亞熱帶不同海拔黃山松林土壤磷組分及微生物特征

曾曉敏,范躍新,林開淼,趙盼盼,袁 萍,周嘉聰,張秋芳,程 蕾,徐建國,陳岳民,*

1 福建師范大學地理研究所, 福州 350007 2 福建師范大學濕潤亞熱帶生態地理過程教育部重點實驗室, 福州 350007 3 福建戴云山國家級自然保護區管理局, 泉州 362500

磷(P)是植物生長必需的養分元素之一,且在土壤中以無機和有機的形態存在[1]。而在不同的時間尺度上各形態土壤磷對植物的有效性存在差異,可劃分為易分解態磷、中等易分解態磷和難分解態磷等組分[2- 3]。其中,易分解態磷和難分解態磷被認為是植物有效磷的源或匯[4]。亞熱帶森林生態系統通常會受到磷限制[5],較難分解態磷可以通過物理化學和生物等過程釋放到土壤溶液中供植物吸收利用[4],因此其他P組分的補充尤為重要[6]。Hedley等[2]連續浸提的化學方法已被廣泛用來測定土壤磷組分,進而了解土壤磷的有效性和動態及其對環境因子的響應[7]。因此,了解亞熱帶地區森林土壤磷組分狀況,有助于表征生態系統的養分供應能力和維持系統的可持續發展。

我國亞熱帶地區山地廣泛分布,海拔梯度變化會導致區域小氣候、土壤性質等發生顯著變化[8],從而影響土壤剖面發育[9]、微生物活性[10]、土壤有機質動態[11]以及養分循環[12]等。已有研究發現海拔梯度顯著影響土壤磷有效性,如意大利中部山毛櫸林土壤有效磷含量隨海拔升高而增加[1],然而在中國建甌市毛竹林中的研究則得到相反的結果[13]。因此,目前對于森林生態系統土壤磷隨海拔梯度變化的規律尚無統一定論,并且對土壤磷組分受海拔梯度的影響缺乏細致深入的研究。此外,Zhou等[14]研究表明,土壤pH、有機質和植物生物量是調控土壤磷組分變化的主要驅動因素,土壤pH值降低和凋落物數量的增加均有利于土壤易分解態磷含量的增加。而De等[1]認為不同海拔土壤磷組分差異主要受磷酸酶活性和微生物群落特征的影響,與磷循環相關的磷酸酶活性和微生物群落數量的增加,能夠促進有機磷的礦化從而增加土壤磷的有效性。Fan等[5]也發現亞熱帶地區土壤磷的固定很強,外生菌根真菌和酸性磷酸酶能夠驅動有機磷的分解以滿足植物對磷的需求,表明在亞熱帶森林土壤中微生物可能扮演著重要的角色。因此,不同海拔土壤磷組分變化的主要驅動機制有待于進一步研究,尤其需要關注微生物對土壤磷組分的驅動作用。

有研究表明,土壤磷組分不僅受到pH、有機質和鐵鋁氧化物等非生物因素的影響,動物、植物等生物因素也起著重要的作用[15]。其中,土壤微生物是磷礦化和固定的重要介質,微生物群落及酶活性均影響土壤磷的數量和質量[3]。亞熱帶地區土壤磷對植物體的供應主要依賴于有機磷的礦化,而細菌以及與植物根系相關的叢枝菌根真菌和外生菌根真菌可以通過分泌有機酸、酚類化合物、質子和酶等來加速土壤有機磷的礦化[5]。此外,土壤磷酸酶活性也會影響磷礦化[3]。并且該地區土壤pH普遍偏低,酸性磷酸單酯酶(ACP)和磷酸雙酯酶(PD)占主導[15],在維持和控制亞熱帶森林土壤磷周轉速率中起著關鍵的作用[16]。雖然,近年來海拔梯度對土壤微生物影響的研究持續增加[8],但山地森林生態系統中土壤磷組分與土壤理化性質、微生物特性之間的關系尚未知曉[3]。

