模擬氮沉降和降水增加對棄耕草地土壤微生物學(xué)特性的影響

張玉革, 劉月秀,, 楊 山,, 馬銳驁, 吳 輝, 孟亞妮, 李 慧

(1. 沈陽大學(xué) 環(huán)境學(xué)院, 遼寧 沈陽 110044; 2. 中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所 額爾古納森林草原過渡帶生態(tài)系統(tǒng)研究站, 遼寧 沈陽 110016)

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮肥施用量的增加和化石燃料的燃燒等,我國大氣氮沉降有逐年增加的趨勢[1].氮沉降增加可以提高土壤氮素水平,增加地上植被的生物量,但持續(xù)增加的氮輸入會導(dǎo)致土壤酸化、物種多樣性丟失、群落穩(wěn)定性降低[2].IPCC評估報告指出,至21世紀(jì)末,北半球中緯度地區(qū)夏季降水將出現(xiàn)增加的趨勢,其中中國內(nèi)蒙古東部地區(qū)降水增量在10%～20%之間[3].在受水分限制的半干旱草地生態(tài)系統(tǒng)中,增加降水能增加地上植被物種豐富度和群落穩(wěn)定性[4],增加土壤的C、N庫[5],促進營養(yǎng)物質(zhì)的運輸及有效性的增加,但也增加了土壤中鹽基淋失[6]、化肥非點源污染的風(fēng)險[7].長期氮沉降和降水格局變化對草地生態(tài)系統(tǒng)的功能和服務(wù)均有顯著影響,目前,對氮和水輸入增加對地上植被和土壤理化性質(zhì)的影響已有一定的認(rèn)識,但對土壤微生物學(xué)特性的影響尚不十分清楚.

土壤微生物是土壤養(yǎng)分循環(huán)過程的重要驅(qū)動者,是表征土壤質(zhì)量的重要生物學(xué)指標(biāo),對人類活動和環(huán)境變化十分敏感.氮輸入增加對土壤微生物生物量的影響因生態(tài)系統(tǒng)以及土壤類型而異.例如,在森林和草地等天然生態(tài)系統(tǒng)中,氮輸入增加會降低微生物生物量,抑制微生物呼吸,對微生物生長和活性有負(fù)面影響[8];然而在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中,有研究發(fā)現(xiàn)氮添加可增加土壤微生物生物量[9].在干旱-半干旱天然草地,降水增加通常能促進微生物生物量增加,但氮沉降和降水增加與微生物生物量的交互作用仍需進一步深入研究.微生物群落通常有比較恒定的元素計量比,微生物C、N、P元素計量比的比值通常維持在60∶7∶1到42∶6∶1之間.微生物群落元素計量比反映了其對周圍養(yǎng)分變化的一種適應(yīng)機制,對于調(diào)控土壤養(yǎng)分庫和養(yǎng)分循環(huán)過程具有重要意義.然而,在研究土壤微生物學(xué)特性對環(huán)境變化的響應(yīng)時,卻很少關(guān)注微生物元素計量比這一指標(biāo).

土壤酶來源于土壤微生物、植物和動物的分泌,在土壤有機物質(zhì)循環(huán)及能量轉(zhuǎn)化中具有重要的作用.土壤酶活性強弱可以在一定程度上反映土壤狀況,而且對于外界因素變化較敏感,可作為土壤生態(tài)功能變化的預(yù)警和敏感指標(biāo).研究發(fā)現(xiàn)[10],在內(nèi)蒙古典型天然草地,氮輸入增加提高了纖維素水解酶(CEL)和N-乙酰-β-D-葡糖苷酶(NAG)的活性.在美國新墨西哥州半干旱草地開展的野外試驗證明了氮輸入增加同樣能夠提高CEL活性,同時也提高了β-葡萄糖苷酶(BG)的活性[11].在內(nèi)蒙古典型草地開展的模擬降水增加試驗表明,降水增加提高了NAG、BG和蛋白質(zhì)水解酶(PRO)的活性[10].然而,美國加利福尼亞草地增水處理則降低了BG和NAG活性[12].因此,氮沉降和降水增加對土壤酶活性的影響仍具有很大的不確定性,其交互作用也鮮有報道.

