凋落物多樣性及組成對(duì)凋落物分解及土壤微生物群落的影響
——二氧化碳倍增條件下

王小平,楊 雪,楊 楠,辛?xí)造o,曲耀冰,趙念席,高玉葆

南開(kāi)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,天津 300071

自工業(yè)革命以來(lái),化石燃料的大量燃燒和森林的過(guò)度采伐、草地等植被的破壞導(dǎo)致大氣CO2濃度以前所未有的速度增加[1]。在過(guò)去幾十年中,CO2濃度變化如何影響植物的生長(zhǎng)和競(jìng)爭(zhēng)[2]、群落的組成和結(jié)構(gòu)[3]等逐漸受到研究者的關(guān)注,如Zuo等[4]在美國(guó)明尼蘇達(dá)州中東部的雪松溪生態(tài)系統(tǒng)科學(xué)保護(hù)區(qū)進(jìn)行了為期4年的對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),相對(duì)于較低CO2濃度處理,高CO2濃度條件下培養(yǎng)所得植物的凋落物N含量更低；Cotrufo等[5]在英國(guó)坎布里亞州米托普伍德混合落葉灌木林中對(duì)凋落物分解進(jìn)行了為期1年的研究發(fā)現(xiàn),與當(dāng)前大氣CO2濃度(400 μmol/mol)相比,高CO2濃度條件下凋落物C/N值更高,凋落物分解速率更低；并得出凋落物初始C/N與凋落物分解呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,其中,凋落物初始C/N可作為預(yù)測(cè)凋落物分解速率的重要指標(biāo)[6- 7]。此外,也有一些研究者比較關(guān)注CO2濃度升高如何影響土壤微生物群落,如Kandeler等[8]在美國(guó)科羅拉多州草原經(jīng)過(guò)5年的研究發(fā)現(xiàn),CO2濃度升高可提高土壤真菌的PLFAs含量；但Hagedorn等[9]在斯蒂爾伯格的高寒森林中進(jìn)行為期9年的研究發(fā)現(xiàn),CO2濃度變化對(duì)土壤微生物含量和群落組成影響很小。

受全球變化的影響,生物多樣性的喪失日益嚴(yán)重,勢(shì)必會(huì)對(duì)物質(zhì)循環(huán)這一生態(tài)系統(tǒng)功能產(chǎn)生顯著影響。因此,凋落物物種多樣性及組成如何影響凋落物分解及土壤微生物群落已受到研究者的廣泛關(guān)注,并取得了系列有科學(xué)價(jià)值的研究成果[4,10- 13]。然而,這些研究均在當(dāng)前大氣CO2濃度下開(kāi)展,并未考慮環(huán)境CO2濃度變化對(duì)物種多樣性和凋落物分解之間關(guān)系的影響。有研究預(yù)測(cè),受人類(lèi)強(qiáng)烈活動(dòng)的影響,到2100年大氣CO2濃度將超過(guò)800 μmol/mol[14],因此,在高于當(dāng)前大氣CO2濃度條件下,探索不同物種及不同物種組合對(duì)凋落物分解特性和土壤微生物群落的影響,一方面可為預(yù)測(cè)全球變化導(dǎo)致的生態(tài)后果進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估。另一方面與當(dāng)前大氣CO2濃度下所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,還可為環(huán)境CO2濃度變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的影響及其作用機(jī)制提供數(shù)據(jù)支持。

草地生態(tài)系統(tǒng)是我國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)最重要的類(lèi)型之一,其面積占陸地面積的40%[15]。受全球變化的影響,草原群落退化嚴(yán)重,表現(xiàn)為群落物種多樣性降低、建群種更替等,進(jìn)而影響該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能。如王小平等[16]以呼倫貝爾草原區(qū)一處退化恢復(fù)樣地中的4種主要植物為研究對(duì)象,在當(dāng)前大氣CO2濃度條件下,發(fā)現(xiàn)凋落物的初始性質(zhì)(初始C、N、木質(zhì)素含量及初始C/N)會(huì)對(duì)凋落物質(zhì)量、C、N殘余率及殘余C/N的一種或幾種具有顯著的直接影響,還可通過(guò)土壤真菌PLFAs含量顯著影響凋落物質(zhì)量殘余率。為了深入探討全球變化對(duì)草原凋落物分解這一生態(tài)系統(tǒng)功能的影響,本研究在兩倍于當(dāng)前大氣CO2濃度(800 μmol/mol)條件下,來(lái)研究凋落物物種多樣性及其組成對(duì)凋落物分解及土壤微生物群落的影響,并重點(diǎn)關(guān)注：凋落物多樣性及組成與凋落物分解以及土壤微生物群落的關(guān)系是怎樣的？這種關(guān)系與當(dāng)前大氣CO2濃度條件下所得結(jié)果有哪些異同點(diǎn)？

