森林土壤融化期異養(yǎng)呼吸和微生物碳變化特征

吳浩浩,徐星凱,*,段存濤,李團(tuán)勝,CHENG WeiGuo

1 中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣邊界層物理和大氣化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100029 2 中國科學(xué)院大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院大氣化學(xué)與環(huán)境科學(xué)系, 北京 100049 3 長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院, 西安 710054 4 Faculty of Agriculture, Yamagata University, Tsuruoka 997- 8555, Japan

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森林土壤融化期異養(yǎng)呼吸和微生物碳變化特征

吳浩浩1,2,徐星凱1,2,*,段存濤1,李團(tuán)勝3,CHENG WeiGuo4

1 中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣邊界層物理和大氣化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100029 2 中國科學(xué)院大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院大氣化學(xué)與環(huán)境科學(xué)系, 北京 100049 3 長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院, 西安 710054 4 Faculty of Agriculture, Yamagata University, Tsuruoka 997- 8555, Japan

采用室內(nèi)土柱培養(yǎng)的方法,研究在不同濕度(55%和80%WFPS,土壤充水孔隙度)和不同氮素供給(NH4Cl和KNO3,4.5 g N/m2)條件下,外源碳添加(葡萄糖,6.4 g C/m2)對(duì)溫帶成熟闊葉紅松混交林和次生白樺林土壤融化過程微生物呼吸和微生物碳的激發(fā)效應(yīng)。結(jié)果表明：在整個(gè)融化培養(yǎng)期間,次生白樺林土壤對(duì)照CO2累積排放量顯著高于闊葉紅松混交林土壤。隨著土壤濕度的增加,次生白樺林土壤對(duì)照CO2累積排放量和微生物代謝熵(qCO2)顯著降低,而闊葉紅松混交林土壤兩者顯著地增加(P<0.05)。兩種林分土壤由葡萄糖(Glu)引起的CO2累積排放量(9.61—13.49 g C/m2)顯著大于實(shí)驗(yàn)施加的葡萄糖含碳量(6.4 g C/m2),同時(shí)由Glu引起的土壤微生物碳增量為3.65—27.18 g C/m2,而施加Glu對(duì)土壤DOC含量影響較小。因此,這種由施加Glu引起的額外碳釋放可能來源于土壤固有有機(jī)碳分解。融化培養(yǎng)結(jié)束時(shí),闊葉紅松混交林土壤未施氮處理由Glu引起的CO2累積排放量在兩種濕度條件下均顯著大于次生白樺林土壤(P<0.001)；隨著濕度的增加,兩種林分土壤Glu引起的CO2累積排放量顯著增大(P<0.001)。單施KNO3顯著地增加兩種濕度的次生白樺林土壤Glu引起的CO2累積排放量(P<0.01)。單施KNO3顯著地增加了兩種濕度次生白樺林土壤Glu引起的微生物碳(P<0.001),單施NH4Cl顯著地增加低濕度闊葉紅松混交林土壤Glu引起的微生物碳(P<0.001)。結(jié)合前期報(bào)道的未凍結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)凍結(jié)過程顯著地影響外源Glu對(duì)溫帶森林土壤微生物呼吸和微生物碳的刺激效應(yīng)(P<0.05),并且無論凍結(jié)與否,溫帶森林土壤微生物呼吸和微生物碳對(duì)外源Glu的響應(yīng)均與植被類型、土壤濕度、外源氮供給及其形態(tài)存在顯著的相關(guān)性。

微生物呼吸；微生物碳；葡萄糖；外源氮；溶解性有機(jī)碳；激發(fā)效應(yīng)；凍土融化

凍結(jié)過程中土壤微生物和細(xì)根的死亡以及團(tuán)聚體的破碎,有利于土壤速效碳的堆積,從而可能刺激凍結(jié)后土壤融化過程中二氧化碳(CO2)的釋放[1-6]。但也有室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)[7-9]和野外觀測[10-11]發(fā)現(xiàn)凍結(jié)土壤融化過程中未出現(xiàn)二氧化碳激發(fā)排放。凍結(jié)土壤融化過程中是否存在CO2激發(fā)排放,可能與凍結(jié)條件、土壤濕度、有效性碳和氮含量及相關(guān)微生物特性有關(guān)[5,12-15]。目前仍不明確凍結(jié)后土壤有效性碳和氮釋放量增加是否影響融化過程土壤微生物呼吸和微生物量的激發(fā)效應(yīng)。盡管不少研究曾報(bào)道了外源碳添加對(duì)未凍結(jié)土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化和有效碳含量的影響[16-20],但是其激發(fā)效應(yīng)與凍結(jié)處理土壤的差異仍缺乏深入的研究。這些將不利于人們深入地認(rèn)識(shí)高緯度和/或高海拔地區(qū)凍土融化過程中有機(jī)碳分解和微生物量變化規(guī)律以及影響機(jī)制[3,21]。

