土壤跳蟲在碳循環(huán)中的作用——13C示蹤研究

徐國良，王敏，張衛(wèi)信，夏漢平，王嘉珊，吳志峰*

1. 廣州大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州510006；2. 中國科學(xué)院華南植物園，廣東 廣州 510650；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100039

土壤跳蟲在碳循環(huán)中的作用——13C示蹤研究

徐國良1，王敏2,3，張衛(wèi)信2，夏漢平2，王嘉珊1，吳志峰1*

1. 廣州大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州510006；2. 中國科學(xué)院華南植物園，廣東 廣州 510650；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100039

摘要：土壤動(dòng)物在土壤碳庫中發(fā)揮著重要的作用，但長(zhǎng)期以來受技術(shù)手段的限制，其作用過程及貢獻(xiàn)程度仍不清楚。該研究通過室內(nèi)微宇宙實(shí)驗(yàn)，利用穩(wěn)定碳同位素標(biāo)記凋落物和模式跳蟲實(shí)驗(yàn)種（Folsomia Candida）探索了土壤動(dòng)物在碳循環(huán)中的作用。試驗(yàn)設(shè)置了3個(gè)處理：對(duì)照土壤、土壤加標(biāo)記凋落物、土壤加標(biāo)記凋落物和跳蟲，每處理設(shè)4個(gè)重復(fù)，分別在實(shí)驗(yàn)開始的第7、21、63天進(jìn)行破壞性取樣。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，凋落物新碳可以很快進(jìn)入土壤食物網(wǎng)。試驗(yàn)跳蟲δ13C原始值為-9.91‰±0.08‰，經(jīng)過7天的培養(yǎng)，跳蟲體內(nèi)的δ13C值達(dá)到522.70‰，表明跳蟲能在短時(shí)間內(nèi)高效同化來自凋落物的新碳；土壤微生物群落也顯著地同化了凋落物新碳，添加凋落物后微生物PLFAs δ13C值極顯著升高，這種效應(yīng)在試驗(yàn)初期尤其顯著；同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)在添加跳蟲的處理中，微生物δ13C比無跳蟲處理的極顯著升高，反映跳蟲的存在和活動(dòng)對(duì)微生物有積極的能動(dòng)作用，增加微生物對(duì)凋落物新碳的同化效率。雖然7 d后發(fā)現(xiàn)凋落物新碳明顯進(jìn)入了土壤，然而添加跳蟲處理的土壤δ13C顯著低于沒有加跳蟲的，說明跳蟲的活動(dòng)可能促使了更多新C釋放出土壤，從而降低了土壤的δ13C值。不同處理之間累計(jì)呼吸量存在顯著差異，有凋落物和跳蟲存在的處理極顯著高于對(duì)照處理，表明實(shí)驗(yàn)處理都顯著地增加了系統(tǒng)CO2通量；通過對(duì)C來源的同位素解析，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)初期（21 d）有85%以上的C都來自凋落物新碳，表明初期凋落物新C大量釋放；但隨著凋落物分解的進(jìn)行或跳蟲活動(dòng)的增強(qiáng)，土壤C的利用效率逐步增加，使得通量中土壤C的比例逐漸增加。本研究通過比較完善的控制實(shí)驗(yàn)明確證實(shí)，在土壤動(dòng)物和微生物的作用下，凋落物新C可以很快進(jìn)入碳循環(huán)，但新C也很容易通過呼吸作用釋放回到大氣，尤其在初期，絕大部分排放的CO2都源自新C。土壤跳蟲在食物網(wǎng)中的作用明顯，對(duì)土壤微生物具有顯著的調(diào)控作用。

關(guān)鍵詞：跳蟲；同位素；碳循環(huán)

引用格式：徐國良，王敏，張衛(wèi)信，夏漢平，王嘉珊，吳志峰. 土壤跳蟲在碳循環(huán)中的作用——13C示蹤研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 24(7): 1103-1107.

XU Guoliang, WANG Min, ZHANG Weixin, XIA Hanping, WANG Jiashan, WU Zhifeng. Role of Collembola in Carbon Transformation——A13C-labelling Study [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(7): 1103-1107.

