淹水梯度對紅樹林濕地土壤微生物生物量與酶活性的影響

陳玉軍李 婷朱立安林 梓賈 桐朱 虎

(1.中國林業科學研究院 熱帶林業研究所,廣東 廣州510520;2.廣東省科學院生態環境與土壤研究所 華南土壤污染控制與修復國家地方聯合工程研究中心 廣東省農業環境綜合治理重點實驗室,廣東 廣州510650;3.佛山科學技術學院 食品科學與工程學院,廣東 佛山528000)

作為生態系統的重要組成部分,土壤微生物和酶直接或間接參與土壤養分循環、能量流動、有機物質轉化等生物化學過程[1-2],是環境變化的敏感指標[3-4],對土壤養分、結構、穩定性和植被恢復有重要影響[4]。土壤微生物是驅動地球生物化學循環的引擎[5],其生物量是土壤中不涵蓋根系等大型動植物體,體積小于5.00×103μm3的生物總量[6],是土壤有機質、養分轉化和循環的動力,是植物重要的養分儲備[1]。土壤微生物生物量變化和生態化學計量比可在很大程度上決定土壤微生物分解和礦化效率[7]。研究土壤微生物生物量及其生態化學計量比可判斷土壤養分限制,明確土壤質量和土壤健康狀況[8]。土壤酶是催化土壤有機質分解的蛋白質,主要源于土壤微生物、植物根系和動物分泌物[9],其中土壤β-葡萄糖苷酶主要參與土壤纖維素降解的碳循環過程[10],脲酶主要參與土壤有機質中蛋白質和氨基酸水解,其活性可以指示土壤對氮素的需求和利用,酸性磷酸酶主要參與土壤有機磷礦化,其活性高低直接影響土壤有機磷的分解轉化及生物有效性[11]。土壤酶活性可指征土壤生產力和微生物活性,反映各種生物化學過程的方向和強度[12-13]。土壤微生物是酶的重要來源之一,影響土壤微生物活性的因素亦影響土壤酶活性,兩者聯系緊密[14]。明確紅樹林土壤微生物生物量與酶活性對不同淹水梯度的響應,可揭示紅樹林隨淹水時間延長其土壤質量的變化特征及影響因素,加深對紅樹林土壤碳、氮、磷地球化學循環特征的認識。

紅樹林是生長在熱帶、亞熱帶潮間帶獨特的木本植物群落,具有很高的初級生產力水平,被認為是世界上碳儲量最高的生態系統之一,一般分布在平均海平面至最高潮時潮水所能淹沒的區域,受海水周期性淹沒的影響[15-16]。淹水梯度控制潮灘濕地與鄰近海洋系統之間水文、能量和營養物質的交換,它的變化使土壤性質和微生物群落組成存在差異,這勢必引起土壤養分、微生物生物量與酶活性的變化[17-18]。目前,關于濕地淹水梯度的研究多涉及土壤理化性質、微生物群落結構和功能、初級生產力、二氧化碳吸收通量和生態系統功能等方面[3,19-22],而對于淹水梯度下紅樹林土壤微生物生物量和酶活性方面的研究尚缺乏相關報道?；诖?本研究選取湛江紅樹林不同淹水頻率沉積物土壤為研究對象,明確不同淹水頻率下紅樹林土壤微生物生物量碳氮磷和酶活性的空間異質性,以期厘清各淹水頻率下紅樹林土壤質量狀況及其生態效應,為該區域紅樹林保護與管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于廣東省雷州半島附城鎮邁奏村,屬廣東湛江紅樹林國家級自然保護區,系紅樹人工林。研究區內地勢較平坦,屬亞熱帶濕潤性季風氣候,光照充足,熱量豐富,年溫差明顯,干濕分明,區域內降雨不均勻,無霜期較長。年平均氣溫15.9℃,年平均降雨量1 711.6 mm,年平均日照時數為2 003.6 h,年均氣溫22℃。

1.2 樣地選擇與樣品采集

于2021年4月22日在研究地,依據潮間帶分布情況及紅樹林群落類型,每潮位設置3個20 m×20 m樣地,平行樣地間距40 m左右,分別采集低潮位(KT)、中低潮位(KD)、中潮位(DD)、中高潮位(ZZ)、高潮位(ZG)沉積物樣品(表1)。采集樣品時,每個樣方內按照對角線取樣方式,多點采集表層0—20 cm土壤,均勻混合分別裝入密封封口袋,低溫保存并迅速運回實驗室,將樣品均分為兩份,一份挑選出雜物存于冰箱待測,另一份自然風干后過篩裝袋待測。

