何中聲,陳佳嘉,朱 靜,王紫薇,谷新光,江 藍(lán),陳博,徐道煒,*,吳則焰,劉金福

1 福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院,福州 350002 2 福建農(nóng)林大學(xué)海峽自然保護(hù)區(qū)研究中心,福州 350002 3 生態(tài)與資源統(tǒng)計(jì)福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福州 350002 4 福建農(nóng)林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,福州 350002

土壤微生物是構(gòu)成土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[1],是土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分循環(huán)的主要驅(qū)動(dòng)力[2],在維持土壤生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)等方面發(fā)揮關(guān)鍵作用[3]。土壤微生物群落結(jié)構(gòu)是土壤生態(tài)系統(tǒng)最敏感部分[4],土壤微生物功能多樣性是反映土壤微生物群落結(jié)構(gòu)功能與狀態(tài)的重要指標(biāo)[5],兩者作為土壤微生物的重要組成部分,是連接地上植物群落和土壤養(yǎng)分循環(huán)的紐帶[6],對(duì)森林微環(huán)境、林地植被覆蓋狀況等較為敏感,在一定程度上可反映森林群落總體動(dòng)態(tài)變化[7]。此外,土壤微生物群落功能多樣性和群落結(jié)構(gòu)變化影響土壤有機(jī)質(zhì)分解和能量轉(zhuǎn)換,從而影響植物群落構(gòu)建、森林物種多樣性,間接調(diào)節(jié)地上和地下生態(tài)系統(tǒng)。因此,研究不同環(huán)境下土壤微生物群落功能多樣性和群落結(jié)構(gòu)變化,對(duì)揭示森林生態(tài)系統(tǒng)功能和服務(wù)發(fā)揮著重要作用。

海拔梯度通過改變土壤溫濕度、土壤理化和酶活性等,調(diào)節(jié)土壤呼吸、養(yǎng)分循環(huán)過程和土壤微生物代謝功能,從而影響不同海拔土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性[8]。海拔梯度也會(huì)影響植被覆蓋狀況和林下凋落物,森林植被覆蓋差異性會(huì)導(dǎo)致根系分泌物種類和數(shù)量的不同,在一定程度上決定土壤微生物種類和數(shù)量,影響著土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和碳源利用能力[9]。凋落物和根系是森林生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)物輸入的主要途徑,凋落物輸入改變土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤碳匯能力和生產(chǎn)力,進(jìn)而影響不同海拔土壤微生物碳源供給和土壤微生物群落功能多樣性[10—11]。Bryant等研究表明落基山脈土壤微生物多樣性隨海拔升高呈下降趨勢(shì)[12],而Singh等表明富士山土壤微生物功能多樣性隨海拔升高呈單峰模型變化趨勢(shì)[13]。然而,關(guān)于不同海拔梯度下眾多因素對(duì)土壤微生物功能多樣性的影響尚無統(tǒng)一定論。因此,了解不同海拔梯度下土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性的變化趨勢(shì),可為保護(hù)和合理利用森林生態(tài)資源提供理論依據(jù)。

在森林生態(tài)系統(tǒng)中,季節(jié)更替通過調(diào)節(jié)林內(nèi)空氣溫濕度和光照等微環(huán)境因子,改變了土壤微生物結(jié)構(gòu),影響植物對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收和利用效率,導(dǎo)致不同季節(jié)植物葉片碳氮磷含量差異性,從而影響植物光合作用過程[14—15]。季節(jié)變化導(dǎo)致氣候條件、土壤肥力和植物物候發(fā)生變化,影響森林內(nèi)土壤物質(zhì)循環(huán),驅(qū)動(dòng)土壤微生物群落的動(dòng)態(tài)變化[16],進(jìn)而影響土壤微生物碳源利用能力和土壤微生物生物量[17—19]。綜上所述,土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性受生長(zhǎng)環(huán)境因素的綜合作用和主導(dǎo)地位影響,對(duì)季節(jié)更替產(chǎn)生不同的響應(yīng)[20—21]。然而,關(guān)于季節(jié)變化對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性作用機(jī)制尚不明確,限制了對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)在不同海拔梯度下響應(yīng)過程的理解。

