我國森林土壤微生物生物量碳的緯度分布特征及影響因子*

周 莎 馬寰菲 王潔瑩 任成杰 郭垚鑫 王 俊,4 趙發(fā)珠

(1.西北大學城市與環(huán)境學院 陜西省地表系統(tǒng)與環(huán)境承載力重點實驗室 西安 710127； 2.西北農林科技大學農學院 楊凌 712100； 3.西北大學生命科學學院 西安 710127； 4.中國科學院水利部水土保持研究所 楊凌 712100)

土壤微生物生物量碳(microbial biomass carbon，MBC)含量占土壤有機碳含量的0.5%～13%(Heetal.， 2020)，可靈敏反映環(huán)境和氣候的變化，也可直接表征微生物群落狀態(tài)與功能變化(何越等， 2021)，是評價土壤質量的重要指標(Mazzarinoetal.， 1991)。在森林生態(tài)系統(tǒng)中，土壤微生物生物量碳是有生物活性的養(yǎng)分，一方面作為相對易分解和周轉較快的營養(yǎng)庫，對碳、氮、磷等化學元素的生物地球化學循環(huán)起著重要的驅動作用(李品等， 2019)，另一方面作為活性碳庫的一部分，對碳的固持和累積具有重要意義(Tayloretal.， 1999)。雖然土壤微生物生物量碳含量占土壤有機碳含量比例相對較小，但是對森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫平衡和養(yǎng)分循環(huán)意義重大。

森林生態(tài)系統(tǒng)中關于微生物生物量碳的研究已有大量報道。例如，曹潤(2019)等研究表明，熱帶森林中土壤微生境(溫度與水分)時空變化及土壤碳/氮養(yǎng)分狀況對土壤微生物生物量碳含量有顯著影響。Xu等(2006)對溫帶火山森林土壤的研究表明，MBC含量與樹種類型、氣溫、土壤碳氮比、土壤酸性具有一定相關性。此外，溫帶森林的凍融循環(huán)(高珊等， 2018)和降水量變化(方熊等， 2012)、暖溫帶天然林的土層變化(Anaetal.， 2011)等對MBC含量也有較大影響。Tan等(2008)研究表明，寒帶針闊混交林中的MBC含量對土壤壓實度和地表植物殘體去除的響應較敏感。目前，微生物生物量碳含量在不同森林類型中受不同因素影響，即便在相同土壤、氣候條件下，不同森林類型土壤微生物生物量碳含量也存在較大差異。在森林土壤微生物生物量碳變化規(guī)律研究中，明確其影響因素很重要。

森林土壤微生物生物量碳具有較強的溫度敏感性(吳明輝等， 2021)； 也有研究表明，植被類型(Bergetal.， 2009)、凋落物多樣性(Marceletal.， 2008)、土壤理化性質(Salvadoretal.， 2017)、土壤有機碳化學結構的差異(Rumpeletal.， 2002)等都會對土壤微生物生物量碳造成影響。植被類型變化導致凋落物、根系分泌物等外源有機碳輸入產生差異，進而影響土壤有機碳化學結構組分的變化(Quideauetal.， 2001； 孫筱璐， 2017)。在人工林中，土壤微生物生物量的差異主要受不同樹種之間凋落物烷基碳組分的差異影響(張冰冰等， 2021)。

目前森林土壤微生物生物量碳的研究多集中于單一林分，對沿緯度梯度變化的氣候、土壤理化性質等引起的森林微生物生物量碳含量變化研究還較少。本研究以我國沿緯度梯度分布的10個典型森林生態(tài)系統(tǒng)為對象，通過分析表層(0～10 cm)土壤MBC含量，結合氣候和土壤理化性質多個因素，探討土壤MBC含量的緯度變化規(guī)律及其驅動因子，以期揭示我國沿緯度分布的森林生態(tài)系統(tǒng)中土壤MBC含量變化的效應及機制，為氣候變暖條件下深入理解森林土壤MBC周轉和固持提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

選擇具區(qū)域代表性的10個典型森林生態(tài)系統(tǒng)，從北到南依次是帽兒山、東靈山、富縣、火地塘、茂縣、貢嘎山、哀牢山、西雙版納、木論和尖峰嶺。該森林樣帶有明顯的水熱梯度變化，年均氣溫3.1～23.15 ℃，年均降水量486～2 266 mm，氣候和植被類型豐富。樣帶概況見表1。

