通过凋落物袋法研究了冀北辽河源地区表层0~5、5~10和10~20 cm土壤微生物生物量碳、微生物呼吸速率和微生物代谢熵对白桦及蒙古栎叶凋落物分解主场效应的响应过程.结果表明: 主场白桦及蒙古栎凋落物处理土壤微生物生物量碳显著高于客场;而土壤微生物呼吸则差异不显著.土壤微生物生物量碳、微生物呼吸对不同植物凋落物分解主场效应的响应程度也不一致.客场蒙古栎叶凋落物处理各土层土壤微生物生物量碳相比主场降低了39.6%、34.9%、33.5%;白桦凋落物则降低了31.6%、27.1%、17.0%.客场蒙古栎凋落物微生物呼吸分别为主场的96.3%、92.4%、83.7%,白桦凋落物为99.4%、97.3%、101.3%.微生物代谢熵则呈现出与微生物生物量碳相反的变化趋势.植物凋落物在主场分解速率较快,可供微生物利用的养分较多,促进了土壤微生物的活动,且土壤中丰富的有机质削弱了植物摄取与微生物需求之间的矛盾,进而导致土壤微生物生物量碳及微生物代谢熵对叶凋落物分解主场效应产生了明显的响应.而土壤微生物呼吸由于受到林地内土壤温度、含水率以及二者共同作用的影响,对主场效应表现出了微弱的响应.此外,由于低质量凋落物会表现出更强的主场效应,从而使土壤微生物生物量碳、微生物呼吸及微生物代谢熵对白桦叶凋落物分解主场效应的响应程度低于蒙古栎凋落物.
Using litter bag method, we studied the responses of soil microbial biomass carbon (MBC), microbial respiration (MR) and microbial metabolic quotient (qCO2) in 0-5 cm, 5-10 cm and 10-20 cm soil layers to homefield advantage of Betula platyphlla and Quercus mongolica leaf litter decomposition in Liaoheyuan Nature Reserve, northern Hebei Province. The results showed that the contents of MBC in Betula platyphlla and Quercus mongolica leaf litter treatments in home environment (Bh and Qh treatments) were significant higher than that in B. platyphlla and Q. mongolica leaf litter treatments in nonhome environment (Ba and Qa treatments). There was no significant difference in MR between home and nonhome environments. Response degree of MBC and MR to homefield advantage of different litter decomposition was inconsistent. The MBC of the different soil layers in Qa treatment fell by 39.6%, 34.9% and 33.5% compared to Qh treatment, respectively, and that in B. platyphlla treatment was decreased by 31.6%, 27.1% and 17.0%, respectively. MR of the different soil layers in Qa treatment accounted for 96.3%, 92.4% and 83.7% of Qh treatment, respectively, while MR in B. platyphlla treatment was 99.4%, 97.3% and 101.3%, respectively. In contrast to MBC, qCO2 in soil showed a reverse pattern. Our study suggested that rich nutrients in soil enhanced microbial activity and weakened the conflict of nutrient uptake between plants and microorganisms, which led to the result that MBC and qCO2 had an obvious response to homefield advantage of litter decomposition, when litter decomposed in its home environment. There was a weak response between MR and homefield advantage of litter decomposition, because of influence of soil temperature, water content and their interaction. Furthermore, MBC, MR and qCO2 had a higher response degree to homefield advantage of Q. mongolica litter than B. platyphlla litter, since lower quality litter exhibited higher homefield advantage of litter decomposition.
