鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林土壤微生物量碳和有機(jī)碳對(duì)模擬酸雨的響應(yīng)

吳建平, 梁國(guó)華,3, 熊 鑫, 褚國(guó)偉, 周?chē)?guó)逸, 張德強(qiáng),*

1 中國(guó)科學(xué)院華南植物園, 廣州 510650 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049 3 華南農(nóng)業(yè)大學(xué), 廣州 510642

鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林土壤微生物量碳和有機(jī)碳對(duì)模擬酸雨的響應(yīng)

吳建平1,2, 梁國(guó)華1,2,3, 熊 鑫1,2, 褚國(guó)偉1, 周?chē)?guó)逸1, 張德強(qiáng)1,*

1 中國(guó)科學(xué)院華南植物園, 廣州 510650 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049 3 華南農(nóng)業(yè)大學(xué), 廣州 510642

在鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林設(shè)置人工模擬酸雨實(shí)驗(yàn)，研究土壤總有機(jī)碳含量、微生物量碳含量、土壤pH值和土壤呼吸速率幾個(gè)指標(biāo)對(duì)不同酸處理梯度(CK：pH值4.5的天然湖水；T1：pH值4.0；T2：pH值3.5；T3：pH值3.0)的響應(yīng)。結(jié)果表明，在模擬酸雨的持續(xù)作用下，樣地土壤酸化有加劇趨勢(shì)。2011年的6月(CK:(603.76±46.18) mg/kg, T1:(565.41±44.48) mg/kg, T2:(521.58±30.92) mg/kg, T3:(509.49±19.40) mg/kg)、12月(CK:(488.92±22.71) mg/kg, T1:(379.65±49.46) mg/kg, T2:(346.08±33.81) mg/kg, T3:(318.00±52.35) mg/kg)和2012年6月(CK:(540.48±39.11) mg/kg, T1:(492.30±43.15) mg/kg, T2:(489.65±51.39) mg/kg, T3:(428.53±49.66) mg/kg) 3次測(cè)定的土壤微生物量碳含量有隨模擬酸雨強(qiáng)度增加而顯著降低的趨勢(shì)，高強(qiáng)度的酸處理T3顯著低于CK值(P<0.05)；土壤呼吸速率在各處理中的響應(yīng)與土壤微生物量碳含量變化一致。由于旱季和濕季的土壤溫濕度相差較大，以上各指標(biāo)在旱濕兩季的差異明顯，表現(xiàn)為濕季大于旱季。由于土壤總有機(jī)碳含量變化緩慢，其在各酸梯度處理下無(wú)顯著差異(P>0.05)。以上結(jié)果顯示，長(zhǎng)期酸雨作用使土壤酸化不斷加劇，并降低了土壤微生物量碳的含量，抑制了土壤的呼吸速率，有利于土壤碳的累積，但對(duì)土壤總有機(jī)碳的影響仍需長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)研究。

模擬酸雨; 土壤酸化; 土壤微生物量碳; 土壤有機(jī)碳

土壤是連接大氣圈、水圈、生物圈和巖石圈的紐帶，是碳循環(huán)的重要組成部分，制約著全球碳循環(huán)的動(dòng)態(tài)。據(jù)估計(jì)，土壤表層碳儲(chǔ)量約為1500 PgC[1]，約為大氣碳儲(chǔ)量的2倍[2]，為陸地生物碳量的3倍[3]。土壤有機(jī)碳(TOC)量的微小變化都可能引起大氣中CO2濃度的巨大改變，從而對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳平衡和全球氣候產(chǎn)生影響[4]。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都將土壤有機(jī)碳和土壤微生物量碳(SMBC)結(jié)合在一起來(lái)研究[5-7]。土壤微生物量碳作為土壤活性有機(jī)碳的一部分，雖然其分解進(jìn)程動(dòng)的態(tài)變化趨勢(shì)與土壤有機(jī)碳相似，且只占土壤總有機(jī)碳的1%—3%，但其周轉(zhuǎn)時(shí)間較土壤有機(jī)碳更快，對(duì)外界環(huán)境變化響應(yīng)較敏感，因此可作為土壤有機(jī)碳變化的早期預(yù)測(cè)指標(biāo)[7-9]。有人研究了4種森林植被下的土壤微生物量碳與土壤有機(jī)碳含量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)常綠闊葉林和馬尾松林的土壤微生物量碳與總有機(jī)碳含量的相關(guān)性均達(dá)到了極顯著水平[10]。此外，土壤微生物量碳和土壤有機(jī)碳的比值(SMBC/TOC)還是衡量一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳累積或損失的一個(gè)重要指標(biāo)[6,11]。

