土壤細(xì)菌呼吸對(duì)西雙版納熱帶森林恢復(fù)的響應(yīng)

張昆鳳,王邵軍,張路路,樊宇翔,解玲玲,肖 博,王鄭鈞,郭志鵬

西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,昆明 650224

近幾十年來(lái),全球化石燃料消耗與森林過(guò)度采伐導(dǎo)致的大氣CO2等溫室氣體排放劇增,已成為科學(xué)界及國(guó)際社會(huì)廣泛關(guān)注的前沿?zé)狳c(diǎn)問(wèn)題[1—2]。土壤作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù),但能通過(guò)土壤呼吸而成為一個(gè)重要排放源,其微小的波動(dòng)可能引起大氣CO2濃度的顯著波動(dòng)[3]。土壤呼吸作為大氣與陸地生態(tài)系統(tǒng)之間碳交換的第二大通量,其每年排放的CO2總量達(dá)79.3—81.8Pg C,約是全球化石燃料燃燒所排放的10倍[4]。因此,闡明土壤呼吸過(guò)程及調(diào)控機(jī)制對(duì)于全球氣候變化研究具有重要的科學(xué)意義。

土壤呼吸作為森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)及碳輸出的主要途徑,其動(dòng)態(tài)變化將直接或間接影響全球碳平衡[5]。森林土壤呼吸主要是一個(gè)由根系-微生物-動(dòng)物交互作用驅(qū)動(dòng)的生物生態(tài)學(xué)過(guò)程[6]。目前,土壤呼吸主要集中于自養(yǎng)與異養(yǎng)呼吸組分貢獻(xiàn)的區(qū)分研究[7—8],但少見(jiàn)區(qū)分細(xì)菌和真菌等呼吸組分的研究報(bào)道。微生物呼吸組分作為土壤異養(yǎng)呼吸的主要來(lái)源,直接或間接參與生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程[9—10]。土壤細(xì)菌和真菌在微生物數(shù)量中所占比重高達(dá)80%,不僅直接支配著40%—70%的土壤呼吸[11],而且通過(guò)影響根系與土壤動(dòng)物而間接調(diào)控土壤呼吸[12]。土壤細(xì)菌作為土壤微生物的最主要類(lèi)群,其數(shù)量約占土壤微生物總量的70%—90%,是土壤異養(yǎng)呼吸的主要貢獻(xiàn)者[13—15]。少量研究區(qū)分了菌根真菌呼吸組分,而關(guān)于土壤細(xì)菌呼吸的相關(guān)研究,卻相當(dāng)缺乏[16—17],嚴(yán)重制約人們對(duì)森林土壤微生物呼吸各組分對(duì)全球碳循環(huán)貢獻(xiàn)的理解[18]。因此,揭示森林土壤細(xì)菌呼吸速率的時(shí)空變化及其影響機(jī)制,有助于量化異養(yǎng)呼吸組分對(duì)森林土壤CO2排放的貢獻(xiàn)。

熱帶森林是全球變化研究的一個(gè)重要組成部分,然而,目前關(guān)于土壤微生物呼吸的研究主要集中于溫帶[19]和亞熱帶森林[20]、草地[21]、濕地[22]和農(nóng)田[23],而關(guān)于熱帶森林土壤呼吸的相關(guān)研究,卻相對(duì)缺乏。西雙版納是中國(guó)大陸熱帶雨林集中分布的重要區(qū)域,但由于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)方式及人口增加等因素的影響,熱帶雨林遭到嚴(yán)重破壞,自中國(guó)實(shí)施退耕還林工程及天然林保護(hù)計(jì)劃以來(lái),形成了大面積處于不同恢復(fù)階段的次生森林類(lèi)型。熱帶森林恢復(fù)能夠通過(guò)引起地上與地下凋落物輸入及土壤理化環(huán)境改變,可能顯著影響到土壤微生物生物量及細(xì)菌呼吸變化。本研究以西雙版納不同恢復(fù)階段熱帶森林群落為研究對(duì)象,運(yùn)用真菌抑制劑測(cè)定土壤細(xì)菌呼吸隨月份的時(shí)間動(dòng)態(tài),剖析不同熱帶森林恢復(fù)階段土壤微生物量碳、細(xì)菌群落多樣性及土壤理化環(huán)境變化對(duì)土壤細(xì)菌呼吸時(shí)間動(dòng)態(tài)的影響,從而闡明西雙版納熱帶森林恢復(fù)對(duì)土壤細(xì)菌呼吸時(shí)空動(dòng)態(tài)的影響機(jī)制,對(duì)于區(qū)分土壤細(xì)菌呼吸組分對(duì)大氣CO2的貢獻(xiàn)具有十分重要的科學(xué)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究樣地位于中國(guó)科學(xué)院西雙版納勐侖熱帶植物園(21°55′N(xiāo),101°16′E),屬東南亞北熱帶季風(fēng)氣候區(qū),自然植被類(lèi)型為熱帶雨林和季雨林。該地區(qū)全年平均氣溫21.5℃,干濕季節(jié)分明,年均降水量1557mm。全年降雨量的87%集中在5—10月的雨季;而13%則集中于11月—次年4月的干季。研究區(qū)土壤類(lèi)型為白堊紀(jì)砂巖發(fā)育而成的磚紅壤。