全 文 :冀北辽河源自然保护区土壤微生物碳代谢特征
对凋落物分解主场效应的响应∗
立天宇 康峰峰 韩海荣∗∗ 高 晶 宋小帅 于 舒
(北京林业大学林学院, 北京 100083)
摘 要 通过凋落物袋法研究了冀北辽河源地区表层 0~5、5~10和 10~20 cm土壤微生物生
物量碳、微生物呼吸速率和微生物代谢熵对白桦及蒙古栎叶凋落物分解主场效应的响应过
程.结果表明: 主场白桦及蒙古栎凋落物处理土壤微生物生物量碳显著高于客场;而土壤微生
物呼吸则差异不显著.土壤微生物生物量碳、微生物呼吸对不同植物凋落物分解主场效应的
响应程度也不一致.客场蒙古栎叶凋落物处理各土层土壤微生物生物量碳相比主场降低了
39.6%、34.9%、33.5%;白桦凋落物则降低了 31.6%、27.1%、17.0%.客场蒙古栎凋落物微生物
呼吸分别为主场的 96.3%、92.4%、83.7%,白桦凋落物为 99.4%、97.3%、101.3%.微生物代谢熵
则呈现出与微生物生物量碳相反的变化趋势.植物凋落物在主场分解速率较快,可供微生物
利用的养分较多,促进了土壤微生物的活动,且土壤中丰富的有机质削弱了植物摄取与微生
物需求之间的矛盾,进而导致土壤微生物生物量碳及微生物代谢熵对叶凋落物分解主场效应
产生了明显的响应.而土壤微生物呼吸由于受到林地内土壤温度、含水率以及二者共同作用
的影响,对主场效应表现出了微弱的响应.此外,由于低质量凋落物会表现出更强的主场效
应,从而使土壤微生物生物量碳、微生物呼吸及微生物代谢熵对白桦叶凋落物分解主场效应
的响应程度低于蒙古栎凋落物.
关键词 主场效应; 微生物生物量碳; 微生物生物呼吸; 微生物代谢熵
∗林业公益性行业科研专项(201204101)资助.
∗∗通讯作者. E⁃mail: hanhr@ bjfu.edu.cn
2014⁃08⁃15收稿,2015⁃04⁃14接受.
文章编号 1001-9332(2015)07-2159-08 中图分类号 Q148; S714.3 文献标识码 A
Responses of soil microbial carbolic metabolism characteristics to home⁃field advantage of
leaf litter decomposition in Liaoheyuan Nature Reserve of northern Hebei Province, China.
LI Tian⁃yu, KANG Feng⁃feng, HAN Hai⁃rong, GAO Jing, SONG Xiao⁃shuai, YU Shu (College of
Forestry, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China) . ⁃Chin. J. Appl. Ecol., 2015, 26
(7): 2159-2166.
Abstract: Using litter bag method, we studied the responses of soil microbial biomass carbon
(MBC), microbial respiration (MR) and microbial metabolic quotient ( qCO2) in 0 - 5 cm, 5 -
10 cm and 10-20 cm soil layers to home⁃field advantage of Betula platyphlla and Quercus mongolica
leaf litter decomposition in Liaoheyuan Nature Reserve, northern Hebei Province. The results
showed that the contents of MBC in Betula platyphlla and Quercus mongolica leaf litter treatments in
home environment (Bh and Qh treatments) were significant higher than that in B. platyphlla and
Q. mongolica leaf litter treatments in non⁃home environment (Ba and Qa treatments). There was no
significant difference in MR between home and non⁃home environments. Response degree of MBC
and MR to home⁃field advantage of different litter decomposition was inconsistent. The MBC of the
different soil layers in Qa treatment fell by 39.6%, 34.9% and 33.5% compared to Qh treatment,
respectively, and that in B. platyphlla treatment was decreased by 31.6%, 27.1% and 17.0%, re⁃
spectively. MR of the different soil layers in Qa treatment accounted for 96.3%, 92.4% and 83.7%
of Qh treatment, respectively, while MR in B. platyphlla treatment was 99. 4%, 97. 3% and
101.3%, respectively. In contrast to MBC, qCO2 in soil showed a reverse pattern. Our study sugges⁃
ted that rich nutrients in soil enhanced microbial activity and weakened the conflict of nutrient up⁃
应 用 生 态 学 报 2015年 7月 第 26卷 第 7期
Chinese Journal of Applied Ecology, Jul. 2015, 26(7): 2159-2166
take between plants and microorganisms, which led to the result that MBC and qCO2 had an obvious
response to home⁃field advantage of litter decomposition, when litter decomposed in its home envi⁃
ronment. There was a weak response between MR and home⁃field advantage of litter decomposition,
because of influence of soil temperature, water content and their interaction. Furthermore, MBC,
MR and qCO2 had a higher response degree to home⁃field advantage of Q. mongolica litter than B.
