凋落物多樣性及組成對凋落物分解和土壤微生物群落的影響

王小平,楊 雪,楊 楠,辛曉靜,曲耀冰,趙念席,高玉葆

南開大學生命科學學院, 天津 300071

植物凋落物是土壤肥力的主要來源,而凋落物分解是生態系統碳和營養循環的核心過程,是生態學領域研究的核心內容之一。近年來,由于人類活動和全球氣候變化,生物多樣性喪失嚴重,群落物種組成及結構均發生顯著改變[1]。已有研究表明,陸地生態系統當年生物量的90%都是以凋落物形式存在[2],群落物種組成及結構的改變勢必對凋落物基質質量以及對應的分解者群落、微環境產生顯著影響,從而對生態系統養分循環產生顯著影響[3]。因此,了解不同物種及不同物種組合對凋落物分解特性和土壤微生物群落的影響,將幫助我們深入了解群落物種及組成變化對生態系統養分循環的影響,進而為全球變化導致的群落組成和結構變化的生態后果進行準確評估。

微生物作為連接植物與土壤物質循環最重要的因子,對土壤的形成、發育、結構改良、肥力保持以及植物生長等方面都具有重要作用,其在凋落物分解中的作用以及與凋落物的關系一直是生態學領域的重點研究內容之一。如土壤微生物在凋落物分解過程中所起作用,以及凋落物分解對土壤生物群落結構和功能特征影響等方面均積累了大量的研究成果[4- 7]。而關于凋落物多樣性及組成變化如何影響微生物群落的研究相對較少且主要集中在森林中,如李姍姍等[8]在研究江西省德興市森林生態系統中凋落物分解183 d后發現,凋落物物種多樣性與土壤微生物群落多樣性呈負相關關系；Sarah等[9]以美國佛羅里達森林的10種單種凋落物為研究對象,發現相似的凋落物化學組成,其微生物群落也更相似。

草原凋落物在草原生態系統生產力構成中占有重要地位,是草原生態系統物質和能量的主要來源,是土壤與微生物間的物質循環樞紐。作為生物地球化學循環的關鍵環節,凋落物在草原土壤質量的維護和生態功能的發揮上具有重要作用。呼倫貝爾草原位于內蒙古東部地區,是我國北方草原的主要代表。然而,由于長期過度放牧的影響,該區域草原出現了不同程度的退化,生物多樣性和穩定性降低,草原群落的建群種出現了明顯替代現象[10- 11],群落的物種多樣性及其組成均發生了顯著的變化,進而導致凋落物的種類多樣性及其組成的變化。因此,本研究在該地區選擇一原生群落貝加爾針茅(Stipabaicalensis)-羊草(Leymuschinensis)的退化恢復區域,依據植物多度、蓋度、頻度和物種的重要值及其在群落中的恢復程度篩選出排序前4的羊草、茵陳蒿(Artemisiacapillaris)、麻花頭(Serratulacentauroides)和二裂委陵菜(Potentillabifurca)[12]的凋落物為實驗材料,通過設置物種數目以及不同物種組合處理,在人工控制條件下,研究不同組合處理的凋落物分解特性與分解過程中的土壤微生物群落結構對不同凋落物組合處理的響應。本實驗重點關注以下問題：凋落物分解一段時間后,(1)不同處理的凋落物如何影響凋落物分解特性？如何影響土壤微生物群落？以及三者之間的關系如何？(2)物種數目和物種組成,哪個因子對凋落物分解及土壤微生物群落影響更大？

1 材料與方法

1.1 采集地概況及實驗材料

采集地為內蒙古自治區呼倫貝爾市鄂溫克族自治旗北輝野外科學觀測研究站的圍封樣地(48.15°—49.00°N, 118.80°—119.75°E),該區域土壤類型為暗栗鈣土，原生植被為貝加爾針茅-羊草草原,但由于長期過度放牧導致群落嚴重退化,因此自2008年開始圍封禁牧。到2014年,經野外調查結果顯示共有物種45種,與穩定群落的物種數目和多樣性相似,顯著高于放牧區物種數(總物種數為25種)。在近7年的圍封恢復過程中,恢復速度最快的4種植物為：羊草、茵陳蒿、麻花頭和二裂委陵菜。這4種植物的相對蓋度、相對多度和相對高度達到總蓋度、多度和頻度的40%左右,而貝加爾針茅、大針茅(Stipagrandis)和冰草(Agropyroncristatum)在群落中的多度仍較低。在2014年8月初,收集羊草、茵陳蒿、麻花頭和二裂委陵菜4種植物的凋落物,風干至恒重；并用土鉆收集地表(0—10 cm)新鮮土壤。