陸地生態(tài)系統(tǒng)每年秋季凋落物中存有大量的碳,其大部分會(huì)保存到來年春季融化期被復(fù)蘇的土壤微生物利用[22-23]。研究表明外源碳的添加會(huì)促進(jìn)土壤固有有機(jī)碳的分解,進(jìn)而刺激土壤融化期CO2的激發(fā)排放[24-25]。另外,隨著大氣氮沉降的日益加劇,春季積雪融化為土壤輸入大量氮。但這種氮輸入如何影響凍土融化CO2排放以及與凍結(jié)后凋落物在融雪時(shí)碳素輸入存在何種交互作用至今仍不清楚。

當(dāng)前全球降水格局的變化、植被郁閉度的不同及春季積雪融化等因素導(dǎo)致春季融化過程中土壤濕度存在巨大的時(shí)空差異[26],而Stielstra等[15]認(rèn)為土壤濕度是控制冬季森林土壤CO2排放的最重要因子。有研究表明[5,21,27]凍土融化過程CO2排放量隨著土壤濕度的增加而增加,而Teepe等[29]的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)卻顯示： 隨著土壤濕度的增加(42%—76%WFPS,土壤充水孔隙度),凍土融化過程中CO2排放量減少。因此,土壤濕度對(duì)凍結(jié)土壤融化過程中CO2排放的影響仍存在不確定性,而且積雪融化引起的氮輸入和土壤濕度的變化如何交互影響外源碳對(duì)凍土融化過程CO2排放的刺激效應(yīng)鮮有報(bào)道。

中國東北長白山地區(qū)每年11月末到次年3月初期間,日平均氣溫和土壤表面日均溫度通常為-5—-30℃,每年土壤凍結(jié)深度高達(dá)1.0m[5],這可能深刻影響到該地區(qū)每年春末融化期陸地土壤碳素循環(huán)關(guān)鍵過程。不幸的是,以往實(shí)驗(yàn)室研究多數(shù)關(guān)注適度凍結(jié)處理(-3—-13℃)和頻繁凍融干擾下土壤微生物呼吸和/或微生物量的變化[1,2,28],對(duì)于長期嚴(yán)重凍結(jié)后土壤融化過程的實(shí)驗(yàn)報(bào)道甚少。闊葉紅松混交林為長白山地區(qū)地帶性森林演替頂級(jí)群落,由于植被覆蓋度和趨光性差異,該林分地表微環(huán)境水熱條件明顯有別于臨近的次生白樺林。次生白樺林是闊葉紅松混交林被破壞后的次生裸地上首先發(fā)生的先鋒群落,在東北地區(qū)分布廣泛。這種土地覆蓋類型的轉(zhuǎn)換可導(dǎo)致兩種林分土壤有明顯不同碳和氮有效性[19,29]。盡管以前曾報(bào)道干土濕潤過程兩種林分土壤微生物呼吸和微生物量對(duì)外源碳和氮添加的響應(yīng)[19],然而,外源碳對(duì)這兩種林分土壤深度凍結(jié)后融化過程中CO2排放的刺激效應(yīng)及其對(duì)土壤濕度和外源氮的響應(yīng)至今仍不清楚,這將不利于人們對(duì)東北地區(qū)林地土壤固碳能力未來變化趨勢(shì)的合理評(píng)估,尤其是非生長期森林土壤微生物呼吸和微生量對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)[30]。

基于此,本文以中國東北長白山地區(qū)闊葉紅松混交林及其臨近的次生白樺林土壤為研究對(duì)象,通過室內(nèi)模擬土柱培養(yǎng)的方法,來研究(1)土壤濕度、外源碳和氮添加對(duì)不同演替階段兩種林分土壤融化過程微生物呼吸、溶解性有機(jī)碳及微生物碳含量影響的單一和交互作用；(2)結(jié)合土壤活性碳、氮含量等屬性的變化,分析外源碳添加對(duì)森林土壤融化過程微生物呼吸刺激效應(yīng)的主要影響機(jī)制；(3)結(jié)合以前報(bào)道的未凍結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,綜合評(píng)價(jià)外源碳對(duì)森林土壤微生物呼吸和微生物量的刺激效應(yīng),為正確認(rèn)識(shí)森林土壤有機(jī)碳礦化以及碳氮耦合效應(yīng)提供支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域的概況

