模擬氮沉降對華西雨屏區天然常綠闊葉林凋落葉分解過程微生物生物量的影響

魏圣釗,趙 倩,廖泯權,周世興,何 聰,王 雷,黃從德

四川農業大學林學院, 成都 611130

氮沉降的增加使許多陸地生態系統氮飽和,改變了森林生態系統的結構和功能,產生了嚴重的危害,甚至導致歐美一些區域森林衰退[1]。目前,中國已成為僅次于歐洲和北美的全球第三大氮沉降區[2]。氮沉降作為最為重要的全球變化問題之一,正在改變著人類賴以生存的環境[3]。

微生物生物量既可以代表參與物質循環和能量流動等過程中的微生物數量和活性,又在森林生態系統有機質和養分循環中具有重要的地位[4- 5]。在全球氮沉降背景下,大氣氮沉降增加可能通過對微生物的影響而深刻地影響著森林生態系統的物質循環和能量轉換過程,進而影響生態系統的穩定[6]。因此,氮沉降對微生物生物量的影響引起了國內外生態學家的廣泛關注。研究表明,氮沉降對森林土壤微生物的影響有抑制、促進和無影響三種結果[4]。Van Diepen等[7]研究發現,美國北部硬闊林在12 a氮沉降后,土壤微生物總量下降了24%。周嘉聰等[6]研究發現,低氮沉降增加了中亞熱帶米櫧天然林土壤微生物生物量。而王暉等[8]在鼎湖山自然保護區3種森林生態系統中進行的氮沉降實驗發現,氮沉降增加并沒有對土壤微生物生物量碳產生顯著影響。可見,已有的研究更關注氮沉降對土壤微生物生物量的影響。而凋落物分解過程中微生物生物量作為反映凋落物分解過程最為關鍵的指標之一,相關研究還十分缺乏,這不利于深入理解氮沉降對凋落物分解影響的內在機制。

華西雨屏區作為我國西部地區陰冷潮濕的罕見氣候地理單元,是一個大尺度、復合性的生態過渡帶[9]。區域內分布的亞熱帶天然常綠闊葉林,林分結構復雜、多樣性高,是我國西部生態屏障的重要組成部分[10]。該地區降水量豐富,成都平原工農業產生的NOX受其特殊氣候和地形的影響而隨雨水大量沉降于該區。2010年華西雨屏區年總N沉降量為9.5 g N m-2,氮沉降量水平較高,且有逐年增加的趨勢[11],使其成為研究氮沉降的理想實驗室。基于此,本實驗在華西雨屏區天然常綠闊葉林內,采用凋落葉分解袋法,研究了模擬氮沉降對凋落葉分解過程中微生物生物量的影響,為揭示氮沉降對凋落物分解的影響機制提供基礎數據。本研究主要回答以下問題：(1)模擬氮沉降對華西雨屏區常綠闊葉林凋落葉分解過程中微生物生物量有何影響？(2)模擬氮沉降對華西雨屏區常綠闊葉林凋落葉分解過程中微生物生物量比有何影響？

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區域概況

研究區域位于四川省雅安市碧峰峽風景區(102°59′E,30°04′N),屬亞熱帶季風型氣候。年均氣溫為16.2℃,最冷月1月,最熱月7月。日照長度為1039.6 h,年降水量約1770 mm。實驗區內植物豐富,群落復雜。主要樹種有木荷(Schimasuperba)、總狀山礬(Symplocosbotryantha)、硬斗石櫟(Lithocarpushancei)、海桐(Pittosporumtobira)、潤楠(Machiluspingii)和肉桂(Cinnamomumcassia)等。土壤類型為黃壤,厚度大于60 cm,立地條件基本一致[12]。

1.2 研究方法

1.2.1 標準地的設置及氮沉降處理

2016年1月,在碧峰峽景區典型的天然常綠闊葉林內建立12個5 m×5 m的樣方并編號,樣方間設>5 m的緩沖帶,樣方四周用PVC板材圍起。實驗設置對照(CK, 0 g N m-2a-1)、低氮(LN, 5 g N m-2a-1)、中氮(MN, 15 g N m-2a-1)和高氮沉降(HN, 30 g N m-2a-1)4個處理,每個處理3個重復。將年增氮量平均24等分,從2016年3月中旬起,每15 d用NH4NO3模擬氮沉降。將NH4NO3溶于2 L水,用噴霧器均勻噴灑至相應樣地,對照樣方則噴施2 L水。

1.2.2 凋落葉的收集

2016年2月,在天然闊葉林中收集主要樹種的凋落葉,并帶回實驗室自然風干,在風干過程后將凋落葉充分混勻,保證凋落物組成比例一致。稱取15.0 g自然風干的凋落葉,裝入大小為20 cm×20 cm,孔徑為3 mm的尼龍網袋中。于2016年3月中旬,去除樣地表面凋落物層,在每個樣方之中均勻放置18袋。隨后每隔2個月在每個樣方中隨機采集凋落袋3袋,除去樣品中的泥土和異物后,裝入已滅菌的封口聚乙烯袋于4℃保存,以備測定微生物生物量。

