易分解有機(jī)碳輸入量對(duì)武夷山不同林型土壤激發(fā)效應(yīng)的影響

王 浩,楊 鈺,習(xí) 丹,丘清燕,胡亞林

福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院森林生態(tài)穩(wěn)定同位素研究中心, 福州 350002

土壤有機(jī)碳庫(kù)(SOC)是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫(kù),其碳儲(chǔ)量是植物碳庫(kù)的5倍、大氣碳庫(kù)的4倍[1]。土壤每年向大氣排放(98±12) Pg C,相當(dāng)于是森林砍伐和化石燃料等排放的10倍左右[2]。因此,土壤有機(jī)碳庫(kù)的微小變化也會(huì)導(dǎo)致大氣CO2濃度的巨大改變[3- 4]。過(guò)去數(shù)十年中,許多研究表明外源有機(jī)質(zhì)的輸入可以改變土壤有機(jī)碳的礦化速率,而這種改變可能導(dǎo)致加快或減緩?fù)寥烙袡C(jī)碳的礦化,即呈現(xiàn)正或負(fù)的土壤激發(fā)效應(yīng)[5- 8]。雖然先前的大多數(shù)研究認(rèn)為,土壤的激發(fā)效應(yīng)是短暫的,只能持續(xù)幾分鐘或是幾個(gè)小時(shí)[5,9- 10],但近期越來(lái)越多的研究則表明,即使添加的易分解有機(jī)物被完全分解后,激發(fā)效應(yīng)仍可以持續(xù)數(shù)周甚至數(shù)個(gè)月,并最終影響土壤碳平衡[11- 12]。因而,在研究土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中,不能忽視外源易分解有機(jī)物對(duì)土壤激發(fā)效應(yīng)的影響。

根系分泌物和植物凋落物是土壤的主要外源有機(jī)質(zhì)的來(lái)源,在全球氣候變暖和CO2濃度升高的背景下,由植物凋落物或是根系分泌物釋放的可溶性有機(jī)質(zhì)將增多[13- 14],這就意味著輸入土壤的易分解有機(jī)碳將增加,外源易分解有機(jī)物的增加可能會(huì)對(duì)土壤的激發(fā)效應(yīng)產(chǎn)生影響。有部分研究認(rèn)為,土壤有機(jī)碳的礦化隨著易分解有機(jī)碳輸入量的增加而增加,即隨著輸入量的增加土壤激發(fā)效應(yīng)也隨之增加[15- 16]。不過(guò)也有研究指出,土壤激發(fā)效應(yīng)隨著易分解有機(jī)物輸入量的增加而減少[17]或是外源碳輸入量與土壤激發(fā)效應(yīng)之間并無(wú)明顯關(guān)系[18]。還有些學(xué)者認(rèn)為土壤激發(fā)效應(yīng)與底物添加量之間存在閾值,即外源易分解有機(jī)物輸入增加時(shí)激發(fā)效應(yīng)增加,但外源有機(jī)物添加到一定量時(shí)激發(fā)效應(yīng)就不再增加[19- 20]。綜上所述,目前關(guān)于土壤的激發(fā)效應(yīng)與易分解有機(jī)碳輸入量增加之間到底存在怎樣的關(guān)系尚不明確。探究易分解有機(jī)物輸入量與其所引起的土壤激發(fā)效應(yīng)之間的關(guān)系,對(duì)于預(yù)測(cè)外源易分解有機(jī)物輸入對(duì)土壤碳動(dòng)態(tài)和土壤碳平衡的影響具有重要意義。

