螞蟻筑巢對西雙版納熱帶森林土壤有機氮礦化的影響

左倩倩,王邵軍,王 平,曹乾斌,趙 爽,楊 波

西南林業大學生態與環境學院,昆明 650224

土壤有機氮礦化是調控森林土壤養分循環的一個重要生物生態學過程。土壤有機氮約占土壤總氮量的96%左右[1],但有機氮須經氮礦化將土壤有機氮轉化為無機氮后才可被植物吸收與利用[2]。土壤有機氮礦化過程中,土壤動物與微生物共同作用將土壤有機氮轉變為NH4-N及NO3-N,并可能促進土壤硝化與反硝化過程的N2O排放。土壤有機氮礦化受土壤動物和微生物、氣候及土壤理化性質等因素的影響[2,3]。因此,土壤有機氮礦化作為表征土壤供氮能力的主要指標[3],在一定程度上反映森林土壤質量狀況,并能對森林生態系統的結構、功能及全球氣候變化緩解等方面起著重要調控作用。

螞蟻作為重要的大型節肢土壤動物之一,能夠影響土壤有機氮礦化的微生物過程及動態,進而調控森林生態系統的養分循環及能量流動[4]。螞蟻通過破碎、混合、搬運等筑巢定居活動影響土壤物理性質(溫度、水分及孔隙度等)、土壤化學性質(pH及C、N等養分),并改變土壤微生物群落的結構和多樣性,進而促進土壤有機氮的分解與礦化[5]。特別是螞蟻筑巢活動通過促進微生物生長把難以分解的有機氮轉化為可被植物吸收、利用的無機氮[6],影響土壤有機氮礦化速率的時間動態,從而間接影響森林群落結構、多樣性及演替[7]。

目前,國內外學者關于土壤動物對土壤有機氮礦化影響的研究相對較少,尤其缺乏螞蟻筑巢定居對熱帶森林土壤有機氮礦化速率時間動態影響的研究。西雙版納作為我國大陸熱帶雨林集中分布的重要地區,其地貌復雜、小氣候多樣,是我國螞蟻多樣性最豐富的區域[8]。熱帶森林復雜多樣的螞蟻類型及生命活動,顯著改變土壤微生物及理化性質,進而影響土壤有機氮礦化速率的時間動態。本研究選擇處于演替前期的白背桐群落為研究對象,比較蟻巢與非蟻巢土壤有機N礦化速率的時間動態,并分析螞蟻活動引起土壤無機N庫、微生物生物量及基本化學性質的改變對有機N礦化速率的影響,對于深入理解熱帶森林土壤N循環調控機制及其在全球氣候變化中的地位與作用具有十分重要的科學意義。

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)。西雙版納具有典型的季風氣候,從11月到次年4月屬干季。年平均降水量約為1557 mm,濕季(5月至10月)降水量約占總降水的87%。年平均氣溫為21.5 ℃。特別是旱季從午夜到中午均有大霧,這使得旱季的大部分時間里均能保持一定的土壤濕度。因此,西雙版納廣泛分布著熱帶雨林和季雨林,藤本植物非常發達。

然而,近幾十年來由于刀耕火種等農業活動導致熱帶森林大面積破壞,形成一系列處于不同恢復階段的次生熱帶森林群落階段。因此,本研究在中國科學院西雙版納熱帶植物園研究區內,選擇處于演替前期(約12年)的白背桐(Mallotuspaniculatus)群落作為研究樣地。樣地海拔約600 m,凋落物層厚大約1—2 cm,植被蓋度60%左右,土壤屬于磚紅壤。樣地主要樹種有:白背桐(M.paniculatus)、野生風輪草(Clinopodiumchinensis)、豐花草(Borreriastricta)、粉被金合歡(Acaciapruinescens)、椴葉山麻稈(Alchorneatiliifolia)等。

