暖溫帶森林土壤微生物量、群落結(jié)構(gòu)和活性對(duì)植物地下碳源的響應(yīng)

尤業(yè)明，王　娟，黃雪蔓，孫筱璐，唐佐芯

( 1. 北京林業(yè)大學(xué) 森林培育與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083； 2. 廣西大學(xué) 林學(xué)院，南寧 530004 )

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暖溫帶森林土壤微生物量、群落結(jié)構(gòu)和活性對(duì)植物地下碳源的響應(yīng)

尤業(yè)明1,2*，王娟1，黃雪蔓2，孫筱璐1，唐佐芯1

( 1. 北京林業(yè)大學(xué) 森林培育與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083； 2. 廣西大學(xué) 林學(xué)院，南寧 530004 )

該研究以典型的亞熱帶—溫帶過(guò)渡區(qū)森林為對(duì)象，采用野外過(guò)程監(jiān)測(cè)和控制試驗(yàn)相結(jié)合的方法，利用磷脂脂肪酸和土壤胞外酶活性分別表征土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和活性，并結(jié)合微環(huán)境因子，重點(diǎn)探究土壤微生物生物量、群落結(jié)構(gòu)和活性對(duì)植物地下碳輸入的響應(yīng)特征。結(jié)果表明：在觀測(cè)周期內(nèi)，處理均能顯著降低三組年齡段林分的土壤微生物量碳，其變化幅度在-8.72%～-5.72%之間，其中在80年的林分中降幅最大，而在160年的林分中降幅最??；微生物量氮的變化規(guī)律與相應(yīng)的微生物量碳的變化規(guī)律相似，但與對(duì)照相比其差異性均未達(dá)到顯著性水平；另外，經(jīng)壕溝處理2～4個(gè)月后，所有林分的土壤微生物量碳和氮與對(duì)照相比出現(xiàn)增加的現(xiàn)象。處理均能對(duì)三組年齡段林分的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的影響，其中40年林分的土壤微生物群落對(duì)處理的響應(yīng)程度要高于另外兩個(gè)年齡段的林分；與對(duì)照相比，壕溝處理樣方的腐生真菌的相對(duì)豐富度均下降明顯，其中在40年和80年林分中的下降幅度達(dá)到顯著水平，而細(xì)菌、放線菌和叢枝菌根真菌均無(wú)明顯變化；壕溝處理樣方的水解酶(β-葡萄糖苷酶和N-乙酰-葡萄糖苷酶)活性均顯著下降，而氧化酶(酚氧化酶和過(guò)氧化物酶)活性的變化相對(duì)較小，除80年的林分外，其余林分均不顯著。此外，處理均不能顯著影響土壤的含水量和溫度。該研究結(jié)果為初步闡明全球氣候變化背景下森林土壤微生物結(jié)構(gòu)及其功能的變化特征以及更加精確預(yù)測(cè)未來(lái)森林土壤碳的變化趨勢(shì)提供了科學(xué)依據(jù)。

微生物量碳, 微生物量氮, 微生物群落結(jié)構(gòu), 土壤酶活性, 壕溝處理, 年齡序列, 暖溫帶森林

植物地下根系及其分泌物作為森林生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳的重要來(lái)源，輸入有機(jī)碳數(shù)量和質(zhì)量的差異能通過(guò)調(diào)控地下生態(tài)過(guò)程，特別是微生物對(duì)土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化和周轉(zhuǎn)的調(diào)控過(guò)程，進(jìn)而影響森林土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)量和穩(wěn)定性。土壤有機(jī)碳的積累是一個(gè)十分緩慢的過(guò)程，但許多生態(tài)學(xué)家通過(guò)在森林生態(tài)系統(tǒng)中進(jìn)行長(zhǎng)期而有效地改變地下根系有機(jī)碳輸入處理(The Detritus Input and Removal Treatment, DIRT)，探究土壤養(yǎng)分、微生物群落結(jié)構(gòu)以及土壤有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)過(guò)程對(duì)根系輸入碳的數(shù)量和質(zhì)量的響應(yīng)(Schaefer et al, 2009; Elgersma et al, 2011)，其處理主要包括壕溝切根(root trenching)和環(huán)割樹(shù)干的韌皮部(girdling)兩種。