雖然土壤激發(fā)效應(yīng)是由易分解有機(jī)物誘導(dǎo)產(chǎn)生的,但是激發(fā)效應(yīng)的強(qiáng)度受到土壤微生物群落組成、土壤養(yǎng)分狀況的影響。有研究認(rèn)為,在土壤激發(fā)過(guò)程中伴隨著土壤微生物群落的轉(zhuǎn)變。多數(shù)研究認(rèn)為在易分解有機(jī)物添加初期主要促進(jìn)了r-策略者(主要是細(xì)菌的生長(zhǎng))而后期主要是K-策略者(如真菌、放線菌等)[21- 22],有研究發(fā)現(xiàn),葡萄糖添加前后土壤真菌群落數(shù)量有顯著的區(qū)別,而細(xì)菌群落數(shù)量則不明顯,即形成正激發(fā)效應(yīng)[23],也有研究發(fā)現(xiàn)易分解有機(jī)物輸入抑制了SOC的礦化形成負(fù)激發(fā)效應(yīng),但影響負(fù)激發(fā)效應(yīng)的因素與土壤微生物無(wú)明顯關(guān)系,而是由于影響了微生物代謝導(dǎo)致的[20]。此外,土壤中的N素可以通過(guò)改變土壤C/N來(lái)影響土壤微生物的生長(zhǎng)情況進(jìn)而影響土壤激發(fā)效應(yīng)。易分解有機(jī)物輸入量的增加,可能造成微生物對(duì)氮源需求量的增加,而為了獲取氮源微生物可能加快對(duì)原有有機(jī)碳的分解(即,呈現(xiàn)正的激發(fā)效應(yīng))。又或者是外源易分解有機(jī)物輸入使得微生物出現(xiàn)氮限制,從而抑制了微生物的活性,降低了對(duì)原有SOC的分解(即,呈現(xiàn)負(fù)的激發(fā)效應(yīng))。由于不同林型土壤的養(yǎng)分狀況以及微生物群落組成不同,因而不同林型對(duì)外源易分解有機(jī)物輸入量增加的響應(yīng)可能存在差異。研究易分解有機(jī)碳輸入增加背景下不同林型土壤微生物群落組成以及土壤氮素含量變化有利于揭示土壤激發(fā)效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理。

綜上所述,本研究擬提出以下科學(xué)問(wèn)題：(1)外源易分解有機(jī)物輸入量增加與土壤激發(fā)效應(yīng)之間存在怎樣的關(guān)系? (2)這種關(guān)系是否因林型而異? (3)易分解有機(jī)碳輸入量增加下其引起土壤激發(fā)效應(yīng)的作用機(jī)理是什么? 針對(duì)以上科學(xué)問(wèn)題,以武夷山不同森林類型(常綠闊葉林、混交林、馬尾松林)土壤為研究對(duì)象,通過(guò)向土壤中添加13C標(biāo)記葡萄糖來(lái)研究：(1)葡萄糖輸入增加對(duì)土壤激發(fā)效應(yīng)的影響；(2)不同林型對(duì)葡萄糖添加的響應(yīng)是否存在差異；(3)葡萄糖添加對(duì)不同林型土壤激發(fā)效應(yīng)影響的作用機(jī)理。研究結(jié)果有利于闡明易分解有機(jī)碳輸入量與土壤激發(fā)效應(yīng)的關(guān)系,揭示易分解有機(jī)碳輸入量增加背景下土壤激發(fā)效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理,這對(duì)于預(yù)測(cè)外源易分解有機(jī)物輸入對(duì)土壤碳動(dòng)態(tài)和土壤碳平衡的影響具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況與土壤樣品采集

