模擬氮沉降對(duì)華西雨屏區(qū)天然常綠闊葉林凋落葉分解過程微生物生物量的影響

魏圣釗,趙 倩,廖泯權(quán),周世興,何 聰,王 雷,黃從德

四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 成都 611130

氮沉降的增加使許多陸地生態(tài)系統(tǒng)氮飽和,改變了森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,產(chǎn)生了嚴(yán)重的危害,甚至導(dǎo)致歐美一些區(qū)域森林衰退[1]。目前,中國已成為僅次于歐洲和北美的全球第三大氮沉降區(qū)[2]。氮沉降作為最為重要的全球變化問題之一,正在改變著人類賴以生存的環(huán)境[3]。

微生物生物量既可以代表參與物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)等過程中的微生物數(shù)量和活性,又在森林生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分循環(huán)中具有重要的地位[4- 5]。在全球氮沉降背景下,大氣氮沉降增加可能通過對(duì)微生物的影響而深刻地影響著森林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)換過程,進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定[6]。因此,氮沉降對(duì)微生物生物量的影響引起了國內(nèi)外生態(tài)學(xué)家的廣泛關(guān)注。研究表明,氮沉降對(duì)森林土壤微生物的影響有抑制、促進(jìn)和無影響三種結(jié)果[4]。Van Diepen等[7]研究發(fā)現(xiàn),美國北部硬闊林在12 a氮沉降后,土壤微生物總量下降了24%。周嘉聰?shù)萚6]研究發(fā)現(xiàn),低氮沉降增加了中亞熱帶米櫧天然林土壤微生物生物量。而王暉等[8]在鼎湖山自然保護(hù)區(qū)3種森林生態(tài)系統(tǒng)中進(jìn)行的氮沉降實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),氮沉降增加并沒有對(duì)土壤微生物生物量碳產(chǎn)生顯著影響?？梢?已有的研究更關(guān)注氮沉降對(duì)土壤微生物生物量的影響。而凋落物分解過程中微生物生物量作為反映凋落物分解過程最為關(guān)鍵的指標(biāo)之一,相關(guān)研究還十分缺乏,這不利于深入理解氮沉降對(duì)凋落物分解影響的內(nèi)在機(jī)制。

華西雨屏區(qū)作為我國西部地區(qū)陰冷潮濕的罕見氣候地理單元,是一個(gè)大尺度、復(fù)合性的生態(tài)過渡帶[9]。區(qū)域內(nèi)分布的亞熱帶天然常綠闊葉林,林分結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多樣性高,是我國西部生態(tài)屏障的重要組成部分[10]。該地區(qū)降水量豐富,成都平原工農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的NOX受其特殊氣候和地形的影響而隨雨水大量沉降于該區(qū)。2010年華西雨屏區(qū)年總N沉降量為9.5 g N m-2,氮沉降量水平較高,且有逐年增加的趨勢(shì)[11],使其成為研究氮沉降的理想實(shí)驗(yàn)室?；诖?本實(shí)驗(yàn)在華西雨屏區(qū)天然常綠闊葉林內(nèi),采用凋落葉分解袋法,研究了模擬氮沉降對(duì)凋落葉分解過程中微生物生物量的影響,為揭示氮沉降對(duì)凋落物分解的影響機(jī)制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本研究主要回答以下問題：(1)模擬氮沉降對(duì)華西雨屏區(qū)常綠闊葉林凋落葉分解過程中微生物生物量有何影響？(2)模擬氮沉降對(duì)華西雨屏區(qū)常綠闊葉林凋落葉分解過程中微生物生物量比有何影響？

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于四川省雅安市碧峰峽風(fēng)景區(qū)(102°59′E,30°04′N),屬亞熱帶季風(fēng)型氣候。年均氣溫為16.2℃,最冷月1月,最熱月7月。日照長(zhǎng)度為1039.6 h,年降水量約1770 mm。實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)植物豐富,群落復(fù)雜。主要樹種有木荷(Schimasuperba)、總狀山礬(Symplocosbotryantha)、硬斗石櫟(Lithocarpushancei)、海桐(Pittosporumtobira)、潤(rùn)楠(Machiluspingii)和肉桂(Cinnamomumcassia)等。土壤類型為黃壤,厚度大于60 cm,立地條件基本一致[12]。

