 4-N-乙酰葡糖氨糖苷酶、酚氧化酶、過(guò)氧化物酶等)或基因多樣性)[2]。盡管有研究表明凋落物倍增降低闊葉林土壤微生物活性碳代謝,增加惰性碳代謝[24],但本研究和大多研究[25-26]都表明凋落物倍增處理增加針闊混交林土壤微生物活性碳代謝,降低惰性碳代謝。森林土壤微生物代謝基因會(huì)隨凋落物輸入的質(zhì)量而變化,當(dāng)外界輸入復(fù)雜的有機(jī)物,土壤微生物基因更傾向于代謝復(fù)雜的有機(jī)物[2]。

本研究中,去除凋落物顯著降低微生物碳源代謝能力。盡管有研究表明,去除凋落物增加針葉林和闊葉林土壤微生物生物量[5],但更多研究表明,去除凋落物降低針葉林和闊葉林土壤微生物量[27]、碳代謝活性[2,26]。本研究中,去除凋落物處理顯著降低土壤微生物的活性碳代謝能力。盡管有研究發(fā)現(xiàn)去除凋落物顯著增加活性碳代謝[24],但大多研究表明去除凋落物顯著降低活性碳代謝,如顯著降低栓皮櫟人工林土壤微生物的羧酸類(lèi)、淀粉代謝,顯著降低黑松人工林土壤羧酸類(lèi)的代謝[2],降低闊葉林土壤β-葡萄糖苷酶活性[25-26]。盡管有研究發(fā)現(xiàn),去除凋落物處理顯著增加闊葉林土壤惰性碳代謝[24],但大多研究表明去除凋落物顯著降低惰性碳代謝[2,28]。本研究和其它大多研究表明,去除凋落物降低針闊混交林土壤微生物碳代謝能力。這可能是去除凋落物減少向土壤中的有機(jī)物輸入,降低微生物可利用底物。

本研究中,去除根系處理輕微降低土壤微生物碳源代謝能力。盡管有研究表明,去除根系增加美國(guó)Andrews針葉林中土壤微生物生物量[27],但大多研究表明去除根系降低土壤微生物碳代謝功能[2,29]。本研究中去除根系處理降低土壤微生物對(duì)六大類(lèi)碳源的代謝能力。大多研究表明,去除根系降低活性碳庫(kù)代謝[2]。在闊葉林中,去除根系顯著降低土壤β-葡萄糖苷酶活性[26-27]。去除根系降低惰性碳庫(kù)的利用或與惰性碳庫(kù)相關(guān)酶的活性,例如降低黑松人工林中土壤微生物的胺類(lèi)和聚合物類(lèi)碳源代謝能力[2]。根系分泌物如糖類(lèi)、氨基酸、酶、脂肪族和芳香族等化合物,可作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)促進(jìn)微生物生長(zhǎng)[30],而根系分泌物中的酚類(lèi)物質(zhì)會(huì)抑制土壤微生物活性。根系共生的菌根真菌儲(chǔ)存了大量光合固定的碳[3]。本研究和其它大多研究表明,去除根系降低土壤微生物碳源代謝功能。

本研究中,無(wú)輸入處理降低了土壤微生物碳源代謝能力。盡管在美國(guó)Andrews針葉林中無(wú)輸入處理增加土壤微生物生物量[27],但本研究與其他大多研究表明,無(wú)輸入處理降低土壤碳代謝功能[2,26]。同時(shí)去除凋落物和根系,土壤微生物代謝受可利用底物限制[31],碳代謝功能降低。

本研究中,去除凋落物處理降低微生物碳源代謝功能的幅度大于去除根系處理,表明在控制實(shí)驗(yàn)開(kāi)展21 個(gè)月的時(shí)間內(nèi),凋落物對(duì)沂蒙山區(qū)次生林土壤微生物碳源代謝功能的影響大于根系。溫帶落葉闊葉林中,根系對(duì)土壤呼吸的影響大于凋落物[32],根系對(duì)針葉林土壤有機(jī)碳含量的影響大于凋落物[3]。去除根系降低我國(guó)亞熱帶針葉林(側(cè)柏(Platycladusorientalis)人工林)土壤有機(jī)碳的程度大于去除凋落物[33]。原因?yàn)槿コ到档屯寥来髨F(tuán)聚體含量及其中的有機(jī)碳含量并減少大團(tuán)聚體的粘合劑-真菌生物量；而去除凋落物未引起上述土壤屬性變化[33]。與地上碳輸入相比,土壤微生物能更有效的利用地下碳輸入形成穩(wěn)定的土壤有機(jī)碳[34]。但在我國(guó)亞熱帶闊葉林(厚夾相思(Acaciacrassicapa)林和尾葉桉(Eucalyptusurophylla)林)中,從生物量和分解所產(chǎn)生的碳來(lái)說(shuō),凋落物對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響大于根系[7]。在熱帶人工林,凋落物對(duì)土壤呼吸和微生物生物量的影響大于根系,而在次生林中則相反[35]。凋落物和根系對(duì)土壤微生物碳代謝的影響隨林型和溫度帶而變化。

