姚 蘭,張煥朝,胡立煌,王艮梅,方炎明
(1.南京林業(yè)大學(xué) 南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210037;2.南京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,江蘇 南京 210037;3.南京林業(yè)大學(xué) 生物與環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京210037)
森林作為重要的生態(tài)系統(tǒng),其碳儲(chǔ)量是陸地碳的46%,但是近幾十年來(lái),森林對(duì)全球變暖的正反饋?zhàn)饔茫瑢?dǎo)致森林土壤中碳的大量流失[1]。土壤碳庫(kù)的動(dòng)態(tài)變化主要體現(xiàn)在土壤活性碳庫(kù)中。土壤活性有機(jī)碳受植被和土壤微生物影響強(qiáng)烈,并與大氣二氧化碳存在較頻繁的相互作用,因此在全球氣候變暖的背景下,研究環(huán)境變量和土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量對(duì)未來(lái)氣候變化的影響具有重要意義[1-2]。溶解性有機(jī)碳(dissolved organic carbon,DOC)、微生物生物量碳(microbial biomass carbon,MBC)和易氧化有機(jī)碳(readily oxidization carbon,ROC)作為土壤活性碳庫(kù)的3個(gè)重要指標(biāo),由于其周轉(zhuǎn)率高且快,所以相較于總有機(jī)碳(total organic carbon,TOC),更能反映森林環(huán)境隨海拔梯度的變化[3]。DOC不僅能夠從森林底部向礦質(zhì)土壤進(jìn)行水文輸送,而且是礦質(zhì)土壤中有機(jī)碳的重要來(lái)源,是全球碳循環(huán)中的重要碳通量[4]。MBC是土壤有機(jī)質(zhì)的重要組成部分,占土壤有機(jī)碳的2%~5%,在養(yǎng)分循環(huán)和整個(gè)有機(jī)質(zhì)動(dòng)態(tài)中起著重要作用[5]。ROC指能被333 mmol·L-1高錳酸鉀氧化的碳,在土壤碳庫(kù)中其含量通常大于MBC,能代表驅(qū)動(dòng)反硝化和甲烷生成過(guò)程所需的碳源[6]。由于碳和氮循環(huán)之間的相互作用,森林生態(tài)系統(tǒng)氮素的儲(chǔ)存與碳庫(kù)之間緊密耦合,在全球氣候變化中起重要作用[7]。溶解性有機(jī)氮(dissolved organic nitrogen,DON)是微生物和植物的一種重要氮源,而微生物和植物通過(guò)產(chǎn)生和吸收各種溫室氣體從而對(duì)當(dāng)?shù)貧夂蜃兓鹱饔茫?]。微生物生物量氮(microbial biomass nitrogen,MBN)不僅在土壤氮礦化等過(guò)程中起重要作用,而且對(duì)氣候變化具有敏感的生物指示作用[9]。土壤酶在許多涉及土壤有機(jī)質(zhì)降解、轉(zhuǎn)化和礦化的生化過(guò)程中起重要作用[10]。已有研究表明:土壤酶活性與土壤養(yǎng)分動(dòng)態(tài)密切相關(guān),尤其是DON[11]。土壤活性有機(jī)碳不僅依賴(lài)于TOC,也與土壤脲酶(urease,UE)、過(guò)氧化氫酶(catalase,CAT)等酶活性密切相關(guān)[12]。土壤酶如β-葡萄糖苷酶(β-glucosidase,βG)與土壤DOC和DON儲(chǔ)量密切相關(guān),DOC和DON儲(chǔ)量對(duì)土壤碳通量和循環(huán)至關(guān)重要[8]。黃山具有明顯的植被和土壤垂直地帶性[13],關(guān)于該區(qū)域的森林土壤碳氮庫(kù)及相關(guān)酶活性的研究報(bào)道較少。本研究以黃山4種不同海拔典型植被帶的土壤為研究對(duì)象,分析不同植被帶土壤碳氮及其活性組分與相關(guān)土壤酶活性關(guān)系,以期為評(píng)價(jià)黃山森林生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳儲(chǔ)量和生產(chǎn)力以及保護(hù)區(qū)森林土壤管理等提供依據(jù)。
