凍融期去根處理對小興安嶺6種林型土壤微生物量的影響

林尤偉,金光澤

東北林業(yè)大學生態(tài)研究中心, 哈爾濱 150040

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凍融期去根處理對小興安嶺6種林型土壤微生物量的影響

林尤偉,金光澤*

東北林業(yè)大學生態(tài)研究中心, 哈爾濱 150040

春季凍融期,在小興安嶺的闊葉紅松(Pinuskoraiensis)林、谷地云冷杉(Piceakoraiensis-Abiesnephrolepis)林、闊葉紅松擇伐林、白樺(Betulaplatyphylla)次生林、紅松人工林、興安落葉松(Larixgmelinii)人工林的去根處理樣地和對照樣地進行野外取土實驗,分析了根去除對上述林型土壤微生物量的影響以及與土壤環(huán)境因子的關系。結(jié)果表明：凍融循環(huán)期間對照樣地和去根處理樣地的林型、土壤層次、取樣時間均顯著地影響土壤微生物量碳(MBC) (P<0.05),對照樣地中各林型的土壤微生物量氮(MBN)差異顯著,而去根處理樣地中各林型的MBN沒有顯著差異(P>0.05)；凍融循環(huán)期間去根處理顯著地減少了大部分林型及土層(谷地云冷杉林0—10 cm及擇伐林外)的MBC,而去根處理對大部分林型及土層(闊葉紅松林0—10 cm,谷地云冷杉林和擇伐林的10—20 cm除外)的MBN沒有顯著影響。說明在小興安嶺春季凍融期根系對土壤微生物量的影響不可忽視。

凍融循環(huán)；土壤微生物量碳氮；根切除；微生物含量變化；森林土壤

在高緯度地區(qū)的春季,土壤反復凍融是常見的溫度變化現(xiàn)象[1]。凍融通過破壞土壤團聚體和有機質(zhì)結(jié)構(gòu),殺死土壤中的微生物,加快植物殘體破碎化而釋放出植物生長所需要的營養(yǎng)物質(zhì)[2]。土壤的凍結(jié)速度、凍融交替次數(shù)、土壤含水量和微生物不同生長階段等造成土壤微生物的致死程度不同,從而影響微生物群落生理功能和群落結(jié)構(gòu)[3]。土壤覆蓋的植被類型不同,地下生長的根和地表凋落物類型也有所不同,導致土壤有機碳的分布狀況也有很大差異[4]。在多次單尺度(白天2℃,5 h；晚上-4℃,19 h)凍融循環(huán)后,較大的土壤溫差交替加快了不同森林植被類型的土壤微生物碳氮轉(zhuǎn)化速率[5]。

植物根系和凋落物在化學性質(zhì)、向土壤輸入有機質(zhì)的量和方式的不同,其在土壤生態(tài)系統(tǒng)中的作用也有所差異[6]。冬春季土壤中植被的凋落物分解過程在土壤碳輸入中起著重要作用,因此國內(nèi)外相關研究多集中于該期間凋落物分解對土壤碳素循環(huán)的影響[7- 8]。近年來,人們開始關注植物根系和凋落物對CO2釋放量、微生物生物量碳和土壤酶活性的影響。Schaefera等[9]發(fā)現(xiàn),植物根系去除后導致土壤分解凋落物的速率下降；張偉東等[10]研究發(fā)現(xiàn),土壤微生物量的季節(jié)動態(tài)由地下部分的碳輸入決定,而非地上的新鮮凋落物；Clemmensen等[11]發(fā)現(xiàn)在北方森林中的碳含量占很大比例是通過根和它們相關的菌根真菌進行儲存,并得出了在生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)過程中,落葉、樹枝等和植物根系對土壤的碳輸入量大小的比較中根和真菌占優(yōu)勢這一結(jié)論。另外,Campbell等[12]研究表明,冬春季節(jié)根系對土壤的養(yǎng)分吸收有著明顯的影響。然而受試驗方法所限, 對植物根系(凋亡細根和根系分泌物)在碳輸入過程中的作用研究較少,現(xiàn)有的報道也大都采用模擬方法,將細根或有機物質(zhì)添加到土壤中模擬根系周轉(zhuǎn)和根系分泌物的作用[13]。隨著溫室效應的持續(xù)與森林的覆蓋率降低,凍融周期的縮短,根系在凍融循環(huán)期間對森林土壤養(yǎng)分循環(huán)和對微生物活性的影響逐漸被人們所重視。目前,凍融期去根處理對同一氣候區(qū)不同林型的土壤微生物量的影響的研究較為匱乏。