1.2 實驗設計

本實驗為單因素嵌套實驗，因素為凋落物多樣性(Litter Diversity, LD),包括3個水平(凋落物組成嵌套在凋落物多樣性中):(1)單種凋落物(LD1),即4種凋落物(羊草、茵陳蒿、麻花頭和二裂委陵菜)單獨分解；(2)兩種凋落物混合(LD2),包括所選4種凋落物分別進行兩兩等量混合(羊草+茵陳蒿、羊草+麻花頭、羊草+二裂委陵菜、茵陳蒿+麻花頭、茵陳蒿+二裂委陵菜、麻花頭+二裂委陵菜),共6種凋落物組成；(3)4種凋落物混合(LD4),即4種凋落物(羊草+茵陳蒿+麻花頭+二裂委陵菜)等量混合，即包括3個凋落物多樣性水平共11種組合,并用凋落物組成中植物屬名首字母表示這11種組合,即為L, A, S, P, L+A, L+S, L+P, A+S, A+P, S+P, L+A+S+P。每種凋落物組成3個重復,共66袋。留取4種植物的部分凋落物,測定凋落物初始N、C以及木質素含量,并計算C/N,每種凋落物測定3 次。

將等量組合好的凋落物1.2 g分別裝入網孔面積為1 mm2的凋落物袋(10 cm×15 cm)并進行編號,此種凋落物袋允許土壤微生物以及土壤小型動物進出。2015年2月1日,將原生境地表土壤放在400 μmol/mol CO2濃度的智能人工氣候箱中,設置其他參數為：溫度25 ℃,濕度50%,光強60 μmol m-2s-1,光照12 h。2015 年 2 月 11 日,將適應的土壤混勻后轉入直徑為12 cm的塑料器皿中,每皿50 g,將土壤濕度調為田間持水量,并將準備好的凋落物袋放置于土壤表面,對應編號。所有培養皿隨機放置,每隔2天移動位置1次以避免位置效應,60 d后收獲凋落物用于凋落物分解特性(凋落物質量、C、N殘余率及C/N)分析,并將對應的土壤材料用于土壤微生物群落PLFA的測定。

1.3 凋落物化學成分的測定

凋落物總C和總N含量的測定使用Vario MICRO cube 元素分析儀(ELEMEMTAR,Germany)。

木質素的測定采用凡氏法,參考Antonietta 等[13]。

1.4 凋落物質量損失以及養分變化

凋落物質量殘余率：

Mt=MT/M0×100%

凋落物C、N殘余率：

MC=Mt×Ct/C0；MN=Mt×Nt/N0

式中,Mt表示分解t時間后凋落物殘余質量占初始質量的比例(%)；MT表示分解t時間后凋落物殘余質量(g)；M0表示凋落物初始質量(g)；MC、MN表示分解t時間后凋落物C、N含量占初始含量的比例(%)；C0、N0表示凋落物的初始養分濃度(%)；Ct、Nt表示分解時間t后凋落物的C、N濃度(%)。

1.5 土壤微生物測定

采用磷脂脂肪酸(Phospholipid Fatty Acid, PLFA)溫和甲酯化法[14]和氣質聯用色譜分析儀(Agilent 7890GC,5975MSD)進行PLFA生物標記分離及鑒定,含量計算[15]和表征分類[16- 18],其中,表征細菌的有：14:0,15:0,16:0,17:0,18:0,16:1ω5t,17:1ω7c,i14:0,i15:0,i16:0,i17:0,a16:0,16:1ω7c,18:1ω5c,cy17:0,cy19:0,17:1ω8,10Me16:0, 10Me17:0, 10Me18:0；表征真菌的有：18:1ω9c,18:1ω9t,18:2ω6c,18:2ω6t,18:3ω6c。

