施氮對不同有機(jī)碳水平桉樹林土壤微生物群落碳代謝的影響

蘇 丹, 張 凱, 陳法霖, 李睿達(dá), 鄭 華

中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100085

施氮對不同有機(jī)碳水平桉樹林土壤微生物群落碳代謝的影響

蘇 丹, 張 凱, 陳法霖, 李睿達(dá), 鄭 華*

中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100085

土壤微生物群落碳代謝功能既受土壤氮素水平的影響，也與土壤有機(jī)碳水平密切相關(guān)，但二者如何共同影響土壤微生物群落碳代謝功能的研究尚不多見。以我國南方廣泛種植的桉樹林為對象，采用野外控制實(shí)驗(yàn)比較研究了4種施氮處理(對照：0 kg/hm2，低氮：84.2 kg/hm2，中氮：166.8 kg/hm2，高氮: 333.7 kg/hm2)對有機(jī)碳水平差異顯著的兩桉樹林樣地土壤微生物群落碳代謝功能的影響，結(jié)果表明：(1)兩種有機(jī)碳水平桉樹林土壤微生物群落碳代謝強(qiáng)度和代謝碳源豐富度顯著不同，高有機(jī)碳水平桉樹林土壤微生物群落碳代謝強(qiáng)度和代謝碳源豐富度顯著高于低有機(jī)碳水平桉樹林(P<0.01)；(2)施氮顯著改變了桉樹林土壤微生物群落的碳代謝強(qiáng)度和代謝碳源豐富度(P<0.05)，隨著施氮水平的升高，土壤微生物群落碳代謝強(qiáng)度和代謝碳源豐富度均呈現(xiàn)先增加后降低的變化規(guī)律，但是高、低有機(jī)碳水平桉樹林土壤微生物群落碳代謝強(qiáng)度和代謝碳源豐富度對施氮梯度的響應(yīng)各不相同，高、低有機(jī)碳水平桉樹林的土壤微生物群落碳代謝指標(biāo)分別在中氮、低氮處理中達(dá)到最高值；(3)施氮影響土壤微生物群落代謝的碳源類型主要是碳水化合物類、氨基酸類和羧酸類，土壤微生物生物量是影響土壤微生物碳代謝強(qiáng)度和代謝碳源豐富度的重要因素。由此可知，施氮對土壤微生物碳代謝功能影響，也與土壤本底中有機(jī)碳水平的調(diào)節(jié)有關(guān)，所以在研究土壤微生物群落對施氮等條件的響應(yīng)時(shí)，不能忽略土壤中有機(jī)碳水平。

施氮; 有機(jī)碳; 微生物代謝; BIOLOG

氮素作為土壤微生物基本營養(yǎng)元素，影響土壤微生物的生長[1]。土壤中有效氮量的變化影響土壤微生物對氮的利用，外源氮素的添加可以通過影響土壤中有效氮含量進(jìn)而影響微生物代謝。已有研究認(rèn)為：施氮改善土壤中氮的缺乏，短期能促進(jìn)土壤微生物活性[2-3]。另有研究卻發(fā)現(xiàn)，施氮或者氮沉降抑制了土壤微生物活性[4]，進(jìn)而降低部分有機(jī)物的分解，促進(jìn)碳等元素的儲(chǔ)存[5]。同時(shí)，土壤有機(jī)碳作為土壤肥力的基本指標(biāo)，也直接影響土壤微生物生長，土壤中活性碳為微生物提供能量[6-7]，碳的缺乏同樣會(huì)成為微生物活性限制性因素[8]而作用于土壤中養(yǎng)分循環(huán)。可見，碳氮對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及功能具有重要影響，但已有研究關(guān)注施氮或氮沉降、土壤有機(jī)碳水平單方面影響較多[9-14],很少同時(shí)關(guān)注施氮水平和土壤有機(jī)碳水平對土壤微生物群落的綜合影響。