Sinsabaugh等[13]提出的生態(tài)酶化學(xué)計量學(xué)理論,討論了元素在生態(tài)系統(tǒng)中受到生物和環(huán)境因素調(diào)控時維持動態(tài)平衡的過程.生態(tài)酶化學(xué)計量比,指與微生物代謝、養(yǎng)分的生物化學(xué)循環(huán)密切相關(guān)的土壤酶活性的比值,如β-1,4-葡萄糖苷酶和N-乙酰-β-D-葡糖苷酶活性的比值(BG活性/NAG活性)、纖維素水解酶和蛋白質(zhì)水解酶活性的比值(CEL活性/PRO活性)等.酶活性計量比常與養(yǎng)分濃度或養(yǎng)分濃度的比值相聯(lián)系,能夠反映微生物群落的新陳代謝及養(yǎng)分需求與環(huán)境中養(yǎng)分有效性之間的生物地球化學(xué)平衡模式,酶活性計量比可以用來評價微生物C、N、P養(yǎng)分資源需求狀況,是檢測微生物代謝的環(huán)境驅(qū)動力和生態(tài)系統(tǒng)對資源可利用性的有效手段和工具.因此,氮沉降和降水增加背景下,研究土壤微生物酶活性及酶活性計量比對于評估全球變化條件下微生物代謝潛力的改變及生態(tài)系統(tǒng)對有效資源的分配具有重要意義.

內(nèi)蒙古干旱-半干旱地區(qū)典型草原是我國重要的農(nóng)牧業(yè)資源地區(qū),從而形成農(nóng)田鑲嵌于草原景觀的農(nóng)牧交錯帶.自20世紀(jì)50年代起,為滿足糧食生產(chǎn)需要,內(nèi)蒙古地區(qū)大面積的天然草地被開墾成農(nóng)田,導(dǎo)致天然草地面積減少以及荒漠化,生態(tài)系統(tǒng)退化嚴(yán)重.為防止草原進一步退化,21世紀(jì)初當(dāng)?shù)卣块T開始實施“退耕還草”“退牧還草”政策[14].在氮沉降和降水增加背景下棄耕恢復(fù)草地,土壤微生物量和活性的響應(yīng)規(guī)律仍不明確.由于土地利用歷史不同,有農(nóng)耕利用背景的棄耕地,土壤微生物學(xué)特性對環(huán)境變化的響應(yīng)與天然草地可能有所不同[15].本文選取位于內(nèi)蒙古自治區(qū)多倫縣恢復(fù)生態(tài)學(xué)試驗示范研究站的棄耕恢復(fù)草地,研究了長期模擬氮沉降和降水增加對棄耕恢復(fù)草地土壤微生物量、酶活性及其計量比的影響,以期為未來降水格局改變和氮沉降量變化對溫帶草原土壤生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的影響研究提供數(shù)據(jù)支撐.

1 材料與方法

1.1 研究地點

研究地點位于內(nèi)蒙古多倫縣的中國科學(xué)院植物研究所多倫恢復(fù)生態(tài)學(xué)試驗示范站,地理坐標(biāo)為E116°17′,N42°20′.該區(qū)域海拔1 150～1 800 m,屬于溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候,年均氣溫約2.1 ℃、年均降水量約385.5 mm,土壤類型主要為礫石質(zhì)栗鈣土.試驗樣地在1980年以前為天然自由放牧草地,從1980年開始開墾為農(nóng)田,種植作物為莜麥(Avenachinensis)、蕎麥(Fagopyrumesculentum)和胡麻(Sesamumindicum),期間大約每年施用90 kg·hm-2磷酸氫二銨((NH4)2PO4).樣地經(jīng)過多年連續(xù)種植后,作物產(chǎn)量逐漸下降,自2001年棄耕后一直處于圍欄保護狀態(tài),未受任何大型食草動物踐踏和啃食,并逐步恢復(fù)為以冰草(Agropyroncristatum)和克氏針茅(Stipakrylovii)為優(yōu)勢物種的草地.