植物根系是植物能把地面光合產(chǎn)物輸入到土壤最直接、最有效的途徑，相對(duì)于地表凋落物而言，地下根系凋亡分解后其有機(jī)碳能更有效地保存在土壤中，因而被認(rèn)為是土壤有機(jī)碳的最重要來(lái)源(Kong & Six, 2010)。根系除了其凋亡和分解釋放大量的碳外，根系分泌物也是構(gòu)成土壤碳的重要組成部分，大概有5%～33%的光合產(chǎn)物被以根系分泌物的形式輸入到土壤中(Chabbi & Rumpel，2009)；然而，根系分泌物能通過(guò)“激發(fā)效應(yīng)(priming effect)”加速土壤原有的有機(jī)碳分解，而且其分解速率甚至能比原來(lái)提高50%以上。因此，目前對(duì)根系在土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化和周轉(zhuǎn)過(guò)程中的作用及其機(jī)理還缺乏足夠的了解, 這一直也是許多生態(tài)學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題(Janssens et al, 2010)。通過(guò)壕溝處理或環(huán)割樹(shù)干韌皮部阻斷地面光合產(chǎn)物向地下輸送，將在最大保持土壤原有結(jié)構(gòu)的前提下研究地下根系及其分泌物是怎樣影響土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化和周轉(zhuǎn)提供兩種可行、有效的途徑(Zeller et al, 2008)。壕溝或環(huán)割處理對(duì)土壤碳的影響目前還充滿爭(zhēng)議，一些研究發(fā)現(xiàn)移除根系后，表層土壤碳含量降低(Kabzems & Haeussler, 2005)，但短期處理對(duì)土壤碳含量的影響不大(Frey et al, 2006)；此外，植物根系有機(jī)物是土壤微生物量碳的最主要來(lái)源(Kramer et al, 2010)，但處理時(shí)間長(zhǎng)短不同其微生物生物量碳的變化差異較大(Li et al, 2004)。此外，去除根系不僅對(duì)土壤微生物生物量產(chǎn)生影響，而且在一定程度上也能夠改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和活性(Subke et al, 2004)。

本研究通過(guò)選取亞熱帶-溫帶過(guò)渡區(qū)這一典型氣候敏感區(qū)作為研究區(qū)域，探究暖溫帶森林土壤微生物數(shù)量、結(jié)構(gòu)和活性對(duì)植物地下碳源輸入的響應(yīng)，是系統(tǒng)了解森林土壤碳輸入、積累和轉(zhuǎn)化過(guò)程與土壤微生物的關(guān)系、并充分認(rèn)識(shí)土壤碳轉(zhuǎn)化和周轉(zhuǎn)過(guò)程與機(jī)制的關(guān)鍵基礎(chǔ)，將為更加準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來(lái)氣候變化背景下森林土壤碳庫(kù)的可能變化趨勢(shì)，這將有利于科學(xué)評(píng)估土壤碳庫(kù)的未來(lái)變化軌跡，對(duì)于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)全球氣候變化趨勢(shì)并制定科學(xué)有效的應(yīng)對(duì)策略與措施具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1　材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)域位于我國(guó)河南省西南部、秦嶺東段伏牛山南坡的寶天曼國(guó)家自然保護(hù)區(qū)內(nèi)(33°35′43″～33°20′12″ N, 111°46′55″～112°03′32″ E)，海拔600～1 860 m，處于南暖溫帶向北亞熱帶過(guò)渡區(qū)域，屬于季風(fēng)型大陸性氣候，年均溫度為15.1 ℃，年均降雨量為900 mm，降雨主要集中在夏季的7月和8月(55%～62%)(Liu et al, 1998；Luan et al, 2011)，土壤類型為砂質(zhì)巖風(fēng)化而成的不飽和始成土(FAO-UNESCO 土壤分類系統(tǒng))，研究區(qū)域的地帶性植被主要包括銳齒櫟(Quercusalienavar.acuteserrata)林、短柄枹(Q.glanduliferavar.brevipetiolata)林、栓皮櫟(Q.variabilis)林等(You et al, 2014)

1.2 研究方法

1.2.1 試驗(yàn)處理在選取三組不同年齡(大約40年、80年和大于160年)的銳齒櫟林中分別布設(shè)了試驗(yàn)，每組年齡段中分別設(shè)置了3塊20 m × 20 m 的獨(dú)立樣地。于2011年6月對(duì)每塊20 m×20 m樣地進(jìn)行壕溝斷根處理(NR)，具體操作步驟和方法描述詳見(jiàn)Huang et al(2014)。以不經(jīng)過(guò)任何處理的樣地內(nèi)的實(shí)驗(yàn)樣品作為處理的自然對(duì)照(CK)。

1.2.2 土壤樣品采集分別于2011年8月、10月，2012年4月、6月、8月、10月和2013年6月進(jìn)行土壤樣品的采集，用土鉆(內(nèi)徑：5 cm)采集表層(0～5 cm)土壤樣品，具體操作方法：在每個(gè)處理小樣方的中心上按0°、120°和240°方向隨機(jī)選取3個(gè)點(diǎn)，合計(jì)每個(gè)樣地(3個(gè)小樣方)采集壕溝處理土壤樣品9鉆，這9鉆樣品經(jīng)混勻后作為一個(gè)混合樣放入裝有冰盒的保溫箱中帶回實(shí)驗(yàn)室，手工揀去動(dòng)植物殘?bào)w、石頭后過(guò)2 mm的土壤篩，放入-20 ℃冰柜內(nèi)保存并在短期內(nèi)進(jìn)行測(cè)定。