土壤樣品采自福建省武夷山自然保護(hù)區(qū)(27°33′—27°54′N,117°27′—117°51′E),該地區(qū)為亞熱帶季風(fēng)氣候,年平均氣溫約12—13℃,年降水量在2000 mm,年相對(duì)濕度高達(dá)85%,霧日在100 d以上,土壤為黃紅壤。武夷山高海拔使得山上植物與土壤的垂直帶譜豐富。海拔由低到高的植被類型為落葉闊葉林、常綠闊葉林、針闊葉混交林、針葉林、中山苔蘚矮曲林、中山草甸等。常綠闊葉林喬木層通常包含2—3個(gè)亞層,高度為12—25 m。群落主要由殼斗科(Fagaceae)、山茶科(Theaceae)和樟科(Lauraceae)等構(gòu)成,主要優(yōu)勢(shì)樹(shù)種有甜櫧(Castanopsiseyrei)、苦櫧(Castanopsissclerophylla)、青岡櫟(Cyclobalanopsisglauca)、羅浮栲(Castanopsisfabri)和木荷(Schimasuperba)等；針闊混交林群落發(fā)育明顯,喬木層高度從8 m到20 m以上不等,分為明顯的3個(gè)亞層。喬木層物種主要有山茶科(Theaceae)、杉科(Taxodiaceae)、殼斗科(Fagaceae)和松科(Pinaceae)等樹(shù)種組成,主要優(yōu)勢(shì)樹(shù)種為杉木(Cunninghamialanceolata)、馬尾松(Pinusmassoniana)、栲樹(shù)(Castanopsisfargesii)、乳源木蓮(Manglietiayuyuanensis)等組成；針葉林喬木層主要有松科、杜鵑花科(Ericaceae)和禾本科(Gramineae)植物構(gòu)成,主要優(yōu)勢(shì)種為馬尾松(Pinusmassoniana)、毛竹(Phyllostachysheterocycla)杉木(Cunninghamialanceolata)和黃山松(Pinustaiwanensis)等[24- 25]。

本研究土壤樣品采集于武夷山國(guó)家自然保護(hù)區(qū)的常綠闊葉林、馬尾松林、針闊混交林,在三個(gè)林型分別設(shè)置3塊20 m×20 m的樣地,土壤采集時(shí)先去除表層凋落物然后在每個(gè)樣地內(nèi)用土鉆按“S”型取5個(gè)點(diǎn)的表層(0—20 cm)土壤,并將同一林型的土壤混合均勻,剔除其明顯的動(dòng)植物殘?bào)w、石礫等,并過(guò)2 mm篩。所有土壤樣品分為兩份,一份自然風(fēng)干用于測(cè)定土壤基本理化性質(zhì),另一份放在4℃冰箱用于培養(yǎng)試驗(yàn)。土壤理化性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.2.1培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)

稱取相當(dāng)于干土重的40 g的鮮土于300 mL的玻璃培養(yǎng)瓶中,用去離子水調(diào)節(jié)土壤水分含量到田間持水量的60%。所有土壤均在25℃下預(yù)培養(yǎng)7 d,使土壤的微生物趨于穩(wěn)定。在預(yù)培養(yǎng)結(jié)束之后,向土壤中添加13C標(biāo)記葡萄糖(99atom%13C)。在本研究中,三種林型土壤分別設(shè)置4種濃度梯度的葡萄糖碳添加試驗(yàn),4個(gè)濃度梯度分別為0、100、200、400 mg C/kg,每種梯度設(shè)置3個(gè)重復(fù)。葡萄糖以溶液的形式添加,在添加時(shí)用移液槍吸取4 mL的葡萄糖溶液將其均勻滴入土壤表面,對(duì)照組則添加等量的去離子水。為了檢測(cè)土壤所釋放的二氧化碳,在培養(yǎng)瓶中放20 mL 0.5 mol/L的NaOH來(lái)吸收土壤所釋放的CO2,并用橡膠塞將培養(yǎng)瓶塞緊。再用3個(gè)不放土壤的空瓶子作為空白,用于測(cè)定堿液吸收的空氣中的CO2的量。在第一次添加相應(yīng)溶液后的第1、3、5、7、11、15、20、25、30、45、65、85 d后取出NaOH溶液,然后在溶液中加入0.5 mol/L的BaCI2溶液形成沉淀,隨后再用0.5 mol/L的HCI溶液滴定剩余的NaOH溶液。將上述沉淀裝入離心管中以1200 r/min離心三次,每次10分鐘,期間用純水沖洗BaCO3沉淀,除去上清液后將沉淀在50℃下烘干。采用同位素比值質(zhì)譜儀(IRMS, Isoprime 100, UK)測(cè)定BaCO3沉淀中的δ13C同位素值,得到的該同位素值可用于計(jì)算葡萄糖來(lái)源CO2的排放。

