亞熱帶紅壤區(qū)森林土壤剖面微生物殘?bào)w碳分布及影響因素

于穎超,張心昱,*,戴曉琴,呂斯丹,楊 洋,史麗娟

1 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101 2 中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 北京 100190

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的有機(jī)碳庫,其所含碳量大約是大氣和植被所含碳量總和的2—3倍,在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中起到重要作用[1]。微生物通過分解代謝促進(jìn)土壤有機(jī)碳(SOC)降解,同時(shí)也通過合成代謝將土壤中可利用性碳轉(zhuǎn)化為可長期儲(chǔ)存的穩(wěn)定態(tài)碳,在碳庫的調(diào)控中發(fā)揮著重要作用[2]。以往研究認(rèn)為,土壤微生物活體有機(jī)碳在SOC總量中的比例低于4%,對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫貢獻(xiàn)較小[3]。微生物死亡殘?bào)w有機(jī)碳(MRC)在土壤中周轉(zhuǎn)時(shí)間比微生物活體碳更長,對(duì)穩(wěn)定性碳庫的形成具有重要貢獻(xiàn)[4],并可表征微生物對(duì)SOC的長期貢獻(xiàn)[5-6]。

土壤剖面中20cm 以下的SOC儲(chǔ)量占總SOC儲(chǔ)量的50%左右[7],土壤微生物殘?bào)w的標(biāo)志物氨基糖主要來源于微生物細(xì)胞壁,其在微生物死亡后仍能夠在土壤中長期穩(wěn)定存在[8],因此MRC對(duì)深層土壤穩(wěn)定SOC庫的貢獻(xiàn)不容忽視。底物SOC、TN、DOC含量、pH及含水量等在土壤剖面中存在差異,影響微生物群落結(jié)構(gòu)、微生物活性和繁殖[9]。有研究表明,MRC含量受到底物SOC和活體微生物生物量的影響[10]；另外,全球森林生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物殘?bào)w控制因素的研究表明,在0—20cm土壤中,微生物殘?bào)w的含量主要受到pH和微生物生物量碳的調(diào)控[11]。

目前的研究主要集中在表層土壤,缺乏針對(duì)包含土壤剖面和母質(zhì)層整體系統(tǒng)開展的研究,20cm以下土壤和母質(zhì)中MRC對(duì)SOC的貢獻(xiàn)及其影響機(jī)制還不清楚[12]。地球關(guān)鍵帶指淺層巖石-土壤-大氣-水-生物及人類活動(dòng)相互作用、為生命系統(tǒng)提供支撐資源的異質(zhì)的地球表層系統(tǒng)[13]。本研究基于地球關(guān)鍵帶的理念,認(rèn)知表層-深層土壤-母質(zhì)中MRC的分布特征,這對(duì)理解土壤圈和陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程、碳庫形成機(jī)制及碳庫動(dòng)態(tài)演變具有重要意義。

中國亞熱帶紅壤區(qū)丘陵山地森林生態(tài)系統(tǒng)是全球代表性的紅壤區(qū)域地球關(guān)鍵帶生態(tài)系統(tǒng)類型。我國人工林面積占全球人工林總面積25%[14],其中亞熱帶人工林具有碳匯功能[15]。因此,本研究選取亞熱帶典型森林土壤剖面,通過氨基糖和磷脂脂肪酸(PLFA)微生物標(biāo)志物方法分別表征MRC含量和活體微生物生物量,探究細(xì)菌MRC(MRCB)、真菌MRC(MRCF)從地表到母質(zhì)的剖面分布特征及其影響機(jī)制。我們假設(shè) (1)隨著剖面深度增加,MRCB、MRCF及MRC含量減少；而MRC對(duì)SOC的貢獻(xiàn)升高,這是由于隨著土壤剖面深度增加,植物源碳逐漸減少導(dǎo)致微生物碳對(duì)SOC的相對(duì)貢獻(xiàn)增加[16]；(2)微生物殘?bào)w來源于死亡后的微生物細(xì)胞壁,與活體微生物生物量有關(guān)[17]。由于底物通過調(diào)控微生物代謝影響微生物生物量,進(jìn)而影響MRC的積累[10]。因此在整個(gè)土壤剖面中,MRC含量可能主要受底物的影響。本研究旨在促進(jìn)亞熱帶森林土壤剖面及母質(zhì)中微生物殘?bào)w碳對(duì)土壤碳庫貢獻(xiàn)的理解,對(duì)于研究紅壤土壤碳庫儲(chǔ)存具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究地點(diǎn)