黃山松(PinustaiwanensisHayata)是中國亞熱帶山區重要的生態恢復樹種,也是優良的用材樹種[17]。戴云山山脈是中國最大的黃山松種質基因基地,保存著大陸分布最南端、面積最大(超過6000 hm2)、保存最完好的原生性黃山松林群落[18]。且黃山松分布在海拔1000 m以上[17],具有較好的海拔梯度分布特征,是研究土壤磷組分隨海拔變化的理想場所。了解不同海拔黃山松林土壤磷形態和有效性的空間分布特征,探究海拔對土壤磷組分的影響,闡明磷組分與微生物及其他土壤屬性之間的關系,旨在為維持亞熱帶黃山松林可持續發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地設在福建省德化縣赤水鎮境內的戴云山國家級自然保護區(25°38′07″—25°43′40″ N,118°05′22″—118°20′15″ E),位于南亞熱帶與中亞熱帶的過渡帶,氣候類型為海洋季風氣候。年平均氣溫約15.6—19.5 ℃;年平均降水量1700—2000 mm,主要集中在3—9月;年平均日照時數1875.4 h,無霜期260 d,年平均霧日達220 d[15]。

1.2 試驗設計

在保護區內沿海拔1600 m和1300 m選擇樹齡和立地條件相近的黃山松純林,林下植被相似,林下灌木層優勢樹種以腫節少穗竹(Oligostachyumoedogonatum)為主,伴生有鈍齒冬青(LlexcrenataThunb.)、鹿角杜鵑(Rhododendronlatoucheae)、窄基紅褐柃(Euryarubiginosavar.attenuata)和短尾越桔(Vacciniumcarlesii)等;草本層以里白(Hicriopterisglauca)為主,伴生有德化假衛茅(Microtropisdehuaensis)、藜蘆(Veratrumnigrum)、狗脊蕨(Woodwardiajaponica)和黑莎草(Gahniatristis)等,土壤均為花崗巖發育的黃壤。其中,海拔1600 m黃山松林(25°42′50″ N,118°06′36″ E),平均氣溫15.30℃,林分密度為1514株/hm2,郁閉度為0.50,平均樹高3.66 m,平均胸徑8.24 cm;海拔1300 m黃山松林(25°41′57″ N,118°06′43″ E),平均氣溫17.15℃,林分密度為750株/hm2,郁閉度為0.65,平均樹高10.19 m,平均胸徑17.23 cm。于2017年5月,每個海拔高度設置20 m×20 m的樣地,每個樣地隨機布設5個2 m×2 m樣方,每個樣方按照“S”型設置5個點混合取樣。去除地表凋落物,按土壤的發生層劃分為淋溶層(A層)和淀積層(B層)。將土樣迅速帶回實驗室后,挑出根系和石礫,過2 mm土篩后分為兩部分,一部分4 ℃低溫儲存,測定微生物群落特征和磷酸酶活性;另一部分自然風干,測定土壤化學性質和磷組分。

1.3 測定方法

土壤磷組分采用Hedley連續浸提法[2,20]：取0.5 g過100目土篩的土,逐級加入陰離子樹脂膜、0.5 mol/L NaHCO3、0.1 mol/L NaOH、1 mol/L HCl提取出土壤中穩定性由弱到強的各級土壤磷組分,最后用濃硫酸和高氯酸高溫消煮測定出殘留在土壤中的磷。根據Maranguit等[6]的劃分方法,主要的磷組分包括：⑴易分解態磷(Resin-Pi、NaHCO3-Pi和NaHCO3-Po),即生物容易獲取的磷組分;⑵中等易分解態磷(NaOH-Pi和NaOH-Po), 即比較難溶性的磷組分,與長期磷轉化有關;⑶難分解態磷(HCl-P和Residual-P),難以被植物吸收利用的磷組分,其中HCl-P在本研究中無法測定出來。總磷為6種磷組分含量之和。