1.2 試驗設(shè)計

于2005年4月設(shè)置野外試驗,采用裂區(qū)設(shè)計,降水為主區(qū)因子,分為常規(guī)降水和增加降水2個主區(qū)域.在2個主區(qū)內(nèi),進行氮添加處理.共計4個處理:對照(CK)、氮添加(N)、水添加(WCK)、氮水共同添加(WN),每種處理7個重復(fù)小區(qū).每個小區(qū)尺寸為8 m×8 m,小區(qū)之間設(shè)有1 m寬的過道,作為緩沖隔離帶.增加降水采用具有流量控制的裝置進行噴灌,在每年的6～8月進行12次噴灌,每周增水1次,每次15 mm,每年共增水180 mm,約為全年降水量的50%.氮肥施用形式為尿素(N的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46%),年氮施用量10 g·m-2,于每年5、6月分2次施用.本研究從各處理的7個重復(fù)中選取編號為1～4的4個重復(fù),共計16個小區(qū).

1.3 土壤樣品采集與測定

1) 土壤樣品采集:2013年8月(田間試驗第9年)采集土壤樣品,采用直徑3 cm土鉆以5點混合法采集表層(0～10 cm)土壤樣品.土壤樣品去除根系和石塊后分為2份:1份于自然條件下風(fēng)干,用于測定土壤理化性質(zhì);1份4 ℃條件保存,用于測定土壤微生物學(xué)特性.

3) 土壤微生物量測定:微生物量碳(microbial biomass carbon, MBC)和微生物量氮(microbial biomass nitrogen, MBN)質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用氯仿熏蒸-浸提法,用0.5 mol ·L-1K2SO4溶液浸提后,濾液用HT1300型號TOC分析儀(德國Analytik Jena公司生產(chǎn))進行測定.

4) 土壤酶活性測定:β-1,4葡萄糖苷酶(β-1,4-glucosidase,BG)和N-乙酰-β-D-葡糖苷酶(N-acetyl-β-D-glucosaminidase,NAG活性)采用對硝基苯酚(p-nitrophenol,PNP)比色法測定.BG和NAG的特異性結(jié)合底物分別為對硝基苯基-β-D-吡喃葡萄糖苷和對硝基苯-N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖,酶活性用單位時間內(nèi)底物裂解后釋放的對硝基苯酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)來表征,單位為mg· kg-1·h-1.具體方法如下:稱取1 g鮮土,加入250 μL甲苯,將4 mL修正pH值的緩沖溶液(將溶液調(diào)節(jié)至最適合酶促反應(yīng)的pH,BG修正緩沖液的pH=6.0,NAG修正緩沖液的pH=5.5)和1 mL底物,混勻后在37 ℃下培養(yǎng)1 h.培養(yǎng)結(jié)束后加入終止劑過濾,濾液用UV1700型號紫外分光光度計(日本SHIMADZU公司生產(chǎn))在410 nm處比色測量對硝基苯酚質(zhì)量分?jǐn)?shù).纖維素水解酶和蛋白質(zhì)水解酶的特異性結(jié)合底物分別為羧甲基纖維素鈉鹽和酪蛋白,具體方法為:稱取1 g鮮土,加入250 μL甲苯,5 mL緩沖溶液和5 mL底物,混勻后分別在30 ℃條件下培養(yǎng)24 h,在50 ℃下培養(yǎng)2 h.培養(yǎng)結(jié)束后加入終止劑過濾,濾液離心后取5 mL的上清液與7.5 mL的堿性試劑混合,用紫外分光光度計在700 nm處比色測量葡萄糖和酪氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)[10].

1.4 地上植被生物量測定

于2013年8月中旬采集植物樣品.在每個試驗小區(qū)的典型區(qū)域隨機選取一個0.15 m×2 m 的樣方,將樣方內(nèi)的植物齊地面剪下裝入信封,置于烘箱內(nèi)105 ℃殺青后,65 ℃恒溫24 h烘干至恒重,采用稱重法測定地上部分凈初級生產(chǎn)力(ANPP).