1.2.2測(cè)定方法

土壤pH用電位法測(cè)定(PhS- 3C)。土壤礦質(zhì)氮的測(cè)定采用2 mol/L KCl浸提1 h后用全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀(SmartChem)進(jìn)行分析測(cè)試。土壤微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)采用氯仿熏蒸K2SO4溶液浸提法,浸提液用總有機(jī)碳分析儀(TOC-L, CPH, Shimadzu, Japan)進(jìn)行測(cè)定,土壤微生物量碳/氮(MBC/MBN)分別以熏蒸和未熏蒸提取液中碳/氮含量的差值除以轉(zhuǎn)換系數(shù)0.45和0.54計(jì)算得到。土壤微生物群落結(jié)構(gòu)采用磷脂脂肪酸(PLFA)方法測(cè)定,PLFA的提取過(guò)程參考Frosteg?rd等[26]方法。取5 g土樣于50 mL離心管中,加入20 mL的0.2 mol/L的KOH甲醇溶液,漩渦震蕩10 min后在 37℃水浴鍋中溫育1 h,使其充分酯化。加入3 mL的1 mol/L醋酸溶液用于中和溶液pH值。加入10 mL正己烷,旋渦震蕩10 min使磷脂脂肪酸轉(zhuǎn)移到有機(jī)相中,3000 r/min離心15 min。立即將上層澄清的正己烷轉(zhuǎn)到干凈的玻璃試管中,使其在氮?dú)饬飨麓蹈?加入1 mL的正己烷∶甲基叔丁基醚為1∶1的溶液,充分溶解3—5min,獲得的溶液過(guò) 0.22 μm的有機(jī)濾頭。所有試驗(yàn)樣品均設(shè)3個(gè)重復(fù)。GC-MS儀器分析分析采用CP8944柱,二階程序升溫,起始溫度為70℃,以20℃/min升至170℃,維持2 min,而后5℃/min升至280℃,維持5 min,最后以40℃/min升至最高溫度300℃,維持1.5 min。氣化室溫度250℃,檢測(cè)器溫度300℃,載氣為 H2(2 mL/min)、尾氣為N2(30 mL/min),柱前壓10.00 psi(1 psi=6.895 KPa)；進(jìn)樣量1 μL,進(jìn)樣分流比100∶1。

1.3 計(jì)算

1.3.1不同處理土壤對(duì)CO2排放的貢獻(xiàn)

(1)

式中,f表示葡萄糖來(lái)源CO2排放占土壤總CO2排放的比例,其中δp表示葡萄糖的 δ13C值,δck表示未添加葡萄糖土壤所得到的BaCO3沉淀的 δ13C值,δt表示添加葡萄糖土壤所得到的BaCO3沉淀的 δ13C值。

土壤有機(jī)碳來(lái)源CO2的排放比例=1-f

(2)

土壤激發(fā)效應(yīng)PE=[CO2-C]t-[CO2-C]ck

(3)

式中,[CO2-C]t表示葡萄糖處理下來(lái)自土壤有機(jī)碳礦化的CO2排放速率；[CO2-C]ck表示未添加葡萄糖的土壤的CO2排放速率；

(4)

(5)

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 20進(jìn)行分析。用One-way ANOVA中Duncan檢驗(yàn)法分析葡萄糖添加對(duì)不同森林土壤不同來(lái)源CO2排放、MBC、PLFAs以及土壤可利用氮的影響。統(tǒng)計(jì)顯著性水平設(shè)置為P<0.05。作圖采用Sigmaplot 12.5。

2 結(jié)果與分析

2.1 葡萄糖添加對(duì)土壤總CO2排放的影響

三個(gè)林型對(duì)葡萄糖添加的響應(yīng)存在明顯的差異,具體體現(xiàn)在葡萄糖添加顯著提高了闊葉林土壤CO2的排放量(增幅介于29%—36%,圖1),并且CO2排放量隨著葡萄糖添加量的增加而增加,不過(guò)葡萄糖的三種添加梯度(100、200、400 mgC/kg)之間并無(wú)顯著差異(P>0.05)；針闊混交林對(duì)葡萄糖添加的影響并不敏感,各處理間無(wú)顯著性差異(P>0.05)；馬尾松林在葡萄糖添加量為200 mgC/kg時(shí)具有最大的土壤累積CO2排放量(37.86 mg/kg),顯著高于對(duì)照組以及100 mg C/kg 添加組,并且其引起的CO2排放在三種林型土壤中是最大的。