小興安嶺是我國重要的林區(qū)之一,地處北方氣候變化敏感地區(qū)。本研究以東北東部山區(qū)的頂極植被-闊葉紅松(Pinuskoraiensis)林、闊葉紅松林經(jīng)過擇伐后形成的闊葉紅松擇伐林(簡稱擇伐林)、闊葉紅松林皆伐后天然更新的白樺(Betulaplatyphylla)林、皆伐后人工造林的紅松人工林和興安落葉松(Larixgmelinii)人工林以及非地帶性頂極植被-谷地云冷杉(Piceakoraiensis-Abiesnephrolepis)林為研究對象,探討凍融循環(huán)期不同演替階段的林型的土壤微生物量動態(tài)變化特征及其影響因子,分析根系對6種林型土壤微生物量的影響,為了解凍融循環(huán)期該地區(qū)不同演替階段的森林中根系對土壤微生物碳氮循環(huán)過程的影響及其作用機制提供基礎數(shù)據(jù)與科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究在黑龍江涼水國家級自然保護區(qū)(47° 0′ 50″ N, 128° 53′ 20″ E)進行。保護區(qū)位于黑龍江省伊春市帶嶺區(qū),地處小興安嶺南部達里帶嶺支脈的東坡,屬于典型的低山丘陵地貌。本地區(qū)的氣候?qū)儆跍貛Т箨懶韵挠昙撅L氣候,春季到來較晚,降水較少；夏季比較短而且過得快,溫涼多雨；秋季迅速降溫,并帶有早霜現(xiàn)象；冬季漫長且寒冷,干燥。年平均氣溫-0.3℃,年均最高氣溫7.5℃,年均最低氣溫-6.6℃,年平均降水量676 mm,年平均蒸發(fā)量805 mm,無霜期100—125 d,積雪期130—150 d。主要植被類型為我國東北東部山區(qū)的頂極植被-闊葉紅松林。

1.2 實驗設計與方法

本研究選取方圓2 km 內(nèi)的闊葉紅松林、擇伐林、白樺次生林、興安落葉松人工林、紅松人工林,以及谷地云冷杉林為研究對象。闊葉紅松林、擇伐林、白樺次生林位于中坡(海拔分別為460 m,450 m和370 m),興安落葉松人工林和紅松人工林位于中上坡(海拔為400 m和380 m),云冷杉林位于谷地(海拔350 m)；各個林型坡向相似；平均坡度 10—15°。各個林型植被的根系主要集中于0—20 cm土層[14]；地帶性土壤為暗棕色森林土壤。樣地植被組成及概況如表1所示。

土壤含水率(Ws)采用Trime-Pico土壤水分分析儀測定；土壤溫度(Ts)采用土壤溫度儀連續(xù)測定,土壤有機碳(SOC)采用multi N/C 3000 TOC分析儀(Analytic Jena AG, Germany)測定；土壤全氮(TN)采用KjeltecTM2300凱氏定氮儀(Foss Teactor AB, Sweden)進行測定；土壤微生物量采用氯仿熏蒸浸提法進行提取,提取液采用multi N/C 3000分析儀(Analytic Jena AG, Germany)進行測定。土壤微生物量碳(MBC)和土壤微生物量氮(MBN)分別用下式求得[15-16]。

MBC=Ec/0.45

MBN=En/0.45

式中,Ec和En分別為熏蒸和未熏蒸土樣浸提液有機碳,全氮的差值；0.45為校正系數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用方差分析(ANOVA)檢驗林型、土壤層次、采樣時間及其交互作用對MBC和MBN的影響(MBC和MBN均經(jīng)過對數(shù)轉(zhuǎn)換后服從正態(tài)分布)。采用Duncan檢驗比較MBC和MBN在林型、土壤層次和采樣日期之間的顯著性差異。用Pearson 相關系數(shù)評價MBC和MBN與土壤含水量、TOC、TN之間的關系。上述統(tǒng)計分析均使用 SPSS19. 0 統(tǒng)計軟件完成。