陸地碳循環(huán)是全球關(guān)注的焦點(diǎn)問題之一（Heimann et al.，2008），而土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫（Schimel，1995；Hagedorn et al.，2001）。土壤動(dòng)物是陸地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。近年來，有關(guān)土壤動(dòng)物對(duì)土壤碳循環(huán)的物理、化學(xué)和生物過程的貢獻(xiàn)受到越來越多關(guān)注。已有研究表明，土壤動(dòng)物在土壤有機(jī)質(zhì)礦化、腐殖質(zhì)形成和分解、植物營養(yǎng)元素轉(zhuǎn)化等過程中起著不可替代的作用（Edwards et al.，2004；Jegou et al.，2001；張衛(wèi)信等，2007；Coleman et al.，1996；Nakamura et al.，2007；Persson，1983；Hunt et al.，1987）。

利用同位素技術(shù)進(jìn)行土壤動(dòng)物生態(tài)學(xué)研究作為一種原位無干擾研究方法，使人們可以更好地了解土壤動(dòng)物群落的結(jié)構(gòu)與功能過程。Briones et al. （1999a）曾利用13C自然豐度研究跳蟲對(duì)食物的選擇性，這與傳統(tǒng)的觀察法和腸道內(nèi)含物分析方法相比，不僅省時(shí)省力，而且重現(xiàn)性好。同時(shí)，同位素技術(shù)在土壤動(dòng)物功能群的劃分中也起著重要的作用，所謂功能群是指以相似的方式對(duì)某一過程產(chǎn)生影響的一組生物，而土壤動(dòng)物體組織的同位素豐度信息能夠?yàn)槲覀冭b定出土壤中一系列的功能群提供非常有價(jià)值的信息（Briones et al.，1999b）。所有這些研究都表明穩(wěn)定同位素技術(shù)在土壤動(dòng)物生態(tài)學(xué)的相關(guān)領(lǐng)域有著廣闊應(yīng)用前景。

土壤跳蟲與螨類構(gòu)成了中小型土壤動(dòng)物的重要組分（陳建秀等，2007）。它分布廣泛，從極地、阿爾卑斯苔原到沙漠和熱帶雨林，都能觀察到跳蟲活動(dòng)的蹤跡；它們的密度也相當(dāng)驚人，能達(dá)到700萬只/m2（Rusek，1998）。同時(shí)它們?cè)谕寥郎鷳B(tài)系統(tǒng)中扮演著極為重要的功能角色，能參與土壤物質(zhì)循環(huán)、提高土壤肥力、改善土壤理化特性、維持土壤生物群落，以及在土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)、污染監(jiān)測(cè)、污染土壤的生物修復(fù)等方面起重要作用（陳建秀等，2007）。目前已有許多關(guān)于土壤跳蟲對(duì)微生物和土壤養(yǎng)分影響的研究，然而關(guān)于土壤跳蟲對(duì)凋落物層C進(jìn)入到土壤中的貢獻(xiàn)程度的研究卻較少（Chamberlain et al.，2006）。因此，本研究在室內(nèi)微宇宙系統(tǒng)中，以土壤跳蟲為研究對(duì)象，利用穩(wěn)定同位素技術(shù)手段開展實(shí)驗(yàn)。本研究試圖驗(yàn)證以下假設(shè)：土壤跳蟲的存在能夠調(diào)控微生物活性并在C循環(huán)中有積極的能動(dòng)作用。

1　材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)土壤取自鼎湖山自然保護(hù)區(qū)針闊葉混交林。凋落物來自于13C標(biāo)記過的荷木葉。跳蟲為實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)種。

