模擬酸雨對我國亞熱帶毛竹林土壤呼吸及微生物多樣性的影響

王 楠, 潘小承, 白尚斌

1 東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,哈爾濱 150040 2 浙江農(nóng)林大學(xué)浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州 311300

酸雨作為全球性環(huán)境問題之一,已受到國際社會普遍關(guān)注[1]。我國酸雨區(qū)面積仍不斷擴(kuò)大,危害程度逐漸加重,已超過國土面積的40%,成為繼歐美之后的第三大酸雨區(qū)域,其中亞熱帶地區(qū)酸雨污染尤為嚴(yán)重[2]。浙江位于我國中亞熱帶,全省平均酸雨率超過80%,是酸雨發(fā)生典型區(qū)域[3]。酸雨給森林生態(tài)系統(tǒng)帶來嚴(yán)重影響和破壞,不僅對植物葉片造成直接損害,使葉片變黃甚至脫落,影響植物光合作用,而且可導(dǎo)致土壤酸化,造成鉀、鈣、鎂等鹽基離子淋溶,從而使土壤貧瘠,影響植物正常生長發(fā)育[4]。同時(shí),土壤酸化使Al3+增加,引起鋁中毒,毒害植物根系[5]。土壤酸化還能促進(jìn)H+濃度增加,引起土壤微生物群落組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,不可避免地影響著土壤碳循環(huán)過程[6-7]。

土壤呼吸作為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的一個(gè)主要組分,在調(diào)控大氣CO2濃度和氣候變化方面起著關(guān)鍵作用[8]。土壤碳庫是大氣碳庫的4倍,土壤呼吸釋放碳的速率比人類活動釋放碳的速率要大一個(gè)數(shù)量級,其微小變化能極大改變大氣CO2濃度[9]。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體,其碳庫占全球總碳庫的46%,占土壤呼吸總量的69%,因此,森林土壤呼吸成為陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的重要組分,其動態(tài)變化也對全球碳平衡影響深遠(yuǎn)[10]。土壤呼吸主要包括植物根系呼吸和土壤微生物分解兩個(gè)過程,呼吸速率受植被特征、氣候、水熱條件、環(huán)境變化等諸多因素影響。酸雨可通過影響植物根系生長及影響微生物組成和活性變化來改變森林土壤呼吸速率[7]。一些研究認(rèn)為酸雨促進(jìn)了土壤呼吸[11],也有研究認(rèn)為酸雨會抑制或不影響土壤呼吸速率[12]。目前關(guān)于酸雨影響森林土壤呼吸還未有明確定論,有待進(jìn)一步深入研究。

竹林是世界重要的森林類型之一,蘊(yùn)含著巨大的固碳增匯潛力。我國竹子有39屬,500余種,面積約601萬公頃,是竹子資源最豐富的國家,其中毛竹林(Phyllostachysedulis)面積約占73.8%。毛竹具有較高的社會和經(jīng)濟(jì)效益,是應(yīng)對全球變化的重要樹種,已得到廣泛推廣種植[13-14]。影響毛竹林土壤呼吸的環(huán)境因子諸多,其中酸雨脅迫是一個(gè)主要因素,然而關(guān)于酸雨對毛竹林土壤呼吸的影響及其微生物學(xué)響應(yīng)機(jī)制研究卻相對較少[15]。因此,本文以我國熱帶區(qū)域分布較多的毛竹林為研究對象,采用PCR-DGGE技術(shù),探討酸雨對毛竹林土壤細(xì)菌和真菌群落結(jié)構(gòu)及多樣性的影響,及其與土壤呼吸的關(guān)聯(lián),揭示土壤碳釋放模式的變化,從而為進(jìn)一步研究亞熱帶毛竹林土壤碳釋放對環(huán)境問題的響應(yīng)提供理論基礎(chǔ)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究地區(qū)概況

