外來物種刺槐對土壤微生物功能多樣性的影響

張 靜,溫仲明,李鳴雷,朱朵菊,陶 宇,曾鴻文

1 中國科學院大學, 北京 100049 2 中國科學院教育部水土保持與生態環境研究中心, 楊凌 712100 3 西北農林科技大學水土保持研究所, 楊凌 712100 4 西北農林科技大學林學院, 楊凌 712100

土壤微生物是生態系統的重要組成部分,是陸地生態系統養分轉化和循環的主要驅動者,影響土壤有機質的分解、腐化和礦化等過程[1],對養分循環與平衡、土壤改良發揮重要作用。土壤微生物群落組成不僅與地上植物群落組成結構有關,也深受溫度、降雨等環境條件的影響,并且通過對系統生物地球化學循環過程的影響,與地上植物群落形成相互作用的反饋體系[2],對生態系統過程與功能產生重要影響。通常條件下,隨著環境梯度及植物群落結構的變化,微生物群落的結構與功能都會發生相應的變化。

外來物種的引入往往也會引起群落物種結構的變化,進而引起土壤微生物結構與功能的變化。外來物種可通過影響養分利用率及碳儲量減少來促進氮循環,增加土壤氮庫及氮通量[3],從而影響土壤微生物多樣性與活性[4-5]以及植物固氮和釋放氮的數量和質量[6]。大量研究表明,外來物種由于其特殊的性狀特征,會對本地生態系統產生重要影響,如Lee等[6]研究發現外來物種特殊的葉性狀和枯落物性狀會影響土壤氮循環過程,影響本地生態系統土壤微生物的活性,最終影響本地生態系統的功能；Hawkes等[5]研究發現外來物種會改變土壤微生物群落結構,對生態系統過程產生影響。尤其是一些固氮物種[7],其特殊的性狀使他們比鄉土樹種有更強的氮利用策略[8-9],影響氮循環的速率,減少土壤養分保持能力和土壤碳儲量,增加溫室氣體的排放[10],并最終影響到整個系統的結構與功能。

刺槐(Robiniapseudoacacia)作為固氮植物,因其具有特殊的根瘤結構及快速生長等特點,在世界各地廣泛引種栽植。在我國黃土高原地區也有大面積種植,是黃土高原人工造林的主要樹種之一。作為生態系統的重要組成部分,刺槐引種對土壤微生物群落的影響自然也引起眾多學者關注,并開展了較多的研究,如胡嬋娟等[11]比較刺槐林與沙棘(Hippophaerhamnoides)、杏樹(Armeniacavulgaris)人工林下土壤微生物,發現刺槐林下微生物量碳、微生物量氮均高于其他兩種林地,翟輝等[12]比較了刺槐林與檸條(Caraganakorshinskii)、油松(Pinustabulaeformis)等其他植被類型下土壤微生物,發現除檸條林,刺槐林下土壤微生物活性高于其他植被類型；但張海涵等[13]將刺槐與檸條、沙棘等5種造林樹種根際土壤微生物進行研究,發現刺槐林下土壤微生物活性和微生物功能多樣性均低于其他造林樹種,曾全超等[14]比較刺槐林與遼東櫟(Quercuswutaishanica)、油松等天然次生林土壤微生物,發現刺槐林土壤微生物氮庫低于其他天然次生林。從上述研究可見,刺槐對土壤微生物群落結構或功能的影響在認識上存在很大差異,產生這樣差異的原因,可能是這些研究多局限于特定區域,沒有進行較大環境梯度下的比較研究。同時,大量研究表明,土壤微生物群落結構與功能不僅取決于地上植物群落的物種組成,也取決于溫度、降雨等環境條件的變化[15]。與鄉土植物植物群落比較,刺槐對土壤微生物功能多樣性的影響在不同的環境梯度下可能不同,但目前尚未有系統的比較研究。鑒于此,本研究以黃土丘陵區不同植被區(草原區、森林草原區和森林區)為研究區,利用Biolog ECO 微孔板的方法對不同植被區內的人工刺槐群落和鄉土植物群落土壤微生物群落功能多樣性進行研究,以期揭示不同環境梯度下人工刺槐林分土壤微生物群落功能多樣性的變化規律,并通過比較各植被區內人工刺槐群落與鄉土植物群落的土壤微生物功能多樣性,評估外來物種刺槐對土壤微生物功能多樣性影響的表現規律,為在大尺度上了解人工引種刺槐林對土壤生態過程與功能的影響提供依據。