1.2 土壤取樣及基本性質測定

隨機選擇3個白背桐群落樣地(40 m×40 m,間隔大于200 m)。于2019年3、6、9、12月,每個樣地中隨機選擇3個蟻巢與3個非蟻巢樣方(相距5 m),采用誘餌法[5]確定蟻巢位置。按照2個土層(0—5 cm、5—10 cm)分別采集蟻巢與非蟻巢土樣,每個樣方同一土層土壤均勻混合,用四分法取1 kg左右土樣。裝入自封袋,做好標簽,立即放入加冰的冷藏箱中,帶回實驗室儲藏在4℃冰箱直至分析。土壤性質按Wang等方法測定[5],微生物生物量碳采用氯仿水浴法測定；銨態氮與硝態氮采用1 mol/L KCl浸提,濾液用連續流動分析儀測定(BRAN+LUEBBE-AA3,德國)[9]；全氮采用高氯酸硫酸消煮,連續流動分析儀測定；水解氮采用堿解擴散法測定；pH電位法測定；易氧化有機碳采用高錳酸鉀氧化法測定；有機質采用油浴加熱-重鉻酸鉀氧化法測定。基本土壤性質見表1。

表1 供試土壤的基本性質Table 1 Basic edaphic properties of the sampled soils

1.3 土壤有機氮礦化速率測定

土壤有機氮礦化采用室內需氧培養法進行測定[10-12]。分別把蟻巢與非蟻巢土壤按照0—5 cm、5—10 cm分層混勻后,稱取100 g風干土樣(過2 mm篩)裝于500 mL培養瓶,用去離子水調節土壤含水量至田間持水量的40%,在25 ℃下預培養7 d,以激活土壤微生物。預培養結束后,土壤含水量調節至田間持水量的60%,測定土壤NH4-N、NO3-N的含量作為初始量,剩余土壤培養瓶用網紗布封口,保持通氣狀態,在25 ℃恒溫培養箱培養15 d,每個處理3個重復,在第3、6、9、12、15天用重量法調節含水量,補償培養期間損失的水分,培養結束后測定NH4-N、NO3-N的含量。本文只研究整體平均礦化速率,土壤有機氮礦化速率=[(土壤培養后的NH4-N+NO3-N)-(土壤初始NH4-N+NO3-N)]/培養天數。

1.4 數據處理

實驗數據經整理后用Excel制成表格。用兩因素方差分析(Two-way ANOVAs)研究不同月份、不同處理及其交互作用對土壤有機氮礦化速率的影響,用SPSS 23.0進行數據統計分析,方差分析前數據檢驗正態性和方差齊性,采用LSD法進行比較不同數據間的差異性(把顯著性水平設為0.05),分析土壤有機氮礦化速率與土壤指標之間的關系采用主成分分析(PCA)。

2 結果與分析

對西雙版納白背桐熱帶森林土壤有機氮礦化速率(4個月2個土層均值)測定可知(圖1),蟻巢土壤有機氮礦化速率(1.01 mg kg-1d-1)顯著高于非蟻巢(0.28 mg kg-1d-1)(P<0.05),與非蟻巢相比,蟻巢土壤有機氮礦化速率提高了260.71%,表明螞蟻筑巢活動顯著提高土壤有機氮礦化速率。

圖1 蟻巢和非蟻巢土壤有機氮礦化速率的時間動態 Fig.1 Temporal dynamics of soil organic nitrogen mineralization rate in ant nests and the reference soils 不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

土壤有機氮礦化速率隨月份推移呈明顯的“單峰型”變化趨勢。蟻巢(1.22 mg kg-1d-1)和非蟻巢(0.41 mg kg-1d-1)土壤有機氮礦化速率均在6月份達到峰值；12月份達到最低值,其中蟻巢與非蟻巢氮礦化速率分別為0.82、0.18 mg kg-1d-1(圖1)。蟻巢土壤有機氮礦化速率在不同月份差異顯著(P<0.05),而非蟻巢土壤有機氮礦化速率3月份(0.22 mg kg-1d-1)和12月份之間(0.18 mg kg-1d-1)未達到顯著差異(P>0.05),其它月份土壤有機氮礦化速率均達到顯著差異(P<0.05)。兩因素方差分析表明(表2),不同月份及不同處理對土壤有機氮礦化速率產生顯著影響(P<0.05),且兩者之間存在明顯的交互作用(P<0.05)。