根據(jù)該園建園以來(lái)的相關(guān)森林維護(hù)記錄,在植物園區(qū)內(nèi)選取起源于熱帶雨林刀耕火種后自然恢復(fù)形成的次生熱帶森林(白背桐群落、崖豆藤群落及高檐蒲桃群落)為研究對(duì)象,3個(gè)群落處于連續(xù)演替的不同恢復(fù)階段且起源(植被與土壤類(lèi)型)和立地條件(包括坡度、坡向與坡位等)基本類(lèi)似[24]。樣地間相距300—800m。樣地詳情見(jiàn)表1。

表1 樣地概況Table 1 Sample plot overview

1.2 土壤取樣

于2018年6、9、12月和2019年3月,定期在西雙版納熱帶植物園白背桐群落、崖豆藤群落、高檐蒲桃群落中,分別隨機(jī)設(shè)置3個(gè)重復(fù)的樣地,各樣地面積50m×50m。按照五點(diǎn)采樣法,在樣地中心和中心到4個(gè)角的等距中心確定5個(gè)采樣點(diǎn),采集0—10cm土層土壤樣品(采樣前除表層枯枝落葉),混合均勻后裝入無(wú)菌自封袋,分3份帶回實(shí)驗(yàn)室,分別用于土壤理化指標(biāo)、微生物量碳及細(xì)菌呼吸速率測(cè)定。

1.3 土壤細(xì)菌呼吸測(cè)定

采用基質(zhì)誘導(dǎo)抑制真菌呼吸法測(cè)定細(xì)菌呼吸速率。據(jù)報(bào)道,放線菌酮(C)對(duì)真菌呼吸有較好的抑制作用[25—27],故選取放線菌酮作為真菌抑制劑。研究前設(shè)置預(yù)實(shí)驗(yàn)以確定最優(yōu)的抑制劑濃度及處理時(shí)間[28]。共設(shè)計(jì)8組實(shí)驗(yàn)(25℃恒溫培養(yǎng)),每組2個(gè)實(shí)驗(yàn)處理(上述3個(gè)樣地濕土干重各2g,葡萄糖20mg,用去離子水將含水率調(diào)至一致)[28],分別為只添加葡萄糖(G)、添加葡萄糖和放線菌酮(G+C),每處理3重復(fù)。不同實(shí)驗(yàn)組抑制劑的加入量及培養(yǎng)時(shí)間見(jiàn)表2,用堿液吸收法測(cè)定各實(shí)驗(yàn)組產(chǎn)生的CO2量[29]。

表2 不同抑制劑濃度土壤細(xì)菌產(chǎn)CO2預(yù)實(shí)驗(yàn)Table 2 Pretreatment of CO2 production by soil bacteria with different inhibitor concentrations

CO2產(chǎn)生速率的計(jì)算公式為:F=[(v0-v)×c×22]÷m÷h

式中,F表示氣體產(chǎn)生速率(CO2mg g-1h-1);v0為對(duì)照組滴定消耗標(biāo)準(zhǔn)鹽酸體積(mL);v為實(shí)驗(yàn)組滴定消耗標(biāo)準(zhǔn)鹽酸體積(mL);c為標(biāo)準(zhǔn)鹽酸濃度(mol/L);m為土樣質(zhì)量(g);h為培養(yǎng)時(shí)間(h);22為質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)。

相關(guān)指標(biāo)計(jì)算公式:

真菌抑制效率:(A-B)÷A×100

式中,A和B分別為G和G+C處理中土壤 CO2產(chǎn)生速率。

預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(表2),采自3個(gè)樣地的土樣,實(shí)驗(yàn)組3的抑制效率(平均88.50%)均最高(且無(wú)顯著差異)。由此確定本研究采用添加真菌抑制劑(10mg放線菌酮C、處理時(shí)間2h)來(lái)測(cè)量細(xì)菌呼吸。

分別采集上述3個(gè)樣地濕土樣品(干重2g),設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)組(土壤+葡萄糖+放線菌酮G+C)和對(duì)照組(土壤+葡萄糖G)2種處理,每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)(25℃恒溫培養(yǎng),用去離子水將土壤含水率調(diào)至一致)。其中,葡萄糖(20mg)為誘導(dǎo)試劑(由于對(duì)照組及實(shí)驗(yàn)組中都添加了外源葡萄糖,因此即使外源碳有激發(fā)效應(yīng),葡萄糖的加入對(duì)后續(xù)試驗(yàn)結(jié)果無(wú)影響),放線菌酮10mg,用上述方法測(cè)定并計(jì)算細(xì)菌呼吸速率。

1.4 土壤細(xì)菌多樣性測(cè)定

取樣品(約200g)置于-70℃下冷凍保存,利用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)抽提的基因組DNA,采用ABI GeneAmp 9700型PCR儀,將同一樣本的PCR產(chǎn)物混合后用2%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),使用AxyPrepDNA 凝膠回收試劑盒切膠回收PCR產(chǎn)物,運(yùn)用IIIumina PE250進(jìn)行土壤DNA提取和高通量測(cè)序。

將相似性大于97%的序列歸為同一種可操作分類(lèi)單元(OTU),基于OTU數(shù)計(jì)算門(mén)水平上土壤細(xì)菌群落的豐富度及Alpha多樣性。其中,趙氏指數(shù)(Chao1)反映了細(xì)菌群落的豐富度[30],香儂(Shannon)和辛普森(Simpson)指數(shù)從概率論和信息論的角度描述其多樣性[31]。

1.5 土壤理化指標(biāo)測(cè)定

將帶回的樣品進(jìn)行室內(nèi)自然風(fēng)干、磨細(xì)過(guò)篩,用于土壤的基本性質(zhì)測(cè)定。土壤含水率采用稱(chēng)重法測(cè)定[32];土壤微生物量碳采用液態(tài)氯仿熏蒸浸提-水浴法測(cè)定[33];土壤有機(jī)碳采用油浴加熱-重鉻酸鉀氧化法測(cè)定[34];易氧化有機(jī)碳用高錳酸鉀氧化法測(cè)定[35];全氮采用半微量凱氏定氮法測(cè)定[36];水解性氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定[37];銨態(tài)氮用納氏試劑比色法測(cè)定[38];硝態(tài)氮用紫外分光光度法測(cè)定[39];pH值用電位法測(cè)定[40]。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

將采集所得的數(shù)據(jù)(土壤細(xì)菌呼吸速率、土壤微生物量碳、土壤細(xì)菌多樣性指數(shù)、pH值、有機(jī)碳、全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮等理化性質(zhì))進(jìn)行整理,用 Excel 2019和SPSS 20.0軟件進(jìn)行分析作圖。采用單因素方差分析(ANOVA)比較不同數(shù)據(jù)之間的差異。采用指數(shù)回歸模型(Y=aebx)分別對(duì)土壤細(xì)菌呼吸速率與微生物量碳和細(xì)菌多樣性的關(guān)系進(jìn)行分析,Y為土壤細(xì)菌呼吸速率,a、b為回歸系數(shù)。采用Pearson相關(guān)分析對(duì)不同恢復(fù)階段土壤細(xì)菌呼吸與細(xì)菌多樣性指數(shù)或土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)性。基于相關(guān)分析篩選出相對(duì)重要的因子,采用Amos 28.0軟件構(gòu)建結(jié)構(gòu)方程模型,分析土壤細(xì)菌多樣性、微生物量碳及理化性質(zhì)與土壤細(xì)菌呼吸之間的關(guān)系,并用Adobe Illustrator CC 2018軟件畫(huà)圖。所有統(tǒng)計(jì)的顯著性水平設(shè)為0.05,在分析所有數(shù)據(jù)之前,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行齊性方差檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同恢復(fù)階段熱帶森林土壤細(xì)菌呼吸及其時(shí)間動(dòng)態(tài)特征