1.6 數據分析

PLFA生物標記含量計算公式為：PLFA(nmol/g DW)=(PPLFA×S×V)/(POSTD×D×R×W×M)

式中,PPLFA和POSTD分別是樣品和標準物質的峰值面積,S為內標標準物質的濃度(ng/μL),D為稀釋倍數,R為分取倍數,V為樣品的測定體積(μL),W為土壤干重(g DW),M為對應的PLFA的相對分子質量。

采用SPSS 21.0統計學軟件中的一般線性模型分析4種凋落物初始化學性質之間的差異顯著性；用一般線性模型中的多變量模型(設定平方和為：類型Ⅲ)分析凋落物多樣性及組成對凋落物分解相關指標(凋落物質量、C、N殘余率及C/N)和各類土壤微生物PLFAs含量影響的顯著性,其中凋落物組成作為主體內因素嵌套在凋落物多樣性內。

采用CANOCO(Canoco for Windows 4.5)軟件對凋落物分解相關指標(凋落物質量、C、N殘余率及C/N)及其土壤微生物(細菌和真菌含量)與凋落物多樣性及組成之間進行冗余分析(Redundancy Analysis,RDA)。

建立結構方程模型(Structural Equation Model,SEM)分析不同凋落物組合下,凋落物初始化學性質(C、N、木質素含量及C/N)、土壤微生物(細菌和真菌含量)與凋落物分解相關指標(凋落物質量、C、N殘余率及C/N)的關系,SEM計算和建立采用R語言(版本3.3.1)分析軟件,在程序包“sem”、“dplyr”及“DiagrammeR”下運行。

2 結果與分析

2.1 凋落物初始化學性質

羊草凋落物的N和C含量顯著高于其他凋落物,而C/N和木質素含量顯著低于其他凋落物(P<0.05)。麻花頭凋落物的C/N含量顯著高于其他凋落物,而N含量顯著低于其他凋落物(P<0.05)。麻花頭和二裂委陵菜凋落物的木質素含量顯著高于其他凋落物(P<0.05)(表1)。

表1 4種凋落物化學成分含量(平均值±標準誤)

同列中不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

2.2 凋落物多樣性及組成對凋落物分解的影響

凋落物多樣性僅對凋落物C殘余率有顯著影響(P<0.05)(表2),表現在兩物種混合顯著低于單物種(圖1)。而凋落物組成對凋落物質量、C、N殘余率及C/N均有顯著影響(P<0.05)(表2)。

表2 凋落物多樣性及組成對凋落物質量、C、N殘余率及C/N影響的嵌套式分析

同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

圖1 凋落物多樣性對凋落物C殘余率的影響Fig.1 The effects of litter diversity on litter C remaining rate

凋落物組合中,質量殘余率方面：4個單物種組合間并沒有顯著差異(P>0.05)；兩物種組合中,麻花頭和二裂委陵菜(S+P)組合以及茵陳蒿和二裂委陵菜(A+P)組合最高,而羊草和茵陳蒿(L+A)組合最低,前者與后者差異顯著(P<0.05)；四物種組合(LD4)與任何組合間均無顯著(P>0.05)差異(圖2)。

C殘余率方面：單物種組合中,麻花頭(S)、二裂委陵菜(P)單物種組合的殘余率顯著(P<0.05)高于羊草(L)和茵陳蒿(A)；兩物種組合中,麻花頭和二裂委陵菜(S+P)組合最高,顯著(P<0.05)高于其他5種組合,而羊草和茵陳蒿(L+A)組合最低；四物種組合(LD4)顯著(P<0.05)高于羊草和茵陳蒿(L+A)組合(圖2)。

N殘余率方面：11種組合中,單物種麻花頭(S)殘余率最高,而兩物種組合羊草和茵陳蒿(L+A)最低(圖2)。

凋落物C/N方面：單物種組合中羊草(L)最低,顯著低于其他3種植物,而其他3種植物間無顯著(P>0.05)差異；兩物種組合中,麻花頭和二裂委陵菜(S+P)最高,羊草和二裂委陵菜(L+P)最低,兩者之間差異顯著(P<0.05)；四物種組合的C/N顯著(P<0.05)低于單物種茵陳蒿(A),與其他組合間均無顯著(P>0.05)差異。