桉樹人工林是我國南方廣泛種植的經(jīng)濟(jì)速生林，由于桉樹生長快，對養(yǎng)分需求多，而導(dǎo)致桉樹林土壤養(yǎng)分缺乏[15-16]。施加氮肥是維持桉樹林土壤養(yǎng)分平衡的主要措施之一，施氮也會(huì)直接影響土壤微生物群落。與此同時(shí)，桉樹林中土壤有機(jī)碳水平也會(huì)對土壤微生物群落產(chǎn)生影響。本研究以我國南方廣泛種植的按樹林為研究對象，采用野外試驗(yàn)的方法，探究不同土壤有機(jī)碳水平下施氮水平對桉樹林土壤微生物群落碳代謝功能的影響，其目標(biāo)是：揭示施氮水平對桉樹林土壤微生物群落碳代謝功能的影響；明確不同有機(jī)碳水平桉樹林土壤微生物群落碳代謝功能對施氮水平的響應(yīng)是否一致。

1 材料及方法

1.1 研究區(qū)域

本研究野外控制實(shí)驗(yàn)樣地設(shè)置在我國大面積(約20667 hm2)桉樹人工林種植區(qū)的廣西國營東門林場(107°15′ — 108°00′E， 22°17′ — 22°30′ N)，該區(qū)域?qū)儆诘湫偷膩啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年均溫22 ℃左右，年降雨量為1100—1300 mm，主要集中于6—8月。土壤為典型紅壤，pH 值4.0—6.0。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了研究不同有機(jī)碳水平桉樹林土壤微生物群落碳代謝功能對施氮的響應(yīng)特征，本研究從預(yù)實(shí)驗(yàn)的20個(gè)樣地中，選取土壤有機(jī)碳含量差異顯著(P<0.01)的兩個(gè)二代桉樹林樣地(表1)，高有機(jī)碳樣地(HC)：有機(jī)碳含量14.80 g/kg；低土壤有機(jī)碳樣地(LC)：有機(jī)碳含量12.89 g/kg)，開展野外實(shí)驗(yàn)。然后，依據(jù)當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施氮水平，在每個(gè)樣地中進(jìn)行4個(gè)施氮(脲甲醛)處理：對照(CK)0 kg /hm2，低氮(LN)84.2 kg /hm2，中氮(MN)166.8 kg /hm2(當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施氮水平)和高氮(HN)333.7 kg / hm2，每個(gè)處理有3個(gè)重復(fù)，每個(gè)樣地12個(gè)10 m× 10 m的樣方，每個(gè)樣方之間間隔5 m。依照當(dāng)?shù)厥┓史绞綄?shí)施穴施。施氮時(shí)間為2013年5月20日，取樣時(shí)間為2013年8月26日。采集0—20 cm處土壤，儲(chǔ)存在4 ℃冰箱中。并在一周之內(nèi)進(jìn)行指標(biāo)測定。

表1 土壤基本性質(zhì)

1.3 土壤理化性質(zhì)測定

土壤理化性質(zhì)測定參考土壤農(nóng)化分析[17]。土壤總碳，總氮使用元素分析儀測定(Vario EL III，Elementar， Germany)，有機(jī)碳含量用重鉻酸鉀滴定法(LYT 1237—1999)，土壤pH值采用土水比為1∶2.5的方法測定。

1.4 土壤微生物生物量碳測定

土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸法-K2SO4法進(jìn)行測定[18-19]。提取的有機(jī)碳用Liqui TOC II分析儀(Elementar，Germany)測定。

1.5 土壤微生物群落碳代謝功能測定

土壤微生物群落碳代謝功能采用BIOLOG微平板培養(yǎng)法測定：稱取相當(dāng)于10 g干重的鮮土加90 mL無菌的0.85%NaCl溶液，振蕩30 min后，將土壤樣品稀釋至10-3,再用移液器取150 μL懸濁液接種到BIOLOG-ECO板上。并置于25 ℃恒溫箱中培養(yǎng)10 d，每12 h在BIOLOG 微生物自動(dòng)分析系統(tǒng)測定590 nm波長處的光密度值。

孔平均顏色變化率(AWCD)計(jì)算方法[20]

(1)

式中，C為反應(yīng)孔的光密度值，R為對照孔的光密度值。n為ECO板31種碳源。

采用曲線擬合的方法估算碳源代謝強(qiáng)度：

(2)

式中，Vi為i時(shí)刻的AWCD值。

碳源利用豐富度指數(shù)為培養(yǎng)84 h后,C-R>0.25的孔的個(gè)數(shù)。

1.6 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用SPSS16.0軟件分析，使用一般線性模型(GLM)，通過兩因素方差分析說明不同處理間的土壤微生物代謝差異，主成分分析(PCA)方法分析土壤微生物群落碳源利用類型，并采用Excel作圖。

