植物生态学报 2012, 36 (5): 382–392 doi: 10.3724/SP.J.1258.2012.00382 Chine Journal of Plant Ecology
青藏高原东缘高山森林-苔原交错带土壤微生物生物量碳、氮和可培养微生物数量的季节动态
刘洋张健*闫帮国黄旭徐振锋吴福忠
四川农业大学生态林业研究所, 长江上游林业生态工程省级重点实验室, 成都 611130
摘要为了了解青藏高原东缘高山森林-苔原交错带土壤微生物的特征和季节变化, 研究了米亚罗鹧鸪山原始针叶林、林线、树线、密灌丛、疏灌丛和高山草甸土壤微生物生物量碳(MBC)、氮(MBN)和可培养微生物数量的季节动态。结果表明, 植
被类型和季节动态对MBC、MBN和微生物数量都有显著影响。不同时期的微生物在各植被类型间分布有差异, 植物生长季初
期和生长季中期, 树线以上群落的MBC高于树线下的群落, 而到生长季末期恰恰相反, 暗针叶林、林线和树线的MBC显著升高, 各植被之间MBC的差异减小; 微生物数量基本上也是以树线为界, 树线以下群落土壤微生物数量显著低于树线以上群落, 其中密灌丛的细菌数量最高; 可培养微生物数量为生长季末期>生长季初期>生长季中期。生长季末期真菌数量显著增加,
且MBC/MBN最高。统计分析表明, MBN与细菌、真菌、放线菌数量存在显著的相关关系, 而MBC仅与真菌数量存在显著相关
关系( p < 0.05)。植物生长季末期大量的凋落物输入和雪被覆盖可能是微生物季节变异的外在因素, 而土壤微生物和高山植物
对有效氮的竞争可能是微生物季节变异的内在因素。植物生长季初期对氮的吸收和土壤微生物在植物生长季末期对氮的固定
加强了高山生态系统对氮的利用。气候变暖可能会延长高山植物的生长季, 增加高山土壤微生物生物量, 加速土壤有机质的
分解, 进而改变高山土壤碳的固存速率。
左右逢缘关键词高山森林-苔原交错带, 季节动态, 土壤微生物生物量, 土壤微生物数量
Seasonal dynamics in soil microbial biomass carbon and nitrogen and microbial quantity in a forest-alpine tundra ecotone, Eastern Qinghai-Tibetan Plateau, China
LIU Yang, ZHANG Jian*, YAN Bang-Guo, HUANG Xu, XU Zhen-Feng, and WU Fu-Zhong
Key Laboratory of Forestry Ecological Engineering of Upstream of the Yangtze River of Sichuan Province, Institute of Ecological Forestry, Sichuan Agricul-tural University, Chengdu 611130, China
Abstract
Aims The forest-alpine tundra ecotone is one of the most conspicuous climate-driven ecological boundaries. However, dynamics of soil microbial biomass and quantity during different stages of the growing ason in the ecotone remain unclear. Our objective was to understand the temporal and spatial variations of microbial biomass and quantity to explore the main drivers in the ecotone.
Methods We collected soil samples in a forest-alpine tundra ecotone (dark-conifer forest, timberline, treeline, den shrub,spar shrub and alpine meadow) during early, mid and late growing ason (EGS, MGS and LGS). The number and species composition of soil microorganisms were determined by means of the plate count method. Soil microbial biomass carbon (MBC) and nitrogen (MBN) were measured by the chloroform fumigation leaching method.