1.2 研究方法

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)地的設(shè)置及氮沉降處理

2016年1月,在碧峰峽景區(qū)典型的天然常綠闊葉林內(nèi)建立12個(gè)5 m×5 m的樣方并編號(hào),樣方間設(shè)>5 m的緩沖帶,樣方四周用PVC板材圍起。實(shí)驗(yàn)設(shè)置對(duì)照(CK, 0 g N m-2a-1)、低氮(LN, 5 g N m-2a-1)、中氮(MN, 15 g N m-2a-1)和高氮沉降(HN, 30 g N m-2a-1)4個(gè)處理,每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。將年增氮量平均24等分,從2016年3月中旬起,每15 d用NH4NO3模擬氮沉降。將NH4NO3溶于2 L水,用噴霧器均勻噴灑至相應(yīng)樣地,對(duì)照樣方則噴施2 L水。

1.2.2 凋落葉的收集

2016年2月,在天然闊葉林中收集主要樹種的凋落葉,并帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干,在風(fēng)干過程后將凋落葉充分混勻,保證凋落物組成比例一致。稱取15.0 g自然風(fēng)干的凋落葉,裝入大小為20 cm×20 cm,孔徑為3 mm的尼龍網(wǎng)袋中。于2016年3月中旬,去除樣地表面凋落物層,在每個(gè)樣方之中均勻放置18袋。隨后每隔2個(gè)月在每個(gè)樣方中隨機(jī)采集凋落袋3袋,除去樣品中的泥土和異物后,裝入已滅菌的封口聚乙烯袋于4℃保存,以備測(cè)定微生物生物量。

1.2.3 測(cè)定方法

凋落葉分解過程中的微生物生物量碳和氮采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法制取待測(cè)液。分別采用K2Cr2O7氧化-FeSO4滴定法和半微量凱氏定氮法測(cè)定MBC和MBN含量。MBC和MBN的轉(zhuǎn)換系數(shù)分別為EC(0.45)[13]和EN(0.45)[14]。微生物生物量磷采用氯仿熏蒸-NaHCO3浸提法制取待測(cè)液。采用鉬銻抗比色法測(cè)定MBP含量。MBP的轉(zhuǎn)換系數(shù)為EP(0.5)[15]。以凋落物每單位干重的含量表示分析結(jié)果。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析與處理

使用Origin 9.3軟件制圖,SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)分析。用單因素方差分析法(one-way ANOVA)比較各個(gè)采樣時(shí)間時(shí)凋落物中微生物生物量在各處理間的差異性,重復(fù)測(cè)量方差分析法(Repeated-measures ANOVA)比較整個(gè)試驗(yàn)期間微生物生物量的差異性,差異性水平設(shè)置為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬氮沉降對(duì)凋落葉分解過程中微生物生物量碳的影響

圖1 不同施氮處理下凋落葉分解過程中的MBC動(dòng)態(tài) Fig.1 Dynamic of microbial biomass C during the decomposition of litters of different N treatmentCK：對(duì)照 control;LN：低氮沉降 low nitrogen deposition;MN：中氮沉降 medium nitrogen deposition;HN：高氮沉降 high nitrogen deposition;圖中不同的字母代表不同施氮處理間存在顯著差異

由圖1可知,凋落葉分解過程中的MBC在分解120 d時(shí)最高,在分解300 d時(shí)最低。與CK相比,LN處理的MBC在凋落葉分解過程中總體上表現(xiàn)為顯著增加;MN處理的MBC在分解180 d前顯著增加,分解240 d后顯著降低;HN處理的MBC在分解過程中顯著降低。重復(fù)測(cè)量方差分析表明(表1),LN和MN處理顯著增加了凋落葉分解過程中MBC,以LN增加幅度最高;HN處理顯著降低了分解過程中MBC。

2.2 模擬氮沉降對(duì)凋落葉分解過程中微生物生物量氮的影響

由圖2可知,凋落葉分解過程中的MBN與MBC具有相同的變化趨勢(shì),表現(xiàn)為分解120 d最高,分解300 d最低。與CK相比,LN處理的MBN在凋落葉分解過程中總體上表現(xiàn)為顯著增加;MN處理的MBN在分解180 d前顯著增加,分解240 d后顯著降低;HN處理的MBN在分解過程中顯著降低。重復(fù)測(cè)量方差分析表明(表1),LN和MN處理顯著增加了凋落葉分解過程中MBN,以LN增加幅度最高;HN處理顯著降低分解過程中MBN。

