模拟增温对武夷山不同海拔森林表层土壤碳氮及酶活性的影响

曹 聪,阮超越,任寅榜,张世良,熊小玲,李晓杰,吕茂奎,谢锦升,*

1 福建师范大学地理科学学院,福州 350007 2 湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地,福州 350007

土壤生物化学过程是陆地生态系统功能的基础,而酶的催化过程是驱动这些过程的重要环节[1]。一般而言,土壤酶主要来源于微生物、植物根系及土壤动物的分泌释放[2],通过酶促反应打破土壤有机质的复杂结构,将复杂化合物转化为简单化合物以供微生物分解利用[3]。土壤酶直接参与土壤物质循环和能量流动,包括各种有机质的分解与合成、土壤养分的固定与释放,调控着土壤碳、氮、磷的周转速率,是土壤生态系统代谢的重要动力[4],可以作为衡量生态系统土壤质量变化的敏感指标[5]。

全球变暖对陆地生态系统土壤生态过程产生深刻的影响。温度作为影响土壤酶活性的重要环境因子[6],增温引起土壤物理、化学过程发生改变,从而影响土壤酶的产生和活性。目前关于模拟气候变暖对土壤酶活性的影响尚无统一定论,主要是因为土壤的复杂性、区域气候条件以及增温方式的不同；其中气候变暖对不同海拔土壤酶活性的影响研究尤为缺乏。沿海拔梯度并非简单反应温度的变化,水分、土壤养分、凋落物数量与质量、植物根系和土壤微生物生物量等随之发生变化,而这些变化又会造成区域小气候、土壤性质与养分等垂直地带上的差异[7]。曹瑞等[8]在川西高山峡谷区5个不同植被带研究发现随海拔升高有机层土壤酶活性呈现出先增加后减少再增加的变化特点,土壤有机碳、全氮和含水量显著影响酶的活性。有研究提出相反的观点,随海拔升高,与C、N循环相关水解酶β-葡萄糖苷酶(βG)、纤维素水解酶(CBH)、乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)均有下降趋势,且微生物生物量磷和C/N是驱动A层土壤酶活性变化的主要因子[2]。秦纪洪等[9]认为土壤温度升高影响土壤中各种化学反应和土壤溶液离子组成,土壤养分有效性的增加提高了土壤微生物量,从而提高了土壤酶活性。因此,不同海拔增温导致土壤酶活性变化的主要驱动机制有待于进一步研究。

土柱置换实验能同时改变湿热和土壤通量,对土壤物理干扰较小,并同步小气候状况,能更真实有效地模拟全球变暖的增温机制[10]。热带亚热带森林是陆地生态系统生产力最大的生态系统,其对气候变暖的响应将直接影响气候变化的进程。亚热带山地森林不同海拔土柱置换,土壤温度、含水量等环境因子改变下的土壤酶活性将如何变化？高海拔土壤酶活性是否会比低海拔更敏感？针对这个科学问题,本研究以亚热带森林土壤为对象,通过不同海拔土柱置换模拟增温,研究不同海拔森林土壤酶活性对温度变化的响应,以深入理解气候变化背景下微生物因素在调控土壤碳、氮、磷循环过程中的作用。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域概况

样地位于福建省武夷山国家自然保护区(117°27′—117°51′E,27°33′—27°53′N),该保护区是全球同纬度带保存最完整、面积最大的典型中亚热带原生性森林生态系统。该区属中山地貌,地势起伏较大,平均海拔1200 m。年平均气温18℃,年均降水量2500 mm左右,年均相对湿度78%—84%[11]。区内土壤类型主要为红壤、黄红壤、黄壤和山地草甸土,母岩以火山岩和粗晶花岗岩为主[12]。

1.2 样地设置

于2016年10月,选取武夷山四个不同海拔高度(1400 m的针叶林(CF)、1000m的针阔混交林(CBF)、600 m的阔叶林(EBF)、200 m的阔叶林(EBF))坡向、坡度和坡位基本一致的三种典型森林群落作为实验样地。在各海拔的每个样地内随机选取4个20 m×20 m样方,在每个样方内采集土柱并按样方分别编号。为保证土柱能取到完整的土壤样品,采用高20 cm、内径20 cm的PVC管柱进行采样。依次将1400 m的土柱移至1000 m、1000 m的土柱移至600 m,600 m的土柱移至200 m。各海拔梯度分为原位土柱(Insitu)和置换土柱(translocated)两个处理,每个处理4个重复。