表1 小興安嶺6種林型樣地概況和樹種構(gòu)成

*起測胸徑為1 cm

2 結(jié)果

2.1 凍融循環(huán)期間6種林型的土壤理化性質(zhì)

凍融循環(huán)期間各個林型之間對照樣地和去根處理樣地0—10 cm層溫度與10—20 cm層溫度動態(tài)如圖所示 (圖1)。

圖1 凍融循環(huán)期間樣地內(nèi)土壤溫度動態(tài)變化(2013年)Fig.1 Dynamic changes of soil temperature in sampling site during the freeze-thaw cycle (2013)Ⅰ:闊葉紅松林Mixed broadleaved-Korean pine forest;Ⅱ: 谷地云冷杉林Spruce-fir valley forest; Ⅲ:擇伐林Selection cutting forest; Ⅳ:白樺次生林Secondary birch forest;Ⅴ: 紅松人工林Korean pine plantation; Ⅵ: 落葉松人工林Dahurian larch plantation

凍融循環(huán)期間對照樣地的林型間以及土層間的有機碳無顯著差異(P>0.05)；而去根處理樣地的林型間的有機碳差異顯著(P<0.05),土層間的有機碳無顯著差異。對照樣地以及去根處理樣地的總氮(TN)含量均表現(xiàn)出相同的趨勢,即林型間沒有顯著差異,而土層間差異顯著。對照樣地的林型之間以及土層間的含水率有顯著差異；去根處理樣地的林型之間的含水率差異顯著,而土層間含水率沒有顯著差異(表2)。

凍融循環(huán)期間對照樣地的谷地云冷杉林、落葉松人工林的0—10 cm層的土壤有機碳和落葉松人工林、谷地云冷杉林的0—20 cm層的土壤有機碳顯著高于去根處理樣地；紅松人工林0—10 cm、10—20 cm和0—20 cm的含水率以及擇伐林的0—20 cm層的含水率顯著低于去根處理樣地,而闊葉紅松林0—10 cm層的含水率顯著高于去根處理樣地。去根處理對全氮含量無顯著影響(表2)。

表2 凍融循環(huán)期間小興安嶺6種林型的土壤理化性質(zhì)

F: 林型; S: 土層; W: 取樣時間; 不同大寫英文字母表示0—10 cm土層同一處理不同林型間差異顯著, 不同小寫羅馬字母表示10—20 cm土層同一處理不同林型差異顯著, 不同大寫羅馬字母表示0—20 cm土層同一處理不同林型間差異顯著, 不同小寫英文字母分別表示同一林型不同處理間差異顯著(N=15,ɑ=0.05)

2.2 凍融循環(huán)期間不同林型土壤微生物量碳氮的差異

凍融循環(huán)期間對照樣地和去根處理樣地的林型、土壤層次、取樣時間均顯著地影響土壤微生物量碳(MBC)。對照樣地0—20 cm層闊葉紅松林的MBC與谷地云冷杉林的MBC差異顯著(P<0.05),對照樣地的林型間土壤微生物量氮(MBN)、C/N均差異顯著,而土層間差異不顯著(P>0.05)。去根處理樣地中林型對MBN影響不顯著,而土層對MBN的影響顯著,林型、土層對C/N均無顯著影響。

凍融循環(huán)期間去根處理顯著地減少了大部分林型及土層(除谷地云冷杉林0—10 cm層,擇伐林0—20 cm層和10—20 cm層外)的MBC,而去根處理對大部分林型及土層(闊葉紅松林0—10 cm層和0—20 cm層,谷地云冷杉林的10—20 cm層和0—20 cm層除外)的MBN沒有顯著影響,并對大部分林型和土層(白樺次生林的0—10 cm層和0—20 cm層,落葉松人工林的0—10 cm層和0—20 cm層除外)的C/N也沒有顯著影響(表3)。

2.3 凍融循環(huán)期間不同林型土壤微生物量碳氮的動態(tài)

0—10 cm土層中,對照樣地所有林型的MBC的動態(tài)變化基本呈現(xiàn)“W”型,即：凍融循環(huán)伊始(4月22日)開始下降,隨土壤凍融循環(huán)持續(xù)而上升,至第3次、第5次凍融循環(huán)達到峰值(圖2)。與對照樣地相比,去根處理樣地0—10 cm土層的MBC波動幅度相對較小,而在10—20 cm層則波動幅度更小(圖2)。

