于穎超,張心昱,*,戴曉琴,呂斯丹,楊 洋,史麗娟

1 中國科學院地理科學與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡觀測與模擬重點實驗室, 北京 100101 2 中國科學院大學資源與環(huán)境學院, 北京 100190

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的有機碳庫,其所含碳量大約是大氣和植被所含碳量總和的2—3倍,在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中起到重要作用[1]。微生物通過分解代謝促進土壤有機碳(SOC)降解,同時也通過合成代謝將土壤中可利用性碳轉化為可長期儲存的穩(wěn)定態(tài)碳,在碳庫的調控中發(fā)揮著重要作用[2]。以往研究認為,土壤微生物活體有機碳在SOC總量中的比例低于4%,對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫貢獻較小[3]。微生物死亡殘體有機碳(MRC)在土壤中周轉時間比微生物活體碳更長,對穩(wěn)定性碳庫的形成具有重要貢獻[4],并可表征微生物對SOC的長期貢獻[5-6]。

土壤剖面中20cm 以下的SOC儲量占總SOC儲量的50%左右[7],土壤微生物殘體的標志物氨基糖主要來源于微生物細胞壁,其在微生物死亡后仍能夠在土壤中長期穩(wěn)定存在[8],因此MRC對深層土壤穩(wěn)定SOC庫的貢獻不容忽視。底物SOC、TN、DOC含量、pH及含水量等在土壤剖面中存在差異,影響微生物群落結構、微生物活性和繁殖[9]。有研究表明,MRC含量受到底物SOC和活體微生物生物量的影響[10]；另外,全球森林生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物殘體控制因素的研究表明,在0—20cm土壤中,微生物殘體的含量主要受到pH和微生物生物量碳的調控[11]。

目前的研究主要集中在表層土壤,缺乏針對包含土壤剖面和母質層整體系統(tǒng)開展的研究,20cm以下土壤和母質中MRC對SOC的貢獻及其影響機制還不清楚[12]。地球關鍵帶指淺層巖石-土壤-大氣-水-生物及人類活動相互作用、為生命系統(tǒng)提供支撐資源的異質的地球表層系統(tǒng)[13]。本研究基于地球關鍵帶的理念,認知表層-深層土壤-母質中MRC的分布特征,這對理解土壤圈和陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程、碳庫形成機制及碳庫動態(tài)演變具有重要意義。

中國亞熱帶紅壤區(qū)丘陵山地森林生態(tài)系統(tǒng)是全球代表性的紅壤區(qū)域地球關鍵帶生態(tài)系統(tǒng)類型。我國人工林面積占全球人工林總面積25%[14],其中亞熱帶人工林具有碳匯功能[15]。因此,本研究選取亞熱帶典型森林土壤剖面,通過氨基糖和磷脂脂肪酸(PLFA)微生物標志物方法分別表征MRC含量和活體微生物生物量,探究細菌MRC(MRCB)、真菌MRC(MRCF)從地表到母質的剖面分布特征及其影響機制。我們假設 (1)隨著剖面深度增加,MRCB、MRCF及MRC含量減少；而MRC對SOC的貢獻升高,這是由于隨著土壤剖面深度增加,植物源碳逐漸減少導致微生物碳對SOC的相對貢獻增加[16]；(2)微生物殘體來源于死亡后的微生物細胞壁,與活體微生物生物量有關[17]。由于底物通過調控微生物代謝影響微生物生物量,進而影響MRC的積累[10]。因此在整個土壤剖面中,MRC含量可能主要受底物的影響。本研究旨在促進亞熱帶森林土壤剖面及母質中微生物殘體碳對土壤碳庫貢獻的理解,對于研究紅壤土壤碳庫儲存具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究地點

研究地點位于江西省千煙洲亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站(26°44′29″N,115°03′29″E)。處于亞熱帶季風氣候區(qū),年均氣溫17.9℃,年均降雨量為1475mm,土壤類型以紅壤為主,成土母質多為紅色砂巖和泥巖[18]。主要樹種為1985年前后種植的濕地松(PinuselliottiiEngelem)、馬尾松(Pinusmassoniana)和杉木(Cunninghamialanceolate)等[19]。