研究區(qū)域位于中國科學(xué)院長白山森林生態(tài)系統(tǒng)定位站附近(42°24′N,128°28′E),地勢(shì)平坦,平均海拔高度為738 m,年均氣溫約為4.1℃,年均降水量約為750 mm,屬典型的溫帶大陸性氣候；地下水位約為9 m。土壤為火山灰發(fā)育的溫帶森林暗棕壤,剖面土壤屬性見文獻(xiàn)[31]。選擇該區(qū)域成熟闊葉紅松混交林及臨近的次生白樺林為目標(biāo)林地,闊葉紅松混交林平均樹齡近200a,林分為復(fù)層結(jié)構(gòu),平均株高25 m,郁閉度0.8；白樺林為天然次生林,樹齡70a左右,平均樹高13 m,郁閉度0.6,林分結(jié)構(gòu)簡單[32]。兩種林分土壤容重及研究區(qū)域土壤凍結(jié)深度、日平均氣溫和降雪量等氣象資料參見文獻(xiàn)[5]。

1.2 土壤采集與屬性測定

1.3 土壤濕度調(diào)節(jié)與養(yǎng)分添加實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于上述兩種林分土壤容重構(gòu)建各自模擬土柱,研究兩種濕度水平(55%和80% WFPS)、3種營養(yǎng)源添加及其組合對(duì)土壤融化過程CO2排放量的影響,這里添加的營養(yǎng)源包括： 葡萄糖(Glu,6.4 g C/m2)、氯化銨(NH4Cl,4.5 g N/m2)、葡萄糖和氯化銨(Glu+NH4Cl)、硝酸鉀(KNO3,4.5 g N/m2)、葡萄糖和硝酸鉀(Glu+KNO3)；無營養(yǎng)源添加為對(duì)照(Control)。共6種處理,3次重復(fù),總共72個(gè)模擬土柱。氮素和碳素添加量分別相當(dāng)于兩種林分森林穿透雨N年輸入量的4倍和DOC年輸入量的80%。

1.4 計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析

培養(yǎng)過程中根據(jù)每個(gè)處理與無土壤的空白容器中氣體CO2濃度差異以及采樣前密封時(shí)間算出每次采樣時(shí)不同處理土壤CO2瞬間排放速率(mg CO2-C m-2h-1)。不同處理CO2累積通量是將培養(yǎng)期間每次采樣測得的CO2排放量累加(g CO2-C/m2)。利用Box Lucas指數(shù)模型擬合實(shí)驗(yàn)各處理CO2累積排放量與培養(yǎng)時(shí)間之間的關(guān)系,如式(1)：

Y=S0(1-e-kt)

(1)

式中,Y為CO2累積排放量(g CO2-C m-2)；t為培養(yǎng)時(shí)間(h)；S0為模型理論上限；S0×k為模型起始時(shí)的增長速率(回歸確定系數(shù),R2>0.95,P<0.001),定義為培養(yǎng)初期CO2排放速率,用以表征融化初期土壤CO2激發(fā)排放的強(qiáng)度(mg CO2-C m-2h-1)?；诒敬闻囵B(yǎng)實(shí)驗(yàn)較高頻次采樣,不同處理土壤CO2最大排放速率為培養(yǎng)過程中測得瞬間排放速率的最大值(mg CO2-C m-2h-1)。各處理培養(yǎng)期間CO2累積排放量和土壤微生物碳的比值為微生物代謝熵(qCO2)(mg CO2-C g-1生物量 C d-1)。

利用單施Glu處理與對(duì)照、Glu+NH4Cl處理與NH4Cl處理及Glu+KNO3處理與KNO3處理土壤活性碳庫、CO2瞬間排放速率和CO2累積排放量的差值,來研究外源氮對(duì)Glu引起的融化培養(yǎng)期間森林土壤有機(jī)碳激發(fā)效應(yīng)的影響,分別用Glu-對(duì)照,(Glu+NH4Cl)-NH4Cl和(Glu+KNO3)-KNO3表示,并分析不同濕度和不同林分之間的差異。用培養(yǎng)期間CO2瞬間排放速率差值的最大值來表示由Glu引起的融化培養(yǎng)期間CO2最大排放速率。用式(1)來擬合CO2累積排放量的差值隨培養(yǎng)時(shí)間的變化,取S0×k值表示由Glu引起的培養(yǎng)期間CO2排放速率。利用高濕度未施氮、低濕度施氮或高濕度施氮處理分別與低濕度未施氮處理Glu引起的CO2累積排放量或微生物碳含量的比值再減去1乘以100%,分析濕度增加、施氮及其組合對(duì)Glu引起的融化培養(yǎng)期間森林土壤有機(jī)碳激發(fā)效應(yīng)的影響。所有處理3次重復(fù),均計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差。所有數(shù)據(jù)利用Tukey比例估計(jì)公式進(jìn)行正態(tài)轉(zhuǎn)化并確認(rèn)方差齊性后再進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。利用多因素方差分析研究： (1)濕度、碳和氮添加及其組合對(duì)兩種林分土壤融化培養(yǎng)初期CO2排放速率、培養(yǎng)期最大排放速率和累積排放量以及qCO2的影響；(2)林分、土壤濕度和施氮及其組合對(duì)由Glu引起的融化培養(yǎng)期間土壤有機(jī)碳分解激發(fā)效應(yīng)的影響；(3)結(jié)合以前報(bào)道的未凍結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,綜合分析凍結(jié)、土壤濕度和施氮及其組合對(duì)由Glu引起的土壤有機(jī)碳分解激發(fā)效應(yīng)的影響。利用圖基(Tukey)檢驗(yàn)的Honestly顯著性差異(HSD0.05)表示培養(yǎng)期間每次采樣不同處理CO2排放速率和累積排放量以及由Glu引起的土壤CO2排放速率和累積排放量的差異性；利用t檢驗(yàn)比較不同處理兩組數(shù)據(jù)之間的差異,顯著性檢驗(yàn)的置信水平設(shè)定為95%。通過多元線性逐步回歸分析,闡述兩種林分土壤CO2排放的主要影響因子。所有的統(tǒng)計(jì)分析均利用SPSS 19.0軟件實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 濕度與外源氮對(duì)未施Glu土壤融化過程CO2排放動(dòng)態(tài)變化的影響

