凍融循環(huán)對金川泥炭沼澤土壤微生物量及群落結(jié)構(gòu)的影響

孫嘉鴻,郭 彤,董彥民,王升忠,2,3,4,汪祖丞,2,3,4,徐志偉,2,3,4,*

1 東北師范大學地理科學學院,長白山地理過程與生態(tài)安全教育部重點實驗室,長春 130024

2 東北師范大學泥炭沼澤研究所,長春 130024

3 東北師范大學長白山濕地與生態(tài)吉林省聯(lián)合重點實驗室,長春 130024

4 東北師范大學國家環(huán)境保護濕地生態(tài)與植被恢復(fù)重點實驗室,長春 130024

土壤的凍融作用作為土壤內(nèi)部的重要物理過程,是全球中高緯度及高海拔地區(qū)普遍存在的自然現(xiàn)象。凍融過程會改變土壤結(jié)構(gòu)、破壞土壤和凋落物中微生物及動植物殘體細胞,促進土壤底物和養(yǎng)分的釋放[1],是影響土壤碳氮等元素生物地球化學過程的重要因素。全球變暖將會導致土壤的凍融頻率變化[2]、凍融強度改變[3]和凍融時間縮短[4],這必將會引起土壤微生物及其參與的土壤碳、氮循環(huán)過程的變化[5]。因此,凍融作用對土壤微生物的影響已經(jīng)成為全球關(guān)注的熱點問題[6—7]。

土壤微生物是生態(tài)系統(tǒng)中的重要生物組分,在土壤有機質(zhì)分解、礦化及營養(yǎng)元素循環(huán)等方面發(fā)揮著重要作用[8—9],并對環(huán)境變化十分敏感[10]。土壤微生物量碳、氮(MBC和MBN)表征土壤中所有活體微生物中碳和氮的總量,是反映微生物量大小的重要指標[11]。磷脂脂肪酸(PLFA)是生物活細胞的重要膜組分的構(gòu)成成分,隨著微生物死亡而迅速分解,用以表征活體微生物,并可以提供微生物群落結(jié)構(gòu)和組成的信息。研究表明,隨著凍融次數(shù)的增加,土壤微生物碳、氮含量呈現(xiàn)降低、先降低后升高或者先升高后降低的變化趨勢[12—15]。同時,凍融作用通過致死作用或者降低可溶性養(yǎng)分含量來改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[16—18]。微生物死亡后細胞破裂釋放出有機質(zhì)為存活微生物提供碳源與能量[19—20],適應(yīng)凍融環(huán)境的微生物群占據(jù)群落的優(yōu)勢地位,微生物群落結(jié)構(gòu)隨即改變。然而,有關(guān)凍融作用對土壤微生物的影響更多的集中在對土壤MBC、MBN的影響,且不同凍融作用對不同土層的MBC、MBN的影響存在差異,并較少關(guān)注凍融循環(huán)過程中土壤不同類型微生物群落數(shù)量及結(jié)構(gòu)的變化。因此,凍融過程對土壤微生物群落的變化機制尚不明確。

盡管泥炭地占地面積不到陸地表面積的3%,但其碳儲量卻占全球土壤碳儲量的1/3[21—22],是陸地生態(tài)系統(tǒng)最重要的碳庫之一。隨著全球變暖,季節(jié)性凍土區(qū)凍融過程的改變對勢必會對泥炭沼澤土壤碳循環(huán)過程有重要影響。長白山地位于東北及華北北部溫帶中-深季節(jié)凍土亞區(qū),是我國泥炭沼澤最主要的分布區(qū)之一,凍融作用頻繁。本文以金川泥炭沼澤為研究對象,由于不同深度土壤受凍融的影響不同,分別在采樣地采集表層(0—15 cm)和深層(15—30 cm)的土壤樣品,通過室內(nèi)凍融模擬實驗,測定土壤微生物碳、氮含量及磷脂脂肪酸含量,揭示不同凍融模式下泥炭沼澤土壤微生物量及微生物群落結(jié)構(gòu)的變化特征,以其為全球氣候變化背景下泥炭沼澤凍融過程中碳循環(huán)的微生物機制研究提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