研究區(qū)域位于浙江省杭州臨安天目山國家級自然保護(hù)區(qū)(30°18′30″—30°21′37″N,119°24′11″—119°27′11″ E),保護(hù)區(qū)海拔300—1500 m,屬北亞熱帶季風(fēng)氣候,四季分明,溫暖濕潤,年均氣溫14.5℃,年年平均降雨量1400 mm。其森林植被大體分為6種類型：常綠闊葉林,常綠落葉闊葉混交林,落葉闊葉林、針闊混交林,針葉林、毛竹林。毛竹林主要分布在海拔350—950 m。林冠層樹種主要有青岡(Cyclobalanopsisglance)、木荷(Schimasuperba)、苦櫧(Castanopsissclerophylla)、毛竹(Phyllostachyspubscens)等；灌木層有毛花連蕊茶(Camelliafraternal)、山礬(Symplocoscaudate)和山胡椒(Linderglauce)等；草本層有菊科(Compositae)和禾本科(Gramineae)等植物[16]。

1.2 試驗(yàn)樣地設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)樣地位于海拔485 m的毛竹林內(nèi),共設(shè)置3個(gè)樣地,在每個(gè)實(shí)驗(yàn)樣地分別設(shè)置2個(gè)模擬酸雨小區(qū)和1個(gè)對照小區(qū),在處理1(T1)小區(qū)噴灑pH 4.0的模擬酸雨；在處理2(T2)小區(qū)中噴灑pH 2.0的模擬酸雨；在對照(CK)小區(qū)噴灑pH值約為5.8的當(dāng)?shù)睾?個(gè)樣地呈三角形分布,間隔距離100 m,同一樣地的各處理在同一水平地上,緩沖間隔5 m,每個(gè)小區(qū)面積為1 m×1 m,3個(gè)樣地共計(jì)9個(gè)小區(qū)。參照臨安市以往的常規(guī)酸雨監(jiān)測資料[6],按照H2SO4∶HNO3=8∶1的摩爾比配置模擬酸雨母液,再用母液與去離子水配成相應(yīng)pH值的模擬酸雨。自2016年9月開始模擬酸雨處理,噴淋頻率為每兩周一次(如遇雨天或土壤濕度過大情況則順延,另擇時(shí)間進(jìn)行噴淋,以防止噴灑的酸雨被地表徑流輸出)。每個(gè)小區(qū)每次噴灑酸雨量為1 mm,對照小區(qū)等量噴灑pH 5.8的湖水。

1.3 土壤呼吸速率及溫度測定

從2016年9月開始,進(jìn)行了為期2年的土壤呼吸觀測試驗(yàn)。預(yù)先把直徑20 cm、高10 cm的土壤呼吸底座埋入每個(gè)小區(qū),將PVC環(huán)的一端沿坡面壓入土中約5 cm深,盡量減少布置PVC環(huán)對土壤的鎮(zhèn)壓作用,基座埋設(shè)過程中盡量不破壞土壤,以減少土壤擾動及根系損傷對測量結(jié)果的影響,PVC環(huán)在整個(gè)測量期間位置不變[17]。試驗(yàn)期間,定期去除掉底座內(nèi)的植物,以避免測定的土壤呼吸包含植株呼吸作用。

于每個(gè)觀測日8:00—12:00采用Li-8100土壤碳通量觀測系統(tǒng)(Li-COR,Lincoln,Nebraska,USA)測定土壤呼吸,測定頻率為每月2次,每次每個(gè)PVC環(huán)重復(fù)測定3次,取其平均值代表該次測定值,土壤呼吸測定在每次模擬酸雨噴灑前進(jìn)行。在測定土壤呼吸的同時(shí),采用Li-8100土壤碳通量觀測系統(tǒng)自帶的溫度探頭測5 cm深處的土壤溫度。