結(jié)果表明,不同恢復(fù)階段熱帶森林土壤細(xì)菌呼吸速率(4個(gè)月份均值)具有顯著差異(圖1;P<0.05)。不同恢復(fù)階段土壤細(xì)菌呼吸速率大小順序?yàn)?高檐蒲桃群落((1.51±0.62)CO2mg g-1h-1)>崖豆藤群落((1.16±0.56)CO2mg g-1h-1)>白背桐群落((0.82±0.60)CO2mg g-1h-1)。其中,恢復(fù)后期高檐蒲桃群落土壤細(xì)菌呼吸速率是恢復(fù)前期白背桐群落的1.81倍。因此,隨著熱帶次生森林的恢復(fù),土壤細(xì)菌呼吸速率呈現(xiàn)顯著增加的變化趨勢(shì)。

圖1 不同恢復(fù)階段熱帶森林土壤細(xì)菌呼吸速率的時(shí)間變化 Fig.1 Temporal variations in soil bacterial respiration rates across the three restoration stages of tropical forests不同大寫(xiě)或小寫(xiě)字母表示不同恢復(fù)階段、不同月份之間存在顯著差異(P<0.05);MP:白背桐群落;ML:崖豆藤群落;SO:高檐蒲桃群落

不同恢復(fù)階段熱帶森林土壤細(xì)菌呼吸速率呈單峰型季節(jié)變化(圖1)。3個(gè)群落土壤細(xì)菌呼吸速率最大值出現(xiàn)在9月,其大小順序依次為:高檐蒲桃群落((2.41±0.29)CO2mg g-1h-1)>崖豆藤群落((1.75±0.33)CO2mg g-1h-1)>白背桐群落((1.60±0.66)CO2mg g-1h-1)。高檐蒲桃與崖豆藤群落土壤細(xì)菌呼吸速率均在3月為最小值((0.85±0.11)CO2mg g-1h-1與(0.72±0.23)CO2mg g-1h-1),而白背桐群落在12月達(dá)到最低值((0.40±0.08)CO2mg g-1h-1)。

2.2 土壤微生物量碳含量變化與細(xì)菌呼吸之間的關(guān)系

土壤微生物量碳含量沿?zé)釒只謴?fù)發(fā)生顯著(4個(gè)月份均值)的變化,其大小順序?yàn)?高檐蒲桃群落((3.06±1.45)g/kg)>崖豆藤群落((2.22±1.40)g/kg)>白背桐群落((1.75±1.14)g/kg)(圖2;P<0.05)。相對(duì)于白背桐群落,高檐蒲桃和崖豆藤群落土壤微生物量碳分別增加了1.37和1.74倍。因此,與土壤細(xì)菌呼吸相類(lèi)似,土壤微生物量碳含量隨熱帶森林恢復(fù)呈現(xiàn)增加的變化趨勢(shì)。

圖2 不同恢復(fù)階段熱帶森林土壤微生物量碳的時(shí)間變化 Fig.2 Temporal variations in soil MBC concentrations across the three restoration stages of tropical forests不同大寫(xiě)或小寫(xiě)字母表示不同恢復(fù)階段、不同月份之間存在顯著差異(P<0.05)

熱帶森林土壤微生物量碳具有顯著的時(shí)間變化(圖2;P<0.05)。高檐蒲桃與白背桐群落中,土壤微生物量碳含量的時(shí)間變化趨勢(shì)為:9月((5.18±0.75)、(2.63±0.58)g/kg)>6月((3.23±0.05)、(2.28±0.50)g/kg)>3月((2.22±0.32)、(1.56±0.42)g/kg)>12月((1.62±0.40)、(0.53±0.45)g/kg)。而崖豆藤群落中,土壤微生物量碳含量的表現(xiàn)為:6月((3.32±0.05)g/kg)>9月((3.19±1.94)g/kg)>3月((1.42±0.44)g/kg)>12月((0.94±0.25)g/kg)。熱帶森林不同恢復(fù)階段的土壤微生物量碳含量時(shí)間變化趨勢(shì)基本一致。

采用指數(shù)回歸模型對(duì)不同恢復(fù)階段土壤微生物量碳含量與細(xì)菌呼吸速率回歸分析(圖3),結(jié)果表明高檐蒲桃群落土壤細(xì)菌呼吸速率隨微生物量碳含量增加呈極顯著的增加趨勢(shì)(P<0.01),而白背桐和崖豆藤土壤呼吸速率與微生物量碳含量則呈顯著的二次增加趨勢(shì)(P<0.05)。不同恢復(fù)階段土壤微生物量碳對(duì)細(xì)菌呼吸速率的解釋率大小順序?yàn)?高檐蒲桃群落(35.30%)>崖豆藤群落(20.80%)>白背桐群落(20.70%)。說(shuō)明恢復(fù)后期土壤細(xì)菌呼吸速率受微生物量碳的影響大于中期及前期。