platyphlla litter, since lower quality litter exhibited higher home⁃field advantage of litter decomposi⁃
tion.
Key words: home⁃field advantage; microbial biomass carbon; microbial respiration; microbial
metabolic quotient.
森林凋落物是森林生态系统内由生物组分产生
并归还到林地表面,作为分解者的物质和能量的来
源,借以维持生态系统功能的所有有机质的总称[1] .
森林凋落物作为森林生态系统植被和土壤之间的一
个重要通量,其分解的快慢及养分释放的多少,决定
了土壤中有效养分的供应状况,对改善林地土壤物
理化学性质、维持森林生态系统的养分平衡以及提
高森林资源的持续利用潜力有着重要作用[2] .很多
学者研究发现,植物凋落物具有在其生长的栖息地
(主场)比在别的生境(客场)分解更快的特征,即
“主场效应(home⁃field advantage)” [3-4] .
2009年,美国科罗拉多州立大学的 Ayres 首次
明确提出了主场效应特别是正效应的广泛存在[5] .
Ayres等[4]研究表明,77%的叶凋落物在主场比在客
场分解快,其中 34%的叶凋落物在主场的分解速率
比在客场分解快 10%以上.自此,由于能够提高大尺
度凋落物分解模型模拟的精度,关于凋落物分解主
场效应的研究引起了研究者的广泛关注[6-7] .微生物
作为影响凋落物分解的关键生物因子,其特化作用
被认为是凋落物分解主场效应产生的根本原因[8] .
植物群落组成能够决定土壤中微生物的群落结
构[9-10] .不同生境中植物叶凋落物在质量(如:氮含
量、木质素含量、C / N、木质素 / N)上有显著不同,其
土壤微生物群落结构也存在差异,土壤微生物特化
而专门分解源于同生境植物种类的凋落物,进而产
生主场效应[8] .此外,植物凋落物质量也会影响主场
效应的强度[4,11] .凋落物质量较低被认为是主场效
应发生的必要条件之一,因为高质量凋落物会被绝
大多数微生物降解,从而不存在主场微生物的特化
作用,也就不会产生主场效应[12] .目前,国内对凋落
物分解主场效应的研究较少,国外则主要集中于主
场效应对凋落物的分解速率和养分释放的影
响[8,13-14],以及主场效应强度影响因子的研究[6,11] .
关于凋落物分解主场效应的驱动机制,特别是土壤
微生物碳代谢特征对主场效应响应过程的研究尚少
见报道.
本试验采用凋落物袋法,研究了土壤微生物生
物量碳、微生物呼吸及微生物代谢熵对凋落物分解
主场效应的响应过程及响应程度,旨在为暖温带地
区凋落物分解主场效应的研究提供科学参考,同时
为构建森林生态系统凋落物分解主场效应土壤微生
物驱动模型提供基础参数.
