吳東梅,郭劍芬,張　政,李帥軍,楊玉盛

1 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 福州　350007 2 濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點實驗室培育基地, 福州　350007

深層土壤(20—300 cm)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要有機碳庫,儲存的碳量大約有1729 Gt,是表層土壤(0—20 cm)的3倍[1- 2]。深層土壤有機碳(SOC)的改變會引起CO2大量排放從而影響全球C循環(huán)動態(tài)[3- 4]。土壤微生物呼吸不僅受到溫度、水分等環(huán)境因素的調(diào)控,也受外源有機物輸入的影響[5- 7]。如,當(dāng)外源有機質(zhì)輸入到深層土壤后,會刺激深層土壤CO2排放進(jìn)而改變深層土壤碳庫儲存量[8- 9]。在森林生態(tài)系統(tǒng)中, 降雨淋溶、凋落物、枯死根等淋溶是可溶性有機質(zhì)的主要來源,也是土壤有機物中活性碳庫的重要來源[10- 11], 并且可以通過礦質(zhì)土壤的吸附作用和微生物的同化作用對深層土壤產(chǎn)生影響。而前人研究多集中在森林表層土壤[12- 16],就深層土壤而言,外源有機質(zhì)的添加對SOC動態(tài)的影響研究較少,影響因素是否和表層相同,有待深入探討。已有研究表明,DOM添加對土壤有機碳礦化起到促進(jìn)作用[17- 18],當(dāng)DOM中可溶性有機碳含量較高時,土壤CO2累積排放量較大,并且DOM添加后土壤有機碳礦化增加與土壤微生物數(shù)量增多和活性增強有關(guān)[19]。

土壤微生物是土壤生態(tài)功能的基礎(chǔ),通過參與土壤有機質(zhì)積累和礦化,影響土壤養(yǎng)分循環(huán),調(diào)節(jié)和指示土壤生態(tài)系統(tǒng)功能[20]。土壤微生物數(shù)量和活性決定著外源有機物輸入之后土壤CO2的產(chǎn)生,是影響土壤C存留的關(guān)鍵因子。因此,土壤微生物數(shù)量和活性發(fā)生細(xì)小的改變都會對土壤CO2通量產(chǎn)生影響[21- 22]。從表層土壤來看,有研究指出[23- 24]DOM浸提液中可溶性碳含量的高低對微生物影響不同,含碳量高的DOM溶液促進(jìn)微生物生物量的增加并且增加了革蘭氏陰性菌的含量,而含碳量低時則對土壤微生物生物量及群落結(jié)構(gòu)無顯著影響。對于深層土壤來說,一些研究者認(rèn)為微生物數(shù)量隨著土壤深度增加而減少[25],其活性也隨之降低[26],故對深層土壤有機質(zhì)并無太大影響。也有研究者發(fā)現(xiàn)微生物是深層土壤碳動態(tài)重要影響因子之一[27],對深層土壤有機質(zhì)轉(zhuǎn)化起到關(guān)鍵作用[28],但深層土壤微生物群落與深層土壤特性的相關(guān)關(guān)系還有待進(jìn)一步研究[29]。土壤微生物呼吸和其熵值(土壤代謝熵、微生物熵)作為評價土壤質(zhì)量的敏感指標(biāo),可以在一定程度上體現(xiàn)出土壤有機碳庫的動態(tài)變化[30]。

我國濕潤亞熱帶是全球同緯度帶少有的“綠洲”,分布著世界現(xiàn)存面積最大、最典型的常綠闊葉林,也是全球重要的森林碳匯區(qū),與溫帶地區(qū)相比,該區(qū)森林樹種多樣性豐富,不同植物來源的DOM亦可能復(fù)雜多樣。同時該區(qū)高溫、高濕,凋落物和土壤有機質(zhì)分解快,加上降雨量大、山高、坡陡,土壤高度風(fēng)化、抗蝕性差,可能導(dǎo)致森林生態(tài)系統(tǒng)的DOM通量大,DOM在生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)中的作用可能比溫帶森林更為重要[31]。而米櫧(Castanopsiscarlesii)是我國亞熱帶地區(qū)特有樹種,其生產(chǎn)力和物種多樣性都屬于該地區(qū)植被類型中最高級別。本研究選取米櫧鮮葉浸提DOM,并添加DOM于表層和深層土壤,以探究不同層次土壤微生物呼吸、土壤代謝熵及其微生物熵對鮮葉DOM輸入的響應(yīng),為揭示DOM輸入在亞熱帶森林土壤碳過程中的作用提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　試驗地概況