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

2014年8月初,在內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市鄂溫克族自治旗北輝野外科學(xué)觀(guān)測(cè)研究站的一個(gè)圍封樣地內(nèi)(48.15°—49.00°N,118.80°—119.75°E)采樣。該樣地原生植被為貝加爾針茅(Stipabaicalensis)-羊草(Leymuschinensis)草原,由于過(guò)度放牧,草原退化嚴(yán)重(建群種更替),于2008年開(kāi)始圍封禁牧?；谌郝湔{(diào)查的物種重要值排序結(jié)果,收集重要值高的羊草、茵陳蒿(Artemisiacapillaris)、麻花頭(Serratulacentauroides)和二裂委陵菜(Potentillabifurca)4種植物的立枯凋落物,風(fēng)干至恒重；并用土鉆收集地表(0—10 cm)新鮮土壤,用于室內(nèi)凋落物分解。該區(qū)域位于內(nèi)蒙古草原區(qū)的東北部,溫帶大陸性氣候,屬于半干旱區(qū),年降水量250—350 mm,年氣候特征表現(xiàn)為冬季寒冷干燥,夏季炎熱多雨,土壤類(lèi)型為暗栗鈣土。

本實(shí)驗(yàn)所用4種凋落物的初始性質(zhì)同王小平等[16]一致。羊草、茵陳蒿、麻花頭和二裂委陵菜凋落物的初始全C含量(C0)依次為39.63%、38.05%、37.30%和37.93%；初始全N含量(N0)依次為1.50%、0.95%、0.75%、1.01%；初始木質(zhì)素含量依次為16%、19%、31%和32%；羊草凋落物具有最高的初始全N含量,最低的初始木質(zhì)素含量和初始C/N。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)采用嵌套實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),將凋落物組成嵌套在凋落物多樣性?xún)?nèi)。其中凋落物多樣性,包括1、2、4物種三個(gè)水平；物種組合共11種,詳見(jiàn)表1。每種凋落物組合共1.200 g(M0),裝入網(wǎng)孔面積為1 mm2凋落物袋中,多物種組合中各個(gè)物種組分凋落物質(zhì)量相等,每種組合3個(gè)重復(fù),共33袋。

表1 凋落物多樣性及凋落物組成方式(不同處理以分號(hào)隔開(kāi))

凋落物分解實(shí)驗(yàn)于智能人工氣候箱中進(jìn)行：將凋落物袋置于培養(yǎng)皿(1袋/皿)正上方,凋落物袋下方為50 g原生生境土壤。人工氣候箱設(shè)置12 h光照、光強(qiáng)為60 μmol m-2s-1、濕度為50%、溫度為25℃和CO2濃度設(shè)置為800 μmol/mol。實(shí)驗(yàn)期間,每3d隨機(jī)交換培養(yǎng)皿位置以避免位置效應(yīng)。60 d后,收獲每個(gè)凋落物袋中的凋落物,測(cè)定剩余凋落物質(zhì)量(MT)、全C(Ct)、全N(Nt)含量用于殘余率分析,同時(shí)采集每個(gè)培養(yǎng)皿中的土壤用于土壤微生物組成及結(jié)構(gòu)分析。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

利用Vario MICRO cube元素分析儀測(cè)定凋落物初始及實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)全C、全N含量,并計(jì)算對(duì)應(yīng)的C/N；參考Antonietta等[17]方法測(cè)定凋落物的初始木質(zhì)素含量。

采用磷脂脂肪酸(Phospholipid Fatty Acid,PLFA)溫和甲酯化法[18]和氣質(zhì)聯(lián)用色譜分析儀(Agilent 7890GC,5975MSD)進(jìn)行土壤微生物PLFA生物標(biāo)記分離、鑒定及含量計(jì)算[19],并依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)所得PLFA表征分類(lèi)[20- 22],包括細(xì)菌(區(qū)分革蘭氏陽(yáng)性菌G+、革蘭氏陰性菌G-和一般細(xì)菌)、真菌以及計(jì)算的真菌/細(xì)菌(F/B)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