實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)微宇宙系統(tǒng)進(jìn)行。微宇宙系統(tǒng)建立在塑料容器內(nèi)（內(nèi)徑10.5 cm，高12 cm），蓋子涂上適量的凡士林，以確保微宇宙系統(tǒng)能夠完全密封，同時(shí)又能確保有足夠的空間。稱取100 g滅菌土放在150 mL的燒杯內(nèi)，該燒杯放于微宇宙系統(tǒng)的底部，一個(gè)裝有20 mL 1M NaOH的50 mL燒杯也放于系統(tǒng)內(nèi)用于吸收呼出的CO2。實(shí)驗(yàn)開始后，將30 g新鮮土壤和300 mL滅菌水混合制成土壤懸浮液，10 mL土壤懸浮液加入100 g干土中，再用滅菌水調(diào)節(jié)土壤含水量，維持在土壤最大持水量的60%。根據(jù)實(shí)驗(yàn)最初的含水量，每隔一周調(diào)節(jié)一次土壤含水量。稱取被標(biāo)記的凋落物葉1 g放入土壤表面（40個(gè)微宇宙），添加30只成年跳蟲（20個(gè)微宇宙）。實(shí)驗(yàn)一共設(shè)置了3個(gè)處理：（1）對(duì)照土壤（S）；（2）土壤加標(biāo)記凋落物（SL）；（3）土壤加標(biāo)記凋落物和跳蟲（SLC）。分別在實(shí)驗(yàn)開始后的第7、21、63天進(jìn)行破壞性取樣，每次取樣的微宇宙?zhèn)€數(shù)為12個(gè)，即每個(gè)處理4個(gè)重復(fù)。

1.2樣品采集與前處理

用鑷子從土壤表面小心地取出未被分解的凋落物葉，于60 ℃烘干并稱重，球磨儀磨碎，并過80目篩，用于測(cè)定δ13C和碳氮含量。一部分土壤用于提取土壤跳蟲；一部分土壤用于測(cè)定土壤微生物的PLFAs，測(cè)定PLFAs所剩提取液再用來測(cè)定土壤微生物δ13C；剩余的土壤自然風(fēng)干，研磨過80目篩，用于測(cè)定δ13C、土壤有機(jī)碳和土壤易氧化有機(jī)碳。提取的跳蟲計(jì)數(shù)后，冷凍干燥，用于測(cè)定δ13C。

呼出的CO2用20 mL 1 M NaOH吸收，破壞性取樣后，先用5 mL飽和的BaCl2溶液沉淀，再用0.5 M鹽酸滴定，根據(jù)滴定的鹽酸量來計(jì)算呼出的CO2速率（用mg·hr-1表示）。將生成的BaCO3沉淀轉(zhuǎn)移至50 mL離心管中，加入適量去離子水，手工搖動(dòng)，并在2500 rpm下離心2 min，棄去上層液體，此過程反復(fù)多次，直到上層液體pH達(dá)到中性（6.8～7.0），之后將沉淀物于80 ℃烘48 h（Sven et al.，2007），用于測(cè)定CO2的δ13C。

1.3指標(biāo)測(cè)定

跳蟲用干漏斗法提取并保存在酒精（90%）中，在體視顯微鏡下統(tǒng)計(jì)其數(shù)量。土壤水分含量在105℃下烘24 h測(cè)定；土壤pH值用校正后的pH計(jì)測(cè)定；土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定；易氧化有機(jī)碳（ROC）利用333 mmol·L-1高錳酸鉀氧化法測(cè)（Blair et al.，1995，1997）。凋落物全碳的測(cè)定方法同土壤全碳的測(cè)定方法；凋落物全氮經(jīng)凱式消解后靛酚藍(lán)比色法測(cè)定。微生物提取流程主要參照Bossiod et al.（1998）的方法；土壤微生物多樣性用磷脂脂肪酸法分析。所有樣品的δ13C均用IsoPrime 100穩(wěn)定性同位素比值儀測(cè)定。

1.4統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 16.0軟件處理，圖表用Origin 8.0和Excel 2013完成。所有的數(shù)據(jù)都進(jìn)行了方差齊性檢驗(yàn)，顯著性水平以P<0.05表示，方差分析的顯著差異用LSD多重比較。跳蟲δ13C值采用單因素方差分析。重復(fù)測(cè)量的變量（土壤δ13C，PLFAs的δ13C，CO2速率，CO2δ13C）采用重復(fù)測(cè)量方差分析。

