疏勒河源高寒草甸土壤微生物生物量碳氮變化特征

劉 放,吳明輝,魏培潔,賈映蘭,陳生云

1 中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 冰凍圈科學國家重點實驗室 疏勒河源冰凍圈與生態(tài)環(huán)境綜合監(jiān)測研究站, 蘭州 730000 2 青海師范大學 高原科學與可持續(xù)發(fā)展研究院 地理科學學院, 西寧 810008 3 中國科學院大學, 北京 100049

土壤微生物生物量是指除植物根系和體積大于5×103μm3土壤動物以外的土壤中所有活有機體的量[1]。常用土壤微生物生物量和活性表征土壤微生物數(shù)量及其功能[2],土壤微生物生物量主要反映了土壤微生物的重量或質量。雖然土壤微生物生物量碳氮僅占有機質中的很小比例,但卻是最為活躍的部分[3],影響著土壤有機質的轉化且能敏感的指示土壤理化性狀的變化,可準確及時地反映土壤質量[4]。此外,土壤微生物生物量與土壤有機質的比率可作為指示土壤碳動態(tài)的數(shù)量指標[5]。

氣候、土壤和植被因子會對土壤微生物生物量產生顯著影響,不同區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)中氣候、土壤和植被不同,土壤微生物生物量也有較大差異。由于植物的季節(jié)性生長及有機質季節(jié)性的回歸土壤(植物和動物的殘留物是形成土壤有機質的主要生物輸入物,秋冬季節(jié)大量殘留復合物進入土壤,被微生物分解形成土壤有機質),使土壤微生物生物量碳氮也具有季節(jié)動態(tài)[6],其季節(jié)變化與環(huán)境因子以及植物生理特征密切相關[7]。另外,水熱條件的季節(jié)變化會影響土壤微生物生物量碳氮的周轉、植物對養(yǎng)分的利用以及養(yǎng)分的有效性[8]。早期土壤微生物生物量碳氮的研究主要側重在森林、草地、農田等土壤肥力方面,隨后逐漸深入到其對自然因素和人類活動響應及其與生態(tài)系統(tǒng)功能關系等方面。如：土壤微生物生物量碳氮和有機質動態(tài)的關系[9]、土地利用[10]對土壤微生物生物量碳氮的影響、不同生態(tài)系統(tǒng)中土壤微生物生物量碳氮功能[11]等。國內對土壤微生物生物量碳氮的研究主要分布在紅壤侵蝕區(qū)[12]、內蒙古草原[13]、黃土丘陵溝壑區(qū)[14]、長白山[15]等地,但對青藏高原多年凍土區(qū)高寒草地土壤碳氮變化特征方面的研究還相對較少。為準確認識不同氣候區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)中碳、氮平衡和循環(huán)機制,還需對不同生態(tài)系統(tǒng)中土壤微生物生物量碳氮進行深入研究。

青藏高原位于高海拔地區(qū),約占中國國土面積的25%左右[16],被稱為“世界第三極”,是氣候變化的敏感區(qū)和脆弱區(qū)。疏勒河發(fā)源于青藏高原東北緣祁連山西段,是我國河西走廊三大內陸河之一。該流域年均氣溫低,降水量少,蒸發(fā)量大,生態(tài)環(huán)境脆弱。高寒沼澤草甸、高寒草甸、高寒草原是該流域最為典型的生態(tài)系統(tǒng)類型,土壤微生物在這些生態(tài)系統(tǒng)土壤碳氮循環(huán)過程中發(fā)揮重要作用。從土壤微生物生物量角度分析疏勒河源區(qū)高寒草甸土壤肥力及土壤生態(tài)健康狀況對該區(qū)域生態(tài)功能保護和建設具有重要意義。近年來,有關青藏高原高寒草地土壤微生物生物量的研究雖逐漸增多[17-19],但對多年凍土區(qū)高寒草甸的相關報道依然缺乏,研究該區(qū)域土壤微生物生物量碳氮的季節(jié)動態(tài)及其影響因素對理解和預測全球氣候變化對多年凍土區(qū)高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的影響具有重要意義。因此,本研究以青藏高原東北緣疏勒河源多年凍土區(qū)高寒草甸為研究對象,分析土壤微生物生物量碳氮的季節(jié)與土層變化特征及其控制因子,以期為了解疏勒河源區(qū)高寒草甸土壤微生物特征提供依據(jù),為系統(tǒng)認識區(qū)域土壤碳氮循環(huán)規(guī)律提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗樣地位于青藏高原東北緣疏勒河源多年凍土區(qū)高寒草甸綜合觀測場(98°16′14″E,38°21′17″N,海拔約4014 m),2010年8月布設該樣地,面積為10000 m2。氣象資料顯示,年均氣溫為-4.8℃,降水量為417 mm(圖1),空氣相對濕度為48.1%,總輻射為204.5 W/m2,干冷多風,屬于大陸性干旱荒漠氣候[20]。多年凍土類型按其穩(wěn)定性劃分屬于亞穩(wěn)定型多年凍土,土壤類型為簡育干潤均腐土。植被類型為高寒草甸,覆蓋度約40%,代表性植物有波伐早熟禾(Poapoophagorum)、高山嵩草(Kobresiapygmaea)、矮生嵩草(K.humilis)、柔軟紫菀(Asterflaccidus)、紫花針茅(Stipapurpurea)、沙生風毛菊(Saussureaarenaria)、西伯利亞蓼(Polygonumsibiricum)和青藏苔草(Carexmoorcroftii)等。