圖1顯示單施NH4Cl和KNO3時(shí)不同濕度兩種林分土壤融化過程中CO2排放速率和累積排放量動(dòng)態(tài)變化。由圖可見,兩種土壤對(duì)照CO2排放速率在開始融化后2天內(nèi)達(dá)到峰值,隨后逐漸降到近似穩(wěn)態(tài)。與未凍結(jié)實(shí)驗(yàn)相比[19],凍結(jié)過程增加兩種林分土壤培養(yǎng)前期CO2激發(fā)排放的持續(xù)時(shí)間和峰值,并且培養(yǎng)結(jié)束時(shí)對(duì)照CO2累積排放量增加至1.5—1.8倍(表1),這種刺激倍數(shù)與我們之前所做的原狀土培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)[5]以及Goldberg等[2]的觀測結(jié)果一致。與闊葉紅松混交林土壤相比,低濕度條件下的整個(gè)培養(yǎng)期以及高濕度條件下融化6天后,次生白樺林土壤對(duì)照CO2排放速率及累積排放量均顯著較大(P<0.05)。相對(duì)于低濕度而言,高濕度兩種林分土壤對(duì)照CO2排放速率達(dá)到峰值時(shí)間較晚,峰值顯著較低(表1,P<0.05)。培養(yǎng)結(jié)束時(shí),隨著土壤濕度的增加,次生白樺林土壤對(duì)照CO2累積排放量和qCO2顯著地降低,而闊葉紅松混交林兩者顯著地增加(P<0.05)(表1),這種土壤CO2累積排放量隨著濕度的變化規(guī)律與未凍結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致[19]。Panikov和Dedysh[37]報(bào)道濕地土壤(90%—92%體積含水量)CO2排放在融化后的2天內(nèi)持續(xù)增大,第3天達(dá)到最大值,直到第5天降低到近似穩(wěn)態(tài)。然而,濕度為50%最大持水量的針葉林土壤僅在融化后一天內(nèi)出現(xiàn)CO2脈沖式排放[4]。綜上可得,土壤濕度顯著地影響凍土融化過程CO2激發(fā)排放的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間[15],并可能隨著土壤類型及其基質(zhì)條件的不同存在差異。

圖1 單施NH4Cl和KNO3時(shí)不同濕度兩種林分土壤融化過程中CO2排放速率和累積排放量動(dòng)態(tài)變化Fig.1 Dynamic of cumulative CO2 fluxes and instant rates of CO2 fluxes during thawing of frozen WBF and BKPF soils treated with NH4Cl and KNO3 alone under different moisture conditions空心圖標(biāo)表示次生白樺林土壤；實(shí)心圖標(biāo)表示闊葉紅松混交林土壤;(a)和(b)表示低濕度；(c)和(d)表示高濕度;HSD0.05豎線表示每次采樣各個(gè)處理的Honestly顯著性差異(P=0.05)

低濕度條件下,單施NH4Cl顯著地抑制次生白樺林土壤CO2培養(yǎng)前期排放速率和累積排放量(P<0.05,t檢驗(yàn)結(jié)果)(表1)；高濕度條件下,單施KNO3顯著抑制闊葉紅松混交林CO2累積排放量(P<0.05,t檢驗(yàn)結(jié)果)(表1)。但上述兩種處理外源氮對(duì)土壤CO2累積排放量的抑制率(7.5%—10.2%)均顯著小于未凍結(jié)實(shí)驗(yàn)[19]相應(yīng)處理(17.7%—20.5%)(P<0.001,t檢驗(yàn)結(jié)果),這可能與凍土融化過程中釋放大量礦質(zhì)氮有關(guān)[38]。低濕度條件下,與對(duì)照相比,闊葉紅松混交林土壤單施KNO3處理CO2累積排放量較大(P<0.05)(表1),這可能與其較高的水溶性DOC含量(P<0.05)(表2)和較大的qCO2有關(guān)(P<0.05)(表1)。

