荒漠土壤微生物量碳、氮變化對降水的響應

許 華,何明珠,唐 亮,孫 巖

1 中國科學院西北生態環境資源研究院沙坡頭沙漠研究試驗站,蘭州 730000 2 中國科學院大學,北京 100049 3 訥河市職業技術教育中心學校,訥河 161300

全球變暖正在加劇水文循環過程,氣候模型預測全球降水格局正在或將要發生明顯變化,極端降水事件(干旱或暴雨事件)出現的頻率和幅度都會增加,大多數地區面臨嚴重和大面積的干旱[1- 2]。據對全球降水長期數據綜合分析,在干旱地區(年均降水量為100 mm),極端濕潤氣候下,降雨量增加了50%,極端干旱條件下,降雨量減少了60%[1]。降水量的變化會改變陸地生態系統的碳、氮等元素的地球化學循環過程,對干旱、半干旱區生態系統源—匯功能帶來深遠的影響[3]。研究發現生態系統對降水變化的響應首先會發生于土壤微生物群落[4]。土壤微生物作為生態系統的重要組成部分,主要包括細菌、真菌、藻類和原生動物等[5],是土壤中除了活的植物體外體積小于5×103μm3的生物總量。在獲取資源構建微生物生物量的同時,還調控著碳、氮和其他養分在土壤—植物—大氣連續體(SPAC)之間的循環,既是土壤中植物養分的儲存庫,又可作為“源”釋放養分[6-7]。土壤中微生物生物量碳、氮在一定程度上反應了生態系統物質循環能力、土壤肥力和植物生產力,對環境的響應非常敏感,通常被作為土壤質量變化的指示[7]。因此,加強土壤微生物量對環境變化的響應研究,可為全球氣候變化背景下碳、氮平衡及循環機制的研究提供基礎。

降水增加會緩解土壤水分限制,提高土壤中碳、氮的礦化速率和有效性[8]。降水量的變化會直接影響土壤含水量,進而影響地上植物和地下土壤微生物的群落組成、結構和功能[9]。通常認為,土壤微生物量碳、氮與降水量與土壤水分正相關,降水減少會降低土壤微生物量碳、氮,因為干旱限制土壤有效水分,降低物質遷移,減少了分解者的底物供應[3,10]。土壤微生物量碳、氮具有明顯的季節變化特征,何榮等發現武夷山常綠闊葉林、針葉林、亞高山矮林和高山草甸四種植被類型的土壤微生物量碳均表現為冬春最大,夏季最小的特征,并認為這種變化與能源的供應土壤溫度和濕度的季節性變化密切相關[11]。目前,有關林地和高寒草地土壤微生物量進行了很多研究[12-13],但對于荒漠草原微生物量碳氮對季節變化和降水的響應的研究相對較少。因此,本試驗以地處荒漠與荒漠草原過渡帶的騰格里沙漠東南緣的荒漠植被為研究對象,通過人工控制降水梯度,探究該地區土壤微生物量碳、氮隨季節變化對降水處理的響應特征,以期為進一步研究荒漠區土壤系統碳、氮循環過程對降水格局變化的響應規律提供科學依據。

1 研究材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于中國科學院沙坡頭沙漠研究試驗站小紅山荒漠生態系統野外綜合觀測場(37°29′N,104°25′E),地處寧夏中衛市境內的騰格里沙漠東南緣,屬于阿拉善高原荒漠與荒漠草原過渡帶(圖1)。試驗期間2016和2017年的平均溫度分別為11.28℃和11.22℃,降水量分別為216.4 mm和161.8 mm(圖2)。土壤為棕鈣土,土壤剖面分化較明顯,腐殖質層厚度為15—30 cm。地下水埋深無法被植物根系直接吸收利用,植物和土壤的主要水分來源于天然降水,降水主要集中在7—9月[14](圖2)。植物群落組成主要以細枝鹽爪爪(Kalidiumfoliatum)、珍珠豬毛菜(Salsolapasserina)和紅砂(Reaumuriasoongorica)為優勢灌木,以小畫眉草(Eragrostisminor)、堿蓬(Suaedaglauca)為優勢草本。

圖1 樣地圖片(拍攝時間：2018.9)Fig.1 The photos of research site (shooting time: 2018.9)

圖2 2016—2017年溫度、降水量變化 Fig.2 Daily changes of temperature and precipitation from 2016 to 2017