2　結(jié)果與分析

2.1土壤碳同位素豐度變化

不同微宇宙系統(tǒng)的土壤δ13C有顯著差異（F=30.885，P<0.01，圖1），SL和SLC處理中土壤δ13C都比對(duì)照（S）處理顯著升高，表明凋落物新碳明顯進(jìn)入了土壤。同時(shí)，SLC系統(tǒng)土壤δ13C比SL顯著降低，可能是因?yàn)樘x的活動(dòng)，能夠促使更多的新C釋放出土壤，因而降低了土壤的δ13C值。

2.2跳蟲和土壤微生物13C豐度的變化

跳蟲體內(nèi)的δ13C的變化反映了其同化新碳的情況。試驗(yàn)所添加的跳蟲δ13C原始值為-9.91‰± 0.08‰，經(jīng)過7 d的培養(yǎng)，跳蟲體內(nèi)的δ13C極顯著增加，達(dá)到了522.70‰（圖2A），這表明跳蟲能在短時(shí)間內(nèi)高效地同化來自凋落物的新碳。之前的一些研究也得到了類似的結(jié)果，Deniro et al.（1978）在研究動(dòng)物體內(nèi)同位素組成和食物同位素組成時(shí)發(fā)現(xiàn)，兩者之間的碳同位素比值相差非常小。Endlweber et al.（2009）也證明跳蟲體內(nèi)的13C來源于它的食物。這說明，跳蟲體內(nèi)的δ13C豐度與其食物環(huán)境直接相關(guān)，而且跳蟲可以高效地反映環(huán)境C同位素豐度的變化。

圖1　不同處理土壤δ13C隨時(shí)間的變化Fig 1 Bulk δ13C values of soil in microcosms of soil; soil and litter; soil, litter and Collembola

不同處理之間，土壤微生物PLFAsδ13C存在極顯著差異（F=28.043，P<0.01，圖2B）。包含凋落物的處理比對(duì)照處理微生物PLFAsδ13C顯著為高，這表明凋落物新碳顯著被同化進(jìn)入了土壤微生物群落，而且初期這種效應(yīng)尤其顯著，表明微生物對(duì)凋落物新碳的偏好。另外，添加跳蟲的SLC處理比無跳蟲的SL處理δ13C顯著為高，反映了跳蟲的存在和活動(dòng)可以極顯著地激發(fā)微生物作用，增加微生物對(duì)凋落物新碳的同化。許多研究認(rèn)為，跳蟲對(duì)于C、N的礦化是通過影響微生物結(jié)構(gòu)、真菌齡級(jí)、基質(zhì)條件等產(chǎn)生作用（Seastedt，1984；Teuben，1991；Satoshi et al.，2008）。在以往的研究中，一般也認(rèn)為跳蟲種F. candida并不直接取食凋落物葉，而是主要以真菌為食，也即通過取食微生物進(jìn)而間接同化凋落物新碳，它們的存在與活動(dòng)可以通過調(diào)控微生物實(shí)現(xiàn)對(duì)新C輸入的影響。

2.3CO2通量的響應(yīng)

不同處理之間累計(jì)呼吸量有顯著差異（F=96.859，P<0.001，表1）。有凋落物和跳蟲存在的處理極顯著高于對(duì)照處理，表明凋落物和跳蟲的添加顯著地增加了系統(tǒng)CO2通量。雖然整體上SL 和SLC處理之間沒有顯著差異，然而試驗(yàn)21 d，跳蟲個(gè)體數(shù)量開始顯著增加后，SLC處理排放的CO2開始高于SL處理。

表1　不同微宇宙系統(tǒng)累積CO2通量Table 1 Cumulative CO2respired from microcosms over the 63-d experimental period

通過對(duì)C來源的解析，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)初期，幾乎所有的C都來自凋落物（表2）；21 d后，來自土壤的C開始增加；兩個(gè)月后，系統(tǒng)排放的C過半來自土壤。表明初期微生物明顯偏好凋落物新C，但隨著凋落物分解的進(jìn)行或跳蟲活動(dòng)的增加，微生物逐漸更多地利用土壤中的老C。