金川泥炭沼澤(42°20′42.58″N—42°21′9.27″ N,126°21′48.61″E—126°22′37.74″E)位于吉林省通化市輝南縣金川鎮(zhèn),是第四紀火山口湖發(fā)育的泥炭地,海拔為613—616 m。金川泥炭沼澤的泥炭層厚度一般為4—6 m,最厚可達9 m。該區(qū)屬于溫帶大陸性季風氣候區(qū),年平均氣溫為3.3℃,7月最高平均氣溫22.4℃,1月最低平均氣溫-18℃。初霜期在9月中旬,中霜在5月下旬,年降水量為1054 mm。泥炭地為季節(jié)性積水,積水約為10 cm,降水集中在7—8月,無霜期約為134 d,氣候濕冷。泥炭沼澤內(nèi)主要植物群落類型為臌囊薹草群落和油樺群落,臌囊薹草群落居中且大面積分布,油樺群落分布在外緣[23—24]。

1.2 樣品采集與處理

在金川泥炭沼澤中心部位設(shè)置3個間隔50 m的5 m×5 m樣方采樣點,采用多點混合法于2019年1月份利用直徑為15 cm的泥炭鉆(冰芯鉆),在每個樣方隨機取5個點,共采集15鉆,采集土壤深度為30 cm。將采集好的土壤分為0—15 cm和15—30 cm兩層,分別裝入自封袋,盡快帶回實驗室并放4℃冷藏保存。培養(yǎng)實驗前,去除土壤中的雜草和植物根系,并分別將兩個土層的樣品混合均勻,4℃冷藏備用。另取一部分土壤自然風干后,研磨過篩后用于土壤理化性質(zhì)的測定,土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 土壤基本理化性質(zhì)

1.3 實驗設(shè)計

稱取50 g(相當于風干土重)混合均勻的土壤樣品置于500 mL玻璃培養(yǎng)瓶中,根據(jù)野外實際含水量情況用去離子水調(diào)節(jié)所有土壤樣品含水量為最大持水量的60%,并將全部土壤樣品在室溫(20℃)下預(yù)培養(yǎng)1周,定期稱重并補充損失的水分。預(yù)配養(yǎng)使微生物從低溫環(huán)境蘇醒,在凍融培養(yǎng)實驗前保持較為穩(wěn)定的狀態(tài),雖然微生物會因此發(fā)生改變,但土壤樣品經(jīng)過一致處理后排除其他干擾變量,主要觀測凍融作用對微生物的數(shù)量及群落結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)合金川泥炭沼澤凍融期間實際情況,設(shè)置-5—5℃與-10—10℃兩個凍融幅度,-10℃接近采樣地冬季的平均氣溫,-5℃則是依據(jù)全球變暖的大背景下溫度升高設(shè)定的。-5—5℃與-10—10℃即把土壤樣品分別放入-5℃和-10℃低溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h,再分別調(diào)節(jié)溫度為5℃和10℃使其融化24 h,作為一次凍融循環(huán)。本實驗設(shè)置15次凍融循環(huán),共培養(yǎng)30天。培養(yǎng)過程中,分別在凍融循環(huán)的第0、1、3、5、7、15次后取出培養(yǎng)瓶,測定土壤磷脂脂肪酸含量、土壤微生物碳、氮(MBC和MBN)、土壤可溶性有機碳、氮(DOC和DON)。將經(jīng)過1、3、5、7、15次凍融循環(huán)處理后的土壤活性有機碳、氮和不同類型磷脂脂肪酸含量與未經(jīng)過凍融處理的FTC(0)對比。