自20世紀(jì)以來(lái)，酸雨已成為當(dāng)今世界上最嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題之一，其主要來(lái)源是人類(lèi)活動(dòng)如工業(yè)生產(chǎn)和汽車(chē)尾氣等排放的二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOx)[12-13]。盡管歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的酸性氣體排放量有所下降，但發(fā)展中國(guó)家的排放量卻在增加，中國(guó)南方已成為繼歐美之后的第三大酸雨區(qū)[14]。土壤系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的基本組成部分，也是酸雨的最終受體。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期酸雨淋溶，土壤不斷酸化，土壤中一系列的物理、化學(xué)、生物過(guò)程都會(huì)受到影響，也將引起土壤碳循環(huán)過(guò)程的變化，最終影響到土壤碳儲(chǔ)存[15]。土壤微生物量碳作為土壤有機(jī)碳的活性指標(biāo)之一，對(duì)環(huán)境變化、管理措施及土地利用方式等的響應(yīng)受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍關(guān)注[16-18]。然而，無(wú)論國(guó)內(nèi)和國(guó)外，目前關(guān)于森林土壤微生物量碳對(duì)酸雨響應(yīng)的研究非常有限，故在酸雨日益嚴(yán)重的中國(guó)南亞熱帶地區(qū)，開(kāi)展野外人工模擬酸雨對(duì)土壤微生物量碳等的研究格外重要。為此，本文以南亞熱帶具有典型代表性的季風(fēng)常綠闊葉林為對(duì)象，在自然林里開(kāi)展人工模擬酸雨控制試驗(yàn)，探討酸雨背景下季風(fēng)常綠闊葉林土壤中微生物量碳、土壤有機(jī)碳和土壤呼吸速率變化情況，為正確評(píng)估森林生態(tài)系統(tǒng)碳平衡及其對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與樣地概況

研究地點(diǎn)設(shè)在廣東省中部、珠江三角洲西南的肇慶市鼎湖山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)(112°30′ 39″—112°33′41″E，23°09′21″—23°11′30″N) 內(nèi)，距廣州86 km，面積1155 hm2。該地區(qū)屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，冬夏氣候交替非常明顯，年均氣溫20. 9 ℃，最冷月(1月)和最熱月(7月)的平均氣溫分別為12.6 ℃和28.0 ℃；年均相對(duì)濕度為82%，年均降雨量和蒸發(fā)量分別為1927 mm和1115 mm，4月—9月為濕季，約占全年降雨量的80%，10月—次年3月為旱季[19]。隨海拔梯度升高，鼎湖山垂直分布著赤紅壤、黃壤和山地灌叢草甸土3類(lèi)土壤。試驗(yàn)樣地所處的季風(fēng)常綠闊葉林土壤為發(fā)育于砂巖或砂頁(yè)巖的赤紅壤，表層有機(jī)質(zhì)含量為4.3%，pH值為4.06—4.34，酸性較強(qiáng)，土壤層深度為60—90 cm。近年來(lái)鼎湖山地區(qū)大氣降水pH值較低，變動(dòng)范圍為4.35—5.65，平均值為4. 90，酸雨頻率在62.7%以上，土壤酸化較嚴(yán)重[20]。