黃山位于安徽省南部(30°01′~30°18′N(xiāo), 118°01′~118°17′E), 景區(qū)面積為 160.6 km2, 地勢(shì)高差達(dá)1400 m,地處亞熱帶季風(fēng)氣候帶。黃山植物群落分布自下而上為次生林、常綠闊葉林、常綠落葉闊葉混交林、落葉闊葉林、山地矮林與灌叢及山地草甸;土壤自下而上分別為黃紅壤、黃壤、暗黃棕壤、酸性棕壤,山頂局部分布有山地草甸土及山地草甸沼澤土[13]。
1.2.1 樣品采集 2018年7月,沿黃山云谷寺—光明頂步道,以海拔、植被類(lèi)型及實(shí)際情況為指標(biāo),按約300 m的間隔、遠(yuǎn)離步道處選擇4個(gè)海拔植被帶樣地,樣地基本情況見(jiàn)表1。每個(gè)海拔植被帶設(shè)置3個(gè)10 m×10 m的樣方,每個(gè)樣方內(nèi)按S型采集10個(gè)表層10 cm深的土樣,用冰盒運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。一份土樣過(guò)2 mm篩后保存于4℃冰箱中用于溶解性有機(jī)碳、氮以及微生物生物量的測(cè)定,另一份風(fēng)干過(guò)篩后用于其他指標(biāo)的測(cè)定。
表1 樣地概況Table 1 Basic situations of the sampling sites
1.2.2 土壤活性組分及基本性質(zhì) 總有機(jī)碳(TOC)用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定;全氮(total nitrogen,TN)用開(kāi)氏法測(cè)定;pH值用電位法測(cè)定,水土質(zhì)量比為2.5∶1.0[14]。微生物量碳(MBC)和微生物量氮(MBN)用氯仿熏蒸浸提法測(cè)定[15],熏蒸土和未熏蒸土均用0.5 mol·L-1的硫酸鉀浸提30 min(土液質(zhì)量比為1∶4),提取液中的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)用有機(jī)碳分析儀測(cè)定,全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)用開(kāi)氏消化法測(cè)定。wMBC=EC/0.45;wMBN=EN/0.45。其中:EC和EN分別為熏蒸和未熏蒸土壤有機(jī)碳、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)之差,轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.45。溶解性有機(jī)碳(DOC)和溶解性有機(jī)氮(DON)的測(cè)定[16]:用去離子水振蕩浸提(水土質(zhì)量比為5∶1)30 min,高速(15000 r·min-1)離心10 min,用0.45 μm濾膜抽濾,用有機(jī)碳分析儀測(cè)定濾液碳濃度得到DOC,用過(guò)硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測(cè)定濾液TN,靛酚藍(lán)比色法測(cè)定NH4+-N,紫外分光光度法測(cè)NO3--N,則wDON=wTN-(wNH4+-N+wNO3--N)。易氧化有機(jī)碳(ROC)用高錳酸鉀氧化法測(cè)定,過(guò)0.25 mm的風(fēng)干土加333 mol·L-1高錳酸鉀溶液25 mL,震蕩1 h后離心,取上清液稀釋250倍,在分光光度計(jì)565 nm波長(zhǎng)下比色[16]。
1.2.3 土壤酶活性 脲酶(UE)用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定,酶活性以24 h土中產(chǎn)生NH3-N表示(mg·g-1·d-1);β-葡萄糖苷酶(βG)用硝基酚比色法測(cè)定,酶活性以土中產(chǎn)生對(duì)硝基苯酚表示(mg·g-1·d-1);過(guò)氧化氫酶(CAT)用高錳酸鉀滴定法測(cè)定, 酶活性以土中消耗的高錳酸鉀表示(mL·g-1·h-1)[17]。