1.4 磷脂脂肪酸及活性有機碳、氮組分測定

土壤微生物群落的測定采用磷脂脂肪酸法,將相當于4 g干重的土壤分別加入3.0 mL磷酸緩沖液、6.0 mL氯仿、12 mL甲醇,避光震蕩2 h,在3000 r/min下離心10 min,轉(zhuǎn)移上清液到裝有12 mL三氯甲烷,12 mL磷酸緩沖液的分液漏斗中,再向土壤中加入相同體積的磷酸緩沖液、氯仿和甲醇溶液,手工搖動并震蕩30 min,離心,再次將上清液轉(zhuǎn)移到分液漏斗中,最后將分液漏斗搖動2 min,靜置過夜,避光保存。 第二天,將分液漏斗中下層溶液收集入大試管(50 mL)中,收集的液體30—32℃水浴,用高純氮氣吹干(氮吹儀),試管內(nèi)濃縮后樣品用2份500 μL三氯甲烷轉(zhuǎn)移濃縮磷脂到萃取小柱(硅膠柱),洗脫液依次采用5 mL三氯甲烷,10 mL丙酮,5 mL甲醇,并收集甲醇相,吹干。在吹干后的樣品中加入1 mL的1:1甲醇甲苯及1 mL 0.2 mol/L氫氧化鉀,搖勻,37℃水浴加熱15 min(水浴鍋中),最后用正己烷萃取,收集正己烷相并吹干。運用美國MIDI公司研發(fā)的Sherlock MIS 4.5全自動系統(tǒng)鑒定微生物細胞中磷脂脂肪酸成分,根據(jù)其分子結(jié)構(gòu)劃分為不同微生物類群并進行定量分析。將15:0、17:0、i15:0、a15:0、i16:0、i17:0、16:1ω7c、cy17:0、cy19:0表征為細菌；i15:0, a15:0, i16:0, i17:0表征為革蘭氏陰性菌；16:1ω7c, cy17:0, cy19:0表征為革蘭氏陽性菌；18:1ω9c, 18:2ω6表征為真菌；10Me16:0, 10Me18:0表征為放線菌[25—33]。

土壤MBC與MBN采用改進的氯仿熏蒸K2SO4浸提法測定[34—35]。取10 g土壤樣品用三氯甲烷熏蒸24 h,用0.5 mol/L 的K2SO4浸提熏蒸和未熏蒸的樣品約30 min,應(yīng)用MultiN/C 2100 TOC儀碳模塊測定浸提液總有機碳濃度,氮模塊測定浸提液總有機氮濃度。使用以下公式進行MBC與MBN[36—37]的計算:

MBC =Ec/0.45

MBN=En/0.54

式中,MBC為微生物量碳,MBN為微生物量氮,單位均為mg/kg。Ec為熏蒸與未熏蒸樣品浸提液測定出的有機碳差值,En為熏蒸與未熏蒸樣品浸提液測定出的有機氮差值。0.45為微生物量碳熏蒸提取法的轉(zhuǎn)換系數(shù),0.54為微生物量氮的轉(zhuǎn)化系數(shù)。

土壤DOC與DON測定：稱1 g新鮮土壤置于離心管中,加50 mL去離子水,常溫下振蕩浸提5 h,用高速離心機以8000 r/min離心5 min,上清液過0.45 μm濾膜用Multi N/C 2100 TOC儀(德國耶拿)測定[38]。

1.5 統(tǒng)計分析

采用雙因素方差分析法,分析不同深度下,凍融幅度和凍融次數(shù)主效應(yīng)及交互效應(yīng)對土壤磷脂脂肪酸含量、微生物量碳、氮含量的影響。采用Pearson相關(guān)分析法,分析土壤磷脂脂肪酸含量與土壤活性有機碳氮組分的關(guān)系。雙因素方差分析及相關(guān)分析利用Excel 2003和SPSS 16.0軟件進行,并利用Origin 2019軟件繪圖。