實(shí)驗(yàn)樣地所在的季風(fēng)常綠闊葉林的海拔高度為250—400 m，是有著近400年保護(hù)歷史的南亞熱帶地帶性植被類(lèi)型，整個(gè)群落處于由陽(yáng)性植物占優(yōu)勢(shì)的森林向中生性和耐蔭性植物占優(yōu)勢(shì)的演替頂極群落類(lèi)型演變的最后階段。群落終年常綠，垂直結(jié)構(gòu)復(fù)雜，物種組成豐富，以常綠樹(shù)種占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。地上垂直結(jié)構(gòu)大致分為5層，其中喬木3層，灌木1層，草本苗木1層。喬木第一層主要有錐栗(Castanopsischinensis)、荷木(Schimasuperb)、黃果厚殼桂(Cryptocaryaconcinna)和華潤(rùn)楠(Machiluschinensis)等；喬木第二層主要植物有厚殼桂(Cryptocaryachinesis)、黃果厚殼桂和翅子樹(shù)(Pterospermunacerifolium)等；喬木第三層主要植物有云南銀柴(Aporusayunnanensis)、鼎湖釣樟 (Linderachunni)和水石梓(Sarcospermalaurimun)等。灌木層植物有栢拉木(Blastuscochinchinensis)和羅傘樹(shù)(Ardisiaquinquegona)等，密度較大，但多為喬木幼樹(shù)；草本植物有雙蓋蕨(Diplaziumdonianum)和山姜(Alpiniajaponica)等[21]。

1.2 試驗(yàn)樣地設(shè)計(jì)

在季風(fēng)常綠闊葉林分別設(shè)置12個(gè)10 m×10 m的樣方，用于模擬酸雨實(shí)驗(yàn)。每個(gè)樣方四周用PVC (Polyvinyl chloride)板材圍起，PVC板材插入地表下20 cm，地上部分高出地表5 cm，每個(gè)樣方之間預(yù)留3 m寬的緩沖帶。根據(jù)鼎湖地區(qū)近年酸雨的酸度和主要成分比例以及變化趨勢(shì)，以H2SO4∶HNO3=1∶1的溶液用作為模擬酸雨實(shí)驗(yàn)材料，以pH值為衡量單位，設(shè)計(jì)4個(gè)酸雨強(qiáng)度處理，分別為CK (pH值4.5左右的天然湖水)、T1 (pH值4.0)、T2 (pH值3.5)和T3 (pH值3.0)，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。2009年6月份開(kāi)始進(jìn)行模擬酸雨處理，每月的月初和月中將配置好的40L模擬酸雨，人工均勻噴灑在林地上。在模擬酸雨噴淋期間，T1、T2和T3接受的H+輸入量為9.6、32、96 mol hm-2a-1，約分別相當(dāng)于自然穿透雨H+輸入量的0.6、2.0倍和6.0倍[22]。在上述每個(gè)樣方隨機(jī)設(shè)置兩個(gè)直徑20 cm PVC環(huán)，用作土壤呼吸測(cè)定，將PVC環(huán)插入土壤5 cm左右，砸實(shí)PVC環(huán)防止漏氣，并保持環(huán)在整個(gè)試驗(yàn)期間位置不變。

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 樣品采集

2011年6月(雨季，模擬酸雨處理24個(gè)月)、 12月(旱季，模擬酸雨處理30個(gè)月)和2012年6月(雨季，模擬酸雨處理36個(gè)月)在上述樣地進(jìn)行土壤樣品采樣，分別在每個(gè)樣方內(nèi)隨機(jī)選取2個(gè)點(diǎn)，去除表土上覆蓋的枯枝落葉，用內(nèi)徑2.5 cm的土鉆分別取0—10 cm層次的土壤，每個(gè)點(diǎn)取3—4鉆，混合后裝入布袋并用標(biāo)簽做好標(biāo)記，之后帶回實(shí)驗(yàn)室。去除樣品中可見(jiàn)的根系等動(dòng)植物殘?bào)w和石塊，并過(guò)2 mm篩，然后待其自然風(fēng)干后用備用。