1.2.3 土壤微生物生物量和群落結(jié)構(gòu)的測(cè)定土壤微生物量碳(MBC)和氮(MBN)采用熏蒸浸提法測(cè)定。其中，MBC =EC/KEC，MBN =EN/KEN；EC= 熏蒸提取的有機(jī)碳-未熏蒸提取的有機(jī)碳；ΚEC= 0.38 (Vance et al, 1987)；EN= 熏蒸提取的氮-未熏蒸提取的氮；ΚEN= 0.54。

土壤微生物群落結(jié)構(gòu)采用磷脂脂肪酸法進(jìn)行測(cè)定。該方法的過(guò)程和分析主要依據(jù)Bossio et al(1998)描述的測(cè)定過(guò)程和方法。利用19∶0內(nèi)標(biāo)濃度計(jì)算每種磷脂脂肪酸的濃度，利用磷脂脂肪酸作為指示器對(duì)微生物類群進(jìn)行歸類，具體的歸類方法詳見(jiàn)You et al(2014)。

1.2.4 土壤酶活性分析本研究通過(guò)測(cè)定四種胞外酶活性來(lái)評(píng)價(jià)微生物在土壤碳轉(zhuǎn)化和周轉(zhuǎn)中的功能，分別是水解酶，包括纖維素水解酶(β-1, 4-葡萄糖苷酶)、幾丁質(zhì)降解酶(N-乙酰-葡萄糖苷酶)；氧化酶，即木質(zhì)素降解酶(酚氧化酶、過(guò)氧化物酶)。用p-硝基苯酚(p-nitrophenol)來(lái)評(píng)估β-葡萄糖苷酶活性(BG；EC : 3.2.1.21)和N-乙酰-葡萄糖苷酶活性(NAG；EC：3.2.1.30)的大小，酚氧化酶活性和過(guò)氧化物酶活性采用L-DOPA(1-3, 4-dihydroxyphenylalanine, 左旋多巴胺)作為反應(yīng)基質(zhì)測(cè)定(Sinsabaugh et al, 1993)，主要分析過(guò)程和方法的描述詳見(jiàn)You et al(2014)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS 17.0(SPSS Inc., Chicago, IL)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和方差分析(ANOVA)，并用最小顯著差異法(LSD)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，差異顯著性水平為P<0.05。在多元統(tǒng)計(jì)分析軟件Canoco for Windows 4.5(Biometris-Plant Research international, Wageningen, The Netherlands)上采用主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)檢驗(yàn)壕溝處理對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)變異程度；作圖在軟件Sigma Plot 10.0上完成。

2　結(jié)果與分析

2.1 壕溝處理對(duì)土壤微環(huán)境和微生物量碳氮的影響

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)觀察周期內(nèi)，壕溝處理沒(méi)有顯著影響表層土壤(0～5 cm)的溫度和含水量(P>0.05)。與對(duì)照相比，處理的表層土壤含水量升高(1.5%～2.3%)，溫度幾乎不變(圖1)。對(duì)照和處理樣方的土壤微生物量碳和氮含量均隨季節(jié)波動(dòng)較大，其最大值一般出現(xiàn)在生長(zhǎng)旺季的8月份，而最小值通常出現(xiàn)在非生長(zhǎng)季的4月份或生長(zhǎng)季早期的6月份(圖2)。在實(shí)驗(yàn)觀察周期內(nèi)，與對(duì)照相比，處理后的表層土壤微生物量碳含量均有明顯下降的趨勢(shì)，但其在不同年齡的銳齒櫟林中的差異程度不同。在80年的銳齒櫟林中，處理的表層土壤微生物量碳含量變化幅度最大，顯著下降了8.72%；其次是在40年的銳齒櫟林中顯著下降了8.45%；而在160年的銳齒櫟林中下降最小(5.72%)，但也達(dá)到了顯著水平(P< 0.05)。微生物量氮的變化規(guī)律與相應(yīng)的微生物量碳的變化規(guī)律相似，壕溝處理后微生物量氮含量也出現(xiàn)了較大幅度下降，幅度在-7.12%～-6.00%之間，但與對(duì)照相比其差異性均沒(méi)有達(dá)到顯著性水平(P>0.05)(圖3)。

圖 1　對(duì)照和處理樣方表層土壤(0～5 cm)的含水量和溫度變化(2011年8月至2013年6月)　平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)誤差，n=3； CK. 自然對(duì)照； NR. 壕溝斷根。下同。Fig. 1　Soil water content (w/w) and temperature change in 0-5 cm depth of 40, 80 and 160-year-old stands between control and root trench plotsfrom August 2011 to June 2013　Values are mean ± SE, n=3. CK. Control; NR. Root trench. The same below.