圖2　不同時(shí)間土壤跳蟲（A）和土壤微生物（B）同位素豐度 (n=4)Fig. 2 The bulk δ13C values of Collembola (A) and soil microbes (B). Values with the different letter are significantly different (P<0.01) (n=4)

表2　CO2中的C來自凋落物(flitter)和土壤(fsoil)的比率Table 2 The proportion of litter- and soil-derived CO2

3　結(jié)論

通過13C同位素標(biāo)記示蹤技術(shù)，分析了凋落物新C在跳蟲和微生物作用下的循環(huán)過程。研究證實(shí)，凋落物新C可以很快被土壤食物網(wǎng)同化，而且土壤微生物對(duì)新鮮凋落物具有明顯的偏好。雖然如此，新C也很容易通過呼吸作用釋放回到大氣中，尤其在初期，絕大部分排放的C都源自凋落物。土壤跳蟲在食物網(wǎng)中的作用明顯。它們可以短時(shí)間內(nèi)間接同化大量的外源新C；同時(shí)跳蟲對(duì)土壤微生物具有顯著的功能性調(diào)控作用，在跳蟲活動(dòng)的激發(fā)作用下可以顯著提高土壤微生物對(duì)新C的同化效率。

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Role of Collembola in Carbon Transformation——A13C-labelling Study

XU Guoliang1, WANG Min2, 3, ZHANG Weixin2, XIA Hanping2, WANG Jiashan1, WU Zhifeng1*
1. School of Geographical Sciences, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China; 2. South China Botanical Garden, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510650, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China

Abstract:Terrestrial carbon cycle is one of the key issues in the world. Soil fauna play essential roles in soil ecosystem which is the largest terrestrial carbon sink. However, both the contributions of soil fauna to carbon transformation and the underlying mechanisms are still unclear. The isotope technology provided an useful method to quantify the key processes in soil food web and material cycling. In this study,13C-labeled leaf litter was used to investigate the effect of the Collembola (Folsomia Candida) on carbon transformation in laboratory microcosms. Three treatments were set up: (1) soil (control, S), (2) soil and labeled litter (SL), and (3) soil, labeled litter and Collembola (SLC). Each treatment has four replicates. These microcosms were destructively sampled on day 7, 21, 63 after the experiment initiation. The results showed that litter-derived C was incorporated into soil biota rapidly. The original δ13C values of Collembola was -9.91‰±0.08‰, and it reached 522.70‰ after 7 days of incubation indicating that Collembola could efficiently assimilate this newly introduced litter-derived C. Similarly, the δ13C values in PLFAs increased significantly, especially at the initial experimental stage. In addition, the presence of Collembola significantly promoted the PLFAs δ13C suggesting that Collembola could accelerate the microbial assimilation of litter carbon. Unexpectedly, treatment SLC exhibited significantly lower δ13C values than treatment SL. This may indicate that the presence of Collembola stimulated the release of newly metabolized litter C. Both of the treatments stimulated CO2flux significantly. By C isotope analysis, over 85% of the mineralized C derived from litter at the initiation state (21 days), demonstrating that new C from fresh litter tended to release back to atmosphere with active soil biota. Thereafter, the contribution of soil-derived C to the CO2emission increased. This study proved that new C from litter could participate in soil C cycling rapidly, especially in systems with active soil biota. While, the newly introduced litter C was also readily to be respired as CO2. In spite of the small size, Collembola had a priming effect on microbes in the litter-soil environment and, thus, contributed to the functioning of soil food web.

Key words:collembola; stable isotope; carbon transformation

收稿日期：2015-06-14

*通信作者：吳志峰。E-mial: gzuwzf@163.com

作者簡(jiǎn)介：徐國良，男，博士，副研究員，主要從事土壤動(dòng)物多樣性及與環(huán)境變化關(guān)系研究。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31270560；41571247）；973子課題（2011CB403205）；廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2014A030313532）；廣州市屬高?？蒲许?xiàng)目（1201410805）

中圖分類號(hào)：X17

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5906（2015）07-1103-05

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.07.003