螞蟻活動對小果野芭蕉群落土壤呼吸季節動態的影響

樊宇翔，楊 波，李艷梅，王邵軍，張路路，張昆鳳，解玲玲，肖 博，王鄭鈞，郭志鵬

（西南林業大學 生態與環境學院，云南 昆明 650224）

20世紀70年代以來，二氧化碳(CO2)濃度升高引起的氣候變暖已成為廣泛關注的熱點問題[1]。土壤作為陸地最大碳庫，儲存著全球約三分之二的碳，并可通過土壤呼吸向大氣排放占全球25%的碳[2]。土壤呼吸是由土壤微生物、植物根系、土壤動物共同作用產生CO2的生物生態學過程[2]。目前，土壤呼吸組分的研究集中于根系與微生物的貢獻，而關于土壤動物對CO2排放貢獻的研究卻相對缺乏[3]。土壤動物直接釋放的CO2約為土壤總呼吸的5%～10%，同時，土壤動物還會通過機械擾動、取食、筑巢及與微生物協同共生等間接方式調控CO2釋放[4]。螞蟻作為森林生態系統中種類和數量最豐富的土壤動物類群之一，不僅可通過自身代謝活動直接產生CO2，也可通過影響土壤的物理性質、化學轉化和微生物代謝等調控土壤呼吸動態[5]。

已有研究表明：螞蟻巢穴土壤中CO2的釋放量顯著高于非蟻巢土壤，這可能與螞蟻取食和代謝活動積累大量有機物有關[6]；蟻巢土壤內氮磷無機鹽養分含量高于其周圍土壤，從而增加土壤微生物量、活性及功能多樣性，加速有機質分解產生CO2[7]；同時，螞蟻筑巢和代謝活動會增加巢穴中土壤含水率，而較高的濕度能夠促進微生物分解有機物質，從而增加CO2的排放[8]；另外，螞蟻筑巢過程中對土壤的物理擾動以及其構建的大量通道改變了土壤質地和通氣性，可能顯著影響土壤CO2的排放[9]。因此，螞蟻活動能夠直接或者間接調控土壤呼吸動態。

近年來，國內外學者主要對寒帶、溫帶、亞熱帶的森林、草地或農田土壤呼吸進行了研究，而關于熱帶森林土壤呼吸的研究卻相對缺乏[10]。西雙版納地貌復雜、熱量豐富、雨量充沛、干濕季分明，螞蟻區系分布最為豐富多樣[11]。本研究選擇西雙版納小果野芭蕉Musaacuminata群落為樣地，原位連續測定土壤呼吸速率的季節動態，分析螞蟻活動引起土壤微生物及理化性質變化及其與土壤呼吸之間的關系，以期為精確評估熱帶雨林碳源匯過程提供基礎數據，有助于探明螞蟻活動對熱帶森林土壤呼吸動態影響的生物學機制。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

研究區位于中國科學院西雙版納熱帶植物園(21°55′N，101°16′E)。該區屬北熱帶季風氣候，年均降水量為1 557 mm，年均氣溫為21.5 ℃。干濕季分明，5—10月為濕季，11月至翌年4月為干季。植物園中，常見的螞蟻群落種類包括賽奇大頭蟻Pheidolesagei、中華大頭蟻Pheidolesinensis、棒刺大頭蟻Pheidolespathifera、卡潑林大頭蟻Pheidolecapellini、寬結大頭蟻Pheidolenoda、橫紋齒猛蟻Odontoponera transversa、爪哇厚結猛蟻Pachycondylajavana、毛發鋪道蟻Teramoriumciliatum[12]。選擇小果野芭蕉森林群落為研究樣地，該樣地海拔為535 m，群落植被以小果野芭蕉為主，此外還有董棕Caryotaurens、勐侖翅子樹Pterospermummenglungense等樹種，蓋度為85%；草本植物主要有刺通草Trevesiapalmata、銀葉砂仁Amomumsericeum等。土壤為磚紅壤，凋落物層厚度為2～4 cm。