圖2 凋落物組成對凋落物質量、C、N殘余率及C/N的影響Fig.2 The effect of litter composition on litter mass, C, N remaining rate and C/N LD：凋落物多樣性 Litter diversity；S：麻花頭 S. centauroides；L：羊草 L. chinensis；P：二裂委陵菜P. bifurca；A：茵陳蒿 A. capillaris

2.3 凋落物多樣性及組成對土壤微生物群落結構的影響

僅細菌PLFAs含量受凋落物多樣性影響顯著(P<0.05)(表3),表現為兩物種組合(LD2)顯著高于LD4(圖3)；僅真菌含量受凋落物組成影響顯著(P<0.05)(表3),具體表現為：單物種條件下,單物種麻花頭(S)處理下土壤真菌PLFAs含量顯著(P<0.05)高于其他3種凋落物；而多物種組合間無顯著(P>0.05)差異；羊草和二裂委陵菜(L+P)組合土壤真菌PLFAs含量顯著(P<0.05)高于單種羊草(L)的土壤真菌PLFAs含量(圖4)。

表3 凋落物多樣性及組成對土壤微生物群落組成影響的嵌套式分析

同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

2.4 土壤微生物和凋落物分解特性與凋落物多樣性及組成的冗余分析

RDA排序分析表明：前兩個排序軸共解釋了53%的變異和90.4%的環境變量與響應變量的關系(圖5)。蒙特卡羅檢驗結果顯示,所有排序軸對應的環境變量對于響應變量的解釋貢獻均達到統計學上的顯著水平(F=3.15,P=0.022),其中凋落物多樣性及組成的影響大小排序為羊草(L)(26%)>麻花頭(S)(18%)>二裂委陵菜(P)(14%)=茵陳蒿(A)(14%)>LD(4%)。通過凋落物分解特性和土壤微生物與凋落物多樣性及組成相關性排序可知：細菌含量,真菌含量,凋落物質量、C、N殘余率及C/N與含羊草(L)凋落物處理呈顯著負相關；真菌含量,凋落物質量、C、N殘余率與含麻花頭(S)凋落物及含二裂委陵菜(P)凋落物的處理均呈顯著正相關；細菌含量,凋落物C/N與含茵陳蒿(A)凋落物的處理呈顯著正相關；細菌含量,凋落物C/N與凋落物多樣性呈顯著負相關。

圖3 凋落物多樣性對土壤細菌PLFAs含量的影響Fig.3 The effects of litter diversity on the soil bacterial PLFAs content

圖4 凋落物組成對土壤真菌PLFAs含量的影響Fig.4 The effects of litter composition on the soil fungi PLFAs content S：麻花頭 S.centauroides;L：羊草 L. chinensis；P：二裂委陵菜 P. bifurca; A：茵陳蒿 A. capillaris

圖5 土壤微生物和凋落物分解特性與凋落物多樣性及組成的冗余分析Fig.5 Redundancy analysis of the soil microbe and litter decomposition characteristics and litter diversity and composition CNR：殘余碳氮比 C/N remaining； CR: 碳殘余率 C remaining rate； NR: 氮殘余率 N remaining rate； MR: 質量殘余率 Mass remaining rate

2.5 凋落物初始化學性質、土壤微生物與凋落物分解特性的關系

由SEM可知(圖6)，凋落物初始C含量對凋落物質量、C、N殘余率及C/N有顯著正的直接影響；凋落物木質素含量對凋落物質量、C、N殘余率有顯著正的直接影響；凋落物初始N含量對N殘余率為顯著正的直接影響,而對C殘余率及C/N為顯著負的直接影響；凋落物初始C/N對凋落物質量、N殘余率為顯著正的直接影響,而對C/N為顯著負的直接影響(圖6)。此外,凋落物初始C、木質素、N含量及C/N均對真菌含量具有顯著正影響,并可通過真菌對凋落物質量殘余率產生顯著負的間接影響。

圖6 凋落物初始化學性質、土壤微生物與凋落物分解特性的結構方程模型Fig.6 The Structural equation model of initial litter chemical properties, soil microbes and litter decomposition characteristics 僅提供P<0.05的相關關系，實線和虛線箭頭表示正和負路徑，箭頭寬度與關系強度成正比，*P<0.05，**P<0.01，***P<0.001表示差異顯著

