青藏高原東緣高山森林-苔原交錯帶土壤微生物的生態(tài)特征

青藏高原東緣高山森林-苔原交錯帶土壤微生物的生態(tài)特征

高山山脈是高山森林最顯著的生態(tài)邊界（holtmeie，2003）。由于極端的環(huán)境條件,林線生物類群均處于相對復(fù)雜的臨界狀態(tài),是典型的生態(tài)脆弱區(qū)(Butleretal.,1994)和氣候變化敏感地帶(K?rner&Paulsen,2004)。高山森林-苔原交錯帶(alpineforesttundraecotone,AFTE)涵蓋了從暗針葉林到矮曲林、高山灌叢及草甸等各種植被類型,包括了高山林線(timberline)和樹線(treeline)等重要的生態(tài)界限(Holtmeier,2003)。高山森林-苔原交錯帶是全球高山地區(qū)普遍存在的植被過渡區(qū)。由于短距離內(nèi)不同植被類型的交錯分布,使得高山森林與苔原之間基因交流、個體遷移和種替代等過程對氣候變化的反應(yīng)可能更加敏感而迅速(劉洋等,2009)。因此,高山森林-苔原交錯帶成為指示氣候變化、能量交換、物質(zhì)循環(huán)及生物多樣性預(yù)警方面的熱點(diǎn)區(qū)域(Kupfer&Cairns,1996;Alftineetal.,2003;Waltheretal.,2005;Díaz-Varelaetal.,2010)。植被在高山的受限分布可能導(dǎo)致相應(yīng)的土壤生態(tài)過程的變化,對環(huán)境敏感的土壤微生物可以作為高山氣候變化的預(yù)警及敏感指標(biāo)。土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)通常受到植被(Balser&Firestone,2004)和季節(jié)動態(tài)(Bardgettetal.,1999;Waldrop&Firestone,2006;Bj?rketal.,2008)的影響。近年來,有關(guān)高山生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物的研究逐漸增多,涉及高山苔原土壤微生物群落的季節(jié)動態(tài)(Bj?rketal.,2008),高山苔原微生物群落結(jié)構(gòu)及功能群(Lipsonetal.,2002),苔原不同植被類型下土壤微生物生物量、養(yǎng)分有效性及氮礦化潛力(Chu&Grogan,2010),高山林線土壤微生物生物量及生理類群數(shù)量(齊澤民和王開運(yùn),2009),高山區(qū)土壤微生物數(shù)量及其與生態(tài)因子的相關(guān)性(邵寶林等,2006)等。但由于高山林線所處的海拔太高,且開展研究工作難度較大,對青藏高原東緣高山土壤微生物及其相關(guān)的土壤生態(tài)過程的研究還十分欠缺。高山/亞高山是研究氣候變化的關(guān)鍵區(qū)域,監(jiān)控這些敏感和脆弱的生態(tài)系統(tǒng)對反映氣候變化有重要價值。高山生態(tài)系統(tǒng)受季節(jié)性雪被的作用明顯,存在明顯的生長季節(jié)和非生長季節(jié)(Schadtetal.,2003;Bj?rketal.,2008)。在川西高山地區(qū),冬季土壤凍結(jié)期長達(dá)5–6個月,每年11月至次年4月形成季節(jié)性雪被(Wuetal.,2010),從5月到10月是植物開始生長到生長結(jié)束的季節(jié)。研究發(fā)現(xiàn),氣候變化可能改變高山生態(tài)系統(tǒng)的季節(jié)性雪被狀況和土壤凍融循環(huán)過程,影響高山生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)(ACIASecretariat,2005),進(jìn)而顯著影響土壤微生物生物量和群落結(jié)構(gòu)(Lipson&Monson,1998;Koponenetal.,2006)。