1.2.4 林下植被多樣性 調(diào)查樣地林下植被種類(lèi)、株數(shù)或多度、蓋度、高度等,并計(jì)算其多樣性和重要值。 Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H):H=-∑PilnPi; Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D):D=∑。 其中:Pi為樣方內(nèi)物種的重要值,Pi=(相對(duì)蓋度+相對(duì)高度)/2。
1.2.5 數(shù)據(jù)分析 用SPSS 20軟件統(tǒng)計(jì)分析,單因素方差分析(one-way ANOVA)和Duncan法比較不同海拔植被帶間的差異。Origin 2016軟件制圖。用R 3.3.4軟件Performance Analytics包做Pearson相關(guān)矩陣圖;Vegan包做酶活性和活性有機(jī)碳、氮組分冗余分析(redundancy analysis,RDA),對(duì)酶的數(shù)據(jù)進(jìn)行Hellinger轉(zhuǎn)化,999次蒙特卡羅置換檢驗(yàn)(Monte-Carlo permutation test)考察環(huán)境因子的顯著性。
不同植被帶土壤碳及其活性組分呈現(xiàn)隨海拔變化的特征(表2)。各海拔植被帶的土壤TOC和ROC質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異均不顯著。高山草甸的土壤MBC平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高,EDFⅡ的DOC平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高,且各海拔植被帶的MBC和DOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在極顯著差異(P<0.01)。說(shuō)明不同樹(shù)種覆蓋的植被帶,導(dǎo)致土壤活性碳及微生物生物量的差異。
由表2可知:高山草甸土TN,MBN及DON質(zhì)量分?jǐn)?shù)均最高,分別為4.487,260.99,74.01 mg·kg-1。常綠落葉闊葉混交林下土壤TN和MBN質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低,分別為2.85和65.70 mg·kg-1;常綠闊葉林下的土壤DON質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低,為39.35 mg·kg-1。說(shuō)明高海拔土壤氮素有效性較高。不同海拔植被帶土壤TN和MBN質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在極顯著差異(P<0.01),而各海拔植被帶間的土壤DON質(zhì)量分?jǐn)?shù)無(wú)顯著差異。
表2 黃山不同海拔植被帶土壤碳氮及其活性組分Table 2 Soil carbon and nitrogen and their labile fractions in different vegetation zones along an altitudinal gradient on Mount Huangshan
MBC/TOC稱(chēng)為土壤微生物熵[18]。從表3可見(jiàn):高山草甸土的微生物熵(2.35%)明顯高于其他植被帶,而常綠闊葉林的土壤微生物熵(1.12%)最低;常綠落葉闊葉混交林Ⅱ的DOC平均分配比例(20.65%)顯著高于其他植被帶,常綠闊葉林的DOC平均分配比例最低(7.95%),不同海拔植被帶的微生物熵以及DOC/TOC存在顯著差異(P<0.01)。總體上常綠落葉闊葉林的ROC分配比例最大(35.11%),常綠落葉闊葉混交林Ⅰ則最小(27.66%)。不同植被帶土壤活性有機(jī)氮分配比例呈現(xiàn)不同的海拔變化特征。高山草甸土的MBN/TN(5.79%)明顯高于其他植被帶,但是高山草甸的DON/TN(1.66%)較低。相較于其他植被類(lèi)型,常綠落葉闊葉混交林MBN的分配比例較低,DON的分配比例較高。說(shuō)明不同植被類(lèi)型影響土壤微生物生物量和活性,從而在一定程度上影響土壤DON分配比例。