1.4 土壤生化指標(biāo)的測定

于2018年8月(模擬酸雨二年后)進(jìn)行土壤采集。分別在每個(gè)小區(qū)的四角與中心布設(shè)5個(gè)取樣點(diǎn),采用無菌土鉆取表層大約5—20 cm深度的土壤樣品,更換樣地取樣前對工具采取清洗殺菌措施。每個(gè)取樣點(diǎn)中大約取出0.5 kg的土壤樣品,然后將每個(gè)土樣分為2份,一份土樣裝入無菌自封樣品袋中并置于4℃電子恒溫箱中,9個(gè)小區(qū)中共獲取45份土樣,用于測定土壤化學(xué)性質(zhì)。將同一小區(qū)剩余5份土樣充分混合,過2 mm篩網(wǎng),去除雜草與石塊后裝入無菌自封樣品袋中,并儲存與-80℃的干冰保溫箱中,用于提取DNA,共獲取9個(gè)土壤微生物樣品。

土壤pH值采用1∶2.5土水比,電位法測定；土壤溶解性有機(jī)碳(Soil dissolved organic carbon, DOC)使用高純度水浸提,取上清液過0.45m濾膜后使用島津TOC-VCPH 分析儀測定；堿解氮(Available nitrogen, AN)采用堿解蒸餾法測定；有效磷(Available phosphorous, AP)采用鉬銻抗分光光度法測定；速效鉀(Available potassium, AK)采用火焰原子吸收法測定；土壤微生物生物量碳(Soil microbial biomass of carbon, MBC)采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測定[18]。

1.5 土壤細(xì)菌和真菌的變性梯度電泳(DGGE)

采用DGGE方法對土壤細(xì)菌和真菌進(jìn)行檢測,細(xì)菌采用16S rDNA-PCR擴(kuò)增所用一對通用引物338F-GC和518R,擴(kuò)增片段長約250 bp；真菌18S rDNA-PCR擴(kuò)增所用一對通用引物FR1-GC和FF390,擴(kuò)增片段長約390 bp。20 μL反應(yīng)體系如下：10×Premix Tap 10 L,引物(10 μmol/L)各0.2 μL,模板DNA 0.3 μL,牛血清蛋白(BSA,20 mg/mL)0.2 μL。細(xì)菌的PCR反應(yīng)參數(shù)：94℃預(yù)變性5 min,94℃變性1 min,50℃退火1 min,72℃延伸1 min,30個(gè)循環(huán),最后72℃延伸10 min。真菌的PCR反應(yīng)參數(shù)：95℃預(yù)變性8 min,94℃變性30 s,50℃退火45 s,72℃延伸2 min,30個(gè)循環(huán),最后72℃延伸10 min。取3 μL PCR產(chǎn)物經(jīng)1.0%瓊脂糖凝膠電泳檢測產(chǎn)物及其濃度[19]。

采用The DCodeTMUniversal Mutation Detection System(Bio-Rad),細(xì)菌擴(kuò)增產(chǎn)物在變性梯度為45%—60%的6%聚丙烯酰胺凝膠上進(jìn)行電泳。真菌擴(kuò)增產(chǎn)物在變性梯度為25%—40%的6% 聚丙烯酰胺凝膠上進(jìn)行電泳。細(xì)菌和真菌的電泳過程條件一致：在60℃、80 V條件下電泳13 h,使用SYBR greenⅠ染色0.5 h,染色結(jié)果于Gel Doc TM EQ(Bio-Rad)凝膠成像系統(tǒng)成像,使用Quantity One 4.4軟件(Bio-Rad)進(jìn)行圖像分析。

1.6 數(shù)據(jù)分析

土壤呼吸速率與土壤5 cm深溫度的關(guān)系采用如下指數(shù)模型：

R=αebT

式中,R為土壤呼吸速率；T為土壤5 cm深溫度；α是溫度為0℃時(shí)土壤呼吸速率；b為溫度反應(yīng)系數(shù)。

Q10值的計(jì)算公式[20]：

Q10=e10b

Shannon多樣性指數(shù)(H)、Margalef豐富度指數(shù)(D)以及Pielou均勻度指數(shù)(E)對土壤細(xì)菌微生物群落多樣性進(jìn)行分析[21],其計(jì)算公式為：

H= -∑(ni/N) ln(ni/N)