1 研究地區與方法

1.1 研究區概況

選擇延河流域為研究區(36.23°—37.17°N,108.45°—110.28°E),流域屬黃土高原典型丘陵溝壑區,為暖溫帶半濕潤向半干旱過渡區。氣候屬大陸性季風氣候,年平均氣溫8.8 ℃,年平均降水量505.3 mm,無霜期157 d,流域內海拔1142—1411 m。區內土壤為黃綿土,質地均一。從東南到西北,隨降雨量減少,溫度降低,植被分布呈現明顯的地帶性規律,依次為森林區、森林草原區和草原區。森林區內主要分布遼東櫟、側柏(Platycladusorientalis)、山楊(Populusdavidiana)等大中型喬木及黃刺玫(Rosaxanthine)、虎榛子(Ostryopsisdavidiana)等中小型灌木；森林草原帶在坡面上無自然喬木林發育,僅有人工灌叢植被在溝谷和峁頂發育,植被主要為虎榛子、狼牙刺(Sophoraviciifolia)、檸條等灌木及草本以白羊草(Bothriochloaischaemum)、鐵桿蒿(Artemisiasacrorum)為主；典型草原帶以鐵桿蒿、長芒草(Stipabungeana)、大針茅(Stipagrandis)等草本植物群落為主。該區也是黃土高原植被恢復重建的核心區,在不同的植被區都分布有大量的人工刺槐林分,為了解刺槐對土壤微生物結構與功能的影響提供了基礎。

1.2 樣地設置與樣品采集

根據水熱環境梯度變化和植被類型的地帶性差異,在每個植被區內選擇人工刺槐林群落和鄉土植物群落(草原區、森林草原區和森林區)作為研究對象,在每個植被區內至少選擇3個立地環境盡量相近(坡位、坡向等)的20 m×20 m的刺槐林群落樣地及與其一一對應的鄉土植物群落樣地,在各樣地內設置相應大小的植物群落樣方(表1)。在樣地內進行土壤樣品提取：去除表面植物殘體和石頭,呈“S”形選取五個同一深度的土壤樣品,混合均勻為一個樣品。分別選取0—10、10—20 cm兩層土壤樣品,過2 mm篩,裝入無菌樣品袋,用冰盒冷藏帶回實驗室。一部分風干后用于理化性質的測定,另一部分儲存在4℃冰箱,用于土壤微生物群落特征測定。

1.3 環境因子指標及測定

為研究土壤微生物群落多樣性關系隨環境梯度的變化,選擇對土壤微生物有重要影響的氣候和土壤因子。土壤含水率采用烘干法測定；土壤有機質含量使用重鉻酸鉀氧化法；全氮使用全自動凱氏定氮儀(FOSS全自動凱氏定氮儀KJELTEC 2300)測定；全磷含量采用硫酸高氯酸氧化法[16]。分別在每個樣地1.5 m和地下0.5 m處安裝iButton電子紐扣來記錄樣地不同高度下的溫度和濕度。

1.4 土壤微生物功能多樣性的測定

1.5 數據處理

數據分析基于Microsoft Excel 2010,SPSS 18.0以及R 3.3.1進行。采用單因素方差分析和Tukey檢驗比較3個植被區內人工刺槐群落和鄉土植物群落土壤之間的溫度、濕度、理化性質、多樣性指數及碳源利用類型的差異。采用Pearson相關系數分析土壤微生物功能多樣性指數與環境因子的關系。顯著性設為α=0.05。應用主成分分析獲取土壤微生物主要利用碳源類型。應用典范對應分析碳源與環境因子的關系,再使用蒙特卡洛置換來檢驗環境因子與底物碳源之間的顯著性關系[19]。