戴云山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)屬南亞熱帶和中亞熱帶過渡區(qū)域,植被覆蓋率高達(dá)93.4%,是閩中生物多樣性中心,也是福建省重點(diǎn)種質(zhì)基因庫[22]。作為東南沿海典型的山地森林生態(tài)系統(tǒng),戴云山植被具有明顯海拔梯度特征,植物群落物種多樣性豐富[22—23],為土壤微生物多樣性研究提供天然實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。植物物種多樣性影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性,且植物-微生物反饋機(jī)制受季節(jié)變化影響,調(diào)節(jié)地下土壤生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán),從而影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[24]。然而,關(guān)于不同海拔森林土壤微生物群落功能多樣性季節(jié)變化的研究尚未見報(bào)道,限制了對(duì)森林土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征的理解。為此,以戴云山南坡不同海拔土壤為研究對(duì)象,探究不同季節(jié)土壤微生物群落的垂直分布格局及影響因素,旨在解決：(1)不同海拔梯度下土壤微生物碳源利用特征和功能多樣性的變化趨勢(shì)；(2)不同季節(jié)(夏季和冬季)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性的變化特征；(3)不同海拔梯度下驅(qū)動(dòng)夏季和冬季土壤微生物功能多樣性變化的主要因素？研究結(jié)果為全球氣候變化背景下深入了解亞熱帶與中亞熱帶過渡區(qū)域森林土壤微生物群落的分布規(guī)律提供理論基礎(chǔ),也為戴云山自然保護(hù)區(qū)土壤生態(tài)功能合理評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

戴云山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)(25°38′—25°43′N,118°05′—118°20′E)隸屬于福建德化縣境內(nèi),總面積達(dá)1.34×104hm2,屬南亞熱帶與中亞熱帶過渡區(qū)域(圖1)。保護(hù)區(qū)年均溫15.6—19.5 ℃,年降水量1700—2000 mm。戴云山最低海拔650 m,最高海拔1856 m。土壤主要類型有腐殖質(zhì)強(qiáng)酸土、鐵質(zhì)強(qiáng)酸土和雛形暗色土等。植物區(qū)系兼具中、南亞熱帶性質(zhì),主要保護(hù)對(duì)象是東南沿海典型的山地森林生態(tài)系統(tǒng)[22]。

圖1 研究區(qū)與采樣點(diǎn)位置圖Fig.1 Location of the study area and sampling plotsDYS-900：海拔900 m；DYS-1000：海拔1000 m；DYS-1100：海拔1100 m；DYS-1200：海拔1200 m；DYS-1300：海拔1300 m；DYS-1400：海拔1400 m；DYS-1500：海拔1500 m

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

于2018年7月在戴云山自然保護(hù)區(qū)南坡900—1500 m范圍內(nèi),選取坡度、坡位相對(duì)一致,無人為活動(dòng)或自然干擾較小的區(qū)域,海拔高度每間隔100 m設(shè)置一個(gè)20 m× 30 m的固定樣地(圖1),每個(gè)樣地劃分3個(gè)10 m×20 m的小樣方,共21個(gè)小樣方。利用GPS定位系統(tǒng)記錄每個(gè)樣地經(jīng)緯度、海拔、坡度、坡向等地形因子,根據(jù)CTFS(Center For Tropical Forest Science)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)查每個(gè)海拔樣方內(nèi)胸徑1 cm以上所有樹種(表1)。

表1 戴云山樣地基本概況Table 1 General information of sample plots in Daiyun Mountain

2.2 土壤樣品采集

分別于2018年7月中旬(夏季)和2019年1月中旬(冬季)采集戴云山南坡7個(gè)海拔樣地土壤樣品。采樣時(shí)避開樹干和樣地邊緣,去除表層凋落物,在每個(gè)小樣方內(nèi)采用五點(diǎn)取樣法采集土壤(深度0—20 cm)進(jìn)行混合,共計(jì)21份土壤樣品。將采集土樣放入提前標(biāo)記好的無菌密封袋密封,置于冰盒立即帶回實(shí)驗(yàn)室,去除可見根系和動(dòng)植物殘?bào)w,過2 mm土篩后,一部分保存在-20℃冰箱用于微生物待測(cè),另一部分用于土壤理化性質(zhì)和酶活性測(cè)定。