圖1 土壤累積CO2排放動(dòng)態(tài)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,n=3)Fig.1 Dynamics of cumulative CO2 emission from different forest soils (Mean±SE, n=3)不同小寫字母表示同一林型各處理間在P<0.05水平上差異顯著

2.2 葡萄糖添加對(duì)土壤不同來(lái)源CO2排放的影響及相對(duì)激發(fā)效應(yīng)

葡萄糖的添加明顯抑制了土壤有機(jī)碳的礦化,即呈現(xiàn)負(fù)的激發(fā)效應(yīng)(圖2)。但是葡萄糖對(duì)土壤激發(fā)效應(yīng)強(qiáng)度的影響因林型和添加量而異(圖2)。在闊葉林,土壤來(lái)源CO2排放量隨著葡萄糖添加量的增加而顯著降低,在100、200、400 mgC/kg處理下降低了25.8%、51.2%和61.4%。在針闊混交林中,土壤有機(jī)碳礦化的減少量約為35%—63.2%。在馬尾松林中,葡萄糖的添加使土壤有機(jī)碳的礦化量降低了63%左右,但是100、200、400 mgC/kg處理下對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的影響并不明顯。從圖3得知,三種林型土壤的相對(duì)激發(fā)效應(yīng)均為負(fù)值,且闊葉林土壤的相對(duì)激發(fā)效應(yīng)隨著葡萄糖添加量的增加而增強(qiáng),差異達(dá)顯著水平(P<0.05)；針闊混交林土壤在添加量為200 mgC/kg時(shí)相對(duì)激發(fā)效應(yīng)是最弱,400 mgC/kg添加量時(shí)最強(qiáng)；而馬尾松林土壤的相對(duì)激發(fā)效應(yīng)對(duì)葡萄糖添加量的響應(yīng)并不敏感,但是在相同葡萄糖添加量下馬尾松林引起的激發(fā)效應(yīng)強(qiáng)度大于其他兩個(gè)林型土壤。

葡萄糖來(lái)源CO2排放在三個(gè)林型中也存在差異(圖2)。在闊葉林中,葡萄糖來(lái)源的CO2排放量在添加量增加下占總排放量的42.8%—71.5%,且隨著葡萄糖添加量的增加而增加。在針闊混交林中,葡萄糖來(lái)源CO2排放量在葡萄糖添加量為200 mgC/kg時(shí)最低,400 mgC/kg時(shí)最高,葡萄糖添加量占總CO2排放量的37.1%—66.3%,在馬尾松林中,在葡萄糖添加量為200 mgC/kg時(shí)葡萄糖來(lái)源CO2排放量最大,并顯著高于其他兩種葡萄糖添加模式,在該林型中,葡萄糖來(lái)源CO2占總CO2排放量的61.5%—67.1%。

圖2 土壤與葡萄糖來(lái)源CO2排放量(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,n=3)Fig.2 CO2-derived from soil and glucose mineralization (Mean±SE, n=3)不同小寫字母表示同一林型葡萄糖來(lái)源CO2排放在各處理間存在顯著性差異(P<0.05),不同大寫字母表示同一林型土壤來(lái)源CO2排放在各處理間存在顯著性差異(P<0.05)

2.3 葡萄糖添加對(duì)土壤微生物生物量碳以及葡萄糖添加占微生物碳量百分比的影響

不同葡萄糖輸入量的添加對(duì)三種林型土壤的微生物生物量碳(MBC)沒(méi)有造成差異,并且針闊混交林土壤中MBC低于闊葉林土壤和馬尾松林土壤。葡萄糖添加量與土壤微生物碳量的比值在闊葉林中分別為16%—75.8%；在針闊混交林中為32.9%—124.3%；在馬尾松林中為19.3%—74.7%(圖5)。

圖3 葡萄糖添加量對(duì)土壤相對(duì)激發(fā)效應(yīng)的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,n=3)Fig.3 Effect of the glucose application rate on the relative priming effect (Mean±SE, n=3)

