Effects of Phyllostachys edulis expansion on soil microbial residue carbon accumulation in evergreen broad-leaved forests

研究区位于浙江省湖州市安吉县灵峰寺国有林场(30°60′N，119°63′E)。该地属亚热带季风气候，气候温和，光照充足，雨量充沛，四季分明，年平均气温为16.1℃，最冷月平均气温为0.0 ℃，极端最低气温为−18.0 ℃，极端最高气温为41.0 ℃，年日照时数为1 771.7 h，年平均降水为1 423.4 mm，集中在3—8月。地形主要是低山丘陵，海拔为75~250 m。研究区土壤母岩为粉砂岩，母质为坡积物，土壤类型为红壤，按照土壤系统分类可划定为湿润淋溶土。研究区在20世纪80年代前主要为常绿阔叶林，乔木主要有青冈Cyclobalanopsis glauca、木荷Schima superba、苦槠Castanopsis sclerophylla、栲树C. fargesii、麻栎Quercus acutissima和枫香Liquidambar formosana等。林下灌木、杂草丛生，林分郁闭度高。20世纪80年代，人工种植毛竹林。毛竹竹鞭较强的扩张能力，使得毛竹不断向周围常绿阔叶林扩张，并逐步替代常绿阔叶林，在毛竹扩张带上形成了3种不同类型的森林，分别是常绿阔叶林(以青冈为主)、毛竹-阔叶混交林和毛竹纯林。

2018年5月，在研究区内选择总面积近60 hm²的毛竹向常绿阔叶林扩张演替序列样带，包含常绿阔叶林(BL)、毛竹-阔叶混交林(Mix)、毛竹纯林(BB)。常绿阔叶林乔木以青冈为主；毛竹-阔叶混交林中以青冈为主的阔叶树和毛竹数量比大致为1∶1。3种林分中的灌木及草本类型接近，以山胡椒Lindera glauca、六月雪Serissa japonica、中日金星蕨Parathelypteris nipponica、大油芒Spodiopogon sibiricus等为主。在3种林分内选择地形相对平坦区域，分别划出3个面积为20 m×20 m的样方作为重复，样方之间的直线距离为50 m。在每个样方内随机选取5个采样点，采集凋落物和表层土壤样品，采样深度均为0~10 cm (A层土壤)。将每个采样点的凋落物和土壤样品分别充分混匀为1个样品带回实验室。将凋落物样品风干后，研磨过1 mm筛，测定凋落物有机碳和全氮质量分数；将土壤样品过2 mm筛，风干后测定氨基糖及基础理化性质。年凋落物输入量采用尼龙网(1 mm网格，1 m×1 m)收集，从2018年5月至2019年5月隔3个月收集1次，最后将全年收集的凋落物相加得到年凋落物输入量。

凋落物和土壤样品的有机碳和全氮质量分数利用元素分析仪(Flash 2000)干烧法测定；土壤含水量采用105 ℃烘干法测定；土壤全磷(TP)采用浓硫酸和高氯酸消解，钼黄比色法测定；土壤微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)均采用氯仿熏蒸硫酸钾浸提-TOC分析仪测定^[17]。

土壤氨基糖利用气相色谱法测定^[18]。实验步骤如下：称取一定量土样(根据样品含氮量)，用6 mol·L⁻¹盐酸水解，加入内标1(肌醇)溶液过滤，滤液干燥后将其溶解，把pH调到6.6~6.8后离心10 min，再次进行干燥处理。干燥物经过无水甲醇溶解离心后，把上清液转移到衍生瓶内进行氮吹干燥，氮吹后的干燥物加入内标2溶液置于−40 ℃冰箱彻底冷冻后，在冷冻干燥仪内冷冻干燥。干燥后的样品均加入衍生试剂去除无机相，余下的有机相进行氮吹，加入乙酸乙酯∶正己烷为1∶1(质量比)的混合溶剂溶解，瓶内溶液转移到色谱瓶内进行色谱分析测定。利用内标法定量各氨基单糖质量分数。

利用土壤各氨基单糖质量分数估算土壤真菌残体碳(C_MRCF)、土壤细菌残体碳(C_MRCB)及土壤总微生物残体碳(C_MRC)的质量分数^[4]。计算公式如下：

其中：C_MurN为胞壁酸质量分数(μg·g⁻¹)，C_GluN为氨基葡萄糖质量分数(μg·g⁻¹)。胞壁酸和细菌残体碳的转换系数为45，氨基葡萄糖和真菌残体碳的转换系数为9，GluN的分子质量为179.17，MurN的分子质量为251.23，细菌细胞壁中胞壁酸与氨基葡萄糖的摩尔比例约为1∶2。