2 結(jié)果

2.1 施氮及不同有機(jī)碳對土壤微生物群落碳代謝強(qiáng)度及代謝碳源豐富度的影響

施氮水平顯著影響土壤微生物群落碳代謝強(qiáng)度(P<0.01)和代謝碳源豐富度(P<0.05)(圖1，圖2)，隨著施氮水平的提高，土壤微生物群落碳代謝強(qiáng)度、代謝碳源豐富度均表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。

土壤有機(jī)碳水平也顯著影響土壤微生物群落碳代謝強(qiáng)度(P<0.01)和代謝碳源豐富度(P<0.01)(圖1，圖2)，高有機(jī)碳水平樣地的土壤微生物群落碳代謝強(qiáng)度、代謝碳源豐富度均顯著高于低有機(jī)碳水平樣地(P<0.01)。

圖1 土壤微生物群落代謝碳源豐富度 Fig.1 Carbon metabolic richness of the soil microbial communities * 表示在P<0.05水平上差異顯著，**表示在P<0.01.水平上差異顯著;不同字母代表各指標(biāo)之間差異顯著; 圖例N代表施氮處理，C為不同有機(jī)碳水平， N× C 代表碳氮之間的交互作用，用以表示處理的顯著與否;CK: 對照0 kg/hm2，LN: 低氮84.2 kg/hm2，MN: 中氮166.8 kg/hm2，HN:高氮 333.7 kg/hm2

圖2 土壤微生物群落碳源代謝強(qiáng)度 Fig.2 Carbon metabolic intensity of the soil microbial communities

施氮水平與土壤有機(jī)碳水平對土壤微生物群落碳代謝強(qiáng)度和代謝碳源豐富度的影響存在顯著的交互作用(P<0.01)(圖1，圖2)，在高有機(jī)碳水平樣地中，中氮水平處理的土壤微生物群落碳代謝強(qiáng)度和代謝碳源豐富度顯著高于其它氮素水平處理(P<0.05)；而在低有機(jī)碳水平樣地中，低氮水平處理的土壤微生物群落碳代謝強(qiáng)度和代謝碳源豐富度高于其它氮素水平處理，但差異不顯著(圖1，圖2)。

2.2 處理?xiàng)l件下土壤微生物群落代謝碳源特征

不同施氮水平和不同土壤有機(jī)碳水平下土壤微生物群落碳源利用特征顯著不同，主成分1(PC1)可以解釋碳源利用50%的變異(圖3)。不同施氮水平處理、不同有機(jī)碳水平處理在PC1上的得分分別在P<0.05、P<0.01水平上差異顯著，且中施氮水平、高有機(jī)碳水平的處理組合在PC1上的得分顯著高于其他處理組合(P<0.05)。

圖3 土壤微生物碳源利用類型主成分分析Fig.3 Principal component analysis of carbon utilization profiles by soil microbial○ LC低有機(jī)碳水平樣地，● HC高有機(jī)碳水平樣地

相關(guān)分析進(jìn)一步表明：21種碳源的吸光值與PC1得分值相關(guān)顯著(P<0.05)，對PC1起到分異作用的碳源類型主要是碳水化合物類、氨基酸類和羧酸類碳源(表2)。

2.3 土壤微生物代謝影響因素

土壤微生物生物量碳分別與土壤微生物群落碳代謝強(qiáng)度、代謝碳源豐富度均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.845(P<0.01)和0.792(P<0.05)(圖4)。可見土壤微生物生物量是影響土壤微生物群落代謝強(qiáng)度和代謝碳源豐富度的重要因素之一。