研究區(qū)位于福建省三明市陳大鎮(zhèn)森林經(jīng)營科技示范基地(25°59′—27°07′N,116°22′—118°39′E),地處武夷山東南,戴云山脈西北,地貌以低山丘陵為主。該區(qū)屬中亞熱帶海洋季風(fēng)氣候,年均氣溫19.1 ℃。年均降水量1749 mm,年均蒸發(fā)量1585 mm,相對濕度81%,全年無霜期達(dá)300 d。土壤以花崗巖發(fā)育的紅壤和黃壤為主,還分布有紅黃壤、黃棕壤等,多呈酸性,土壤厚度超過1 m。區(qū)域內(nèi)分布著中國面積最大的常綠闊葉林,物種多樣性豐富,森林覆蓋率達(dá)76.8%。米櫧次生林由米櫧天然林經(jīng)過強度擇伐后,封山育林,經(jīng)過40多年次生演替形成,海拔330 m,坡度45°,林分密度為3788株/hm2,平均胸徑12.2 cm,平均樹高10.8 m。主要樹種有米櫧(Castanopsiscarlesii)、閩粵栲(Castanopsisfissa)、黃丹木姜子(Litseaelongata)、新木姜子(Neolitseaaurata)等。灌木層以木莢紅豆(Ormosiaxylocarpa)、米櫧、褐毛石楠(Pourthiaeahirsuta)、羅浮栲(Castanopsisfaberi)等種類為主。草本主要由狗脊蕨(Woodwardiajaponica)、黑莎草(Gahniatristis)、油草(Leptochloachinensis)等組成[32]。

1.2　土壤采集和處理

2016年3月,在米櫧次生林的上、中、下坡隨機布設(shè)3塊20 m × 20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地,在每個標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)按“S”型選5個點,用土鉆取0—10 cm和40—60 cm的土層土壤,為消除土壤異質(zhì)性,各土層土壤分別充分混勻,迅速冷藏并帶回實驗室。去除可見根系和動植物殘體,將鮮新土壤樣品過2 mm篩。一部分用作土壤基本理化性質(zhì)測定,另一部分冷藏于4℃便于后續(xù)室內(nèi)培養(yǎng)實驗。供試土壤基本化學(xué)性質(zhì)如表1。

表1　供試土壤基本化學(xué)性質(zhì)

數(shù)字后不同字母表示有顯著差異

1.3　實驗設(shè)計

實驗設(shè)置4種處理：表層土壤不添加(Ts)、深層土壤不添加(Ss)、表層土壤添加米櫧鮮葉DOM(TsTo),深層土壤添加米櫧鮮葉DOM(SsTo),每種處理3個重復(fù)。取米櫧鮮葉100 g,加入500 mL去離子水,浸泡24 h,上清液過0.45 μm玻璃纖維濾膜進(jìn)行抽濾,得到DOM溶液。其中米櫧鮮葉的C含量為468 mg/g,N含量為17.8 mg/g,C/N為26.3。DOM溶液中的總有機碳(Total organic carbon,TOC)含量為18.7 g/kg,DOC含量為18.3 g/kg,總氮(Total nitroge, TN)含量為0.022 g/kg,可溶性有機氮(Dissolved organic nitrogen, DON)是0.022 g/kg,C/N為850。米櫧鮮葉浸提得到的DOM添加到土壤中,添加量為1 g C/kg土壤,添加到土壤中DOM所含總碳濃度為45 mg。