3 討論

近年來,凋落物多樣性/組成對凋落物分解的影響[19- 21]及對土壤微生物群落的影響[6,22- 23]受到研究者的廣泛關注。但將凋落物多樣性/組成對凋落物分解、土壤微生物群落的影響及其內在關系共同展開研究的僅有少量報道[9,24]。如Santonja等[24],在法國馬賽附近的灌木叢林中,研究了凋落物多樣性對凋落物分解和微生物群落的影響,結果發現：凋落物C、N的釋放隨凋落物種類的增加而增加；多物種凋落物混合,細菌多樣性較低而真菌多樣性較高；微生物豐度及多樣性對混合凋落物C、N分解的影響較小。這一研究表明凋落物多樣性對凋落物C、N的釋放影響更大,而微生物對凋落物C、N的釋放影響較弱。然而,本研究結果顯示：盡管凋落物多樣性對凋落物C殘余率以及土壤細菌群落均具有顯著影響(表2,3),但結合結構方程模型及冗余分析的結果可以看出,凋落物組成對凋落物分解特性(凋落物質量、C、N殘余率及C/N)及土壤微生物(細菌和真菌含量)影響更大,且真菌群落對凋落物質量分解影響顯著。因此,本研究結果表明在典型草原退化恢復群落中,凋落物組成而非凋落物多樣性,對凋落物的分解及其地下部土壤微生物群落具有決定性作用。

凋落物組成,如混合凋落物初始性質,是影響凋落物分解和土壤微生物群落的主要因素。本研究中羊草初始木質素含量和C/N顯著低于其余3種凋落物(表1),含羊草的凋落物質量、C、N殘余率低(圖2)；而麻花頭和二裂委陵菜C/N和木質素含量高(表1),含二者的凋落物分解質量、C、N殘余率高(圖2),支持凋落物的初始C/N和木質素含量的高低是凋落物分解快慢的重要指標[25- 26]，即低C/N和低木質素含量的凋落物主要由細菌分解，分解較快;而高C/N和高木質素含量的凋落物主要由真菌分解，分解較慢[9,27- 29]。如本研究冗余分析結果顯示,初始木質素含量和C/N顯著低于其他3種凋落物的羊草與凋落物質量、C、N殘余率呈顯著負相關(圖5)；而初始木質素含量顯著高于其他兩種凋落物的麻花頭和二裂委陵菜與土壤真菌含量,凋落物質量、C、N殘余率呈顯著正相關(圖5)。此外,本研究還發現,不同混合的凋落物初始性質不僅與凋落物殘余率具有直接的正相關關系,還通過真菌群落間接影響凋落物質量殘余率,即真菌含量與質量殘余率呈顯著負相關(圖6)。不同凋落物處理的分解者群落是以真菌為主導,這除了能反映凋落物性質不易分解外[9],還反映凋落物分解速率緩慢[29],同時也進一步暗示著生態系統物質循環的緩慢。

作為原生群落的主要物種之一羊草的C/N和木質素含量在分解初期顯著低于麻花頭、茵陳蒿和二裂委陵菜(表1),而原生群落的另一主要物種貝加爾針茅的C/N在30左右[30-31],也顯著低于本實驗中麻花頭、茵陳蒿以及和二裂委陵菜凋落物的C/N比值,這些指標均有利于細菌分解、分解較快?；谝陨峡芍贺惣訝栣樏?羊草退化群落恢復7年后,根據植物多度、蓋度、頻度和物種的重要值及其在群落中的恢復程度排序,選取4位植物(蓋度或多度之和達40%)進行凋落物分解研究,得出凋落物組成對凋落物分解起決定性作用(圖6),且此群落在凋落物分解初期就表現為高C/N和高木質素含量(表1),并由真菌主導(圖5—6),此現狀或許是草原生態系統恢復緩慢的原因之一。因為凋落物分解及其土壤微生物群落結構是生態系統物質循環的功能指標,對生態系統的健康具有指示作用。本研究結果表明在退化群落恢復過程中,地上部植物的種類、蓋度和多樣性的恢復,并不能很好地預測該生態系統的功能,只有結合凋落物分解特征以及微生物群落的結構和功能才能對生態系統功能進行合理評價。