1.3.2 土壤基本理化性質(zhì)測(cè)定

土壤pH值采用水土比2.5∶1電位法測(cè)定；土壤總有機(jī)碳用濃硫酸重鉻酸鉀氧化加熱法測(cè)定；土壤呼吸利用LI-cor8100開(kāi)路式土壤碳通量系統(tǒng)測(cè)定，測(cè)定時(shí)將LI-cor8100的短期測(cè)量室置于PVC環(huán)上并用其攜帶的溫度和濕度探針?lè)謩e同步測(cè)定地表下5 cm處土壤溫度及含水量，土壤呼吸的測(cè)定在每個(gè)月的噴酸處理之前完成。土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸提取法測(cè)定，其中轉(zhuǎn)化系數(shù)為0.33，測(cè)定方法如下：稱(chēng)取15 g新鮮土樣于100 mL燒瓶中，并將同時(shí)盛有氯仿和氫氧化鈉的小燒杯置入真空干燥器中，蓋好蓋子用真空泵抽氣至氯仿沸騰2 min后關(guān)閉活塞，在25℃下于暗處放置48 h。取出氯仿后，所有樣品都加入0.5 mol/L K2SO4提取液50 mL，在復(fù)式震蕩機(jī)上中速振蕩1 h，過(guò)濾上層濾液置于儲(chǔ)液瓶中。在進(jìn)行熏蒸的同時(shí)，稱(chēng)取同樣質(zhì)量的土樣進(jìn)行浸提和測(cè)定，作為未熏蒸對(duì)照。取上層濾液5 mL于50 mL容量瓶中，加水定容后即可用TOC儀進(jìn)行分析測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2003、SigmaPlot12.0和SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和作圖，采用單因素方差分析(One-Way ANOVA)和最小顯著性差異法(LSD)比較不同處理間的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同酸梯度處理下土壤微生物量碳含量的變化

實(shí)驗(yàn)期間分別在2011年6月(濕季，模擬酸雨處理24個(gè)月后)、12月(旱季，模擬酸雨處理30個(gè)月后)和2012年6月(濕季，模擬酸雨處理36個(gè)月后)對(duì)樣地的表層土壤(0—10 cm)微生物量碳進(jìn)行3次測(cè)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1和表1所示，濕季的微生物量碳含量顯著高于旱季(P< 0.01)；不同處理下的土壤微生物量碳在濕季和旱季的含量差異顯著，表現(xiàn)為濕季大于旱季。在3次測(cè)定的結(jié)果中，土壤微生物量碳含量有隨酸處理強(qiáng)度增加而降低的趨勢(shì)，T3處理顯著低于CK處理 (P<0.05)。從模擬酸雨處理下土壤微生物量碳含量的下降程度和顯著性可看出，模擬酸雨降低了鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林表層土壤微生物量碳含量，抑制了微生物活性，且旱濕兩季差異明顯。

圖1 不同酸處理間土壤pH值、土壤有機(jī)碳和土壤微生物量碳含量變化Fig.1 The dynamics of soil pH value, soil total organic carbon (TOC) and soil microbial biomass carbon (SMBC) under different acid treatments (mean±SD)圖中不同小寫(xiě)字母表示差異達(dá)到P=0.05顯著水平

2.2 不同酸梯度處理下土壤總有機(jī)碳含量的變化

不同酸梯度處理下季風(fēng)常綠闊葉林土壤總有機(jī)碳含量變化如圖1和表1所示。經(jīng)方差分析表明，3次測(cè)定結(jié)果中(模擬酸雨分別處理24、30、36個(gè)月后)土壤有機(jī)碳含量在濕季和旱季并無(wú)顯著性差異(P>0.05)，而同一時(shí)期不同處理間的測(cè)定結(jié)果也無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)上的差異(P>0.05)。但從總體上看，土壤總有機(jī)碳含量有隨酸強(qiáng)度增加而輕微上升的趨勢(shì)。顯然，短期的模擬酸雨處理對(duì)鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林土壤有機(jī)碳含量沒(méi)有顯著影響。

表1 處理間土壤微生物量碳、土壤有機(jī)碳含量的差異性(平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差)

2.3 不同算梯度處理下土壤pH值的變化

CK樣方在2011年6月、12月和2012年6月的土壤pH值分別為3.87±0.01、3.97±0.02和3.87±0.02，為強(qiáng)酸性土壤。土壤pH值有隨模擬酸雨酸梯度增加而降低的趨勢(shì)，其中3次測(cè)定結(jié)果中的T2(3.75±0.01、3.87±0.04和3.76±0.03)和T3(3.73±0.02、3.85±0.05和3.74±0.04)處理都顯著低于CK(3.87±0.01、3.97±0.02和3.87±0.02)和T1(3.84±0.03、3.95±0.04和3.83±0.01)處理(P<0.05)?？梢?jiàn)，模擬酸雨降低了闊葉林土壤pH值，使得土壤酸化加劇(圖1)。