采用SPSS 17.0对数据进行统计分析。采用单因素方差分析法(one-way ANOVA)和Duncan法对土壤微生物残体碳数量、真细菌残体碳比值与微生物残体碳占土壤有机碳的比值进行方差分析(P＜0.05)，并通过结构方程初步分析毛竹扩张过程中土壤微生物残体碳与凋落物年产量、凋落物碳氮比、土壤碳氮比、总磷脂肪酸的直接和间接相关性。利用Origin 8.0绘图。图表中数据均为平均值±标准误。

与常绿阔叶林相比，毛竹-阔叶混交林和毛竹纯林土壤真菌残体碳质量分数显著降低27.59%和36.76% (P＜0.05，图1A)，说明毛竹扩张导致土壤真菌残体碳数量显著降低。常绿阔叶林土壤细菌残体碳为3.53 g·kg⁻¹(图1B)，而竹阔混交林和毛竹林土壤细菌残体碳分别为2.35和2.29 g·kg⁻¹，毛竹扩张也导致土壤细菌残体碳质量分数显著下降35.13% (P＜0.05)。毛竹扩张导致土壤总微生物残体碳质量分数显著降低了32.61%和40.32% (P＜0.05)。

Figure 1.  Changes of microbial residue carbon contents and its proportions in soil organic carbon during Ph. edulis expansion

毛竹扩张对常绿阔叶林土壤真菌残体碳、细菌残体碳、总微生物残体碳与土壤有机碳之比的影响均呈现先下降后上升的趋势(图1D、E、F)。毛竹纯林土壤真菌残体碳与土壤有机碳之比显著高于毛竹-阔叶混交林(P＜0.05，图1D)，毛竹-阔叶混交林演替为毛竹纯林过程中土壤真菌残体碳与土壤有机碳之比提升了25.53%。毛竹纯林土壤细菌残体碳与土壤有机碳之比则显著高于毛竹-阔叶混交林和常绿阔叶林(P＜0.05，图1E)，分别增加了15.50%和43.21%。毛竹纯林土壤中总微生物残体碳与土壤有机碳之比显著高于毛竹-阔叶混交林(P＜0.05，图1F)，说明毛竹扩张使常绿阔叶林土壤微生物残体对有机碳的贡献先下降后逐渐增加。

如图2所示：毛竹扩张对常绿阔叶林土壤真菌残体碳与细菌残体碳比值的影响虽不显著，但毛竹扩张使常绿阔叶林土壤真菌残体碳与细菌残体碳比值依然呈现下降趋势，毛竹林土壤中真菌残体碳与细菌残体碳比值为3.04，相比常绿阔叶林土壤中的3.48下降了14.47%，意味着毛竹扩张使土壤真菌对有机碳的贡献相对于细菌逐渐下降，而细菌对有机碳的相对贡献有逐渐增加的趋势。

Figure 2.  Effect of Ph. edulis expansion on the ratio of fungal and bacterial carbon in evergreen broad-leaved forest soil

毛竹扩张对常绿阔叶林凋落物和土壤理化性质的影响如表1所示：毛竹扩张显著降低了常绿阔叶林凋落物年产量、凋落物碳质量分数和碳氮比，以及土壤有机碳和可溶性有机碳(P＜0.05)，毛竹纯林全磷质量分数也显著低于常绿阔叶林土壤(P＜0.05)。3种林分条件下土壤pH和土壤碳氮比差异不显著。

微生物残体碳与凋落物和土壤理化基本性质的Spearman相关分析表明(图3)：凋落物碳、细菌生物量、真菌生物量和总微生物生物量与真菌残体碳、细菌残体碳、总微生物残体碳呈显著正相关(P＜0.05)，土壤有机碳仅与真菌残体碳、总微生物残体碳呈显著正相关(P＜0.05)。土壤全氮则是与真菌残体碳/土壤有机碳、细菌残体碳/土壤有机碳和总微生物残体碳/土壤有机碳呈显著负相关(P＜0.05)。

Figure 3.  Correlation analysis of soil microbial residue carbon with litter and soil properties

凋落物年产量通过分别影响土壤有机碳、真菌生物量、细菌生物量及总微生物生物量，对土壤真菌残体碳、细菌残体碳和总微生物残体碳产生显著正相关(P＜0.05)，并分别解释了95.3%、39.0%和95.0%的土壤真菌残体碳、细菌残体碳和总微生物残体碳变化 (图4A、B、C)。凋落物年产量和凋落物碳氮比对于土壤真菌残体碳、细菌残体碳和总微生物残体碳变化的影响不显著，但是凋落物碳氮比对真菌生物量和总微生物生物量却呈显著负相关(P＜0.05)。

Figure 4.  Relationship between litter, soil properties and soil microbial residue carbon