1.3 样品采集及测定

于2017年8月中旬进行土壤样品采集。在每个样方内取出破坏性取样土柱,取0—5 cm土层,混匀后装入样品袋并放至便携式冷藏箱内保存,带回实验室。去除土壤中的石块、根系后,一部分立即用于土壤酶活性测定。另一部分过2 mm土壤筛,少量风干后过0.149 mm土壤筛用于土壤理化性质测定[13]；另外一部分贮藏在4℃的冰箱,用于土壤微生物生物量碳、可溶性有机碳和矿质氮的测定。

土壤酶活性采用荧光分析法[16],用伞形酮(MUB)作为标示底物来测定4种水解酶活性：酸性磷酸酶(ACP)、β-葡萄糖苷酶(βG)、纤维素水解酶(CBH)、乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG),采用L-二羟苯丙氨酸(DOPA)为底物来测定2种氧化酶活性：酚氧化酶(PHO)、过氧化物酶(PEO),用多功能酶标仪(Synergy H4)测定,各种酶的缩写,所用底物和功能见表1。

表1 研究选取的胞外酶相应的底物及功能

1.4 数据处理

本研究中土壤归一化酶活性为土壤酶活性与土壤微生物碳的比值[17]。所有数据用Excel处理后,采用SPSS 19.0软件进行统计分析,运用配对样本t检验的方法进行同一海拔不同处理间差异的显著性检验,独立样本t检验方法进行同一处理不同海拔间差异的显著性检验(α=0.05)；采用Canoco 5.0软件进行土壤酶活性与环境因子的冗余分析；相关图表均用Origin 9.0软件完成。

2 结果与分析

2.1 不同海拔森林土柱置换对土壤理化性质的影响

土柱置换后,低(600 m)、中(1000 m)、高(1400 m)海拔土壤年均温分别升高了2.15℃、1.96℃和2.21℃。原位土柱土壤含水率在海拔1400 m处显著高于1000 m(P<0.05)和600 m(P<0.01),土柱置换后,600 m和1400 m土壤含水率较原位土柱显著下降(P<0.05),分别达25.32%和20.84%。

表2 不同海拔土柱置换土壤理化性质

2.2 不同海拔森林土柱置换对土壤酶活性的影响

各海拔土柱置换对土壤水解酶和氧化酶产生了不同的影响。土柱置换后,4种水解酶(酸性磷酸酶(ACP)、β-葡萄糖苷酶(βG)、纤维素水解酶(CBH)、乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG))活性在海拔1400 m置换到1000 m后增加,在海拔1000 m置换到600 m后降低,而从海拔600 m置换到200 m后变化不显著。所有海拔的土柱置换增温处理对过氧化氢酶和酚氧化物酶没有显著影响。由此可见,土柱置换对各海拔土壤水解酶活性影响较大,而对氧化酶活性没有显著影响。

在考察酶活性的研究中,将酶活性归一化到微生物生物量,可以更好的建立微生物和土壤酶活性之间的联系,反映出微生物分泌酶的能力。本研究中土柱置换普遍增加了土壤归一化酶活性。土柱置换后,水解酶归一化酶活性除海拔600 m处NAG归一化酶活性下降,其余水解酶活性均呈上升趋势。其中海拔1400 m处βG归一化酶活性、1000 m处ACP归一化酶活性以及1000 m和1400 m处NAG归一化酶活性达到显著水平(P<0.05)；氧化酶归一化酶活性在土柱置换后同样呈上升趋势,其中1000 m处PHO、PEO归一化酶活性达显著水平(P<0.05),而在海拔600 m处,土柱置换增温对六种归一化酶活性均无显著影响,说明高海拔土壤归一化酶活性对增温响应比低海拔的更敏感(图1，图2)。

图1 土柱置换土壤酶活性

图2 土柱置换土壤归一化酶活性

2.3 不同海拔森林土柱置换对土壤酶活性影响的RDA分析

以土壤酶活性为响应变量,土壤基本理化性质作为环境解释变量,并结合不同海拔土柱置换处理样点,对土壤酶活性进行冗余分析。选取的环境变量对三个海拔土柱置换后土壤酶活性变化的解释度分别为90.69%、83.17%和87.47%,表明选取的环境变量可以有效解释土壤酶活性的变化。在海拔600 m处,SOC是土柱置换后土壤酶活性变化最主要的解释变量,解释了土壤酶活性变化的36.4%。DOC对海拔1000 m处土柱置换土壤酶活性的影响较大,分别解释了酶活性变化的37.8%、19.0%和18.0%。Ts和WC是海拔1400 m处土柱置换土壤酶活性变化的主要解释变量,分别解释土壤酶活性变化的55.5%和18.4%。