D= (S-1)/lnN

E=H/lnS

式中,ni為每條電泳條帶光密度峰值,N為同一泳道中所有條帶光密度峰值總和。電泳條帶光密度的峰值通過分析軟件Quantity one進(jìn)行讀取。

采用Origin Pro8.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和繪圖,采用Pearson法進(jìn)行相關(guān)性分析,采用t檢驗(yàn)進(jìn)行不同處理土壤呼吸速率的均值比較,采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)對3種處理間土壤呼吸速率進(jìn)行方差分析和多重比較,用Curve Estimation對土壤呼吸速率與土壤溫度關(guān)系進(jìn)行回歸分析,R語言vegan包進(jìn)行冗余分析(Redundancy Analysis, RDA)和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同酸雨處理土壤呼吸的季節(jié)變化

土壤呼吸速率具有明顯的季節(jié)動態(tài)規(guī)律,最高值出現(xiàn)在7—8月,最低值出現(xiàn)在12月份至次年2月期間。如圖1所示,觀測期可分為5個(gè)階段：階段1(2016年9月—2017年2月)模擬酸雨對土壤呼吸速率的影響沒有顯著差異；階段2(2017年3月—2017年6月)模擬酸雨對土壤呼吸速率產(chǎn)生了促進(jìn)作用,模擬強(qiáng)酸降雨樣地與對照之間具有顯著差異(P<0.05)；階段3 (2017年7月—2017年10月)模擬強(qiáng)酸降雨與對照樣地、模擬弱酸降雨樣地之間具有顯著差異(P<0.05),而對照樣地與模擬弱酸降雨樣地之間的差異不顯著,階段4(2017年11月—2018年2月)模擬酸雨對土壤呼吸速率的影響沒有顯著差異；階段5(2018年3月—2018年8月)模擬酸雨對土壤呼吸速率產(chǎn)生了抑制作用,且模擬強(qiáng)酸降雨樣地與對照之間具有及顯著差異(P<0.05)。

2.2 不同酸雨處理土壤呼吸與土壤溫度的關(guān)系

根據(jù)對土壤溫度檢測數(shù)據(jù)分析(圖2),土壤呼吸速率與土壤溫度的季節(jié)變化趨勢相近,呈顯著正相關(guān)關(guān)系,方差分析表明不同模擬酸雨處理的土壤溫度無顯著差異,年均土壤溫度為16.6℃。

回歸分析表明,CK、T1、T2處理的土壤呼吸與土壤溫度之間呈極顯著的指數(shù)回歸關(guān)系(表1),這3個(gè)小區(qū)的回歸方程的決定系數(shù)R2分別為 0.960、0.937、0.845,這表明土壤溫度可分別解釋這 3個(gè)小區(qū)土壤呼吸96.0%、93.7%、84.5%的季節(jié)變異。根據(jù)指數(shù)回歸方程估算得到的 CK、T1、T2處理的土壤呼吸的溫度敏感系數(shù)(Q10)分別為2.14、2.10、2.86。T2與T1和CK間差異顯著,T1與CK間無顯著性差異,這一結(jié)果表明,重度酸雨處理增加了溫度敏感性。

圖1 不同酸雨處理下毛竹林土壤呼吸動態(tài)變化Fig.1 Dynamic change of soil respiration in moso bamboo under different acid rain treatments during 2016—2018CK：對照處理, control treatment；T1：處理一,treatment 1；T2： 處理二,treatment 2

表1 不同pH值酸雨處理的毛竹林土壤呼吸速率與溫度相關(guān)性

不同字母表示同一列內(nèi)各均值存在顯著差異(P<0.05)；*表示顯著相關(guān)(P< 0.05),**表示極顯著相關(guān)(P < 0.01); CK：對照處理, control treatment；T1：處理一,treatment 1；T2： 處理二,treatment 2