1.2 土壤呼吸及理化性質測定

于2017年3、6、9 及12月進行采樣與測定，在樣地中隨機設置3 個50 m×50 m 重復樣地，間隔約200 m。采用誘餌法尋找螞蟻巢穴，發現樣地中螞蟻主要為大頭蟻屬Pheidole，在每個樣地內選取6 個大頭蟻屬蟻巢，寬度為(10.40±2.64) cm，深度為(9.50±1.80) cm，并設置6 個距離巢穴5 m 的非蟻巢地作為對照(共12 個測點)。為了減少測定誤差，土壤呼吸速率采用Li-6400-09 呼吸儀，于8: 00—11: 00 測定，該時段土壤呼吸速率接近全天的平均值，代表性較好[13]。測定前將聚氯乙烯(PVC)圈(直徑為10 cm，基本覆蓋蟻巢)提前24 h 插入測點，每個測點的測量(連續2 次)約在5 min 內完成，故每個樣地的土壤呼吸測量約在1 h 內完成(3 h 完成3 個樣地的測定)。

分別采集0～5、5～10、10～15 cm 共3 層土樣測定土壤性質；土壤溫度(ST)、含水率(SW)、容重(BD)、pH 分別采用便攜式測量儀(SIN-TN8)、烘干稱量法、環刀法和電位法測定；總有機碳(TOC)、易氧化碳(ROC)、微生物生物量碳(MBC)分別采用油浴加熱-重鉻酸鉀容量法、高錳酸鉀氧化法和氯仿熏蒸法測定；全氮(TN)、水解性氮(HN)、銨氮(NH+4-N)、硝氮(NO-3-N)分別采用全自動凱氏定氮儀、堿解擴散法、氧化鎂浸提擴散法和酚二磺酸比色法測定。

1.3 數據分析

數據經整理后用Excel 制表，用SPSS 23.0 與Origin 2021 軟件統計分析。采用指數回歸模型(Rs=aebTs)探究土壤呼吸速率與不同土層溫度的關系，其中Rs為土壤呼吸速率(μmol·m-2·s-1)，a、b、Ts分別為0 ℃時的呼吸速率、指數模型中溫度反應系數、土壤溫度(℃)；Q10(溫度升高10 ℃土壤呼吸速率增加的倍數) 采用指數模型(Q10=e10b) 進行計算。采用Quadratic 模型(Rs=ax2+bx+c) 和Exponential 模型(Rs=aebx)分析土壤呼吸速率與不同土層水分及微生物量碳之間的關系，a、b、c為回歸系數。參考李霽航等[8]、趙吉霞等[14]及趙爽等[15]的方法，分別對不同土層溫度、水分、微生物生物量碳與土壤呼吸做回歸分析，比較其對土壤呼吸變化的解釋程度。采用Pearson 相關分析法分析小果野芭蕉熱帶森林群落的土壤理化性質相關性，主成分分析(PCA)法分析理化指標與土壤呼吸速率變化之間的相互關系。

2 結果與分析

2.1 土壤呼吸速率、溫濕度及微生物量碳的季節動態

圖1結果表明：4 個月蟻巢平均土壤呼吸速率(7.19 μmol·m-2·s-1)顯著高于非巢地(5.24 μmol·m-2·s-1)，螞蟻筑巢增加了37%的土壤呼吸速率。蟻巢地和非蟻巢地的土壤呼吸速率均隨月份呈單峰型變化趨勢，最大值出現在9月(10.64 和7.90 μmol·m-2·s-1)，最小值在12月(4.11 和3.16 μmol·m-2·s-1)，蟻巢地和非蟻巢地9月土壤呼吸速率分別為12月的2.57 倍和2.50 倍。蟻巢地和非蟻巢地土壤呼吸速率僅在6 和9月差異顯著(P＜0.05)。

圖1 螞蟻筑巢對土壤呼吸速率的時間動態影響Figure 1 Effect of ant nesting on the seasonal dynamics of soil respiration rates

蟻巢地和非蟻巢地不同土壤溫度、土壤含水率及微生物生物量碳質量分數均呈現與土壤呼吸速率相似的單峰型季節變化，其中最大值在9月(圖2)。不同月份蟻巢地3 個土層溫度與微生物生物量碳質量分數均顯著高于非蟻巢地(P＜0.05)，3、6、9 和12月蟻巢3 個土層平均溫度增加量分別為8.72%、8.03%、7.76% 和6.22%，而微生物生物量碳則分別提升了130.00%、78.81%、44.87% 和28.36%。除9月外，蟻巢地不同土層含水率顯著低于非蟻巢地(P＜0.05)，3、6 和12月3 個土層平均值分別降低了10.73%、24.74%和12.59%。結果表明螞蟻筑巢影響土壤溫濕度及微生物生物量碳的季節變化。