2.4 不同酸梯度處理下土壤呼吸速率和土壤溫濕度的變化

和土壤微生物量碳一樣，相同酸度處理下的土壤呼吸速率也均具有明顯的季節(jié)動(dòng)態(tài)，濕季的土壤呼吸速率顯著高于旱季(P<0.001)(表2)。而同一季節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析顯示，2011年6月和2012年6月不同處理間的土壤呼吸速率差異顯著(P<0.05)，其中T3處理顯著低于CK處理(P<0.05)，這表明模擬酸雨抑制了闊葉林的土壤呼吸，且在濕季中的抑制作用更顯著。另外，闊葉林土壤溫度和濕度都具有明顯的季節(jié)動(dòng)態(tài)，造成土壤呼吸速率在濕季較高，旱季較低(P<0.001)。不同處理之間的土壤溫度和土壤濕度變化在濕季、旱季和全年均無(wú)顯著差異(P>0.05)，說(shuō)明模擬酸雨對(duì)土壤溫度和土壤濕度沒(méi)有影響(表2)。

表2 處理間土壤呼吸速率的差異性和土壤溫、濕度背景(平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差)

3 討論

3.1 模擬酸雨對(duì)土壤微生物量碳的影響

土壤微生物量是土壤系統(tǒng)的重要組成部分，也是整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和能量循環(huán)的關(guān)鍵動(dòng)力[23]。土壤微生物量能較靈敏和準(zhǔn)確地反映出微生物在土壤中的實(shí)際含量和作用潛力。土壤微生物量碳是土壤有機(jī)碳最具活性的部分，可代表微生物量的大小[24]。影響土壤微生物量碳的因素很多，例如碳氮的限制、植被種類(lèi)、土地利用方式、管理措施、土壤溫度和濕度、土壤質(zhì)地和性質(zhì)等[25-26]，而土壤pH值也是其中之一。在以往的研究中，土壤微生物量往往與土壤pH值相關(guān)，pH值較低的土壤中微生物量碳也相應(yīng)較低[27-29]，當(dāng)土壤pH值下降到3或者2時(shí)影響最大[30-31]；高志紅等[32]也指出，各種微生物都有最適宜的pH值范圍，過(guò)低會(huì)對(duì)微生物產(chǎn)生抑制作用。酸雨對(duì)土壤微生物量碳的影響可能與酸雨脅迫下土壤持續(xù)酸化有關(guān)；有研究者在德國(guó)中部地區(qū)森林進(jìn)行了土壤酸梯度實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤pH值小于5的時(shí)候，土壤微生物量明顯減少[33]。本研究樣地對(duì)照樣方土壤為強(qiáng)酸性土壤(pH值小于4)，表層土壤pH值隨酸處理強(qiáng)度增加而下降，且3次測(cè)定結(jié)果中的T2和T3處理都顯著低于CK和T1處理(P<0.05)，雖然pH值未低于3，但也表明原本酸化嚴(yán)重的土壤的酸化在持續(xù)加劇，這與一些熱帶和亞熱帶森林的模擬酸雨結(jié)果類(lèi)似[34-36]。土壤酸化的加劇直接或間接地對(duì)樣地中土壤微生物量碳產(chǎn)生影響，從圖1和表1可以看出，土壤微生物量碳含量隨模擬酸雨強(qiáng)度增加而減少，且兩次測(cè)定的結(jié)果中高強(qiáng)度的T3處理都顯著低于對(duì)照樣方(P<0.05)，可見(jiàn)模擬酸雨的持續(xù)作用降低了土壤微生物量碳的含量。另一方面，研究表明酸雨加快了土壤表層鹽基離子的淋溶，Ca+、Na+和Mg2+大量流失導(dǎo)致土壤養(yǎng)分缺乏與進(jìn)一步酸化[37-38]，而且土壤酸化還使土壤中Al等有害元素活化和H+濃度增加，從而對(duì)土壤微生物的生長(zhǎng)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)[39-40]。Al3+對(duì)生物生長(zhǎng)危害較為嚴(yán)重，鋁毒效應(yīng)可以引起植物根系生長(zhǎng)量減少，根際微生物生長(zhǎng)就受到一定的抑制，微生物量也相應(yīng)減少。本研究中土壤呼吸速率隨酸處理強(qiáng)度增加顯著降低，這也與微生物量碳降低結(jié)果相符合。