土壤微生物群落特征參照Bossio和Scow[21]的方法測定其磷脂脂肪酸含量(PLFAs),即微生物PLFAs。稱取相當于8 g干重的新鮮土壤,試劑氯仿∶甲醇∶磷酸緩沖液體積比為1∶2∶0.8,甲醇∶甲苯為1∶1,氫氧化鉀的濃度為0.2 mol/L,經過浸提、分餾、甲酯化、酯基轉移,以酯化C19:0為內標,用氣相色譜儀(Hewlett-Packard 6890,美國)進行測定。采用MIDI軟件系統分析PLFA各組分含量,單個脂肪酸種類用nmol/g干土表示,每種脂肪酸的濃度基于碳內標19:0的濃度來計算。本研究,土壤總微生物數量以 i14:0、a15:0、i15:0、i16:0、a17:0、i17:0、16:1ω7c、cy17:0、18:1ω7c、cy19:0、16:1ω9c、18:1ω5c、18:1ω9c、18:2ω6c、16:1ω5c、10Me16:0、10Me17:0和10Me18:0加和指示;真菌為18:1ω9c和18:2ω6c加和指示;細菌則是i14:0、a15:0、i15:0、i16:0、a17:0、i17:0、16:1ω7c、cy17:0、18:1ω7c、cy19:0、16:1ω9c、18:1ω5c加和指示;叢枝菌根真菌和外生菌根真菌分別用16:1ω5c和18:2ω6c指示[5]。其中,海拔1600 m處B層土壤中AMF和EMF均因豐度極低而無法測定出數值。

土壤磷酸酶活性參照Saiya-Cork和Tian等[22- 23]的方法提取和培養：取1 g新鮮土壤,酸性磷酸單酯酶(ACP)和磷酸雙酯酶(PD)分別用125 mL 50 mmol/L的醋酸鹽緩沖液(pH=5)和100 mL 50 mmol/L的THAM-硫酸緩沖液(pH=8)提取,用磁力攪拌器攪拌5 min使其均質化,用移液器取200 mL移于96孔微孔板。用傘形酮(MUB)作為標準液標示水解酶活性。ACP和PD的底物分別為4-甲基傘形酮磷酸酯(MUP)和bis- 4-甲基傘形酮磷酸酯(bis-MUP)。微平板置于暗環境下20℃恒溫培養4 h后,用多功能酶標儀(SpectraMax M5,Molecular Devices,美國)測定。

1.4 數據處理

用Excel 2013和SPSS 21.0軟件對數據進行處理。采用獨立樣本T檢驗分析不同海拔土壤理化性質、微生物PLFAs、磷酸酶活性和磷組分含量的差異顯著性。采用Canoco 5.0軟件,以6種土壤磷組分為響應變量,以土壤基本理化性質、微生物PLFAs和磷酸酶活性為解釋變量做冗余分析(RDA);繪圖由Origin 9.1軟件完成。

2 結果與分析

2.1 土壤基本理化性質

表1 不同海拔黃山松林土壤基本理化性質

不同小寫字母表示不同海拔間差異顯著(P< 0.05)。M:含水率, Moisture; SOC:有機碳, Soil organic carbon; TN:總氮, Total nitrogen

2.2 土壤磷組分

與海拔1300 m相比,海拔1600 m處黃山松林土壤總磷含量顯著降低(P< 0.05) (表2)。除A層土壤中的Resin-P外,其他土壤磷組分含量均呈現海拔1600 m < 1300 m的特征。各土壤磷組分中,Resin-P、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po含量及其占總磷的比例較低,其中NaHCO3-Po在易分解態磷組分中占主導;NaOH-Po也是中等易分解態磷的主要組分,在A層土壤中尤為顯著;難分解態磷組分(Residual-P)占總磷比例最高,在海拔1600 m和1300 m處分別約為52.8%和42.0%。

2.3 土壤微生物群落特征和磷酸酶活性

不同海拔黃山松林土壤微生物群落特征具有顯著差異(圖1)。相比海拔1300 m,海拔1600 m處兩個土層的總微生物量(TPLFA)顯著降低(P< 0.05)。此外,海拔1600 m處土壤中細菌(Bacteria)、真菌(Fungi)、叢枝菌根真菌(AMF)和外生菌根真菌(EMF)的PLFAs 含量均顯著低于1300 m處(P< 0.05)。

土壤磷酸酶活性在不同海拔黃山松林間存在顯著差異(圖2)。海拔1600 m處所有土層的酸性磷酸單酯酶(ACP)活性高于海拔1300 m處,其中B層土壤中未達到顯著差異;而與海拔1300 m相比,海拔1600 m處兩個土層中的磷酸雙酯酶(PD)活性均顯著降低(P< 0.05)。

表2 不同海拔黃山松林土壤磷組分 /(mg/kg)