如圖1所示:脲酶活性在常綠闊葉林下達(dá)最高值,為1.81 mg·g-1·d-1,在常綠落葉闊葉混交林Ⅱ下達(dá)最低值,為0.73 mg·g-1·d-1,且這2種植被類(lèi)型的脲酶活性差異顯著(P<0.05)。β-葡萄糖苷酶和過(guò)氧化氫酶均在高山草甸表現(xiàn)為最高活性,分別是2.05 mg·g-1·d-1和19.12 mL·g-1·h-1;β-葡萄糖苷酶在常綠落葉闊葉混交林Ⅱ下的活性最低,為0.94 m·g-1·d-1,過(guò)氧化氫酶在常綠闊葉林下的活性最低,為11.30 mL·g-1·h-1。 不同海拔植被帶的 β-葡萄糖苷酶(F=23.85,P<0.01)和過(guò)氧化氫酶(F=23.24,P<0.01)均呈極顯著差異,脲酶呈顯著差異(F=4.47,P<0.05)。
如表4所示:不同海拔植被帶的土壤碳氮及其活性組分與土壤酶及其他土壤因子之間存在一定的相關(guān)性。就土壤碳組分而言,TOC與TN(R=0.65,P<0.05)、ROC(R=0.90,P<0.001)存在顯著正相關(guān)關(guān)系; MBC 與 TN(R=0.96)、MBN(R=0.92)、 β-葡萄糖苷酶活性(R=0.86)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.001),與過(guò)氧化氫酶(R=0.66,P<0.05)顯著正相關(guān);DOC與pH值顯著負(fù)相關(guān)(R=-0.65,P<0.05)。就土壤氮組分而言,TN與MBN(R=0.89,P<0.001)、β-葡萄糖苷酶活性(R=0.76,P<0.01)極顯著正相關(guān); MBN與β-葡萄糖苷酶(R=0.82,P<0.01)、過(guò)氧化氫酶(R=0.66,P<0.05)活性均顯著正相關(guān);DON與過(guò)氧化氫酶活性(R=0.58,P<0.05)顯著正相關(guān),與脲酶活性(R=-0.97,P<0.01)呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。此外,本研究發(fā)現(xiàn)所選樣地的林下植被多樣性與各因子之間均無(wú)相關(guān)關(guān)系。
圖1 黃山不同海拔植被帶土壤酶活性Figure 1 Soil enzyme activities in different vegetation zones along an altitudinal gradient on Mount Huangshan
表4 環(huán)境變量的Pearson相關(guān)分析Table 4 Pearson correlation analysis between environmental variables
以土壤酶活性作為響應(yīng)變量,活性有機(jī)碳、氮組分作為解釋變量,并結(jié)合不同海拔植被帶樣點(diǎn)進(jìn)行RDA分析。由圖2可知:土壤酶活性與活性有機(jī)碳、氮組分關(guān)系顯著,可以解釋86.96%的變異,其中第1軸解釋了75.11%的變異,第2軸解釋了11.85%的變異。從各酶活性與環(huán)境因子夾角可知,土壤脲酶與DON有很強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性,過(guò)氧化氫酶與DOC以及β-葡萄糖苷酶與MBC,MBN均有很強(qiáng)的正相關(guān)性,這基本上與相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果一致。蒙特卡羅檢驗(yàn)結(jié)果顯示:僅DON對(duì)于土壤酶的分布的影響達(dá)到顯著水平(r2=0.6957,P=0.006),土壤活性有機(jī)碳氮組分對(duì)土壤酶分布的決定系數(shù)從大到小依次為DON,MBC,DOC,MBN和ROC。