圖2 螞蟻筑巢對土壤溫濕度及微生物量碳時空變化的影響Figure 2 Effects of ant nesting on spatiotemporal dynamics of temperature,water,and microbial biomass carbon in soils

蟻巢地與非蟻巢地不同月份土壤溫度、土壤含水率及微生物生物量碳質量分數均表現為隨著土層的加深而下降。相較于0～5 cm 土層，10～15 cm 蟻巢地平均土壤溫度、土壤含水率和微生物生物量碳質量分數分別下降了5.53%、13.87%、29.73%，而非蟻巢地10～15 cm 土層平均土壤溫度、土壤含水率和微生物生物量碳質量分數較0～5 cm 土層分別下降了3.10%、14.46%、32.46%。結果表明螞蟻筑巢顯著改變了土壤溫濕度及微生物生物量碳沿土層的垂直分布特征。

2.2 土壤呼吸速率與溫濕度、微生物生物量碳的回歸分析

蟻巢地與非蟻巢地土壤呼吸速率均隨不同土層溫度呈指數增加的變化趨勢(圖3，P＜0.05)。不同土層溫度變化對土壤呼吸速率的解釋率蟻巢地(80.26%～85.22%)均高于非蟻巢地(66.70%～81.09%)；蟻巢地與非蟻巢地不同土層溫度對土壤呼吸速率變化的解釋率從低到高依次為0～5、5～10、10～15 cm。不同土層土壤呼吸速率對溫度的敏感性(Q10) 為蟻巢地(2.22～2.34) 高于非蟻巢地(1.91～1.99)。蟻巢地土壤Q10最大值出現在0～5 cm 土層，而非蟻巢地土壤Q10最大值則在10～15 cm 土層。可見，螞蟻筑巢引起的土層溫度變化對土壤呼吸速率產生了重要影響。

圖3 不同土層溫度和土壤呼吸速率的關系Figure 3 Linkage of soil respiration rate with soil temperature in different soil layers

蟻巢地與非蟻巢地土壤呼吸速率均隨不同土層水分呈二次增加趨勢(表1,P＜0.01)。不同土層水分變化對蟻巢地土壤呼吸速率的解釋率蟻巢地(71.96%～79.01%)均小于非蟻巢地(76.45%～89.28%)。蟻巢地與非蟻巢地不同土層水分對土壤呼吸速率的解釋率均表現為上層土壤低于下層土壤。

表1 不同土層土壤水分(x)和土壤呼吸速率(Rs)的關系Table 1 Linkage of soil respiration rate (Rs) with soil water content (x) in different soil layers

蟻巢地與非蟻巢地土壤呼吸速率均隨不同土層微生物生物量碳質量分數呈指數增加的變化趨勢(圖4，P＜0.01)。不同土層微生物生物量碳質量分數變化對土壤呼吸速率的解釋率表現為蟻巢地(65.23%～74.33%)均高于非蟻巢地(45.93%～62.82%)。蟻巢地與非蟻巢地不同土層微生物生物量碳質量分數對土壤呼吸速率的解釋率從高到低依次為0～5、5～10、10～15 cm。

圖4 不同土層微生物生物量碳和土壤呼吸速率的關系Figure 4 Linkage of soil respiration rate with microbial biomass carbon in different soil layers

2.3 土壤呼吸速率與土壤理化性質的關系

表2結果表明：螞蟻活動顯著影響了土壤理化性質(P＜0.05)。相較于非蟻巢地，蟻巢地土壤總有機碳、易氧化有機碳和微生物生物量碳質量分數分別增加了5.29%、31.98%、27.20%；全氮、水解氮、硝態氮和銨態氮質量分數分別提升了40.00%、39.81%、17.41%、65.95%；土壤pH 上升了19.20%，而容重則降低了27.45%。

表2 螞蟻筑巢對土壤理化性質的影響Table 2 Effects of ant nesting on soil physicochemical properties