表1 次生白樺林和闊葉紅松混交林土壤CO2排放及方差分析結(jié)果(1)

*P<0.05; **P<0.01; ***P<0.001； n.s., 不顯著2.2 濕度與外源氮對(duì)施加Glu土壤融化過程CO2排放動(dòng)態(tài)變化的影響

圖2顯示Glu及其與外源氮組合施加時(shí),不同濕度兩種林分土壤融化過程中CO2排放速率和累積排放量動(dòng)態(tài)變化。與圖1相比,施加Glu各處理培養(yǎng)前期CO2激發(fā)排放的峰值更大且持續(xù)時(shí)間更長,尤其是高濕度條件下直至培養(yǎng)后第4天才達(dá)到峰值。融化培養(yǎng)結(jié)束時(shí),次生白樺林和闊葉紅松混交林土壤單施Glu處理CO2累積排放量分別增至18.7—19.9和16.7—19.2 g C/m2,約為其相應(yīng)對(duì)照的2.1—2.4倍和3.2—3.6倍(表1)。濕度和Glu交互影響次生白樺林土壤CO2培養(yǎng)初期排放速率以及兩種土壤CO2累積排放量(P<0.05)(表1)；硝態(tài)氮和Glu交互影響兩種林分土壤CO2累積排放量(P<0.05)(表1),同時(shí)兩種形態(tài)氮均與濕度和Glu三者交互影響闊葉紅松混交林土壤CO2累積排放量(P<0.05)(表1)。Jacinthe等[24]發(fā)現(xiàn)施加高劑量的小麥殘?jiān)?70.4 g C/m2)顯著地促進(jìn)冬末和春季凍融期耕地土壤CO2的排放量,約為未施殘?jiān)幚淼?.0—2.3倍,而施加低劑量(35.2 g C/m2)無顯著影響。Lukas等[25]發(fā)現(xiàn)施加玉米殘?jiān)?1.2 mg C/g 干土和 42.5 μg N/g 干土)的土壤(36%最大持水量)微生物呼吸在融化后第7天達(dá)到峰值,較未施殘?jiān)幚硗?d,其峰值大小約為未施殘?jiān)幚淼?倍,培養(yǎng)結(jié)束時(shí)累積排放量增至約7倍。因此,外源碳對(duì)凍土融化過程微生物呼吸的刺激強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間,可能依賴于土壤類型和外源碳的種類及施加劑量,并受到土壤濕度和氮素有效性的影響。

圖2 葡萄糖及其與外源氮組合施加時(shí)不同濕度兩種林分土壤融化過程中CO2排放速率和累積排放量動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamic of cumulative CO2 fluxes and instant rates of CO2 fluxes during thawing of frozen WBF and BKPF soils treated with Glu and in combination with NH4Cl or KNO3 addition under different moisture conditions空心圖標(biāo)表示次生白樺林土壤；實(shí)心圖標(biāo)表示闊葉紅松混交林土壤;(a)和(b)表示低濕度；(c)和(d)表示高濕度;HSD0.05豎線表示每次采樣各個(gè)處理的Honestly顯著性差異(P=0.05)