黃山較高海拔土壤TOC及其活性組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于較低海拔,且存在較明顯的海拔植被帶差異。可能的原因是隨著海拔高度增加,溫度降低,土壤微生物活性降低,從而導(dǎo)致土壤TOC釋放速率降低[19]。孫海燕等[20]研究也證明:海拔較高的高寒草甸群落內(nèi)的雜類(lèi)草物種數(shù)目和蓋度較低,溫度較低且濕度較高,因此有機(jī)質(zhì)的分解速率較慢,土壤活性有機(jī)碳含量相對(duì)較高。有機(jī)氮通過(guò)氨化和硝化作用由細(xì)菌轉(zhuǎn)化為氨、硝酸鹽或亞硝酸鹽,變化的氣象條件(溫度和濕度)將改變細(xì)菌的氨化和硝化能力,因此DON沉積與溫度和降水密切相關(guān)[21];隨著海拔升高,氣溫下降,降雨量增大[20],因此本研究1760 m高山草甸的土壤氮素及其活性組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相較于其他海拔植被帶最高。DOC和DON主要來(lái)源于土壤有機(jī)質(zhì)、根系分泌物以及微生物代謝產(chǎn)物,林分類(lèi)型也通過(guò)這些過(guò)程影響土壤DOC和DON及其動(dòng)態(tài)[22]。TU等[23]研究也證明:DOC主要來(lái)源于表層土壤中的凋落物,且DOC的主要來(lái)源可能隨周?chē)h(huán)境的變化而改變。凋落物數(shù)量、種類(lèi)和化學(xué)組分是影響表土DOC和DON的主要因素[24]。不同植物種類(lèi)對(duì)養(yǎng)分的需求不同,產(chǎn)生的凋落物數(shù)量和質(zhì)量也不同,從而影響微生物種群和多樣性,進(jìn)而影響土壤微生物生物量和微生物碳的利用效率[5]。因此,植被類(lèi)型是導(dǎo)致黃山不同海拔植被帶土壤MBC,DOC和MBN質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在極顯著差異的重要因素,而海拔梯度所造成的溫度與水分差異也對(duì)土壤MBC,DOC和MBN質(zhì)量分?jǐn)?shù)的海拔植被帶差異具有重要貢獻(xiàn)。
圖2 土壤酶活性與土壤活性有機(jī)碳氮組分的冗余分析Figure 2 Redundancy analysis(RDA)of the enzyme activities and soil labile organic carbon and nitrogen fractions
土壤微生物熵(MBC/TOC)是監(jiān)測(cè)土壤有機(jī)碳或微生物生物量的敏感參數(shù),可解釋為土壤有效底物和固定在微生物細(xì)胞中土壤總碳的比例[18],比MBC更能反映植被類(lèi)型對(duì)土壤有機(jī)碳的影響[5]。本研究中高山草甸的土壤微生物熵以及MBN/TN明顯高于其他植被帶,說(shuō)明高山草甸土碳庫(kù)處于積累狀態(tài),微生物對(duì)土壤氮庫(kù)的利用效率較高,土壤氮素礦化和有效性也較高。ROC分配比例從有機(jī)碳自身分解方面指示有機(jī)碳活性強(qiáng)度,該比值越大則土壤有機(jī)碳被分解礦化的潛力越大[25]。土壤DOC/TOC比DOC更能反映林分類(lèi)型對(duì)土壤碳的影響,其比值越大,說(shuō)明土壤碳活性越強(qiáng),穩(wěn)定性越差[22]。本研究中常綠闊葉林的DOC分配比例最小,且ROC分配比例最大,說(shuō)明低海拔常綠闊葉林土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性較差,不利于土壤碳的積累。DON質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以影響土壤總氮的動(dòng)態(tài),較高的DON/TN說(shuō)明通過(guò)淋溶作用而損失氮的可能性越大,從而影響氮的積累速率[26]。本研究結(jié)果顯示:不同海拔植被帶的DON/TN(1.41%~2.32%)無(wú)顯著差異,可能是因?yàn)辄S山地處亞熱帶季風(fēng)氣候帶[13],夏季(采樣時(shí)間為7月)高溫多雨,淋溶作用較強(qiáng)。