1.2 試驗設計

2015年秋季在研究區域設置了15個3 m×3 m的試驗樣方,通過遮雨棚和滴灌系統控制不同的降水條件(發明專利號：ZL201510186556.9)。依據國際干旱試驗網絡(International Drought Experiment, IDE; 具體參見http://wp.natsci.colostate.edu/droughtnet)的樣地布設規范,在對研究區域50多年來降水資料統計分析的基礎上,設置了5個降水梯度,即極端干旱處理(降水-50%,D1)、中度干旱處理(-25%,D2)、對照(自然降水,CK)、增水處理I(+50%,W1)、增水處理II(+25%,W2),每個處理3個重復。同期在試驗區內架設小型自動氣象站(圖1),主要對降水量、氣溫、有效光合輻射(PAR)、每個樣方中土壤10 cm和40 cm深度的含水量、溫度和電導率進行連續數據采集,采用CR1000數采儀記錄數據。

1.3 樣品采集與分析

2016年和2017年的春、夏、秋、冬(即3月、6月、9月、12月下旬)對每個處理樣方的0—5 cm、5—10 cm和10—20 cm的土壤進行分層混合采樣；新鮮土壤帶回實驗室,每層土壤取少量測定土壤含水量(w/w%)；其他土樣過2 mm篩,去除動植物殘體和碎石等雜質,部分新鮮土樣迅速保存在0—4℃冰箱,用于測定土壤微生物量碳(Microbial biomass carbon,MBC)、氮(Microbial biomass nitrogen,MBN)和計算土壤微生物碳氮比(MBC:MBN ratio)；剩余土樣風干后過篩保存,用于土壤常規養分測定。土壤微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提[15], 全自動有機碳/氮分析儀(Elementar vario TOC/TNb Analyzer,德國)測定。

1.4 數據處理

數據處理和統計采用Excel 2013和JMP 10.0.0(SAS Institute Inc.)軟件分析,Origin 9.0作圖。采用單因素方差分析(One-way ANOVA)年際、季節、降水處理和土壤深度因素的影響,采用多因素方差分析(Multiple Comparisons ANOVA)檢驗不同因素或處理的交互作用的效應顯著性。

2 結果分析

2.1 不同降水處理的土壤含水量變化

由表1可知,年際、季節、土壤深度、降水處理以及年際變化和降水處理的交互作用對土壤含水量的影響極顯著(P<0.01),其他交互作用影響不顯著(P>0.05)。2016年土壤含水量均值為4.66%±0.14%,2017年含水量均值為3.84%±0.16%,與2016年土壤含水量相比,2017年土壤含水量顯著減少了17.6%。不同降水處理下含水量均值的變化范圍為：3.36%—4.88%,隨著降水量的增加,土壤含水量逐漸上升(圖3)。

表1 年份、降水處理、季節和土壤深度對土壤含水量、微生物量碳、氮及碳氮比的影響(多因素方差分析,F值)

Table 1 The effect of year, season, precipitation treatment and soil depth on soil water content, MBC,MBN and MBC:MBN ratio(Multiple Comparisons ANOVA,Fvalue)

處理 Treatment含水量Water contentMBCMBNMBC:MBN年份Year32.20??297.75??12.44??4.55?季節Season51.65??72.34??59.58??14.00??土壤深度Soil depth73.32??6.13??17.81??2.16處理Treatment10.88??3.25?2.80?1.68處理×年份Treatment×Year3.86??1.350.261.63處理×季節Treatment×Season0.911.052.08?2.69??處理×土壤深度Treatment×Soil depth0.321.320.581.10處理×季節×土壤深度Treatment×Season×Soil depth0.610.670.510.93

MBC：微生物量碳 Microbial biomass carbon；MBN：微生物量氮 Microbial biomass nitrogen；MBC:MBN：微生物量碳氮比：MBC:MBN ratio；*：P<0.05；**：P<0.01

圖3 不同降水處理下土壤含水量的變化 Fig.3 Changes of soil moisture content under different precipitation treatments圖中數據為各個降水處理下含水量數據的平均值,D1：極端干旱處理(降水-50%) Extreme drought treatment,D2中度干旱處理(-25%) Moderate drought,CK：對照(自然降水) Contrast,W1：增水處理I(+50%) Precipitation increasing treatment I,W2：增水處理II(+25%) Precipitation increasing treatment II,相同小寫字母代表不同水分處理間差異不顯著(P>0.05)