2 研究方法

2.1 樣點設置及樣品采樣

2019年7—8月進行樣地設置和樣品采集。在每個森林生態(tài)系統(tǒng)中選取區(qū)域代表性強且植被類型相對單一、人為干擾小的森林站點設置樣地，每個森林生態(tài)系統(tǒng)中選取3塊標準樣地(50 m×50 m)，在每塊樣地內用內徑5 cm的土鉆按“S”型采集0～10 cm表層土樣9個，將同一樣地內9個土樣均勻混合。剔除石塊、根系、凋落物、動植物殘體等，過2 mm土壤篩后將樣品一分為二：一部分低溫保存帶回實驗室，置于-20 ℃冰箱保存，用于測定土壤微生物生物量碳含量和土壤酶活性；另一部分用塑封袋裝好、常溫帶回實驗室，自然風干、粉碎、過篩(0.25 mm)后，用于測定其他土壤理化性質。

表1 森林樣帶基本信息

2.2 土壤理化性質測定

土壤有機碳含量用H2SO4-K2Cr2O7外加熱法測定；全氮含量用H2SO4凱氏定氮法測定；全磷含量用紫外分光光度計比色法測定(鮑士旦， 2000)。

土壤MBC含量用氯仿熏蒸-硫酸鉀浸提法測定(Vanceetal.， 1987)。將經過熏蒸和未熏蒸的新鮮土壤(10 g)分別用0.5 mol·L-1的K2SO4溶液浸提，使用TOC-VCPH儀測定浸提液的有機碳質量分數(shù)。利用下述公式求土壤微生物生物量碳含量(MBC,單位mg·kg-1)：

MBC=(EC-EC0)/0.38。

式中：EC和EC0分別為熏蒸和未熏蒸土樣的浸提液碳含量(mg·kg-1)，0.38為校正系數(shù)(Vanceetal.， 1987)。

采用微孔板熒光法(Saiya-Corketal.， 2002)測量土壤中β-葡萄糖苷酶(β-1,4-glucosidase，BG)和纖維二糖水解酶(cellobiohydrolase，CBH)活性。用吸光光度法測定多酚氧化酶(polyphenol oxidase，PPO)和過氧化物酶(peroxidase，PER)活性。

氧化酶(Oy-EEAs)活性是PER和PPO活性之和，水解酶(Hy-EEAs)活性是BG和CBH活性之和。

采用13C固體核磁共振法測定土壤有機碳化學結構組分含量，主要包括土壤烷基碳組分含量，土壤含氧烷基碳組分含量，土壤芳香基碳組分含量，土壤羧基碳組分含量和土壤羰基碳組分含量(K?gel-Knabner, 1997)。

利用pH計(PHS-3C，中國上海)測量去離子水懸浮液(水土比為2.5∶1)中的土壤pH值，環(huán)刀法(100 cm3)測定土壤密度(鮑士旦， 2000)。用激光分散法測定土壤質地(Mccaveetal., 1986)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS18.0軟件處理數(shù)據(jù)。用單因素方差分析(ANOVA)對不同緯度梯度森林土壤MBC含量和土壤有機碳化學結構組分含量進行差異性檢驗。用Mantel test對影響MBC含量變化的因素進行相關性分析，評估土壤MBC含量沿緯度變化的主要影響因素。使用Origin 9.5軟件繪圖。

3 結果分析

3.1 土壤微生物生物量碳含量沿緯度梯度的變化

MBC含量呈沿緯度降低而降低的趨勢(圖1)，在帽兒山最大，為(913.32±39.62 )mg·kg-1，西雙版納最小，為(200.57±13.99)mg·kg-1，最大值是最小值的4.6倍。但處于低緯度的木論的土壤MBC含量顯著高于同樣處于低緯度的尖峰嶺和西雙版納，并顯著高于火地塘、茂縣、貢嘎山和哀牢山(P<0.05)。

圖1 中國森林樣帶土壤微生物生物量碳含量的變化

3.2 土壤有機碳化學結構組分含量沿緯度梯度的變化

不同有機碳化學結構組分含量沿緯度呈現(xiàn)不同變化規(guī)律(圖2)。烷基碳含量在火地塘最大(13.7%±1.8%)，在茂縣最小(1.9%±0.3%)。含氧烷基碳含量最大值出現(xiàn)在西雙版納(38.0%±0.7%)，最小值出現(xiàn)在木論(26.5%±1.3%)。芳香基碳含量變化在59.7%±0.2%和44.0%±0.3%之間，最大值和最小值分別出現(xiàn)在木論和貢嘎山。羧基碳含量在貢嘎山最大(8.9%±0.6%)，在哀牢山最小(1.7%±1.7%)。羰基碳含量在茂縣最大(3.3%±1.6%)，在木論最小(0.7%±0.3%)，且茂縣羰基碳含量顯著高于其他各組(P<0.05)。