圖1 氣溫和降水量日均變化(2013年樣地實測)

1.2 環(huán)境因子監(jiān)測和土壤樣品采集

采用HMP155A型溫濕度傳感器(Vaisala,芬蘭)測定氣溫和相對濕度,Hydra-Probe II型土壤傳感器(Stevens,美國)測定土壤溫度、含水量和鹽分,上述傳感器連接至CR1000型數(shù)據(jù)采集器(Campbell,美國),每10 min記錄一次數(shù)據(jù)。采集土壤樣品的時間為2013年4月底和5月初、6月底和8月初、9月底和10月初和12月底,分別表征為春季、夏季、秋季和冬季。在樣地內隨機選取3個樣方(50 cm×50 cm),將各樣方內的植物用剪刀齊地剪除,然后用內半徑為2.75 cm的土鉆由地表到深層分為5層分別取樣(0—10、10—20、20—30、30—40、40—50 cm)[20],每層取2份土樣。剔除土樣中植物根系和石塊后,分別用自封袋裝好,一份放入4℃冰箱中冷藏,用于測定土壤微生物生物量碳(Soil microbial biomass carbon,SMBC)、土壤微生物生物量氮(Soil microbial biomass nitrogen,SMBN)、pH值和氧化還原電位；另一份自然風干,充分研磨后過篩,用于測定土壤全氮和有機碳含量。

1.3 分析方法

土壤有機碳和全氮含量分別用重鉻酸鉀氧化-外加熱法(GB7857-87)和半微量開氏法(GB7173-87)測定。植物地下生物量測定是將地下生物量樣品裝入土篩,用水洗掉土壤部分,并去除石塊和其他雜物,然后同地上生物量樣品一起放入烘箱烘干至恒重,最后稱重(精度為0.01 g)測得生物量數(shù)據(jù)。SMBC和SMBN采用氯仿熏蒸浸提法測定[21]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計采用Excel 2010和SPSS 24.0軟件分析,Origin 8.5作圖。采用單因素方差分析(One-way ANOVA)及最小顯著性差異法(Least-Significant Difference,LSD)檢驗SMBC、SMBN季節(jié)和土層變化的差異,用雙因素方差分析(Two-way ANOVA)檢驗季節(jié)和土層變化及其交互作用對SMBC、SMBN的影響。用Pearson相關和逐步回歸分析土壤環(huán)境因子與SMBC、SMBN的相互關系及其影響因素。

2 結果分析

2.1 SMBC和SMBN的變化特征

如圖2所示,不同土層SMBC均具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律,即春季開始逐漸升高,夏季達到最大值,秋季逐漸降低,冬季值最小。0—10、20—30 cm和40—50 cm層不同季節(jié)間均無顯著差異,而10—20 cm層SMBC夏季與冬季有顯著差異,30—40 cm層SMBC夏季與秋、冬季均有顯著差異。季節(jié)變幅方面,0—10 cm為165.11—257.52 mg/kg、10—20 cm為83.48—183.93 mg/kg、20—30 cm為33.5—96.06 mg/kg、30—40 cm為32.14—67.04 mg/kg、40—50 cm為25.08—42.25 mg/kg?？梢?0—10 cm層SMBC季節(jié)變幅大于其他各層。

