不同海拔對福建戴云山黃山松林土壤微生物生物量和土壤酶活性的影響

趙盼盼,周嘉聰,林開淼,林偉盛,袁 萍,曾曉敏,蘇 瑩,徐建國,陳岳民,*,楊玉盛

1 福建師范大學濕潤亞熱帶生態地理過程教育部重點實驗室, 福州 350007 2 福建師范大學地理研究所, 福州 350007 3 福建戴云山國家級自然保護區管理局, 福建泉州 362500

海拔梯度作為一種自然地理變化,會導致溫度、光照、水分等多種環境因子的變化,進而直接或間接影響土壤微生物生物量、群落結構以及土壤酶活性[1-2]。其中土壤微生物生物量和土壤酶在碳源碳匯動態及通量變化、土壤養分轉化和循環過程中具有不可代替的作用,是土壤生態系統代謝的重要動力[3]。土壤酶是催化土壤有機物質分解的蛋白質,主要來源于微生物、植物根系及動物的分泌釋放。它常參與土壤中有機物質轉化的全過程,直接或間接影響著土壤一系列的生物化學反應[4-5],對生態系統的物質循環產生重要影響[6-7]。

目前關于不同海拔梯度對森林土壤酶活性的影響并無統一定論。許多研究結果表明,隨海拔梯度增加土壤酶活性下降,如Lei等人[8]研究發現,多酚氧化酶、過氧化物酶、門冬酰胺酶、蛋白酶、脲酶和堿性磷酸酶活性均隨海拔梯度增加而下降；斯貴才等[9]在念青唐古拉山沼澤(4325—4956 m)也得出一致結論。這是因為土壤溫度往往是影響土壤酶活性的重要環境因子[10],土壤溫度上升影響土壤酶的動力學,從而影響土壤酶活性,增溫后土壤酶活性顯著增加[11- 12]。但海拔梯度并非簡單地反映溫度的變化,隨著海拔梯度許多環境因子會同時發生變化[13],如光照、水分、溫度、土壤養分、凋落物質量、植物根系等[14],而這些變化又會造成區域小氣候、土壤理化性質、植被類型等垂直地帶性上的差異[2]。曹瑞等[15]在川西海拔1563—3994 m的高山峽谷區5個不同植被帶(干旱河谷、干旱河谷山地森林交錯帶、亞高山針葉林、高山森林和高山草甸)研究發現隨海拔升高有機層土壤中土壤蔗糖酶、脲酶及ACP酶活性呈現出先增加后減少再增加的變化特點。然而金裕華等[16]在武夷山不同海拔4個典型植被帶(常綠闊葉林、針葉林、亞高山矮林以及高山草甸)研究發現土壤酶活性隨海拔升高總體上呈上升趨勢。不同海拔上不同植物類型所產生的凋落物及根系分泌物性狀差異較大,在輸入土壤中容易對微生物群落結構、功能及其多樣性產生影響[17],進而影響土壤酶活性。因此,植被類型的差異可能會復雜化酶活性對海拔梯度的響應。本研究通過控制植被類型變量,探究土壤酶活性對海拔的響應,這對未來全球變化大背景下,森林土壤生態過程(如養分循環)具有積極指示作用。

黃山松(Pinustaiwanensis)又稱臺灣松,常綠針葉喬木,分布于中國東南部,是高山地綠化和用材的優良樹種[18],也是亞熱帶地區的主要建群種。戴云山山脈是東南地區重要的生物多樣性的基因庫,也是中國最大的黃山松種質基因基地[19],現已成為研究的熱點區域[20-22]。因此,本研究以不同海拔黃山松林為研究對象,探究不同海拔對中亞熱帶黃山松森林土壤微生物生物量和土壤胞外酶酶活性有何影響及驅動酶活性變化的關鍵環境因子,以期為戴云山不同海拔梯度上黃山松林長期發展和管理提供科學依據。