2 結(jié)果

2.1 土壤微生物碳、氮含量的變化

雙因素方差分析結(jié)果表明,凍融次數(shù)和凍融幅度及其交互作用對土壤MBC含量有顯著影響(P<0.0001),而只有凍融次數(shù)對15—30 cm土壤MBN含量有顯著影響(P<0.001)(表2)。-5—5℃凍融模式下,隨著凍融次數(shù)的增加,土壤MBC含量表現(xiàn)為逐漸增加(圖1)。-5—5℃凍融作用下0—15 cm和15—30 cm土壤MBC含量分別在15次凍融循環(huán)后達到了最大值,分別為4362.4 mg/kg和2804.44 mg/kg；-10—10℃凍融作用下,0—15 cm土壤MBC含量在7次凍融循環(huán)后達到了最大值16978.1 mg/kg,15—30 cm土壤MBC含量在7次凍融循環(huán)明顯增加(8084.4 mg/kg),15次凍融循環(huán)后達到了最大值8096.6 mg/kg。與凍融前相比,在-5—5℃凍融作用下0—15 cm和15—30 cm土壤MBC含量分別增加了80.2%、100.6%；-10—10℃凍融作用下,0—15 cm和15—30 cm土壤MBC含量分別增加了4.3倍和4.8倍。兩種凍融模式對土壤MBC的影響表現(xiàn)為-10—10℃>-5—5℃,15—30 cm>0—15 cm。

表2 凍融幅度和凍融次數(shù)對土壤不同類型磷脂脂肪酸含量和微生物碳、氮含量影響的方差分析

兩種凍融模式下,隨凍融次數(shù)的增加,0—15 cm土壤MBN表現(xiàn)為先增加后降低的變化趨勢,而15—30 cm土壤MBN則表現(xiàn)為先降低后增加的變化趨勢。-5—5℃凍融模式下,15次凍融循環(huán)后,0—15 cm土壤MBN含量與凍融前相比無明顯變化(圖1)；而-10—10℃凍融模式下,0—15 cm土壤MBN 7次凍融循環(huán)后達到最大值199.6 mg/kg,隨后降低,15次凍融結(jié)束后土壤MBN為58.86 mg/kg,與凍融前相比0—15 cm土壤MBN含量降低了63%(圖1)。-5—5℃和-10—10℃凍融作用下,15—30 cm土壤MBN在凍融循環(huán)結(jié)束后分別減少了60.6%和54.4%。

圖1 -5—5℃和-10—10℃處理下不同凍融次數(shù)土壤微生物碳、氮含量變化

2.2 土壤磷脂脂肪酸含量的變化

凍融幅度對0—15 cm土壤總PLFAs及細菌、G+、G-PLFAs含量無顯著影響,而凍融幅度、凍融次數(shù)及二者的交互作用對0—15 cm土壤真菌、放線菌、F/B、G+/G-及15—30 cm土壤不同類型PLFAs含量均具有顯著影響(P<0.05)(表2)。-5—5℃凍融作用下,0—15 cm和15—30 cm土壤各類型PLFAs含量在凍融循環(huán)初期(前3次凍融循環(huán))無顯著變化,但隨后逐漸降低(圖2,圖3)。15次凍融循環(huán)后,與凍融前相比,0—15 cm土壤總PLFAs、細菌、真菌、放線菌、G+、G-PLFAs分別降低了57.8%、56.7%、60.6%、58.6%、53.8%、58.9%,而15—30 cm土壤中上述各類型PLFAs含量分別降低了79%、86.5%、56.6%、72.8%、93.5%、75.8%。兩種土層土壤微生物PLFAs含量對-5—5℃凍融作用的響應(yīng)表現(xiàn)為15—30 cm>0—15 cm。

-10—10℃凍融作用下,土壤各類型PLFAs含量呈現(xiàn)先降低后增加的變化趨勢,但仍低于凍融前的PLFAs含量(圖2,圖3)。-10—10℃凍融作用下,與凍融前相比,0—15 cm土壤中總PLFAs、細菌、真菌、放線菌、G+、G-PLFAs分別減少了50.4%、39.8%、46.1%、100%、34.4%、44.6%,而15—30 cm土壤中上述各類型PLFAs含量分別降低了75%、39.7%、40.4%、62.6%、36.1%、44.6%。綜上,兩種凍融幅度對土壤各類型PLFAs含量的影響表現(xiàn)為-5—5℃>-10—10℃。不同土層土壤PLFAs含量對-10—10℃凍融作用的響應(yīng)因微生物類型而異,總PLFAs表現(xiàn)為0—15 cm<15—30 cm,而真菌和放線菌PLFAs表現(xiàn)為0—15 cm>15—30 cm。