圖5結果表明：主成分1 和主成分2 對土壤呼吸的貢獻率分別為56.8%和9.8%，累計解釋了66.6%的數據變異。按箭頭夾角來看，溫度、水分、微生物生物量碳、總有機碳、銨態氮與土壤呼吸速率的夾角較小，說明它們是調控土壤呼吸速率變化的主控因子，全氮、水解氮和易氧化有機碳對土壤呼吸的貢獻率次之，而硝態氮的貢獻最小。另外，容重和pH 與呼吸速率的夾角為鈍角，與土壤呼吸速率呈負相關性且貢獻亦較少。

圖5 蟻巢地與非蟻巢地土壤呼吸速率的主成分分析Figure 5 Principal component analysis of soil respiration rate in ant nest and reference soils

3 討論

3.1 蟻巢地與非蟻巢地土壤呼吸動態比較

本研究顯示：無論是高溫還是低溫季節，蟻巢地土壤呼吸速率均顯著高于非蟻巢地。在高溫季節，螞蟻的筑巢覓食等活動顯著增加，在巢穴富集大量有機物質，促進了微生物的活動，使得土壤呼吸增強。降溫時，蟻巢縮小氣孔導致空氣對流減少，從而穩定巢內溫度，維持了土壤呼吸的穩定[16]。蟻巢地土壤呼吸季節變化最大值出現在9月，也與螞蟻季節性生物活性相吻合。如紅褐林蟻Formicarufa巢穴排放CO2速率在5—9月顯著高于10月至翌年4月，這是因為紅褐林蟻在5—9月的活躍程度更高[17]。因此，螞蟻季節性的活動能夠影響土壤呼吸速率的時間變化。

3.2 蟻巢地土壤溫濕度變化對土壤呼吸的影響

回歸分析與主成分分析結果表明：較高的巢溫對土壤呼吸速率變化具有較大的貢獻。這可能與螞蟻筑巢活動調節巢內溫度有關，螞蟻將土壤有機質微粒搬運至地下建造巢穴具有更強的隔熱作用，有助于保持蟻巢的保溫作用[18]。同時，較高土溫有利于微生物的活動，加速有機物分解過程中的碳排放[19]。土壤溫度處于6～35 ℃范圍內，升高溫度能提升土壤酶與底物的親和力[20]，從而刺激土壤微生物的碳礦化過程。因此，螞蟻筑巢活動導致土壤溫度變化是土壤呼吸升高的一個重要驅動因素。

蟻巢地土壤水分顯著低于非蟻巢地。可能是因為在降雨時，螞蟻會將巢穴入口封閉，從而減少雨水滲入。也可能由于螞蟻巢穴的孔隙度大，土壤持水能力弱，水分快速滲入更深的土層，使得巢穴水分減少[16]。但也有研究表明螞蟻取食活動及生理代謝會增加穴內水分含量[21]。螞蟻的筑巢行為可能導致土壤孔隙度增加，使得雨水更容易滲入螞蟻巢穴中，提高土壤含水率[22]。

蟻巢地土壤水分變化顯著影響土壤呼吸。一般情況下，土壤含水率較低時，水分的增加能夠刺激土壤呼吸速率[23]。土壤含水率過高時，好氧微生物和植物根系因缺氧而導致活性下降，土壤呼吸強度則會降低[24-25]。含水率高的非蟻巢地土壤呼吸速率小于低含水率的巢穴，可能是本研究地降雨豐富，土壤濕潤，水分對土壤呼吸的影響比其他理化因子的影響相對較小。

3.3 蟻巢地土壤微生物量碳質量分數變化對土壤呼吸的影響

蟻巢地土壤微生物量碳質量分數顯著高于非蟻巢地，對土壤呼吸速率的解釋量可達65.23%～74.33%。說明蟻巢地更高的微生物數量對土壤呼吸速率產生了重大影響。這可能是由于螞蟻取食活動在巢穴中積累動植物殘體，代謝活動產生大量分泌物，富集了充足的營養元素，為微生物提供了代謝底物及養分；螞蟻筑巢建穴活動使得巢穴中溫度較高、濕度適宜，為微生物增殖提供了適宜的微環境，使螞蟻巢穴中微生物數量顯著高于非蟻巢地[21]。有研究發現：螞蟻巢穴中較高的有機質和養分含量，使巢穴中細菌和真菌的數量比非巢地土壤高10 倍以上，且促進了巢穴周圍植物根系的生長和代謝活動[26]。螞蟻巢穴較高的氮素養分含量有利于周圍植物根系的生長，同時促使植物根系產生大量分泌物，使得螞蟻巢穴中有機物積累更多，從而使得微生物數量增加[27]。