1 研究区域与研究方法
1 1 研究区概况
本试验研究区域位于河北省平泉县大卧铺林场
腹地的辽河源国家森林公园内 ( 41° 01′ 30″—
41°21′15″ N,118°22′39″—118°37′21″ E),地处内蒙
古高原和冀北山地的过渡地带,属于七老图山东南
段.最高峰为马盂山,海拔为 1738 m,最低海拔
625 m,平均海拔 1180 m[15] .辽河源地区属于暖温带
向中温带过渡,半湿润半干旱大陆性凉温型山地气
候.气候特点为:四季分明,雨热同季,光照充足,雨
量充沛,风沙较小,昼夜温差大. ≥ 0 ℃ 年积温
3509 3 ℃,≥10 ℃年积温 3193.7 ℃,全年平均气温
7.3 ℃,无霜期120~130 d,冬季积雪 5 个月,最大冻
土层143 cm.年平均降水量 550 mm,主要集中在 7—
9月,日最大降雨量为 170 mm,年平均蒸发量
1800 mm.该区域土壤共有棕壤、褐土、草甸土 3大类
型 8个亚类,其中以山地棕壤和淋溶褐土为主.土层
较厚,一般为 50~100 cm,土壤呈中性、微酸性反应,
土壤水分条件较好.森林覆盖率达 81.2%,有各类植
物 2000余种,属于典型的蒙古植物区系和华北植物
区系的交汇地带,是华北山地针阔混交夏绿林向蒙
古草原和东北大兴安岭针叶林过渡的地区[16] .
1 2 研究方法
1 2 1样地设置 由于本试验区域内缺少蒙古栎
(Quercus mongolica)纯林及白桦(Betula platyphlla)
纯林,因此以山杨(Populus davidiana)⁃白桦⁃蒙古栎
阔叶混交林代替主场.2012年 8月底,分别于山杨纯
0612 应 用 生 态 学 报 26卷
表 1 样地基本情况
Table 1 Basic conditions of the sample plots
林分类型
Forest type
海拔
Altitude
(m)
坡度
Slope
(°)
坡位
Slope
position
平均胸径
Average DBH
(cm)
平均树高
Average height
(m)
Ⅰ 989 20 西 West 7.28±2.22 7.81±1.20
Ⅱ 1067 20 西 West 16.22±6.16 11.26±3.92
郁闭度
Canopy
density
土壤温度
Soil temperature
(℃)
土壤含水率
Soil water
content (%)
林下植物
Understory plants
0.72 14.66±3.58 21.39±7.78 土庄绣线菊( Spiraea pubescens)、平榛(Corylus heterophylla)、大油芒( Spodiopogon
sibiricus)、银背风毛菊(Saussurea nivea)、鸡腿堇菜(Viola acuminata)等
0.65 13.40±2.74 33.39±10.03 胡枝子(Lespedeza bicolor)、平榛(Corylus heterophylla)、短毛独活(Heracleum moel⁃
lendorffii)、苔草(Carex tristachya)、鸡腿堇菜(Viola acuminata)等
Ⅰ: 山杨纯林(客场)Populus davidiana forest (away); Ⅱ:山杨⁃白桦⁃蒙古栎混交林(主场)Populus davidiana-Betula platyphlla-Quercus mongolica
mixed forest (home).
林及山杨⁃白桦⁃蒙古栎混交林内布设 30 m×20 m的
样地,在样地内选择凋落物覆盖较少的位置设置 3
个 3 m×3 m小样方,各样方之间留 1 m宽的保护行.
采集白桦、蒙古栎叶凋落物,各称取 10.00 g并记录,
同时分别使用土钻采集山杨纯林及山杨⁃白桦⁃蒙古
栎混交林内 0~5、5~10、10~20 cm土层土壤用于测
定土壤微生物生物量碳、微生物呼吸初始量.样地概
况见表 1.将凋落物装入网眼直径 1 mm,规格 20 cm×
20 cm凋落物袋中,分别置于山杨纯林(客场)和山
杨⁃白桦⁃蒙古栎阔叶混交林(主场)内,共形成 4 种
处理:蒙古栎⁃主场(Qh)、蒙古栎⁃客场(Qa)、白桦⁃
主场(Bh)、白桦⁃客场(Ba),各处理凋落物袋 54 袋.