2.3 土壤理化性質(zhì)測(cè)定

土壤理化性質(zhì)測(cè)定包括：土壤pH采用電位法測(cè)定(水土比2.5∶1)；土壤質(zhì)量含水量采用烘干法測(cè)定；水解氮測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法；有效磷含量采用鉬銻抗比色法；全磷和全鉀含量采用硫酸—高氯酸消煮法,利用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀(ICP-OES,PE OPTIMA 8000,PerkinElmer Inc.,America)測(cè)定；土壤全碳和全氮含量采用碳氮分析儀(Vario MAX,Elementar,Germany)測(cè)定,詳見《森林土壤分析方法》[25]。其中每個(gè)小樣方土樣設(shè)置3個(gè)重復(fù)。土壤溫度采用紐扣式溫度記錄器(DS1923-F50 iButton,Maxim Intergrated,iButton,San Jose,USA),每4 h記錄一次。土壤溫度為連續(xù)數(shù)據(jù),在進(jìn)行分析時(shí),將不同海拔夏季和冬季當(dāng)月土壤溫度平均值作為各海拔有效土壤溫度數(shù)據(jù)。

2.4 土壤酶活性測(cè)定

土壤酶活性測(cè)定包括：過氧化氫酶活性用高錳酸鉀滴定法測(cè)定,多酚氧化酶活性用鄰苯三酚比色法測(cè)定,酸性磷酸酶用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定,脲酶活性用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定,蔗糖酶活性用3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定[26]。每個(gè)小樣方土壤樣品設(shè)置3個(gè)重復(fù),且每個(gè)處理均設(shè)置空白管作為對(duì)照。

2.5 土壤微生物群落代謝功能測(cè)定

應(yīng)用Biolog-ECO微平板法分析不同碳源孔土壤微生物群落代謝功能[11]。具體方法：稱取5 g鮮土于高壓滅菌的三角瓶中,加入100 mL含0.85%的NaCl無菌水,封口膜密封,置于120 r/min震蕩30 min后取出,冰浴靜置2 min,吸取上清液5 mL于含45 mL無菌水的三角瓶中,重復(fù)稀釋3次得1∶1000提取液,混合搖勻,立即用于ELSIA反應(yīng)。將150 μL提取液加入事先預(yù)熱至25℃的Biolog-ECO板的每個(gè)孔中,密封,置于28℃恒溫箱培養(yǎng)168 h,每24 h用酶標(biāo)儀(Infinite M200 PRO,Tecan Trading AG,Switzerland)讀取590 nm處吸光值。

2.6 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

Biolog微平板的顏色平均變化率AWCD值(Average Well Color Development)是用來檢驗(yàn)土壤微生物生理活動(dòng)強(qiáng)度的重要指標(biāo)[11],代表土壤微生物群落整體碳源利用能力,計(jì)算公式為：

AWCD =[∑(Ci-R)]/N

式中,Ci為31個(gè)碳源孔吸光值,R為對(duì)照孔吸光值,N為碳源孔數(shù)目(N=31)。

將培養(yǎng)144 h趨于穩(wěn)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D)、Shannon-Wiener(H)、Pielou均勻度(P)、Brillouin(B)和McIntosh(M)多樣性指數(shù)分析,評(píng)估土壤微生物群落常見種優(yōu)勢(shì)度、物種豐富度和均勻度。

利用方差分析評(píng)估海拔與季節(jié)對(duì)土壤微生物碳源利用能力和土壤微生物功能多樣性指數(shù)的影響,探討不同海拔和季節(jié)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性指數(shù)之間差異性(Duncan檢驗(yàn))。為探討不同海拔夏季與冬季土壤微生物群落功能多樣性與地形因子和土壤環(huán)境變量之間的關(guān)系,將海拔、坡向和坡度作為地形因子解釋變量,將土壤溫度、土壤pH值、土壤含水量、水解氮、全鉀、全磷、有效磷、全氮、全碳含量、碳氮比、多酚氧化酶、蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶和過氧化氫酶活性作為土壤環(huán)境因子解釋變量,采用冗余分析(Redundancy analysis,RDA)揭示土壤微生物群落功能多樣性與解釋變量之間關(guān)系。采用廣義線性模型(Generalized Linear Model,GLM)中基于數(shù)據(jù)正態(tài)的Gaussian模型和非正態(tài)的Gamma模型揭示影響土壤微生物群落功能多樣性的主要環(huán)境因子。依據(jù)赤池信息量準(zhǔn)則(Akaike′s Information Criterion,AIC)利用逐步回歸法優(yōu)化模型,同時(shí)采用方差膨脹因子(VIF)對(duì)回歸模型的共線性進(jìn)行診斷,直至所有變量VIF小于10[27]。數(shù)據(jù)分析采用R 4.0.3軟件,RDA分析使用vegan包實(shí)現(xiàn)[28],GLM分析使用broom、glm2包實(shí)現(xiàn)[27]。