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

本文采用Excel分析處理基礎(chǔ)數(shù)據(jù),土壤理化指標(biāo)和胞外酶數(shù)據(jù)均表示為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(n=4).采用SPSS 16.0統(tǒng)計分析軟件中的裂區(qū)-雙因素方差分析(two-way ANOVA)檢測水因子(W)和氮因子(N)及其交互作用(W×N)對土壤理化性質(zhì)、地上植被生產(chǎn)力、土壤微生物生物量和土壤酶活性的影響.采用單因素方差分析和Duncan’s multiple-range test多重比較檢驗土壤理化性質(zhì)、地上植被生產(chǎn)力、土壤微生物生物量和土壤酶活性在不同處理間的差異顯著性.采用R3.6.3軟件中的corrplot數(shù)據(jù)包分析土壤酶活性和酶化學(xué)計量比與土壤理化性質(zhì)間的相關(guān)性.采用Canoco 5.0軟件中的Biplot of redundancy analysis(RDA)數(shù)據(jù)包分析土壤理化數(shù)據(jù)對土壤酶活性總體變化的解釋程度,采用蒙特卡羅置換檢驗(Monte Carlo permutation test)分析水處理、氮處理和土壤理化性質(zhì)對土壤酶活性變化的貢獻(xiàn)是否顯著(α=0.05).

2 結(jié)果與分析

2.1 氮和水添加對土壤理化性質(zhì)和植被地上生產(chǎn)力的影響

氮和水添加對土壤理化性質(zhì)及地上凈初級生產(chǎn)力的影響如表1所示,兩因素方差分析如表2所示.結(jié)果顯示,氮添加顯著降低了土壤pH值,與CK和WCK處理相比,N和WN處理土壤pH分別降低了0.73和0.45.增加降水顯著增加了土壤全碳(TC)和全氮(TN)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(P<0.05),與CK和N處理相比,WCK和WN處理的土壤TC質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加了13.3%和33.3%,土壤TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加了11.5%和29.4%(P<0.05).氮添加有增加硝態(tài)氮和銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的趨勢,但總體效應(yīng)不顯著(P>0.05).氮添加顯著增加了植被地上凈初級生產(chǎn)力(ANPP)(P<0.05),與CK和WCK處理相比,N和WN處理,植被ANPP分別增加了18.3%和21.2%.增加降水沒有明顯改變植被ANPP,同時氮和水處理對植被ANPP不存在交互作用(P>0.05).

表1 氮和水添加對土壤理化性質(zhì)及地上凈初級生產(chǎn)力的影響Table 1 Effects of nitrogen and water addition on soil properties and aboveground net primary production

表2 氮和水添加對土壤理化性質(zhì)及地上凈初級生產(chǎn)力影響的兩因素方差分析

2.2 氮和水添加對土壤微生物生物量的影響

圖1為氮和水添加對土壤微生物生物量的影響,表3為氮和水添加對土壤微生物學(xué)特性的兩因素方差分析.從圖1和表3中可知,氮添加顯著降低了微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(圖1(a)、1(b),P<0.05),并顯著增加了微生物生物量碳氮比(ωMBC/ωMBN)(圖1(c),P<0.05);與CK和N處理相比,WCK和WN處理,土壤(ωMBC/ωMBN)分別增加了108%和67%.增加降水顯著增加了土壤MBC質(zhì)量分?jǐn)?shù)(圖1(a),P<0.05),與CK和N處理相比,WCK和WN處理,土壤MBC質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加了18.5%和98.5%.增加降水對ωMBN和ωMBC/ωMBN無顯著影響(圖1(b)、1(c),P>0.05).氮添加和增加降水對土壤微生物生物量不存在交互作用(P>0.05).

