蚂蚁筑巢对西双版纳热带森林土壤有机氮矿化的影响

左倩倩,王邵军,王 平,曹乾斌,赵 爽,杨 波

西南林业大学生态与环境学院,昆明 650224

土壤有机氮矿化是调控森林土壤养分循环的一个重要生物生态学过程。土壤有机氮约占土壤总氮量的96%左右[1],但有机氮须经氮矿化将土壤有机氮转化为无机氮后才可被植物吸收与利用[2]。土壤有机氮矿化过程中,土壤动物与微生物共同作用将土壤有机氮转变为NH4-N及NO3-N,并可能促进土壤硝化与反硝化过程的N2O排放。土壤有机氮矿化受土壤动物和微生物、气候及土壤理化性质等因素的影响[2,3]。因此,土壤有机氮矿化作为表征土壤供氮能力的主要指标[3],在一定程度上反映森林土壤质量状况,并能对森林生态系统的结构、功能及全球气候变化缓解等方面起着重要调控作用。

蚂蚁作为重要的大型节肢土壤动物之一,能够影响土壤有机氮矿化的微生物过程及动态,进而调控森林生态系统的养分循环及能量流动[4]。蚂蚁通过破碎、混合、搬运等筑巢定居活动影响土壤物理性质(温度、水分及孔隙度等)、土壤化学性质(pH及C、N等养分),并改变土壤微生物群落的结构和多样性,进而促进土壤有机氮的分解与矿化[5]。特别是蚂蚁筑巢活动通过促进微生物生长把难以分解的有机氮转化为可被植物吸收、利用的无机氮[6],影响土壤有机氮矿化速率的时间动态,从而间接影响森林群落结构、多样性及演替[7]。

目前,国内外学者关于土壤动物对土壤有机氮矿化影响的研究相对较少,尤其缺乏蚂蚁筑巢定居对热带森林土壤有机氮矿化速率时间动态影响的研究。西双版纳作为我国大陆热带雨林集中分布的重要地区,其地貌复杂、小气候多样,是我国蚂蚁多样性最丰富的区域[8]。热带森林复杂多样的蚂蚁类型及生命活动,显著改变土壤微生物及理化性质,进而影响土壤有机氮矿化速率的时间动态。本研究选择处于演替前期的白背桐群落为研究对象,比较蚁巢与非蚁巢土壤有机N矿化速率的时间动态,并分析蚂蚁活动引起土壤无机N库、微生物生物量及基本化学性质的改变对有机N矿化速率的影响,对于深入理解热带森林土壤N循环调控机制及其在全球气候变化中的地位与作用具有十分重要的科学意义。

1 材料与方法

1.1 样地概况

研究区位于中国科学院西双版纳热带植物园(21°55′N,101°16′E)。西双版纳具有典型的季风气候,从11月到次年4月属干季。年平均降水量约为1557 mm,湿季(5月至10月)降水量约占总降水的87%。年平均气温为21.5 ℃。特别是旱季从午夜到中午均有大雾,这使得旱季的大部分时间里均能保持一定的土壤湿度。因此,西双版纳广泛分布着热带雨林和季雨林,藤本植物非常发达。

然而,近几十年来由于刀耕火种等农业活动导致热带森林大面积破坏,形成一系列处于不同恢复阶段的次生热带森林群落阶段。因此,本研究在中国科学院西双版纳热带植物园研究区内,选择处于演替前期(约12年)的白背桐(Mallotuspaniculatus)群落作为研究样地。样地海拔约600 m,凋落物层厚大约1—2 cm,植被盖度60%左右,土壤属于砖红壤。样地主要树种有:白背桐(M.paniculatus)、野生风轮草(Clinopodiumchinensis)、丰花草(Borreriastricta)、粉被金合欢(Acaciapruinescens)、椴叶山麻秆(Alchorneatiliifolia)等。