2.2 壕溝處理對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

2012年8月，對(duì)對(duì)照和處理的表層土壤(0～5 cm)樣品進(jìn)行磷脂脂肪酸測(cè)定，并對(duì)所提取具有代表性的23種磷脂脂肪酸進(jìn)行了主成分分析(PCA)。研究結(jié)果表明：處理樣方的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與對(duì)照相比，均發(fā)生了明顯的變異(圖4)，但在各組年齡的銳齒櫟林中其響應(yīng)的程度不同。

在40年的銳齒櫟林中，處理樣方和對(duì)照的微生物群落結(jié)構(gòu)特征能被主成分軸1和主成分軸2明顯分開(kāi)，處理和對(duì)照樣方的微生物群落結(jié)構(gòu)的差異性顯著，其處理樣方內(nèi)的腐生真菌(圖5：a)、以及cy19∶0的相對(duì)百分比與對(duì)照相比均顯著減少，表明壕溝處理能顯著影響其表層土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。在80年和160年的銳齒櫟林里，第二主成分軸能很好把處理和對(duì)照樣方的微生物群落組成區(qū)分開(kāi)，與對(duì)照相比80年銳齒櫟林的處理樣方的革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌的相對(duì)百分比顯著升高(圖5：b)，而160年銳齒櫟林處理樣方的腐生真菌的相對(duì)百分比顯著降低(圖5：c)。

2.3 壕溝處理對(duì)土壤酶活性的影響

本研究表明，壕溝處理后3個(gè)年齡段的銳齒櫟林的β-葡萄糖苷酶活性下降趨向均明顯(圖6：a, b, c)，在整個(gè)觀測(cè)周期內(nèi)，壕溝處理的β-葡萄糖苷酶活性均顯著甚至極顯著下降，其活性在80年的銳齒櫟林中變化最快，顯著下降了44.43%，而40年的最少，但也顯著下降了22.55%(圖8：a)；N-乙酰-葡萄糖苷酶的變化規(guī)律與β-葡萄糖苷酶活性相似(圖6：a1, b1，c1)，在整個(gè)觀測(cè)周期內(nèi), 其活性在40、80和160年的銳齒櫟林中也分別顯著下降了51.92%、34.16%和40.47%(圖8：b)。壕溝處理對(duì)氧化酶活性的影響相對(duì)較少，在整個(gè)觀測(cè)期間，酚氧化酶活性雖然也出現(xiàn)下降現(xiàn)象，但差異不顯著。而過(guò)氧化物酶活性卻出現(xiàn)增大現(xiàn)象，但除了在160年的銳齒櫟林中顯著增大之外，在其余兩個(gè)年齡段的銳齒櫟林中的變化均沒(méi)達(dá)到顯著水平(圖8：c，d)。

3　討論與結(jié)論

3.1 壕溝處理對(duì)土壤微生物生物量的影響

根系作為地表光合作用產(chǎn)物是向土壤輸入的最重要、最直接的途徑，而壕溝處理切斷了地面光合產(chǎn)物通過(guò)根系向土壤輸入的直接途徑，使土壤表層的有機(jī)碳和氮含量降低(Tóth et al, 2007), 以及可溶性碳(DOC)含量也出現(xiàn)減少的現(xiàn)象(Chen et al, 2010)，這就可能大大減少了土壤微生物生長(zhǎng)和繁殖所必需的活性碳源，使壕溝或環(huán)割處理后的土壤微生物生物量可能出現(xiàn)顯著減少的現(xiàn)象(Subke et al, 2004)。在本研究的整個(gè)觀測(cè)期間，壕溝處理樣方的土壤微生物量碳在40、80和160年的銳齒櫟林中均顯著減少，表明了植物地下根系碳輸入可能是該區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物生長(zhǎng)和繁殖的最主要碳源；微生物生物量氮也有較大幅度的減少，但減少程度在不同年齡的銳齒櫟林中均沒(méi)有達(dá)到顯著性水平。這與一些研究的結(jié)果不一致，他們的研究發(fā)現(xiàn)去除根系后土壤微生物生物量碳和氮均沒(méi)有發(fā)生明顯的變化, 這可能與其試驗(yàn)處理的時(shí)間較短有關(guān)(Frey et al, 2006)，本研究的結(jié)果和一些長(zhǎng)期試驗(yàn)的結(jié)果相似(Tóth et al, 2007)。此外，本研究發(fā)現(xiàn)壕溝斷根處理2個(gè)月或4個(gè)月后，不同年齡的銳齒櫟林中處理樣方的土壤微生物量碳或氮含量出現(xiàn)增加的現(xiàn)象，這可能與壕溝處理導(dǎo)致細(xì)根大量死亡，其分解后為土壤微生物生長(zhǎng)和繁殖提供大量的活性碳源有關(guān)，這種現(xiàn)象也在一些研究中得到了驗(yàn)證(Chen et al, 2010)。