2.2 土壤微生物量碳、氮及碳氮比的變化特征

2.2.1年際變化特征

2016年和2017年的土壤微生物量碳、氮、以及碳氮比均值間的差異極顯著(P<0.01)(表1),如圖4所示,2016年和2017年三者平均值分別為：(319.42±7.37) mg/kg,(16.32±0.55) mg/kg,23.31±0.72和(177.79±8.03) mg/kg,(13.19±0.81) mg/kg,31.21±3.55。與2016年均值相比,2017年土壤微生物量碳和氮分別降低了46.7%,19.1%,碳/氮比增加了33.9%。

2.2.2季節變化特征

季節對土壤微生物量碳、氮和碳氮比的影響極顯著(P<0.01),由圖5可見,微生物量碳、氮和碳氮比的季節動態大致呈現“V”型分布。微生物量碳、氮的變化規律基本一致,最大值出現在春季,之后持續下降,至秋季達到最低值,之后開始回升,變化范圍為：(153.31—337.09) mg/kg,(7.89—22.29) mg/kg。春季微生物量碳、氮分別是秋季的2.19、2.83倍。碳氮比均值從3月開始減少,6月份降至最低值,之后逐漸回升,12月份達到最高值,碳/氮比均值得變化范圍是14.82—46.04,冬季碳/氮比是夏季的3.1倍。

2.2.3不同降水處理對土壤微生物量碳、氮的影響

降水處理對土壤微生物量碳、氮的影響顯著(P<0.05),對微生物生物量碳/氮比的影響不顯著(P>0.05),降水處理和季節交互作用對微生物量氮的影響顯著(P<0.05),對微生物生物量碳/氮比的影響極顯著(P<0.01)(表1)。由圖6可見,微生物量碳、氮在極端干旱處理下顯著增加,二者的值分別為：(272.87±14.95) mg/kg,(17.58±1.5) mg/kg,二者的最小均值都出現在自然降水條件下,分別為：(230.14±10.5) mg/kg,(13.82±0.78) mg/kg。與自然降水相比,極端干旱處理下微生物生物量碳、氮分別增加了15.66%,21.39%。不同降水處理下土壤微生物量碳/氮比最大值為34.06±7.05,出現在增加降水25%(W2)處理條件,最小值為19.78±1.38,出現在減少降水25%(D2)處理條件。

2.2.4土壤垂直分布特征

土壤深度對微生物量碳、氮的影響顯著(P<0.05),對土壤微生物量碳/氮比的影響不顯著(P<0.05)(表1)。如圖7所示,土壤深度為0—20 cm處微生物生物量碳、氮和碳氮比的變化范圍為：(232.57—265.15) mg/kg,(14.00—17.93) mg/kg,24.37—32.07。隨著土壤深度的增加土壤微生物量碳、氮呈下降的趨勢,表層(0—5 cm)微生物生物量碳、氮是下層(10—20 cm)的1.12、1.45倍。

圖4 土壤微生物量碳、氮和碳氮比的年際變化特征Fig.4 Characteristics of inter-annual variation of MBC, MBN and MBC: MBN ratio 圖中數據為全部樣方不同年份數據的平均值,相同小寫字母代表不同水分處理間差異不顯著(P>0.05)

3 討論

3.1 不同降水處理對土壤微生物量碳、氮的影響

圖5 不同季節土壤微生物量碳、氮和碳氮比的變化Fig.5 Changes of MBC, MBN and MBC∶MBN ratio圖中數據為全部樣方不同季節數據的平均值,相同小寫字母代表不同水分處理間差異不顯著(P>0.05)

圖6 不同降水處理下土壤微生物量碳、氮和碳/氮比的變化Fig.6 Changes of MBC, MBN and the ratio of MBC∶MBN in different precipitation treatment圖中數據為兩年各個降水處理下數據的平均值,相同小寫字母代表不同水分處理間差異不顯著(P>0.05)

圖7 不同土壤深度土壤微生物量碳、氮和碳氮比的變化Fig.7 Changes of MBC, MBN and MBC∶MBN ratio in different soil depth圖中數據為全部樣方不同土層數據的平均值,相同小寫字母代表不同水分處理間差異不顯著(P>0.05)