依據(jù)Mt=MT/M0×100%,MC=Mt×Ct/C0和MN=Mt×Nt/N0分別計(jì)算凋落物質(zhì)量、C、N殘余率(%)。

利用線(xiàn)性混合模型(Linear Mixed Model)的嵌套單因素方差分析來(lái)研究凋落物多樣性及組成(其中,凋落物組成嵌套在凋落物多樣性?xún)?nèi))對(duì)凋落物質(zhì)量、C、N殘余率及殘余C/N和土壤微生物各類(lèi)群PLFAs含量影響的顯著性(SPSS 21.0)；借助冗余分析(Redundancy Analysis,RDA)來(lái)研究凋落物多樣性及組成與凋落物質(zhì)量、C、N殘余率、殘余C/N及土壤G+、G-及真菌PLFAs含量之間的關(guān)系(Canoco for Windows 4.5)；利用“sem”、“dplyr”及“DiagrammeR”程序包構(gòu)建結(jié)構(gòu)方程模型(Structural Equation Model,SEM)來(lái)分析預(yù)測(cè)變量,包括初始C、N、木質(zhì)素含量及初始C/N,G+、G-、真菌PLFAs含量及F/B,與凋落物分解相關(guān)參數(shù)(凋落物質(zhì)量、C、N殘余率及殘余C/N)之間的關(guān)系(R 3.5.1)。

2 結(jié)果與分析

2.1 凋落物分解

凋落物多樣性對(duì)凋落物質(zhì)量、C、N殘余率及殘余C/N均有顯著影響(P<0.05)(圖1)。其中,4物種凋落物多樣性處理下,凋落物質(zhì)量、C殘余率均顯著低于其他兩種處理所得結(jié)果,凋落物N殘余率與其他兩種處理所得結(jié)果無(wú)顯著差異，而殘余C/N僅顯著低于單物種多樣性處理；相對(duì)于單物種凋落物多樣性處理,2物種凋落物多樣性處理表現(xiàn)出顯著高的N殘余率和顯著低的殘余C/N。

圖1 凋落物多樣性對(duì)凋落物質(zhì)量、C、N殘余率及殘余C/N的影響Fig.1 The effects of litter diversity on litter mass,C,N remaining rate and remaining C/N圖中相同的英文字母表示處理間差異不顯著

凋落物組成對(duì)凋落物質(zhì)量、C和N殘余率均具有顯著影響(P<0.05)(圖2)。單物種凋落物多樣性組合中,茵陳蒿(A)的凋落物質(zhì)量、C和N殘余率均顯著(P<0.05)低于其余3種植物；2物種凋落物多樣性組合中,麻花頭+二裂委陵菜(S+P)的質(zhì)量殘余率顯著(P<0.05)高于除茵陳蒿+麻花頭(A+S)外的組合,而C殘余率顯著高于其他五種組合；4物種凋落物多樣性組合(L+A+S+P),其質(zhì)量殘余率顯著低于除茵陳蒿(A)、羊草+茵陳蒿(L+A)及茵陳蒿+二裂委陵菜(A+P)外的其他組合；其C殘余率顯著低于除茵陳蒿(A)、羊草+麻花頭(L+S)、羊草+茵陳蒿(L+A)及茵陳蒿+二裂委陵菜(A+P)外的其他組合；其N(xiāo)殘余率與麻花頭(S)、茵陳蒿(A)、麻花頭+二裂委陵菜(S+P)及茵陳蒿+麻花頭(A+S)組合間均存在顯著差異。

凋落物組成對(duì)凋落物殘余C/N具有顯著影響(P<0.05)。單物種凋落物多樣性組合中,羊草(L)的殘余C/N顯著(P<0.05)低于其他3種植物；2物種凋落物多樣性組合中,麻花頭+二裂委陵菜(S+P)的殘余C/N顯著(P<0.05)高于除茵陳蒿+二裂委陵菜(A+P)外的其他組合；4物種凋落物多樣性組合(L+A+S+P)所得殘余C/N顯著(P<0.05)低于單物種麻花頭(S)、二裂委陵菜(P)及茵陳蒿(A)組合處理。

圖2 凋落物組成對(duì)凋落物質(zhì)量、C、N殘余率及殘余C/N的影響Fig.2 The effects of litter composition on litter mass remaining,C remaining,N remaining and remaining C/NS: 麻花頭 S. centauroides；L：羊草 L. chinensis；P：二裂委陵菜 P. bifurca；A: 茵陳蒿 A. capillaris

2.2 土壤微生物群落組成和結(jié)構(gòu)