取相當(dāng)于45 g風(fēng)干土重的鮮土放入1000 mL廣口瓶中,并在25°C條件下預(yù)培養(yǎng)15 d,使土壤內(nèi)部性質(zhì)(主要是有機碳含量)趨于穩(wěn)定。預(yù)培養(yǎng)結(jié)束后,添加DOM溶液和去離子水并調(diào)節(jié)瓶內(nèi)土壤含水量為土壤田間持水量的60%。添加DOM后的第1、3、6、11、21、33、58、84、120天抽取氣樣。取樣前2 h將培養(yǎng)瓶瓶蓋擰緊,用已知濃度的CO2進(jìn)行沖洗,沖洗之后隨機抽取1個重復(fù)進(jìn)行抽氣作為2 h之前的對照,密封2 h后再次抽氣并將氣體注入氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS) (GC- 2014, Shimadzu, Kyoto, Japan)進(jìn)行分析, 計算土壤CO2排放速率和CO2累積排放量。

在培養(yǎng)第3、33、120天破壞性取樣,測定土壤中微生物生物量(MBC)和土壤有機碳(SOC)的變化。MBC采用氯仿熏蒸浸提法進(jìn)行測定,MBC=E/K。式中:E為熏蒸與未熏蒸土樣提取的有機碳量差值；K為轉(zhuǎn)換系數(shù),取值0.45。SOC采用碳氮元素分析儀(Elementar Vario EL Ⅲ, Elementar,德國)測定。

1.4　計算方法和數(shù)據(jù)處理

CO2產(chǎn)生速率根據(jù)公式1計算：

F=k×v/m×Δc/Δt×273/(273+T)

(1)

式中,F表示氣體排放的速率(mg kg-1h-1)；k是常數(shù), 對CO2取值為1.964 kg/m3；Δc/Δt表示在觀測時間內(nèi)氣體濃度隨時間變化的直線斜率(mg/h)；v為培養(yǎng)容器的體積(m3)；m為土壤重量(kg)；T為培養(yǎng)溫度(℃)。CO2的累積排放量采用相鄰2次產(chǎn)生速率的平均值乘以間隔時間而得。

土壤代謝熵(qCO2)計算公式為：qCO2=MR/MBC,其中MR為土壤微生物呼吸,MBC為土壤微生物生物量碳,單位為：μg CO2-C mg-1MBC h-1；微生物熵計算公式為：微生物熵=MBC/SOC,其中MBC為土壤微生物生物量碳,SOC為土壤總有機碳,可以反映土壤微生物利用碳源轉(zhuǎn)化成微生物體的比例大小。

所有數(shù)據(jù)采用Excel和SPSS 19.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行分析,相關(guān)圖表在Origin 9.0 軟件下完成。采用單因素方差分析(One-way ANOVA)檢驗添加米櫧鮮葉DOM后不同土層土壤CO2排放速率、累積排放量、土壤代謝熵和微生物熵的差異,顯著性水平設(shè)定為α<0.05。

2　結(jié)果和分析

2.1　DOM添加對土壤CO2排放速率的影響

添加米櫧鮮葉DOM到不同土層土壤后,在培養(yǎng)第1天,表層土壤與深層土壤CO2瞬時排放速率均顯著高于對照(P<0.001),分別是對照的3.58倍和6.93倍,之后顯著下降(圖1)。培養(yǎng)33 d之后,表層土壤CO2排放速率逐漸高于對照并逐漸趨于平穩(wěn)。而培養(yǎng)21 d之后,深層土壤CO2排放速率逐漸低于對照,培養(yǎng)第84天后,二者差異不顯著。在培養(yǎng)期間,無論是對照還是DOM添加處理,表層土壤CO2排放速率均高于深層土壤(第1天除外),說明單次添加外源DOM到土壤后,引起土壤CO2排放速率增加的強度較大,但持續(xù)時間短暫。其中,深層土壤瞬時排放速率對外源有機質(zhì)添加的響應(yīng)比表層土壤更為敏感。