圖 2　對(duì)照和處理樣方表層土壤(0～5 cm)的土壤微生物量碳和氮的變化 (2011年8月至2013年6月)Fig. 2　Soil microbial biomass carbon and nitrogen changed in 0-5 cm depth of 40, 80 and 160-year-old stands between control and root trench plots from August 2011 to June 2013

圖 3　處理樣方微生物量碳和氮的平均差　以對(duì)照樣方的土壤微生物量碳和氮作為參照點(diǎn)，用“0”表示。Fig. 3　Effects of root trench(NR) on percentage changed in microbial biomass C and N of 40, 80 and 160-year-old stands 　Error bars indicate ± SE, n=3. *P<0.05, using paired Student’s t tests for differences from zero.

圖 4　對(duì)照和處理樣方的表層土壤(0～5 cm)微生物群落結(jié)構(gòu)的主成分分析　誤差線為標(biāo)準(zhǔn)誤，n=3。2012年8月。Fig. 4　Principal Component Analysis (PCA) of soil microbial community at 0-5 cm soil depth of 40, 80 and 160-year-old stands between control and root trench plots　 Error bars indicate ± SE, n=3. August 2012.

3.2 壕溝處理對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

植物根系不僅可以通過(guò)改變土壤碳氮的有效性或微環(huán)境來(lái)影響土壤微生物生物量，還可能通過(guò)輸入碳的數(shù)量或質(zhì)量的不同而改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)(Jonasson et al, 2004; Matsushima et al, 2007)。本研究通過(guò)壕溝處理改變根系輸入活性碳的數(shù)量和質(zhì)量后，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)在壕溝處理14個(gè)月后，3組年齡的銳齒櫟林表層土壤微生物群落均發(fā)生明顯變化，這表明該區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)可能易受植物地下活性碳源的影響。該結(jié)果與Butler et al(2003)和Brant et al(2006)發(fā)現(xiàn)根系及其分泌物為微生物提供可靠的活性碳源，并能影響土壤中不同類群的微生物分布一致。

本研究通過(guò)壕溝斷根處理來(lái)評(píng)估植物地下碳輸入對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)影響，在其影響途徑中土壤中碳或氮的可利用性的改變也可能是影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變異的重要因素之一。首先，壕溝處理后，土壤中的活性碳(例如：DOC和MBC)含量降低(Zeller et al, 2008; Kaiser et al, 2010), 這意味著可以供微生物利用的活性碳源減少，而直接影響利用這部分碳源的微生物數(shù)量，進(jìn)而影響土壤中微生物群落的分布格局；其次，斷根處理后土壤中的可利用氮含量可能增加，前期研究發(fā)現(xiàn)去除根系后，植物無(wú)法從土壤中攝取氮元素，導(dǎo)致去除根系樣方的氮含量比對(duì)照組高(Dannenmann et al, 2009; Kaiser et al, 2010)，而土壤中氮的可利用性也可能是引起土壤微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的重要因素之一(Huang et al, 2014)。本研究中，雖然斷根處理后土壤中細(xì)菌、放線菌和叢枝菌根真菌群落的相對(duì)百分比在不同年齡的銳齒櫟林中均沒(méi)發(fā)生明顯變化，但腐生真菌(18:2ω6,9c)的相對(duì)百分比卻下降明顯，在40年和160年的銳齒櫟林中下降程度達(dá)顯著水平，這可能與斷根處理樣方土壤中氮的可利用性增加抑制土壤中腐生真菌的生長(zhǎng)有關(guān)(Huang et al, 2014；You et al, 2014)，但還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

