杉木林表层和底层土壤微生物生长对策的研究

第7卷第4期2012年12月出版亚热带资源与环境学报Journal of Subtropical Resources and Environment Vol.7No.4December 2012杉木林表层和底层土壤微生物生长对策的研究收稿日期：2012-04-23基金项目：国家自然科学基金项目（30972347）、973计划前期研究专项课题（2010CB434804）、福建省教育厅科研项目（JB05301）作者简介：吴佳斌（1990—），男，浙江临安人，本科生，（E-mail ）jbinwu@．*通讯作者：陈光水（1976—），男，福建仙游人，副教授，博士，从事根系生态学和森林碳循环研究，（E-mail ）gshuichen@．吴佳斌，陈玉平，陈碧燕，杨智杰，陈光水*（福建师范大学a.地理科学学院，b.地理研究所，福州350007）摘要：底层土壤有机碳库占土壤总碳库的50%以上，但其控制机理仍不清楚．本研究以福建建瓯万木林自然保护区的杉木人工林为研究对象，采用改进的酶动力学分析方法，研究杉木林表层（0 10cm ）和底层（40 60cm ）土壤微生物生长对策的差异．结果显示，相对于表层土壤，底层土壤的易利用碳含量更高，表层土壤微生物更趋向于K 对策，而底层土壤微生物则更趋向于r 对策．关键词：杉木林；有机碳分解；土壤微生物；生长对策；土壤易利用碳中图分类号：P461.7文献标识码：A 文章编号：1673-7105（2012）04-0078-04Microbial Growth Strategies in the Topsoil and Subsoil of a Chinese Fir PlantationWU Jia-bin ，CHEN Yu-ping ，CHEN Bi-yan ，YANG Zhi-jie ，CHEN Guang-shui *（a.School of Geographical Sciences ，b.Institute of Geography ，Fujian Normal University ，Fuzhou 350007，China ）Abstract ：Although the subsoil organic carbon pool accounts for over 50%of the total soil organic car-bon pool ，its control dynamics still remains unclear．In this study ，growth strategies of soil microbes inthe topsoil （0 10cm ）and subsoil （40 60cm ）of a Chinese fir plantation in Wanmulin NatureReserve in Jian'ou City ，Fujian province ，China ，were determined by the modified Michaelis-Monod equation．The results showed that ，as compared to the topsoil ，the subsoil had higher carbon availabili-ty．And ，the microbial community of topsoil prefers K strategy ，being different from that of subsoilwhich prefers r strategy．Key words ：Chinese fir plantation ；soil organic carbon decomposition ；soil microorganism ；growthstrategy ；soil carbon availability0引言土壤是陆地生态系统最大的碳库，全球约有1500Gt 碳以有机质形态储存于土壤中［1-2］．据估计，底层土壤（20cm 以下）有机碳储量占1m 土层有机碳储量的50%以上［2］，因此底层土壤在土壤碳循环中具有十分重要的地位．但是由于土壤有机碳含量随土壤深度增加而下降，底层土壤有机碳含量较低，目前关于底层土壤有机碳的研究还很少，底层土壤有机碳的特征和机制，特别是微生物学机制还不是很清楚［3］．在现有的碳周转模型中，大多是假定底层土壤碳动态的基本控制机制与表层土壤相同［4］，如表层与底层土壤碳矿化方程相同，对环境条件和外来干扰变化的响应相同［5］．然而，表层与底层土壤的土壤学性质、环境和理化性质具有明显的差异，必然会影响相关的碳动态机制和生物学活性［6-7］，目前对于底层土和表层土相关的碳动态机制和生物学活性的差异仍不明确．杉木是中国南方特有的重要速生造林树种，栽培面积达4.498ˑ104hm 2，占中国人工林总面积的24%［8］，对中国森林生态系统碳储存贡献很大．