Important findings Vegetation and asonality significantly influence MBC, MBN and microbial community structure. Microbial biomass distribution among vegetation types was different in the three stages of the growing ason. MBC above treeline was higher than below during EGS and MG
S. The MBC of dark-conifer forest, tim-berline and treeline during LGS was significantly incread, and MBC differences among different vegetation types decread. There were significant differences in measured soil microbial quantity between above- and below-treeline vegetation types; bacteria of den shrub were highest among vegetation types. The amount of cultivated microorganisms was LGS>EGS>MGS. The ratio of MBC to MBN was the highest and the quantity of fungi incread largely late in the growing ason. Statistical analysis showed that there were significant correla-tions between MBN and bacteria, fungi and actinomyces quantity, while only MBC and fungi quantity were ——————————————————
收稿日期Received: 2011-12-09 接受日期Accepted: 2012-02-15
* 通讯作者Author for correspondence (E-mail: sicauzhangjian@163. com)
刘洋等: 青藏高原东缘高山森林-苔原交错带土壤微生物生物量碳、氮和可培养微生物数量的季节动态 383
doi: 10.3724/SP.J.1258.2012.00382
significantly correlated (p < 0.05). Litter input and snow cover late in the growing ason were extern
al factors of microbial asonal variation. Soil microbes and alpine plants competing for nitrogen may be internal factors. Plant nitrogen absorption early in the growing ason and microorganisms’ nitrogen fixation late in the growing ason enhanced the alpine ecosystem’s nitrogen fixation and utilization. Climate warming may extend the growing a-son of alpine plants, increasing the alpine soil microbial biomass, and accelerate the decomposition of soil organic matter, which may change soil carbon questration rates in the alpine ecosystem.
Key words forest-alpine tundra ecotone, asonal dynamics, soil microbial biomass, soil microbial quantity
高山林线是山地森林最显著的生态界限(Holt- meier, 2003)。由于极端的环境条件, 林线生物类群均处于相对复杂的临界状态, 是典型的生态脆弱区(Butler et al ., 1994)和气候变化敏感地带(Körner & Pauln, 2004)。高山森林-苔原交错带(alpine forest- tundra ecotone, AFTE)涵盖了从暗针叶林到矮曲林、高山灌丛及草甸等各种植被类型, 包括了高山林线(timberline)和树线(treeline)等重要的生态界限(Holtmeier, 2003)。高山森林-苔原交错带是全球高山地区普遍存在的植被过渡区。由于短距离内不同植被类型的交错分布, 使得高山森林与苔原之间基因交流、个体迁移和种替代等过程对气候变化的反应可能更加敏感而迅速(刘洋等, 2009)。因此, 高山森林-苔原交错带成为指示气候变化、能量交换、物质循环及生物多样性预警方面的热点区域(Kupfer & Cairns, 1996; Alftine et al ., 2003; Walther et al .,
2005; Díaz-Varela et al ., 2010)。