3 討論

外源氮素可以影響土壤有機(jī)物的組成[21]，改變有機(jī)物在土壤微生物食物鏈中的流通，進(jìn)而影響土壤微生物的代謝活性[22-24]。本研究也發(fā)現(xiàn)施氮水平對土壤微生物群落代謝強(qiáng)度和代謝碳源豐富度有顯著影響，隨著施氮水平的增加，土壤微生物群落代謝強(qiáng)度和代謝碳源豐富度呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(圖1，圖2)，產(chǎn)生這種變化規(guī)律的原因可能是：(1)在氮含量較低的土壤中，產(chǎn)生氮限制，施氮改善有效氮含量，緩解了氮的限制，而促進(jìn)土壤微生物碳代謝功能。Craine等實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)施氮條件下，在低有效氮含量時(shí)，微生物的分解作用增加[25]，而促進(jìn)參與代謝分解的酶的活性增加[26]，本實(shí)驗(yàn)中較低氮的施加處理中表現(xiàn)的結(jié)果可能因?yàn)樯鲜鲈颉?2)當(dāng)施氮含量較高，土壤中有效氮含量較高，反而抑制土壤中微生物活性。Campbell等實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氮的添加改變了土壤中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)[27]，土壤酸堿度[28]進(jìn)而造成部分微生物代謝活性降低[29-31]。 而Mo 等對中國廣東常綠林研究發(fā)現(xiàn)與本實(shí)驗(yàn)相似的結(jié)果，施氮量達(dá)到飽和并沒有顯著影響土壤中微生物對凋落物等的代謝[32]。

表2 與主成分1得分值顯著相關(guān)的碳源

圖4 土壤微生物生物量碳與代謝強(qiáng)度及代謝碳源豐富度相關(guān)分析Fig.4 Relationship of microbial biomass carbon and microbial carbon metabolic ability

不同有機(jī)碳水平桉樹林土壤微生物群落碳代謝強(qiáng)度及代謝碳源豐富度差異顯著(P<0.01)，高有機(jī)碳水平桉樹林土壤微生物群落代謝高于低有機(jī)碳水平桉樹林，這可能與高有機(jī)碳水平桉樹林具有顯著高的土壤微生物生物量密切相關(guān)，本研究表明土壤微生物群落碳代謝強(qiáng)度及代謝碳源豐富度均與土壤微生物生物量碳呈顯著正相關(guān)關(guān)系(圖4)。可能是因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)測定方法測定的活性微生物生物量碳[18,33]，從而與土壤微生物代謝活性表現(xiàn)較為一致；而另一方面微生物量碳是土壤肥力指標(biāo)之一，可以指示土壤活性，即反映了土壤中可利用有機(jī)碳的變化，而土壤中可利用的有機(jī)碳影響土壤微生物活性[6,34]，從而土壤中微生物代謝活性與土壤微生物量變化呈正相關(guān)關(guān)系，這一研究結(jié)果與鄭華等的研究結(jié)果相似[35]。

本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：施氮水平和土壤有機(jī)碳水平對微生物群落碳代謝功能有顯著的交互作用(P<0.01)(圖1，圖2)：在高有機(jī)碳水平、中氮處理上，微生物群落碳代謝強(qiáng)度及代謝碳源豐富度顯著高于其它處理；而在低有機(jī)碳水平土壤中，低氮處理上土壤微生物群落碳代謝強(qiáng)度及代謝碳源豐富度最高，盡管差異不顯著。可見，土壤微生物群落對施氮的響應(yīng)，受到土壤中有機(jī)碳水平的影響，土壤有機(jī)碳含量能調(diào)節(jié)施氮條件下有效氮含量，進(jìn)而促進(jìn)土壤微生物的對氮利用效率[36]。其原因可能是：外源氮素雖然緩解了氮的限制，但是由于低有機(jī)碳水平土壤中有效碳缺乏，微生物生長代謝仍受到碳的限制[7]。而有機(jī)碳高的土壤中，微生物生長對氮的需求也高[37]，因而在本實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出低、高有機(jī)碳水平土壤中，微生物群落碳代謝在分別在低氮，中氮處理上有高峰值。

此外土壤碳氮比是調(diào)節(jié)土壤微生物活性的關(guān)鍵因子之一，一方面土壤中碳氮比變化影響土壤中微生物量碳氮比，從而影響土壤微生物主導(dǎo)群落變化，而影響土壤微生物代謝能力的變化；另一方面土壤碳氮比變化，影響土壤中有機(jī)物的質(zhì)量——有機(jī)物碳氮比，從而影響土壤微生物對底物的分解效率，而影響土壤微生物的代謝功能[38-40]。但是施氮影響土壤中氮素含量進(jìn)而影響土壤中碳氮比，從而影響土壤微生物代謝功能。土壤中當(dāng)土壤中碳氮比較高時(shí)，土壤中氮可能成為土壤微生物生長的制約因素，而氮素添加后，土壤碳氮比增加，可能從一定程度上緩解了氮對土壤微生物的限制[8]，從而影響土壤中微生物活性。表現(xiàn)出碳氮之間相互作用對土壤代謝能力的顯著影響。