需要指出的是,本研究采用挖壕溝法去除根系,殘留根系大部分未降解[36],會(huì)增加微生物可利用的碳源,進(jìn)而增加微生物碳代謝能力。由于殘留根系中不同化學(xué)成分降解速率不同[37],且不同根系粗細(xì)[37]和級(jí)別[36]分解速率不同,如細(xì)根比粗根養(yǎng)分含量高[38]但分解慢[37],難以對(duì)碳源代謝能力的影響定量化?？紤]到壕溝里殘留根系的貢獻(xiàn),凋落物和根系對(duì)土壤微生物碳代謝能力的相對(duì)影響可能會(huì)發(fā)生變化,未來(lái)的研究需要考慮到殘留根系對(duì)土壤微生物碳源代謝的貢獻(xiàn)。

3.2 改變碳輸入條件下土壤碳源代謝的影響因素

冗余分析表明,土壤有機(jī)碳和銨態(tài)氮含量顯著影響不同碳輸入處理?xiàng)l件下土壤微生物碳源代謝多樣性。有研究表明,土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量顯著影響黑松人工林中不同碳輸入條件下土壤微生物碳源代謝功能多樣性[2]；而土壤速效磷、含水量顯著影響栓皮櫟人工林中不同碳輸入條件下微生物碳源代謝功能多樣性[2]。這與改變碳輸入處理下,不同林型下土壤微生物代謝的影響因子不同有關(guān)。

冗余分析圖中,凋落物倍增處理分布在土壤銨態(tài)氮和有機(jī)碳含量增加的方向,這表明凋落物倍增處理通過(guò)顯著增加土壤有機(jī)碳和銨態(tài)氮含量(表2),改變土壤微生物碳源代謝圖譜(圖2),并增加微生物碳源代謝功能(表6)。去除凋落物處理、無(wú)輸入處理都位于土壤銨態(tài)氮和有機(jī)碳減少的方向(圖2),這表明這兩個(gè)處理通過(guò)降低土壤有機(jī)碳和銨態(tài)氮含量(表2),改變微生物碳源代謝圖譜(圖2),降低微生物碳源代謝功能(表6)。凋落物倍增為微生物生長(zhǎng)活動(dòng)提供了碳源和氮源,刺激土壤微生物活性[39],如凋落物倍增增強(qiáng)華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)人工林土壤呼吸[40]。沂蒙山區(qū)櫟類(lèi)天然次生林是針闊混交林,葉凋落物碳氮比為40,而低碳氮比有利于提高土壤有機(jī)氮凈礦化速率[41],增加微生物碳源代謝能力。去除凋落物阻斷了地上有機(jī)物輸入,減少了碳源輸入,降低微生物碳源代謝功能。

4 結(jié)論

采用Biolog Eco微平板培養(yǎng)法,研究改變碳輸入對(duì)沂蒙山區(qū)櫟類(lèi)次生林土壤微生物碳源代謝功能的影響。結(jié)果表明,凋落物倍增處理增加了土壤微生物碳源代謝功能,增加了對(duì)糖類(lèi)和胺類(lèi)的利用能力。去除凋落物處理、去除根系處理、無(wú)輸入處理降低了土壤微生物的碳源代謝功能。凋落物對(duì)土壤微生物碳源代謝能力的影響大于根系。土壤有機(jī)碳含量、銨態(tài)氮含量顯著影響微生物碳源代謝多樣性(P<0.05),并與碳源代謝功能正相關(guān)。這表明凋落物倍增處理通過(guò)顯著增加土壤有機(jī)碳含量和銨態(tài)氮含量(P<0.05),改變土壤微生物碳源代謝圖譜,增加土壤微生物碳源代謝功能。去除凋落物處理、無(wú)輸入處理通過(guò)降低土壤有機(jī)碳含量和銨態(tài)氮含量,改變微生物碳源代謝圖譜,降低微生物碳源代謝功能。結(jié)果深化了改變碳輸入途徑(地上凋落物與地下根系)、數(shù)量(凋落物倍增、去除凋落物與對(duì)照)對(duì)溫帶櫟類(lèi)天然次生林土壤微生物碳代謝過(guò)程的認(rèn)識(shí)。