2.3 林分、濕度和施氮對(duì)由Glu引起的融化期土壤有機(jī)碳分解和微生物量的影響

圖3顯示不同濕度和外源氮添加條件下,兩種林分土壤融化過程中由Glu引起的CO2排放速率和累積排放量動(dòng)態(tài)變化。低濕度條件下,闊葉紅松混交林土壤由Glu引起的CO2排放速率達(dá)到峰值時(shí)間較次生白樺林土壤晚；高濕度條件下,兩種林分土壤由Glu引起的CO2排放速率在融化后第4天均達(dá)到峰值,并且后者土壤CO2排放峰值顯著地增加(P<0.05)。融化培養(yǎng)結(jié)束時(shí),闊葉紅松混交林土壤未施氮處理由Glu引起的CO2累積排放量在兩種濕度條件下均顯著地大于次生白樺林土壤(P<0.001)(表2)。單施KNO3顯著增加兩種濕度的白樺林土壤由Glu引起的CO2累積排放量(P<0.01)(表2)；林分、濕度和KNO3施加三者交互影響兩種林分土壤Glu引起的培養(yǎng)期間CO2最大排放速率(P<0.001)(表2)。培養(yǎng)結(jié)束時(shí)兩種林分土壤由Glu引起的CO2累積排放量(9.6—13.49 g C/m2)顯著大于所施加的葡萄糖含碳量(6.4 g C/m2),這可能來源于施加Glu所引起的土壤固有有機(jī)碳分解。隨著土壤濕度的增加,兩種林分土壤由Glu引起的CO2累積排放量顯著增大 (P<0.001)(表2)；土壤濕度及其與林分均顯著地影響融化培養(yǎng)初期CO2排放速率(P<0.001)(表2)。結(jié)合未凍結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果[19],發(fā)現(xiàn)低濕度未施氮時(shí)凍結(jié)后兩種林分土壤由Glu引起的CO2累積排放量(9.6—12.0 g CO2-C m-2)與未凍結(jié)土壤(9.5—11.2 g CO2-C m-2)無差異,而高濕度時(shí)則差異達(dá)顯著水平 (P<0.05)(圖4)。基于濕度和凍結(jié)交互作用影響Glu引起的CO2累積排放量(P<0.05)(表3),推論凍結(jié)對(duì)兩種林分土壤由Glu引起的CO2累積排放量的影響應(yīng)隨土壤濕度增加而增大。M?rkved等[40]發(fā)現(xiàn)施加植物提取液(0.34 mg C/g干土和 28 μg N/g干土)對(duì)水分張力為10kPa的凍結(jié)土壤融化過程中CO2排放的刺激效果與未凍土壤無顯著差異。Lukas等[25]發(fā)現(xiàn)施加玉米殘?jiān)?1.2 mg C/g干土和 42.5 μg N/g干土)促進(jìn)凍土融化過程土壤(36%最大持水量)固有有機(jī)碳的分解,且這種激發(fā)效應(yīng)顯著強(qiáng)于未凍結(jié)處理。綜上所述,外源碳對(duì)凍土融化微生物呼吸的激發(fā)效應(yīng)與外源碳的種類及其劑量、土壤氮素有效性和濕度水平有關(guān); 凍結(jié)過程及其與土壤濕度交互影響外源碳對(duì)土壤微生物呼吸的激發(fā)效應(yīng)(P<0.05)(表3)。

圖3 不同濕度和外源氮添加條件下,兩種林分土壤融化過程中由葡萄糖引起的CO2排放速率和累積排放量動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Dynamic of glucose-induced cumulative CO2 fluxes and instant rates of CO2 fluxes during thawing of frozen WBF and BKPF soils treated with and without NH4Cl or KNO3 addition under different moisture conditions空心圖標(biāo)表示次生白樺林土壤；實(shí)心圖標(biāo)表示闊葉紅松混交林土壤;(a)和(b)表示低濕度；(c)和(d)表示高濕度;HSD0.05豎線表示每次采樣各個(gè)處理的Honestly顯著性差異(P=0.05)

與闊葉紅松混交林土壤相比,次生白樺林土壤不施氮處理水浸提DOC(P<0.05)以及所有處理K2SO4浸提DOC和微生物碳含量均顯著地增加(P<0.001)(表2),較大的活性碳含量可能導(dǎo)致了次生白樺林土壤融化過程CO2排放量較大(P<0.05)(表1)。方差分析顯示土壤濕度及其與施氮交互作用顯著地影響到由Glu引起的K2SO4浸提DOC增量(P<0.05),土壤濕度顯著地影響到由Glu引起的土壤水浸提DOC增量(P<0.05)(表2)。單施KNO3將兩種濕度次生白樺林土壤Glu引起的微生物碳含量顯著地增至16.3—27.2 g C/m2,單施NH4Cl將低濕度闊葉紅松混交林土壤Glu引起的微生物碳含量顯著地增至14.5 g C/m2(P<0.001)(表2),兩者均

表2 林分、土壤濕度和施氮對(duì)由葡萄糖引起的土壤活性碳庫及CO2排放量的影響及方差分析結(jié)果

*P<0.05, **P<0.01, ***P<0.001, n.s., 不顯著; 由Glu引起的CO2排放速率和累積排放量計(jì)算方法見本文1.4計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析