表1 樣地基本信息

1.3 樣品測定

微生物生物量碳、氮(MBC,MBN)采用氯仿熏蒸—浸提法[23],0.5 mol/L K2SO4溶液浸提,總有機碳自動分析儀測定。以熏蒸和未熏蒸土樣提取的有機碳和全氮差值(EC,EN)除以轉換系數KC(0.45)、KN(0.54)分別作為MBC和MBN含量。土壤微生物生物量磷(MBP)采用氯仿熏蒸—浸提法[24],0.5 mol/L Na HCO3溶液浸提,紫外分光光度計測定,除熏蒸和未熏蒸處理外,另設置一組處理測定外加正磷酸鹽態無機磷(Pi)的回收率,用以校正土壤對熏蒸處理所釋放出來的微生物生物量磷的吸附和固定。以熏蒸和未熏蒸土樣提取的磷差值(EP)除以轉換系數KP(0.40)和Pi作為MBP含量。計算公式為:

微生物熵碳(qMBC)、微生物熵氮(qMBN)、微生物熵磷(qMBP)分別以土壤微生物生物量碳、氮、磷占土壤有機碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)的百分比表示。計算公式為:

土壤β-葡萄糖苷酶活性采用p NPG法,酶活性以單位土壤質量消耗的0.1 mol/L Na2S2O3的量(L/kg)表示。土壤脲酶活性采用堿皿擴散法,酶活性以單位土壤在37℃培養24 h釋放出NH3-N的量(mg/kg)表示。土壤酸性磷酸酶活性采用4-氨基—安替比林比色法測定,酶活性以單位土壤在37℃培養12 h后生成酚的量(mg/kg)表示[25]。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2010對試驗數據進行統計處理,運用SPSS 21.0進行數據分析,對所有數據進行正態性和方差齊性檢驗。符合正態分布、方差齊次,則對不同潮位梯度的差異進行單因素方差(oneway ANOVA)分析,使用Tukey檢驗,反之則使用韋爾奇方差(Welch’s ANOVA)分析,使用Games-Howell檢驗,p＜0.05表示差異顯著。使用Pearson相關分析,研究土壤微生物生物量與酶活性間的相關關系,*表示顯著相關(p＜0.05,雙尾),**表示極顯著相關(p＜0.01,雙尾)。使用R中Rdacca.hp包[26]進行冗余分析(RDA),Origin 2021軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 淹水梯度對土壤微生物生物量的影響

紅樹林表層土壤微生物生物量碳、氮(MBC,MBN)含量變化趨勢相似(見表2),變化范圍分別介于3.39～100.52 mg/kg,0.41～25.02 mg/kg,隨淹水梯度的增加而減少(p＜0.001),高潮位土壤MBC,MBN最高,表現為:高潮位＞中高潮位＞中潮位＞中低潮位＞低潮位,低潮位、中低潮位、中潮位、中高潮位土壤MBC較高潮位分別降低96.7%,93.9%,74.8%,36.0%,MBN較高潮位分別降低98.4%,93.8%,89.1%,15.6%。土壤微生物生物量磷(MBP)在不同淹水梯度間差異顯著(p＜0.001),變化范圍為1.62～41.89 mg/kg,中高潮位土壤MBP顯著高于其他潮位(p＜0.001),其中高潮位和低潮位、中低潮位、中潮位之間差異顯著(p＜0.001),低潮位和中低潮位、中潮位之間差異顯著(p＜0.01)。

表2 不同淹水梯度土壤微生物生物量變化特征

淹水梯度顯著影響紅樹林表層土壤微生物熵碳(qMBC)、微生物熵氮(qMBN)、微生物熵磷(qMBP)(p＜0.001)(圖1),變化范圍分別介于0.14%～0.60%,1.29%～24.69%和0.22%～5.96%。qMBC和qMBN變化趨勢相同,隨淹水頻率的減少表現為先增后降的趨勢,中高潮位為最大值,低潮位、中低潮位、中潮位、高潮位qMBC較中高潮位分別降低76.3%,47.3%,13.7%,21.6%,qMBN較中高潮位分別顯著降低94.8%,81.7%,78.6%,34.8%(p＜0.001)。qMBP隨淹水頻率的減少呈先降后升再降的變化趨勢,中高潮位顯著高于其他潮位(p＜0.05),低潮位、中低潮位、中潮位、高潮位qMBP比中高潮位分別降低80.7%,91.3%,96.4%,75.3%。

圖1 不同淹水梯度土壤微生物熵變化特征

2.2 淹水梯度對紅樹林土壤酶活性的影響

淹水梯度顯著影響紅樹林表層土壤β-葡萄糖苷酶、脲酶、酸性磷酸酶活性(p＜0.01)(圖2),其變化范圍分別介于19.9～145.0 L/kg,156.5～196.0 mg/kg,10.1～173.0 mg/kg。