地處青藏高原東緣和長江上游的川西林區(qū)分布著世界上海拔較高的高山森林-苔原交錯帶,研究該區(qū)域的土壤微生物的季節(jié)動態(tài)及其影響因素對預(yù)測和理解全球氣候變化對高山生態(tài)系統(tǒng)的影響具有重要的意義。因此,本文以青藏高原東緣的米亞羅鷓鴣山高山森林-苔原交錯帶(原始針葉林、林線、樹線、密灌叢、疏灌叢和高山草甸)的土壤微生物為研究對象,研究了微生物生物量碳氮和可培養(yǎng)微生物數(shù)量的季節(jié)動態(tài),以期深入了解全球氣候變化背景下高山生態(tài)系統(tǒng)的土壤微生物特征。1樣地設(shè)置及調(diào)查四川省理縣米亞羅林區(qū)(31°43′–31°51′N,102°40′–103°02′E),位于青藏高原東緣褶皺帶最外緣,岷江上游主要支流雜谷腦河上游,海拔2200–5500m,年平均氣溫6–12℃,1月平均氣溫–8℃,7月平均氣溫12.6℃,年積溫為1200–1400℃,年降水量為600–1100mm,年蒸發(fā)量為1000–1900mm,具有降水次數(shù)多、強(qiáng)度小的特點(diǎn)。地形以石質(zhì)山地為主,土壤具有粗骨(石礫含量高)和薄層等特征。從低海拔到高海拔,土壤類型依次為山地暗棕壤、棕色針葉林土、高山草甸土。雜谷腦河北側(cè)的鷓鴣山山體海拔3200–4800m,這是大渡河與岷江的分水嶺,為重要的江河源區(qū)。山地的垂直地帶性明顯,自河谷至山頂依次分布有針闊混交林、暗針葉林、高山灌叢、高山草甸等。本研究范圍在米亞羅鷓鴣山(31°51′428′′N、102°41′230′′E)海拔3900–4200m的高山森林-苔原交錯區(qū)。從低海拔到高海拔,植被類型由暗針葉林過渡到高山苔原,地被物厚度逐漸降低,土壤類型由棕色針葉林土過渡到高山草甸土。這一區(qū)域包括了典型的自然條件下形成的林線和樹線,能很好地反映川西高山森林-苔原交錯帶植被、土壤及地被物的生態(tài)特征。采用GPS定位,沿垂直于等高線方向,在高山森林-苔原區(qū)域設(shè)置海拔高差300m、寬30m的3條樣帶,樣帶與樣帶之間距離約500m。在樣帶上以海拔50m間距設(shè)置樣地(樣地面積為30m×30m,約1000m2),從低海拔到高海拔,樣地分別經(jīng)過暗針葉林、林線、樹線、密灌叢、疏灌叢和高山草甸6個植被群落類型。于2009年8月植被生長旺季,對樣地的基本特征進(jìn)行了調(diào)查,結(jié)果見表1。高山森林-苔原交錯帶暗針葉林優(yōu)勢樹種是岷江冷杉(Abiesfaxoniana),灌木優(yōu)勢種有大理杜鵑(Rhododendrontaliense)、皺皮杜鵑(R.wiltonii)、鷓鴣杜鵑(R.zheguense)、冰川茶藨(Ribesglaciale)、華西小檗(Berberissilva-taroucana)、紅毛花楸(Sorbusrufopilosa)、細(xì)枝繡線菊(Spiraeamyrtilloides)、窄葉鮮卑花(Sibiraeaangustata)、柳葉忍冬(Loniceralanceolata)、剛毛忍冬(L.hispida)、越橘葉忍冬(L.myrtillus)、叉柱柳(Salixdivergentistyla)、金露梅(Potentillafruticosa),草本優(yōu)勢種為野黃韭(Alliumrude)、圓穂蓼(Polygonummacrophyllum)、東方草莓(Fragariaorientalis)、腎葉龍膽(Gentianacrassuloides)、箭葉橐吾(Ligulariasagitta)等。苔蘚種類有塔蘚(Hylocomiumsplendens)、錦絲蘚(Actinothuidiumhookeri)、大羽蘚(Thuidiumcymbifolium)、萬年蘚(Clinaciumdendroides)、地錢(Marchantiaceaespp.)等。2樣地的采集和測定2009年5月4日–11月2日,在林內(nèi)距地面1.5m和土壤深度10cm處分別安置一個紐扣式溫度記錄器(iButtonDS1923-F5,DallasSemiconducotr,Dallas,USA),同步監(jiān)測空氣溫度和土壤溫度,每2h自動記錄1次數(shù)據(jù)。