本研究發現：在極端干旱處理下,土壤微生物量碳、氮均顯著高于其他降水處理,其他降水處理間無顯著性差異。降水對于微生物的影響較為復雜,已有的研究結論尚不一致,例如,在內蒙古錫林河流域的半干旱溫帶草原研究發現極端干旱事件增加土壤微生物量氮,但是對微生物量碳影響不顯著[16]。降水條件會直接影響微生物的群落結構、豐富度,不同的土壤微生物具有不同的生存策略,一般而言,真菌通常被認為比細菌更能抵抗極端氣候,特別是在干旱條件下[17-18],因為細菌使通過利用水分移動來擴散底物,而真菌可以將菌絲插入到微孔水膜中運輸水分[19-20],任成杰等用meta分析結果證明降水減少顯著地減小了土壤細菌豐度,但是對真菌沒有顯著影響[3]。此外,土壤水分有效性是制約荒漠生態系統生產力的主要因素,有研究發現,大量減少降水會限制微生物獲取底物的能力并在很大程度上抑制微生物生長,但這種變化規律在較長期(2—6年)和長期的控制實驗中沒有發現,因為由于長時間的干旱使微生物種群進化,適應了干旱環境,土壤微生物量反而增加[3]。降水也會影響植物多樣性和生物量間接影響微生物。從營養競爭的角度來說,干旱時,植物和微生物對氮素競爭的強弱取決于對于它們對氮利用方式,當氮的供給相對充足時,植物生長會利用較多的氮素,而微生物可以通過調節群落組成以適應可利用氮的變化,但隨著干旱程度的增加,植物對氮的吸收逐漸減少,微生物對氮的吸收保持不變[21]。因此,在極端干旱條件下,土壤微生物的競爭力強于植物,可維持較高的氮素水平,但在其他降水處理下,植物對氮的競爭更具優勢,因而產生極端干旱條件下土壤微生物量氮較高的現象。本文中減少降水25%處理和增水處理(+25%,+50%)條件下,土壤微生物量碳、氮都無顯著性差異。在黃土高原西部溫帶荒漠草原開展的研究也表明,減少降水20%和增加降水40%對土壤微生物量碳沒有顯著影響[9], 不穩定的有機碳和氮庫與根系生產力和地上植物群落密切相關,降水減少會產生大量的死根,而降水增加時根系和根系分泌物周轉較快,土壤碳輸入量在這兩種變化下可能是相同的[9, 22]。此外,降雨量較高時易導致速效養分損失增加,抑制微生物呼吸,進而,不利于土壤中微生物量的積累[23]。這些結果表明,在騰格里沙漠東南緣的荒漠與荒漠草原過渡帶上,土壤微生物量碳、氮對降水變化具有不同的響應,說明土壤中真菌、細菌、放線菌和土壤動物等對降水變化存在不同的適應策略,長期降水模式的變化可能會改變微生物群落的結構和功能,最終改變土壤中碳輸入的數量和質量。

3.2 微生物量碳氮比對降水處理的響應

土壤微生物量碳氮比可以在一定程度上反映土壤微生物種類和區系,有研究發現,真菌的碳氮比為4—15,細菌的碳氮比為3—5,碳氮比越高,真菌所占比例越高[24]。在本研究中,各個影響下的土壤微生物碳氮比均值都高于15,因此,該地區土壤微生物中真菌占優勢。不同年份、季節間的土壤微生物碳氮比存在顯著性差異,但降水處理沒有顯著影響。與本研究結果不同的是,Chen等對我國西藏高寒草原173個采樣點的綜合數據分析發現：微生物量碳氮比的變化主要與降水量等非生物變量有關,微生物量碳氮比與降水量負相關。在土壤含水量或者降水較高的地區,土壤微生物優先固定有效氮。土壤微生物量碳和氮主要源于土壤有機質和總氮,相對于有效氮來說,有效碳較充足。在這種情況下,微生物會降低對碳的利用效率,而對氮的利用效率增加,隨著降水梯度的增加,土壤微生物量中碳的含量會相對減少,從而導致微生物量碳氮比與降水量或者含水量負相關[25]。在干旱荒漠地區,除了水分,溫度也是制約土壤微生物生存與活性的重要因素,溫度的變化會影響有機質分解轉化,并且會影響微生物對有機碳和氮的利用效率[26],本研究發現微生物碳氮比夏季最低說明此時通過微生物量周轉釋放氮的潛力較高,冬季最高說明通過微生物量儲存氮的潛力較高。