圖2 不同土層土壤微生物生物量碳的季節(jié)差異

不同土層SMBN也具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律(圖3)。0—10、20—30、40—50 cm層SMBN均表現(xiàn)春季開始逐漸降低、夏季值最小、秋季逐漸升高、冬季達到最大值,但其不同季節(jié)間均無顯著差異,10—20、30—40 cm層SMBN最低值分別出現(xiàn)在春季和秋季,而最大值均在冬季,10—20 cm層春季和冬季SMBN有顯著差異而30—40 cm層SMBN不同季節(jié)間無顯著差異。季節(jié)變幅方面,0—10 cm為8.72—16.94 mg/kg、10—20 cm為5.49—7.82 mg/kg、20—30 cm為5—6.25 mg/kg、30—40 cm為2.51—5.1 mg/kg、40—50 cm為1.96—3.83 mg/kg,即0—10 cm層SMBN季節(jié)變幅大于其他各層。

圖3 不同土層土壤微生物生物量氮的季節(jié)差異

同一季節(jié)內,SMBC、SMBN在0—50 cm各土層上均呈現(xiàn)降低趨勢,其中0—10 cm層顯著高于20—30、30—40、40—50 cm三層。

2.2 SMBC/SMBN的變化特征

如圖4所示,不同土層土壤微生物生物量碳氮比(SMBC/SMBN)具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律。0—10、10—20、20—30 cm層SMBC/SMBN均春季開始逐漸升高、夏季達到最大值、秋季逐漸降低、冬季值最小,0—10 cm層夏、秋季和冬、春季SMBC/SMBN有顯著差異而10—20、20—30 cm層SMBC/SMBN不同季節(jié)間均無顯著差異。30—40 cm層春、夏季SMBC/SMBN顯著高于冬季,40—50 cm層SMBC/SMBN夏季顯著高于春、秋和冬季。季節(jié)變幅方面,0—10 cm為9.99—26.47、10—20 cm為10.66—36.71、20—30 cm為5.82—17.54、30—40 cm為6.77—19.36、40—50 cm為8.33—17.62,即0—10 cm層SMBC/SMBN季節(jié)變幅大于其他各層,且0—50 cm層SMBC/SMBN季節(jié)變幅為8.77—23.59。

圖4 不同土層土壤微生物生物量碳氮比的季節(jié)差異

SMBC/SMBN在0—50 cm各土層的季節(jié)變化特征各異。其土層變化春季呈“雙峰”型變化模式,夏季呈“N”型變化模式,且春和夏季各層間無顯著差異。秋季隨著土層加深,SMBC/SMBN呈下降趨勢,冬季呈“N”型變化模式,且秋、冬兩季各層有顯著差異。

2.3 SMBC/SOC、SMBN/TN的變化特征

土壤微生物生物量碳占有機碳比例(SMBC/SOC)的各土層季節(jié)變化趨勢與SMBC變化趨勢相似(圖5)。0—10 cm的季節(jié)變幅為0.97%—1.36%、10—20 cm為0.71%—1.34%、20—30 cm為0.29%—0.99%、30—40 cm為0.26%—1.27%、40—50 cm為0.38%—0.89%。0—50 cm層SMBC/SOC夏、秋季顯著高于冬、春季,且其季節(jié)變幅為0.58%—1.18%。同一季節(jié)內隨土層加深,SMBC/SOC大致呈下降趨勢。除夏季土層變化無顯著差異外,SMBC/SOC均表現(xiàn)0—10 cm層顯著高于40—50 cm層。