自放置日期起,定期清理覆盖在凋落物袋表面的新
鲜凋落物、土块、碎石等杂物.两种供试叶凋落物碳、
氮初始含量:白桦叶凋落物有机碳 ( 527. 4 ± 9. 2)
mg·g-1,全氮(7. 52 ± 0. 25) mg·g-1,C / N (70. 1 ±
2 6);蒙古栎叶凋落物有机碳 ( 551. 7 ± 10. 5 )
mg·g-1,全氮(6. 87 ± 0. 20) mg·g-1,C / N (80. 3 ±
2 2).
1 2 2 样品采集 分别于 2013年 5—10月的 22日,
在各样方内每种凋落物处理随机选取 3 袋凋落物
袋,使用土钻采集凋落物袋下 0~5、5~10、10~20 cm
深度的土壤.同一处理、同一土层土壤充分混合成一
份土样.每份土样使用 2 mm孔径的土筛除去土壤中
的石砾和植物根系,用自封袋保存放入低温冷藏箱
中,带回实验室,放入 4 ℃冰箱内,用于测定土壤微
生物生物量碳和微生物呼吸.
1 2 3土壤样品分析 土壤微生物生物量碳(MBC)
测定采用氯仿熏蒸浸提法(FE).称取新鲜土样 10 g
置于真空干燥器中,经氯仿熏蒸后,于 25 ℃的黑暗
条件下培养 24 h后,用抽真空方法反复去除真空泵
中残存的氯仿.熏蒸的同时,称取等量的新鲜土壤.
然后,将熏蒸及未熏蒸的土壤样品用 40 mL 0 5
mol·L-1的 K2SO4溶液震荡浸提 30 min 后,使用定
量滤纸过滤.浸取液中有机碳含量采用高温外加热
重铬酸钾氧化法测定.土壤微生物生物量碳(MBC)
计算公式为:MBC =EC / KEC . 式中:EC表示熏蒸与未
熏蒸土样有机碳量的差值;KEC为转换系数,取值
0 38[17] .
土壤微生物呼吸(MR)测定采用静态碱液吸收
法.称取相当于 15 g干土的新鲜土样,调节到土壤最
大持水量的 40%,将土样放入呼吸瓶中.将右边旋口
打开通入空气,注入 10 mL 0.1 mol·L-1 NaOH 溶
液,然后关闭旋口,塞上橡皮塞,置于 25 ℃黑暗条件
下连续培养 6 d,此后每 2 d 测定一次.土壤微生物
呼吸释放的 CO2由 10 mL 0.1 mol·L
-1NaOH 吸收,
吸收后的碱液再用 0. 1 mol·L-1HCl 标准溶液滴
定[18-19] .
土壤微生物代谢熵(qCO2)为土壤微生物呼吸与
土壤微生物生物量碳的比值[20],其计算公式为:
qCO2 =MR /MBC.
1 3 数据处理
数据录入及处理由 Excel 2011 软件完成,采用
SPSS 22 软件独立样本 t 检验对数据进行差异显著
性检验,显著性水平设定为 α = 0.05.绘图由 Excel
2011软件完成.
2 结果与分析
2 1 主场及客场土壤微生物生物量碳、微生物呼吸
初始值
由表2可知,0 ~ 20 cm土层主场土壤微生物生
16127期 立天宇等: 冀北辽河源自然保护区土壤微生物碳代谢特征对凋落物分解主场效应的响应
表 2 土壤微生物生物量碳、微生物呼吸初始值
Table 2 Initial values of MBC and MR
土层
Soil layer
(cm)
样地
Sample
plot
土壤微生物生物量碳
MBC
(mg·kg-1)
土壤微生物呼吸
MR (μg·g-1
·h-1)
0~5 主场 Home 517.30±13.54a 1.83±0.05a
客场 Away 495.83±3.47a 1.76±0.01a
5~10 主场 Home 274.40±0.18a 1.27±0.01a
客场 Away 269.51±3.84a 1.23±0.04a
10~20 主场 Home 112.42±4.33a 0.61±0.03a
客场 Away 103.72±1.99a 0.63±0.03a
不同小写字母表示同一土层主、客场间差异显著(P<0.05) Different
small letters in the same soil layer meant significant difference at 0. 05
level between home and away environments.