土壤樣品采集于2009年5月4號、8月2號和11月2號。各標(biāo)準(zhǔn)地中以“S”形布點(diǎn),去除表層的苔蘚、枯枝落葉后,用直徑為5cm的土鉆采集樣地內(nèi)0–10cm表層的土壤,10個樣點(diǎn)的土壤混合后作為一個土樣。采集的土壤放入無菌塑料袋內(nèi),置于有冰袋的保鮮盒中運(yùn)回實(shí)驗室。去掉可見植物殘根和石塊后,用四分法取舍,過2mm篩后,混合均勻,保存于4℃冰箱中備用。土壤中的細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量分別采用牛肉蛋白胨培養(yǎng)方法、馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養(yǎng)基和高氏1號培養(yǎng)基法測定(中國科學(xué)院南京土壤研究所微生物室,1985),細(xì)菌、真菌、放線菌均采用平板計數(shù)法計數(shù)。土壤微生物生物量碳和氮采用改進(jìn)的氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測定(吳金水,2006),提取液中的碳和氮采用有機(jī)碳自動分析儀(Totalorganiccarbonanalyzer-2500,ShimadzuCorporation,Japan)測定。采用SPSS11.5forWindows統(tǒng)計軟件作統(tǒng)計分析,對每個植被及每個季節(jié)的土壤微生物,采用單因素方差分析(one-wayANOVA)方法,檢驗土壤生物參數(shù)在植被類型和季節(jié)動態(tài)上的差異。用雙因素方差分析(two-wayANOVA)檢驗植被類型和季節(jié)動態(tài)及其交互作用對土壤微生物生物量碳、氮和微生物數(shù)量的影響,微生物生物量碳、氮與細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量的關(guān)系采用Pearson相關(guān)分析,用Excel做圖表。3研究結(jié)果3.1溫度和土壤溫度根據(jù)溫度記錄器每2h自動監(jiān)測的數(shù)據(jù),可以看出,高山森林-苔原交錯帶5–10月的日平均氣溫基本都在0℃以上(圖1A),土壤月平均溫度也都高于0℃(圖1B),這個階段可作為高山植被的生長季節(jié)。生長季節(jié)月平均氣溫和土壤溫度分別為:5月4.12℃和3.33℃、6月6.74℃和6.08℃、7月8.95℃和8.86℃、8月8.71℃和9.16℃、9月7.57℃和8.30℃、10月1.46℃和3.22℃。其中,5月和10月的平均氣溫和土壤溫度最低,8月的土壤溫度最高。因此,將5月作為高山植物的生長季初期,8月作為植物生長季中期,10月作為生長季末期。不同植被類型之間土壤溫度有差異,從暗針葉林到高山草甸,5–10月的土壤平均溫度為暗針葉林5.25℃、林線5.17℃、樹線5.69℃、密灌叢6.81℃、疏灌叢8.16℃、高山草甸7.86℃。各植被類型中,林線土壤月平均溫度最低,而疏灌叢和高山草甸的土壤月平均溫度高于其他植被類型。3.2不同植被類型的土壤微生物生物量對比交錯帶不同植被類型的土壤微生物生物量碳氮分布及其比值(圖2A、2B、2C)和可培養(yǎng)細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量(圖2D、2E、2F)發(fā)現(xiàn),細(xì)菌數(shù)量占絕對優(yōu)勢,占整個微生物總數(shù)的91.61%–99.81%,放線菌數(shù)次之,放線菌的比例介于0.16%–8.31%,真菌數(shù)量最少,不到微生物總數(shù)的0.1%。生長季初期,林線的土壤微生物生物量碳顯著低于高山草甸、疏灌叢和密灌叢,且林線土壤微生物生物量氮也顯著低于其他植被;樹線以下細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量顯著低于樹線以上。