(a) 氮水添加對微生物生物量碳的影響(b) 氮水添加對微生物生物量氮的影響(c) 氮水添加對微生物生物量碳氮比的影響

表3 氮和水添加對土壤微生物生物量及酶活性影響的兩因素方差分析

2.3 氮和水氮添加對土壤酶活性和酶化學(xué)計量比的影響

圖2為氮和水添加對土壤酶活性及酶化學(xué)計量比的影響,兩因素方差分析結(jié)果表明,氮添加顯著增加纖維素水解酶(CEL)的活性(圖2b,表3,P<0.05),相對于CK和WCK處理,N和WN處理土壤中CEL活性分別增加了43.2%和8.5%.氮添加顯著降低了蛋白質(zhì)水解酶(PRO)的活性(圖2(d),P<0.05),相對于CK和WCK處理,N和WN處理PRO活性分別降低了23.3%和21.9%.氮添加對β-1,4-葡萄糖苷酶(BG)活性(圖2(a))和N-乙酰-β-D-葡糖苷酶(NAG)活性的比值(圖2(c))均無顯著影響(表3,P>0.05).相反地,增加降水不影響CEL和PRO的活性,而顯著增加BG和NAG的活性(P<0.05).相對于CK和N處理,W和WN土壤BG活性分別增加了31.9%和45.2%;土壤NAG活性分別增加了43.4%和36.3%.氮和水處理對4種土壤酶都不存在交互作用(表3,P>0.05).

(a) 氮水添加對β-1,4-葡萄糖苷醇活性的影響 (b) 氮水添加對纖維水解酶活性的影響(c) 氮水添加對N-乙酰-β-D-葡糖苷酶活性的影響 (d) 氮水添加對蛋白質(zhì)水解酶活性的影響(e) 氮水添加對BG活性/NAG活性的影響(f) 氮水添加對CEL活性/PRO活性的影響

進一步分析氮添加和增加降水對土壤酶化學(xué)計量比的影響.結(jié)果表明,β-1,4-葡萄糖苷酶活性和N-乙酰-β-D-葡糖苷酶活性的比值(BG活性/NAG活性)對氮添加和降水增加響應(yīng)不敏感(圖2(e),P>0.05);氮添加顯著增加了土壤纖維素水解酶活性和蛋白質(zhì)水解酶活性的比值(CEL活性/PRO活性)(圖2(f),P<0.05),增加降水對CEL活性/PRO活性無顯著影響.氮添加和增加降水對土壤BG活性/NAG活性和CEL活性/PRO活性不存在交互作用(表3,P>0.05).

2.4 土壤酶活性和酶化學(xué)計量比與土壤特性的相關(guān)關(guān)系

圖3為土壤理化性質(zhì)、地上植被生產(chǎn)力、微生物生物量和土壤酶活性的相關(guān)關(guān)系,由圖3可知,BG、NAG活性與土壤TN、TC質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著正相關(guān)(P<0.05),CEL活性與ANPP顯著正相關(guān)(P<0.05);PRO活性與土壤pH值、MBC質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著正相關(guān)(P<0.05).土壤BG活性/NAG活性與土壤特性沒有顯著相關(guān)關(guān)系,這可能也是氮、水添加對其無顯著效應(yīng)的主要原因.CEL活性/PRO活性與土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著正相關(guān)(P<0.05),與土壤pH值、MBN質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05).

圖3 土壤理化性質(zhì)、地上植被生產(chǎn)力、微生物生物量和土壤酶活性的相關(guān)關(guān)系Fig.3 Correlations among soil physicochemical properties, ANPP, soil microbial biomass and enzymatic activities

圖4 氮水添加處理下環(huán)境因素對總體土壤酶組成的影響冗余分析排序Fig.4 Redundant analysis sorting of effect of environmental factors on the composition of the overall soil enzyme under the treatment of nitrogen and water addition