3 研究結(jié)果

3.1 不同海拔夏季與冬季土壤微生物利用碳源變化率分析

不同海拔夏季與冬季土壤微生物碳源利用的AWCD值隨時(shí)間增加呈上升趨勢(shì),且同一培養(yǎng)時(shí)間,不同海拔夏季與冬季土壤微生物群落碳源利用的AWCD值具有顯著差異(圖2)。在初始24 h內(nèi),夏季和冬季7個(gè)海拔土壤微生物群落的AWCD值較低,土壤微生物對(duì)碳源利用能力較低,活性較弱。隨時(shí)間增加,夏季海拔1400 m處AWCD值顯著高于其它海拔,表明土壤微生物逐漸適應(yīng)于ECO板環(huán)境,代謝活性旺盛,碳源利用率高。海拔1100 m處土壤微生物群落的AWCD值最低,表明土壤微生物活性最弱,碳源利用率低。在培養(yǎng)144 h后,海拔900 m處土壤微生物群落碳源利用率降低,而其它海拔碳源利用率呈緩慢上升趨勢(shì)。

圖2 不同海拔夏季與冬季土壤微生物群落的AWCD值隨時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.2 The tendency of AWCD values for soil microbial communities with time variations in summer and winter seasons at different elevations由上至下同一列數(shù)據(jù)不同字母表示海拔900—1500 m差異顯著(P<0.05)

冬季土壤微生物培養(yǎng)144 h后,海拔900 m、海拔1400 m和海拔1500 m處的AWCD值幾乎一致,海拔1100 m處土壤微生物群落碳源利用的AWCD值最低,表明海拔900 m處的土壤微生物碳源利用能力最強(qiáng),微生物活性旺盛。不同季節(jié)下,7個(gè)海拔的土壤微生物碳源利用能力均在海拔1100 m處最弱,微生物活性最低。

3.2 不同海拔夏季與冬季土壤微生物群落對(duì)不同碳源利用特征分析

將Biolog微平板上的31種碳源按照化學(xué)基團(tuán)性質(zhì)分為6類：羧酸類、多聚物類、糖類、酚酸類、氨基酸類和胺類(圖3)。不同海拔夏季和冬季土壤微生物對(duì)同一類型碳源利用能力的影響表現(xiàn)為夏季海拔1400 m處的6類土壤微生物碳源利用特征顯著高于其它海拔；羧酸類、多聚物類、糖類、酚酸類和氨基酸類碳源利用特征在海拔1100 m處最低,胺類碳源利用特征在海拔1500 m處最低。冬季海拔1400 m處土壤微生物對(duì)羧酸類和氨基酸類碳源利用程度顯著高于其它海拔,多聚物類碳源利用程度在海拔1200 m處最大,糖類和胺類碳源利用程度在海拔900 m處最大。綜上所述,氨基酸類和羧酸類碳源是不同海拔夏季和冬季土壤微生物群落利用的主要優(yōu)勢(shì)碳源類型,土壤微生物群落對(duì)酚酸類和胺類碳源利用程度較低。

圖3 不同海拔夏季與冬季土壤微生物群落對(duì)不同類型碳源利用的AWCD值Fig.3 AWCD values of soil microbial communities for different types of carbon sources in the summer and winter seasons at different elevations同一類碳源不同小寫字母表示不同海拔間差異顯著(P<0.05)