2.2 蟻巢和非蟻巢土壤無機氮庫含量的時間動態

白背桐群落蟻巢與非蟻巢土壤培養前后NH4-N含量的變化如圖2所示,非蟻巢土壤NH4-N含量均顯著低于蟻巢(P<0.05),這表明螞蟻筑巢顯著提高土壤NH4-N含量。蟻巢與非蟻巢土壤NH4-N含量培養前后均呈現出明顯的單峰變化,6月最高,12月最低。其中蟻巢土壤培養前后NH4-N含量在3月和12月均差異不顯著(P>0.05),而非蟻巢土壤培養前NH4-N含量則在9月和3月差異不顯著(P>0.05),其它月份之間均具有顯著差異(P<0.05)。同時,蟻巢與非蟻巢土壤經培養后NH4-N含量均顯著增加,但蟻巢土壤NH4-N的增加量顯著高于非蟻巢。兩因素方差分析表明(表2),土壤NH4-N受月份、處理及兩者交互作用的顯著影響(P<0.05)。

圖2 蟻巢和非蟻巢土壤無機氮含量的時間動態Fig.2 Temporal dynamics of soil inorganic carbon concentrations in ant nests and the reference soils 不同小寫字母表示土壤培養前差異顯著(P<0.05),不同大寫字母表示土壤培養后差異顯著(P<0.05)

蟻巢和非蟻巢土壤培養前后NO3-N含量均表現為蟻巢大于非蟻巢(圖2)。蟻巢與非蟻巢土壤培養前后NO3-N含量隨月份變化呈現與NH4-N含量相同的變化趨勢,即6月>9月>3月>12月。蟻巢與非蟻巢土壤培養前NO3-N含量均在6月和9月未達到顯著差異(P>0.05),而蟻巢土壤培養后NO3-N含量在3月和9月差異不顯著(P>0.05)。蟻巢和非蟻巢土壤培養結束后,NO3-N含量均顯著增加,非蟻巢增加量明顯低于蟻巢。兩因素方差分析表明(表2),處理及月份均對土壤NO3-N產生顯著影響(P<0.05),但兩者交互作用對土壤NO3-N未產生顯著影響(P>0.05)。

表2 不同處理(蟻巢與非蟻巢)、月份及它們的相互作用對有機氮礦化速率影響的方差分析Table 2 ANOVA analyses on the effects of treatment (ant nests VS reference),month,and their interactions on soil organic nitrogen mineralization rate

2.3 土壤有機氮礦化速率與無機氮之間的相互關系

采用指數、線性及多項式對土壤無機氮(NH4-N、NO3-N)與土壤有機氮礦化速率進行回歸分析,選擇擬合度最好的多項式描述分析(圖3),結果表明,土壤NH4-N、NO3-N均對土壤有機氮礦化速率產生顯著影響,土壤有機氮礦化速率隨NH4-N、NO3-N含量的增加呈遞增趨勢(圖3),但土壤NH4-N、NO3-N對土壤有機氮礦化速率的貢獻率不同,表現為土壤NH4-N的貢獻率(87.89%)高于土壤NO3-N的貢獻率(61.84%)。

圖3 土壤無機氮庫和有機氮礦化速率的關系Fig.3 Relationship between soil inorganic nitrogen pool and organic nitrogen mineralization rate

2.4 有機氮礦化速率與土壤基本化學性質之間的相互關系

研究表明,螞蟻筑巢對土壤微生物生物量碳及化學性質的影響存在一定差異(表1)。與非蟻巢相比,螞蟻活動提高了土壤微生物生物量碳、易氧化有機碳、有機質、全氮、水解氮含量,降低了土壤pH值。除pH外,不同月份之間土壤化學性質差異顯著(P<0.05)。

土壤有機氮礦化速率與土壤基本化學性質的主成分分析可知(圖4),第一坐標軸對土壤有機氮礦化速率的貢獻較大,解釋97.2%的有機氮礦化速率；而第二坐標軸僅解釋2.6%的有機氮礦化速率。土壤有機氮礦化速率與微生物生物量碳、銨態氮、有機質、全氮、硝態氮、水解氮、易氧化有機碳呈正相關,與pH呈負相關。銨態氮、微生物生物量碳、有機質與有機氮礦化速率的夾角較小,是有機氮礦化速率的主要驅動因子,而全氮、硝態氮、水解氮、易氧化有機碳、pH對有機氮礦化速率的影響次之。