1.2 土壤樣品與采集

圖1 土壤剖面及采樣土層示意圖Fig.1 The photo of a soil profile and sampling soil layers

2019年6月,在江西省千煙洲亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站森林樣地中,設置4個面積為20m*20m的針葉林樣方,植被主要為馬尾松林(表1)。在樣方中間位置,挖掘土壤剖面至母質。在4個土壤剖面中分別取0—5cm、5—10cm、10—20cm、20—40cm、40—母質上5cm、母質上5cm和母質7個層次(圖1)。具體剖面采樣點信息見表1。

采集土壤樣品并混合均勻,去除石礫、根系等雜物,過2mm篩,用自封袋密封。取部分土壤樣品烘干、研磨,分析SOC和全氮(TN)含量。其余樣品于4℃下冷藏保存,用于測定土壤含水量(SWC)、pH、溶解態(tài)有機碳(DOC)、微生物-PLFA含量及MRC含量。

表1 土壤剖面基本概況

1.3 土壤樣品分析

土壤容重(Db)用環(huán)刀法測定, SWC用烘干恒重法測定,pH(土水比1∶2.5)用pH計測定,DOC 通過0.05mol/L K2SO4(土液比1∶5)浸提,通過總有機碳分析儀(Liqui TOC II, Elementar, Germany)測定。SOC和TN通過元素分析儀(Elementar, Vario Max CN, Germany)測定[20]。土壤基本理化性質見表2。

表2 土壤理化性質剖面分布

土壤中氨基葡萄糖(GluN)主要來源于真菌細胞壁,以幾丁質成分存在。氨基胞壁酸(MurN)唯一來源于細菌細胞壁[21]。氨基糖的測定參考Indorf等[22]鄰苯二醛(OPA)柱前衍生-高效液相色譜(HPLC)方法。即取1g新鮮過篩土于水解管中,加入10mL 6 mol/L鹽酸,在烘箱中105℃下放置6 h進行水解,并使用 OPA衍生,使用配備十八烷基硅化硅膠凝膠柱(ODS)(Acclaim120 C18；4.6×150mm,3μm)的高效液相色譜儀分離(Dionex Ultimate3000,Thermo Fish Scientific,USA),使用發(fā)射波長為445nm和激發(fā)波長為330nm的熒光檢測器檢測,采用混合氨基糖的標準溶液色譜圖對氨基糖進行鑒定和定量。

磷脂脂肪酸(PLFA)是微生物活體細胞膜的成分,其在微生物死亡后迅速分解,不存在于死亡微生物中,可以作為活體微生物生物量的指標[23]。主要參考Frostegard等[24]和Bossio等[25]方法,主要步驟為稱取相當于8g干土的鮮土樣品,用磷酸鉀、氯仿和甲醇緩沖液提取,在硅膠柱上分離磷脂。樣品經(jīng)溫和堿性甲醇分解形成脂肪酸甲酯(FAMEs)后,在己烷中溶解,加入脂肪酸19∶0作為內標,通過氣相色譜儀(Agilent 7890 B)測定,用MIDI Sherlock微生物鑒定系統(tǒng)(Version 4.5; MIDI Inc., Newark, DE)對PLFA進行鑒定。表征微生物的PLFA標志物見表3。

表3 表征不同種群微生物的磷脂脂肪酸標志物

2 計算與統(tǒng)計分析

2.1 土壤中微生物殘體碳的計算

土壤MRCF含量(g/kg)的計算公式為:

MRCF=(GluN-2 × MurN)×179.2 × 9

式中,GluN的分子質量為179.2,GluN、MurN 單位為mmol/g,假設細菌細胞中MurN與GluN以1∶2比例出現(xiàn),從GluN中減去細菌GluN得到真菌GluN,通過數(shù)值 9將真菌GluN變換為MRCF[21]。

土壤中MRCB含量(g/kg)計算公式為:

MRCB=MurN × 251.2 × 45

式中,MurN 單位為mmol/g,MurN的分子質量為251.2,通過MurN含量乘以轉換系數(shù)45得到 MRCB含量[30]。MRC含量(g/kg)為MRCF與 MRCB含量(g/kg)加和[32]。

2.2 統(tǒng)計分析

使用SPSS 20.0進行統(tǒng)計分析。通過One-sample Kolmogorov-Smirnov檢驗數(shù)據(jù)正態(tài)分布,對于不符合正態(tài)分布的細菌、真菌-PLFA含量進行對數(shù)轉換。采用單因素方差分析(One-Way ANOVA)比較不同剖面深度的MRCB、MRCF、MRC及微生物-PLFA含量的差異,采用 Duncan法進行多重比較(P<0.05為差異顯著)。結構方程模型(SEM)在軟件AMOS 22.0中完成,利用SEM分析土壤環(huán)境因子、土壤養(yǎng)分及微生物-PLFA 含量對MRC的影響路徑及程度,采用極大似然估計法對模型進行擬合。本研究中,χ2/df<2 、P>0.05、RMSEA<0.10、GFI>0.90時,模型擬合良好。利用Sigma Plot 10.0 軟件進行作圖。數(shù)據(jù)為平均值±標準誤(n=4)。