凋落物多樣性對(duì)所觀(guān)測(cè)的土壤微生物群落組成和結(jié)構(gòu)指標(biāo)均無(wú)顯著(P>0.05)影響(表2)；凋落物組成對(duì)G+PLFAs含量具有顯著(P<0.05)影響(表2),具體表現(xiàn)為：?jiǎn)挝锓N凋落物多樣性組合所得土壤中,麻花頭(S)凋落物下土壤的G+PLFAs含量顯著(P<0.05)高于羊草(L)及二裂委陵菜(P)下土壤所得結(jié)果；2物種凋落物多樣性組合所得土壤中,羊草+二裂委陵菜(L+P)下土壤的G+PLFAs含量顯著高于麻花頭+二裂委陵菜(S+P)、茵陳蒿+麻花頭(A+S)以及茵陳蒿+二裂委陵菜(A+P)凋落物下土壤所得結(jié)果；4物種凋落物多樣性組合(L+A+S+P)所得土壤的G+PLFAs含量顯著(P<0.05)低于麻花頭(S)、茵陳蒿(A)、羊草+二裂委陵菜(L+P)以及羊草+麻花頭(L+S)下土壤所得結(jié)果(圖3)。

2.3 冗余分析

冗余分析結(jié)果表明：前兩軸共解釋了50%的變異,且排序軸對(duì)應(yīng)的環(huán)境變量對(duì)響應(yīng)變量的解釋貢獻(xiàn)達(dá)顯著水平(F=3.44,P=0.014),對(duì)總變異貢獻(xiàn)的大小依次為茵陳蒿(28%)>麻花頭(21%)>凋落物多樣性(10%)>羊草(8%)>二裂委陵菜(7%)。其中,凋落物質(zhì)量、C、N殘余率與含凋落物茵陳蒿的處理呈顯著負(fù)相關(guān)；凋落物質(zhì)量、C、N殘余率以及土壤微生物G+、G-和真菌(PLFAs)含量均與含凋落物麻花頭及二裂委陵菜的處理呈顯著正相關(guān)；真菌、G+、G-、PLFAs及殘余C/N與凋落物多樣性和含凋落物羊草的處理呈顯著負(fù)相關(guān)(圖4)。

表2 凋落物多樣性及組成對(duì)土壤微生物群落組成和結(jié)構(gòu)影響的嵌套式分析

圖3 凋落物組成對(duì)土壤G+PLFAs含量的影響Fig.3 The effects of litter composition on the soil G+ PLFAs contentS: 麻花頭 S. centauroides；L：羊草 L. chinensis；P：二裂委陵菜 P. bifurca；A: 茵陳蒿 A. capillaris

圖4 土壤微生物群落和凋落物分解特性與凋落物多樣性及組成相關(guān)關(guān)系的冗余分析Fig.4 The relationships between soil microbial community and characteristics of litter decomposition and litter diversity and composition by redundancy analysis

圖5 凋落物初始化學(xué)性質(zhì)、土壤微生物群落與凋落物分解特性的結(jié)構(gòu)方程模型Fig.5 The structural equation model of initial litter chemical properties,soil microbial community and litter decomposition characteristics 圖中僅顯示P<0.05的相關(guān)關(guān)系,實(shí)線(xiàn)、虛線(xiàn)箭頭分別表示正、負(fù)相關(guān)關(guān)系,*：P<0.05,**：P<0.01,***：P<0.001

2.4 結(jié)構(gòu)方程模型

經(jīng)顯著性檢驗(yàn),所得結(jié)構(gòu)方程模型結(jié)果表明：凋落物初始C/N對(duì)凋落物質(zhì)量、C殘余率及殘余C/N具有顯著直接影響。然而,凋落物初始木質(zhì)素含量對(duì)凋落物質(zhì)量、C及N殘余率具有顯著直接影響,也可通過(guò)對(duì)真菌PLFAs含量的影響來(lái)間接對(duì)凋落物N殘余率及殘余C/N產(chǎn)生顯著影響。G-PLFAs含量對(duì)殘余C/N具有顯著直接影響(圖5)。