3.3 不同海拔夏季與冬季土壤微生物群落功能多樣性指數(shù)分析

土壤微生物群落功能多樣性雙因素方差分析結(jié)果表明(表2),季節(jié)對(duì)土壤微生物Shannon-Wiener指數(shù)、Pielou指數(shù)和Brillouin指數(shù)的影響存在極顯著差異(P<0.001),對(duì)Simpson指數(shù)和McIntosh指數(shù)無顯著影響(P>0.05)；海拔、海拔和季節(jié)之間交互作用對(duì)Simpson指數(shù)、Pielou指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)和McIntosh指數(shù)具有顯著影響(P<0.05),且對(duì)Shannon-Wiener指數(shù)、Pielou指數(shù)和Brillouin指數(shù)的影響具有極顯著差異(P<0.001)。

表2 不同季節(jié)與海拔土壤微生物功能多樣性指數(shù)的雙因素方差分析Table 2 Two-way variance analysis of soil microbial functional diversity index in different seasons and elevations

夏季與冬季不同海拔土壤微生物群落功能多樣性指數(shù)具有顯著差異(表3)。夏季海拔1100 m和1300 m處土壤微生物Simpson指數(shù)和McIntosh指數(shù)顯著高于其它海拔,在海拔1300 m處最大。Shannon-Wiener指數(shù)、Pielou指數(shù)和Brillouin指數(shù)在海拔1400 m處最大,表明海拔1400 m處土壤微生物群落種類繁多且分布均勻。冬季海拔1100 m處土壤微生物群落Simpson指數(shù)和McIntosh指數(shù)顯著高于其它海拔；而Shannon-Wiener指數(shù)、Pielou指數(shù)和Brillouin指數(shù)在海拔1300 m處最大。綜上所述,不同海拔夏季土壤微生物Shannon-Wiener指數(shù)和Brillouin指數(shù)均高于冬季,土壤微生物Simpson指數(shù)、Pielou指數(shù)和McIntosh指數(shù)與冬季無明顯差異。

表3 不同海拔夏季與冬季土壤微生物群落功能多樣性指數(shù)Table 3 Functional diversity indices of soil microbial communities in summer and winter seasons at different elevations

3.4 不同海拔夏季與冬季土壤微生物群落功能多樣性與地形因子和土壤環(huán)境因子的關(guān)系

RDA結(jié)果表明(圖4),夏季不同海拔地形因子與土壤環(huán)境因子對(duì)土壤微生物群落功能多樣性解釋量分別占14.86%和72.63%,地形因子和土壤環(huán)境因子共同解釋部分為5.12%,未解釋部分為7.39%,土壤環(huán)境因子是驅(qū)動(dòng)夏季土壤微生物群落功能多樣性變化的主要因子。冬季不同海拔土壤環(huán)境因子對(duì)土壤微生物群落功能多樣性解釋量達(dá)44.12%,高于地形因子解釋量；地形因子與土壤環(huán)境因子對(duì)土壤微生物群落功能多樣性共同解釋量為39.33%,土壤環(huán)境因子是影響冬季土壤微生物群落功能多樣性變化的主要因子(圖4)。

圖4 不同海拔夏季與冬季土壤微生物群落功能多樣性與影響因子的關(guān)系Fig.4 The relationship between soil microbial communities functional diversity and impact factors in summer and winter seasons at different elevations