表1 研究樣地基本情況

表2 不同植被區刺槐與鄉土樹種土壤化學性質

同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

2 結果和分析

2.1 土壤微生物群落代謝活性變化特征

AWCD可以很好地表征微生物群落的整體代謝活動,是土壤微生物活性及群落功能多樣性的重要計算指標。本研究表明,不同植被區刺槐與鄉土植物群落AWCD值變化差異明顯(圖1),在13 d的培養期內,總體上AWCD值隨著培養時間的延長而增加,即土壤微生物活性都隨培養時間延長而提高。在培養初期的第一天內,AWCD值變化不明顯,培養一天之后,AWCD值急劇上升,并隨培養時間的延長,AWCD值逐漸增加,之后趨于平緩。但是相較于表層,深層10—20 cm土壤AWCD值上升更緩慢。

從刺槐植物群落來看,隨著溫度升高、降雨量增加(從草原區到森林區),刺槐群落AWCD值沒有顯著變化,基本保持一致。但與鄉土植物群落比較,不同環境梯度下刺槐植物群落與鄉土植物群落AWCD值差異明顯。在草原區,刺槐植物群落AWCD顯著大于鄉土植物群落AWCD值；在森林草原區,刺槐植物群落AWCD與鄉土植物群落AWCD值差異很小；但是在森林區,刺槐植物群落AWCD卻顯著小于鄉土植物群落AWCD值。相較于表層土壤,深層10—20 cm土壤AWCD值差異均不顯著。總體而言,刺槐可以顯著提高草原區土壤微生物代謝活性,對森林草原區土壤微生物無顯著影響,但在森林區其土壤微生物代謝活性卻顯著低于鄉土植物群落。

圖1 不同植被區刺槐與鄉土植物0—10、10—20 cm土壤微生物AWCD值隨培養時間變化Fig.1 AWCD changes with incubation time under different vegetation zone at 0—10 cm and 10—20 cm

2.2 土壤微生物群落功能多樣性指數分析

根據第4天的AWCD值計算土壤微生物群落的豐富度指數、Shannon-Wiener指數、Simpson指數和McIntosh指數(表3)。結果表明,表層0—10 cm土壤微生物群落的豐富度指數、Shannon-Wiener指數、Simpson指數和McIntosh指數在不同植被區之間存在顯著差異,但在不同物種之間不存在顯著性差異。人工刺槐林土壤微生物群落的豐富度指數、Shannon-Wiener指數、Simpson指數在草原區和森林草原區均大于鄉土植物群落,且在草原區差異顯著,但在森林區卻小于鄉土植物群落,表明刺槐顯著增加草原區土壤微生物常見種的數量,以及顯著提高土壤微生物多樣性,但在森林區效果并不明顯。人工刺槐林土壤微生物群落的McIntosh指數在草原區顯著大于鄉土植物群落,在森林草原區與鄉土植物群落差異不明顯,但是在森林區卻顯著小于鄉土植物群落,表明刺槐顯著提高草原區碳源的利用程度,但在森林區對碳源的利用程度減弱。深層10—20 cm土壤微生物群落功能多樣性指數變化規律基本與表層0—10 cm變化規律一致,但該層土壤微生物群落的Shannon-Wiener指數、Simpson指數和McIntosh指數在不同植被區和物種之間都不存在顯著性差異,且在森林區深層土壤微生物群落中,刺槐林土壤微生物群落McIntosh指數與鄉土植物群落差異不顯著,這可能是由于隨著土層深度增加,土壤容重增大,孔隙度減小,土壤微生物受到枯落物的影響變小,土壤理化性質的差異也變小,導致土壤微生物對碳源利用程度的差距變小。