在生長季中期,草甸的微生物生物量碳、氮最高,草甸和密灌叢微生物生物量碳顯著大于其他植被,密灌叢的微生物生物量氮顯著高于其他植被,林線的土壤微生物生物量氮顯著低于其他植被;樹線以下土壤細(xì)菌數(shù)量顯著低于樹線以上,草甸土壤真菌數(shù)量顯著高于其他植被,密灌叢土壤放線菌數(shù)量顯著高于其他植被。生長季末期,密灌叢土壤的微生物生物量碳顯著低于其他植被,樹線以下微生物生物量氮、細(xì)菌及放線菌數(shù)量顯著低于樹線以上,林線和暗針葉林土壤的真菌數(shù)量顯著低于其他植被。暗針葉林、林線和樹線的土壤MBC/MBN顯著高于其他植被類型。對比交錯帶不同季節(jié)微生物的變化,各植被類型微生物生物量碳(MBC)初期顯著低于中期和末期,疏灌叢、樹線、林線和暗針葉林三個季節(jié)間MBC差異顯著。各植被類型的微生物生物量氮(MBN)的季節(jié)變化趨勢不一致,但林線MBN具有顯著的季節(jié)變化。暗針葉林、林線、樹線和高山草甸末期的土壤細(xì)菌數(shù)量顯著高于生長季初期和中期,密灌叢中期的土壤細(xì)菌數(shù)量顯著高于初期和末期。樹線、疏灌叢和高山草甸末期的土壤真菌數(shù)量顯著高于初期和中期,林線季節(jié)之間土壤真菌數(shù)量差異不顯著。樹線以上的土壤放線菌數(shù)量在植物生長季末期顯著大于生長季初期和生長季中期,樹線以下土壤放線菌數(shù)量在季節(jié)之間差異不顯著。MBC/MBN的趨勢為生長季末期>生長季中期>生長季初期。以植被類型和季節(jié)變異作為處理因子,對土壤微生物生物量碳、氮及其比值,以及細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量進(jìn)行雙因素方差分析,結(jié)果見表2?？偟膩砜?植被類型、季節(jié)變化及其兩者的交互效應(yīng)對土壤微生物生物量碳、氮及其比值,以及細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量都有顯著作用(p<0.001或p=0.0044)。三個季節(jié)的微生物數(shù)據(jù)的相關(guān)分析結(jié)果(圖3)表明,土壤微生物生物量碳、氮與細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量存在一定的線性正相關(guān)關(guān)系。其中,MBC與真菌數(shù)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.05),MBC與細(xì)菌、放線菌數(shù)量相關(guān)性不顯著(p>0.05);MBN與細(xì)菌、真菌數(shù)量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01),MBN與放線菌數(shù)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.05)。4不同生長季節(jié)和立地條件下群落特征與土壤微生物群落的季節(jié)動態(tài)變化土壤微生物生物量和數(shù)量的分布受氣候條件、土壤質(zhì)地、植被組成和覆蓋度的綜合影響(Nielsenetal.,2009)。許多研究發(fā)現(xiàn),土壤微生物與地上植被的關(guān)系密切(Lipson&Monson,1998;Rajaniemi&Allison,2009),植被類型會影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和數(shù)量。Imberger和Chiu(2001)的研究表明,從高山針葉林過渡到草甸,10cm土層的微生物生物量顯著下降。也有相反的結(jié)論:武夷山中亞熱帶常綠闊葉林、針葉林、亞高山矮林,以及高山草甸土壤微生物生物量隨海拔升高而增大(何容等,2009)。本研究發(fā)現(xiàn),不同時期土壤微生物在各植被類型間分布有差異。植物生長季初期和生長季中期,樹線以上群落的MBC高于樹線下的群落,而到生長季末期則恰恰相反,暗針葉林、林線和樹線MBC顯著升高,各植被間MBC的差異減小,可能是生長季末期森林凋落物的大量輸入和雪被覆蓋所致。