進一步通過冗余分析(RDA)評估環(huán)境因子對總體土壤酶組成的影響見圖4,圖4中,第一排序軸、第二排序軸用來描述因子線性組合中最顯著的2種;Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為第一、第二、第三、第四象限;不同因子間的夾角越小代表相關(guān)性越大,方向相同代表正向相關(guān),方向相反代表負(fù)向相關(guān).結(jié)果顯示,2個排序軸共同解釋了總體土壤酶組成變異的79.82%(第一排序軸為38.2%,第二排序軸為41.56%).與CK處理相比,N、WCK和WN處理的土壤酶組成有明顯改變,N處理分布在第一排序軸正方向,WCK處理分布在第一排序軸負(fù)方向,CK分布在第二排序軸正方向,WN處理分布在第二排序軸負(fù)方向.固定因子氮(N)位于第四象限,與CEL活性和ANPP分布在同一象限,表明氮添加促進了地上凈初級生產(chǎn)力,提高了土壤CEL活性,且與簡單相關(guān)分析一致,即CEL活性和ANPP顯著正相關(guān)(圖3).固定因子水(W)位于第三象限,與TC質(zhì)量分?jǐn)?shù)、TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)、NAG活性、BG活性分布在同一象限,表明水添加提高了土壤TC、TN質(zhì)量分?jǐn)?shù),提高了NAG和BG活性,且NAG和BG活性與TC和TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān).土壤PRO活性分布在第二象限,與N因子反向分布,表明氮添加抑制了土壤RRO活性;與MBC質(zhì)量分?jǐn)?shù)和土壤pH值分布在同一象限,顯著正相關(guān),與簡單相關(guān)分析一致(圖3),蒙特卡羅檢驗顯示固定因子氮和水對土壤酶活性改變效應(yīng)顯著(P<0.05),見表4,并具有最高解釋度,分別解釋了32.5%和27.2%的變異.同時土壤TC、TN、MBC質(zhì)量分?jǐn)?shù)、ANPP和pH值對土壤酶活性有顯著效應(yīng)(P<0.05).

表4 基于蒙特卡羅置換檢驗分析土壤環(huán)境因素對土壤酶功能組成變異解釋度及其顯著性

3 討 論

3.1 棄耕恢復(fù)草地和天然草地對氮水添加響應(yīng)之比較

本研究發(fā)現(xiàn),增水處理顯著增加了土壤TC質(zhì)量分?jǐn)?shù)和TN質(zhì)量分?jǐn)?shù),而ωTC/ωTN對氮水添加的響應(yīng)均不敏感,這與毗鄰的天然草地研究結(jié)果一致[5].在青藏高原草甸草地和全國尺度上的研究也表明,土壤表層碳含量與降水量呈正相關(guān)[16-17].研究推測,增水對土壤TC和TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)的正效應(yīng)主要與植被地下生物量的增加有關(guān)[18].施氮對土壤TC和TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響的研究結(jié)果并不一致.本研究中,氮輸入增加對土壤TC和TN沒有明顯效應(yīng),與毗鄰天然草地和北美高草草原開展的研究結(jié)果一致[5].但也有一些研究[19]表明,增氮處理通過增加植被生產(chǎn)力,從而增加凋落物返還到土壤中的碳和氮.施氮導(dǎo)致的土壤酸化使表層無機碳損失,抵消了一部分返還到土壤中的碳,這可能也是導(dǎo)致土壤總碳沒有增加的原因[20].這些不同的研究結(jié)論可能與不同試驗處理具有不同的土壤質(zhì)地、處理前土壤養(yǎng)分背景、植被類型和處理年限有關(guān).

之前在毗鄰天然草地的研究結(jié)果顯示,長期氮輸入顯著增加了土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)[5,20].而在本研究中發(fā)現(xiàn),氮輸入對土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)無顯著影響(表1).這可能是由于該樣地為棄耕后恢復(fù)草地,有歷史氮肥施用遺留效應(yīng),導(dǎo)致再次接受一定劑量氮輸入時,響應(yīng)不敏感[21].但也有研究[22]表明,當(dāng)存在氮肥遺留效應(yīng)時,輸入更高濃度的氮,可能會引起顯著的生態(tài)學(xué)效應(yīng).