3 結果與分析

3.1 微生物殘體碳含量的剖面分布

從土壤表層至母質,MRCB、MRCF、MRC含量隨著土壤剖面深度的增加顯著降低(P<0.05),在母質處含量最低,變化范圍分別為0.08—1.15、0.18—4.79 、0.25—6.01 g/kg。MRCB、MRCF、MRC含量為0—5cm>5—10cm>10—20cm>20—40cm≈40cm—母質。在0—5cm土壤中,MRCF/MRCB比值(3.92)顯著高于其它土層(1.25—2.60)(P<0.05)(圖2)。

圖2 微生物殘體碳含量的剖面分布Fig.2 Distributions of microbial residue carbon contents in the soil profiles不同的字母代表顯著性差異(P<0.05)

3.2 真菌、細菌微生物生物量的剖面分布

從土壤表層至母質,細菌、真菌、放線菌及微生物-PLFA含量隨土壤剖面深度的增加而顯著降低(P<0.05),變化范圍為 0.12—3.92 、0.02—0.93、0.00—0.74、0.13—5.59 mg/kg。在整個土壤剖面中真菌及微生物-PLFA含量表現(xiàn)為0—5cm>5—10cm>10—20cm≈20cm—母質。在母質處土壤微生物-PLFA含量最低,細菌、真菌及微生物-PLFA含量分別為0.12、0.02、0.13mg/kg(圖3)。

圖3 不同種群微生物-PLFA含量的剖面分布Fig.3 Distributions of microbial-PLFA content from different microbial communities in the soil profiles PLFA: 磷脂脂肪酸Phospholipid fatty acids

3.3 微生物殘體碳對土壤有機碳貢獻的剖面分布

隨著土壤剖面深度增加,MRCF對SOC貢獻先降低后升高；在0—5cm土壤中,MRCF對SOC貢獻最高,為36%；在20—40cm土壤中,MRCF對SOC貢獻最低,為12%。在整個土壤剖面中MRCB、MRC對SOC貢獻分別為6%—12%,18%—46%,但變化不顯著 (P>0.05)(圖4)。

圖4 微生物殘體碳對土壤有機碳貢獻的剖面分布Fig.4 Contribution of microbial residue carbon to soil organic carbon contents in the soil profiles SOC: 土壤有機碳Soil organic carbon;MRC: 土壤微生物殘體碳Microbial residue carbon

3.4 土壤微生物殘體碳含量的影響因素

SEM擬合結果表明,在整個土壤剖面中, Db、DOC和微生物-PLFA含量解釋了土壤MRC 含量81% 的變異。Db 間接影響MRC含量,一方面通過影響DOC,路徑系數(shù)為-0.53,影響微生物-PLFA含量的形成,最終影響MRC含量；另一方面通過直接影響微生物-PLFA含量,路徑系數(shù)為-0.39,進而影響MRC含量。DOC 通過影響微生物-PLFA含量間接影響MRC含量,間接影響效應為0.37。微生物-PLFA含量直接影響MRC含量,路徑系數(shù)為0.90(圖5)。

圖5 微生物殘體碳影響因素的結構方程模型(SEM)分析 Fig.5 Structural equation model analyses of the factors affecting microbial residue carbon contents 圖中單向箭頭表示路徑,箭頭上的數(shù)字表示標準化的路徑系數(shù);***表示P<0.001, **表示P<0.01,*表示P<0.05;R2值表示其他變量所解釋的因變量的比例