1.2 土壤取样及基本性质测定

随机选择3个白背桐群落样地(40 m×40 m,间隔大于200 m)。于2019年3、6、9、12月,每个样地中随机选择3个蚁巢与3个非蚁巢样方(相距5 m),采用诱饵法[5]确定蚁巢位置。按照2个土层(0—5 cm、5—10 cm)分别采集蚁巢与非蚁巢土样,每个样方同一土层土壤均匀混合,用四分法取1 kg左右土样。装入自封袋,做好标签,立即放入加冰的冷藏箱中,带回实验室储藏在4℃冰箱直至分析。土壤性质按Wang等方法测定[5],微生物生物量碳采用氯仿水浴法测定；铵态氮与硝态氮采用1 mol/L KCl浸提,滤液用连续流动分析仪测定(BRAN+LUEBBE-AA3,德国)[9]；全氮采用高氯酸硫酸消煮,连续流动分析仪测定；水解氮采用碱解扩散法测定；pH电位法测定；易氧化有机碳采用高锰酸钾氧化法测定；有机质采用油浴加热-重铬酸钾氧化法测定。基本土壤性质见表1。

表1 供试土壤的基本性质Table 1 Basic edaphic properties of the sampled soils

1.3 土壤有机氮矿化速率测定

土壤有机氮矿化采用室内需氧培养法进行测定[10-12]。分别把蚁巢与非蚁巢土壤按照0—5 cm、5—10 cm分层混匀后,称取100 g风干土样(过2 mm筛)装于500 mL培养瓶,用去离子水调节土壤含水量至田间持水量的40%,在25 ℃下预培养7 d,以激活土壤微生物。预培养结束后,土壤含水量调节至田间持水量的60%,测定土壤NH4-N、NO3-N的含量作为初始量,剩余土壤培养瓶用网纱布封口,保持通气状态,在25 ℃恒温培养箱培养15 d,每个处理3个重复,在第3、6、9、12、15天用重量法调节含水量,补偿培养期间损失的水分,培养结束后测定NH4-N、NO3-N的含量。本文只研究整体平均矿化速率,土壤有机氮矿化速率=[(土壤培养后的NH4-N+NO3-N)-(土壤初始NH4-N+NO3-N)]/培养天数。

1.4 数据处理

实验数据经整理后用Excel制成表格。用两因素方差分析(Two-way ANOVAs)研究不同月份、不同处理及其交互作用对土壤有机氮矿化速率的影响,用SPSS 23.0进行数据统计分析,方差分析前数据检验正态性和方差齐性,采用LSD法进行比较不同数据间的差异性(把显著性水平设为0.05),分析土壤有机氮矿化速率与土壤指标之间的关系采用主成分分析(PCA)。

2 结果与分析

对西双版纳白背桐热带森林土壤有机氮矿化速率(4个月2个土层均值)测定可知(图1),蚁巢土壤有机氮矿化速率(1.01 mg kg-1d-1)显著高于非蚁巢(0.28 mg kg-1d-1)(P<0.05),与非蚁巢相比,蚁巢土壤有机氮矿化速率提高了260.71%,表明蚂蚁筑巢活动显著提高土壤有机氮矿化速率。

图1 蚁巢和非蚁巢土壤有机氮矿化速率的时间动态 Fig.1 Temporal dynamics of soil organic nitrogen mineralization rate in ant nests and the reference soils 不同小写字母表示差异显著(P<0.05)

土壤有机氮矿化速率随月份推移呈明显的“单峰型”变化趋势。蚁巢(1.22 mg kg-1d-1)和非蚁巢(0.41 mg kg-1d-1)土壤有机氮矿化速率均在6月份达到峰值；12月份达到最低值,其中蚁巢与非蚁巢氮矿化速率分别为0.82、0.18 mg kg-1d-1(图1)。蚁巢土壤有机氮矿化速率在不同月份差异显著(P<0.05),而非蚁巢土壤有机氮矿化速率3月份(0.22 mg kg-1d-1)和12月份之间(0.18 mg kg-1d-1)未达到显著差异(P>0.05),其它月份土壤有机氮矿化速率均达到显著差异(P<0.05)。两因素方差分析表明(表2),不同月份及不同处理对土壤有机氮矿化速率产生显著影响(P<0.05),且两者之间存在明显的交互作用(P<0.05)。