β-葡萄糖苷酶與土壤活性碳循環(huán)相關(guān)[28];脲酶對(duì)含氮有機(jī)質(zhì)的水解有特殊的促進(jìn)作用,與土壤中氮的形成和有效性密切相關(guān)[29];過(guò)氧化氫酶能使代謝過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)氧化物分解,從而防止其對(duì)生物體的毒性作用,其活性與土壤有機(jī)質(zhì)含量相關(guān)[17]。本研究發(fā)現(xiàn):隨著海拔升高,土壤β-葡萄糖苷酶和過(guò)氧化氫酶活性總體上呈增強(qiáng)趨勢(shì),而脲酶活性總體上呈減弱趨勢(shì),該研究結(jié)果與聶陽(yáng)意等[27]和宋賢沖等[28]的研究結(jié)果一致,說(shuō)明高海拔土壤微生物可能更多地分解活性碳,更有利于土壤有機(jī)碳、氮的積累。本研究中DON顯著影響黃山不同海拔植被帶土壤酶活性分布。YANG等[29]研究發(fā)現(xiàn):土壤酶活性可以作為溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)土壤溶解性有機(jī)氮庫(kù)的潛在指標(biāo)。REN等[11]的研究也證明:土壤酶活性與土壤養(yǎng)分動(dòng)態(tài)密切相關(guān),尤其是DON。β-葡萄糖苷酶促作用產(chǎn)物是微生物的營(yíng)養(yǎng)源,過(guò)氧化氫酶活性與微生物數(shù)量相關(guān)[17],因此MBC,MBN與這2種酶活性顯著正相關(guān)。
除ROC外,本研究發(fā)現(xiàn)TOC與其他有機(jī)碳活性組分均無(wú)顯著關(guān)系,究其原因是土壤有機(jī)碳活性組分對(duì)環(huán)境變化極為敏感,各組分變化難以完全與土壤有機(jī)碳變化保持一致,土壤有機(jī)碳活性組分的變化受到諸多因素的共同制約,因此需充分考慮其影響因素的復(fù)雜性及多樣性[26]。土壤溶解性有機(jī)質(zhì)(DOC和DON)主要由高分子和電解質(zhì)組成,其溶解度由電荷密度決定,而土壤pH值是電荷密度的決定因素[22]。此外,在酸性土壤中,微生物種類(lèi)受限于以真菌為基礎(chǔ)的環(huán)境,從而導(dǎo)致有機(jī)體和植物體分解緩慢,土壤有機(jī)質(zhì)含量降低[2]。因此,土壤DOC與pH值呈顯著負(fù)相關(guān)。已有研究證明:植被多樣性指數(shù)可能是影響土壤活性有機(jī)碳垂直分異的關(guān)鍵因子,而不是影響土壤活性有機(jī)碳沿海拔梯度分異的關(guān)鍵因子[20]。本研究中不同海拔植被帶土壤活性有機(jī)碳與林下植被多樣性之間無(wú)明顯相關(guān)關(guān)系,但是未涉及土層作用,因此黃山土壤活性有機(jī)碳庫(kù)與植被多樣性之間的關(guān)系有待進(jìn)一步研究。
除ROC外,黃山較高海拔土壤TOC,TN及其活性組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體上高于較低海拔,且存在比較明顯的海拔植被帶差異。相較于其他植被帶,高山草甸的土壤TOC,TN及其活性組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)均較高,MBC及MBN的分配比例也較高。低海拔常綠闊葉林土壤DOC/TOC最小,ROC/TOC最大,土壤有機(jī)碳庫(kù)穩(wěn)定性較差。土壤DON的分配比例整體較高且無(wú)明顯海拔分異。隨著海拔升高,脲酶活性總體上呈減弱趨勢(shì),β-葡萄糖苷酶和過(guò)氧化氫酶活性總體上呈增強(qiáng)趨勢(shì)。土壤活性碳、氮組分與TOC和TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)、pH值及酶活性密切相關(guān)。土壤活性碳氮組分中DON顯著影響土壤酶的分布。植被類(lèi)型直接或間接地影響黃山土壤碳氮及其活性組分海拔分布,因此加強(qiáng)對(duì)地表凋落物的科學(xué)管理,對(duì)改善森林土壤碳庫(kù)以及保護(hù)區(qū)土壤管理具有重要意義。
浙江農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào)2019年6期