3.3 壕溝處理對(duì)土壤酶活性的影響

土壤胞外酶活性(Extracellular enzymes activity)在一定程度上能作為土壤微生物功能的敏感指標(biāo)，在有機(jī)物分解和為微生物的新陳代謝提供物質(zhì)和能量方面扮演著重要角色(Sinsabaugh et al, 2008)。土壤酶一般被歸為兩大類型：(1)水解酶，一般被認(rèn)為是土壤微生物獲取C、N和P等并為其提供初級(jí)代謝的主要驅(qū)動(dòng)力；(2)氧化酶，可以降解一些質(zhì)量較低、化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的化合物(如：木質(zhì)素)，為微生物進(jìn)行新陳代謝提供必需的能量(Cusack et al, 2011)。部分土壤酶除了由植物體代謝產(chǎn)生外，很大一部分均由特殊的微生物群落產(chǎn)生，因此其可以作為某些特定微生物活性的指示器，其大小受微生物數(shù)量的影響。同時(shí)由于不同的微生物類群產(chǎn)生的胞外酶種類可能存在差異，細(xì)菌通常與參與土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化的水解酶活性(如β-葡萄糖苷酶)有關(guān)，而腐生真菌卻通常和參與土壤有機(jī)碳氧化的氧化酶活性(酚氧化酶和過(guò)氧化物酶)有關(guān)(You et al, 2014)。因此，土壤微生物群落的組成特征也可能是影響土壤酶活性的重要因素之一。本研究中，壕溝斷根處理能顯著降低土壤水解酶活性，這與一些前期的研究結(jié)論相似(Kaiser et al,2010)，這可能與壕溝斷根后微生物生物量的減少有關(guān)。根系分泌物能夠加速土壤微生物的周轉(zhuǎn)，從而加速蛋白質(zhì)和糖類的分解(Phillips et al, 2008)，為微生物的生長(zhǎng)和繁殖提供更多的養(yǎng)分,這在一定程度上說(shuō)明了斷根系后微生物的活性降低也可能導(dǎo)致土壤水解酶活性顯著下降，導(dǎo)致本研究的土壤水解酶活性的下降程度要高于微生物生物量的變化。但在本研究的觀察周期內(nèi)，氧化酶活性在去除根系后有出現(xiàn)增高的現(xiàn)象，特別是過(guò)氧化物酶活性，說(shuō)明土壤氧化酶活性除了受微生物數(shù)量的影響外，去除根系導(dǎo)致土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和土壤微環(huán)境的變化也可能是導(dǎo)致土壤氧化酶活性發(fā)生變化的重要因子(Bell et al, 2009)。此外，由于微生物群落組成極易受環(huán)境因素(如溫度、水分和養(yǎng)分等)的影響，到目前為止還沒(méi)有一種土壤酶活性分析技術(shù)能完全反映土壤當(dāng)時(shí)的特定環(huán)境(如含水量、滲透壓、通氣性、pH值等)條件下土壤酶活性狀況(Toberman et al, 2008)，這可能是導(dǎo)致本研究微生物和土壤酶活性變化程度存在差異的潛在因素之一。因此，準(zhǔn)確評(píng)估特定的環(huán)境條件、微生物類群與土壤酶活性之間的關(guān)系還亟需開(kāi)展更加長(zhǎng)期的定點(diǎn)觀測(cè)以及聯(lián)合分子分析技術(shù)等(Andersen et al, 2010)。

圖 5　對(duì)照和處理的表層(0～5 cm)土壤微生物群落的磷脂脂肪酸相對(duì)百分含量(mol%)　誤差線為標(biāo)準(zhǔn)誤，n=3。Fig. 5　Relative abundances (mol%)of the microbial community PLFA at 0-5 cm of 40, 80 and 160-year-old stands between control and root trench plots　Error bars indicate ± SE, n=3.

圖 6　對(duì)照和處理樣方表層土壤(0～5 cm)的水解酶活性的變化 (2011年8月至2013年6月)　下同。Fig. 6　Soil hydrolase activity changed in 0-5 cm depth on 40, 80 and 160-year-old stands were dominated by Quercus aliena from August 2011 to June 2013　The same below.

圖 7　對(duì)照和處理樣方表層土壤(0～5 cm)的氧化酶的變化 (2011年8月至2013年6月)Fig. 7　Soil oxidase activity changed in 0-5 cm depth on 40, 80 and 160-year-old stands were dominated by Quercus aliena from August 2011 to June 2013

圖 8　處理樣方水解酶和氧化酶的平均差　以對(duì)照樣方為參照點(diǎn)，用“0”表示。Fig. 8　Effects of root trench(NR)on percentage changed in soil hydrolase activity and oxidase activity in 40, 80 and 160-years-old stands were dominated by Quercus aliena　Error bars indicate ± SE, n=3. * P < 0.05, **P < 0.01,***P < 0.001, using paired Student’s t tests for differences from zero.