與MBC相比,凍融期去根處理和對照樣地的MBN的動態(tài)變化在林型和土層間的差異不大(圖3,圖4)。在0—10 cm土層,對照樣地的MBN變化呈現(xiàn)“M”型。到第4次凍融循環(huán)(5月7日)出現(xiàn)第2次高峰。去根處理樣地的MBN動態(tài)則呈現(xiàn)從凍融初期開始上升,在之后一直下降的格局(圖3)。與0—10 cm土層相比,10—20 cm 土層的MBN波動更大,大部分林型都在第3次、第4次凍融循環(huán)期間有所回升,而在凍融末期又繼續(xù)降低(圖3)。

表3 凍融循環(huán)期間小興安嶺6種林型的土壤微生物生物量碳、氮和碳氮比

Table 3 Soil microbial biomass carbon, nitrogen and carbon/nitrogen ratio in 6 forest types in Xiaoxing′an Mountains during the freeze-thaw cycle

林型和因子Foresttypeandfactor土層Soillayer/cm對照樣地Control去根處理樣地Rootsremoval土壤微生物量碳MBC/(mg/kg)土壤微生物量氮MBN/(mg/kg)土壤微生物生物量碳氮比MBC/MBN土壤微生物量碳MBC/(mg/kg)土壤微生物量氮MBN/(mg/kg)土壤微生物生物量碳氮比MBC/MBN闊葉紅松林0—10628.4±77.0a132.0±23.2Aa15.4±3.4337.9±20.1ABb59.4±9.6b8.5±1.5MixedBroadleaved-10—20509.2±56.2a89.1±15.08.8±2.4287.9±42.0ⅱb113.7±30.26.2±1.4Koreanpineforest0—20568.8±15.7Ⅰa110.6±19.1Ⅰa7.7±1.7ⅠⅡ312.9±31.1Ⅱb86.6±19.9b7.3±1.1谷地云冷杉林0—10483.1±56.6116.5±14.9AB4.6±0.5519.8±64.1A109.7±23.811.5±5.8Spruce-firvalley10—20379.7±39.2a107.0±16.8a4.5±0.7241.0±54.1ⅱb50.8±10.9b7.1±1.4forest0—20431.3±47.9Ⅱ111.8±15.9Ⅰa4.6±0.6Ⅱ380.4±59.1ⅠⅡ80.2±17.4b9.3±3.4擇伐林0—10540.9±61.883.7±11.1AB15.7±6.7359.4±53.0AB68.2±14.86.9±1.0Selectioncutting10—20366.1±44.9b52.0±7.9b8.7±1.4510.8±53.5ⅰa137.7±28.9a7.3±1.9forest0—20453.5±53.4ⅠⅡ67.8±9.5Ⅱb12.2±3.4ⅠⅡ435.1±53.3Ⅰ102.9±21.9a7.1±1.0白樺次生林0—10494.3±58.1a86.9±14.1AB8.0±1.3a303.8±38.7Bb84.9±9.64.2±0.7bSecondarybirch10—20502.0±69.3a94.6±17.38.1±1.8259.9±36.4ⅱb95.5±20.35.6±1.5forest0—20498.2±63.7ⅠⅡa90.8±15.7ⅠⅡ8.1±1.4ⅠⅡa281.9±37.6Ⅱb90.2±29.94.9±0.8b紅松人工林0—10458.3±67.3a68.7±8.9B7.7±1.2310.1±38.3Bb81.3±16.77.0±1.8Koreanpine10—20469.9±58.2a88.3±18.715.3±5.9281.3±49.0ⅱb130.7±41.75.4±1.2plantation0—20464.1±62.8ⅠⅡa78.5±13.8ⅠⅡ11.5±3.1ⅠⅡ295.7±43.7Ⅱb105.9±29.26.2±1.4落葉松人工林0—10651.6±65.1a68.2±13.1B14.1±3.3a448.3±40.7ABb106.4±19.16.0±1.0bDahurianlarch10—20444.8±56.5a80.5±12.316.7±7.8a230.1±28.5ⅱb73.7±11.23.9±0.6bplantation0—20548.2±60.8ⅠⅡa74.4±12.7ⅠⅡ15.4±4.6Ⅰa339.2±34.6ⅠⅡb90.1±15.24.9±0.6bFP<0.001P<0.001P=0.027P<0.001P=0.324P=0.189SP<0.001P=0.229P=0.629P<0.001P=0.041P=0.196WP<0.001P<0.001P=0.013P<0.001P<0.001P=0.001S×FP<0.001P<0.001P=0.419P<0.001P<0.001P=0.702S×WP<0.001P<0.001P=0.378P<0.001P<0.001P=0.328F×WP<0.001P<0.001P=0.002P<0.001P<0.001P=0.025W×F×SP<0.001P<0.001P=0.314P<0.001P<0.001P=0.408