3.3 土壤微生物生物量碳含量與非生物因素的相關性分析

Mantel test結果(表2)表明：MBC含量與土壤理化性質指標中的有機碳含量(r=0.64，P<0.01)、砂礫含量(r=0.48，P<0.01)、水解酶活性(r=0.48，P<0.01)、磷含量(r=0.47，P<0.01)、pH值(r=0.43，P<0.01)、氮含量(r=0.31，P<0.01)和碳化結構中的烷基碳含量(r=0.21，P<0.01)均極其顯著正相關，與粉粒含量(r=0.15，P<0.05)、氧化酶活性(r=0.15，P<0.05)顯著正相關，與土壤密度、黏粒含量及其他有機碳化學結構組分含量無顯著相關。在氣候條件中，MBC含量與年均氣溫極顯著正相關(r=0.31，P<0.01)，與年均降水量無顯著相關。

圖2 中國森林樣帶土壤有機碳化學結構組分含量變化

表2 土壤微生物生物量碳含量與氣候及土壤理化性質的相關性

4 討論

4.1 森林土壤MBC含量沿緯度的分布特征

本研究發(fā)現(xiàn)，MBC含量隨緯度降低而降低(圖1)，與王春燕(2016)等的研究結果基本一致。MBC含量沿緯度的變化范圍為(200.57±13.99)～(913.32±39. 62)mg·kg-1，與全球森林土壤微生物生物量碳含量(347±125)～(971±650)mg·kg-1基本一致(李品等， 2019)。MBC含量在帽兒山、東靈山、富縣、火地塘、茂縣、貢嘎山、哀牢山、西雙版納、木論和尖峰嶺間存在較大差異，有明顯的緯度梯度。先前研究也證明土壤MBC含量與多種因素有關，如吳明輝等(2021)研究認為高寒多年凍土區(qū)MBC含量受土壤溫度、地下生物量和pH值影響。劉寶等(2019)在中亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)研究中發(fā)現(xiàn)，凋落物數(shù)量和質量、土壤有機碳含量和土壤溫度是導致各林分類型土壤MBC含量差異的主要因素。需要指出的是，本研究發(fā)現(xiàn)處于低緯度的木論喀斯特地區(qū)的MBC含量較高，這可能與喀斯特地區(qū)的森林類型及特殊地理條件有關。木論喀斯特為中亞熱帶石灰?guī)r常綠落葉闊葉混交林，是森林植被頂級群落分布區(qū)(陳香碧等， 2018)(表1)，其地上、地下有機物質輸入量較大，在一定條件下，有機質輸入量越多，土壤MBC含量越高(Linetal.， 1999)； 另一方面，喀斯特地區(qū)鈣質豐富的石灰土(表1)環(huán)境為細菌、放線菌等微生物提供了異常良好的活動場所，豐富的凋落物進入土壤并不斷被分解形成腐殖質，并與土壤中鈣、鎂等離子結合，形成高度縮合穩(wěn)定的腐殖質鈣，促進碳的積累，也更利于MBC含量的積累(李新愛等， 2006； 徐學池等， 2019)。除此之外，喀斯特地區(qū)高異質性的微生境(龍健等， 2021)、特殊的二元水文結構和復雜的地貌形態(tài)引起的土壤養(yǎng)分的多元性、高變異性等(范夫靜等， 2014； 徐廣平等， 2019)，均影響土壤微生物及MBC的積累過程。