圖4 有機氮礦化速率與土壤基本化學性質的主成分分析Fig.4 Principal component analysis of soil organic nitrogen mineralization rate and basic chemical propertiesONMR:有機氮礦化速率 Organic nitrogen mineralization rate；MBC:微生物生物量碳 Microbial biomass carbon；AN:Ammonium nitrogen；SOM:土壤有機質 Soil organic matter；TN:全氮 Total nitrogen；NN:Nitrate nitrogen；ROC:易氧化有機碳Readily oxidizable organic carbon；HN:水解氮Hydrolyzable nitrogen；pH:土壤pH

3 討論

3.1 螞蟻筑巢對土壤氮礦化時間動態的影響

本研究發現,螞蟻筑巢顯著提高土壤有機氮礦化速率。這可能是因為螞蟻通過搬運、破碎、攝食(花瓣、動植物殘體)及自身的代謝活動(排泄、呼吸)使巢內土壤微生物生物量碳及土壤養分含量增加,促進了土壤微生物數量增長及活性,進而刺激土壤有機氮的礦化[13]。另一方面,螞蟻筑巢活動能加速微生物體內氮素的釋放,同時,螞蟻自身代謝產物釋放能夠提高土壤酶活性,從而促進土壤有機氮的礦化[14-17]。因此,螞蟻筑巢活動主要通過增加巢穴內土壤養分含量,提高微生物及土壤動物的多樣性,進而加速了土壤有機氮的礦化。

蟻巢和非蟻巢土壤有機氮礦化速率時間動態均呈明顯的“單峰型”變化趨勢,即在6月最大,12月最小,這與黃容[18]、肖好燕[19]等學者關于氮礦化動態的規律相似。這可能是6月份高溫高濕的土壤環境利于凋落物的分解和植物根系的分泌,導致C、N養分含量的積累,為微生物的繁殖生長提供充足的營養物質[20-22],從而提高土壤有機氮礦化速率。而12月相對干旱低溫的微生境不利于養分積累和微生物繁殖,導致土壤氮素的礦化緩慢。另外蟻巢土壤有機氮礦化速率的時間變化幅度顯著高于非蟻巢,表明螞蟻筑巢通過影響土壤微生物及養分環境而調控土壤氮礦化動態。

3.2 螞蟻筑巢引起熱帶森林土壤無機氮庫改變對氮礦化的影響

本研究表明,螞蟻活動顯著提高土壤無機氮庫的含量[23],這是由于螞蟻通過取食、搬運及代謝等活動提高蟻巢土壤養分的可利用性。土壤無機氮庫含量的增加可能還與螞蟻疏松土壤并刺激土壤微生物活性與活化土壤養分等密切相關。另外,蟻巢與非蟻巢土壤無機氮庫含量均為6月最高,這是由于6月氣溫、水分適宜,植物生長較快,地下根系分泌物增多,微生物活性增強[24],加快土壤有機氮的分解和轉化,導致土壤無機氮含量較高。這與張文文[25]的研究結果相類似。不同月份蟻巢與非蟻巢NH4-N含量均在土壤無機氮庫中處于主導地位,占土壤無機氮庫的70%以上,這與前人的研究結果一致[6,26-27]。本研究中土壤酸性較強,限制了土壤的自養硝化作用,使土壤NO3-N含量占比較低[28-29]。同時,與帶正電荷的NH4-N相比,帶負電荷的NO3-N易淋溶流失,因此,土壤中的無機氮庫主要以NH4-N形式存在[30]。