F: 林型Forest type; S: 土層Soil layer; W: 取樣時間Sampling times;不同大寫英文字母表示0—10 cm土層同一處理不同林型間差異顯著, 不同小寫羅馬字母表示10—20 cm土層同一處理不同林型差異顯著, 不同大寫羅馬字母表示0—20 cm土層同一處理不同林型間差異顯著, 不同小寫英文字母分別表示同一林型不同處理間差異顯著(N=15,ɑ=0.05)

圖2 凍融循環(huán)期間小興安嶺6種林型的土壤微生物量碳的動態(tài)變化(2013年)Fig.2 The change of 6 forest types soil microbial biomass carbon in Xiaoxing′an Mountains during the freeze-thaw cycle (2013)Ⅰ:闊葉紅松林Mixed broadleaved-Korean pine forest; Ⅱ: 谷地云冷杉林Spruce-fir valley forest; Ⅲ:擇伐林Selection cutting forest; Ⅳ:白樺次生林Secondary birch forest;Ⅴ: 紅松人工林Korean pine plantation; Ⅵ: 落葉松人工林Dahurian larch plantation；不同小寫字母分別表示同一土層不同處理間差異顯著(N=15,ɑ=0.05)

圖3 凍融循環(huán)期間小興安嶺6種林型的土壤微生物量氮的動態(tài)變化(2013年)Fig.3 The change of 6 forest types soil microbial biomass nitrogen in Xiaoxing′an Mountains during the freeze-thaw cycle (2013)

2.4 凍融循環(huán)期土壤微生物量與土壤理化性質(zhì)的關系

凍融期對照樣地MBC與土壤有機碳、全氮顯著負相關,微生物量碳氮和微生物碳氮比均與溫度顯著正相關,含水率均與MBC、MBN和MBC/MBN之間關系均不顯著；去根處理樣地的MBC與土壤溫度則顯著負相關,MBC、MBN和MBC/MBN與土壤有機碳和全氮之間關系均不顯著(P>0.05)(表3)。

3 討論

凍融循環(huán)期間劇烈溫差變化將導致0—20 cm層土壤微生物和植物根系的大量死亡,微生物分解底物的速率下降,造成凍融循環(huán)期間不同林型內(nèi)土壤有機碳和土壤全氮均沒有顯著差異(表2),與Brooks等[17]、Shanley和Chalmers[18]研究相符；隨著凍融循環(huán)的持續(xù),土壤冰水相變和部分殘留的微生物進行繁殖,將降低土壤有機碳和全氮含量[19- 22],導致在本研究中取樣時間顯著影響對照樣地的土壤有機碳含量、土壤全氮含量和土壤含水率(表2),這與Fitzhugh等[23]在凍融期的研究結(jié)果相同。凍融循環(huán)也使不同土壤層中N的吸收程度相異[8,24],造成土層之間的全氮含量差異顯著(表2)。

凍融循環(huán)增加土壤微生物繁殖所需的底物,凍融循環(huán)末期隨著土壤溫度的回升(圖1),微生物開始恢復繁殖,造成本研究中各個林型內(nèi)土壤微生物量碳氮動態(tài)基本呈現(xiàn)“W”型變化(圖2,圖3),與Henry[1]的研究結(jié)果相似。本研究中土壤微生物量碳氮含量波動在54—1051 mg/kg與2.7—494.2 mg/kg之間,低于溫帶其他地區(qū)的研究結(jié)果[25-26],造成這一的差異的原因可能是由于林型不同和取樣時間差異導致。凍融循環(huán)期間土壤微生物逐漸適應強烈的溫差變化,導致土壤中養(yǎng)分含量不斷地被微生物利用分解,導致對照樣地和去根樣地內(nèi)土壤微生物量產(chǎn)生動態(tài)波動[27]。同時凍融循環(huán)期植物和土壤微生物對養(yǎng)分的利用存在相互促進和競爭的關系[6],本研究中闊葉紅松林和白樺次生林生態(tài)系統(tǒng)代謝旺盛(表2),同時根系和土壤微生物之間的相互作用,刺激了土壤微生物的生長和繁殖,土壤微生物含量比其他林型較大。谷地云冷杉林是本地區(qū)的非地帶性頂極群落,其受到針葉分泌物的影響引起微生物分解速率降低[28],同時凍融環(huán)境下較低的土壤溫、濕度又限制了土壤微生物的活動,造成其微生物量碳相對較低,這種差異是森林植被種類和環(huán)境因子共同作用的結(jié)果。