另一方面，此次測(cè)定的土壤微生物量碳和土壤呼吸速率在濕季和旱季都存在顯著的差異。王國(guó)兵等[41]將森林土壤微生物量的季節(jié)波動(dòng)劃分為夏高冬低型和旱季濕季節(jié)交替循環(huán)型，季節(jié)變化主要通過(guò)溫度和濕度條件對(duì)土壤微生物過(guò)程產(chǎn)生影響[42-43]。鼎湖山地屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，水熱充沛，植物光合作用較強(qiáng)，根系生長(zhǎng)較旱季旺盛。土壤溫度和濕度最高的時(shí)期也正是凋落物分解速率最快、微生物活性最高的時(shí)期，由于可供微生物利用的養(yǎng)分大大增加，土壤微生物活性和數(shù)量也不斷增加；而旱季則剛好相反，加上土壤酸化的抑制作用，微生物量相對(duì)較低。因此濕季中土壤微生物量和土壤呼吸速率都顯著高于旱季。

酸雨的長(zhǎng)期淋溶使土壤酸化不斷加劇，土壤微生物量碳含量下降及土壤呼吸速率的降低，表明土壤微生物的數(shù)量和群落組成結(jié)構(gòu)將受到一定影響[44]，參與有機(jī)碳循環(huán)的微生物及相關(guān)酶活性也會(huì)受到抑制，這必將導(dǎo)致微生物對(duì)碳源利用率的下降，促進(jìn)土壤有機(jī)碳的存埋。

3.2 模擬酸雨對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

有研究表明，酸性淋入液使土壤有機(jī)質(zhì)含量輕微下降，下降的幅度隨淋入液的酸度加大而變大[45]。但在本實(shí)驗(yàn)中土壤有機(jī)碳含量無(wú)論是在各酸度處理下還是在不同年份季節(jié)中并沒(méi)有顯著性差異(P>0.05)，出現(xiàn)這樣的結(jié)果可能是因森林土壤有機(jī)碳含量在短時(shí)間不會(huì)因模擬酸雨處理出現(xiàn)太大變化[6]。因此在土壤有機(jī)碳含量差異不顯著的情況下，用微生物商(qSMBC，即土壤微生物量碳(SMBC)與土壤有機(jī)碳(TOC)的比值)來(lái)衡量一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳積累或損失的效用就會(huì)失去。微生物商作為森林土壤質(zhì)量變化過(guò)程的活性指標(biāo)有一定的優(yōu)點(diǎn)，可作為有機(jī)碳變化的早期指標(biāo)，但它并不能完全代替土壤有機(jī)碳來(lái)反映土壤質(zhì)量的變化趨勢(shì)。當(dāng)土壤有機(jī)碳的變化剛剛產(chǎn)生或未達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，該指標(biāo)具有一定的指示作用，但當(dāng)土壤有機(jī)碳達(dá)到平衡狀態(tài)后該指標(biāo)就需謹(jǐn)慎使用[18,46]。本研究中，土壤表層qSMBC值在CK處理中的平均值為1.85%，與處于鼎湖山頂級(jí)群落的400a自然林碳循環(huán)基本達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)的qSMBC值1.95%[47]接近，說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)選取的季風(fēng)常綠闊葉林樣地屬于鼎湖山森林演替系列的頂級(jí)階段，土壤有機(jī)碳在一定程度上已達(dá)到平衡狀態(tài)，雖然受到模擬酸雨處理的影響，土壤表層及地上部分的生態(tài)小環(huán)境發(fā)生了一定的變化，但要打破這種平衡狀態(tài)仍需較長(zhǎng)時(shí)間，因此酸沉降利于生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳累積也仍需長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。

4 結(jié)論

在模擬酸雨處理下，鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林土壤酸化不斷加劇，土壤微生物量碳含量和土壤呼吸速率有隨模擬酸雨處理強(qiáng)度增加而降低的趨勢(shì)，且旱季和濕季的結(jié)果差異明顯。在模擬酸雨背景下，土壤微生物活性受到抑制，土壤微生物量碳含量和土壤呼吸速率不斷降低，這有利于土壤碳的累積。但由于實(shí)驗(yàn)時(shí)間較短，土壤有機(jī)碳含量在各酸度處理間無(wú)顯著差異。