為揭示影響夏季和冬季土壤微生物群落功能多樣性的主要驅(qū)動(dòng)因子(圖5),廣義線性模型結(jié)果表明夏季土壤微生物群落Simpson指數(shù)與全鉀含量(TK)、土壤溫度(ST)、pH值和坡向(SPO)具有顯著相關(guān)性,且與土壤溫度具有顯著正相關(guān)；冬季土壤脲酶(SUE)活性對(duì)土壤微生物群落Simpson指數(shù)具有顯著正效應(yīng),全氮含量(TN)對(duì)Simpson指數(shù)具有顯著負(fù)效應(yīng)。不同海拔梯度下夏季土壤微生物Shannon-Wiener指數(shù)與土壤溫度和土壤全磷含量(TP)具有顯著負(fù)效應(yīng),與土壤全鉀含量、水解氮含量(HN)和蔗糖酶(SSC)活性具有顯著正效應(yīng)。冬季土壤微生物群落Shannon-Wiener指數(shù)與全鉀含量、全磷含量、坡向、全碳含量(TC)和有效磷(AP)含量具有顯著相關(guān)性,且全磷含量和坡向與Shannon-Wiener指數(shù)具有正效應(yīng)。夏季土壤全磷含量、土壤溫度、蔗糖酶和有效磷含量與土壤微生物Pielou指數(shù)具有顯著相關(guān)性；冬季土壤全鉀含量、坡向、過氧化氫酶(SCAT)活性、全碳含量和有效磷含量與土壤微生物群落Pielou指數(shù)具有顯著相關(guān)性。夏季土壤微生物群落Brillouin指數(shù)與全鉀含量和坡向具有顯著正效應(yīng),與土壤溫度和pH值具有顯著負(fù)效應(yīng)；冬季土壤微生物群落Brillouin指數(shù)與全氮、全鉀、有效磷含量、多酚氧化酶(SPPO)活性、坡度(SLOP)、坡向和海拔(ELE)具有顯著相關(guān)性。夏季土壤微生物群落McIntosh指數(shù)與全磷、全鉀含量、土壤溫度和坡向具有顯著相關(guān)性；冬季土壤微生物群落McIntosh指數(shù)與全磷、全鉀、有效磷含量和脲酶活性具有相關(guān)性,全磷和全鉀含量對(duì)夏季和冬季McIntosh指數(shù)具有顯著負(fù)效應(yīng)。綜上,季節(jié)變化通過影響地形因子和土壤環(huán)境因子,間接驅(qū)動(dòng)土壤微生物群落功能多樣性變化,其中全鉀含量和土壤溫度是驅(qū)動(dòng)夏季土壤微生物群落功能多樣性變化的主要環(huán)境因子；坡向、全鉀、全磷和有效磷含量是驅(qū)動(dòng)冬季土壤微生物群落功能多樣性變化的主要環(huán)境因子。

圖5 不同海拔夏季與冬季土壤微生物群落功能多樣性與影響因子的GLM模型Fig.5 Generalized linear model of soil microbial community functional diversity and impact factors in summer and winter seasons at different elevationsELE：海拔 Elevation;SPO：坡向 Aspect;SLOP：坡度 Slope;ST：土壤溫度 Soil temperature;TP：全磷含量 Total phosphorus content;HN：水解氮含量 Hydrolyzed nitrogen content;TC：全碳含量 Total carbon content;TN：全氮含量 Total nitrogen content;TK：全鉀含量 Total potassium content;AP：有效磷含量 Available phosphorus content;SUE：土壤脲酶 Soil urease;SCAT：土壤過氧化氫酶 Soil catalase;SPPO：土壤多酚氧化酶 Soil polyphenol oxidase;SSC：土壤蔗糖酶 soil invertase;線條表示95%的置信區(qū)間,藍(lán)線表示負(fù)效應(yīng),紅線表示正效應(yīng)