研究地點(diǎn)位于江西省千煙洲亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究站(26°44′29″N,115°03′29″E)。處于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),年均氣溫17.9℃,年均降雨量為1475mm,土壤類型以紅壤為主,成土母質(zhì)多為紅色砂巖和泥巖[18]。主要樹種為1985年前后種植的濕地松(PinuselliottiiEngelem)、馬尾松(Pinusmassoniana)和杉木(Cunninghamialanceolate)等[19]。

1.2 土壤樣品與采集

圖1 土壤剖面及采樣土層示意圖Fig.1 The photo of a soil profile and sampling soil layers

2019年6月,在江西省千煙洲亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究站森林樣地中,設(shè)置4個(gè)面積為20m*20m的針葉林樣方,植被主要為馬尾松林(表1)。在樣方中間位置,挖掘土壤剖面至母質(zhì)。在4個(gè)土壤剖面中分別取0—5cm、5—10cm、10—20cm、20—40cm、40—母質(zhì)上5cm、母質(zhì)上5cm和母質(zhì)7個(gè)層次(圖1)。具體剖面采樣點(diǎn)信息見表1。

采集土壤樣品并混合均勻,去除石礫、根系等雜物,過2mm篩,用自封袋密封。取部分土壤樣品烘干、研磨,分析SOC和全氮(TN)含量。其余樣品于4℃下冷藏保存,用于測(cè)定土壤含水量(SWC)、pH、溶解態(tài)有機(jī)碳(DOC)、微生物-PLFA含量及MRC含量。

表1 土壤剖面基本概況

1.3 土壤樣品分析

土壤容重(Db)用環(huán)刀法測(cè)定, SWC用烘干恒重法測(cè)定,pH(土水比1∶2.5)用pH計(jì)測(cè)定,DOC 通過0.05mol/L K2SO4(土液比1∶5)浸提,通過總有機(jī)碳分析儀(Liqui TOC II, Elementar, Germany)測(cè)定。SOC和TN通過元素分析儀(Elementar, Vario Max CN, Germany)測(cè)定[20]。土壤基本理化性質(zhì)見表2。

表2 土壤理化性質(zhì)剖面分布

土壤中氨基葡萄糖(GluN)主要來源于真菌細(xì)胞壁,以幾丁質(zhì)成分存在。氨基胞壁酸(MurN)唯一來源于細(xì)菌細(xì)胞壁[21]。氨基糖的測(cè)定參考Indorf等[22]鄰苯二醛(OPA)柱前衍生-高效液相色譜(HPLC)方法。即取1g新鮮過篩土于水解管中,加入10mL 6 mol/L鹽酸,在烘箱中105℃下放置6 h進(jìn)行水解,并使用 OPA衍生,使用配備十八烷基硅化硅膠凝膠柱(ODS)(Acclaim120 C18；4.6×150mm,3μm)的高效液相色譜儀分離(Dionex Ultimate3000,Thermo Fish Scientific,USA),使用發(fā)射波長為445nm和激發(fā)波長為330nm的熒光檢測(cè)器檢測(cè),采用混合氨基糖的標(biāo)準(zhǔn)溶液色譜圖對(duì)氨基糖進(jìn)行鑒定和定量。

磷脂脂肪酸(PLFA)是微生物活體細(xì)胞膜的成分,其在微生物死亡后迅速分解,不存在于死亡微生物中,可以作為活體微生物生物量的指標(biāo)[23]。主要參考Frostegard等[24]和Bossio等[25]方法,主要步驟為稱取相當(dāng)于8g干土的鮮土樣品,用磷酸鉀、氯仿和甲醇緩沖液提取,在硅膠柱上分離磷脂。樣品經(jīng)溫和堿性甲醇分解形成脂肪酸甲酯(FAMEs)后,在己烷中溶解,加入脂肪酸19∶0作為內(nèi)標(biāo),通過氣相色譜儀(Agilent 7890 B)測(cè)定,用MIDI Sherlock微生物鑒定系統(tǒng)(Version 4.5; MIDI Inc., Newark, DE)對(duì)PLFA進(jìn)行鑒定。表征微生物的PLFA標(biāo)志物見表3。