1 試驗區與試驗設計

樣地位于福建省泉州市戴云山自然保護區(25°38′—25°43′N,118°05′—118°05′E),該保護區地處中亞熱帶向南亞熱帶的過渡區域,是中國單位面積生物多樣性程度最高的自然保護區之一。氣候類型為亞熱帶海洋性季風氣候,具有冬冷夏熱,水熱同期,濕潤多雨等特點。年平均氣溫20℃,年降水量達1700—2000 mm,年平均相對濕度80%[23]。2017年5月,選取戴云山3個海拔1300 m(L)、1450 m(M)、1600 m(H)樣地條件基本相近的黃山松純林,于每個海拔梯度設置20 m×20 m的標準樣地,每個標準樣地的主要優勢樹種均為黃山松,林內其他喬木較少,林下植被相似,L、M海拔和H海拔相比灌木較多,林下灌木層優勢樹種以腫節少穗竹(Oligostachyumoedogonatum)為主,伴生有鈍齒冬青(Llexcrenata)、鹿角杜鵑(Rhododendronlatoucheae)、窄基紅褐柃(Euryarubiginosavar.attenuata)和短尾越桔(Vacciniumcarlesii)等；草本層以里白(Hicriopterisglauca)為主,伴生有德化假衛茅(Microtropisdehuaensis)、藜蘆(Veratrumnigrum)、狗脊蕨(Woodwardiajaponica)和黑莎草(Gahniatristis)等,土壤均為花崗巖發育的黃壤。樣地基本情況詳見表1。

表1 不同海拔土壤樣地基本情況

2 研究方法

2.1 土壤樣品采集

在每個標準樣地內隨機布設5個2 m×2 m小樣區,去除表面凋落物,每個小樣區采用“S”型混合采樣方法設置5個點混合取樣,按土壤的發生層劃分為淋溶層(A層),取土深度約為10 cm；淀積層(B層),取土深度約為10—25 cm。將采集的土壤樣品迅速帶回實驗室保鮮。去除可見根系、石粒等及動植物殘體后,將土壤過2 mm篩。然后將土樣用四分法分為兩部分,一部分鮮土用于土壤速效養分、含水率、土壤微生物生物量和土壤酶活性的測定；另一部分土壤室內自然風干后過0.149 mm篩,用于測定土壤總氮磷等基本理化指標。

2.2 土壤理化性質測定方法

土壤總碳、總氮用碳氮元素分析儀(Elementar Vario EL III,Elementar,德國)測定。總磷采用HClO4-H2SO4法[24]消解后,通過0.45 μm玻璃纖維過濾器(Q/IEF J01- 1997,上海),并用連續流動分析儀(Skalar san++,Skalar,荷蘭)測定。土壤pH通過玻璃電極pH計(STARTER 300,OHAUS,美國)測定,水土比為2.5∶1。土壤溫度采用手持式長柄溫度計(SK- 250WP,SK Stoto,日本)測定。

2.3 土壤可溶性養分

2.4 土壤微生物生物量碳、氮、磷測定

微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法[25],最后用總有機碳分析儀(TOC-VCPH/CPN,日本)測定提取液中MBC,用連續流動分析儀(Skalar san++,荷蘭)測定MBN。MBC計算公式：BC=ΔEC/kC,式中：ΔEC為熏蒸與未熏蒸土壤有機碳含量的差值,kC為轉換系數,取值0.45。MBN計算公式：BN=ΔEN/kN,式中：ΔEN為熏蒸與未熏蒸土壤有機氮含量的差值,kN為轉換系數,取值0.54。土壤微生物生物量磷(MBP)采用氯仿熏蒸-NaHCO3浸提法[26],計算公式為：BP=ΔEP/kP,轉換系數kP取值0.40。

2.5 土壤酶活性測定

土壤酶活性參照Saiya-Cork和Sinsabaugh[27]的方法提取和培養土壤中6種與碳、氮、磷循環相關的水解酶和氧化酶。用傘形酮(MUB)作為底物標示水解酶活性,用L-二羥苯丙氨酸(DOPA)為底物標示氧化酶活性。微平板置于暗環境下經過20℃恒溫培養,水解酶和氧化酶分別培養4 h和18 h,用多功能酶標儀(SpectraMax M5,美國)測定其熒光度(水解酶)或吸光度(氧化酶)。6種土壤酶的名稱、縮寫、編號、功能及所用標定底物見表2。各種酶都通過預實驗確定獲得最大酶活性所需要的底物濃度和培養時間。

表2 土壤酶活性的種類、縮寫、類型和所用底物

2.6 數據處理

數據經過Microsoft Excel 2013軟件處理后,采用SPSS 21.0統計軟件對不同海拔土壤各指標進行統計分析。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)檢驗不同海拔處理之間土壤理化性質,土壤微生物生物量及土壤酶活性的差異顯著性(Duncan法,α=0.05)；用雙因素方差分析(two-way ANOVA)比較分析海拔和土層下土壤理化性質,土壤微生物生物量及土壤酶活性的差異顯著性(Duncan法,α=0.05)。采用Canoco Software 5.0軟件以土壤理化性質及微生物生物量為解釋變量,以土壤酶活性作為物種變量做冗余分析(Redundancy Analysis,RDA)；繪圖由Origin 9.0軟件完成。