4 討論

與第一個假設一致,MRCB、MRCF、MRC及SOC含量隨著土壤剖面深度增加而降低,與此前研究結果一致[11, 33]。微生物殘體主要來源于死亡后的微生物細胞壁[34],與微生物生物量呈正相關性[17]。本研究SEM表明DOC含量通過影響微生物生物量進而影響MRC含量,這與第二個假設一致。DOC是微生物生長的速效底物,為微生物提供能量,進而影響微生物生物量[35]。隨著土壤剖面深度增加,礦物表面的吸附作用導致DOC含量降低[36],微生物獲得的能量減少,微生物-PLFA含量降低。因此隨著土壤剖面加深,DOC含量通過調控微生物代謝降低微生物生物量,進而減弱MRC積累。另外由于植物凋落物和細根碳的影響,使得0—20cm土壤中存在大量植物碳[37—38]。這部分植物碳能夠為土壤微生物提供能源,經(jīng)微生物分泌的胞外酶作用后形成溶解糖、有機酸和氨基酸輸入土壤,可被微生物快速吸收利用,通過微生物的生物合成作用構建自身生物量[39—40],在微生物死亡后形成長期穩(wěn)定存在的微生物殘體,有利于0—20cm土壤中MRC的積累。

另外在土壤剖面中,Db對微生物-PLFA含量具有顯著負效應,表明微生物生物量還受到土壤環(huán)境的影響。隨著剖面深度增加,土壤Db增大,土壤中通氣透水性降低[41],這減少了剖面中氣體流動和氧氣含量[42],限制了土壤中DOC 向下部遷移,20cm以下土壤中低含氧量和較低的速效底物限制微生物合成代謝,抑制活體微生物生物量產(chǎn)生[11, 43],導致微生物-PLFA含量降低,不利于微生物殘體的積累,因此MRC含量隨著土壤剖面深度增加而降低。此外也有研究表明,微生物生物量受到土壤礦物的影響，土壤有機質與礦物質的結合降低了有機質被微生物接觸利用的機會[4]。因此在20cm以下土壤剖面中,由于礦物質的保護阻礙了微生物獲取養(yǎng)分,最終導致微生物生物量形成和微生物殘體積累受到抑制。

MRCB、MRC對SOC貢獻沿著土壤剖面深度增加沒有顯著變化,但MRCF對SOC的貢獻先降低后升高,這與第一個假設不一致。此前有研究表明,MRC對SOC貢獻沿著剖面深度增加而升高[44]。本研究土壤剖面中 MRC含量與SOC含量變化趨勢一致,所以MRC對SOC貢獻沿著土壤剖面沒有顯著變化。對于MRCF而言,由于在0—20cm土壤剖面中,難分解的植物碳輸入隨著剖面深度增加逐漸減少,而真菌主要分解難降解有機質[45],故真菌-PLFA含量顯著降低,真菌微生物殘體來源于真菌細胞壁,這導致MRCF對SOC貢獻降低。而在20cm以下的土壤中,由于SOC的穩(wěn)定受到土壤團聚體的影響[4],而真菌細胞外的菌絲和多糖直接參與土壤團聚體的形成[46],因此可能由于團聚體閉蓄作用的影響,MRCF對土壤穩(wěn)定性有機碳的貢獻升高。

在整個土壤剖面中,MRCF對SOC的貢獻高于MRCB。已有研究表明,相比于細菌,真菌能夠利用更頑固的組分作為能量來源[47]。本研究地點主要樹種為馬尾松,馬尾松松針角質層發(fā)達,多為厚革質,馬尾松凋落物的輸入使得0—20cm表層土壤中含有較多木質素、纖維素等難分解物質,不容易被分解[48]。因此在0—20cm土壤中,真菌的競爭優(yōu)勢使得MRCF對SOC貢獻更高。在20cm以下土壤中,一方面因為細菌細胞壁成分主要為肽聚糖,而真菌細胞壁含有難分解的幾丁質成分；MRCB更容易分解,而MRCF分解的更慢,這有利于MRCF在土壤中殘存和蓄積[49]。另外,由于真菌細胞外的菌絲和多糖參與土壤團聚體的形成,MRCF更容易受到物理保護[46],因此 MRCF對SOC貢獻更高。

5 結論

本研究表明,MRCB、MRCF及MRC含量隨土壤剖面深度增加而降低, MRCF對SOC的貢獻隨剖面深度增加先降低后增加,范圍為12%—36%。而MRCB、MRC對SOC的貢獻隨剖面深度增加沒有顯著變化,分別為6%—12%、18%—46%。MRC對SOC的貢獻沿著剖面變化并不顯著,主要因為土壤剖面中 MRC含量與SOC含量變化趨勢一致。在整個土壤剖面中,微生物-PLFA含量和DOC含量對MRC含量具有顯著正效應,而 Db則是顯著負效應。本研究結果表明,微生物殘體碳在20cm以下的亞熱帶土壤碳匯中發(fā)揮重要作用。