圖3 不同恢復(fù)階段熱帶森林土壤細(xì)菌呼吸速率與土壤微生物量碳的關(guān)系Fig.3 Relationships between soil bacterial respiration rate and soil MBC concentration in the three restoration stages of tropical forests

2.3 土壤細(xì)菌多樣性與細(xì)菌呼吸之間的關(guān)系

隨著熱帶森林的恢復(fù),土壤細(xì)菌OTU數(shù)目、趙氏指數(shù)和香儂指數(shù)呈顯著增加的變化趨勢(shì)(圖4;P<0.05),其大小順序?yàn)?高檐蒲桃群落((1752.25±194.27)、(2020.99±280.42)、(6.22±0.17))>崖豆藤群落((1592±124.24)、(1782.33±126.19)、(6.15±0.17))>白背桐群落((1307.5±272.72)、(1462.68±307.41)、(5.82±0.29))。高檐蒲桃群落的OTU數(shù)、趙氏指數(shù)和香儂指數(shù)分別是白背桐群落的1.34、1.38倍和1.07倍。但不同恢復(fù)階段土壤細(xì)菌辛普森多樣性指數(shù)差異不顯著(P>0.05)。說(shuō)明熱帶森林群落恢復(fù)提高了土壤細(xì)菌豐度及多樣性。

圖4 土壤細(xì)菌多樣性指數(shù)沿?zé)釒只謴?fù)的變化Fig.4 Variations in soil bacterial diversity across the three restoration stages of tropical forestsOTU:Operational Taxonomic Unit 操作分類(lèi)單元,不同小寫(xiě)字母表示不同恢復(fù)階段之間存在顯著差異(P<0.05)

不同恢復(fù)階段土壤細(xì)菌呼吸與豐富度、多樣性指數(shù)之間相關(guān)分析結(jié)果表明,白背桐群落土壤細(xì)菌呼吸與OTU數(shù)目、香儂指數(shù)顯著正相關(guān)(表3;P<0.05),與趙氏指數(shù)達(dá)到極顯著正相關(guān)水平(P<0.01),與辛普森指數(shù)相關(guān)性不顯著(P>0.05);崖豆藤群落中,土壤細(xì)菌呼吸與香儂指數(shù)顯著正相關(guān)(P<0.05),與辛普森指數(shù)顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),與趙氏指數(shù)和OTU數(shù)目未達(dá)到顯著水平(P>0.05);高檐蒲桃群落中,土壤細(xì)菌呼吸與香儂指數(shù)和趙氏指數(shù)顯著正相關(guān),與OTU數(shù)目和辛普森指數(shù)相關(guān)性不顯著(P>0.05)。說(shuō)明不同恢復(fù)階段細(xì)菌多樣性變化對(duì)土壤細(xì)菌呼吸產(chǎn)生了重要影響。

表3 不同恢復(fù)階段土壤細(xì)菌呼吸與細(xì)菌多樣性指數(shù)的相關(guān)關(guān)系Table 3 Relationship between soil bacterial respiration and bacterial diversity

進(jìn)一步對(duì)3個(gè)恢復(fù)階段土壤細(xì)菌呼吸與香儂多樣性指數(shù)進(jìn)行回歸分析,結(jié)果顯示3個(gè)群落細(xì)菌呼吸速率均隨香儂指數(shù)的升高而增加(圖5;P<0.05或0.01),香儂指數(shù)對(duì)細(xì)菌呼吸速率的貢獻(xiàn)率大小順序?yàn)?高檐蒲桃群落(72.60%)>崖豆藤群落(67.90%)>白背桐群落(64.80%)。說(shuō)明隨著熱帶森林群落的恢復(fù),細(xì)菌多樣性對(duì)細(xì)菌呼吸的影響逐漸增大。

圖5 不同恢復(fù)階段熱帶森林土壤細(xì)菌呼吸速率與香儂指數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between soil bacterial respiration rate and shannon index in the three restoration stages of tropical forests