3.2 降水增加緩解了氮對微生物生長的負(fù)效應(yīng)

本研究發(fā)現(xiàn),氮添加降低土壤微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)質(zhì)量分?jǐn)?shù),這可能與氮添加導(dǎo)致土壤酸化有關(guān)(圖3、圖4).本研究和之前的研究表明,氮添加能夠降低土壤pH值,土壤微生物不適應(yīng)酸性環(huán)境,從而使微生物生物量降低[10].此外,外源氮輸入導(dǎo)致地上植被的蓋度、生物量和生產(chǎn)力都有不同程度增加[2].植物生長帶走了土壤中的大量養(yǎng)分,由于植被與微生物的養(yǎng)分競爭,使土壤微生物生長受到限制,導(dǎo)致在氮添加條件下,土壤微生物生物量進一步降低[25].同時發(fā)現(xiàn),氮添加顯著增加了土壤微生物生物量碳氮比,可能為氮添加導(dǎo)致土壤酸化,與細(xì)菌相比,真菌更容易在偏酸性環(huán)境下生存,氮添加導(dǎo)致真菌在群落中的比例增加[26],且大部分真菌比細(xì)菌有更高的微生物碳氮比,可能是造成微生物生物量碳氮比增加的原因[27].但在本研究中并未測定細(xì)菌和真菌的生物量,只能做初步推測.調(diào)整群落結(jié)構(gòu)組成和元素計量比,可能是微生物群落適應(yīng)外界環(huán)境變化的重要調(diào)控機制.在本研究中,增水處理顯著提高了MBC質(zhì)量分?jǐn)?shù),而在干旱-半干旱草地和河岸帶生態(tài)系統(tǒng)中,微生物生長受水分限制[28].因此,降水增加可能會提高土壤含水量,促進了微生物的生長和對碳氮的固定.降水還通過擴散(diffusion)作用釋放干旱條件下積累的有機質(zhì)、無機氮和微生物殘體來增加養(yǎng)分的有效性,進而提高土壤微生物生物量[29].降水增加還可能通過加速凋落物分解,釋放出較多的養(yǎng)分和微量元素來補充表土養(yǎng)分庫[30],從而促進土壤微生物生長.

研究發(fā)現(xiàn),氮水共同添加處理(WN)條件下的土壤微生物生物量明顯高于單獨施氮處理(N),這表明在干旱-半干旱草地生態(tài)系統(tǒng)中,降水能有效緩解氮輸入增加對微生物生長的負(fù)效應(yīng).這與之前在毗鄰的天然草地以及貝加爾針茅草原開展的增水、增氮試驗研究結(jié)果一致[26,31].此外,氮和水處理對土壤pH值的影響,也具有相反的效應(yīng),與單獨施氮處理相比,氮水共同添加處理,pH值顯著增加(表1).氮和水的這種抵消效應(yīng)可能存在生物學(xué)和非生物學(xué)兩方面機制.非生物學(xué)方面,增水處理增加了養(yǎng)分和鹽基離子向下層移動,從而減緩了酸化效應(yīng)[32].從生物學(xué)方面,其機理可能為在較為干旱的條件下,微生物和植被都下調(diào)了代謝水平,微生物礦化出來的養(yǎng)分超過了微生物和植物所需,因此導(dǎo)致這些養(yǎng)分在土壤中累積,酸化效應(yīng)進一步惡化[33].而當(dāng)降水較為豐沛的條件下,刺激了微生物和植物的生長,從而使微生物礦化出的養(yǎng)分和微生物植物吸收的養(yǎng)分達(dá)到平衡,減緩了氮素在土壤中的累積[29].