1.2.3 測定方法

凋落葉分解過程中的微生物生物量碳和氮采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法制取待測液。分別采用K2Cr2O7氧化-FeSO4滴定法和半微量凱氏定氮法測定MBC和MBN含量。MBC和MBN的轉換系數分別為EC(0.45)[13]和EN(0.45)[14]。微生物生物量磷采用氯仿熏蒸-NaHCO3浸提法制取待測液。采用鉬銻抗比色法測定MBP含量。MBP的轉換系數為EP(0.5)[15]。以凋落物每單位干重的含量表示分析結果。

1.2.4 數據分析與處理

使用Origin 9.3軟件制圖,SPSS 20.0統計分析。用單因素方差分析法(one-way ANOVA)比較各個采樣時間時凋落物中微生物生物量在各處理間的差異性,重復測量方差分析法(Repeated-measures ANOVA)比較整個試驗期間微生物生物量的差異性,差異性水平設置為α=0.05。

2 結果與分析

2.1 模擬氮沉降對凋落葉分解過程中微生物生物量碳的影響

圖1 不同施氮處理下凋落葉分解過程中的MBC動態 Fig.1 Dynamic of microbial biomass C during the decomposition of litters of different N treatmentCK：對照 control;LN：低氮沉降 low nitrogen deposition;MN：中氮沉降 medium nitrogen deposition;HN：高氮沉降 high nitrogen deposition;圖中不同的字母代表不同施氮處理間存在顯著差異

由圖1可知,凋落葉分解過程中的MBC在分解120 d時最高,在分解300 d時最低。與CK相比,LN處理的MBC在凋落葉分解過程中總體上表現為顯著增加;MN處理的MBC在分解180 d前顯著增加,分解240 d后顯著降低;HN處理的MBC在分解過程中顯著降低。重復測量方差分析表明(表1),LN和MN處理顯著增加了凋落葉分解過程中MBC,以LN增加幅度最高;HN處理顯著降低了分解過程中MBC。

2.2 模擬氮沉降對凋落葉分解過程中微生物生物量氮的影響

由圖2可知,凋落葉分解過程中的MBN與MBC具有相同的變化趨勢,表現為分解120 d最高,分解300 d最低。與CK相比,LN處理的MBN在凋落葉分解過程中總體上表現為顯著增加;MN處理的MBN在分解180 d前顯著增加,分解240 d后顯著降低;HN處理的MBN在分解過程中顯著降低。重復測量方差分析表明(表1),LN和MN處理顯著增加了凋落葉分解過程中MBN,以LN增加幅度最高;HN處理顯著降低分解過程中MBN。

表1 施氮處理對凋落葉分解過程中微生物生物量影響的重復測量方差分析(Repeated-measures ANOVA)

MBC：微生物生物量碳 microbial biomass carbon;MBN：微生物生物量氮 microbial biomass nitrogen;MBP：微生物生物量磷 microbial biomass phosphorus;MBC/N：微生物生物量碳氮比microbial biomass C/N;MBC/P：微生物生物量碳磷比 microbial biomass C/P;CK：對照 control;LN：低氮沉降 low nitrogen deposition;MN：中氮沉降 medium nitrogen deposition;HN：高氮沉降 high nitrogen deposition;表中數值為平均值±標準誤,同列數據不同的字母代表不同施氮處理間存在顯著差異

圖2 不同施氮處理下凋落葉分解過程中MBN動態 Fig.2 Dynamic of microbial biomass N during the decomposition of litters of different N treatment

圖3 不同施氮處理下凋落葉分解過程中MBP動態 Fig.3 Dynamic of microbial biomass P during the decomposition of litters of different N treatment

2.3 模擬氮沉降對凋落葉分解過程中微生物生物量磷的影響

由圖3可知,凋落葉分解過程中的MBP具有明顯的變化趨勢,但與MBC和MBN的變化趨勢并不一致,表現為分解60 d最高,分解300 d最低。與CK相比,LN處理的MBP在凋落葉分解120 d前顯著增加,分解300 d后顯著降低;MN處理的MBP分解120 d前增加,分解180 d后顯著降低;HN處理的MBP在分解過程中顯著降低。重復測量方差分析表明(表1),LN和MN處理對凋落葉分解過程中MBP影響不顯著;而HN處理顯著降低了分解過程中MBP。