圖5 不同土層土壤微生物生物量碳占有機碳和生物量氮占全氮的比例季節(jié)差異

土壤微生物生物量氮占全氮比例(SMBN/TN)的各土層季節(jié)變化趨勢與SMBN變化趨勢相似。季節(jié)變幅方面,0—10 cm為0.46%—0.97%、10—20 cm為0.37%—0.71%、20—30 cm為0.4%—0.66%、30—40 cm為0.29%—0.64%、40—50 cm為0.27%—0.74%。0—50 cm層SMBN/TN秋、冬季顯著高于夏季,且其季節(jié)變幅為0.39%—0.72%,而SMBC/SOC季節(jié)變幅大于SMBN/TN。同一季節(jié)內隨土層加深,SMBN/TN各土層變化特征與SMBC/SOC的變化特征一致。

2.4 影響因素

由表1可知,不同季節(jié)的SMBC、SMBN有顯著差異(P<0.05),SMBC/SMBN有極顯著差異(P<0.001)；不同土層的SMBC、SMBN有極顯著差異(P<0.001),SMBC/SMBN有顯著差異(P<0.05)。季節(jié)和土層變化不存在顯著的交互效應,對SMBC、SMBN和SMBC/SMBN的差異沒有貢獻。

表1 土壤微生物生物量碳、氮及其比值的方差分析結果

季節(jié)變化而言,SMBC與土壤含水率(SWC)、土壤鹽分(SS)、pH值顯著正相關(P<0.05),與土壤溫度(ST)有極顯著正相關關系(P<0.01),但與地下生物量(BGB)、有機碳(SOC)、全氮(TN)、氧化還原電位(Eh)無顯著相關關系。SMBN與ST、SS、pH值顯著負相關(P<0.05),與其他土壤環(huán)境因子無顯著相關關系。SMBC/SMBN與ST、SWC、pH值顯著正相關(P<0.05),而與其他土壤環(huán)境因子無顯著相關關系。逐步回歸分析表明,SMBC、SMBN、SMBC/SMBN季節(jié)變化的驅動因子分別為BGB、BGB和ST、ST(表2)。

表2 季節(jié)變化上的土壤微生物生物量碳、氮及其比值與土壤環(huán)境因子相關性及回歸分析

隨土層變化,SMBC與SOC、TN、ST有極顯著正相關關系(P<0.01),與BGB顯著正相關(P<0.05),與pH值顯著負相關(P<0.05),而與SWC、SS、Eh無顯著相關關系。SMBN與BGB、SOC、TN、ST有極顯著正相關關系(P<0.01),而與其他土壤環(huán)境因子無顯著相關關系。SMBC/SMBN與土壤環(huán)境因子之間無顯著相關關系。逐步回歸分析表明,SMBC、SMBN、SMBC/SMBN土層變化的驅動因子分別為ST、BGB、ST(表3)。

表3 隨土層變化的土壤微生物生物量碳、氮及其比值與土壤環(huán)境因子相關性及回歸分析

3 討論

3.1 SMBC、SMBN的變化特征

植被生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物生物量受復雜的生物地球化學過程影響,導致不同季節(jié)、不同土層SMBC、SMBN存在一定差異[22]。眾多研究結果也表明,SMBC、SMBN受季節(jié)變化、土層變化影響顯著[23-25],然而其結果并沒有統(tǒng)一的規(guī)律。疏勒河源多年凍土區(qū)高寒草甸SMBC與SMBN的季節(jié)變化有所差異,總體上SMBC春季開始逐漸升高,夏季達到最大值,秋季逐漸降低,冬季值最小,這與以往研究結果一致[26-27]。夏季適宜的土壤溫度、濕度為土壤微生物的繁殖提供了良好的代謝環(huán)境,從而增加了SMBC,冬季較低的土壤溫度、濕度抑制了土壤微生物的生長與繁殖,削弱了其代謝功能,從而降低了SMBC[4]。而SMBN總體上春季開始逐漸降低、夏季值最小、秋季逐漸升高、冬季達到最大值,這與Saratchandra等[28]結果一致,峰值出現(xiàn)在冬季可能與秋季大量凋落物的輸入以及碳水化合物由地表不斷向地下轉移有關,為冬季土壤微生物提供了較豐富的代謝底物,盡管該區(qū)冬季氣溫很低,但由于積雪覆蓋對土壤的保溫作用,使土壤微生物仍具活性繼而生長和繁殖；Wardle[3]發(fā)現(xiàn),在生長旺季植物和土壤微生物對養(yǎng)分的利用存在激烈的競爭關系,可導致生長旺季微生物量發(fā)生變化,夏季SMBN最低,可能是植物進入生長旺季,需從土壤中攝取大量營養(yǎng)物質,從而限制了土壤微生物對養(yǎng)分的可利用性。但研究區(qū)SMBN季節(jié)變化特征與Devi和Yadava[4]、Singh等[8]的研究結果不同,可能是由于不同研究區(qū)域氣候、土壤、植被條件的不同,導致研究結果有差異。