3.3 氮輸入增加了微生物碳獲取能力

“資源分配假說”認(rèn)為,微生物產(chǎn)酶需要巨大的能源投資,因此某一養(yǎng)分元素處于限制狀態(tài)時,微生物產(chǎn)酶增加以礦化有機物質(zhì)并滿足自身養(yǎng)分需求,而該養(yǎng)分元素在土壤中有效性增加時,微生物產(chǎn)酶將減少[34].換言之,微生物傾向于消耗其大量資源儲備去獲取最限制其生長的元素,因此,當(dāng)某一種可利用的養(yǎng)分較為充足時,就會抑制獲取該養(yǎng)分的酶,刺激獲取其他養(yǎng)分的酶的活性.本研究中,氮添加顯著增加了參與碳獲取的纖維素水解酶的活性(圖2),降低了參與氮獲取的蛋白質(zhì)水解酶的活性,符合資源分配假說.當(dāng)外源氮輸入增加時,土壤中氮較為充足,此時相比于氮元素,碳元素成為比氮元素更限制微生物生長的元素,為了維持穩(wěn)定的微生物生物量碳氮比,微生物抑制獲取氮元素的酶活性,獲取碳元素的酶活性增加,導(dǎo)致纖維素水解酶/蛋白質(zhì)水解酶降低,這是微生物應(yīng)對養(yǎng)分元素計量比變化的一種策略.此外,外源氮素添加使草原地上植被生產(chǎn)力增加,并導(dǎo)致植物凋落物中纖維素和半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,也可能是導(dǎo)致土壤纖維素酶活性上升的原因[35].本研究也確實觀察到ANPP和CEL活性的顯著正相關(guān)關(guān)系(圖3、圖4).氮添加對蛋白酶活性的抑制還可能與土壤酸化有關(guān).有研究指出,土壤pH值是影響蛋白酶活性的主要因素[26],而氮添加顯著降低了土壤pH值,土壤蛋白酶活性隨著土壤氮添加而降低.本研究中發(fā)現(xiàn)的蛋白酶活性與pH值正相關(guān)關(guān)系印證了這一推測(圖3).

本研究還發(fā)現(xiàn)氮添加顯著影響土壤中大分子聚合物降解的初始限速步驟,例如參與纖維素初始水解的纖維素水解酶(CEL)活性和參與蛋白質(zhì)初始水解的蛋白質(zhì)水解酶(PRO)活性;而水因子控制礦化的最終步驟,促進了小分子物質(zhì)分解,包括分解纖維二糖的β-1,4-葡萄糖苷酶(BG)活性和水解幾丁二糖的N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶(NAG)活性.其原因可能為長期施氮肥導(dǎo)致土壤板結(jié)退化,團聚體穩(wěn)定性下降,小分子底物移動性降低,而增水處理則有助于維持土壤團聚體結(jié)構(gòu),小分子底物與微生物接觸增加,因此,增水處理影響了小分子底物的礦化酶,而氮對小分子底物礦化酶的效應(yīng)不顯著.此外,研究還發(fā)現(xiàn),ωCEL/ωPRO與ANPP和ωMBC/ωMBN呈顯著正相關(guān)關(guān)系(圖3),而ωBG/ωNAG與兩者之間無明顯相關(guān)關(guān)系,這暗示參與大分子聚合物初始水解的酶化學(xué)計量比與植被地上凈初級生產(chǎn)力(反映凋落物量)關(guān)系更密切,也更能反映微生物養(yǎng)分需求.

4 結(jié) 論

本研究依托內(nèi)蒙古恢復(fù)生態(tài)學(xué)試驗示范研究站的長期野外氮水添加實驗平臺,探討了人類長期活動和全球氣候變化背景下土壤微生物特性的響應(yīng)趨勢,對于準(zhǔn)確評估氮沉降和降水增加背景下,全球變化對棄耕草地生態(tài)系統(tǒng)土壤生物學(xué)特性和生態(tài)服務(wù)功能的影響具有重要參考意義.得到如下結(jié)論.

1) 與天然草地的大多數(shù)結(jié)論不同,棄耕草地由于歷史施肥背景,土壤氮素養(yǎng)分水平對氮添加不敏感;地上生產(chǎn)力也沒有顯著提升.

2) 氮添加顯著降低了土壤微生物生物量,而增水顯著增加了土壤微生物生物量,緩解了土壤酸化對土壤微生物生長的負(fù)效應(yīng);此外,氮添加顯著增加土壤微生物生物量碳氮比,這可能是微生物適應(yīng)外界環(huán)境變化的一種自身調(diào)控機制.

3) 氮添加降低了氮獲取酶活性,增加了碳獲取酶活性,符合資源分配假說;大分子底物(例如纖維素和蛋白質(zhì))水解酶活性及其計量比,更能反映微生物養(yǎng)分需求.