綜合4種多樣性指數能更客觀地反映土壤微生物功能多樣性變化規律。從刺槐植物群落來看,隨著溫度升高、降雨量增加(從草原區到森林區),刺槐植物群落土壤微生物功能多樣性沒有顯著變化,基本保持一致。但與鄉土植物群落比較,刺槐顯著提高了草原區土壤微生物功能多樣性,卻降低了森林區土壤微生物功能多樣性。

表3 不同植被區刺槐與鄉土植物土壤微生物多樣性指數

同列不同小寫字母表示差異顯著;*表示0.05水平顯著差異,**表示0.01水平顯著差異,***表示0.001水平顯著差異

2.3 土壤微生物群落碳源利用情況分析

刺槐在不同植被區對土壤微生物群落碳源利用產生的影響不同(圖2)。所有研究樣地對碳源的利用比例大致相同,即CH(糖類 Carbohydrates)>AA(氨基酸類 Amino acids)>CA(羧酸類 Carboxylic acids)>PL(多聚物類 Polymers)>AM(胺類 Amine)>MM(多酚類 Polyhenols)。總體而言,糖類和氨基酸類碳源是各樣點土壤微生物利用的主要碳源。

圖2 不同植被區刺槐與鄉土植物土壤微生物碳源利用Fig.2 The carbon source utilization by soil microbial community under different vegetation zonesSL：草原區刺槐，steppe locust；SN：草原區鄉土植物，steppe native species；EL：森林草原區刺槐，forest-steppe locust；EN：森林草原區鄉土植物，forest-steppe native species；FL：森林區刺槐，forest locust；FN：森林區鄉土植物，forest native species

從刺槐植物群落來看,隨著溫度升高、降雨量增加(從草原區到森林區),刺槐植物群落土壤微生物主要利用的碳源類型從草原區的糖類,過渡到森林草原區和森林區的糖類和氨基酸類。對于同一植被區內,草原區刺槐林和鄉土植物群落土壤微生物都主要利用糖類,刺槐林土壤微生物對碳源利用效率明顯高于鄉土植物群落；森林草原區刺槐林和鄉土植物群落土壤微生物都主要利用糖類和氨基酸類,且對碳源的利用效率沒有顯著差異；森林區刺槐林土壤微生物主要利用糖類和氨基酸類,而鄉土植物群落主要利用糖類,且鄉土植物群落對碳源的利用效率明顯高于人工刺槐群落。

2.4 土壤微生物群落碳源利用的主成分分析

利用培養第4天后的單孔光密度值進行主成分分析(PCA),共提取出7個主成分,累計貢獻率達到79.54%。其中,第一主成分(PC1)的方差貢獻率為39.06%,第二主成分(PC2)的方差貢獻率為15.22%。各不同植被區間主成分得分的方差分析表明,以PC1、PC2對各處理作圖,來區分樣品間的微生物群落特征。由圖3可知,PC1得分存在及顯著差異(P=0.004),PC2得分不存在顯著性差異。在PC1得分上,SN和SL、SN和FN之間存在顯著差異,其他各處理之間沒有顯著差異。在PC2得分上,各組之間都不存在顯著差異。

PC1中載荷值大于0.8的碳源中糖類3種,氨基酸類4種,羧酸類1種,胺類2種,主要碳源利用類型為糖類、氨基酸類和羧酸類。PC2載荷值大于0.8的碳源中糖類2種,主要碳源利用類型為糖類。所以,在主成分分離中起主要貢獻作用的是糖類和氨基酸類碳源。

圖3 不同植被區刺槐和鄉土植物土壤微生物碳源利用的主成分分析Fig.3 PCA for carbon source utilization of soil microbial communities under different vegetation zones

2.5 環境因子對土壤微生物群落功能多樣性和碳源利用的影響

對第4天的平均顏色變化率AWCD值、S、H、D、U與環境因子進行相關分析結果如表4所示,土壤微生物群落功能多樣性各指標與土壤全碳、全氮、全磷土壤含水量、地上濕度之間存在正相關關系,與地上溫度、土壤溫度之間存在負相關關系。其中,所有功能多樣性指數與土壤碳、土壤氮、土壤溫度之間的相關性達到顯著水平,除McIntosh指數外的其他4個多樣性指標與地上溫度呈顯著相關,AWCD值和豐富度指數與土壤含水量間相關性顯著。由此可知,土壤全碳、土壤全氮、土壤溫度對土壤微生物群落功能多樣性的影響較大,土壤含水量會影響土壤微生物活性。