3 結果與分析

3.1 不同海拔對土壤理化性質的影響

在A層土壤中,隨海拔升高,土壤含水量、土壤溫度、土壤總碳含量、總氮和C/N均具有下降的趨勢,尤其在L和H海拔之間具有顯著差異(P<0.05)(表3)。隨著海拔的升高,pH呈現出下降的趨勢,但未達到顯著水平。在B層土壤中,海拔變化對pH和土壤溫度無顯著影響,但海拔升高顯著降低土壤含水量、總碳、總氮、總磷和C/N(P<0.05)。

表3 不同海拔黃山松林土壤基本理化性質

3.2 不同海拔對微生物生物量的影響

土壤微生物生物量在不同海拔之間呈現出相同的變化趨勢。除A層的MBC含量外,A和B層土壤中MBC、MBN、MBP的含量隨海拔升高均呈顯著下降(P<0.05,圖1)。海拔和土層對MBC、MBN、MBP均有顯著影響(P<0.05),此外海拔×土層只對MBP有顯著的交互作用(P<0.05)。

3.3 不同海拔對土壤酶活性的影響

整體而言,不同海拔梯度對A層土壤的酶活性影響顯著,對B層土壤的酶活性影響整體較小(表4)。隨海拔升高A層土壤中βG和CBH活性顯著下降(P<0.05),和L海拔相比,H海拔βG和CBH活性下降幅度分別達36.87%和42.79%,而ACP酶活性顯著增加(P<0.05),此外PEO酶活性在L海拔最低,而海拔效應對NAG無影響。B層土壤中,M海拔βG、PEO、NAG活性最小；而CBH和ACP酶活性隨海拔梯度則無顯著變化。海拔變化對4種水解酶和兩種氧化酶活性均有顯著影響,其中對βG和PEO達到極顯著影響(P<0.001)。除PHO以外,土層對其他酶均有極顯著影響(P<0.001)。海拔×土層對6種酶均有顯著的交互作用(P<0.05)。

3.4 土壤酶活性變化的RDA分析

以土壤酶活性作為響應變量,土壤理化性質和土壤微生物生物量作為環境解釋變量,并結合不同海拔處理樣點,分別對A、B兩層土壤的酶活性進行冗余分析。

如圖2所示,不同海拔梯度都按照一定的規律進行了很好的聚類,說明海拔顯著影響了土壤酶活性。圖2中共解釋了A層土壤酶活性變異程度的79.95%。其中MBP與第一軸呈明顯正相關,解釋了A層土壤酶變異的47.40%,C/N解釋了該土層土壤酶變異的12.50%,說明二者對A層土壤酶活性起著重要的作用。圖2中共解釋了B層土壤酶活性變異程度的66.33%。而MBP和WC是解釋度最高的2個環境因子,其中WC于第一軸呈明顯正相關,解釋了B土層土壤酶變異的27.80%,MBP解釋了27.10%,說明兩者對B層土壤酶活性起重要作用。

圖1 不同海拔對土壤微生物生物量的影響Fig.1 Effects of different altitudes on soil microbial biomass表中數據為平均值±標準差(n=5),不同小寫字母表示不同海拔相同土層之間差異顯著(P<0.05); ns, 表示無顯著性影響；*, **, ***分別代表P<0.05, P<0.01, P<0.001

土層Depth樣地Site酶Enzyme(氧化酶μmol g-1 h-1/水解酶nmol g-1 h-1)βGCBHPEOPHONAGACPA層 A horizonL62.70±10.83a6.31±1.93a0.72±0.11b1.76±0.52b27.41±8.46a251.16±52.84bM36.80±8.54b4.76±1.06ab8.91±1.49a2.63±0.48a28.22±4.27a272.99±70.91bH39.58±5.38b3.61±1.16b8.69±1.61a1.31±0.33c23.78±2.28a401.55±113.62aB層B horizonL12.48±4.25a1.82±0.71a11.06±3.33a1.63±0.20b14.71±3.14a40.17±5.60aM5.59±1.08b1.11±0.34a7.94±1.85b1.72±0.27b6.49±1.84b28.08±3.05aH7.03±0.24ab2.32±0.64a11.49±2.57a2.94±0.74a10.87±3.60a32.02±6.39aTwo-way ANOVAAE????????????HE?????????ns??????AE×HE???????????????