對照樣地的MBC含量與TOC含量極顯著負相關(P<0.01),與TN含量顯著負相關(P<0.05)(表4),MBC和MBN受到溫度影響顯著(表4),與其他相關研究結(jié)果相符[25,29],表明凍融循環(huán)期間在本研究區(qū)有根系的土壤中,土壤有機碳、全氮和溫度是影響土壤微生物量碳氮的關鍵因子；而去根樣地在凍融循環(huán)期間,由于0—10 cm土層中微生物含量受到環(huán)境因子的影響程度較大,且去根樣地內(nèi)缺乏根系對土壤的保護作用,導致各林型0—10 cm的土壤微生物量碳氮顯著低于對照樣地(表3),與其他相關研究結(jié)果相符[29-30]。盡管有研究指出土壤有機碳和全氮是影響土壤微生物量的主要因子[31],但本研究中去根處理樣地的土壤微生物量碳僅受到土壤溫度的顯著影響(表4),與Li等[32]在生長季節(jié)的研究結(jié)果相符合。缺乏根系保護的去根處理樣地內(nèi)土壤環(huán)境受到凍融循環(huán)的影響將更加劇烈,且土壤環(huán)境條件的劇烈變化會改變土壤中有機質(zhì)含量對微生物量的影響[33],這可能是去根處理樣地內(nèi)土壤微生物量碳氮和土壤有機碳和全氮之間無顯著關系的原因(表4)。

土壤微生物生物量碳氮比(MBC/MBN)在一定程度上反映了土壤中真菌和細菌的比例[34]。本研究中對照樣地各林型的土壤微生物MBC/MBN存在顯著差異,而去根處理樣地的各林型的MBC/MBN沒有顯著差異(表3),表明和對照樣地相比,去根樣地內(nèi)的微生物的生長方式和生存策略存在差異,與其他相關研究結(jié)果相符[32,35],但導致去根處理樣地中微生物群落的組成、結(jié)構(gòu)與功能發(fā)生改變的深層原因有待研究。Feng等[36]在研究生長季節(jié)期間地上和地下碳輸入影響比較中,也發(fā)現(xiàn)根系去除使其含量發(fā)生改變。張偉東等[10]發(fā)現(xiàn)杉木(Cunninghamialanceolata)林根系對土壤微生物量的增長具有明顯的促進作用；但是在美國和匈牙利的DIRT(detritus input and removal treatments)實驗中[35],去除根系沒有影響季節(jié)動態(tài)下土壤微生物量碳氮的變化。這些研究表明根系的去除對土壤微生物量的影響因所處區(qū)域和植被類型而存在差異。本研究還發(fā)現(xiàn)去根處理樣地各林型之間的MBN無顯著差異,可能與缺乏根系分泌物對土壤中N的分解作用有關[13,37]。關于在凍融期植物根系的缺失是如何引起微生物群落組成的改變,需加入微觀數(shù)據(jù)來揭示其內(nèi)在機制。

表 4 凍融循環(huán)期間土壤微生物量碳、氮和土壤理化性質(zhì)的相關分析

Table 4 Correlation coefficients between soil microbial biomass carbon, nitrogen, soil microbial carbon/nitrogen, and soil physicochemical properties