圖4 葡萄糖添加對(duì)土壤微生物生物量碳的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,n=3)Fig.4 Effects of glucose application rates on MBC (Mean±SE, n=3)

圖5 葡萄糖添加量占微生物碳量比值(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,n=3)Fig.5 Ratio of the amount of the glucose addition to microbial biomass carbon (Mean±SE, n=3)

2.4 葡萄糖添加對(duì)土壤PLFAs的影響

葡萄糖的添加在一定程度上提高了三個(gè)林型土壤總PLFAs和細(xì)菌的豐度,以及真菌細(xì)菌比(圖6)。雖然在闊葉林土壤中上述這些指標(biāo)隨葡萄糖添加量的增加并未達(dá)到顯著水平(P>0.05),但是存在增加的趨勢(shì)；在針闊混交林土壤中高葡萄糖添加量下(400 mgC/kg)使細(xì)菌、放線菌、細(xì)菌真菌比和總PLFAs的含量顯著增加；馬尾松林土壤中200 mgC/kg添加量下提高了細(xì)菌的含量和細(xì)菌真菌的比值。

2.5 葡萄糖添加對(duì)土壤可利用氮的影響

葡萄糖的添加顯著降低了土壤可利用氮的含量(圖7)。這種降低在闊葉林和針闊混交林中最為明顯。在闊葉林中,可利用氮的減少量介于6.8%—26.2%；在針闊混交林中可利用氮含量降低了4.4%—19.7%,在馬尾松林中高葡萄糖添加下減少了13.3%左右,而其余三種處理的差異不顯著(P>0.05)。

圖6 葡萄糖添加對(duì)土壤微生物磷酸脂肪酸(PLFAs)含量的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,n=3)Fig.6 Effects of glucose application rates on microbial phosphate fatty acid (PLFAs) content(Mean±SE, n=3)

圖7 葡萄糖添加對(duì)土壤可利用氮變化(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,n=3)Fig.7 Effects of glucose application rates on soil available N (Mean±SE, n=3)

2.6 土壤相對(duì)激發(fā)效應(yīng)與土壤生物化學(xué)指標(biāo)的關(guān)系

從表2可以看出,土壤總CO2排放、土壤來(lái)源CO2、相對(duì)激發(fā)效應(yīng)和葡萄糖添加量與微生物碳量之比受森林類型、葡萄糖添加量以及它們之間交互作用的影響。而微生物指標(biāo)主要受林型的影響。

通過(guò)皮爾森相關(guān)分析,在闊葉林中土壤相對(duì)激發(fā)效應(yīng)與土壤可利用氮量呈正相關(guān)關(guān)系,和葡萄糖添加量與微生物碳量之比呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；在針闊混交林中土壤相對(duì)激發(fā)效應(yīng)和放線菌呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；在馬尾松林中和真菌呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(表3)。