2.4 土壤細(xì)菌呼吸速率與土壤化學(xué)性質(zhì)的關(guān)系

土壤化學(xué)性質(zhì)沿?zé)釒只謴?fù)呈現(xiàn)增加的變化趨勢(shì),但存在樣地差異性(表4)。其中,土壤有機(jī)碳、全氮、水解氮、銨態(tài)氮及硝態(tài)氮含量和pH值恢復(fù)后期顯著高于恢復(fù)初期,相較于恢復(fù)初期增加了4.27%—58.77%;而土壤易氧化有機(jī)碳含量在恢復(fù)中期達(dá)到最大。

表4 熱帶森林土壤化學(xué)性質(zhì)沿恢復(fù)階段的變化Table 4 Changes in soil chemical properties along the tropical forest restoration

土壤細(xì)菌呼吸和土壤化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性分析可知(表5),不同恢復(fù)階段熱帶森林土壤細(xì)菌呼吸與土壤銨態(tài)氮、全氮和有機(jī)碳達(dá)到極顯著正相關(guān)(P<0.01),與土壤pH顯著正相關(guān)(P<0.05),與土壤硝態(tài)氮、水解氮和易氧化有機(jī)碳未達(dá)到顯著性水平(P>0.05)。說(shuō)明土壤全氮、銨態(tài)氮、有機(jī)碳和pH對(duì)不同恢復(fù)階段熱帶森林土壤細(xì)菌呼吸具有重要影響。

表5 不同恢復(fù)階段土熱帶森林土壤細(xì)菌呼吸與化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系Table 5 Relationships between bacterial respiration and chemical properties in soils of three tropical forest restoration states

2.5 土壤細(xì)菌呼吸與土壤微生物、化學(xué)性質(zhì)變化之間的關(guān)系

采用結(jié)構(gòu)方程模型對(duì)不同恢復(fù)階段熱帶森林土壤微生物、化學(xué)性質(zhì)及土壤細(xì)菌呼吸之間相互關(guān)系分析,結(jié)果表明模型最終解釋了78.5%的細(xì)菌呼吸變化、47.1%的香儂指數(shù)變化及55.2%的土壤微生物量碳變化(圖6)。土壤香儂指數(shù)、微生物量碳、全氮、銨態(tài)氮和pH的升高會(huì)直接引起細(xì)菌呼吸速率增加(P<0.001、0.01或0.05)。其中,香儂指數(shù)和微生物量碳(路徑系數(shù)分別為0.441和0.424)是土壤細(xì)菌呼吸變化的主要貢獻(xiàn)者。土壤總有機(jī)碳通過(guò)影響香儂指數(shù)和微生物量碳間接作用于細(xì)菌呼吸(P<0.001或0.05);土壤銨態(tài)氮通過(guò)引起香儂指數(shù)的升高而對(duì)細(xì)菌呼吸進(jìn)行調(diào)控(P<0.05);土壤全氮含量的增加會(huì)提高微生物量碳,從而促進(jìn)細(xì)菌呼吸(P<0.001)。因此,熱帶森林土壤細(xì)菌呼吸速率變化,主要由細(xì)菌多樣性、微生物量碳及pH的直接調(diào)控以及土壤總有機(jī)碳、全氮和銨氮含量的間接影響。

圖6 不同恢復(fù)階段熱帶森林土壤微生物、化學(xué)性質(zhì)變化及土壤細(xì)菌呼吸間的結(jié)構(gòu)方程模型Fig.6 Structural equation model of soil microbial and chemical properties changes and soil bacterial respiration in tropical forests at different restoration stages圖中箭頭上的數(shù)字表示顯著的標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)圖,***表示P<0.001;**表示P<0.01;*表示P<0.05;BR:土壤細(xì)菌呼吸速率;TN:全氮;銨態(tài)氮;SOC:土壤有機(jī)碳;pH:酸堿度;MBC:微生物量碳;Shannon:香儂指數(shù)