植被在高山的受限分布可能导致相应的土壤生态过程的变化, 对环境敏感的土壤微生物可以作为高山气候变化的预警及敏感指标。土壤微生物的群落结构通常受到植被(Balr & Firestone, 2004)和季节动态(Bardgett et al ., 1999; Waldrop & Firestone, 2006; Björk et al ., 2008)的影响。近年来, 有关高山生态系统土壤微生物的研究逐渐增多, 涉及高山苔原土壤微生物群落的季节动态(Björk et al ., 2008), 高山苔原微生物群落结构及功能群(Lipson et al ., 2002), 苔原不同植被类型下土壤微生物生物量、养分有效性及氮矿化潜力(Chu & Grogan, 2010), 高山林线土壤微生物生物量及生理类群数量(齐泽民和王开运, 2009), 高山区土壤微生物数量及其与生态因子的相关性(邵宝林等, 2006)等。但由于高山林线所处的海拔太高, 且开展研究工作难度较大, 对青藏高原东缘高山土壤微生物及其相关的土壤生态过程的研究还十分欠缺。
高山/亚高山是研究气候变化的关键区域, 监控这些敏感和脆弱的生态系统对反映气候变化有重要价值。高山生态系统受季节性雪被的作用明显, 存在明显的生长季节和非生长季节(Schadt et al ., 2003; Björk et al ., 2008)。在川西高山地区, 冬季土壤冻结期长达5–6个月, 每年11月至次年4月形成季节性雪被(Wu et al ., 2010), 从5月到10月是植物开始生长到生长结束的季节。研究发现, 气候变化可能改变高山生态系统的季节性雪被状况和土壤冻融循环过程, 影响高山生态系统碳氮循环(ACIA Secretariat, 2005), 进而显著影响土壤微生物生物量和群落结构(Lipson & Monson, 1998; Koponen et al ., 2006)。
地处青藏高原东缘和长江上游的川西林区分布着世界上海拔较高的高山森林-苔原交错带, 研究该区域的土壤微生物的季节动态及其影响因素对预测和理解全球气候变化对高山生态系统的影响具有重要的意义。因此, 本文以青藏高原东缘的米亚罗鹧鸪山高山森林-苔原交错带(原始针叶林、林线、树线、密灌丛、疏灌丛和高山草甸)的土壤微生物为研究对象, 研究了微生物生物量碳氮和可培养微生物数量的季节动态, 以期深入了解全球气候变化背景下高山生态系统的土壤微生物特征。
1 研究地概况和样地描述
四川省理县米亚罗林区(31°43′–31°51′ N, 102°40′–103°02′ E), 位于青藏高原东缘褶皱带最外缘, 岷江上游主要支流杂谷脑河上游, 海拔2200–5500 m, 年平均气温6–12 , 1℃月平均气温–8 , 7℃月平均气温12.6 , ℃年积温为1200–1400 , ℃年降水量为600–1100 mm, 年蒸发量为1000–1900 mm, 具有降水次数多、强度小的特点。地形以石质山地为主, 土壤具有粗骨(石砾含量高)和薄层等特征。从低海拔到高海拔, 土壤类型依次为山地暗棕壤、棕色针叶林土、高山草甸土。杂谷
384 植物生态学报Chine Journal of Plant Ecology 2012, 36 (5): 382–392
低调奋进
脑河北侧的鹧鸪山山体海拔3200–4800 m, 这是大渡河与岷江的分水岭, 为重要的江河源区。山地的垂直地带性明显, 自河谷至山顶依次分布有针阔混交林、暗针叶林、高山灌丛、高山草甸等。
本研究范围在米亚罗鹧鸪山(31°51′428′′ N 、102°41′230′′ E)海拔3900–4200 m 的高山森林-苔原交错区。从低海拔到高海拔, 植被类型由暗针叶林过渡到高山苔原, 地被物厚度逐渐降低, 土壤类型由棕色针叶林土过渡到高山草甸土。这一区域包括了典型的自然条件下形成的林线和树线, 能很好地反映川西高山森林-苔原交错带植被、土壤及地被物的生态特征。采用GPS 定位, 沿垂直于等高线方向, 在高山森林-苔原区域设置海拔高差300 m 、宽30 m 的3条样带, 样带与样带之间距离约500 m 。在样带上以海拔50 m 间距设置样地(样地面积为30 m × 30 m, 约1000 m 2), 从低海拔到高海拔, 样地分别经过暗针叶林、林线、树线、密灌丛、疏灌丛和高山草甸6个植被群落类型。于2009年8月植被生长旺季, 对样地的基本特征进行了调查, 结果见表1。
礼字开头的成语
高山森林-苔原交错带暗针叶林优势树种是岷江冷杉(Abies faxoniana ), 灌木优势种有大理杜鹃(Rhododendron talien )、皱皮杜鹃(R . wiltonii )、鹧鸪杜鹃(R . zheguen )、冰川茶藨(Ribes glaciale )、华西小檗(Berberis silva-taroucana )、红毛花楸(Sorbus rufopilosa )、 细枝绣线菊(Spiraea myrtilloides )、窄叶鲜卑花(Sibiraea angustata )、柳叶忍冬(Lonicera lanceolata )、刚毛忍冬(L . hispida )、越橘叶忍冬(L . myrtillus )、叉柱柳(Salix divergentistyla )、金露梅
(Potentilla fruticosa ), 草本优势种为野黄韭(Allium rude )、圆穂蓼(Polygonum macrophyllum )、东方草莓(Fragaria orientalis )、肾叶龙胆(Gentiana crassu-loides )、箭叶橐吾(Ligularia sagitta )等。苔藓种类有塔藓(Hylocomium splendens )、锦丝藓(Actinot- huidium hookeri )、大羽藓(Thuidium cymbifol
ium )、万年藓(Clinacium dendroides )、地钱(Marchantiaceae spp.)等。
2 材料和方法