表層SMBC、SMBN季節(jié)變幅較深層土壤更大,可能是表層土壤物理環(huán)境變化較劇烈、底物輸入波動較大、植物根系與土壤微生物對養(yǎng)分的競爭較激烈等原因[29],從而使表層土壤微生物生物量季節(jié)變幅更大。SMBC、SMBN均隨土層深度的增加而顯著降低,與Wen等[30]研究結果一致,且0—10 cm層SMBC、SMBN顯著高于20—30、30—40、40—50 cm,這反映了土壤微生物的垂直分布格局。形成這種垂直分布格局的原因可能是表層土壤水熱、通氣狀況良好、有機物質豐富且有較多的碳源輸入(凋落物分解、根系分泌物形成),為微生物提供充足的能源,而中層和深層土壤微生物生物量主要受營養(yǎng)元素在土壤中長期積累及該土層根系周轉的影響[31],因此,SMBC、SMBN均隨土層深度的增加而降低。

3.2 SMBC/SMBN的變化特征

有研究表明,細菌的碳氮比為3—5之間,而真菌的碳氮比為4—15之間[32],且相較于細菌,真菌往往能適應較差的土壤環(huán)境。因而,SMBC/SMBN在一定程度上不僅可以反映土壤中真菌和細菌的比例,同時也可以說明土壤環(huán)境狀況[33]。同樣,季節(jié)變化和土層變化對SMBC/SMBN均有顯著影響。研究區(qū)SMBC/SMBN季節(jié)變化介于5.82—36.71,與楊成德等[34]研究結果(3.19—20.55)有所差異,說明疏勒河源多年凍土區(qū)高寒草甸土壤微生物群落中,真菌占優(yōu)勢?？傮w上SMBC/SMBN春季開始逐漸升高、夏季達到最大值、秋季逐漸降低、冬季值最小,可能由于夏季土壤含水率較高,同時有地表凋落物的輸入,促進了土壤中真菌的大量繁殖,此時高寒草甸固碳能力達到最高[35]；而冬季SMBC/SMBN偏低,這可能是由于冬季植物根系分泌了能促進土壤中細菌繁殖的物質,導致SMBC/SMBN偏低[36]。0—10 cm層SMBC/SMBN的季節(jié)變幅較40—50 cm層更大,即40—50 cm層的固碳能力較0—10 cm層更穩(wěn)定,這與Bailey等[35]研究結果一致。不同季節(jié)SMBC/SMBN土層變化特征各異,春季和夏季,10—20 cm層SMBC/SMBN均高于0—10 cm層,可能由于春季積雪融水和夏季降雨增加,淋溶作用使營養(yǎng)物質滲入地表下層,下層土壤植物根系發(fā)達,從而使大量菌根真菌繁殖,導致SMBC/SMBN升高[37]。而SMBC/SMBN在秋季隨土層深度的增加而降低,在冬季則呈“N”型變化趨勢,這與魏衛(wèi)東和劉育紅[38]研究結果不同,可能是由于不同研究區(qū)域氣候、土壤、植被條件的不同,導致研究結果有差異。SMBC/SMBN的季節(jié)和土層差異說明了青藏高原環(huán)境的特殊性,其土壤中可能存在獨特的微生物,即該區(qū)域有很多需進一步研究的特殊微生物群落。