表3 表征不同種群微生物的磷脂脂肪酸標(biāo)志物

2 計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析

2.1 土壤中微生物殘?bào)w碳的計(jì)算

土壤MRCF含量(g/kg)的計(jì)算公式為:

MRCF=(GluN-2 × MurN)×179.2 × 9

式中,GluN的分子質(zhì)量為179.2,GluN、MurN 單位為mmol/g,假設(shè)細(xì)菌細(xì)胞中MurN與GluN以1∶2比例出現(xiàn),從GluN中減去細(xì)菌GluN得到真菌GluN,通過數(shù)值 9將真菌GluN變換為MRCF[21]。

土壤中MRCB含量(g/kg)計(jì)算公式為:

MRCB=MurN × 251.2 × 45

式中,MurN 單位為mmol/g,MurN的分子質(zhì)量為251.2,通過MurN含量乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)45得到 MRCB含量[30]。MRC含量(g/kg)為MRCF與 MRCB含量(g/kg)加和[32]。

2.2 統(tǒng)計(jì)分析

使用SPSS 20.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。通過One-sample Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)數(shù)據(jù)正態(tài)分布,對(duì)于不符合正態(tài)分布的細(xì)菌、真菌-PLFA含量進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換。采用單因素方差分析(One-Way ANOVA)比較不同剖面深度的MRCB、MRCF、MRC及微生物-PLFA含量的差異,采用 Duncan法進(jìn)行多重比較(P<0.05為差異顯著)。結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)在軟件AMOS 22.0中完成,利用SEM分析土壤環(huán)境因子、土壤養(yǎng)分及微生物-PLFA 含量對(duì)MRC的影響路徑及程度,采用極大似然估計(jì)法對(duì)模型進(jìn)行擬合。本研究中,χ2/df<2 、P>0.05、RMSEA<0.10、GFI>0.90時(shí),模型擬合良好。利用Sigma Plot 10.0 軟件進(jìn)行作圖。數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(n=4)。

3 結(jié)果與分析

3.1 微生物殘?bào)w碳含量的剖面分布

從土壤表層至母質(zhì),MRCB、MRCF、MRC含量隨著土壤剖面深度的增加顯著降低(P<0.05),在母質(zhì)處含量最低,變化范圍分別為0.08—1.15、0.18—4.79 、0.25—6.01 g/kg。MRCB、MRCF、MRC含量為0—5cm>5—10cm>10—20cm>20—40cm≈40cm—母質(zhì)。在0—5cm土壤中,MRCF/MRCB比值(3.92)顯著高于其它土層(1.25—2.60)(P<0.05)(圖2)。

圖2 微生物殘?bào)w碳含量的剖面分布Fig.2 Distributions of microbial residue carbon contents in the soil profiles不同的字母代表顯著性差異(P<0.05)

3.2 真菌、細(xì)菌微生物生物量的剖面分布

從土壤表層至母質(zhì),細(xì)菌、真菌、放線菌及微生物-PLFA含量隨土壤剖面深度的增加而顯著降低(P<0.05),變化范圍為 0.12—3.92 、0.02—0.93、0.00—0.74、0.13—5.59 mg/kg。在整個(gè)土壤剖面中真菌及微生物-PLFA含量表現(xiàn)為0—5cm>5—10cm>10—20cm≈20cm—母質(zhì)。在母質(zhì)處土壤微生物-PLFA含量最低,細(xì)菌、真菌及微生物-PLFA含量分別為0.12、0.02、0.13mg/kg(圖3)。

圖3 不同種群微生物-PLFA含量的剖面分布Fig.3 Distributions of microbial-PLFA content from different microbial communities in the soil profiles PLFA: 磷脂脂肪酸Phospholipid fatty acids