不同小寫字母表示不同海拔間差異顯著(P< 0.05);nd表示無法測定出數值;括號內數值為各磷組分占總磷的比例

圖1 不同海拔黃山松林土壤微生物群落特征 Fig.1 The Characteristics of soil microbial community in Pinus taiwanensis Hayata forests at different altitudes 不同小寫字母表示不同海拔間差異顯著(P < 0.05);AMF:叢枝菌根真菌, Arbuscular mycorrhizal fungi; EMF:外生菌根真菌, Ectomycorrhizal fungi

圖2 不同海拔黃山松林土壤磷酸酶活性Fig.2 Soil phosphatase activity in Pinus taiwanensis Hayata forests at different altitudes不同小寫字母表示不同海拔間差異顯著(P < 0.05)。ACP:酸性磷酸單酯酶, Acid phosphomonoesterase; PD:磷酸雙酯酶, Phosphodiesterase

2.4 土壤磷組分與環境因子的相關性

圖3 不同海拔黃山松林土壤磷組分差異的冗余分析圖 Fig.3 Redundancy analysis (RDA) of soil phosphorus fractions in Pinus taiwanensis Hayata forests at different altitudes

RDA分析顯示,環境因子解釋了土壤磷組分變異的82.3%,第一軸和第二軸分別解釋了變量的71.2%和11.1%(圖3)。其中,土壤SOC作用最明顯,解釋了土壤磷組分變化的66.9% (P=0.002),且與有機磷(NaHCO3-Po和NaOH-Po)呈顯著正相關;此外,ACP與Resin-P,EMF與NaHCO3-Pi等具有顯著的正相關性。

3 討論

3.1 不同海拔黃山松林土壤理化性質的變化

3.2 不同海拔黃山松林土壤磷組分的變化

本研究中,黃山松林土壤磷含量呈現海拔1600 m < 1300 m處的特征(表2),且不同土壤磷組分對海拔梯度的響應程度存在差異。其中,易分解態磷含量在較高海拔地區顯著降低,這與熱帶森林[29]和寒帶苔原[30]生態系統的研究結果相似。一方面是由于在高度風化的酸性土壤中,有機磷是易分解態磷的重要來源[31]。隨著海拔升高溫度下降,有機磷的分解速率隨之減小[14],導致海拔1600 m處土壤磷的有效性降低。另一方面,與海拔1300 m相比,海拔1600 m處黃山松林凋落物輸入的減少,可能導致歸還到土壤中的有效磷含量降低[32]。中等易分解態磷含量及其占總磷的比例均在海拔1600 m處減少,可能主要歸因于微生物礦化作用和凋落物量。由于該磷組分在酸性土壤中主要吸附于鋁和鐵氧化物[2,23]。較高海拔地區細菌、真菌含量下降會導致有機磷的礦化作用減弱,減少了鐵、鋁氧化物吸附所固定的無機磷含量[31]。另外,由于較高海拔地區凋落物量減少,導致土壤保留NaOH-Po組分的能力降低[33],中等易分解態磷含量和比例隨之減少。難分解態磷組分在海拔1600 m處其含量減少但比例增加,可能與土壤風化強度和微生物轉換磷組分的能力有關。有研究表明,該組分較難被植物所直接利用,但可以通過解吸、風化和礦化等過程轉換為有效磷組分[6]。隨海拔升高,溫度下降且植被生長狀況較差,土壤風化程度減弱,難分解態磷含量隨之降低[14]。并且較高海拔地區真菌和菌根真菌含量較低,對磷的礦化能力下降,難分解態磷難以轉化成可以被植物吸收利用的組分[34],故其比例有所增加。上述結果表明,較高海拔黃山松林具有較低的土壤磷有效性和供應能力。