圖2 不同淹水梯度土壤酶活性變化特征

土壤β-葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶活性隨淹水頻率的減少呈先增后降的趨勢,表現為:中高潮位＞高潮位＞中潮位＞中低潮位＞低潮位,低潮位、中低潮位、中潮位、高潮位β-葡萄糖苷酶活性較中高潮位分別顯著降低86.3%,72.7%,69.4%,64.3%(p＜0.001),低潮位、中低潮位、中潮位酸性磷酸酶活性較中高潮位分別顯著降低94.2%,92.7%,75.5%(p＜0.001),高潮位與中高潮位無顯著差異。土壤脲酶活性隨淹水頻率的減少呈增加趨勢,表現為:高潮位＞中高潮位＞中潮位＞中低潮位＞低潮位,低潮位、中低潮位、中潮位脲酶活性較高潮位分別顯著降低20.2%,16.6%,11.5%(p＜0.05),高潮位與中高潮位無顯著差異。

2.3 土壤微生物生物量與酶活性關系

不同淹水梯度下紅樹林表層土壤微生物生物量與酶活性相關關系存在差異(圖3)。土壤MBC,MBN,MBP兩兩之間顯著或極顯著正相關(p＜0.05),酸性磷酸酶活性與β-葡萄糖苷酶、脲酶活性極顯著正相關(p＜0.01)。土壤β-葡萄糖苷酶活性與MBN顯著正相關(p＜0.05),與MBP,qMBC,qMBN,qMBP均極顯著正相關(p＜0.01);脲酶活性與MBC,MBN極顯著正相關(p＜0.01),與qMBC,qMBN顯著正相關(p＜0.05);酸性磷酸酶活性與MBC,MBN,MBP,qMBC,qMBN,qMBP極顯著正相關(p＜0.01)。

圖3 土壤微生物生物量與酶活性的相關性特征

2.4 土壤酶活性特征的冗余分析

以土壤酶活性為響應變量,土壤微生物生物量為解釋變量進行冗余分析(圖4)。

圖4 土壤微生物生物量和酶活性的冗余分析

排序第一軸、第二軸分別解釋了酶活性變異的88.6%和10.3%。其中qMBN,MBN,MBC可解釋土壤酶活性變異的18.0%,17.7%和15.2%,是研究區紅樹林表層土壤酶活性變異的關鍵環境因素。土壤微生物生物量、微生物熵、N∶Pmic與β-葡萄糖苷酶、脲酶、酸性磷酸酶活性呈正相關,C∶Nmic,C∶Pmic與β-葡萄糖苷酶、脲酶、酸性磷酸酶活性呈負相關。

3 討論

3.1 淹水梯度對紅樹林土壤微生物生物量和微生物熵的影響

淹水頻率的變化是影響河口潮汐濕地生態系統的關鍵因子之一[27]。研究[28]表明,江蘇大豐濱海濕地土壤(0—10 cm)由陸向海MBC減少94.2%;九龍江河口潮灘濕地土壤MBC隨淹水頻率增加而減少80.2%[29];洞庭湖濕地土壤MBN在豐水期最低[30];崇明東灘濕地淹水處理顯著降低土壤MBN含量[31]。本研究中,MBC,MBN隨淹水頻率增加而分別減少了96.7%和98.4%,中高、高潮位MBP顯著高于其他潮位,與上述研究結果具有相似性。究其原因,研究區紅樹林植被由陸向海為無瓣海桑林、無瓣海桑和白骨壤混交林、光灘,而無瓣海桑較白骨壤、桐花樹等紅樹植物可以在地上、地下積累更多的生物量[32-33],表明研究區植被生物量由陸向海有所減少,致使隨淹水頻率增加而土壤微生物可利用養料減少。其次,土壤養分含量是影響土壤微生物生物量的重要因素[34],營養元素如有效磷的缺失,可以限制微生物生物量積累和微生物活動[35]。研究[36]表明,隨潮灘高程增加紅樹林土壤碳、氮、磷養分均呈增加的規律,且長時間潮水浸淹使低潮位土壤多處于低氧水平,抑制土壤微生物活動[37],從而使高潮位微生物生物量顯著高于低潮位。