圖2 -5—5℃和-10—10℃處理下不同凍融次數(shù)土壤各類型磷脂脂肪酸含量變化

圖3 -5—5℃和-10—10℃處理下不同凍融次數(shù)土壤革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌磷脂脂肪酸含量變化

凍融幅度、凍融次數(shù)及二者的交互作用對土壤真菌/細菌比(F/B)及革蘭氏陽性菌/革蘭氏陰性菌比(G+/G-)均具有顯著影響(P<0.01)(表2)。-5—5℃凍融初期(3次凍融循環(huán))土壤F/B無顯著變化,并在5次凍融循環(huán)后達到最大值,隨后降低；15—30 cm土壤F/B則在5次凍融循環(huán)作用后逐漸增加。(見圖4)-5—5℃凍融循環(huán)結(jié)束后,0—15 cm土壤F/B減少了9.3%,15—30 cm土壤F/B增加了1.26倍。在-10—10℃凍融作用下,0—15 cm與15—30 cm土壤F/B變化幅度相對較小,凍融結(jié)束后分別減少了11.4%和1.9%。

圖4 -5—5℃和-10—10℃處理下不同凍融次數(shù)土壤真菌/細菌和革蘭氏陽性菌/革蘭氏陰性菌含量變化

-5—5℃凍融作用下,0—15 cm土壤G+/G-表現(xiàn)為先降低后增加的變化趨勢,15—30 cm土壤G+/G-在凍融初期無顯著變化,5次凍融循環(huán)后顯著降低；0—15 cm增加了18.2%,而15—30 cm土壤減少了73.4%。-10—10℃凍融作用下,0—15 cm和15—30 cm土壤G+/G-分別增加了24.4%和17.2%。

2.3 土壤微生物磷脂脂肪酸與土壤活性有機碳氮組分的關(guān)系

土壤各類型磷脂脂肪酸含量與土壤微生物碳、氮及可溶性有機碳、氮的相關(guān)分析結(jié)果顯示,土壤MBN含量與土壤總PLFAs、G+、G-、細菌、真菌、放線菌PLFAs含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),而與土壤G+/G-呈顯著負相關(guān)(P<0.05)。土壤MBC含量與土壤G+含量呈顯著正相關(guān),而與放線菌含量呈顯著負相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。土壤總PLFAs、G+、G-、細菌、真菌、放線菌PLFAs含量與土壤DOC呈顯著負相關(guān)關(guān)系,但與土壤DON含量無顯著相關(guān)關(guān)系(表3)。