为此本研究以福建建瓯万木林自然保护区杉木人工林为对象，研究杉木林地表土层、底土层（20cm 以下）易利用有机碳含量和微生物底物利用特点差异，为深入认识森林表层和底层土壤有机碳动态的调控机制差异提供基础数据．此外，生态学生存对策理论指出：与K 对策微生物群落相比，r 对策微生物群落对基质的亲和力更低［9］．而底层土往往有机质含量低且周转时间长，一般认为底层土97第4期吴佳斌等：杉木林表层和底层土壤微生物生长对策的研究的土壤有机质比表层土的更难分解．因而，本研究建立2个假设：Ⅰ.表层土壤易利用有机碳含量高，而底层土壤易利用有机碳含量低．Ⅱ.与表层土壤相比，底层土壤微生物群落组成更趋于K策略．1材料与方法1.1试验地概况试验地位于福建建瓯市万木林自然保护区（27ʎ03'N，118ʎ09'E），地处武夷山脉东南，鹫峰山脉西北，属中亚热带季风气候，年均温18.7ħ，年均降水量1731.4mm，年均蒸发量1466mm，相对湿度81%，全年无霜期达277d；土壤为白垩纪钙质、泥质砂砾岩发育的山地红壤，土壤（0 20cm）容重约为1.20g·cm－3，有机质含量为29.00g·kg－1，全氮、全磷含量分别为0.80g·kg－1和0.40 g·kg－1，年凋落物量约为4.63t·hm－2·a－1．该地区植被为亚热带暖湿地区的常绿双子叶植物阔叶树种，其中以樟科（Lauraceae）、木兰科（Magnoliaceae）、壳斗科（Fagaceae）、杜英科（Elaeocar pace-ae）、山茶科（Theaceae）、冬青科（Aquifoliaceae）、山矾科（Symplocaceae）和金缕梅科（Hamameli-daceae）等为主．本研究选择该保护区内的杉木人工林为研究对象．在森林中建立3块20mˑ20m固定标准地．该杉木林海拔350m，西北坡向，坡度21ʎ，1969年由天然常绿阔叶林皆伐后人工造林而成，密度1117株·hm－2，林分平均树高为18m，平均胸径为18.3cm．灌木层以杜茎山（Maesa japonica）、狗骨柴（Tricalysia dubia）、草珊瑚（Sarcandra glabra）为主，草本有狗脊（Woodwardia japonica）、五节芒（Miscanthus floridulus）、乌毛蕨（Blcehnum orientale）等［10］．1.2土样采集和实验准备在杉木林地中设置3块面积均为20mˑ20m的标准地．3块标准地间的距离不超过50m，均位于中坡位，立地条件相似．2011年4月底采集土壤分析样品，分别在每个标准地内，按S型布6个采样点，每个采样点分表层（0 10cm）和底层（40 60cm）土壤各采1个样，之后将3个标准地各6个采样点相同土层的土（3ˑ6=18）混合形成一个样品，最后共得到2个土壤样品（2个土层）．新鲜土样放入自封袋内立即送回实验室．在室内用镊子挑除细根和杂物，混合均匀后过3mm筛，置于4ħ下保存．1.3土壤微生物底物利用动力学参数的测定取50g新鲜土壤样品放进500mL广口瓶中，调到50%的最大持水量后分别放进25ħ恒温培养箱中预培养24h．测定土壤微生物底物利用动力学参数时，在预培24h之后，分别向广口瓶中加入不同浓度（5、10、20、50、100、500、1000μg C g－1干土）的葡萄糖溶液，每个浓度5个重复．葡萄糖溶液中包括葡萄糖、硫酸铵、磷酸二氢钾，CʒNʒP调为108ʒ30ʒ1［11］，土壤中加入葡萄糖的量使土壤含水量达到持水量的70%．对照则加去离子水达到持水量的70%．之后把广口瓶再分别放入25ħ恒温培养箱中培养．待底物加入20min后，把广口瓶移入到相应温度的水浴锅上，用Li-8100土壤碳通量自动观测系统（LiCOR公司，美国）测定土壤呼吸速率．采用改进的米氏方程进行拟合，以确定土壤微生物底物利用动力学参数（Sn、V max和Ks）［12］：（S+Sn）/（Ks+S+Sn）（1）v=Vmax式（1）中，Ks是半饱和常数，反映了微生物细胞对底物的亲和力；Sn是土壤原有可利用碳的浓度（即土壤中原有的相当于葡萄糖的易利用底物的浓度）；S是添加葡萄糖溶液的浓度；v是土壤呼吸速率；V max是给定温度下最大反应速率．1.4数据分析方法用SPSS16.0软件对数据进行处理，采用非线性回归分析拟合改进的米氏方程．采用单因素方差分析检验表层和底层土壤各参数的差异．显著性水平设为0.05．2结果与分析2.1改进米氏方程拟合效果与底层土壤相比，表层土壤的矿化速率在低葡萄糖浓度时随葡萄糖浓度的增加而升高更快（图1）．改进的米氏方程可以很好地拟合土壤矿化速率随葡萄糖浓度增加的变化，方程拟合的R2达到0.97 0.98（表1）．