土壤微生物熵主要受土壤有機質數量和質量的影響,可反映土壤有機質向微生物生物量的轉化效率、養分元素的損失和礦物對有機質的固定,其值越高,土壤碳、氮、磷積累強度越大[4,38]。淹水梯度顯著影響研究區紅樹林表層土壤微生物熵,隨淹水頻率減少qMBC和qMBN先增后降,而qMBP先降后升再降。表明隨淹水梯度變化,不同潮位土壤微生物碳、氮、磷固定能力存在差異,可歸因于淹水頻率增加植被生物量減少,土壤有機質數量和質量下降,使土壤微生物種類和數量存在差異,且土壤氮、磷的積累和消耗程度取決于土壤有機質的積累和分解,從而影響土壤微生物熵[39-40]。研究[41]表明,鄱陽湖濕地秋季長時間淹水條件降低土壤qMBC,qMBN;長期淹水沼澤濕地qMBC顯著低于季節性和短暫積水濕地[42]。本研究中,高潮位qMBC,qMBN顯著高于低潮位,qMBP高于低潮位,與上述研究結果研究具有相似性,表明隨淹水頻率減少土壤有機碳積累效率和供氮潛能提高,為碳積累狀態。

3.2 淹水梯度對紅樹林土壤酶活性的影響

土壤酶在陸地生態系統主要物質(碳、氮、磷)循環過程中起關鍵作用,其活性受植被特征、土壤水分等生物和非生物因素的影響[43]。研究[41]表明,鄱陽湖濕地秋季淹水環境下土壤β-葡萄糖苷酶、磷酸酶活性最低;毛苔草濕地淹水后,土壤脲酶、酸性磷酸酶活性顯著低于干旱和干濕交替處理的酶活性[43];紅河自然保護區內長期淹水的濕地纖維素酶、轉化酶、過氧化氫酶活性低于未淹水濕地[44]。本研究中,β-葡萄糖苷酶、脲酶、酸性磷酸酶活性隨淹水頻率增加而減少61.6%,20.2%和93.9%,與上述研究結果具有相似性。淹水梯度的變化使土壤水分條件存在差異,土壤干旱可以增加凋落物產量和(或)土壤有機質,并刺激土壤酶活性,而土壤淹水可通過改變微生物群落和增加Fe2+等抑制劑的濃度來顯著抑制土壤酶活性,因此低潮位土壤酶活性最低[45-46]。但土壤β-葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶活性最大值在中高潮位,其在高潮位活性較中高潮位降低64.3%和4.9%。這可能是由于土壤水分過多和過低均不利于土壤微生物生長和繁衍,減少了土壤酶來源,使土壤酶活性降低[43]。此外,A’Bear等[47]研究表明,溫帶林地土壤β-葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶活性隨土壤濕度提高而提高,與本研究結果不同,這可能是不同類型和地域土壤理化性狀存在較大差異而造成的[48]。

3.3 土壤微生物生物量對土壤酶活性的影響

土壤酶是催化土壤眾多生化反應的主要承載體,其活性受土壤水分和溫度、微生物生物量、養分有效性、植被組成等因素的影響[9,49]。研究[4,14]表明,土壤微生物的種類和數量可在一定程度上決定土壤酶的來源及活性,影響土壤微生物活性的因素亦影響土壤酶活性,土壤微生物生物量與酶活性相輔相成,密不可分。本研究中,土壤MBC,MBN,MBP與土壤β-葡萄糖苷酶、脲酶、酸性磷酸酶活性呈顯著或極顯著正相關,與已有研究結果具有一致性[4,50]。冗余分析表明,qMBN,MBN,MBC是影響研究區紅樹林土壤酶活性的關鍵環境因素。紅樹林土壤通常缺乏養分,氮、磷或鐵常被報道限制紅樹林生長[51-52]。研究表明,在養分不足的土壤環境下,MBC等養分因素是決定酶活性強弱的主導因素[53],且課題組前期研究表明,研究區土壤受氮限制,MBN作為土壤有機氮的組成部分,可對土壤有機氮進行補充,這可在一定程度上解釋qMBN,MBN,MBC是影響研究區紅樹林土壤酶活性的關鍵環境因素。

4 結論

(1)淹水梯度顯著影響湛江紅樹林濕地表層土壤微生物生物量和酶活性。土壤微生物生物量碳、氮、磷總體上隨淹水頻率增加而減少,低潮位土壤微生物生物量碳、氮為最小值,中高潮位土壤微生物熵碳、氮、磷為最大值。

(2)土壤β-葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶活性隨淹水頻率增加而先增后減,脲酶活性隨淹水頻率增加而減少,低潮位酶活性均為最小值?？芍饕獨w因于隨淹水頻率的增加致使植被生物量的減少、土壤養分與有機質數量和質量下降及缺氧狀態的增多影響土壤微生物生物量和酶活性。

(3)土壤微生物生物量和酶活性呈顯著或極顯著正相關,qMBN,MBN,MBC是影響研究區紅樹林土壤酶活性的關鍵環境因素。增加研究區濕地土壤氮養分供給可能會改善土壤質量,促進紅樹植物造林及生長。