土壤微生物數(shù)量基本上也是以樹線為界,樹線以下群落土壤微生物數(shù)量顯著低于樹線以上群落,其中密灌叢的土壤細(xì)菌數(shù)量最多?？赡苡捎诓荼局参锔蛋l(fā)達(dá),密集于表層,根系分泌物和脫落物是微生物豐富的能源物質(zhì),有利于土壤養(yǎng)分的積累和微生物的生長繁殖(丁玲玲等,2007;何容等,2009)。同時,植被也會影響土壤溫度和水分等環(huán)境特征,這都是影響微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的潛在因素。低溫和短的生長季是高山生態(tài)系統(tǒng)的兩個主要特征。溫度控制假說認(rèn)為,生長季節(jié)平均土壤溫度(10cm深處)(6.7±0.8)℃是全球林線分布的控制因子(K?rner&Paulsen,2004)。從生長季節(jié)土壤月平均溫度來看,并不是隨海拔升高土壤溫度呈降低趨勢,疏灌叢和高山草甸的土壤月平均溫度高于其他植被類型,林線所處的土壤月平均溫度最低。鷓鴣山林線海拔接近4000m,而王朗自然保護(hù)區(qū)林線海拔3300m,海拔、溫度、植被等因素可能導(dǎo)致鷓鴣山林線交錯帶土壤微生物總數(shù)少于王朗林線交錯帶的土壤微生物數(shù)量(齊澤民和王開運(yùn),2009)。一些研究表明,交錯帶物質(zhì)交換和能量流動比相鄰的群落更頻繁、物種多樣性更高(Risser,1995;Callawayetal.,2002),如王朗自然保護(hù)區(qū)林線過渡帶比鄰近植被土壤具有相對較強(qiáng)的生物學(xué)活性,表層土壤細(xì)菌、真菌、放線菌及微生物總量高于鄰近植被上緣流石灘草甸與下緣冷杉林(齊澤民等,2009)。但本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),林線的土壤微生物生物量和數(shù)量在整個森林-苔原交錯帶中并不是最高的。土壤微生物群落的季節(jié)動態(tài)對于植物吸收利用土壤中的氮有重要意義。植物和微生物在季節(jié)動態(tài)上盡量避免對氮的競爭,植物生長季初期對氮吸收和微生物在生長期末對氮的固定增強(qiáng)了高山生態(tài)系統(tǒng)對氮的固定和利用(Jaegeretal.,1999;Milleretal.,2009)。微生物生物量的周轉(zhuǎn)是植物生長季節(jié)吸收有機(jī)氮和無機(jī)氮的最大來源(Schmidtetal.,2007)。在科羅拉多州的高山草甸的土壤,已觀察到微生物生物量在秋季和冬季增長而在融雪的春季迅速下降(Lipsonetal.,2002),這些微生物生物量的季節(jié)變化與高山植物對有效性氮的利用相關(guān)。融雪造成大量的蛋白質(zhì)從冬季微生物中釋放出來,這些蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為生長期可供植物吸收的氨基酸。Lipson和Monson(1998)的研究表明,植物在生長季前期大量吸收氮用于植物生長,微生物對氮的固定主要發(fā)生在植物凋落后。土壤微生物生物量和數(shù)量的季節(jié)波動與植物生長季末期大量的凋落物輸入有關(guān)(Liuetal.,2003;Schadtetal.,2003;Devi&Yadava,2006;Waldrop&Firestone,2006;Nielsenetal.,2009),因為10月正是高山植物凋落的高峰期。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),植物生長季初期的MBC顯著低于生長季中期和末期,可能是因為積雪融化后大量的真菌降解轉(zhuǎn)化,導(dǎo)致MBC降低。MBN的季節(jié)變化趨勢各植被之間有差異,并不是所有的植被都表現(xiàn)為生長季末期高于生長季初期和中期,只有高山草甸和林線的季節(jié)變化與MBC一致,可能是Lipson和Monson(1998)與Lipson等(2002)的研究只限于高山嵩草草甸,并沒有包括針葉林和灌叢等植被類型,植被類型和微環(huán)境的差異可能造成MBN的季節(jié)變化不同。