2.2 蚁巢和非蚁巢土壤无机氮库含量的时间动态

白背桐群落蚁巢与非蚁巢土壤培养前后NH4-N含量的变化如图2所示,非蚁巢土壤NH4-N含量均显著低于蚁巢(P<0.05),这表明蚂蚁筑巢显著提高土壤NH4-N含量。蚁巢与非蚁巢土壤NH4-N含量培养前后均呈现出明显的单峰变化,6月最高,12月最低。其中蚁巢土壤培养前后NH4-N含量在3月和12月均差异不显著(P>0.05),而非蚁巢土壤培养前NH4-N含量则在9月和3月差异不显著(P>0.05),其它月份之间均具有显著差异(P<0.05)。同时,蚁巢与非蚁巢土壤经培养后NH4-N含量均显著增加,但蚁巢土壤NH4-N的增加量显著高于非蚁巢。两因素方差分析表明(表2),土壤NH4-N受月份、处理及两者交互作用的显著影响(P<0.05)。

图2 蚁巢和非蚁巢土壤无机氮含量的时间动态Fig.2 Temporal dynamics of soil inorganic carbon concentrations in ant nests and the reference soils 不同小写字母表示土壤培养前差异显著(P<0.05),不同大写字母表示土壤培养后差异显著(P<0.05)

蚁巢和非蚁巢土壤培养前后NO3-N含量均表现为蚁巢大于非蚁巢(图2)。蚁巢与非蚁巢土壤培养前后NO3-N含量随月份变化呈现与NH4-N含量相同的变化趋势,即6月>9月>3月>12月。蚁巢与非蚁巢土壤培养前NO3-N含量均在6月和9月未达到显著差异(P>0.05),而蚁巢土壤培养后NO3-N含量在3月和9月差异不显著(P>0.05)。蚁巢和非蚁巢土壤培养结束后,NO3-N含量均显著增加,非蚁巢增加量明显低于蚁巢。两因素方差分析表明(表2),处理及月份均对土壤NO3-N产生显著影响(P<0.05),但两者交互作用对土壤NO3-N未产生显著影响(P>0.05)。

表2 不同处理(蚁巢与非蚁巢)、月份及它们的相互作用对有机氮矿化速率影响的方差分析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 土壤有机氮矿化速率与无机氮之间的相互关系

采用指数、线性及多项式对土壤无机氮(NH4-N、NO3-N)与土壤有机氮矿化速率进行回归分析,选择拟合度最好的多项式描述分析(图3),结果表明,土壤NH4-N、NO3-N均对土壤有机氮矿化速率产生显著影响,土壤有机氮矿化速率随NH4-N、NO3-N含量的增加呈递增趋势(图3),但土壤NH4-N、NO3-N对土壤有机氮矿化速率的贡献率不同,表现为土壤NH4-N的贡献率(87.89%)高于土壤NO3-N的贡献率(61.84%)。

图3 土壤无机氮库和有机氮矿化速率的关系Fig.3 Relationship between soil inorganic nitrogen pool and organic nitrogen mineralization rate

2.4 有机氮矿化速率与土壤基本化学性质之间的相互关系

研究表明,蚂蚁筑巢对土壤微生物生物量碳及化学性质的影响存在一定差异(表1)。与非蚁巢相比,蚂蚁活动提高了土壤微生物生物量碳、易氧化有机碳、有机质、全氮、水解氮含量,降低了土壤pH值。除pH外,不同月份之间土壤化学性质差异显著(P<0.05)。

土壤有机氮矿化速率与土壤基本化学性质的主成分分析可知(图4),第一坐标轴对土壤有机氮矿化速率的贡献较大,解释97.2%的有机氮矿化速率；而第二坐标轴仅解释2.6%的有机氮矿化速率。土壤有机氮矿化速率与微生物生物量碳、铵态氮、有机质、全氮、硝态氮、水解氮、易氧化有机碳呈正相关,与pH呈负相关。铵态氮、微生物生物量碳、有机质与有机氮矿化速率的夹角较小,是有机氮矿化速率的主要驱动因子,而全氮、硝态氮、水解氮、易氧化有机碳、pH对有机氮矿化速率的影响次之。