不同海拔土柱置换同样使土壤归一化酶活性发生明显变化。RDA分析结果显示,环境变量对三个海拔土柱置换后土壤归一化酶活性变化的解释度分别为97.27%、96.54%和90.86%,说明土壤环境因子的差异对土壤归一化酶活性的变异发挥了重要的作用。其中,土壤温度的作用最为明显,其解释了海拔1000 m土壤归一化酶活性变化的46.8%和海拔1400 m土壤归一化酶活性变化的70.8%。C/N对海拔600 m处土柱置换土壤归一化酶活性的影响较大,解释了变化的44.4%。DOC解释了海拔1000 m土壤归一化酶活性的31.2%(图3)。

图3 土壤酶活性(A、B、C)、土壤归一化酶活性(D、E、F)与环境因子的冗余分析

3 讨论

3.1 不同海拔森林土壤碳氮对土柱置换模拟增温的响应

土壤有机碳的含量主要取决于有机质的输入和分解速率,受气候条件、土壤水分和养分状况、植被残体归还量以及人为扰动等因素影响。然而,有机质分解速率更多与微生物数量、土壤温度和水分等有关[18]。本研究中土壤SOC含量在从海拔1400 m处置换到1000 m后下降幅度最大,达21.2 %。高海拔地区由于低温使得SOC分解缓慢从而产生积累。从海拔1400 m置换到海拔1000 m后土壤温度升高加快了土壤有机碳的分解速率,导致碳含量降低[19]。这一结果与我们土壤呼吸的结果一致,1400 m土柱移植到1000 m海拔后土壤呼吸显著增加[20]。土壤有机质含量是影响土壤微生物量的一个重要因素[21],有机碳控制土壤的物质循环和能量传递,为微生物群落提供了营养物质和能量来源。已有的研究结果表明,土壤微生物量和土壤总有机碳量有较好的正相关关系,有机碳越高,土壤微生物量就越大[22]。本研究中,1400 m土柱置换到1000 m后,土壤中SOC含量呈下降趋势,可能是导致该海拔土壤MBC和MBN含量下降的原因。同时,土壤微生物利用碳源转变为MBC的效率降低,从而使1400 m土柱移植到1000 m后土壤呼吸显著增加。

3.2 不同海拔森林土壤酶活性对土柱置换模拟增温的响应

本研究结果显示,土柱置换增温提高了各海拔土壤归一化酶活性。且高海拔1000 m和1400 m处土壤归一化酶活性对增温的响应更敏感。土柱置换增加了土壤温度,使土柱内微生物活性增强,土壤微生物的生长和代谢速度加快,微生物为了满足自身生长需求,单位微生物量会产生更多的酶以提高对土壤养分的利用[29],所以增温处理对归一化酶活性表现出促进作用。

3.3 不同海拔森林土柱置换土壤酶活性变化的关键驱动因子

土壤C/N、土壤温度是驱动不同海拔土壤归一化酶活性的主导因子。土壤C、N作为土壤中的重要元素,可以改变土壤的透气性、温度以及土壤结构,为植物生长输送养分,同时影响土壤微生物活性与强度,与土壤酶活性密切相关。土壤C/N越低越有利于微生物对有机质的分解,有机碳的积累与矿化程度高[39],因此可以解释C/N是决定本地区归一化酶活性的关键因子。土壤C/N的差异主要取决于地上地下凋落物输入和微生物的分解,那么不同森林生态系统凋落物质量的差异可能决定着土壤有机碳循环过程对气候变暖的响应程度的分异性。

4 结论

总体来说,土柱置换模拟增温对高海拔土壤碳氮循环过程影响较大；参与C、N循环的土壤酶对高海拔地区模拟增温表现较为敏感和积极,即增温提高了微生物的活性和分泌酶的能力以克服土壤中出现的养分损失。这将对土壤养分供应能力产生一定的影响,直接影响该地区的森林群落生产力,进而对陆地生态系统产生较为深远的影响。