2.3 不同酸雨處理土壤理化性質(zhì)的差異

模擬酸雨對土壤pH值、養(yǎng)分及碳、氮含量的影響差異顯著(表2)。T2處理土壤的平均pH值比CK處理低17.31%,比T1處理低14.00%；T2處理土壤有機(jī)質(zhì)含量比CK低47.55%,比T1處理低30.67%；CK處理土壤DOC、AK、MBC的含量分別是T1處理的1.22、1.16、1.01倍,分別是T2處理的1.39、1.36、1. 06。T2處理土壤AN、AP的含量分別是CK處理的1.09、1.67倍,T1的1.05、1.62倍。由此可見,不同強(qiáng)度的酸雨對土壤理化性質(zhì)和微生物量具有顯著的影響。

圖2 土壤呼吸與土壤溫度的關(guān)系Fig.2 Relationship between soil respiration and soil temperature

表2 不同酸雨處理下土壤理化性質(zhì)和微生物量

不同字母表示同一列內(nèi)各均值存在顯著差異(P<0.05); CK：對照處理, control treatment；T1：處理一,treatment 1；T2： 處理二,treatment 2

2.4 不同酸雨處理土壤細(xì)菌和土壤真菌多樣性

模擬酸雨實(shí)驗(yàn)2年后,對不同處理的土壤微生物群落采用DGGE技術(shù)檢測,確定了共30條DGGE帶。結(jié)果表明,模擬酸雨處理的所有樣品中均含有8個(gè)DGGE譜帶(3、7、11、13、14、23、28和30)。在這些條帶中,3、30條帶被鑒定為細(xì)菌,7、11、13、14、23、28條帶被分別鑒定為放線菌、分枝桿菌、硝化螺、酸性微生物和鞘氨醇菌。樣品中含有一些共有菌群,如細(xì)菌、放線菌、厚壁菌門、硝化螺旋菌門和α-變形菌。酸雨也造成了某些菌群的減少或消失,如帶4(莖菌屬)、9(孢囊桿菌屬)、12(慢生根瘤菌屬)和25(念珠菌屬),同時(shí),酸性條件也導(dǎo)致某些種類的增加,如帶5(肉食桿菌屬)、6(丙酸桿菌屬)、8(梭形芽孢桿菌屬)。這說明在酸雨作用下這類微生物對土壤有機(jī)質(zhì)降解和釋放土壤二氧化碳中起著更大作用。

不同模擬酸雨處理的土壤細(xì)菌和土壤真菌多樣性具有顯著差異(表3),模擬酸雨處理的土壤細(xì)菌群落多樣性表現(xiàn)為降低,說明酸性脅迫抑制了土壤細(xì)菌群落的多樣性。T2處理的土壤細(xì)菌多樣性與CK處理相比存在顯著差異(P<0.05),說明重度酸雨處理下土壤細(xì)菌群落對酸性環(huán)境的耐受性最低。而模擬酸雨處理的土壤真菌群落多樣性表現(xiàn)相反,T1處理的土壤真菌多樣性與CK處理和T2處理存在顯著差異(P<0.05),說明中度酸雨處理?xiàng)l件下土壤真菌群落對酸性環(huán)境的耐受性最高,弱酸可促進(jìn)土壤真菌群落的多樣性。

表3 不同酸雨處理下土壤微生物群落的多樣性指數(shù)

不同字母表示同一列內(nèi)各均值存在顯著差異(P<0.05)

2.5 不同酸雨處理土壤性質(zhì)與土壤微生物的關(guān)系

土壤性質(zhì)與土壤細(xì)菌、土壤真菌α多樣性指數(shù)的相關(guān)性分析表明(表4),土壤細(xì)菌的Shannon多樣性指數(shù)、Margalef豐富度指數(shù)與堿解氮和有效磷呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),與pH值、速效鉀、可溶性有機(jī)碳和微生物量碳呈顯著或極顯著正相關(guān)(P<0.01)；土壤真菌的Shannon多樣性指數(shù)與堿解氮顯著正相關(guān)(P<0.05),與可溶性有機(jī)碳和微生物量碳呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),Margalef豐富度指數(shù)與pH值、可溶性有機(jī)碳和微生物量碳呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),與堿解氮為顯著正相關(guān)(P<0.05)。