2009年5月4日–11月2日, 在林内距地面1.5 m 和土壤深度10 cm 处分别安置一个纽扣式温度记录器(iButton DS1923-F5, Dallas Semiconducotr, Dallas, USA), 同步监测空气温度和土壤温度, 每2 h 自动记录1次数据。土壤样品采集于2009年5月4号、8月2号和11月2号。各标准地中以“S”形布点, 去除表层的苔藓、枯枝落叶后, 用直径为5 cm 的土钻采集样地内0–10 cm 表层的土壤, 10个样点的土壤混合后作为一个土样。采集的土壤放入无菌塑料袋内, 置于有冰袋的保鲜盒中运回实验室。去掉可见植物残根和石块后, 用四分法取舍, 过2 mm 筛后, 混合均匀, 保存于4 ℃冰箱中备用。土壤中的细菌、真菌和放线菌数量分别采用牛肉蛋白胨培养方法、马铃薯葡萄糖琼脂培养基和高氏1号培养基法测定(中国科学院南京土壤研究所微生物室, 1985), 细菌、真菌、放线菌均采用平板计数法计数。土壤微生物生物量碳和氮采用改进的氯仿熏蒸-K 2SO 4浸提法测定(吴金水, 2006), 提取液中的碳和氮采用有机碳
表1 高山森林-苔原交错带基本特征
Table 1 Basic characteristics of alpine forest-tundra ecotone
样带 Belt tranct
暗针叶林
Dark-conifer forest
林线Timberline 树线 Treeline 密灌丛 Den shrub 疏灌丛 Spar shrub 高山草甸 Alpine meadow 海拔 Elevation (m) 3 900 3 975 4 050 4 105 4 135 4 200 坡向 Slope aspect (°) EN 5
EN 4
EN 5
EN 5
EN 3
EN 3
坡度 Slope degree (°)
32 34 40 36 38 34 木本植物平均高度 Wood average height (m) 22.0 14.0 8.0 5.0 1.5 －
草本植物平均高度 Herbage average height (cm) 10 20 50 35 20 10 郁闭度 Crown density (%)
80 75 70 65 20 －
草本植物盖度 Cover degree of herb (%) 20 30 40 60 90 85 苔藓厚度 Thickness of moss (cm) 10.0 4.5 4.0 1.8 0.5 0.6 枯落物厚度 Thickness of litter (cm)
9.0 8.0 5.8 4.5 2.5 1.2
刘洋等: 青藏高原东缘高山森林-苔原交错带土壤微生物生物量碳、氮和可培养微生物数量的季节动态 385
疲倦的近义词
doi: 10.3724/SP.J.1258.2012.00382
自动分析仪(Total organic carbon analyzer-2500, Shimadzu Corporation, Japan)测定。
采用SPSS 11.5 for Windows 统计软件作统计分析, 对每个植被及每个季节的土壤微生物, 采用单因素方差分析(one-way ANOV A)方法, 检验土壤生物参数在植被类型和季节动态上的差异。用双因素方差分析(two-way ANOV A)检验植被类型和季节动态及其交互作用对土壤微生物生物量碳、氮和微生物数量的影响, 微生物生物量碳、氮与细菌、真菌、放线菌数量的关系采用Pearson 相关分析, 用Excel 做图表。
3 研究结果
3.1 高山森林-苔原交错带大气温度和土壤温度动态
根据温度记录器每2 h 自动监测的数据, 可以看出, 高山森林-苔原交错带5–10月的日平均气温基本都在0 ℃以上(图1A), 土壤月平均温度也都高于0 ℃ (图1B), 这个阶段可作为高山植被的生长季节。生长季节月平均气温和土壤温度分别为: 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月的平均气温和土壤温度最低, 8月的土壤温度最高。因此, 将5月作为高山植物的生长季初期, 8月作为植物生长季
榨菜炒鸡蛋中期, 10月作为生长季末期。不同植被类型之间土壤温度有差异, 从暗针叶林到高山草甸, 5–10月的土壤平均温度为暗针叶林5.25 ℃、林线5.17 ℃、树线5.69 ℃、密灌丛6.81 ℃、疏灌丛8.16 ℃、高山草甸7.86 ℃。各植被类型中, 林线土壤月平均温度最低, 而疏灌丛和高山草甸的土壤月平均温度高于其他植被类型。
3.2 土壤微生物生物量和数量动态
对比交错带不同植被类型的土壤微生物生物量碳氮分布及其比值(图2A 、2B 、2C)和可培养细菌、真菌、放线菌数量(图2D 、2E 、2F)发现, 细菌数量占绝对优势, 占整个微生物总数的91.61%–99.81%, 放线菌数次之, 放线菌的比例介于0.16%–8.31%, 真菌数量最少, 不到微生物总数的0.1%。生长季初期, 林线的土壤微生物生物量碳显著低于高山草甸、疏灌丛和密灌丛, 且林线土壤微生物生物量氮也显著低于其他植被; 树线以下细菌、真菌、放线
图1 2009年5月至10月高山森林-苔原交错带日平均气温(A )和土壤月平均温度(B )动态。AM, 高山草甸; DCF, 暗针叶林; DS, 密灌丛; SS, 疏灌丛; Ti, 林线; Tr, 树线。
Fig. 1 Dynamics of average daily air temperature (A ) and soil temperature at 10 cm depth by month (B ) from May to October, 2009 in the forest-alpine tundra ecotone. AM, alpine meadow; DCF, dark-conifer forest; DS, den shrub; SS, spar shrub; Ti, timberline; Tr, treeline.