图4 有机氮矿化速率与土壤基本化学性质的主成分分析Fig.4 Principal component analysis of soil organic nitrogen mineralization rate and basic chemical propertiesONMR:有机氮矿化速率 Organic nitrogen mineralization rate；MBC:微生物生物量碳 Microbial biomass carbon；AN:Ammonium nitrogen；SOM:土壤有机质 Soil organic matter；TN:全氮 Total nitrogen；NN:Nitrate nitrogen；ROC:易氧化有机碳Readily oxidizable organic carbon；HN:水解氮Hydrolyzable nitrogen；pH:土壤pH

3 讨论

3.1 蚂蚁筑巢对土壤氮矿化时间动态的影响

本研究发现,蚂蚁筑巢显著提高土壤有机氮矿化速率。这可能是因为蚂蚁通过搬运、破碎、摄食(花瓣、动植物残体)及自身的代谢活动(排泄、呼吸)使巢内土壤微生物生物量碳及土壤养分含量增加,促进了土壤微生物数量增长及活性,进而刺激土壤有机氮的矿化[13]。另一方面,蚂蚁筑巢活动能加速微生物体内氮素的释放,同时,蚂蚁自身代谢产物释放能够提高土壤酶活性,从而促进土壤有机氮的矿化[14-17]。因此,蚂蚁筑巢活动主要通过增加巢穴内土壤养分含量,提高微生物及土壤动物的多样性,进而加速了土壤有机氮的矿化。

蚁巢和非蚁巢土壤有机氮矿化速率时间动态均呈明显的“单峰型”变化趋势,即在6月最大,12月最小,这与黄容[18]、肖好燕[19]等学者关于氮矿化动态的规律相似。这可能是6月份高温高湿的土壤环境利于凋落物的分解和植物根系的分泌,导致C、N养分含量的积累,为微生物的繁殖生长提供充足的营养物质[20-22],从而提高土壤有机氮矿化速率。而12月相对干旱低温的微生境不利于养分积累和微生物繁殖,导致土壤氮素的矿化缓慢。另外蚁巢土壤有机氮矿化速率的时间变化幅度显著高于非蚁巢,表明蚂蚁筑巢通过影响土壤微生物及养分环境而调控土壤氮矿化动态。

3.2 蚂蚁筑巢引起热带森林土壤无机氮库改变对氮矿化的影响

本研究表明,蚂蚁活动显著提高土壤无机氮库的含量[23],这是由于蚂蚁通过取食、搬运及代谢等活动提高蚁巢土壤养分的可利用性。土壤无机氮库含量的增加可能还与蚂蚁疏松土壤并刺激土壤微生物活性与活化土壤养分等密切相关。另外,蚁巢与非蚁巢土壤无机氮库含量均为6月最高,这是由于6月气温、水分适宜,植物生长较快,地下根系分泌物增多,微生物活性增强[24],加快土壤有机氮的分解和转化,导致土壤无机氮含量较高。这与张文文[25]的研究结果相类似。不同月份蚁巢与非蚁巢NH4-N含量均在土壤无机氮库中处于主导地位,占土壤无机氮库的70%以上,这与前人的研究结果一致[6,26-27]。本研究中土壤酸性较强,限制了土壤的自养硝化作用,使土壤NO3-N含量占比较低[28-29]。同时,与带正电荷的NH4-N相比,带负电荷的NO3-N易淋溶流失,因此,土壤中的无机氮库主要以NH4-N形式存在[30]。