表4 土壤微生物α多樣性指數(shù)與土壤理化性質(zhì)、微生物量的相關(guān)系數(shù)

*表示顯著相關(guān)(P< 0.05),**表示極顯著相關(guān)(P< 0.01)

圖3 土壤微生物群落與環(huán)境影響因子的冗余分析Fig.3 RDA of soil microbial community and environmental factors pH：酸堿度；AN：堿解氮,Available N；AP：有效磷,Available P；AK：速效鉀,Available K；DOC：可溶性有機(jī)碳,Dissolved organic carbon；MBC：微生物量碳,Microbial biomass carbon

為了解釋酸雨與土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及環(huán)境因子之間的關(guān)系,對不同模擬酸雨樣地土壤微生物群落與環(huán)境因子進(jìn)行冗余分析,可以看出CK與T1、T2之間具有明顯地距離,這證實(shí)了之前的分析,即不同模擬酸雨處理樣地的土壤微生物群落在差異很大程度上與環(huán)境變量有關(guān)。兩軸累計(jì)貢獻(xiàn)率為97.74%,T1和T2分布在第二排序軸正方向,CK分布在第二排序軸負(fù)方向,表明不同模擬酸雨處理是第二排序軸的主要影響因素。pH、AK、DOC和MBC與模擬酸雨處理的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)關(guān)系緊密且正相關(guān),AN、AP與土壤微生物群落結(jié)構(gòu)負(fù)相關(guān)。排列檢驗(yàn)顯示 pH、DOC、AP、AN和MBC對土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響最顯著(P<0.05)(圖3)。

2.6 不同酸雨處理土壤呼吸與土壤性質(zhì)、土壤微生物的關(guān)系

土壤呼吸與土壤理化性質(zhì)、土壤微生物α多樣性指數(shù)的相關(guān)性分析表明(表4),土壤呼吸與pH值、速效鉀、可溶性有機(jī)碳、微生物量碳和細(xì)菌Shannon指數(shù)呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與堿解氮和有效磷為顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。

3 討論

3.1 不同酸雨處理土壤呼吸的差異性及控制因子

由于各地區(qū)的氣候、土壤養(yǎng)分及植被類型等條件的不同,模擬酸雨對土壤呼吸的影響結(jié)果存在較大差異。Reth等[22]研究發(fā)現(xiàn)模擬酸雨抑制了土壤呼吸,這種抑制作用可能是氫離子高載荷對土壤微生物產(chǎn)生毒性所致。Fangueiro等[23]報(bào)道,低模擬酸雨強(qiáng)度反而促進(jìn)了土壤呼吸。本研究結(jié)果表明,實(shí)驗(yàn)初期模擬酸雨對土壤呼吸無明顯影響,這主要是由于土壤擁有巨大的緩沖體系,對酸性物質(zhì)的輸入具有很強(qiáng)的緩沖作用,毛竹林根系短期內(nèi)對酸雨的耐受性較強(qiáng)。隨著時(shí)間推進(jìn),在模擬酸雨作用下,土壤呼吸呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,酸雨的促進(jìn)土壤呼吸作用可能是根細(xì)胞中維持蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)和溶質(zhì)梯度所消耗的能量占根系維持呼吸的絕大部分,如果根系組織中的氮含量保持不變,那么根系呼吸也不會發(fā)生變化,而酸雨中的NO3-的施肥作用恰恰增加了毛竹林根系細(xì)胞的氮含量,使得地下的土壤呼吸速率加強(qiáng)[12]。模擬酸雨下森林的土壤酸化是個(gè)逐漸累積的過程,隨著酸雨強(qiáng)度的增大和時(shí)間的推移,模擬酸雨對土壤呼吸產(chǎn)生抑制作用,這與其脅迫下土壤酸化從而導(dǎo)致土壤微生物活性及土壤養(yǎng)分流失有關(guān)。相關(guān)性分析表明(表4),土壤呼吸與土壤細(xì)菌α多樣性指數(shù)呈顯著正相關(guān)(P<0.05),土壤微生物活性下降,從而延緩了土壤有機(jī)物的礦化和分解速率,抑制了土壤CO2的釋放,并呈現(xiàn)逐漸增強(qiáng)的趨勢[24]。