3.3 季節變化對土壤微生物量碳、氮影響

本研究發現,土壤微生物量碳、氮存在明顯的季節性變化,微生物生物量碳和氮春季含量維持在較高水平,秋季含量則維持在較低的水平,這個結果與其他學者的研究結果相同,如胡嬋娟等對黃土丘陵溝壑區坡面上的刺槐人工林的研究發現土壤微生物量碳春季高,秋季最低[27]。Garcia和Rice對美國堪薩斯州草原的土壤微生物量氮的研究發現早春微生物量氮最高,隨著植物的生長,其含量逐漸下降,夏末秋初后,土壤微生物量氮又開始上升[28]。土壤微生物與氣溫、凋落物的季節性變化之間的關系、植物與微生物對養分利用的關系是造成土壤微生物量碳、氮具有季節性的主要原因[12, 29]。從這兩種關系分析荒漠土壤微生物量碳、氮的季節性變化呈現“V”型變化：進入春季,隨著氣溫上升,土壤微生物的數量和活性提高,通過對可利用殘留物、解凍后土壤中原有的可溶性有機碳不斷利用分解,更多的營養物質被微生物固定[30-31]。返青季節植物根系分泌物的增加為微生物提供了能源[27],并且增加了土壤大團聚體數量,改善了土壤結構,為微生物生長提供了良好的生長環境。早春植物與土壤微生物共同固持養分形成“春壩”作用為植物根系和土壤微生物的生長提供養分[32],因此,微生物量碳、氮在春季較高。春季之后,植物生長逐漸旺盛,植物與微生物的繁殖生長對養分的需求存在營養競爭關系,當植物和微生物對氮的需求都很高時,植物對氮的競爭可能會更激烈[33],致使微生物的生長活動受到限制,從而使微生物量碳、氮下降。最小值出現在9月是因為水熱因子的變化逐漸不適宜微生物生長繁殖,真菌數量下降,碳含量較低的細菌相對較多[12]。此外,6—9月,氣溫較高(圖2),微生物很快消耗土壤中原有底物,底物不足導致微生物的生長繁殖受到限制,生物量在9月份下降到最低值。當外界有養分供給或植物根系生長旺盛時可為微生物提供較多有機物質,底物受限才會改善。進入秋季,隨著植物相繼落葉,根系衰老,增加了土壤中碳源的輸入,導致微生物量的增加。因此,研究區的土壤微生物量碳、氮顯著的季節變化是受溫度、養分和植物等綜合作用的影響,微生物量碳、氮的季節變化特征也表明土壤微生物和植物之間養分供-需同時存在互補和競爭的關系。

3.4 不同土壤深度對土壤微生物量碳、氮的影響

不同土壤深度間土壤的養分含量,水熱條件,通氣狀況等的異質性往往會導致土壤微生物量在不同深度之間存在差異[34]。在本研究中,土壤微生物量碳氮均在不同土層間存在顯著性差異,表層土壤中的含量高于深層土壤中。。表層的凋落物、密集分布的根系以及根系分泌物,提供了大量的有機物質[19]。也有研究指出土壤微生物與土壤酶之間存在著相關性,土壤脲酶、多酚氧化酶、過氧化氫酶和磷酸酶活性可以提供微生物更多的能源物質,增加微生物生物量碳和氮含量的積累[35-36]。另外,土壤水熱條件和通氣狀況的差異會影響土壤中微生物的群落組成和功能[17],表層土壤中好氧菌較多,活動較強,隨著土層的加深,微生物的生境條件變差,深層土壤中生長代謝活動不強的厭氧菌占主導地位,微生物生物量的分布發生變化[37],因而,土壤微生物量碳、氮就明顯低于上層。

4 結論

本文通過兩年期的野外控制試驗研究,初步揭示了極端干旱等氣候變化事件對荒漠土壤MBC、MBN的影響規律：(1)荒漠土壤MBC、MBN對于增減雨的響應不同,其中極端干旱處理可顯著提高MBC、MBN水平；(2)季節性變化規律明顯,即MBC、MBN為春季最高、秋季最低,MBC/MBN為夏季最低、冬季最高；(3)土壤表層(0—5 cm)MBC、MBN顯著高于中下層土壤,而不同土壤深度的MBC/MBN差異不顯著。因此,在極端降水事件頻發的全球氣候背景下,極端干旱將影響荒漠生態系統MBC、MBN水平,進而對碳、氮平衡和循環過程產生影響。考慮到土壤微生物量碳、氮受到土壤理化屬性、微生物群落組成和結構、植被特征以及降水等氣候因素的綜合影響,荒漠土壤系統MBC、MBN及MBC/MBN對降水變化的響應機理的深入研究和確切回答尚需進一步長期系統監測研究。