3 討論

3.1 易分解有機(jī)碳輸入量對(duì)不同林型土壤激發(fā)效應(yīng)的影響

本研究中外源有機(jī)碳的添加顯著抑制了土壤有機(jī)碳的礦化(圖3),形成負(fù)的激發(fā)效應(yīng),這與近年來(lái)大部分研究的結(jié)果不同,之前的研究對(duì)易分解有機(jī)碳的輸入大多觀察到的激發(fā)效應(yīng)是正向的[11,16]。兩者結(jié)果的不同可能與本研究中外源易分解有機(jī)碳的輸入量較高有關(guān),進(jìn)而使土壤微生物在外源有機(jī)質(zhì)輸入后優(yōu)先利用了外源易分解有機(jī)質(zhì)而減少了對(duì)原來(lái)土壤有機(jī)碳的利用[27],形成負(fù)激發(fā)效應(yīng),如De Graaff等[22]發(fā)現(xiàn)較高的外源有機(jī)碳輸入下(21.7 mgC/g)土壤的激發(fā)效應(yīng)為負(fù)向,并認(rèn)為是外源有機(jī)碳輸入量的增加使土壤微生物發(fā)生對(duì)底物選擇性利用的結(jié)果。而Luo等[17]認(rèn)為森林土壤由于存在凋落層,因此有機(jī)質(zhì)輸入是常見(jiàn)的,就會(huì)使得兼性利用SOC和外源有機(jī)質(zhì)的土壤微生物種類增加,因而輸入外源易分解有機(jī)質(zhì)后會(huì)進(jìn)行底物選擇利用。本研究中易分解有機(jī)碳的輸入抑制了SOC的分解,并且隨著輸入量的增加葡萄糖來(lái)源CO2排放量也相應(yīng)地增加,證明土壤微生物優(yōu)先利用易分解有機(jī)碳,減少了對(duì)SOC的利用,從而出現(xiàn)負(fù)激發(fā)效應(yīng)(圖2)。從底物的角度來(lái)說(shuō)可能是葡萄糖作為易分解有機(jī)物相對(duì)于SOC可以更好被土壤微生物利用,并且之前的研究認(rèn)為葡萄糖在其分解時(shí)的產(chǎn)物和土壤有機(jī)質(zhì)通過(guò)黏合作用而降低了SOC的分解[9]。

表2 雙因素方差分析結(jié)果

表3 土壤相對(duì)激發(fā)效應(yīng)與土壤生物化學(xué)指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系