表4 土壤呼吸與土壤微生物α多樣性指數(shù)、土壤理化性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)

*表示顯著相關(guān)(P< 0.05),**表示極顯著相關(guān)(P< 0.01)

酸雨對土壤微生物量碳的影響與酸雨脅迫下土壤持續(xù)酸化有關(guān),通常pH值較低的土壤中微生物量碳含量相應(yīng)較低[25]。本研究在模擬酸雨的持續(xù)作用下,土壤微生物量碳的含量及土壤呼吸速率呈顯著下降特征,這是由于酸雨導(dǎo)致土壤 pH改變,引起土壤微生物活性、功能及土壤微生物量碳的變化。該結(jié)果與王國兵等[26]研究結(jié)論一致,土壤呼吸產(chǎn)生的CO2部分是由于微生物的自養(yǎng)呼吸和分解有機(jī)質(zhì)和植物凋落物的異養(yǎng)呼吸而產(chǎn)生的,微生物生物量碳的減少間接地導(dǎo)致了土壤呼吸速率的減少[27]。另外,酸雨使土壤pH值降低,有機(jī)質(zhì)礦化速率下降,土壤腐殖質(zhì)層DOC的釋放量減少[28]。本研究中毛竹林土壤溶解性有機(jī)碳呈隨著酸雨強(qiáng)度增加而下降的趨勢,可能由于DOC來源于凋落物的分解以及微生物代謝,微生物活減少,產(chǎn)生的水溶性有機(jī)物質(zhì)也減少[29-30]。因此,酸雨對土壤微生物活性的影響被認(rèn)為是影響DOC釋放的關(guān)鍵因素。

土壤溫度是影響土壤呼吸季節(jié)性動態(tài)變化的最主要的因素,土壤呼吸為酶促反應(yīng),而土壤溫度是影響酶促反應(yīng)的重要因素,溫度升高往往會導(dǎo)致酶促反應(yīng)加快,從而促進(jìn)土壤呼吸。本研究表明,酸雨各處理的土壤呼吸季節(jié)變化具有明顯規(guī)律性,在不受土壤水分脅迫的條件下酸雨各處理的土壤呼吸與土壤溫度之間遵循指數(shù)回歸關(guān)系,這與Nikolova等[31]以及Karhu等[32]的研究結(jié)果一致。梁國華等[33]發(fā)現(xiàn)酸雨降低了土壤呼吸的溫度敏感性,并且酸性越強(qiáng)抑制作用越顯著。Chen等[34]研究表明酸雨對土壤呼吸的溫度敏感性沒有影響。本研究發(fā)現(xiàn)模擬酸雨改變了土壤呼吸對溫度的響應(yīng),表現(xiàn)為Q10值在酸處理下有上升的趨勢,說明模擬酸雨增加了土壤呼吸的溫度敏感性,這可能是因?yàn)镈OC隨酸處理的增加而減少,不同生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸季節(jié)變異的Q10與DOC呈負(fù)相關(guān)[35]。毛竹林生態(tài)系統(tǒng)中毛竹林凋落物分解因酸雨而促進(jìn),凋落物有機(jī)碳的質(zhì)量逐漸下降,土壤呼吸的Q10值越來越高[36]。Q10值是在整個(gè)測定期間進(jìn)行計(jì)算的,分高溫階段或低溫不同階段分析可能有更為具體直觀的結(jié)果,今后可進(jìn)一步研究酸雨脅迫下土壤呼吸在不同溫度時(shí)段的溫度敏感性,以及進(jìn)一步測定土壤呼吸的日變化也是今后研究值得考慮的方面。