4 討論

4.1 不同海拔土壤微生物碳源利用特征及功能多樣性的影響因子

土壤微生物群落對(duì)不同碳源利用能力反映土壤微生物群落功能多樣性變化[29]。戴云山針闊混交林(海拔900—1300 m)夏季與冬季土壤微生物碳源利用的AWCD值隨培養(yǎng)時(shí)間增加呈上升趨勢(shì),夏季海拔1200 m處土壤微生物碳源利用率顯著高于其它海拔,產(chǎn)生差異性原因可能與不同海拔森林群落物種多樣性有關(guān),與宋賢沖等[30]結(jié)果一致。周桔等[31]研究表明植物物種多樣性與土壤微生物多樣性呈正相關(guān)關(guān)系。戴云山海拔1200 m處樹種豐富度、優(yōu)勢(shì)度及多樣性指數(shù)顯著高于其它海拔[32],且土壤微生物碳源利用率在海拔1200 m處達(dá)最大值,進(jìn)一步證實(shí)了土壤微生物活性與地上植被豐富度和物種多樣性有關(guān)。夏季7個(gè)海拔中,海拔1400 m處土壤微生物碳源利用程度顯著高于其它海拔,可能與不同海拔梯度植被類型差異有關(guān)[11]。戴云山南坡海拔1400 m以上地區(qū)植被類型以溫性針葉林為主,低于海拔1400 m地區(qū)為針闊混交林。鄭世群等[22]研究表明戴云山溫性針葉林樹種豐富度和多樣性高于針闊混交林,灌木與草本資源豐富,林分凋落物層組成多樣。森林凋落物分解將養(yǎng)分歸還給土壤,增加了土壤碳庫儲(chǔ)量,促進(jìn)了森林土壤碳循環(huán)[10],從而提高了土壤微生物群落碳源利用能力。戴云山海拔900 m地區(qū)受不同程度人為干擾,而高海拔地區(qū)受人為干擾較小[33],維持土壤微生物活性旺盛,一定程度上提高了土壤微生物碳源利用率。冬季針闊混交林土壤微生物碳源利用的AWCD值在海拔900 m處最大,可能是土壤溫度隨海拔升高逐漸降低,冬季低溫抑制了土壤酶活性,降低了土壤微生物代謝活性,從而影響土壤微生物群落碳源利用能力[20]。土壤微生物群落對(duì)6類碳源利用特征表明,夏季和冬季不同海拔土壤微生物群落主要利用碳源為氨基酸類和羧酸類,且在海拔1400 m區(qū)域達(dá)最大值。氨基酸類碳源可合成植物生長(zhǎng)所需有機(jī)氮,有效促進(jìn)森林植物快速生長(zhǎng)[34]；羧酸類碳源受植物根系分泌物以及底物偏好性影響[35],為土壤微生物生長(zhǎng)與繁殖提供養(yǎng)分。海拔1400 m處高氨基酸類和羧酸類碳源利用特征表明土壤微生物與地上植物種類和生長(zhǎng)發(fā)育顯著相關(guān),也證實(shí)了林分樹種類型可顯著影響林內(nèi)土壤微生物群落功能多樣性和代謝能力[11]。

海拔梯度引起植被類型、土壤理化性質(zhì)和酶活性等環(huán)境因子變化[11],從而影響土壤微生物群落功能多樣性。戴云山夏季土壤微生物Shannon-Wiener指數(shù)、Pielou指數(shù)和Brillouin指數(shù)在海拔1400 m處最大,冬季海拔1300 m處土壤微生物Shannon-Wiener指數(shù)、Pielou指數(shù)和Brillouin指數(shù)高于其它海拔,造成差異原因可能是夏季土壤高溫抑制森林土壤微生物活性,降低土壤微生物群落多樣性,在一定程度上降低森林土壤微生物群落的均勻度和優(yōu)勢(shì)度,與奚晶陽等[36]結(jié)果一致。土壤溫度過高導(dǎo)致土壤水分蒸發(fā)速率快,間接降低土壤酶活性,制約了土壤微生物生長(zhǎng)和繁殖,導(dǎo)致土壤微生物群落功能多樣性下降。土壤微生物群落功能多樣性變化與不同海拔森林土壤碳、氮和磷含量輸入有關(guān)。Zhalnina等研究表明碳輸入促進(jìn)土壤呼吸和土壤碳循環(huán),提高了森林土壤微生物代謝能力[35]。全碳含量對(duì)微生物多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)具有顯著正效應(yīng),也證實(shí)了碳輸入增加直接改善了土壤理化性質(zhì),間接促進(jìn)了土壤微生物群落均勻分布和物種多樣性。全氮含量增加通過改變植物根系動(dòng)態(tài)[37],影響植物地下對(duì)土壤養(yǎng)分資源的獲取,從而改變了土壤微生物功能多樣性。Jiang等研究表明戴云山南坡高海拔(1300—1500 m)地區(qū)土壤碳氮含量高于低海拔[38],也證實(shí)了土壤全碳含量和全氮含量對(duì)土壤微生物功能多樣性的影響。綜上,土壤理化性質(zhì)是驅(qū)動(dòng)不同海拔土壤微生物群落功能多樣性變化的主要因子。