表3 微生物群落和碳氮組分之間的相關(guān)性

3 討論

3.1 凍融作用對土壤微生物碳、氮的影響

凍融作用對土壤MBC和MBN含量的影響在不同生態(tài)系統(tǒng)和不同土層之間存在差異。本研究中,兩種不同凍融強度下泥炭沼澤土壤MBC含量在15次凍融結(jié)束后均較凍融前顯著增加,與李龍對長白山森林土壤的研究結(jié)果一致[39]。隨著凍融次數(shù)的增加,土壤MBC含量變化趨勢是先增加后降低,這與任伊濱對小興安嶺濕地研究結(jié)果相同[15]。通過PLFA數(shù)據(jù)也可以看出,在短期凍融時間內(nèi)微生物對凍融作用的響應(yīng)不敏感,微生物數(shù)量基本保持穩(wěn)定,說明微生物在此階段受凍融作用的影響較小,活性較強。凍融作用將土壤中的大團聚體打碎成小團聚體,這一過程中土壤有機質(zhì)得以釋放,此時微生物利用周圍環(huán)境中積累的有機物,使得土壤MBC在短期凍融時間內(nèi)含量逐漸上升。隨凍融次數(shù)的增加,在5次凍融作用結(jié)束后,微生物群落數(shù)量減少,但MBC含量仍然增加說明雖然有部分微生物死亡,但死亡的微生物釋放出的有機質(zhì)為存活微生物提供了營養(yǎng)物質(zhì)[19—20]。然而,土壤MBC含量的增加并不是無限制的,在-10—10℃凍融作用下,7次凍融循環(huán)MBC含量達到了最大值,隨后降低,這與在森林生態(tài)系統(tǒng)的研究結(jié)果相同[40—41]。土壤MBC降低的原因可能是隨時間增加死亡細胞的有機質(zhì)及團聚體破碎后的有機質(zhì)不足以維持存活細胞的生命活動,經(jīng)過7次大幅度的凍融循環(huán)后,得不到營養(yǎng)供給的部分細胞死亡。研究結(jié)果與預(yù)想的MBC含量受凍融作用影響會降低正好相反,原因可能是微生物對凍融環(huán)境的適應(yīng)性較強,主要因為采樣時間及采樣點的氣候條件存在差異。本研究研究區(qū)屬季節(jié)性凍土區(qū),土壤樣品為2019年1月底采集,采樣時土壤平均溫度為-7.3℃,土壤經(jīng)過冬季的凍結(jié)作用,不能適應(yīng)低溫的土壤微生物大部分死亡,耐低溫的土壤微生物在秋季凍融后微生物抗寒性較強可以生存[42]。這也可以解釋為什么MBC含量在-5—5℃一直增加,在-10—10℃的7次凍融作用后下降。-10—10℃凍融作用下對MBC含量的變幅的影響也大于-5—5℃,因為溫度變化幅度增大,死亡微生物細胞釋放出的有機質(zhì)對存活微生物的刺激作用也就越強,MBC含量變幅較大。徐俊俊對青藏高原高寒草甸土壤的研究發(fā)現(xiàn)凍融作用使MBN含量先降低后增加[14],而本研究中的兩種凍融模式下,15次凍融作用后,與凍融作用前相比土壤MBN含量降低。0—15 cm土壤MBN變化趨勢為先增加后降低,可能是因為凍融交替過程使土壤中的有機質(zhì)釋放出來,激發(fā)部分酶的活性,促進微生物對氮的固持作用,使土壤中微生物量氮含量有所增加[43—44]。15—30 cm土壤MBN含量變化為先降低后增加,這是因為野外環(huán)境中深層土壤受凍融交替的影響小,在培養(yǎng)實驗中更易受凍融作用影響而死亡。15次凍融結(jié)束后MBN含量均顯著降低(-5—5℃,0—15 cm土壤除外),這可能是氮在土壤中不穩(wěn)定極易發(fā)生礦化作用,凍融循環(huán)有利于土壤礦質(zhì)氮的增加[19],且長期的凍融循環(huán)不利于微生物對無機氮的固持[45]。

3.2 凍融作用對土壤微生物磷脂脂肪酸的影響

兩種凍融模式下,各類型微生物PLFAs含量均顯著降低。不同幅度的凍融作用對微生物群落結(jié)構(gòu)及數(shù)量的影響不同。研究表明大幅度凍融作用可顯著降低微生物數(shù)量,促進更多的可溶性有機碳的釋放[46],而相對較小幅度的凍融作用可以殺死更少的土壤微生物[47—48],本研究中,-5—5℃凍融作用下,各土壤微生物PLFAs含量變幅大于-10—10℃的凍融作用(放線菌除外),這與本研究中土壤DOC含量經(jīng)15次凍融循環(huán)顯著增加(表4)的研究結(jié)果相一致。土壤營養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)不足使微生物難以維持自身代謝和存活[49],-5—5℃凍融循環(huán)后期營養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)低于-10—10℃,這可以從土壤MBC含量變幅進一步證明。凍融作用對不同土層的土壤微生物PLFAs含量的影響也存在差異。由于泥炭沼澤表層土壤在野外條件下受凍融作用的影響更為頻繁,土壤微生物產(chǎn)生適應(yīng)性,對室內(nèi)凍融交替作用并不敏感。因此,兩種凍融作用下,土壤微生物PLFAs含量的變化幅度表現(xiàn)為0—15 cm<15—30 cm。