土壤無機氮庫作為評價土壤供氮能力的關鍵指標,代表土壤中植物生長過程吸收、利用的氮素水平,能夠顯著影響森林土壤有機氮礦化速率[31]。本研究發現,土壤有機氮礦化速率隨土壤NH4-N與NO3-N含量的增加而增大,且銨態氮對土壤有機氮礦化速率的貢獻較大。而螞蟻筑巢活動顯著提高土壤無機氮含量,從而促進土壤氮礦化作用。有研究表明,森林土壤有機氮礦化速率受銨化作用的影響較大,銨化速率與氮礦化速率呈正相關關系[6]。但也有研究表明土壤有機氮礦化速率與無機氮庫中的銨態氮呈正相關關系,而硝態氮含量對氮礦化的影響不顯著[32]。土壤無機氮主要來自土壤可溶性有機氮,而螞蟻活動能夠加快溶解有機氮的釋放,提高微生物活性,從而直接刺激了土壤有機氮的礦化。

3.3 螞蟻筑巢引起土壤基本化學性質改變對氮礦化的影響

研究表明,螞蟻筑巢活動顯著提高蟻巢土壤微生物生物量碳、土壤有機質、全氮、水解氮、易氧化有機碳等碳氮養分含量,降低土壤pH值,從而促進土壤有機氮礦化速率。

土壤微生物作為土壤中重要的組成部分,是決定土壤有機氮礦化速率大小的關鍵生物因子。主成分分析表明微生物生物量碳對土壤氮素的礦化具有重要促進作用。與非蟻巢相比,蟻巢土壤微生物生物量碳含量較高,這主要是螞蟻將有機食物大量富集于巢穴內,可提高土壤養分含量及細菌和真菌數量[33],從而促進土壤有機氮的礦化。Carrillo等[34]認為土壤動物主要通過提高底物數量影響微生物活動,進而促進有機氮的礦化；陳小云等[35]、Jiang等[36]研究得出土壤動物在代謝過程中會不斷地向體外釋放養分和不同種類的酶,同時在遷移活動過程中促進微生物在土壤中的擴散,利于土壤氮礦化。丁雪麗等[37]的研究結果也發現土壤微生物生物量的增加能夠顯著提高有機氮礦化速率。

土壤有機氮礦化速率隨土壤pH值減小而增大,螞蟻活動降低了巢地土壤pH,顯著提高土壤氮礦化速率。這主要是因為螞蟻在巢穴內進行的生命活動(如呼吸、排泄等)及有機物質分解、礦化等導致了巢穴土壤有機酸含量增加,從而導致pH值下降[38]。較低土壤pH值有利于氮素的礦化,這可能由于一些土壤有機酸能夠促進微生物的增長和活性[39-40]。李一凡等[41]、韓曉飛等[42]等的研究也表明土壤pH值與有機氮礦化速率呈負相關。但有學者認為土壤pH值升高,土壤可溶性有機質含量增加,提供更多C、N養分滿足微生物的生命活動,加快土壤氮素的礦化能力[43-44]。因此,土壤pH值與有機氮礦化速率之間的關系存在一定的不確定性,可能與研究區不同土壤微生物與動物、氣候環境及理化特性密切相關。

土壤氮礦化速率與有機質、全氮等含量密切相關,本研究蟻巢土壤具有較高的C與N養分含量,導致蟻巢土壤有機氮礦化速率顯著高于非蟻巢,表明螞蟻筑巢可以通過提高土壤養分含量而對土壤氮礦化產生顯著影響。有研究表明,水解氮、全氮、易氧化有機碳等養分含量的增加能夠為微生物生長提供充足的養分,刺激土壤微生物產生更多的酶[45-46],從而促進土壤有機氮的礦化。另外,螞蟻在取食過程中富集的大量土壤C、N養分,會通過改變微生物的群落結構、數量和活性來影響氮素的礦化[47-50]。

4 結論

螞蟻筑巢定居活動能夠顯著提高土壤有機氮的礦化速率,相較于非巢地,蟻巢土壤有機氮礦化速率提高了261%。螞蟻活動主要通過影響土壤無機氮庫組分含量(如NH4-N)、微生物生物量碳及土壤養分(如有機質)的狀況,進而調控熱帶森林土壤氮礦化速率的時間動態。研究結果將有助于理解土壤動物對熱帶森林土壤N循環影響的過程與機制。