物量碳初始值平均为 301. 38 mg· kg-1、客场为
290 34 mg·kg-1,主场土壤微生物呼吸初始速率平
均为 1.24 μg·g-1·h-1、客场为 1.21 μg·g-1·h-1 .
结果表明,土壤微生物生物量碳及微生物呼吸初始
值均表现为主场略高于客场,但主、客场之间差异不
显著.
2 2 土壤微生物生物量碳对叶凋落物分解主场效
应的响应
从图 1 可以看出,蒙古栎凋落物处理土壤微生
物生物量碳在山杨⁃白桦⁃蒙古栎混交林内(主场)明
显高于山杨纯林(客场),白桦处理表现出与蒙古栎
处理相同的变化趋势.通过独立样本 t 检验发现,除
8月 10~20 cm土层 Ba与 Bh处理差异不显著外,整
个生长季内,其余各土层 Qa 与 Qh 处理、Ba 与 Bh
处理土壤微生物生物量碳均存在显著差异.
土壤微生物生物量碳对白桦与蒙古栎叶凋落物
分解主场效应响应的程度不一致.蒙古栎叶凋落物
处理 0~5、5~10、10~20 cm土层土壤微生物生物量
碳在主场分别为 595.06、238.58、123 41 mg·kg-1 .
将蒙古栎叶凋落物移置客场后,其土壤微生物生物
量碳分别为 359.26、155.26、82 07 mg·kg-1,相比主
场降低了 39.6%、34.9%、33.5%.而白桦叶凋落物处
理微生物生物量碳在主场为604.45、245.76、125.67
图 1 凋落物分解主场效应对土壤微生物生物量碳的影响
Fig.1 Effects of home⁃field advantage of litter decomposition on soil microbial biomass carbon.
A: 0~5 cm; B: 5~10 cm; C: 10~20 cm. Qa:蒙古栎⁃客场 Mongolian oak in other habitat (away); Qh: 蒙古栎⁃主场 Mongolian oak in home habitat
(home); Ba: 白桦⁃客场White birch in other habitat (away); Bh: 白桦⁃主场 White birch in home habitat (home). 不同小写字母表示主、客场间差
异显著(P<0.05) Different small letters meant significant difference at 0.05 level between home and away environments.下同 The same below.
2612 应 用 生 态 学 报 26卷
mg· kg-1 . 移置客场后,微生物生物量碳降至
413 58、 179. 05、 104 34 mg·kg-1, 分别降低了
31 6%、27.1%、17.0%.由此可见,土壤微生物生物量
碳对凋落物分解主场效应产生了明显的响应,且微
生物生物量碳对蒙古栎叶凋落物分解主场效应响应
的程度高于白桦叶凋落物.
2 3 土壤微生物呼吸对叶凋落物分解主场效应的
响应
从图 2 可以看出,蒙古栎叶凋落物处理在 0 ~
5 cm土层,客场土壤微生物呼吸低于主场,仅 8 月客
场高于主场.独立样本 t检验结果表明,5、8—10月两
种处理之间差异显著;5~10 cm 土层,蒙古栎处理土
壤微生物呼吸的动态变化趋势与 0~5 cm土层相同,
但 6—8月各处理之间差异不显著;10~20 cm 土层,
则表现为客场蒙古栎处理微生物呼吸显著低于主场.
白桦处理在 0 ~ 5 cm 土层,5、6、10 月客场微生
物呼吸低于主场,7—9 月客场高于主场. 5 ~ 10 cm
土层,除 8月客场高于主场外,其他各月均表现为客
场微生物呼吸低于主场.10 ~ 20 cm 土层,仅 5 月客
场微生物呼吸低于主场,6—10 月则表现为客场高
于主场.独立样本 t检验表明,0~5 cm土层,5、6、8、9
月两种处理之间土壤微生物呼吸差异显著;5 ~
10 cm土层,5、8 月差异显著;10 ~ 20 cm 土层,仅 5
月差异显著.