表4 -5—5℃和-10—10℃處理下不同凍融次數(shù)土壤可溶性有機碳、氮含量變化

本研究中,-5—5℃,0—15 cm土壤F/B先增加后降低,而15—30 cm土壤F/B在凍融結(jié)束后顯著增加,表明凍融作用顯著改變了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。細菌和真菌在環(huán)境中有著不同生長策略以及生態(tài)位,因此他們對凍融交替作用的響應(yīng)可能不同[50]。凍融期土壤水分相對缺乏限制了細菌生長,而真菌菌絲體能利用土壤周圍吸附的未動水以保持自身生理代謝活性,對于惡劣環(huán)境的適應(yīng)能力及在物質(zhì)和能量的積累效率方面,真菌明顯優(yōu)于細菌[51]。有研究發(fā)現(xiàn)凍融交替后的微生物群落優(yōu)勢種從細菌逐漸轉(zhuǎn)向真菌[52]。相對于細菌,真菌對低溫的抗性更強,隨著凍融交替作用的進行,土壤F/B呈增加趨勢[53],這與本文研究結(jié)果一致。真菌比細菌的碳存儲能力高,土壤F/B比的增加表明隨著凍融交替的進行,土壤有機質(zhì)的分解過程可能會減緩[54]。本研究中-10—10℃凍融作用增加了土壤G+/G-比。土壤G+對環(huán)境脅迫的適應(yīng)力相對較強[55],能夠更好地適應(yīng)凍融交替環(huán)境,成為優(yōu)勢群落。然而,-5—5℃凍融作用下15—30 cm土壤G+/G-比在凍融后期下降,其原因有待進一步解釋。

微生物群落結(jié)構(gòu)主要受土壤物理性質(zhì)(水分和導電率)和化學性質(zhì)(pH和土壤溶解有機碳)的影響[50]。土壤MBN含量與土壤微生物群落呈顯著正相關(guān)關(guān)系,可以通過MBN含量與微生物細胞壁組成成分氨基糖呈負相關(guān)進一步證實[44]。凍融作用通過破壞微生物細胞壁降低微生物數(shù)量使土壤氮素釋放,氮素的釋放又加劇了氮的礦化作用,微生物量氮與微生物群落的數(shù)量隨之降低。Ren等人[42]通過冗余分析發(fā)現(xiàn)微生物群落與DOC之間存在著顯著相關(guān)性。秋季凍融可能通過土壤微生物的分解促進DOC的釋放,這與Haei等人[3]研究一致,研究表明土壤細菌生長速率與DOC含量呈負相關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)真菌、細菌、放線菌與DOC呈顯著負相關(guān)。這可能是凍融交替導致一部分微生物死亡并分解,從而釋放出一些小分子有機質(zhì),增加了土壤DOC含量。

4 結(jié)論

(1)15次凍融交替作用后,兩種凍融幅度下土壤微生物碳(MBC)含量均顯著增加；而土壤微生物量氮(MBN)含量、各類型微生物磷脂脂肪酸含量均顯著降低。凍融作用增加了土壤F/B比值。

(2)根據(jù)15次凍融結(jié)束后結(jié)果,不同凍融模式對土壤磷脂脂肪酸含量的影響表現(xiàn)為-5—5℃>-10—10℃,而對土壤MBC的影響則表現(xiàn)為-10—10℃>-5—5℃。兩種凍融模式對不同土層微生物量碳與大部分微生物磷脂脂肪酸的影響均表現(xiàn)為15—30 cm>0—15 cm。

(3)多種微生物磷脂脂肪酸含量與MBN含量呈正相關(guān)關(guān)系,與DOC含量呈負相關(guān)關(guān)系,表明凍融作用下,土壤微生物的死亡增加了土壤可溶性有機碳的含量。