3.4 林齡和季節(jié)變化土壤微生物性質(zhì)的影響

溫帶森林由于其處于特殊的氣候條件下，其可能易受外界環(huán)境變化的影響。由于早期人為干擾的影響而造成了該區(qū)域形成由不同林齡鑲嵌組成的次生林景觀格局，研究該區(qū)域不同樹(shù)齡地下根系對(duì)土壤微生物生物量、結(jié)構(gòu)和活性，對(duì)精確評(píng)估氣候變化背景下溫帶森林土壤碳循環(huán)的微生物過(guò)程具有重要的作用。本研究表明，不同樹(shù)齡下壕溝處理對(duì)土壤微生物量、結(jié)構(gòu)和活性的影響程度不同。這可能是不同樹(shù)齡間根系的可用性底物供給及土壤有機(jī)碳質(zhì)量的差異造成(Jin et al, 2010; Xu et al, 2014)。雖然我們的研究發(fā)現(xiàn)不同樹(shù)齡間表層土壤的細(xì)根生物量沒(méi)有顯著的差異，但我們只是計(jì)算其生物量，并沒(méi)有區(qū)分根系的種類，而不同物種的根系及其分泌物對(duì)土壤微生物量、結(jié)構(gòu)和活性可能不同。Luan et al(2012)的研究發(fā)現(xiàn)不同年齡間的輕組有機(jī)碳含量有明顯差異。本研究中，土壤微生物生物量和活性隨季節(jié)的波動(dòng)明顯，這和許多研究的結(jié)果相似，微生物生物量和溫度、水分之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系，微生物生物量和活性隨季節(jié)間溫度和水分的變化而發(fā)生明顯的變化(Yang et al, 2010；Bell et al, 2009)。You et al(2014)的研究發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的土壤溫度和水分是影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的重要因子，而微生物群落結(jié)構(gòu)的變化能夠驅(qū)動(dòng)其功能(土壤酶活性)發(fā)生改變。此外，該區(qū)域的地面植被具有明顯的季節(jié)變化特征，分為生長(zhǎng)季和非生長(zhǎng)季。在非生長(zhǎng)季或生長(zhǎng)季的早期，地表植物向地下輸送的可利用性物質(zhì)較少，而在生長(zhǎng)旺季(6-8月)，隨著可利用性碳輸入的增加導(dǎo)致微生物可能出現(xiàn)大量繁殖，這可能也是本研究土壤微生物數(shù)量在8月份達(dá)到較高水平的原因之一。而其土壤酶活性的季節(jié)波動(dòng)規(guī)律與微生物數(shù)量的變化規(guī)律不一致性也進(jìn)一步說(shuō)明影響土壤酶活性因素除微生物數(shù)量之外，植物分泌物、土壤動(dòng)物和土壤微生物群落結(jié)構(gòu)也可能是影響土壤酶活性的重要潛在因素。

3.5 壕溝處理對(duì)土壤微環(huán)境的影響

壕溝處理在一定程度上能明顯改變土壤的微環(huán)境(例如土壤水分和土壤溫度)(Wang et al, 2007)。但在本研究中，壕溝斷根處理后表層土壤(0～5 cm)溫度幾乎沒(méi)發(fā)生改變，這在一定程度上說(shuō)明了本研究不同年齡的銳齒櫟林可能具有相似的透光率和地形因子外，也可能說(shuō)明壕溝處理改變的土壤理化性質(zhì)和植物特征沒(méi)有影響到處理樣方的土壤溫度，這與Luan et al(2010)的研究結(jié)果一致。本研究中，與對(duì)照相比，壕溝處理樣方的表層土壤含水量在不同年齡的銳齒櫟林中均出現(xiàn)增高現(xiàn)象，而出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因最可能是壕溝處理后，植物根系無(wú)法吸收處理樣方內(nèi)的水分而直接導(dǎo)致處理樣方內(nèi)的水分比對(duì)照組要高(Wang et al, 2007)，不過(guò)這種效應(yīng)均沒(méi)有達(dá)到顯著水平，因此也在一定程度上反映了壕溝斷根引起土壤含水量升高，對(duì)土壤微生物生物量、群落結(jié)構(gòu)的影響可能較小，但還需開(kāi)展實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。前期許多研究表明壕溝斷根后會(huì)造成植物根系在短期內(nèi)快速死亡并加速根系的分解(Ngao et al, 2007)，為了消除壕溝處理造成的誤差，在一些研究中也采用新的處理方法，例如環(huán)割法(Kaiser et al, 2010)，但壕溝法由于其不會(huì)造成處理樣方和周邊植物的大面積死亡而被許多研究廣泛采用，特別適合在自然保護(hù)區(qū)的森林里開(kāi)展與根系相關(guān)的試驗(yàn)(Luan et al, 2010)。本研究采用了在壕溝處理60 d后再進(jìn)行土壤采樣分析，這在一定程度上能削減實(shí)驗(yàn)處理造成的誤差，而且有研究表明斷根造成土壤CO2排放量突然增加的現(xiàn)象一般在斷根處理40 d后消失(Wang et al, 2007)。