AE:海拔, Altitude effect; HE:土層, Horizon effect; AE×HE:海拔和土層交互作用, Interaction effect of altitude and horizon; 表中數據為平均值±標準差(n=5), 同一列不同小寫字母表示同一土層不同海拔間差異顯著; ns, 表示無顯著性影響；*, **, ***分別代表P<0.05,P<0.01,P<0.001; βG: β-葡萄糖苷酶, β- 1,4-glucosidase; CBH: 纖維素水解酶, Cellobiohydrolase; PHO: 多酚氧化酶, Polyphenol oxidase; PEO: 過氧化物酶, Peroxidase; NAG: β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶; ACP: 酸性磷酸酶, Acid phosphatase

圖2 不同海拔對A層和B層土壤酶活性影響的冗余分析Fig.2 Correlations of soil enzyme activities in A and B horizons to soil properties as determined by redundancy analysis(RDA)LA/B:1300 m海拔A/B層; MA/B:1450 m海拔A/B層; HA/B:1600 m海拔A/B層; MBP:微生物生物量磷, Microbial biomass phosphorus; TP:總磷, Total phosphorus; AP:有效磷, Available phosphorus; WC:含水率, Water content; C/N:碳/氮, Carbon/nitrogen

4 討論

4.1 不同海拔下土壤理化性質變化

4.2 不同海拔下土壤微生物生物量的變化

土壤微生物生物量是土壤微生物發揮作用的重要基礎,由于其周轉快、靈敏度高,可以反映土壤肥力和土壤環境質量的微小變化[37]。可以作為非穩定性有機碳的指示器[38-39],是生態系統重要的活性炭庫和養分庫,對水熱環境條件變化敏感[40-41]。本研究發現MBC、MBN和MBP含量都隨海拔升高呈下降趨勢,這與Hamilton和Frank[42]研究結果相似。L地區土壤溫度較高,提高土壤溫度能夠促進根系生長[43],增加根系分泌物,微生物生物量隨之增加,另一方面土壤溫度升高促進了微生物繁殖,提高了微生物活性,使微生物分解有機質作用加強,因此增加了微生物生物量。還有研究表明,土壤有機質含量是影響土壤微生物量的重要因素[44-45],胡宗達等[46]研究發現,MBC、MBN與SOC和TN含量間存在良好的正相關關系。本研究H海拔的A層TC和TN含量相比于L海拔較低,這也可能導致該海拔下A層土壤MBC和MBN含量最低的原因。A和B兩層微生物生物量總體變化趨勢一致。曹瑞等[15]在海拔1563—3994 m的川西高山峽谷區得出類似的結果,研究也表明礦質層中MBC、MBN的總體變化趨勢與有機層基本一致。

4.3 土壤酶活性對不同海拔的響應

土壤酶常作為微生物代謝的指標,在生態系統養分循環中起著重要的作用[47]。βG和CBH酶是纖維素水解酶類,它們的活性與纖維素分解的快慢密切相關。其中βG酶是土壤有機碳變化的重要指標,被認為是土壤中主要的碳素獲得酶之一[48]。PEO和PHO酶是木質素降解酶類,它們是土壤中主要的木質素降解酶[49]。NAG酶主要參與分解土壤中的幾丁質,被認為是主要的N素獲得酶之一[48]。ACP酶活性的高低影響土壤有機磷的礦化,是酸性土壤中最重要的磷素獲得酶[48]。

4.4 驅動土壤酶活性變化的關鍵因子

已有研究表明,土壤酶活性主要是受溫度、水分[59]、微生物生物量[60]、pH和養分有效性[61]、真菌/細菌比[62-63]以及地上優勢種植物種類[64]的影響。在本研究中發現MBP和C/N是驅動A層土壤酶活性變化的主要因子,WC和MBP是驅動B層土壤酶活性變化的主要因子,MBP均是驅動兩層土壤酶活性變化的重要因子。有研究者通過微生物-酶模型表明土壤微生物生物量在土壤C、N周轉中起重要作用[65]。Gao等[66]研究表明養分相對缺少的環境下,MBC等養分的狀況是決定酶活性強弱的主導因素。而本地區是磷限制地區,隨海拔升高,磷素含量顯著下降,缺磷現象加劇,MBP常作為磷的一種有效庫,具有決定作用,可以對土壤中的有效磷進行補充,因此這可以解釋MBP是決定本地區酶活性的關鍵因子。另外C/N也是影響A層土壤酶活性的重要因子,隨海拔升高,C/N顯著下降,與參與C、N循環相關的βG,NAG,CBH呈現正相關關系,有研究表明土壤C/N較低時有機質具有較快的礦化作用[67],H海拔地區C/N較低,表明該海拔梯度內有機質分解的速度較快,因而H海拔地區A層土壤的有效氮和DON含量較高。海拔是一個綜合性的環境因素,亞熱帶山地受到復雜地形因子的影響,溫度等因子共同影響土壤養分循環及微生物活動。