蒙古栎叶凋落物处理 0~5、5~10、10~20 cm 土
层土壤微生物呼吸在主场分别为 1.61、1.03、0 68
μg·g-1·h-1,移置客场后,其微生物呼吸分别为
1 55、0.95、0.57 μg·g-1·h-1,为主场处理的 96 3%、
92 4%、83.7%.而白桦叶凋落物处理微生物呼吸在主
场为 1.63、1.05、0.68 μg·g-1·h-1,移置客场后,微生
物呼吸降至 1.62、1.02、0.69 μg·g-1·h-1,为主场处
理的 99.4%、97.3%、101.3%.试验结果表明,土壤微
生物呼吸对凋落物分解主场效应产生了较为微弱的
响应,且微生物呼吸对蒙古栎叶凋落物分解主场效
应响应的程度略高于白桦叶凋落物.
2 4 土壤微生物代谢熵对叶凋落物分解主场效应
的响应
从图3可以看出,主场内蒙古栎及白桦叶凋落
图 2 凋落物分解主场效应对土壤微生物呼吸的影响
Fig.2 Effects of home⁃field advantage of litter decomposition on soil microbial respiration.
36127期 立天宇等: 冀北辽河源自然保护区土壤微生物碳代谢特征对凋落物分解主场效应的响应
图 3 凋落物分解主场效应对土壤微生物代谢熵的影响
Fig.3 Effects of home⁃field advantage of litter decomposition on soil microbial metabolic quotient.
物处理土壤微生物代谢熵均显著低于客场.多重比
较结果表明,整个生长季内,Qa 与 Qh 处理、Ba 与
Bh处理微生物代谢熵在各土层中均存在显著差异.
主场蒙古栎叶凋落物处理 0 ~ 5、5 ~ 10、10 ~
20 cm土层中土壤微生物代谢熵分别为 3.24、4.71、
5.76 mg·g-1·h-1,移置客场后,其微生物代谢熵分
别为 5.07、6.61、7.35 mg·g-1·h-1,增长了 56 6%、
40 2%、27.7%.白桦叶凋落物处理微生物代谢熵在
主场为 3.20、4.64、5.64 mg·g-1·h-1,移置客场后,
微生物代谢熵增至 4.67、6.25、7.05 mg·g-1·h-1,增
幅为 45.8%、34.8%、25.1%.因此,土壤微生物代谢熵
对凋落物分解主场效应产生了显著的响应,且微生
物代谢熵对蒙古栎叶凋落物分解主场效应响应的程
度高于白桦叶凋落物.
3 讨 论
植物凋落物作为森林生态系统重要的组成部分
和土壤物质转化的基础,通过其分解和养分释放,在
维持森林生态系统土壤肥力,提高森林生产力,保证
生态系统正常的物质、能量循环和养分平衡等方面
起着重要作用[2] .生态系统中凋落物的分解是由微
生物主导的生物化学过程[21] .由于不同森林类型的
植被结构和组成不同,凋落物理化性质的差异会影
响土壤微生物群落结构及其对有机碳的分解[18] .而
微生物组成、微生物生物量碳和呼吸的变化反过来
也会决定凋落物的分解速率和养分循环[18,22] .
本研究发现,主、客场之间土壤微生物生物量碳
及微生物呼吸初始值差异不显著,加入白桦与蒙古
栎叶凋落物后,主场土壤微生物生物量碳、碳代谢利
用效率显著高于客场,而微生物呼吸则表现为主场
略高于客场.由此可知,土壤微生物生物量碳、微生
物代谢熵对蒙古栎及白桦叶凋落物分解主场效应产
生显著的响应,但微生物呼吸未表现出明显的响应.