綜上所述，植物根系碳源是調(diào)控暖溫帶森林土壤微生物生物量、群落結(jié)構(gòu)和活性的重要因子。土壤微生物生物量和群落結(jié)構(gòu)均易受植物地下根系碳源的影響，但在不同年齡的銳齒櫟林中土壤微生物生物量和群落結(jié)構(gòu)受植物地下根系輸入碳的影響程度有差異。40、80年銳齒櫟林的土壤微生物量碳對(duì)植物地下根系輸入碳的響應(yīng)程度大于160年的銳齒櫟林，而40年銳齒櫟林的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)受地下根系輸入碳的影響程度大于80、160年的銳齒櫟林。此外，本研究在觀察周期內(nèi)，除腐生真菌群落對(duì)地下根系碳源的響應(yīng)強(qiáng)烈之外，細(xì)菌、放線菌和叢植菌根真菌均無(wú)明顯變化；壕溝處理能顯著降低土壤水解酶活性，但對(duì)氧化酶活性的影響相對(duì)較??；壕溝處理不能顯著影響土壤含水量和溫度。

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Responses of soil microbial biomass, community structure and soil enzyme to below-ground carbon change in the warm-temperate forest ecosystem

YOU Ye-Ming1,2*, WANG Juan1, HUANG Xue-Man2, SUN Xiao-Lu1, TANG Zuo-Xin1

(1. Ministry of Education Key Laboratory for Silviculture and Conservation, Beijing Forestry University,Beijing 100083, China; 2.CollegeofForestry,GuangxiUniversity, Nanning 530004, China )

This study focuses on the controlling mechanisms of soil microbial community structure and function to the change of below-ground carbon inputs through root-trenching experiments in a typical forest ecosystem of the subtropical and temperate transitional zone in China. By combining field investigations and manipulation experiments, phospholipid fatty acids (PLFAs) and activities of soil extracellular enzymes were studied as indicators of soil microbial community structure and functioning. We also studied the response characteristics of soil microbial biomass, community structure and activities in below-ground carbon inputs. The results showed that soil microbial biomass carbon in root-trenching plots reduced significantly in an age sequence ofQuercusalienaforest (40-year-old, 80-year-old, and >160-year-old). Integrated over the entire experimental period; the mean difference of soil microbial biomass carbon in root-trenching plots were reduced between -8.72% and -5.72%, and the highest reduction was in the 80-year-old forests, whereas the lowest decline was in the 160-year-old forests. The variation of soil microbial biomass nitrogen was similar with the changes of soil microbial biomass carbon in the forest stands of similar age, but compared with the control plots, it did not decrease significantly. In addition, compared with the control plots, the soil microbial biomass carbon and nitrogen in all forest stands increased after trench for 2 to 4 m. The root-trenching can produce different effects on soil microbial community structure in all forest stands, the response of microbial communities to the change of below-ground carbon input in 40-year-old forests were higher than the other two age groups. The relative abundances of saprotrophic fungal community in root-trenching plots was declined sharply in all stands, and it reduced significantly in 80 and 160-year-old forests compared to control. Other communities like bacteria, actinomycete and arbuscular mycorrhizal fungi changed slightly in all forest stands; the hydrolase activities (i.e. β-1,4-glucosidase and β-1,4-N-acetylglucosaminidase) in root-trenching plots decreased remarkably in the 40, 80 and 160-year-old stands, but the oxidase activity (i.e. phenol oxidase and peroxidase) was not diminish in all plots except 160-year-old stands. The root-trenching treatment had no obvious influence on soil moisture and soil temperature. By addressing the response characteristics of soil microbial biomass, community structure and function on the plant root carbon input, this study sheds light on the trends of soil microbial structure and function change under the context of global climate change. This study shows the need for more accurate prediction trends of forest soil carbon in the future.

microbial biomass carbon, microbial biomass nitrogen, microbial community structure, soil enzyme activity, trenching, chronosequence, warm-temperate forest

10.11931/guihaia.gxzw201409049

2014-09-25

2014-11-17

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAC09B02) [Supported by National Key Technology R & D Program of China(2011BAC09B02)]。

尤業(yè)明(1983-)，男，廣西博白人，博士，主要從事森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳固持調(diào)控機(jī)理研究，(E-mail)youyeming@163.com。

Q948.113; Q938.1

A

1000-3142(2016)07-0837-11

尤業(yè)明，王娟，黃雪蔓，等. 暖溫帶森林土壤微生物量、群落結(jié)構(gòu)和活性對(duì)植物地下碳源的響應(yīng) [J]. 廣西植物，2016，36(7):837-847

YOU YM,WANG J,HUANG XM，et al. Responses of soil microbial biomass, community structure and soil enzyme to below-ground carbon change in the warm-temperate forest ecosystem [J]. Guihaia，2016，36(7):837-847