3 討論

3.1 西雙版納不同恢復(fù)階段熱帶森林土壤細(xì)菌呼吸及其季節(jié)變化特征

本研究表明西雙版納熱帶森林恢復(fù)進(jìn)程顯著影響土壤細(xì)菌呼吸動(dòng)態(tài),土壤細(xì)菌呼吸速率表現(xiàn)為恢復(fù)后期(高檐蒲桃群落)顯著高于恢復(fù)前期(白背桐群落)和中期(崖豆藤群落)。這種規(guī)律與土壤微生物量碳及細(xì)菌基因多樣性隨熱帶森林恢復(fù)的變化相一致。這可能是由于隨著熱帶森林的恢復(fù),樣地植被覆蓋率增加、植物群落結(jié)構(gòu)及理化環(huán)境趨于穩(wěn)定與復(fù)雜[41—42],地上與地下凋落物輸入也隨之增加,并刺激了土壤微生物量碳積累[43]和土壤細(xì)菌多樣性的增加[44],進(jìn)而促進(jìn)了土壤細(xì)菌的呼吸活動(dòng)。柳春林等[45]研究亦表明,森林恢復(fù)過(guò)程中植被類(lèi)型及養(yǎng)分歸還的改變會(huì)引起土壤細(xì)菌多樣性變化,并且發(fā)現(xiàn)恢復(fù)后期細(xì)菌多樣性顯著高于前期,從而形成了土壤細(xì)菌呼吸速率隨著恢復(fù)進(jìn)程而增加的變化模式。因此,土壤微生物數(shù)量及多樣性可能是驅(qū)動(dòng)土壤細(xì)菌呼吸隨熱帶森林恢復(fù)變化的重要生物因素。

不同恢復(fù)階段熱帶森林土壤細(xì)菌呼吸速率均具有顯著的季節(jié)變化,且與土壤微生物量碳的時(shí)間變化規(guī)律相一致。這可能是由于西雙版納位于亞熱帶北緣,高溫高濕的微氣候?yàn)橥寥牢⑸锾峁┻m宜的棲息環(huán)境,刺激了微生物數(shù)量增長(zhǎng)及細(xì)菌呼吸作用[46—47]。土壤微生物量碳含量在6、9月份較高,這與前人研究結(jié)果相類(lèi)似[48—49]。這是因?yàn)橄募具m宜的水熱條件會(huì)維持較快的土壤碳周轉(zhuǎn)速率,為土壤微生物提供碳源,刺激土壤微生物量碳的積累[24],進(jìn)而提高了土壤微生物呼吸強(qiáng)度[50—51]。因此,微生物量碳時(shí)間動(dòng)態(tài)是影響熱帶森林土壤細(xì)菌呼吸季節(jié)變化的重要調(diào)控因素。

3.2 土壤細(xì)菌呼吸對(duì)熱帶森林恢復(fù)過(guò)程中微生物量碳及細(xì)菌群落變化的響應(yīng)

相關(guān)分析、回歸分析和結(jié)構(gòu)方程模型結(jié)果表明,土壤微生物量碳含量和細(xì)菌多樣性沿?zé)釒只謴?fù)的增加顯著促進(jìn)土壤細(xì)菌呼吸,成為了細(xì)菌呼吸變化的主控因子。其中,土壤微生物量碳含量對(duì)細(xì)菌呼吸變化的解釋量表現(xiàn)為高檐蒲桃群落顯著大于崖豆藤和白背桐群落,說(shuō)明恢復(fù)后期微生物量碳含量變化對(duì)土壤細(xì)菌呼吸變化具有重要調(diào)控作用。這可能是因?yàn)橄噍^于恢復(fù)中期及早期,恢復(fù)后期地上植物生長(zhǎng)對(duì)土壤養(yǎng)分的需求加大[52—53],加劇了土壤微生物與地上植物對(duì)土壤有機(jī)碳的競(jìng)爭(zhēng),此時(shí)細(xì)菌的繁衍受到了微生物量碳的限制[54]。因此,熱帶森林恢復(fù)引起土壤微生物量碳含量的變化,能夠?qū)ν寥兰?xì)菌呼吸產(chǎn)生顯著影響。

沿?zé)釒只謴?fù)土壤細(xì)菌豐度及群落多樣性的變化對(duì)土壤細(xì)菌呼吸產(chǎn)生了重要影響。土壤細(xì)菌豐富度和多樣性對(duì)細(xì)菌呼吸的貢獻(xiàn)率均表現(xiàn)為高檐蒲桃群落顯著大于白背桐和崖豆藤群落。這表明恢復(fù)后期土壤細(xì)菌類(lèi)群數(shù)、豐度及多樣性的增加對(duì)細(xì)菌呼吸產(chǎn)生了重要促進(jìn)作用?？赡苁怯捎谕寥兰?xì)菌群落變化容易受到環(huán)境因子的影響[55],處于恢復(fù)初期的群落,其郁閉度和表面凋落物較少[56],地面受到的太陽(yáng)直射部分較多,土壤溫濕度不穩(wěn)定[57],導(dǎo)致細(xì)菌類(lèi)群數(shù)、豐富及多樣性的降低[58];隨著森林恢復(fù)的進(jìn)行,輸入土壤的凋落物較多,土壤滲透性、自動(dòng)調(diào)節(jié)能力、保水保溫土壤物理性狀得到改善[59—60],細(xì)菌豐富度和多樣性也得到了提高[61—62]。特別是結(jié)構(gòu)方程模型結(jié)果表明,微生物Shannon多樣性是直接調(diào)控土壤微生物呼吸變化的主要因素,表明細(xì)菌多樣性隨熱帶森林恢復(fù)的逐漸增加時(shí),可能通過(guò)刺激不同功能細(xì)菌類(lèi)群的呼吸活動(dòng),進(jìn)而提高了土壤細(xì)菌總的呼吸水平[63]。