表4 土壤微生物多樣性指數與環境因子的相關關系

*,P<0.05； **,P<0.01;AWCD：平均顏色變化率，Average Well-Color Development；H：Shannon-Wiener指數，the Shannon-Wiener index；S：群落豐富度指數，the Richness index；D：Simpson指數，the Simpson index；U：McIntosh指數，the McIntosh index

土壤微生物碳源利用類型與環境因子的典范對應分析(CCA) 結果如圖4所示,糖類碳源和土壤溫度、地上溫度呈正相關關系,多分布在溫度較高,濕度較低的地方,氨基酸類碳源多分布在濕度較高的固氮植物附近,羧酸類碳源和土壤全碳、全氮、全磷呈正相關,多分布在濕度較高的地方,土壤全碳、土壤全氮、土壤全磷在底物分布中的影響較小。草原區的土壤溫度和地上溫度都高于其他植被區,森林區的土壤含水量和地上濕度高于其他植被區。由此可知,土壤含水量及溫濕度對底物碳源利用類型有很大影響。

3 討論與結論

外來植物可以通過直接或間接的途徑改變土壤微生物群落結構,進而影響到整個生態系統的物質循環與能量轉化過程,對生態系統結構與功能產生重要影響。本研究表明,作為外來物種,刺槐在不同環境梯度(植被區)內對土壤微生物群落產生的影響不同：在草原區,刺槐的引入顯著提高了土壤微生物的代謝活性和功能多樣性,在森林草原區,其對土壤微生物代謝活性和功能多樣性也有所提高,但在森林區的影響卻顯著低于鄉土植物群落。刺槐對微生物功能多樣性的影響存在明顯的環境梯度效應。

產生這種環境梯度效應的原因,一方面與不同環境條件下原有的植物群落結構變化有關[20-21],另一方面與不同環境條件下微生境溫度、濕度等環境條件變化有關。從刺槐對環境梯度變化的響應看：隨著溫度的升高、降雨量的增加(從草原區到森林區),刺槐林下土壤微生物活性和功能多樣性變化不顯著,而鄉土植物群落土壤微生物活性和功能多樣性則呈現增加的趨勢。之所以產生這種差異,可能是因為在不同環境梯度下,人工刺槐植物群落結構變化較小,植被類型基本相同,土壤全磷和有機質含量基本一致(表2),其立地土壤微環境一致,導致刺槐林下土壤微生物功能多樣性變化不顯著[22],且刺槐作為一種固氮植物,可以通過根瘤固氮作用,提高土壤有機氮含量[23],改善土壤養分狀況,促進微生物活性,因而刺槐林下土壤微生物功能多樣性在不同環境梯度下變化不顯著。此外,曹楊等[24]研究發現刺槐細根具有垂直分布并向四周伸展特征,這種根系的分布優勢,促使刺槐具有更大的水分吸收空間,較強的水分競爭能力,對土壤水分含量要求降低,對環境梯度變化響應不明顯,因此刺槐林下土壤微生物功能多樣性變化不顯著；而鄉土植物群落的分布則主要受制于溫度降雨梯度變化,隨著溫度升高、降雨量增大,鄉土植物群落結構逐漸豐富,植被類型逐漸向森林植被過渡,林下植物多樣性、物種豐富度和生物量都呈現增加趨勢,土壤養分氮含量也呈現增大趨勢[25],導致土壤微生物功能多樣性呈增大趨勢。也有研究發現鄉土植物地下根系差異較大,根系分泌物和死根提供給土壤微生物的能源物質也不同,導致鄉土植物群落土壤微生物功能多樣性隨環境梯度變化[26]。楊寧等[27]對不同植被恢復階段土壤微生物群落多樣性變化進行研究,發現不同植被類型下土壤微生物活性和功能多樣性的順序為：喬木群落>灌木群落>草本群落,這與我們的研究結果一致。