因子Factor對照樣地Control去根處理樣地Rootsremoval總有機碳Totalorganiccarbon全氮Totalnitrogen含水率Soilwatercontent溫度Soiltemperature總有機碳Totalorganiccarbon全氮Totalnitrogen含水率Soilwatercontent溫度Soiltemperature土壤微生物量碳Soilmicrobialbiomasscar-bon-0.202**-0.193*-0.0660.211**-0.0920.1340.129-0.249**土壤微生物量氮Soilmicrobialbiomassnitrogen0.0410.09-0.0200.246**-0.0370.1430.114-0.111土壤微生物量碳氮比Soilmicrobialbiomasscarbon/nitrogen0.07-0.12-0.0260.163*-0.013-0.032-0.063-0.037

*P<0.05; **P<0.01

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Effects of root resectioning on soil microbial biomass in six forest types in the Xiaoxing′an Mountains during freezing-thawing cycles

LIN Youwei, JIN Guangze*

CenterforEcologicalResearch,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China

Freeze-thaw cycles are the key drivers of soil carbon cycling in cold zone ecosystems. Recent theoretical and empirical work suggests that roots enhance the sequestration of soil carbon and the stability of soil microbial biomass. The rhizosphere—the layer of soil influenced by plant roots—is considerably richer in microbial diversity than the surrounding bulk soil. However, the effects of roots on microbial ecological processes and the potential mechanisms remain unclear. Investigating the effects of rhizosphere microbial changes in soils without roots in the northeast forests can therefore provide scientific support for vegetation restoration and ecological reconstruction in this region. This study focused on the changes in microbial biomass in forest soils without plant roots in the Xiaoxing′an Mountains during the freeze-thaw cycle. The experiment was conducted in six typical forest types: virgin mixed broadleaved-Korean pine (Pinuskoraiensis) forest, spruce-fir (Piceakoraiensis-Abiesnephrolepis) valley forest, secondary birch (Betulaplatyphylla) forest, Korean pine plantation, and Dahurian larch (Larixgmelinii) plantation. In 2010, we randomly selected three plots (20 m × 30 m) each of which contained three root-trenched subplots (2 m × 2 m) in each forest type. Soil samples from 0—10 cm and 10—20 cm soil layers were randomly selected weekly in the six forest types from April to May 2013 (the freeze-thaw cycle). We used trenching methods, randomly set three subplots (2 m × 2 m) without roots inside of each 20 m × 30 m plot. Furthermore, we randomly set three (2 m × 2 m) control plots; with the root resection plots about 1 m apart. We measured the variability of rhizosphere microbial biomass in different soil layers associated with six forest types during the freeze-thaw cycle. We preformed the fumigation-extraction method to collect samples, and used the Analytic Jena 3000 to analyze soil microbial carbon and nitrogen contents. We observed significant differences in soil microbial biomass and soil nutrient stability between the root resection and control plots. The microbial biomass carbon (MBC) of the root resection plots was significantly different than that of the control plots. However, no significant difference was observed in microbial biomass nitrogen (MBN) between these two treatments in each forest type (P> 0.05). In the control plots, the MBC was significantly negatively correlated with soil organic carbon, and total nitrogen (P< 0.05); MBC, MBN, and the microbial carbon and nitrogen ratio (MBC/MBN) were all significantly positively related to temperature; and soil water content between MBC, MBN, and MBC/MBN were not significantly different. In the root removal plots, MBC and soil temperature had a significant negative correlation, and the influence of soil organic carbon and total nitrogen were not significant (P> 0.05) on MBC, MBN, and MBC/MBN. Our results suggest that forest areas lacking root and soil protection would see reductions in soil MBC, and the microbial biomass sequestration in these forest soils would be negatively influenced during the freeze-thaw cycle. The capacity of rhizobacteria to metabolize carbon sources was stronger in communities associated with roots than without roots. Our results also suggest that rhizobacteria from associated species have distinct carbon metabolism characteristics.

freeze-thaw cycles; microbial biomass carbon; microbial biomass nitrogen; root resection; microbial content changes; forest soils

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項資助項目(201204320)；長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃(IRT_15R09)

2015- 01- 30;

日期:2016- 01- 15

10.5846/stxb201501300246

*通訊作者Corresponding author.E-mail: taxus@126.com

林尤偉,金光澤.凍融期去根處理對小興安嶺6種林型土壤微生物量的影響.生態(tài)學報,2016,36(19):6159- 6169.

Lin Y W, Jin G Z.Effects of root resectioning on soil microbial biomass in six forest types in the Xiaoxing′an Mountains during freezing-thawing cycles.Acta Ecologica Sinica,2016,36(19):6159- 6169.