圖1　添加DOM后各處理土壤CO2排放速率的變化(平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)誤差)Fig.1　Changes in the rate of CO2 emission after addition of dissolved organic matter in different treatment (mean±SE)Ts,表層土壤不添加DOM處理,surface soil with deionized water (a control)；TsTo,表層土壤添加DOM處理,surface soil with DOM；Ss,深層土壤不添加DOM處理,deep soil with deionized water (a control)；SsTo,深層土壤添加DOM處理,deep soil with DOM; DOM,可溶性有機質(zhì)Dissolved organic matter

2.2　DOM添加對土壤CO2累積排放量的影響

圖2　添加DOM后各處理土壤CO2累積排放量的差異 (平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差)Fig.2　Cumulative CO2 emission after addition of dissolved organic matter in different treatment (mean±SE)

培養(yǎng)58 d之前,深層土壤CO2累積排放量顯著高于對照,是對照土壤CO2累積排放量的1.24倍(圖2)。在培養(yǎng)58 d之后,表層土壤CO2累積排放量顯著高于對照(P<0.05),而深層土壤CO2累積排放量則逐漸低于對照。在整個培養(yǎng)期間,表層土壤與深層土壤相比,無論是對照處理還是添加米櫧鮮葉DOM處理,表層土壤CO2累積排放量均高于深層土壤CO2累積排放量,并達(dá)到極顯著水平(P<0.001)。

2.3　DOM添加對土壤MBC和SOC的影響

2.3.1DOM添加對土壤MBC的影響

在整個培養(yǎng)期間無論是對照處理還是添加米櫧鮮葉DOM處理,表層土壤MBC含量均顯著大于深層土壤MBC含量(P<0.001)(圖3)。除第3天,DOM添加后深層土壤MBC含量顯著小于對照的深層土壤外,其余取樣時間段下,表層土壤和深層土壤MBC含量都顯著大于各自對照土壤。添加米櫧鮮葉DOM后,隨著培養(yǎng)時間的延長,表層土壤MBC含量顯著下降,而對照土壤MBC含量在第3天出現(xiàn)最大值,之后下降。隨著培養(yǎng)時間的延長,DOM添加下深層土壤MBC含量顯著上升,而深層土壤對照處理MBC的變化與表層對照土壤類似。

圖3　DOM添加下不同土層土壤微生物生物量碳(MBC)的變化(平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)誤差)Fig.3　Changes of soil microbial biomass carbon in different soil layers after addition of dissolved organic matter (mean±SE)不同小寫字母表示同一處理,不同培養(yǎng)時間土壤MBC有顯著差異(P<0.05)；不同大寫字母表示相同培養(yǎng)時間,不同處理土壤MBC有顯著差異(P<0.05)

2.3.2DOM添加對土壤SOC的影響

在整個培養(yǎng)期間無論是對照處理還是添加米櫧鮮葉DOM處理,表層土壤SOC含量顯著大于深層土壤SOC含量(P<0.001)(圖4)。隨著培養(yǎng)時間的延長,表層土壤和深層土壤SOC含量顯著下降。培養(yǎng)120 d時,Ts和TsTo處理下土壤SOC含量比培養(yǎng)第3天分別減少18%和26%,Ss和SsSo處理下土壤SOC含量比培養(yǎng)第3天分別減少0.8%和19%。在整個培養(yǎng)期間,表層土壤TsTo處理下的土壤SOC含量始終高于Ts處理下的土壤SOC含量,除第3天深層土壤SsTo處理下土壤SOC含量顯著高于Ss處理下的土壤SOC含量外,其余時間段無明顯差異。

圖4　DOM添加下不同土層土壤有機碳(SOC)的變化(平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)誤差)Fig.4　Changes of soil organic carbon in different soil layers after addition of dissolved organic matter (mean±SE)不同小寫字母表示同一處理,不同培養(yǎng)時間土壤SOC有顯著差異(P<0.05)；不同大寫字母表示相同培養(yǎng)時間,不同處理土壤SOC有顯著差異(P<0.05)