3.2 微生物群落與土壤可利用氮對(duì)易分解有機(jī)碳輸入增加下土壤激發(fā)效應(yīng)的影響

微生物的生長(zhǎng)和活性很大程度上依賴于底物的可利用程度,這兩者通過(guò)激發(fā)效應(yīng)影響了SOM的分解[28]。而激發(fā)效應(yīng)反映了兩個(gè)種類的微生物(K-型微生物和r-型微生物)在外源碳的輸入下的競(jìng)爭(zhēng)模式,在易分解有機(jī)物輸入土壤的前期由細(xì)菌主導(dǎo),后期真菌占主導(dǎo)作用[21- 22]。在本研究中易分解有機(jī)碳的輸入引起的激發(fā)效應(yīng)強(qiáng)度在不同林型土壤中存在差異,雖然之前研究發(fā)現(xiàn)土壤激發(fā)強(qiáng)度和外源有機(jī)碳輸入量之間沒(méi)有明確的線性關(guān)系[18],但是Blagodatskaya和Kuzyakov[29]研究發(fā)現(xiàn),外源有機(jī)質(zhì)總量對(duì)激發(fā)效應(yīng)的影響更多取決于外源碳輸入量和MBC的比例,當(dāng)碳輸入量少于MBC的50%時(shí),激發(fā)效應(yīng)強(qiáng)度隨外源碳輸入量線性增加,當(dāng)碳輸入量相當(dāng)于MBC的50%—200%時(shí),激發(fā)效應(yīng)強(qiáng)度與碳輸入量呈指數(shù)減少,當(dāng)碳輸入量大于MBC的200%時(shí),對(duì)激發(fā)效應(yīng)的影響不明顯。通過(guò)測(cè)定PLFAs(圖6)可得知易分解有機(jī)碳的輸入對(duì)闊葉林土壤微生物群落沒(méi)有影響,表明闊葉林土壤的微生物對(duì)易分解有機(jī)碳的輸入的響應(yīng)不敏感。之前也有相似的研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)易分解有機(jī)碳輸入到土壤中雖然引起了激發(fā)效應(yīng)但是土壤微生物群落組成并沒(méi)有發(fā)生顯著的變化,并且認(rèn)為這是由于易分解有機(jī)碳的添加使土壤微生物代謝酶活性受到影響導(dǎo)致的[20,22]。從外源有機(jī)碳占土壤微生物碳量的比來(lái)說(shuō),闊葉林土壤的外源易分解有機(jī)碳輸入量占MBC量的16%—76%,激發(fā)強(qiáng)度隨著添加量的增加呈增加趨勢(shì),說(shuō)明闊葉林土壤對(duì)外源易分解有機(jī)碳的添加更敏感,這一結(jié)果與張政等[30]研究的結(jié)果相似,他在研究三明格氏栲闊葉林發(fā)現(xiàn),與碳含量較低的凋落物相比,碳含量較高的凋落物減緩了原有土壤有機(jī)碳的分解,即呈現(xiàn)負(fù)的激發(fā)效應(yīng)。并且闊葉林土壤的可利用氮隨著外源易分解有機(jī)碳的輸入量增加而降低(圖7),說(shuō)明影響闊葉林土壤激發(fā)效應(yīng)強(qiáng)度的因素可能跟土壤養(yǎng)分有關(guān),通過(guò)皮爾森分析我們證實(shí)了這一點(diǎn)(表3),也就是說(shuō)土壤養(yǎng)分越充足闊葉林土壤負(fù)激發(fā)強(qiáng)度越大。針闊混交林和馬尾松林土壤分別與放線菌和真菌存在負(fù)相關(guān)關(guān)系(表3),說(shuō)明對(duì)于混交林和馬尾松林土壤來(lái)說(shuō)放線菌和真菌豐度越大,激發(fā)強(qiáng)度越小。這類K-型微生物可兼性利用易分解和難分解碳源,因此放線菌和真菌豐度升高則會(huì)加速利用SOC,使負(fù)激發(fā)效應(yīng)降低。對(duì)于馬尾松林土壤來(lái)說(shuō)三種外源易分解有機(jī)碳的添加量對(duì)激發(fā)強(qiáng)度和土壤可利用氮的含量并無(wú)影響,可能是即使是最低輸入量也已到達(dá)馬尾松林土壤微生物利用碳的飽和值,進(jìn)而減少了對(duì)SOC的利用[11]。從氮的可利用性角度來(lái)說(shuō),有研究表明易分解有機(jī)碳輸入土壤導(dǎo)致土壤中氮的固持,那么微生物則需要分解土壤中原有的有機(jī)質(zhì)釋放可利用氮來(lái)滿足自身對(duì)氮養(yǎng)分的需求,而這一過(guò)程將加速土壤原有有機(jī)碳的礦化,形成正的激發(fā)效應(yīng)[31]。也有研究表明外源易分解碳輸入土壤中如果土壤中的氮素缺乏,不能夠維持土壤微生物生長(zhǎng)所需要的碳氮化學(xué)計(jì)量比,則土壤微生物的活性將受到抑制,這將降低其對(duì)土壤原有有機(jī)碳的分解利用,即形成負(fù)的激發(fā)效應(yīng)[10]。從圖6和圖7中得知,隨著葡萄糖添加量的增加土壤有效氮含量降低,而土壤微生物群落并未發(fā)生轉(zhuǎn)變,表明土壤中的可利用氮并不是限制土壤微生物代謝的限制因素。對(duì)于微生物來(lái)說(shuō)土壤中的氮素依舊能夠滿足其利用分解葡萄糖的需求,只有當(dāng)土壤中的可利用氮低于某一個(gè)臨界值時(shí),微生物才會(huì)通過(guò)礦化原有土壤有機(jī)質(zhì)來(lái)獲取氮源。

4 結(jié)論

外源易分解碳對(duì)不同林型土壤有機(jī)碳的礦化均有抑制作用,形成負(fù)激發(fā)效應(yīng)。而且土壤激發(fā)效應(yīng)強(qiáng)度與林型有關(guān),其中闊葉林土壤的負(fù)激發(fā)效應(yīng)強(qiáng)度隨著外源易分解碳的添加量的增加而增強(qiáng),針闊混交林土壤激發(fā)效應(yīng)強(qiáng)度呈先增加后減小的趨勢(shì),馬尾松林對(duì)易分解有機(jī)碳輸入量的響應(yīng)并不明顯,但是激發(fā)效應(yīng)強(qiáng)度大于其他兩種林型土壤。闊葉林激發(fā)效應(yīng)強(qiáng)度并非取決于土壤微生物的組成,而是取決于土壤可利用氮含量以及葡萄糖添加量與微生物碳量的比；針闊混交林受到放線菌的影響；而馬尾松林土壤受真菌群落的影響。