4.2 不同季節(jié)對(duì)海拔梯度下土壤微生物碳源利用能力和群落功能多樣性的影響

戴云山夏季土壤微生物碳源利用率高于冬季,這可能與植被覆蓋和森林微環(huán)境條件有關(guān)。夏季植物生長(zhǎng)旺盛,加快根系向土壤中釋放或分泌有利物質(zhì),促進(jìn)土壤微生物生長(zhǎng)與繁殖；冬季植物生長(zhǎng)速度變緩或枯萎,根系分泌有機(jī)物質(zhì)速率降低,導(dǎo)致供給微生物代謝的土壤養(yǎng)分不足,具有分解和利用腐殖質(zhì)能力的微生物含量減少[29],影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)功能多樣性。季節(jié)更替會(huì)改變森林光照條件,夏季光照條件的改善加快植物新陳代謝速率,為土壤微生物生長(zhǎng)與繁殖提供充足營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和養(yǎng)分來源[20—21],調(diào)節(jié)土壤微生物代謝和養(yǎng)分有效性,影響土壤生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán),從而改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[30]。研究表明全磷含量對(duì)夏季和冬季土壤微生物群落功能多樣性具有顯著負(fù)效應(yīng),冬季有效磷含量對(duì)土壤微生物群落多樣性指數(shù)具有顯著正效應(yīng),這可能是全磷含量增加抑制土壤微生物生長(zhǎng)與繁殖,降低土壤微生物群落功能多樣性；而土壤有效磷含量增加,在一定程度上提高了土壤微生物群落功能多樣性。土壤全磷含量進(jìn)一步釋放并轉(zhuǎn)變?yōu)橹参锟晌盏挠行Я譡39],影響植物光合作用、呼吸作用和同化產(chǎn)物分配等過程[40],從而影響土壤生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程,增加了土壤微生物代謝活性與功能多樣性。全鉀含量對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育和養(yǎng)分吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)具有顯著作用,全鉀含量增加會(huì)促進(jìn)植物根系吸收和代謝過程,影響土壤微生物功能多樣性變化[41]。研究表明夏季全鉀含量對(duì)土壤微生物多樣性有促進(jìn)作用,與韓小美等結(jié)果一致,即全鉀含量與土壤微生物代謝活性和功能多樣性具有正相關(guān)關(guān)系[9]。季節(jié)變化引起土壤酶活性差異也會(huì)影響土壤微生物功能多樣性[20]。戴云山夏季土壤微生物功能多樣性高于冬季,可能是土壤酶活性的高低影響著土壤有機(jī)物質(zhì)的分解與轉(zhuǎn)化過程,對(duì)土壤腐殖質(zhì)形成有著重要作用[42]。土壤蔗糖酶可水解蔗糖為土壤微生物吸收利用,提高土壤易溶物質(zhì)含量,促進(jìn)有機(jī)質(zhì)積累和轉(zhuǎn)化,從而影響土壤微生物活性與功能多樣性[43]。夏季土壤蔗糖酶對(duì)土壤微生物群落功能多樣性的促進(jìn)作用,也證實(shí)了這一觀點(diǎn)。劉旻霞等[42]研究表明土壤脲酶活性與土壤微生物群落功能多樣性具有顯著相關(guān)性,脲酶能催化土壤中尿素分解成氨和二氧化碳,促進(jìn)土壤微生物碳循環(huán)過程[44]。冬季土壤脲酶活性對(duì)土壤微生物群落功能多樣性的正效應(yīng)也證實(shí)了土壤脲酶活性增加促進(jìn)了土壤微生物功能多樣性。綜上,土壤理化性質(zhì)和土壤酶活性是驅(qū)動(dòng)土壤微生物代謝與功能多樣性季節(jié)變化的主要因子。

5 結(jié)論

戴云山南坡不同海拔與季節(jié)變化通過改變土壤理化性質(zhì)與酶活性等,影響土壤微生物物質(zhì)循環(huán),間接影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性。地形因子與土壤環(huán)境因子共同驅(qū)動(dòng)土壤微生物群落功能多樣性,且土壤環(huán)境因子是主要影響因子。土壤溫度和全鉀含量是影響夏季土壤微生物群落功能多樣性變化的主要因子,而全磷、有效磷含量和坡向是影響冬季土壤微生物群落功能多樣性變化的主要因子。因此,探討海拔梯度下土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性的季節(jié)變化及其驅(qū)動(dòng)因子,對(duì)全球氣候變暖背景下維持戴云山土壤生態(tài)平衡和土壤生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)具有重要意義。