3.2 不同模擬酸雨條件下土壤微生物群落多樣性的比較及控制因子

土壤呼吸與土壤有機(jī)物的轉(zhuǎn)化與循環(huán)密切相關(guān),而土壤有機(jī)物的轉(zhuǎn)化與循環(huán)有賴于微生物活化才能完成。酸化的土壤由于H+的毒害作用,從而改變了土壤分解者微生物的種類,結(jié)構(gòu)以及生物活性[37]。不同pH的模擬酸雨均能抑制細(xì)菌、放線菌、氮素生理類群的生長,其數(shù)量隨著酸雨pH的降低而不斷減少,真菌、纖維素分解菌的數(shù)量隨酸雨pH的降低呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢[38]。本研究結(jié)果表明,模擬酸雨對毛竹林土壤細(xì)菌和真菌群落多樣性、豐富度具有顯著影響,通過比較指數(shù)值的大小可以發(fā)現(xiàn),酸雨能夠在一定程度上降低土壤細(xì)菌群落多樣性,而弱酸能夠顯著提高土壤細(xì)菌群落多樣性,同時(shí)對酸雨具有抗性或耐性的微生物種群會表現(xiàn)出更高的活性。

有關(guān)不同地區(qū)土壤微生物多樣性的研究表明,土壤pH值是影響土壤微生物多樣性的重要因子[39]。Pearson相關(guān)性分析表明,土壤細(xì)菌的多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)與pH值呈顯著或極顯著正相關(guān),這與孫巖和全炳武[40]的研究結(jié)果一致,這可能是酸雨脅迫會抑制大多數(shù)細(xì)菌的生長和繁殖,使土壤細(xì)菌的多樣性和豐富度下降。同時(shí),我們利用冗余分析可以揭示不同酸雨處理?xiàng)l件下土壤性質(zhì)對微生物結(jié)構(gòu)的影響,發(fā)現(xiàn)其結(jié)果與土壤細(xì)菌相近,這也說明土壤細(xì)菌群落是毛竹林土壤環(huán)境中的主導(dǎo)微生物。本研究中,土壤微生物與pH值、有效鉀、可溶性有機(jī)碳和微生物量碳呈顯著正相關(guān),同時(shí)表現(xiàn)出與土壤呼吸呈正相關(guān)關(guān)系。這可能是與南方酸性土壤有關(guān),酸雨淋溶增強(qiáng),土壤的分解與礦化過程較快,土壤元素的遷移較強(qiáng),尤其是鉀的流失量較大,土壤含鉀量低,抑制土壤微生物的生長。土壤微生物與土壤堿解氮和有效磷含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,可能原因pH值降低,土壤對氮、磷酸根的吸附量降低。酸雨對土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響是個(gè)長期累積的過程,開展酸雨脅迫下毛竹林土壤呼吸的長期定位觀測具有較高研究價(jià)值,盡管本次研究經(jīng)歷兩年的實(shí)驗(yàn),但酸雨處理區(qū)域面積偏小,今后可增大實(shí)驗(yàn)區(qū)面積,以更好地深入研究酸雨脅迫引起的土壤酸化對土壤生態(tài)系統(tǒng)過程影響,這些工作開展將有利于我國毛竹林的科學(xué)經(jīng)營及亞熱帶常綠闊葉林的生態(tài)保護(hù)。

4 結(jié)論

(1)模擬酸雨對土壤呼吸速率的影響表現(xiàn)為先促進(jìn)后抑制趨勢,土壤呼吸速率呈季節(jié)性規(guī)律變化,不同模擬酸雨處理改變了土壤呼吸對溫度的敏感性。

(2)模擬酸雨改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及多樣性,重度酸雨處理抑制了土壤細(xì)菌群落生長,而中度酸雨對土壤真菌多樣性和豐富度具有促進(jìn)作用。

(3)pH值、速效鉀、可溶有機(jī)碳等土壤理化性質(zhì)與土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、土壤呼吸密切相關(guān)。