相關(guān)研究也證明:不同植被類型、季節(jié)變化和年際動態(tài)對土壤微生物群落組成和數(shù)量都有顯著影響(Kieftetal.,1998;劉滿強(qiáng)等,2003;Waldrop&Firestone,2006)。土壤微生物主要以植物殘體為營養(yǎng)源,森林-苔原交錯帶凋落物的質(zhì)和量的變化必然導(dǎo)致土壤微生物在各植物群落中分布不均一(Lipson&Monson,1998;Sunetal.,2009)。地上/地下凋落物調(diào)節(jié)著土壤碳氮庫大小及周轉(zhuǎn)速率,進(jìn)而影響了土壤微生物的群落構(gòu)成和生物量(Bardgettetal.,1999;Sunetal.,2009)。Waldrop和Firestone(2006)也研究證實(shí),植被或季節(jié)的變化實(shí)質(zhì)上導(dǎo)致了土壤生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分和碳循環(huán)的改變,從而影響了微生物群落的結(jié)構(gòu)。由于本研究缺乏對各植被類型凋落物輸入量、土壤有效養(yǎng)分的監(jiān)測,引起土壤微生物在植被類型和季節(jié)動態(tài)上的變異機(jī)制還有待于進(jìn)一步研究。通常真菌和細(xì)菌在土壤環(huán)境中占據(jù)不同的生態(tài)位,細(xì)菌在土壤氮轉(zhuǎn)化過程中起著重要作用,而真菌在土壤碳和能源循環(huán)過程中作用巨大(Imberger&Chiu,2001;楊萬勤等,2006)。本研究結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn),MBC與土壤真菌數(shù)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,MBN與土壤細(xì)菌數(shù)量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。定量真菌/細(xì)菌的比例很重要(West,1986)。土壤微生物生物量碳氮比反映了土壤中真菌和細(xì)菌的比例(Fauci&Dick,1994)。本項研究結(jié)果表明,生長季末期MBC/MBN顯著增加,說明土壤真菌數(shù)量增多。雖然對細(xì)菌和真菌各自的生物量還無法判斷,但從可培養(yǎng)的微生物數(shù)量來看,生長季末期真菌數(shù)量較生長季初期和中期顯著增多。秋冬季土壤生態(tài)系統(tǒng)中真菌占優(yōu)勢,主要是真菌比細(xì)菌更善于消化纖維素,有利于分解凋落物,而在夏季,植物生長分泌出的淀粉和糖能為土壤細(xì)菌提供食物來源(Krajick,2006)。Pennisi(2003)研究發(fā)現(xiàn),真菌是冬季土壤微生物的優(yōu)勢類群,真菌生物量冬季是夏季的3倍,冬季真菌的生物量是細(xì)菌的15倍。Lipson等(2002)對落基山干旱草甸的研究表明,土壤微生物生物量在秋冬季升高,春季雪被融化后迅速降低,冬季真菌與細(xì)菌的比值更高。苔原土壤微生物生物量在冬季積雪達(dá)到高峰期,真菌生物量占大多數(shù)(Schadtetal.,2003)。Imberger和Chiu(2001)研究認(rèn)為,從亞高山針葉林過渡到高山草甸,0–10cm表層土壤的真菌/細(xì)菌比例降低,說明隨著植被變化土壤中的木質(zhì)素和纖維素含量逐漸降低。我們研究發(fā)現(xiàn),生長季中期和生長季末期的MBC/MBN在樹線區(qū)域最高,且可培養(yǎng)的土壤真菌/細(xì)菌比值在整個生長季節(jié)也是樹線區(qū)域最高,可能是樹線區(qū)域土壤中木質(zhì)素和纖維素含量偏高。但本實(shí)驗沒有測定土壤中木質(zhì)素和纖維素的含量,還需進(jìn)一步研究。高山生態(tài)系統(tǒng)是受氣候變化影響最明顯的區(qū)域(IPCC,2007)。Pauli等