3.3 SMBC/SOC、SMBN/TN的變化特征

土壤微生物生物量與土壤養(yǎng)分的比值可以反映土壤養(yǎng)分向土壤微生物生物量的周轉效率、土壤養(yǎng)分損失,且其在表征土壤變化過程時比單獨使用土壤微生物生物量或土壤養(yǎng)分更有效[39]。研究區(qū)SMBC對SOC貢獻率在夏季最高,冬季最低；而SMBN對TN貢獻率在秋季最高,夏季最低,這與楊成德等[34]研究結果相同。SMBC對SOC貢獻率介于0.58%—1.18%,而SMBN對TN貢獻率介于0.39%—0.72%,與楊成德等[34]在東祁連山高寒草地的SMBC/SOC(0.16%—0.84%)相比略高,與SMBN/TN(0.48%—1.93%)相比略低；低于Liao和Xie[40]研究植被覆蓋下的SMBC/SOC(2%—7%),且低于Devi和Yadava[4]研究混合森林系統(tǒng)的SMBN/TN(2%—7.8%),造成這種差異的原因可能是研究區(qū)氣候惡劣,海拔較高,微生物活性較低。同一季節(jié)隨土層加深,SMBC/SOC、SMBN/TN均大致呈下降趨勢,即0—10 cm層SMBC對SOC貢獻率、SMBN對TN貢獻率均高于40—50 cm層,表明40—50 cm層對SMBC、SMBN的累積能力弱于0—10 cm層,這與吳建國和艾麗[2]研究結果一致。

3.4 影響因素分析

影響SMBC、SMBN的因素復雜多樣。季節(jié)變化而言,SMBC與ST呈極顯著正相關關系,即研究區(qū)ST是影響SMBC季節(jié)變化的主要因素之一,且SMBC與SWC、SS、pH呈顯著正相關關系,說明SWC、SS、pH可能也是影響SMBC季節(jié)變化的重要因素,這與前人的研究結果一致[41-42]。但SMBN與ST、SS、pH均呈顯著負相關關系,這與Arnold等[43]研究結果有差異,表明土壤微生物生物量受ST、SS、pH的影響具有一定復雜性,不同研究區(qū)得到的研究結果可能不同。SMBC/SMBN與ST、SWC、pH呈顯著正相關關系,其季節(jié)變化趨勢受ST、SWC、pH季節(jié)變化的綜合影響。

隨土層變化,SMBC、SMBN均與SOC、TN、ST呈極顯著正相關關系,這與前人研究結果一致[44-45],由此可見,除ST外,不同土層土壤養(yǎng)分狀況的差異可能也是影響SMBC、SMBN變化的重要因素,有機質含量越高可為微生物新陳代謝提供的物質和能量來源越充足,SOC、TN隨土壤深度增加而降低,這與SMBC、SMBN的土層變化趨勢一致。SMBC與pH呈顯著負相關關系,這與柴雪思等[46]研究結果一致,但與Ma等[47]在三角洲濕地的研究結果不完全相同,表明弱酸性環(huán)境可能更有利于微生物的繁殖,但pH值對SMBC的影響因研究區(qū)不同可能有差異。BGB與SMBC呈顯著正相關關系,與SMBN呈極顯著正相關關系,說明BGB也是影響SMBC、SMBN在土層變化的重要因素,隨土層深度增加,BGB降低,SMBC、SMBN也呈下降的趨勢。SMBC/SMBN與土壤環(huán)境因子之間未發(fā)現(xiàn)顯著相關關系,這可能與研究區(qū)特殊的土壤環(huán)境條件有關。

4 結論

疏勒河源多年凍土區(qū)高寒草甸SMBC、SMBN季節(jié)變化范圍分別為346.9—607.25 mg/kg、25.84—39.59 mg/kg；SMBC對SOC貢獻率介于0.58%—1.18%,SMBN對TN貢獻率范圍為0.39%—0.72%,均處較低水平；SMBC/SMBN變化范圍為8.77—23.59,處于較高水平。SMBC、SMBN均隨土層深度的增加而顯著降低且0—10 cm層SMBC、SMBN、SMBC/SMBN季節(jié)變幅大于其他各層,即40—50 cm層的固碳能力較0—10 cm層更穩(wěn)定；隨土層加深,SMBC/SOC、SMBN/TN均大致呈下降趨勢,表明40—50 cm層對SMBC、SMBN的累積能力弱于0—10 cm。SMBC、SMBN的季節(jié)和土層變化受ST、SOC、TN、BGB、pH、SWC、SS的影響顯著,其中ST和BGB是SMBC、SMBN變化的主要影響因素。