3.3 土壤細(xì)菌呼吸對(duì)熱帶森林恢復(fù)過(guò)程中土壤酸性及碳氮庫(kù)變化的響應(yīng)

土壤pH變化能夠顯著影響熱帶森林土壤細(xì)菌呼吸速率,土壤pH值隨恢復(fù)進(jìn)程而增加刺激土壤細(xì)菌群落發(fā)展及其呼吸作用。這可能是由于土壤酸度增強(qiáng)時(shí)會(huì)抑制大多數(shù)細(xì)菌的生長(zhǎng)和繁殖并可能導(dǎo)致死亡[64],改變土壤細(xì)菌豐度、群落結(jié)構(gòu)及多樣性,進(jìn)而抑制土壤細(xì)菌呼吸;而當(dāng)土壤酸度降低(pH升高)時(shí),會(huì)加快細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖,使得細(xì)菌多樣性增加[65—68],細(xì)菌呼吸速率也隨之增強(qiáng)。因此,熱帶森林恢復(fù)導(dǎo)致土壤pH升高是調(diào)控土壤細(xì)菌呼吸速率的一個(gè)重要因子。

森林恢復(fù)過(guò)程中土壤中碳氮組分的變化是影響細(xì)菌呼吸的重要因素。結(jié)構(gòu)方程模型表明,熱帶森林恢復(fù)導(dǎo)致的土壤有機(jī)碳、全氮和銨態(tài)氮是土壤細(xì)菌呼吸變化的間接調(diào)控因子。土壤有機(jī)碳含量的升高會(huì)增加細(xì)菌多樣性及微生物量碳含量進(jìn)而促進(jìn)細(xì)菌呼吸。這是因?yàn)橥寥烙袡C(jī)碳含量對(duì)土壤微生物代謝及群落發(fā)展具有重要的影響[69],很大程度上決定著土壤細(xì)菌群落動(dòng)態(tài)變化[70],并刺激細(xì)菌的生長(zhǎng)和繁殖,顯著提高細(xì)菌代謝活性及微生物量碳含量[33,70—71],進(jìn)而提高細(xì)菌呼吸速率。土壤氮素的增加,不僅能夠抑制土壤中有害物質(zhì)的產(chǎn)生,為微生物提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境,從而提高微生物物量碳含量[33]及碳礦化速率[72],進(jìn)而促進(jìn)細(xì)菌呼吸。還會(huì)刺激細(xì)菌數(shù)量增長(zhǎng)[73]、改變土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)[74]、提高細(xì)菌多樣性[75],從而影響土壤細(xì)菌的呼吸活動(dòng)[76—77]。因此,熱帶森林恢復(fù)能夠通過(guò)促進(jìn)土壤有機(jī)碳、全氮及銨態(tài)氮含量的積累影響細(xì)菌群落的發(fā)展,進(jìn)而對(duì)熱帶森林土壤細(xì)菌呼吸速率產(chǎn)生間接的調(diào)控作用。

綜上,西雙版納熱帶森林次生恢復(fù),刺激土壤細(xì)菌多樣性、微生物量碳、pH值的升高而直接調(diào)控土壤細(xì)菌呼吸,而土壤有機(jī)碳、全氮和銨態(tài)氮含量的增加,則通過(guò)促進(jìn)土壤細(xì)菌多樣性和微生物量碳而對(duì)熱帶森林土壤細(xì)菌呼吸具有間接調(diào)控作用。研究結(jié)果有助于理解熱帶森林恢復(fù)過(guò)程中土壤細(xì)菌呼吸組分動(dòng)態(tài)特征及其調(diào)控機(jī)制,能為正確評(píng)估熱帶森林恢復(fù)對(duì)溫室氣體排放及全球碳平衡的貢獻(xiàn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。