2.4　DOM添加對土壤代謝熵和微生物熵的影響

DOM添加對不同土層土壤代謝熵影響不同(表2)。培養(yǎng)第3天時,SsTo處理的土壤代謝熵分別是Ts、TsTo、Ss的2.5倍、2.4倍和2.3倍。培養(yǎng)持續(xù)到33天時,Ts、TsTo、Ss、SsTo處理間土壤代謝熵均有所增長且各個處理間差異顯著(P<0.001)。其中Ts、Ss分別增加7.4倍和11.8倍,TsTo、SsTo分別增加3.7倍和2.4倍且增長相對緩慢。培養(yǎng)第120天時,TsTo與SsTo處理的土壤代謝熵顯著低于Ts與Ss處理,且SsTo土壤代謝熵最低。

如表3,培養(yǎng)第3天,Ss處理的土壤微生物熵顯著大于Ts、TsTo、SsTo處理的土壤微生物熵(P<0.001)。培養(yǎng)結(jié)束時(第120天),SsTo處理的土壤微生物熵是培養(yǎng)初期(第3天)的1.58倍,顯著大于培養(yǎng)初期(P<0.05),而Ts、TsTo、Ss處理的土壤微生物熵則表現(xiàn)為相反趨勢,分別是培養(yǎng)初期(第3天)的79%、68%和21%。

表2　DOM添加處理各土層土壤代謝熵 (平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)差)

不同小寫字母表示同一培養(yǎng)時間不同處理間有顯著差異(P<0.05);Ts,表層土壤不添加DOM處理,surface soil with deionized water (a control)；TsTo,表層土壤添加DOM處理,surface soil with DOM；Ss,深層土壤不添加DOM處理,deep soil with deionized water (a control)；SsTo,深層土壤添加DOM處理,deep soil with DOM

表3　DOM添加處理各土層土壤微生物熵 (平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)差)

不同小寫字母間(a、b、c)表示同一培養(yǎng)時間不同處理間有顯著差異(P<0.05)

3　討論

已有研究發(fā)現(xiàn),添加外源DOM會促進(jìn)土壤礦化[33- 35]。Fanin等[23]研究發(fā)現(xiàn),與添加凋落物相比較,凋落物浸提液(DOM)對微生物呼吸影響更加顯著,原因是土壤中微生物更易利用DOM中可溶性有機碳。和本研究結(jié)果相同,DOM添加增加了土壤中可溶性有機碳含量,為微生物呼吸以及代謝提供更多活性碳源,在培養(yǎng)初期促使其礦化速率顯著增加。

本研究也發(fā)現(xiàn),無論是表層土壤還是深層土壤,添加米櫧鮮葉DOM后,土壤CO2累積排放量均高于對照。對表層土壤而言,在培養(yǎng)初期,由于長期有枯枝落葉等凋落物輸入,營養(yǎng)豐富(表1),而深層土壤由于長期缺乏外源養(yǎng)分輸入,微生物受可利用性養(yǎng)分限制程度遠(yuǎn)大于表層土壤。當(dāng)添加外源DOM后,深層土壤微生物對外源DOM輸入的響應(yīng)會更加強烈[36],因此培養(yǎng)前期深層土壤因DOM輸入,CO2瞬時排放速率顯著高于深層對照土壤。

培養(yǎng)58 d之前,表層土壤CO2累積排放量雖有所增加但與表層對照相比差異并不顯著；而培養(yǎng)58 d之后,表層土壤CO2累積排放量逐漸高于其對照且差異漸增,表明隨著培養(yǎng)時間的延長,與對照相比微生物數(shù)量增多且利用有機質(zhì)能力增強[37],促進(jìn)表層土壤CO2累積排放量增多,故與對照相比二者差異顯著。就深層土壤而言,在培養(yǎng)初期,添加米櫧鮮葉DOM后土壤CO2累積排放量高于深層對照,但在培養(yǎng)58 d之后,差異逐漸縮小,這可能是因為,深層土壤比較貧瘠,外源DOM添加下微生物前期分解有機質(zhì)能力強,礦化量增加[17],后期隨著土壤養(yǎng)分逐漸消耗,土壤微生物呼吸減弱[38]。