表3 凍結(jié)、土壤濕度和施氮對(duì)由葡萄糖引起的土壤CO2排放量及微生物碳影響的方差分析結(jié)果

*P<0.05, **P<0.01, ***P<0.001, n.s., 不顯著

顯著大于所施Glu含碳量(6.4 g C/m2),這可能與Glu施加可刺激土壤融化過程中固有有機(jī)碳礦化,促進(jìn)向微生物碳轉(zhuǎn)換有關(guān)[25]。方差分析顯示硝態(tài)氮添加、林分及其相互作用顯著地影響到這種Glu引起的微生物碳增量(P<0.05)(表2)。低濕度未施氮凍結(jié)后兩種林分土壤Glu引起的微生物碳(6.5—10.1 g C/m2)顯著小于未凍結(jié)土壤(17.7—20.3 g C/m2)(P<0.05)(圖4)。并且無論凍結(jié)與否,濕度的增加對(duì)土壤Glu引起的微生物碳均表現(xiàn)為抑制作用(圖4)。單施NH4Cl促進(jìn)凍結(jié)后土壤Glu引起的微生物碳,而對(duì)未凍結(jié)土壤主要表現(xiàn)為抑制作用(圖4)；方差分析顯示銨態(tài)氮和硝態(tài)氮添加分別顯著地影響到闊葉紅松混交林和次生白樺林土壤Glu引起的微生物碳增量(P<0.01)(表3)。因此,土壤融化過程中葡萄糖對(duì)土壤微生物碳的激發(fā)效應(yīng)與土壤濕度、外源氮的形態(tài)及林分類型有關(guān)(表3)。Lukas等[25]發(fā)現(xiàn)施加玉米殘?jiān)ぐl(fā)凍土融化過程中土壤固有有機(jī)碳向微生物碳轉(zhuǎn)變,且這種激發(fā)效應(yīng)顯著大于未凍結(jié)土壤(P<0.05)。Blagodatskaya等[40]認(rèn)為土壤有機(jī)碳激發(fā)效應(yīng)所增加的CO2釋放可能不僅僅與土壤微生物量周轉(zhuǎn)有關(guān),還可能受到土壤微生物群落的影響。研究表明[5,41],凍結(jié)過程顯著地減少土壤微生物量及微生物碳/氮比,土壤微生物優(yōu)勢(shì)群落出現(xiàn)從真菌逐漸轉(zhuǎn)向細(xì)菌[42]。因此,這種凍結(jié)顯著影響葡萄糖對(duì)森林土壤微生物碳的激發(fā)效應(yīng)可能與微生物群落結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)。

圖4 氮添加、濕度增加(M)及其組合時(shí)未凍結(jié)和凍結(jié)后土壤Glu引起的微生物呼吸及微生物碳的增加或減少百分?jǐn)?shù)Fig.4 Percentile increase or decrease in the glucose-induced soil microbial respiration and microbial biomass C in responses to NH4Cl or KNO3 addition and increased soil moisture (M) with and without freezing treatment圖中各箭頭上百分?jǐn)?shù)范圍的平均值是正值則箭頭為實(shí)線,反之則為虛線; 平均值的絕對(duì)值越大箭頭越粗;增加或減少百分?jǐn)?shù)的計(jì)算方法見本文1.4計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析;未凍結(jié)土壤微生物呼吸及微生物碳數(shù)據(jù)參見文獻(xiàn)[19]

2.4 森林土壤CO2累積排放量與土壤活性碳、氮含量的關(guān)系

表4 培養(yǎng)期間兩種林分土壤CO2累積排放量與土壤活性碳、氮含量之間的回歸分析結(jié)果

Table 4 Results of stepwise regression analysis for the cumulative CO2fluxes from WBF and BKPF soils against the soil labile C and N pools

Y(次生白樺林土壤CO2累積排放量)Y(CumulativeCO2fluxfromWBFsoil)/(gCO2-C/m2)變量Variable系數(shù)Coefficient標(biāo)準(zhǔn)誤差Standarderror相對(duì)貢獻(xiàn)率/%RelativecontributionR2b0Constant12．575．970．46???X1，微生物碳MBC/(gCO2-C/m2)0．320．0849．4X2，微生物氮MBN/(gCO2-C/m2)-7．372．9426．7X3，K2SO4浸提DONK2SO4-extractableDON/(gCO2-C/m2)-0．820．3823．9Y(闊葉紅松混交林土壤CO2累積排放量)Y(CumulativeCO2fluxfromBKPFsoil)/(gCO2-C/m2)變量Variable系數(shù)Coefficient標(biāo)準(zhǔn)誤差Standarderror相對(duì)貢獻(xiàn)率/%RelativecontributionR2b0Constant0．000．090．69???X1，K2SO4浸提NH+4-NK2SO4-extractableNH+4-N/(gCO2-C/m2)-0．480．1032．2X2，K2SO4浸提DOCK2SO4-extractableDOC/(gCO2-C/m2)0．600．1040．3X3，K2SO4浸提NO-3-NK2SO4-extractableNO-3-N/(gCO2-C/m2)-0．410．1027．5

樣本容量n=36; ***P<0.001;R2回歸確定系數(shù)