亚热带资源与环境学报第7卷图1杉木森表层和底层土壤在25ħ下土壤呼吸速率随着不同浓度葡萄糖的动态变化Figure1Dynamics of soil respiration in response to increasing concentration of added glucose estimated at25ħin Chinese fir topsoil and subsoil表1杉木林表层和底层土壤在25ħ下葡萄糖加入土壤后底物利用动力学拟合结果Table1Parameter values of substrate utilization kinetics after glucose addition fitted values at25ħinChinese fir topsoil and subsoil层Sn/（μg C g－1）Vmax/（μg C g－1h－1）Ks/（μg C g－1）R2层 3.59ʃ0.5a 6.24ʃ0.04a7.58ʃ0.56a0.97层 5.81ʃ1.2b 6.37ʃ0.11a49.82ʃ4.1b0.98注：同列不同小写字母表示差异显著（P＜0.05）．2.2表层土壤与底层土壤易利用有机碳含量Sn值可表示土壤微生物易利用碳含量的高低，即土壤中相当于葡萄糖的那部分有机碳．从表1可见，底层土壤的Sn值显著高于表层土壤（P＜0.05）．这表明，底层土壤中的易利用有机碳含量高于表层土壤，从而不支持本研究的第1个假设．2.3表层土壤与底层土壤微生物群落生长策略特征从表1可见，虽然不同土层间的V max值没有显著差异，但底层土壤的Ks值则显著大于表层土壤（P＜0.05）．Ks值大小在一定程度上可以反映土壤微生物组成中K－r对策者的相对组成．Ks值越大，表示土壤微生物对底物的亲和力越低，土壤微生物中r对策者比例越高．因而，该结果表明，与表层土壤相比，底层土壤微生物更趋于r对策．这不支持本研究的第2个假设．3讨论3.1表层和底层土壤易利用有机碳含量假设Ⅰ认为表层土壤易利用有机碳含量高，而底层土壤易利用有机碳含量低．而本研究结果（表2）却表明底层土壤易利用有机碳含量高，而表层土壤易利用有机碳含量低，所以拒绝假设Ⅰ．底层土壤中之所以能够保存更多的易利用有机碳，可能与底层土壤中微生物与底物之间的空间隔离有关［13］．一般情况下，底层土壤中微生物分布存在高度空间异质性，微生物大部分分布在部分“热点地区”，如根际区域或根际死亡后留下的根孔中．受底层土壤中不利环境的影响，在“热点地区”外土壤微生物的数量可能很低，使得在这些区域从上层土壤淋溶下来的易利用碳（如DOC等）得以保存．另外，还可能与底层土壤微生物的特性有关．与表层土壤相比，底层土壤微生物更趋于r对策．与K对策者（如许多真菌）相比，r对策者微生物（如许多细菌）在土壤中的空间迁移能力相对较弱，从而限制了对较远距离的易利用碳的利用．有研究表明真菌由于具有菌丝在土壤环境中的移动能力比细菌更强［14］．此外，还与不同生长对策微生物对底物的利用能力有关．表层土壤微生物更趋于K对策，对底物的亲和力高，对底物的利用较为彻底．因而，虽然表层土壤可能具有更丰富的易利用碳的来源，但很易被微生物耗尽．而底层土壤微生物更趋于r对策，对底物亲和力弱，对底物浓度的要求相对较高，因而易利用有机碳易得到保存．3.2表层和底层土壤微生物生长对策假设Ⅱ认为与表层土壤相比，底层土壤微生物群落组成更趋于K策略．而研究结果表明表层土壤微生物表现为以K对策微生物为主的特征更为明显，底层土壤微生物表现为以r对策微生物为主的特征更为明显，所以拒绝假设Ⅱ．本研究结果和一些研究结果相似，如Salomé等发现表层土壤微生物群落相对更倾向于利用聚合物、0818第4期吴佳斌等：杉木林表层和底层土壤微生物生长对策的研究双糖、苯丙氨酸和衣康酸，而底层土壤微生物群落较倾向于使用普遍存在于根分泌物的物质以及其他有机酸和腐胺［13］，表明底层土壤微生物群落中有一部分微生物喜欢优先利用类似根分泌物的易利用有机碳．表层和底层土壤微生物生长对策的差异，可能与表层和底层土壤环境（特别是氧气含量）差异有关．有研究表明，利用酚类底物（包括木质素）的真菌主要存在于表层土壤中，主要是因为参与代谢这些底物的氧化酶对氧气的需求高，而底层土壤由于氧气含量较低，木质素分解菌等难以存活［15］．还有一个重要原因可能与底物的性质有关．本研究表明，与表层土壤相比，底层土壤的易利用有机碳含量更高，这有利于r对策微生物的生长．4小结1）表层土壤微生物表现为以K对策微生物为主的特征更为明显，而底层表现为以r对策微生物为主的特征更为明显．这可能与表层和底层土壤环境（特别是氧气含量）差异以及底物的性质有关．2）底层土壤易利用有机碳含量高，而表层土壤易利用有机碳含量低．底层土壤中之所以能够保存更多的易利用有机碳，可能与底层土壤中微生物与底物之间的空间隔离有关．另外，还可能与底层土壤微生物的生长对策及其对底物的利用能力差异有关．参考文献（References）：［1］Eswaran 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