3 討論

干旱-半干旱區(qū)草原地上部分,除牲畜采食外,絕大部分以凋落物的形式參與生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)。因此,草原群落的種類(lèi)組成和結(jié)構(gòu)對(duì)凋落物的質(zhì)量具有決定性的作用,對(duì)維護(hù)草原土壤質(zhì)量和發(fā)揮草原生態(tài)系統(tǒng)功能方面具有重要作用。草原退化導(dǎo)致建群種替代,即使經(jīng)過(guò)多年恢復(fù),與原生群落的物種組成間仍有差異。本研究區(qū)域?yàn)榻?jīng)過(guò)6年圍封的恢復(fù)群落,群落中優(yōu)勢(shì)度較大的以雜類(lèi)草麻花頭、二裂委陵菜和茵陳蒿為主,與原生植被以貝加爾針茅、羊草為主導(dǎo)的群落物種組成有較大差異。這些雜類(lèi)草初始凋落物具有高的初始C/N和木質(zhì)素含量,且這些因素主導(dǎo)并減緩凋落物分解進(jìn)程,如王小平等在當(dāng)前大氣CO2濃度條件下研究指出,該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)較原生群落慢[16]。而本研究發(fā)現(xiàn),在兩倍于當(dāng)前大氣CO2濃度條件下,凋落物的分解速率較王小平等[16]于當(dāng)前大氣CO2濃度條件下所得結(jié)果更慢,這與高CO2濃度下凋落物質(zhì)量、C殘余率高,進(jìn)而導(dǎo)致殘余C/N高有關(guān)?？赡艿脑?yàn)?1)凋落物殘余C/N增加造成微生物生物量受限制,凋落物分解速率將會(huì)變低[23]。但這種影響具有物種組成的特異性,如茵陳蒿凋落物,其土壤中G+含量較豐富(圖3),但凋落物殘余率則較低(圖2)。(2)CO2濃度升高除了影響凋落物化學(xué)組成及土壤微生物外,還會(huì)引起土壤pH、溫度及土壤動(dòng)物等因素的變化[24-25],從而直接或間接地降低凋落物分解速率,如Cotrufo等[5]發(fā)現(xiàn)高CO2濃度環(huán)境中土壤動(dòng)物種群數(shù)量相對(duì)較少。但也有與此結(jié)果不同的報(bào)道,如Conteaux等[26]研究發(fā)現(xiàn)高CO2濃度環(huán)境下C/N升高的凋落物,僅在初期分解減慢,隨后加快；Williams等[27]在研究曼哈頓的高草原凋落物分解時(shí)發(fā)現(xiàn)CO2濃度升高,土壤微生物分解活動(dòng)增加,促進(jìn)了凋落物分解。這些結(jié)果表明大氣CO2濃度升高對(duì)生物、以及凋落物分解的影響是非常復(fù)雜的,觀(guān)測(cè)區(qū)域及凋落物分解時(shí)長(zhǎng)均會(huì)影響觀(guān)測(cè)結(jié)果。

本研究發(fā)現(xiàn),在兩倍于當(dāng)前大氣CO2濃度條件下,凋落物組成對(duì)凋落物分解各參數(shù)及土壤微生物群落指標(biāo)的影響高于凋落物多樣性(圖4),結(jié)構(gòu)方程模型(圖5)支持凋落物初始木質(zhì)素含量及初始C/N對(duì)凋落物分解參數(shù)有顯著直接的影響,且凋落物初始木質(zhì)素含量起主導(dǎo)作用,為群落物種替代對(duì)生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的顯著影響提供了直接的證據(jù)。此外,研究還發(fā)現(xiàn)G-含量顯著影響凋落物殘余C/N,原因可能為CO2濃度變化影響凋落物分解過(guò)程中的組分變化[28],因而滿(mǎn)足了G-的需求,G-傾向于高質(zhì)量(如低C/N,低木質(zhì)素含量)的凋落物環(huán)境[29],凋落物羊草(低C/N,低木質(zhì)素含量)可能為其提供了條件。這一結(jié)果與當(dāng)前大氣CO2濃度條件所得結(jié)果不一致[16],但并不影響凋落物初始木質(zhì)素含量對(duì)凋落物分解的主導(dǎo)地位。劉書(shū)林等[30]通過(guò)全自動(dòng)微氣候控制的“人工模擬氣候?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)”對(duì)川西亞高山針葉林土壤進(jìn)行模擬CO2倍增對(duì)土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)的影響,得出高CO2濃度對(duì)G+有顯著影響；Liu等[31]以稻田生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象,發(fā)現(xiàn)CO2濃度升高顯著增加了水稻土壤中真菌的豐度。

本研究結(jié)果為全球氣候變化大背景下,退化恢復(fù)草原生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)特征提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù),也可為相似生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)功能的合理評(píng)估提供數(shù)據(jù)參考。