土壤微生物生物量碳質量分數變化能刺激微生物代謝活動，從而顯著影響土壤呼吸。何甜甜等[28]研究表明：土壤呼吸速率與微生物生物量碳質量分數呈顯著正相關。王澤西等[29]研究發現：對土壤施加氮肥能增加土壤微生物生物量碳質量分數，從而顯著促進土壤微生物的呼吸。于舒等[30]發現在土壤溫濕度適宜時，土壤微生物量碳質量分數的增高能夠加速有機碳礦化過程CO2釋放。因此，螞蟻活動能通過介導土壤微生物數量而調控土壤呼吸過程與動態。

3.4 蟻巢地土壤養分變化對土壤呼吸的影響

巢穴總有機碳、易氧化有機碳、硝態氮及銨態氮等養分質量分數顯著高于非蟻巢地。可能是螞蟻采集植物殘體昆蟲尸體等作為食物帶入巢穴，以及食物殘渣和排泄物質在巢中積累，大量增加了巢穴中土壤的碳氮含量[31]。螞蟻也可以影響巢穴內植物根系的分泌物，使有機物和礦物質顆粒包裹在一起，提高有機質穩定性[16]。螞蟻巢穴內碳氮有機物含量高，促進有機氮礦化速率，進而導致蟻巢土壤大量的硝酸根離子和銨根離子積累，碳氮釋放可能對土壤呼吸速率產生重大影響[32]。有研究認為：土壤高碳氮含量能夠提高土壤酶活性、微生物豐富度及代謝速率，從而促進土壤呼吸[33]。土壤有機碳能為土壤微生物呼吸提供代謝底物，而土壤無機氮則能促進植物根系呼吸，刺激土壤微生物的分解代謝[34]，進而影響土壤呼吸。因此，螞蟻活動能提高土壤碳氮含量，促進土壤呼吸。

3.5 蟻巢地土壤pH 和容重變化對土壤呼吸的影響

土壤呼吸速率與pH 和容重呈現顯著的負相關。這可能是由于螞蟻挖掘土壤、搬運食物等一系列活動顯著降低了土壤容重，增加了土壤通氣性，從而刺激了土壤呼吸速率[35]。魚小軍等[36]發現蟻巢地土壤容重比非蟻巢地低59%。螞蟻建造巢穴時造成土壤顆粒分離，使土壤的孔隙度增大，且螞蟻筑巢時會選擇有利于保持通道穩定的細顆粒，使土壤容重降低[37]。同時，土壤容重的改變會影響土壤透氣性、水分、溫度等因子，進而影響土壤呼吸[21]。有研究表明：螞蟻取食、代謝活動會使得螞蟻巢穴土壤富集有機酸，導致土壤pH 降低[38]。但也有研究表明：螞蟻巢穴內有機物質積累及溫度水分變化，可導致氮磷養分溶解度增加，最終使得土壤pH 偏向中性[31]。微生物在一定的弱酸土壤環境中，代謝活性強，增長迅速，呼吸強度高。因此，螞蟻活動引起土壤容重和pH 改變，可能對土壤呼吸產生間接調控作用。

4 結論

螞蟻活動顯著刺激了土壤呼吸速率，相較于非蟻巢地其增幅高達37%。蟻巢地土壤溫濕度、微生物生物量碳質量分數對土壤呼吸季節變化的解釋率高達65.23%～85.22%。螞蟻筑巢增加土壤溫度、微生物生物量碳、總有機碳、銨態氮、卻降低土壤水分，其變幅為5.29%～65.95%；主成分分析表明它們是調控土壤呼吸變化的主控因子。因此，螞蟻筑巢主要通過影響土壤微氣候(溫濕度)及碳氮養分含量而驅動蟻巢土壤的CO2排放。