圖5 不同環境梯度下溫濕度變化Fig.5 The change of temperature and humidity under different environmental gradient

本研究還發現在同一環境梯度內,刺槐與鄉土植物群落土壤微生物代謝活性和功能多樣性存在差異。在草原區和森林草原區內,刺槐林土壤微生物代謝活性和功能多樣性均高于鄉土植物群落。而在森林區內,刺槐林土壤微生物代謝活性和功能多樣性卻低于鄉土植物群落。這可能是因為與鄉土植物群落相比,在草原區和森林草原區,刺槐林群落結構豐富、物種豐富度高,具有較高的葉片養分含量、根養分含量、較大的比葉面積和比根長等性狀特征,從而具有更強的水分養分競爭能力[28],同時凋落物的分解使土壤養分得到更多的補充；且刺槐作為固氮物種,可以通過固氮作用提高土壤有機質含量,加之根系較淺且成擴散狀分布于淺土層,有利于改善表層土壤的結構,同時根系分泌物及根際釋放碳源均可為主要分布于土壤表層的微生物提供更多的營養基質,改善了土壤養分狀況[29-30],因此刺槐林下土壤微生物代謝活性和功能多樣性均高于同一環境梯度內鄉土植物群落。除此之外,刺槐在草原區和森林草原區對林下小氣候(溫度、濕度)的改善也會影響土壤微生物代謝活性和功能多樣性。本研究監測數據表明(圖5),7—9月份刺槐林地上溫度與對照的草地群落和灌木群落雖差異不明顯,但均低于對照鄉土群落,濕度則與對照群落無差別；而刺槐林土壤溫度顯著低于對照的草地群落和灌木群落。且本研究發現土壤微生物代謝活性、功能多樣性和碳源利用類型均受到土壤溫度的影響,此外,土壤微生物碳源利用類型還受到土壤含水量的影響。張乃莉等[31]研究發現林下小氣候的改變會直接影響植物的生長狀況,進而影響土壤微生物活性和多樣性,也會通過改變土壤溫度來直接影響土壤微生物活性和多樣性。Gordon等[32]、Xiang等[33]研究發現增加土壤含水量能提高土壤微生物活性。魯順保等[34]研究發現土壤含水量能夠影響微生物對不同類型碳源利用的選擇。土壤微生物的生長需要適宜的溫濕度范圍,刺槐引入改善草原區和森林草原區溫度狀況,因此刺槐林下土壤微生物生長代謝高于同一環境梯度內鄉土植物群落。在森林區,與鄉土植物群落相比,刺槐群落結構簡單,樹種單一,物種豐富度較低,生物量整體上低于鄉土植物群落,對土壤微生物的影響較小[35],且鄉土植物多為高大喬木,具有龐大根系,根系分泌物和死根給微生物提供了豐富的能源物質,對土壤微生物的影響較大[26],上述這些條件導致刺槐林下土壤微生物代謝活性和功能多樣低于鄉土植物群落。除此之外,刺槐在森林區改善林下小氣候的功能不及鄉土植物群落強。本試驗研究數據表明,7—9月份刺槐林地上和地下溫度與喬木群落雖差異不明顯,但均高于對照的喬木群落,鄉土植物群落林下小氣候更適合土壤微生物的生存,土壤微生物代謝活性和功能多樣性更高。

綜上所述,人工引種刺槐對土壤微生物群落的影響存在明顯的環境梯度效應,同時土壤溫度、土壤含水量對土壤微生物群落結構起到調控作用,在評價刺槐對土壤生態過程與功能的影響時,不同環境梯度所產生的差異必須要考慮,這樣能更好的評價黃土丘陵區刺槐引入對自然植物群落土壤微生物的影響,為黃土丘陵區合理進行植被恢復提供科學依據。