3.3 微生物殘?bào)w碳對(duì)土壤有機(jī)碳貢獻(xiàn)的剖面分布

隨著土壤剖面深度增加,MRCF對(duì)SOC貢獻(xiàn)先降低后升高；在0—5cm土壤中,MRCF對(duì)SOC貢獻(xiàn)最高,為36%；在20—40cm土壤中,MRCF對(duì)SOC貢獻(xiàn)最低,為12%。在整個(gè)土壤剖面中MRCB、MRC對(duì)SOC貢獻(xiàn)分別為6%—12%,18%—46%,但變化不顯著 (P>0.05)(圖4)。

圖4 微生物殘?bào)w碳對(duì)土壤有機(jī)碳貢獻(xiàn)的剖面分布Fig.4 Contribution of microbial residue carbon to soil organic carbon contents in the soil profiles SOC: 土壤有機(jī)碳Soil organic carbon;MRC: 土壤微生物殘?bào)w碳Microbial residue carbon

3.4 土壤微生物殘?bào)w碳含量的影響因素

SEM擬合結(jié)果表明,在整個(gè)土壤剖面中, Db、DOC和微生物-PLFA含量解釋了土壤MRC 含量81% 的變異。Db 間接影響MRC含量,一方面通過影響DOC,路徑系數(shù)為-0.53,影響微生物-PLFA含量的形成,最終影響MRC含量；另一方面通過直接影響微生物-PLFA含量,路徑系數(shù)為-0.39,進(jìn)而影響MRC含量。DOC 通過影響微生物-PLFA含量間接影響MRC含量,間接影響效應(yīng)為0.37。微生物-PLFA含量直接影響MRC含量,路徑系數(shù)為0.90(圖5)。

圖5 微生物殘?bào)w碳影響因素的結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)分析 Fig.5 Structural equation model analyses of the factors affecting microbial residue carbon contents 圖中單向箭頭表示路徑,箭頭上的數(shù)字表示標(biāo)準(zhǔn)化的路徑系數(shù);***表示P<0.001, **表示P<0.01,*表示P<0.05;R2值表示其他變量所解釋的因變量的比例

4 討論

與第一個(gè)假設(shè)一致,MRCB、MRCF、MRC及SOC含量隨著土壤剖面深度增加而降低,與此前研究結(jié)果一致[11, 33]。微生物殘?bào)w主要來源于死亡后的微生物細(xì)胞壁[34],與微生物生物量呈正相關(guān)性[17]。本研究SEM表明DOC含量通過影響微生物生物量進(jìn)而影響MRC含量,這與第二個(gè)假設(shè)一致。DOC是微生物生長的速效底物,為微生物提供能量,進(jìn)而影響微生物生物量[35]。隨著土壤剖面深度增加,礦物表面的吸附作用導(dǎo)致DOC含量降低[36],微生物獲得的能量減少,微生物-PLFA含量降低。因此隨著土壤剖面加深,DOC含量通過調(diào)控微生物代謝降低微生物生物量,進(jìn)而減弱MRC積累。另外由于植物凋落物和細(xì)根碳的影響,使得0—20cm土壤中存在大量植物碳[37—38]。這部分植物碳能夠?yàn)橥寥牢⑸锾峁┠茉?經(jīng)微生物分泌的胞外酶作用后形成溶解糖、有機(jī)酸和氨基酸輸入土壤,可被微生物快速吸收利用,通過微生物的生物合成作用構(gòu)建自身生物量[39—40],在微生物死亡后形成長期穩(wěn)定存在的微生物殘?bào)w,有利于0—20cm土壤中MRC的積累。