菌数量显著低于树线以上。在生长季中期, 草甸的微生物生物量碳、氮最高, 草甸和密灌丛微生物生物量碳显著大于其他植被, 密灌丛的微生物生物量氮显著高于其他植被, 林线的土壤微生物生物量氮显著低于其他植被; 树线以下土壤细菌数量显著低于树线以上, 草甸土壤真菌数量显著高于其他植被, 密灌丛土壤放线菌数量显著高于其他植被。生长季末期, 密灌丛土壤的微生物生物量碳显著低于其他植被, 树线以下微生物生物量氮、细菌及放线菌数量显著低于树线以上, 林线和暗针叶林土壤的真菌数量显著低于其他植被。暗针叶林、林线和树线的土壤MBC/MBN 显著高于其他植被类型。
对比交错带不同季节微生物的变化, 各植被类型微生物生物量碳(MBC )初期显著低于中期和末期, 疏灌丛、树线、林线和暗针叶林三个季节间MBC 差异显著。各植被类型的微生物生物量氮(MBN )的季节变化趋势不一致, 但林线MBN 具有显著的季节
386 植物生态学报Chine Journal of Plant Ecology 2012, 36 (5): 382–392
图2 高山森林-苔原交错带土壤微生物生物量碳(A )、氮(B )和碳氮比(C )和可培养细菌(D )、真菌(E )、放线菌(F )数量的季节变化(平均值±标准偏差)。不同小写字母表示相同季节里植被之间差异显著(p < 0.05); 不同大写字母表示相同植被在不同季节之间差异显著(p < 0.05)。EGS, 生长季初期; LGS, 生长季末期; MGS, 生长季中期。AM, 高山草甸; DCF, 暗针叶林; DS, 密灌丛; SS, 疏灌丛; Ti, 林线; Tr, 树线。高中开学
Fig. 2 Seasonal changes of soil microbial biomass carbon (A ), nitrogen (B ) and C: N (C ), as well as quantity of cultivate bacteria (D ), fungi (E ) and actinomycetes (F ) of soil in forest-alpine tundra ecotone (mean ± SD ). Lower ca letters indicate significant dif-ferences among different vegetations within same ason (p < 0.05); upper ca letters indicate significant differences among differ-ent asons within same vegetation (p < 0.05). EGS, early in the growing ason; LGS, late in the growing ason; MGS, middle in the growing ason. AM, alpine meadow; DCF, dark-conifer forest; DS, den shrub; SS, spar shrub; Ti, timberline; Tr, treeline.
变化。暗针叶林、林线、树线和高山草甸末期的土壤细菌数量显著高于生长季初期和中期, 密灌丛中期的土壤细菌数量显著高于初期和末期。树线、疏灌丛和高山草甸末期的土壤真菌数量显著高于初期和中期, 林线季节之间土壤真菌数量差异不显著。树线以上的土壤放线菌数量在植物生长季末期
礼仪的特点
显著大于生长季初期和生长季中期, 树线以下土壤放线菌数量在季节之间差异不显著。MBC /MBN 的趋势为生长季末期>生长季中期>生长季初期。
圆的平方以植被类型和季节变异作为处理因子, 对土壤微生物生物量碳、氮及其比值, 以及细菌、真菌、放线菌数量进行双因素方差分析, 结果见表2。总的