本研究表明，施氮水平和土壤有機(jī)碳水平均對土壤微生物群落碳代謝功能產(chǎn)生顯著影響，因此在研究施氮水平對土壤微生物群落代謝功能影響的同時(shí)，不能忽略土壤有機(jī)碳水平對微生物群落代謝功能的影響，只有綜合考慮兩方面的影響，才能充分了解土壤微生物群落在土壤養(yǎng)分周轉(zhuǎn)的作用。本研究借助BIOLOG培養(yǎng)方法研究了施氮水平和土壤有機(jī)碳水平對土壤碳代謝功能的影響，BIOLOG微平板培養(yǎng)方法雖然能快速培養(yǎng)微生物，但是并不能代表生態(tài)系統(tǒng)全部的底物[41-42]，所以具體的影響機(jī)理尚需結(jié)合微生物呼吸及土壤中胞外酶活性等因素的變化闡釋。

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Effects of nitrogen application on carbon metabolism of soil microbial communities in eucalyptus plantations with different levels of soil organic carbon

SU Dan, ZHANG Kai, CHEN Falin, LI Ruida, ZHENG Hua*

StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China

Soil microorganisms are involved in the turnover of soil nitrogen and other soil nutrients.. Nitrogen and carbon, two basic elements utilized by soil microbial communities, directly influence the structure and function of these communities. However, few studies have focused on the combined effects of nitrogen application and soil organic carbon level on soil microbial communities. In this study, we conducted field experiments with four different nitrogen applications (control, CK): 0 kg/hm2; low application nitrogen level, LN：84.2 kg/hm2; middle application nitrogen level, MN: 166.8 kg/hm2; high application nitrogen level, HN: 333.7 kg/hm2) in two Eucalyptus plantation sites with significantly different soil organic carbon levels (low organic carbon site, LC and high organic carbon site, HC) in Guangxi, southern China. We identified the compound effects of nitrogen application level and soil organic carbon level on soil microbial function by using the BIOLOG method. The results showed that (1) carbon metabolism of soil microbial communities responds positively to soil organic carbon levels. Carbon metabolism intensity and richness of soil microbial communities in HC sites were significantly higher than those in LC sites (P< 0.01). (2) Carbon metabolism of soil microbial communities was significantly influenced by the nitrogen application level (P< 0.05). With the increase in nitrogen level, carbon metabolism intensity and richness of soil microbial communities increased gradually and then decreased gradually. However, carbon metabolism intensity and richness of soil microbial communities in Eucalyptus plantations with different soil organic carbon levels had significantly different responses to nitrogen application. The maximum carbon metabolism intensity and richness of soil microbial communities were observed in the HC site with MN application; this was also observed in the LC site with the LN level. The interactive effects of nitrogen application level and soil organic carbon level on soil carbon metabolism is significant (P<0.01). (3) The main metabolized carbon sources of soil microbial communities, which differentiated the responses of soil microbial carbon function according to nitrogen application level, were carbohydrates, amino acids, and carboxylic acids. Carbon in the soil microbial biomass was positively correlated with carbon metabolism intensity and richness index of soil microbial communities. Our results suggest that not only nitrogen levels but also soil organic carbon levels influence soil microorganism carbon source utilization, and soil organic carbon level cannot be neglected in analyzing the effects of nitrogen application level on soil microorganism community metabolism.

nitrogen application level; soil organic carbon level; soil microbial carbon metabolism; BIOLOG

國家自然科學(xué)基金(31170425); 中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目(KZCX2-EW-QN406)

2014-01-12;

日期:2014-11-19

10.5846/stxb201401120084

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhenghua@rcees.ac.cn

蘇丹, 張凱, 陳法霖, 李睿達(dá), 鄭華.施氮對不同有機(jī)碳水平桉樹林土壤微生物群落碳代謝的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(18):5940-5947.

Su D, Zhang K, Chen F L, Li R D, Zheng H.Effects of nitrogen application on carbon metabolism of soil microbial communities in eucalyptus plantations with different levels of soil organic carbon .Acta Ecologica Sinica,2015,35(18):5940-5947.