Kageyama等[23]通过凋落物交互移置试验发现,真
菌比细菌产生更多的生物量,并且森林及草地凋落
物处理土壤微生物生物量碳在森林生态系统中始终
4612 应 用 生 态 学 报 26卷
高于草地生态系统.土壤微生物群落与同生境植被
类群相互适应,因此不同的植物种类林分中微生物
群落组成有所差别,导致土壤微生物多样性不同[5] .
土壤微生物在调节凋落物分解的同时也从中吸收能
量和养分,造成不同土壤微生物间的竞争.这样就会
导致土壤微生物特化而专门分解源于同生境植被种
类的凋落物,使得凋落物在其生长的栖息地比在别
的生境分解更快,产生主场效应[4] .凋落物在客场分
解速率较低,微生物可利用基质相应减少,植物的摄
取与微生物之间产生竞争,微生物必须从维持生长
和繁殖的能量中分流出一部分去补偿由于胁迫所需
要付出的额外能量,因此凋落物在客场分解时,土壤
微生物利用碳的效率较低[24] .反之,凋落物在主场
的分解速率较高,为土壤提供了丰富的有机质,以供
主场微生物利用,促进微生物的大量繁殖,使得其土
壤微生物生物量碳较高.同时,土壤中充足的活性有
机质,不仅能够满足植物生长所需,也为微生物自身
的物质合成和代谢过程提供了大量的碳源.植物摄
取与微生物需求之间矛盾的减弱,使土壤中的微生
物能够更多地利用基质来进行自身的物质合成,从
而保证土壤微生物有较高的碳代谢效率.
土壤微生物的特性通常是由土壤特性(温度、
含水率、结构等)及林地植被特性共同决定的,三者
共同构成一个功能微系统[25] .土壤微生物呼吸不仅
会受到植被类型的影响,土壤温度与含水率也是影
响微生物呼吸的重要因子.土壤温度及含水率过高
或过低都会影响土壤微生物的活动,只有适宜的温
度及水分含量才有利于土壤微生物的生存,进而保
证微生物对土壤有机质具有较高的矿化速率[26-27] .
此外,土壤温度与含水率会共同对土壤微生物呼吸
起作用,二者能解释土壤微生物呼吸的大部分变
化[27] .Strickland 等[28]研究表明,凋落物在主场分解
时,土壤微生物会释放出更多的 CO2 .在本研究中,
主场土壤含水率高于客场,而主场土壤温度则略低
于客场.因此,土壤微生物生物呼吸对凋落物分解主
场效应响应程度较弱的原因,可能是因为土壤温度
及含水率在不同林地间存在差异,以及二者的共同
作用.
本研究中,不同种类凋落物处理土壤微生物生
物量碳、微生物呼吸及代谢熵对主场效应的响应程
度也不同,表现为对蒙古栎凋落物处理的响应程度
高于白桦凋落物.研究表明,不同植物叶凋落物之间
主场效应强度存在差异,这主要是由凋落物质量差
异所引起的[4] .白桦叶凋落物中粗脂肪等相对容易
降解的化学物质含量较高[29],且 N 含量较高,C / N
小.因此,白桦凋落物可以被大多数土壤微生物降
解,土壤微生物特化程度较低,凋落物分解主场效应
强度较小[12,30],土壤微生物碳代谢特征对主场效应
的响应程度也较弱.反之,低质量的蒙古栎凋落物中
木质素、纤维素等不易被降解的化学物质含量较
高[29],土壤中能够快速降解这些化学成分的微生物
很少[12,30],土壤微生物特化程度高.因此,蒙古栎叶
凋落物具有较强的主场效应,土壤微生物碳代谢特
征对蒙古栎凋落物分解主场效应的响应程度也比白
桦凋落物高.
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作者简介 立天宇,男,1989年生,硕士研究生. 主要从事生
态规划与管理研究. E⁃mail: li112702@ sina.com
责任编辑 肖 红
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