另外在土壤剖面中,Db對(duì)微生物-PLFA含量具有顯著負(fù)效應(yīng),表明微生物生物量還受到土壤環(huán)境的影響。隨著剖面深度增加,土壤Db增大,土壤中通氣透水性降低[41],這減少了剖面中氣體流動(dòng)和氧氣含量[42],限制了土壤中DOC 向下部遷移,20cm以下土壤中低含氧量和較低的速效底物限制微生物合成代謝,抑制活體微生物生物量產(chǎn)生[11, 43],導(dǎo)致微生物-PLFA含量降低,不利于微生物殘?bào)w的積累,因此MRC含量隨著土壤剖面深度增加而降低。此外也有研究表明,微生物生物量受到土壤礦物的影響，土壤有機(jī)質(zhì)與礦物質(zhì)的結(jié)合降低了有機(jī)質(zhì)被微生物接觸利用的機(jī)會(huì)[4]。因此在20cm以下土壤剖面中,由于礦物質(zhì)的保護(hù)阻礙了微生物獲取養(yǎng)分,最終導(dǎo)致微生物生物量形成和微生物殘?bào)w積累受到抑制。

MRCB、MRC對(duì)SOC貢獻(xiàn)沿著土壤剖面深度增加沒有顯著變化,但MRCF對(duì)SOC的貢獻(xiàn)先降低后升高,這與第一個(gè)假設(shè)不一致。此前有研究表明,MRC對(duì)SOC貢獻(xiàn)沿著剖面深度增加而升高[44]。本研究土壤剖面中 MRC含量與SOC含量變化趨勢(shì)一致,所以MRC對(duì)SOC貢獻(xiàn)沿著土壤剖面沒有顯著變化。對(duì)于MRCF而言,由于在0—20cm土壤剖面中,難分解的植物碳輸入隨著剖面深度增加逐漸減少,而真菌主要分解難降解有機(jī)質(zhì)[45],故真菌-PLFA含量顯著降低,真菌微生物殘?bào)w來源于真菌細(xì)胞壁,這導(dǎo)致MRCF對(duì)SOC貢獻(xiàn)降低。而在20cm以下的土壤中,由于SOC的穩(wěn)定受到土壤團(tuán)聚體的影響[4],而真菌細(xì)胞外的菌絲和多糖直接參與土壤團(tuán)聚體的形成[46],因此可能由于團(tuán)聚體閉蓄作用的影響,MRCF對(duì)土壤穩(wěn)定性有機(jī)碳的貢獻(xiàn)升高。

在整個(gè)土壤剖面中,MRCF對(duì)SOC的貢獻(xiàn)高于MRCB。已有研究表明,相比于細(xì)菌,真菌能夠利用更頑固的組分作為能量來源[47]。本研究地點(diǎn)主要樹種為馬尾松,馬尾松松針角質(zhì)層發(fā)達(dá),多為厚革質(zhì),馬尾松凋落物的輸入使得0—20cm表層土壤中含有較多木質(zhì)素、纖維素等難分解物質(zhì),不容易被分解[48]。因此在0—20cm土壤中,真菌的競爭優(yōu)勢(shì)使得MRCF對(duì)SOC貢獻(xiàn)更高。在20cm以下土壤中,一方面因?yàn)榧?xì)菌細(xì)胞壁成分主要為肽聚糖,而真菌細(xì)胞壁含有難分解的幾丁質(zhì)成分；MRCB更容易分解,而MRCF分解的更慢,這有利于MRCF在土壤中殘存和蓄積[49]。另外,由于真菌細(xì)胞外的菌絲和多糖參與土壤團(tuán)聚體的形成,MRCF更容易受到物理保護(hù)[46],因此 MRCF對(duì)SOC貢獻(xiàn)更高。

5 結(jié)論

本研究表明,MRCB、MRCF及MRC含量隨土壤剖面深度增加而降低, MRCF對(duì)SOC的貢獻(xiàn)隨剖面深度增加先降低后增加,范圍為12%—36%。而MRCB、MRC對(duì)SOC的貢獻(xiàn)隨剖面深度增加沒有顯著變化,分別為6%—12%、18%—46%。MRC對(duì)SOC的貢獻(xiàn)沿著剖面變化并不顯著,主要因?yàn)橥寥榔拭嬷?MRC含量與SOC含量變化趨勢(shì)一致。在整個(gè)土壤剖面中,微生物-PLFA含量和DOC含量對(duì)MRC含量具有顯著正效應(yīng),而 Db則是顯著負(fù)效應(yīng)。本研究結(jié)果表明,微生物殘?bào)w碳在20cm以下的亞熱帶土壤碳匯中發(fā)揮重要作用。