2.4 模擬氮沉降對凋落葉分解過程中微生物生物量比的影響

由表2可知,模擬氮沉降總體上降低了微生物生物量碳氮比(MBC/N),且隨著N沉降量的遞增,下降幅度增大。重復測量方差分析表明(表1),LN、MN和HN處理都顯著降低了分解過程中MBC/N。

由表3可知,LN處理的微生物生物量碳磷比(MBC/P)在凋落葉分解過程中總體上增加;MN處理的MBC/P在分解過程中未表現出明顯的變化趨勢;HN處理的MBC/P在凋落葉分解過程中總體上表現為顯著降低。重復測量方差分析表明(表1),LN處理顯著增加了凋落葉分解過程中MBC/P;MN和HN處理顯著降低分解過程中MBC/P,以HN降低幅度最高。

表2 不同施氮處理下凋落葉分解過程中微生物生物量碳氮比動態

表3 不同施氮處理下凋落葉分解過程中微生物生物量碳磷比動態

3 討論

有研究表明,氮沉降對森林生態系統的影響可能存在著“閾值效應”[27]。在氮沉降對植物生長和土壤動物等的影響研究中已發現了這一現象。如Aber等[28]研究表明,少量的氮素輸入對溫帶森林生態系統存在利好作用,但過量的氮素輸入會降低林木生長量,甚至導致森林退化。青藏高原高寒草甸區的研究表明,地上生物量飽和閾值的氮劑量約為56.0 g N m-2a-1,氮添加劑量超過該閾值后,群落生物量呈降低趨勢[29]。徐國良等[30]研究表明低氮處理對3種林型的土壤動物類群生物量有利,而中氮處理會導致動物類群生物量降低。本研究表明,低氮和中氮處理顯著增加MBC和MBN,以低氮處理增加幅度最高;高氮處理顯著降低MBC和MBN。這說明模擬氮沉降對凋落葉分解過程中微生物生物量的影響也可能存在著“閾值效應”。這是因為一定限度內的氮沉降促進微生物生物量,但隨著外源氮的持續添加,達到系統的“氮飽和”水平后,促進作用逐漸減弱,過量輸入后甚至轉變成抑制作用。但這一推斷還有待于進一步的研究。

本研究還表明,MBC和MBN在分解120 d時最高,這一方面可能是因為分解120 d時處于夏季,溫暖濕潤的環境更適于微生物生長繁殖,另一方面可能是因為溫暖濕潤的環境更利于凋落物易分解物質的大量分解[31],此時微生物底物有效性較高,更有利于微生物生物量的增加。而MBP在分解60 d時最高,可能是因為MBP周轉速度比MBC和MBN更快,微生物對環境的敏感性體現在MBP的迅速增加上[32-33]。MBC、MBN和MBP在分解300 d時最低。這是因為分解300 d時寒冷少雨,過低的溫度和濕度直接抑制了微生物活性,導致微生物生物量顯著下降。曹成有等[34]也發現,科爾沁沙地土壤MBC和MBN夏季高秋冬季低,而MBP春季高秋冬季低。川西亞高山的研究也發現,高山凋落物分解過程中MBC和MBN生長季節最高,凍結期最低[35]。這與本研究的研究結果基本一致。

已有研究發現,MBC/N能在一定程度上反映真菌和細菌的比例[36]。本研究中,模擬氮沉降總體上降低了MBC/N,且隨著模擬氮沉降量的遞增,MBC/N下降越多。這表明隨著模擬氮沉降量的增加,微生物的優勢種群向以細菌為主導的結構轉變。Frey等[37]的研究發現,氮沉降抑制了細菌的生長,但不如真菌明顯,從而降低了土壤環境中真菌與細菌生物量比值。這是因為真菌在限制因素是氮的環境中優勢明顯,隨著可利用氮增加,真菌會逐漸淪為衰退種[38]。

MBC/P作為衡量微生物生物量磷有效性的重要指標,MBC/P較大時,表現出微生物量磷的生物固持潛力;MBC/P較小時,微生物在周轉過程中通過微生物礦化和轉化具有較大的釋放磷的潛力[39-40]。本研究中,低氮處理的MBC/P顯著增加,高氮處理的MBC/P顯著降低。這說明一定量的氮沉降會使微生物同化更多的磷,而過量的氮沉降則會使其更傾向于釋放磷。

綜上所述,低氮和中氮處理顯著增加了凋落葉分解過程中的MBC和MBN,對分解過程中的MBP影響不顯著;高氮處理顯著降低MBC、MBN和MBP。可見,氮沉降影響了凋落葉分解過程中微生物生物量,進而改變凋落葉的分解過程。但由于氮沉降過程的漫長而復雜,其對凋落物分解的影響具有長期性和綜合性,因此在今后的研究中應進行長期定位研究,同時結合其他環境因子綜合分析其對凋落物分解中微生物生物量的影響,進一步探索氮沉降對凋落物分解的影響機理。