土壤无机氮库作为评价土壤供氮能力的关键指标,代表土壤中植物生长过程吸收、利用的氮素水平,能够显著影响森林土壤有机氮矿化速率[31]。本研究发现,土壤有机氮矿化速率随土壤NH4-N与NO3-N含量的增加而增大,且铵态氮对土壤有机氮矿化速率的贡献较大。而蚂蚁筑巢活动显著提高土壤无机氮含量,从而促进土壤氮矿化作用。有研究表明,森林土壤有机氮矿化速率受铵化作用的影响较大,铵化速率与氮矿化速率呈正相关关系[6]。但也有研究表明土壤有机氮矿化速率与无机氮库中的铵态氮呈正相关关系,而硝态氮含量对氮矿化的影响不显著[32]。土壤无机氮主要来自土壤可溶性有机氮,而蚂蚁活动能够加快溶解有机氮的释放,提高微生物活性,从而直接刺激了土壤有机氮的矿化。

3.3 蚂蚁筑巢引起土壤基本化学性质改变对氮矿化的影响

研究表明,蚂蚁筑巢活动显著提高蚁巢土壤微生物生物量碳、土壤有机质、全氮、水解氮、易氧化有机碳等碳氮养分含量,降低土壤pH值,从而促进土壤有机氮矿化速率。

土壤微生物作为土壤中重要的组成部分,是决定土壤有机氮矿化速率大小的关键生物因子。主成分分析表明微生物生物量碳对土壤氮素的矿化具有重要促进作用。与非蚁巢相比,蚁巢土壤微生物生物量碳含量较高,这主要是蚂蚁将有机食物大量富集于巢穴内,可提高土壤养分含量及细菌和真菌数量[33],从而促进土壤有机氮的矿化。Carrillo等[34]认为土壤动物主要通过提高底物数量影响微生物活动,进而促进有机氮的矿化；陈小云等[35]、Jiang等[36]研究得出土壤动物在代谢过程中会不断地向体外释放养分和不同种类的酶,同时在迁移活动过程中促进微生物在土壤中的扩散,利于土壤氮矿化。丁雪丽等[37]的研究结果也发现土壤微生物生物量的增加能够显著提高有机氮矿化速率。

土壤有机氮矿化速率随土壤pH值减小而增大,蚂蚁活动降低了巢地土壤pH,显著提高土壤氮矿化速率。这主要是因为蚂蚁在巢穴内进行的生命活动(如呼吸、排泄等)及有机物质分解、矿化等导致了巢穴土壤有机酸含量增加,从而导致pH值下降[38]。较低土壤pH值有利于氮素的矿化,这可能由于一些土壤有机酸能够促进微生物的增长和活性[39-40]。李一凡等[41]、韩晓飞等[42]等的研究也表明土壤pH值与有机氮矿化速率呈负相关。但有学者认为土壤pH值升高,土壤可溶性有机质含量增加,提供更多C、N养分满足微生物的生命活动,加快土壤氮素的矿化能力[43-44]。因此,土壤pH值与有机氮矿化速率之间的关系存在一定的不确定性,可能与研究区不同土壤微生物与动物、气候环境及理化特性密切相关。

土壤氮矿化速率与有机质、全氮等含量密切相关,本研究蚁巢土壤具有较高的C与N养分含量,导致蚁巢土壤有机氮矿化速率显著高于非蚁巢,表明蚂蚁筑巢可以通过提高土壤养分含量而对土壤氮矿化产生显著影响。有研究表明,水解氮、全氮、易氧化有机碳等养分含量的增加能够为微生物生长提供充足的养分,刺激土壤微生物产生更多的酶[45-46],从而促进土壤有机氮的矿化。另外,蚂蚁在取食过程中富集的大量土壤C、N养分,会通过改变微生物的群落结构、数量和活性来影响氮素的矿化[47-50]。

4 结论

蚂蚁筑巢定居活动能够显著提高土壤有机氮的矿化速率,相较于非巢地,蚁巢土壤有机氮矿化速率提高了261%。蚂蚁活动主要通过影响土壤无机氮库组分含量(如NH4-N)、微生物生物量碳及土壤养分(如有机质)的状况,进而调控热带森林土壤氮矿化速率的时间动态。研究结果将有助于理解土壤动物对热带森林土壤N循环影响的过程与机制。