底物數(shù)量及其質(zhì)量是影響土壤微生物呼吸的主要因子之一[39]。雖然第1天表層土壤CO2排放速率小于深層土壤,但是與深層土壤相比,由于表層土壤含有更大量的有機質(zhì),如DOC、SOC等(表1),且養(yǎng)分供應(yīng)能力更為持久,所以隨著培養(yǎng)時間的延長,表層土壤CO2累積排放量顯著高于深層土壤CO2累積排放量(P<0.001)。

土壤代謝熵可以表征微生物活性對環(huán)境因子或者生存條件的響應(yīng),是直接反映微生物對碳源利用效率高低的重要指標(biāo)[38]。土壤代謝熵越大說明微生物將更多碳源用于呼吸作用而非微生物自身細(xì)胞建造,對碳源利用效率低下,不利于土壤質(zhì)量的提升[40]。由于表層土壤和深層土壤本底條件差異顯著(表1),深層土壤微生物所受營養(yǎng)條件限制更為嚴(yán)重。當(dāng)添加米櫧鮮葉DOM之后,深層土壤長期所受營養(yǎng)脅迫的環(huán)境大大改善,微生物對DOM添加的響應(yīng)顯著,短期內(nèi)呼吸作用加強,微生物數(shù)量增加,進(jìn)而導(dǎo)致深層土壤代謝熵在培養(yǎng)初期顯著大于相同處理表層土壤代謝熵,即具有“起爆效應(yīng)”。隨著培養(yǎng)時間的延長,DOM添加的深層土壤微生物生物量碳含量逐漸增加(圖3),但是深層土壤DOC含量卻下降(第120 d與第3天相比下降22%),土壤活性碳源減少,為維持自身生存,微生物活性降低,呼吸作用減弱,土壤代謝熵顯著低于相同處理表層土壤[41]。與深層土壤相比,表層土壤由于土壤養(yǎng)分較為豐富,土壤微生物活性可能一直保持較高狀態(tài),呼吸作用顯著強于深層土壤,土壤代謝熵持續(xù)增加。添加米櫧鮮葉DOM后,表層土壤和深層土壤代謝熵都顯著低于各自對照土壤,說明降雨淋溶DOM進(jìn)入土壤后,提高了土壤微生物對碳的利用效率,且深層土壤更為顯著。

土壤微生物熵能充分反映土壤中活性有機碳所占的比例,并可表示土壤總碳庫的可利用程度[29]。土壤微生物熵越高說明土壤總有機碳組分中易分解比例越高[42]。培養(yǎng)結(jié)束時(120天),米櫧鮮葉DOM添加的深層土壤微生物熵顯著高于表層土壤微生物熵(表 3),說明與表層土壤相比,深層土壤總有機碳中活性有機碳比例較高,DOM添加提高了土壤質(zhì)量[41]。

DOM做為深層土壤有機質(zhì)的一個重要來源,其數(shù)量和質(zhì)量會對深層土壤微生物呼吸和微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[43]。本研究中DOM輸入量少(1 g C/kg土壤),且僅僅只有米櫧次生林鮮葉浸提DOM,林分單一,在今后研究中應(yīng)考慮不同林分以及不同濃度DOM輸入對土壤微生物呼吸的影響以及深層土壤微生物群落結(jié)構(gòu)對DOM輸入的響應(yīng)。

4　結(jié)論

(1)米櫧鮮葉DOM添加對土壤微生物呼吸產(chǎn)生顯著影響,深層土壤CO2累積排放量顯著低于表層土壤；與對照相比,表層土壤因米櫧鮮葉DOM添加顯著提高了土壤CO2累積排放量(P<0.001),而在相同的添加培養(yǎng)條件下深層土壤CO2累積排放量和深層對照相比無明顯差異。

(2)米櫧鮮葉DOM添加后,表層和深層土壤代謝熵均顯著低于對照,說明外源DOM進(jìn)入土壤后提高了土壤微生物對碳的利用效率,且深層土壤更為顯著。同時,培養(yǎng)結(jié)束時添加DOM的深層土壤微生物熵顯著高于表層土壤及其對照,說明DOM添加提高了深層土壤質(zhì)量。