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Effects of simulated acid rain on soil microbial biomass carbon and total organic carbon in a monsoon evergreen broadleaved forest at the Dinghushan Nature Reserve

WU Jianping1,2, LIANG Guohua1,2,3, XIONG Xin1,2, CHU Guowei1, ZHOU Guoyi1, ZHANG Deqiang1,*

1SouthChinaBotanicalGarden,ChineseAcademyofSciences,Guangzhou510650,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China3SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China

Soil is not only a pivotal link connecting the atmosphere, hydrosphere, biosphere, and lithosphere, but also an important component of carbon cycling. Meanwhile, soil is the largest carbon pool in terrestrial ecosystems, with approximately 1500 Pg of C stored in the upper meter of soil. Even small changes in forest soil composition can result in significant consequences for carbon cycling. Soil organic carbon is easily affected by environmental conditions and its stability plays an important role in forest soil. Although soil microbial biomass carbon (SMBC), one of the soil organic carbon fractions, accounts for only a small fraction of soil total organic carbon (TOC), it is more sensitive to environmental change and its turnover rate is faster than that of TOC. Consequently, SMBC is considered an early indicator of changes to TOC. Many studies of SMBC and TOC responses to acid rain have been carried out in temperate forests in developed countries such as Europe and the United States. However, very few such studies have been carried out in the subtropical forests of southern China, despite the fact that acid rain is a serious environmental threat in this region. We conducted a field experiment to simulate acid rain (SAR) in a monsoon evergreen broadleaved forest (BF) in the Dinghushan Nature Reserve of southern China. We investigated the responses of SMBC, TOC, soil pH, and soil respiration rate to SAR. The SAR treatments included control (CK, pH ≈ 4.5; natural lake water), T1 (pH=4.0), T2 (pH=3.5), and T3 (pH=3.0). The acidic solutions consisted of H2SO4and HNO3(1∶1 mole ratio) in natural lake water. Results showed that pH values of forest topsoil decreased gradually with the increase of acidity, indicating increased soil acidification due to SAR. This phenomenon was consistent with results from other studies conducted at the Dinghushan Nature Reserve. Concentrations of SMBC in June 2011 ((603.76±46.18) mg/kg for CK, (565.41±44.48) mg/kg for T1, (521.58±30.92) mg/kg for T2, (509.49±19.40) mg/kg for T3), December 2011 ((488.92±22.71) mg/kg for CK, (379.65±49.46) mg/kg for T1, (346.08±33.81) mg/kg for T2, (318.00±52.35) mg/kg for T3), and June 2012 ((540.48±39.11) mg/kg for CK, (492.30±43.15) mg/kg for T1, (489.65±51.39) mg/kg for T2, (428.53±49.66) mg/kg for T3) were depressed by SAR, and SMBC contents in T3 treatments were significantly lower than in CK treatments (P< 0.05) at all three sampling times. Meanwhile, changes in soil respiration rates induced by SAR were similar to those in SMBC. Because soil moisture and temperature differed between seasons, all measured variables (soil pH, SMBC, TOC, and soil respiration rates) were higher in the warm-wet season than in the dry season. Due to its relative stability, concentrations of TOC did not significantly differ among the four treatments (P> 0.05). Our results indicate that long-term acid rain is likely to reduce the SMBC content and respiration rate of forest soil; these changes are expected to have positive effects on the accumulation of soil organic carbon. However, the effects of acid rain on TOC storage need to be further investigated.

simulated acid rain (SAR); soil acidification; soil microbial biomass carbon (SMBC); soil total organic carbon (TOC)

中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)(XDA05050205)

2014-04-01; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期:

日期:2014-12-18

10.5846/stxb201404010615

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhangdeq@scib.ac.cn

吳建平, 梁國(guó)華, 熊 鑫, 褚國(guó)偉, 周?chē)?guó)逸, 張德強(qiáng).鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林土壤微生物量碳和有機(jī)碳對(duì)模擬酸雨的響應(yīng).生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(20):6686-6693.

Wu J P, Liang G H, Xiong X, Chu G W, Zhou G Y, Zhang D Q.Effects of simulated acid rain on soil microbial biomass carbon and total organic carbon in a monsoon evergreen broadleaved forest at the Dinghushan Nature Reserve.Acta Ecologica Sinica,2015,35(20):6686-6693.