表1 施氮處理對(duì)凋落葉分解過程中微生物生物量影響的重復(fù)測(cè)量方差分析(Repeated-measures ANOVA)

MBC：微生物生物量碳 microbial biomass carbon;MBN：微生物生物量氮 microbial biomass nitrogen;MBP：微生物生物量磷 microbial biomass phosphorus;MBC/N：微生物生物量碳氮比microbial biomass C/N;MBC/P：微生物生物量碳磷比 microbial biomass C/P;CK：對(duì)照 control;LN：低氮沉降 low nitrogen deposition;MN：中氮沉降 medium nitrogen deposition;HN：高氮沉降 high nitrogen deposition;表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,同列數(shù)據(jù)不同的字母代表不同施氮處理間存在顯著差異

圖2 不同施氮處理下凋落葉分解過程中MBN動(dòng)態(tài) Fig.2 Dynamic of microbial biomass N during the decomposition of litters of different N treatment

圖3 不同施氮處理下凋落葉分解過程中MBP動(dòng)態(tài) Fig.3 Dynamic of microbial biomass P during the decomposition of litters of different N treatment

2.3 模擬氮沉降對(duì)凋落葉分解過程中微生物生物量磷的影響

由圖3可知,凋落葉分解過程中的MBP具有明顯的變化趨勢(shì),但與MBC和MBN的變化趨勢(shì)并不一致,表現(xiàn)為分解60 d最高,分解300 d最低。與CK相比,LN處理的MBP在凋落葉分解120 d前顯著增加,分解300 d后顯著降低;MN處理的MBP分解120 d前增加,分解180 d后顯著降低;HN處理的MBP在分解過程中顯著降低。重復(fù)測(cè)量方差分析表明(表1),LN和MN處理對(duì)凋落葉分解過程中MBP影響不顯著;而HN處理顯著降低了分解過程中MBP。

2.4 模擬氮沉降對(duì)凋落葉分解過程中微生物生物量比的影響

由表2可知,模擬氮沉降總體上降低了微生物生物量碳氮比(MBC/N),且隨著N沉降量的遞增,下降幅度增大。重復(fù)測(cè)量方差分析表明(表1),LN、MN和HN處理都顯著降低了分解過程中MBC/N。

由表3可知,LN處理的微生物生物量碳磷比(MBC/P)在凋落葉分解過程中總體上增加;MN處理的MBC/P在分解過程中未表現(xiàn)出明顯的變化趨勢(shì);HN處理的MBC/P在凋落葉分解過程中總體上表現(xiàn)為顯著降低。重復(fù)測(cè)量方差分析表明(表1),LN處理顯著增加了凋落葉分解過程中MBC/P;MN和HN處理顯著降低分解過程中MBC/P,以HN降低幅度最高。

表2 不同施氮處理下凋落葉分解過程中微生物生物量碳氮比動(dòng)態(tài)

表3 不同施氮處理下凋落葉分解過程中微生物生物量碳磷比動(dòng)態(tài)

3 討論

有研究表明,氮沉降對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的影響可能存在著“閾值效應(yīng)”[27]。在氮沉降對(duì)植物生長(zhǎng)和土壤動(dòng)物等的影響研究中已發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象。如Aber等[28]研究表明,少量的氮素輸入對(duì)溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)存在利好作用,但過量的氮素輸入會(huì)降低林木生長(zhǎng)量,甚至導(dǎo)致森林退化。青藏高原高寒草甸區(qū)的研究表明,地上生物量飽和閾值的氮?jiǎng)┝考s為56.0 g N m-2a-1,氮添加劑量超過該閾值后,群落生物量呈降低趨勢(shì)[29]。徐國良等[30]研究表明低氮處理對(duì)3種林型的土壤動(dòng)物類群生物量有利,而中氮處理會(huì)導(dǎo)致動(dòng)物類群生物量降低。本研究表明,低氮和中氮處理顯著增加MBC和MBN,以低氮處理增加幅度最高;高氮處理顯著降低MBC和MBN。這說明模擬氮沉降對(duì)凋落葉分解過程中微生物生物量的影響也可能存在著“閾值效應(yīng)”。這是因?yàn)橐欢ㄏ薅葍?nèi)的氮沉降促進(jìn)微生物生物量,但隨著外源氮的持續(xù)添加,達(dá)到系統(tǒng)的“氮飽和”水平后,促進(jìn)作用逐漸減弱,過量輸入后甚至轉(zhuǎn)變成抑制作用。但這一推斷還有待于進(jìn)一步的研究。