在本研究中，毛竹向常绿阔叶林扩张后表层土壤真菌残体碳、细菌残体碳和总微生物残体碳均显著下降，说明毛竹扩张显著降低了常绿阔叶林土壤微生物残体碳的累积效应。Spearman相关分析表明：毛竹扩张过程中土壤真菌残体碳、细菌残体碳和总微生物残体碳质量分数变化与凋落物碳质量分数、真菌群落生物量、细菌群落生物量和总微生物群落生物量的下降密切相关^[19−20]。结构方程模拟结果发现：毛竹扩张过程中凋落物年产量能够通过间接影响土壤有机碳和土壤真菌生物量、细菌生物量和总微生物生物量，进而分别影响土壤真菌残体碳、细菌残体碳和总微生物残体碳的累积效应，说明在水热条件适宜的条件下，相较于凋落物质量(凋落物碳氮比)，凋落物输入量是影响微生物残体碳的关键因素^[13]。毛竹向常绿阔叶林扩张显著降低了凋落物年产量，使得微生物可利用底物输入减少。同时，常绿阔叶林土壤有机碳显著高于毛竹林土壤，说明阔叶林土壤碳源丰富，有利于微生物生存。毛竹扩张过程中凋落物年产量和土壤有机碳均逐渐下降，使得土壤真菌、细菌和总微生物生物量逐渐下降，而土壤真菌、细菌和总微生物生物量分别与土壤真菌残体碳、细菌残体碳和总微生物残体碳具有正相关关系，说明毛竹向常绿阔叶林扩张过程中，凋落物数量下降和不同林分间土壤有机碳水平的差异引起的微生物生物量减少是土壤真菌残体碳、细菌残体碳和总微生物残体累积效应下降的主要原因^[21]。不过，本研究发现凋落物碳氮比与土壤真菌生物量和总微生物生物量存在显著负相关，意味着毛竹扩张过程中凋落物质量的提升并没有提高真菌和总微生物生物量，原因可能是毛竹向阔叶林扩张导致土壤中微生物可利用底物显著下降，较少的高质量毛竹凋落物输入(碳氮比较低)无法满足微生物需求，使得微生物增殖和周转过程受到抑制，从而降低了微生物残体碳的累积^[22]。说明毛竹扩张改变了常绿阔叶林生境条件，不利于微生物源有机碳累积。

毛竹向常绿阔叶林扩张过程中，土壤真菌残体碳、细菌残体碳和总微生物残体碳在土壤中的占比均呈现先下降后上升的趋势，说明毛竹扩张前期(常绿阔叶林演替为毛竹-阔叶混交林)土壤微生物体内周转作用对有机碳累积贡献有下降趋势，而毛竹扩张后期(毛竹-阔叶混交林演替为毛竹纯林)土壤微生物体内周转作用对有机碳累积的贡献显著增加^[23]。土壤微生物体内周转和植物难降解组分残留是有机碳形成的2条主要途径^[24]。常绿阔叶林凋落物输入量大，且凋落物中含有大量微生物可利用的活性底物，微生物会优先利用活性底物，将难分解的植物残体保留下来，并贡献于有机碳的累积和储存^[13]，因此，常绿阔叶林土壤中微生物对土壤有机碳的贡献较低；毛竹扩张形成毛竹-阔叶混交林后，虽然凋落物的输入量减少，不利于微生物增殖，但是生境植被多样性增加及生境凋落物质量的提升(毛竹凋落叶碳氮比低于常绿阔叶林凋落叶)却有利于微生物周转。虽然微生物残体碳与土壤有机碳协同下降，但是微生物残体碳对有机碳的贡献与常绿阔叶林相比并没有显著差异；而当毛竹-阔叶混交林逐渐演替为毛竹纯林后，凋落物数量显著下降，降低土壤中活性底物数量(活性有机碳质量分数下降)，这可能会促进残留在土壤中的难分解植物组分也被微生物作为碳源利用^[25]，导致凋落物中难分解组分在土壤中的累积逐渐减少，土壤有机碳质量分数显著降低。已有研究发现：毛竹扩张降低了常绿阔叶林土壤中木质素质量分数，而微生物残体碳主要以矿物结合态的形式相对稳定地存留在土壤中^[26]，因此，毛竹扩张提升了微生物残体碳对土壤有机碳的贡献。

毛竹扩张降低了常绿阔叶林土壤真菌残体碳、细菌残体碳和总微生物残体碳的累积，而微生物对土壤有机碳的贡献却呈现先下降后上升的趋势，这可能与凋落物数量下降和质量提升有关。而且，毛竹向常绿阔叶林扩张在改变土壤有机碳来源和组分的同时，提高了有机碳的可利用性，有利于提高毛竹林土壤有机碳抵抗环境条件变化的能力。研究结果对通过合理的营林措施提升土壤有机碳储量，发挥森林土壤碳汇功能具有重要意义。