4.2 影響森林土壤MBC含量緯度變化的因素

土壤理化性質是驅動MBC含量沿緯度變化的主要因子(表2)。土壤理化性質作為微生物生存繁殖的重要環(huán)境條件，對微生物群落生長、MBC積累具有重要調控作用。本研究表明，土壤有機碳含量、全氮含量和全磷含量與MBC含量呈極顯著正相關(P<0.01)(表2)。Monika等(2021)研究表明，溫帶森林土壤MBC含量與土壤有機碳含量具有顯著正相關關系(P<0.05)； 王全成等(2021)研究發(fā)現(xiàn)，亞熱帶森林土壤MBC含量與全氮含量、全磷含量均呈顯著正相關(P<0.05)，這與本研究結果一致。土壤MBC含量是土壤養(yǎng)分的供給源和儲備庫(Gregorichetal.， 2000)，土壤有機碳含量、全氮含量和全磷含量可直接影響土壤MBC含量。土壤有機碳、氮和磷是微生物生長的重要營養(yǎng)和能量來源(王全成等， 2021)，土壤有機碳、全氮和全磷含量變化會影響微生物活性及其生物量。吳旭東等(2021)研究表明，在極端干旱條件下，鹽池荒漠草原土壤MBC含量的積累，是微生物和植物競爭土壤中碳、氮養(yǎng)分的結果。土壤砂礫含量(P<0.05)、粉粒含量(P<0.01)分別與MBC含量顯著和極顯著相關(表2)，這是因為土壤質地隨緯度變化而變化，這種變化部分受不同緯度的植被類型差異影響(Wenetal.， 2020)，不同植被類型的根系機械作用、分泌物膠結土壤團聚體、凋落物輸入等過程的差異會影響土壤質地(Xiaetal.， 2020)，而土壤質地影響MBC的固持(王群艷等， 2016)。除此之外，pH值也是影響MBC含量緯度分布的重要因素(P<0.01)(表2)，這可能與pH值影響微生物活性及微生物儲存碳的能力有關(Maliketal., 2018)。

本研究發(fā)現(xiàn)，土壤水解酶和氧化酶活性分別與MBC含量極顯著(P<0.01)和顯著正相關(P<0.05)(表2)。以往研究也表明，MBC含量與土壤胞外酶活性(解夢怡等， 2020)存在密切關系。在土壤的眾多生化反應中，土壤胞外酶是有機碳分解速率的重要限速因子(Xuetal.， 2017)。高緯度地區(qū)的低溫低濕環(huán)境、針葉樹種根系分泌物、凋落物中含量較高的難降解成分等資源限制及環(huán)境壓力，迫使微生物在種群生長過程中將細胞投資側重于壓力耐受性和資源獲取(以胞外酶生產的形式降解復雜的底物)方面，提高了生理策略的投資，減緩了碳分解速率(Maliketal.， 2018)。相反，低緯度地區(qū)的高溫濕潤環(huán)境，闊葉樹種根系分泌物及凋落物中較高含量的水溶性糖、加尼奇酸和氨基酸等易被微生物利用的養(yǎng)分(Prihaetal.， 2001)，土壤動物的頻繁活動，導致微生物活性高，微生物以合成和分泌降解代謝產物、防御代謝產物為主(Bollmannetal.， 2009)，合成生物量碳次之(Liangetal.， 2017 )。

另外，本研究發(fā)現(xiàn)，氣候條件中年均氣溫對MBC含量的緯度分布有極顯著影響(P<0.01)(表2)。這可能是因為溫度沿緯度有巨大分異(表1)，溫度變化調控土壤中微生物群落的活性(劉純等， 2014)，當溫度較高時，土壤微生物活性強、代謝速率高、生長繁殖旺盛(Brownetal.， 2004)，MBC的積累速率不足以抵消分解消耗速率，從而造成MBC含量降低。Fang 等(2020)得出亞熱帶森林土壤溫度升高會引起土壤MBC含量降低的結論；吳明輝等(2021)認為高寒地區(qū)土壤MBC含量與土壤溫度顯著負相關，都印證了本研究結果。

本研究結果表明，土壤有機碳化學結構組分中烷基碳含量與MBC含量極顯著正相關(P<0.01)(表2)。這與孫筱璐(2017)等在南亞熱帶、暖溫帶和溫帶3種典型森林的研究結果不一致。主要原因是緯度變化引起的植被類型不同導致土壤有機碳化學結構有所差異(Quideauetal.， 2001)。一方面，森林生態(tài)系統(tǒng)中，豐富多樣的植被類型及源源不斷的凋落物、根系分泌物等外源有機碳的輸入，促進了微生物對土壤中活性有機碳的利用，MBC作為活性有機碳源被微生物分解，烷基碳因難降解而富集(Nicoleetal.， 2003)。另一方面，土壤烷基碳來自于微生物代謝產物和木栓質、角質等聚合物(Douetal.， 2008)，難以降解，較為穩(wěn)定。相對于低緯度地區(qū)的闊葉林，高緯度地區(qū)針葉林的土壤中烷基碳含量較高(Chenetal.， 2004)，微生物活性相對較低(陳仕奇等， 2019)，微生物分解利用活性碳源速率較慢，影響MBC的積累。

5 結論

森林土壤MBC含量有明顯的緯度分布規(guī)律，隨緯度的降低而降低。土壤質地、土壤營養(yǎng)和土壤酶活性和土壤烷基碳含量是森林土壤MBC含量緯度分布格局的主控因素，年均氣溫是次要影響因素。