本研究還表明,MBC和MBN在分解120 d時(shí)最高,這一方面可能是因?yàn)榉纸?20 d時(shí)處于夏季,溫暖濕潤(rùn)的環(huán)境更適于微生物生長(zhǎng)繁殖,另一方面可能是因?yàn)闇嘏瘽駶?rùn)的環(huán)境更利于凋落物易分解物質(zhì)的大量分解[31],此時(shí)微生物底物有效性較高,更有利于微生物生物量的增加。而MBP在分解60 d時(shí)最高,可能是因?yàn)镸BP周轉(zhuǎn)速度比MBC和MBN更快,微生物對(duì)環(huán)境的敏感性體現(xiàn)在MBP的迅速增加上[32-33]。MBC、MBN和MBP在分解300 d時(shí)最低。這是因?yàn)榉纸?00 d時(shí)寒冷少雨,過低的溫度和濕度直接抑制了微生物活性,導(dǎo)致微生物生物量顯著下降。曹成有等[34]也發(fā)現(xiàn),科爾沁沙地土壤MBC和MBN夏季高秋冬季低,而MBP春季高秋冬季低。川西亞高山的研究也發(fā)現(xiàn),高山凋落物分解過程中MBC和MBN生長(zhǎng)季節(jié)最高,凍結(jié)期最低[35]。這與本研究的研究結(jié)果基本一致。

已有研究發(fā)現(xiàn),MBC/N能在一定程度上反映真菌和細(xì)菌的比例[36]。本研究中,模擬氮沉降總體上降低了MBC/N,且隨著模擬氮沉降量的遞增,MBC/N下降越多。這表明隨著模擬氮沉降量的增加,微生物的優(yōu)勢(shì)種群向以細(xì)菌為主導(dǎo)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。Frey等[37]的研究發(fā)現(xiàn),氮沉降抑制了細(xì)菌的生長(zhǎng),但不如真菌明顯,從而降低了土壤環(huán)境中真菌與細(xì)菌生物量比值。這是因?yàn)檎婢谙拗埔蛩厥堑沫h(huán)境中優(yōu)勢(shì)明顯,隨著可利用氮增加,真菌會(huì)逐漸淪為衰退種[38]。

MBC/P作為衡量微生物生物量磷有效性的重要指標(biāo),MBC/P較大時(shí),表現(xiàn)出微生物量磷的生物固持潛力;MBC/P較小時(shí),微生物在周轉(zhuǎn)過程中通過微生物礦化和轉(zhuǎn)化具有較大的釋放磷的潛力[39-40]。本研究中,低氮處理的MBC/P顯著增加,高氮處理的MBC/P顯著降低。這說明一定量的氮沉降會(huì)使微生物同化更多的磷,而過量的氮沉降則會(huì)使其更傾向于釋放磷。

綜上所述,低氮和中氮處理顯著增加了凋落葉分解過程中的MBC和MBN,對(duì)分解過程中的MBP影響不顯著;高氮處理顯著降低MBC、MBN和MBP?？梢?氮沉降影響了凋落葉分解過程中微生物生物量,進(jìn)而改變凋落葉的分解過程。但由于氮沉降過程的漫長(zhǎng)而復(fù)雜,其對(duì)凋落物分解的影響具有長(zhǎng)期性和綜合性,因此在今后的研究中應(yīng)進(jìn)行長(zhǎng)期定位研究,同時(shí)結(jié)合其他環(huán)境因子綜合分析其對(duì)凋落物分解中微生物生物量的影響,進(jìn)一步探索氮沉降對(duì)凋落物分解的影響機(jī)理。