3 結(jié)論

兩種林分土壤融化初期存在CO2激發(fā)排放的現(xiàn)象,這種激發(fā)排放的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間在外源碳添加后顯著地增大,并受到林分類型和土壤濕度的影響。與闊葉紅松混交林土壤相比,次生白樺林土壤較高的DOC及微生物碳含量可能導(dǎo)致其融化過程微生物呼吸增強(qiáng)。外源Glu引起的林地凍土融化過程中微生物呼吸碳排放量顯著地大于所施Glu含碳量,這有力顯示了施加Glu引起土壤固有有機(jī)碳的分解。濕度水平影響Glu對(duì)土壤微生物呼吸及微生物碳的刺激效應(yīng)；外源氮影響Glu對(duì)土壤微生物呼吸及微生物碳的刺激效應(yīng),但隨著濕度、林分和氮形態(tài)的不同存在差異。通過與未凍結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果[19]比較,發(fā)現(xiàn)土壤凍結(jié)過程顯著地促進(jìn)土壤微生物呼吸、削弱了外源氮對(duì)土壤微生物呼吸的抑制效果,并顯著地改變了外源碳對(duì)土壤微生物碳和微生物呼吸的激發(fā)效應(yīng)。無論凍結(jié)與否,溫帶森林土壤微生物呼吸和微生物量對(duì)葡萄糖施加的響應(yīng)均與林分類型、濕度、外源氮供給及其形態(tài)存在顯著的相關(guān)性。未來研究應(yīng)進(jìn)一步模擬野外實(shí)際情況,考慮外源物(如凋落物及其浸提物)的種類和劑量、凍融交替的頻次和強(qiáng)度以及更多濕度梯度對(duì)中國高寒區(qū)森林土壤有機(jī)碳分解激發(fā)效應(yīng)的影響及相關(guān)微生物機(jī)制。

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Changes in heterotrophic respiration and microbial biomass carbon of forest soils during thaw

WU Haohao1,2, XU Xingkai1,2,*, DUAN Cuntao1, LI Tuansheng3, CHENG Weiguo4

1StateKeyLaboratoryofAtmosphericBoundaryLayerPhysicsandAtmosphericChemistry,InstituteofAtmosphericPhysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China2DepartmentofAtmosphericChemistryandEnvironmentalScience,CollegeofEarthScience,UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China3CollegeofEarthScienceandResources,Chang′anUniversity,Xi′an710054,China4FacultyofAgriculture,YamagataUniversity,Tsuruoka997- 8555,Japan

Packed soil core incubation experiment was made to study the effects of external carbon (C) (glucose, 6.4 g C/m2) addition on microbial respiration and microbial biomass C (MBC) in soils of a mature broadleaf and Korean pine mixed forest (BKPF) and an adjacent white birch forest (WBF) during thaw under different soil moisture levels (55% and 80% water-filled pore space) and nitrogen (N) supply (NH4Cl and KNO3, 4.5 g N/m2). The results showed that, without C and N addition, cumulative CO2flux from the WBF soil was significantly higher than that from the BKPF soil during the incubation period. With increasing soil moisture, the cumulative CO2flux and microbial metabolic quotient (qCO2) decreased in the WBF soil but increased in the BKPF soil without C and N addition(P< 0.05). The glucose-induced cumulative CO2fluxes from the two forest soils ranged from 9.61 to 13.49 g CO2-C/m2, which was greater than the dose of added C in the form of glucose. The glucose-induced MBC in the two forest soils ranged from 3.65 to 27.18 g C/m2, while glucose addition had little impact on soil dissolved organic C pool. Hence, the extra C released upon addition of glucose may result from the decomposition of soil native organic C. Without N addition and under the two soil moisture levels, the glucose-induced cumulative CO2flux from the BKPF soil was significantly higher than that from the WBF soil during thaw (P< 0.001). With increasing soil moisture, the glucose-induced cumulative CO2fluxes from the two forest soils were significantly increased (P< 0.001). The addition of KNO3alone significantly increased the glucose-induced cumulative CO2flux (P< 0.01) and the glucose-induced MBC (P< 0.001) in the WBF soil under two soil moisture levels (P< 0.001). Addition of NH4Cl alone significantly increased the glucose-induced MBC in the BKPF soil with low moisture level. Based on the results from the previously reported non-freezing experiments and the results of the present study, it can be concluded that freezing treatment significantly affects the stimulating effects of glucose on soil microbial respiration and MBC under temperate forests. Regardless of whether freezing occurred or not, the responses of soil microbial respiration and MBC to the addition of extraneous C as glucose in temperate forests depend on vegetation type, soil moisture, and the amount and type of N added.

microbial respiration; microbial biomass carbon; glucose; nitrogen supply; dissolved organic carbon; stimulating effect; thawing of frozen soil

國家自然科學(xué)基金(41175133, 21228701, 41275166, 41321064, 41575154)

2015- 11- 16; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2016- 10- 29

10.5846/stxb201511162320

*通訊作者Corresponding author.E-mail: xingkai_xu@mail.iap.ac.cn

吳浩浩,徐星凱,段存濤,李團(tuán)勝,CHENG WeiGuo.森林土壤融化期異養(yǎng)呼吸和微生物碳變化特征.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(8):2729- 2742.

Wu H H, Xu X K, Duan C T, Li T S, Cheng W G.Changes in heterotrophic respiration and microbial biomass carbon of forest soils during thaw.Acta Ecologica Sinica,2017,37(8):2729- 2742.