3.3 不同海拔黃山松林土壤微生物群落特征和磷酸酶活性的變化

微生物特性對環境的響應通常會比土壤理化性質更快、更敏感[35],因此常被用作評估土壤質量的指標[36],并且研究土壤微生物群落特征和酶活性有利于了解土壤養分循環過程的變化。本研究中,海拔1600 m處兩個土層的總PLFAs量與細菌、真菌、AMF和EMF的PLFAs 含量均顯著低于1300 m處(圖1)。這與其他研究結果不同,如Chang等[8]在中國臺灣中部毛竹林的研究發現,細菌、真菌、放線菌和AMF豐度均隨海拔升高而增加;而Lin等[37]發現竹林土壤細菌群落豐度隨海拔升高呈駝峰式特征。雖然微生物群落特征對海拔梯度的響應有所不同,但土壤SOC是其主要的影響因子[38]。已有研究表明,土壤微生物總PLFAs量和細菌、真菌PLFAs含量均與SOC含量呈正相關關系[8],土壤養分含量對微生物群落起著重要的作用,并被認為是決定土壤微生物生存、物種組成和代謝的關鍵因素之一[39]。海拔1600 m處SOC含量減少,微生物所需養分受到限制,從而影響微生物PLFAs含量[31]。這表明了微生物群落對較高海拔地區養分受限的響應。

磷酸酶的生成主要是受生物體對磷的需求和底物有效性的影響[40- 41]。本研究中,ACP活性呈現海拔1600 m > 1300 m處的特征(圖2),與已有的研究結果相似[8]。這可能是由于海拔1600 m處受到磷限制更為嚴重,植物為滿足自身對磷的需求,必須分泌出更多的ACP來獲取有效磷[42]。而PD活性在海拔1600 m處顯著降低(圖2),可能主要歸因于底物有效性和微生物活性的差異。一方面,海拔1600 m處土壤SOC和TN含量顯著降低,難以為微生物提供充足的底物從而限制了磷酸酶的合成[43]。另一方面,隨著海拔升高溫度下降,土壤微生物活性也隨之降低,從而導致養分周轉速率的降低[35]。由于PD主要來源于微生物[44],其活性與微生物活性密切相關,故導致PD活性在較高海拔地區降低。此外,ACP和PD活性隨海拔呈現出相反的變化趨勢,進一步表明不同海拔可能是不同的磷酸酶在起著主要作用,如在較高海拔地區以ACP為主,而在較低海拔則是PD。

3.4 土壤有機碳和微生物群落結構及功能對磷組分的影響

圖4 不同海拔黃山松林土壤磷組分差異的概念圖Fig.4 Conceptual diagram of soil phosphorus fractions in Pinus taiwanensis Hayata forests at different altitudes“+”為含量增加; “-”為含量減少

RDA分析表明,SOC是影響土壤磷組分的主要因子,且與有機磷組分(NaHCO3-Po和NaOH-Po)呈顯著正相關(圖3)。有研究表明,SOC積累與土壤磷有效性的增加有關[6]。Hou等[45]指出土壤SOC積累會導致土壤有機磷組分含量及其占總磷的比例增加。而有機磷是有效磷的主要來源[31],故SOC積累能夠提高土壤磷的有效性,突出了SOC在維持亞熱帶生態系統土壤磷有效性方面的潛在重要性。并且,磷酸酶在有機磷礦化的過程中起著關鍵的作用[15]。Zhang等[46]研究表明,增加土壤磷酸酶活性是亞熱帶森林生態系統對磷限制的適應機制。SOC含量的增加也有利于磷酸酶的生成,從而促進土壤有機磷的礦化[1],增加土壤有效磷含量。而在有機磷礦化的過程中,首先是土壤有機雙酯磷組分被PD水解,之后由磷酸單酯酶將單酯有機磷水解為無機磷[47],表明PD在礦化過程可能起著更為重要的作用[15]。此外,EMF也會影響土壤磷組分變化。Fan等[5]對屬于外生樹種的米櫧天然林進行研究發現,EMF在亞熱帶森林土壤磷組分轉換中扮演重要角色。本文中所研究的黃山松也屬于外生樹種[48],EMF能夠與植物根系形成菌根共生體,擴大接觸土壤的表面積[49]。同時,還會分泌低分子量的有機酸,將較難分解的磷組分轉化為更易分解的組分,從而提高土壤磷的有效性[5],表明土壤磷組分受與磷循環有關的微生物過程的影響。

綜上,不同海拔黃山松林土壤磷組分存在顯著差異是土壤理化性質和微生物共同作用的結果(圖4)。較高海拔地區的黃山松林缺乏土壤SOC的積累,導致了有機磷含量和及其占總磷的比例減少,同時也降低了磷酸雙酯酶活性和外生菌根真菌含量,進而抑制了有機磷的礦化,降低了土壤磷的有效性。

4 結論