馬大龍,劉夢(mèng)洋,陳泓碩,姜雪薇,臧淑英

哈爾濱師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,哈爾濱 150025

積雪對(duì)氣候變化具有重要反饋?zhàn)饔煤透叨让舾行?是氣候系統(tǒng)中最活躍的環(huán)境影響要素,目前已經(jīng)成為全球氣候變化研究中的熱點(diǎn)內(nèi)容和關(guān)鍵問(wèn)題之一[1- 2]。氣候變暖已經(jīng)導(dǎo)致近幾十年來(lái)一些地區(qū)降雨/降雪比率增加,Kapnick等[3]也預(yù)測(cè)在22世紀(jì)溫帶地區(qū)積雪覆蓋將持續(xù)減少。由于積雪本身具有較低的導(dǎo)熱率和較高的反射率,能夠在土壤表面形成良好的隔熱層,對(duì)大氣和土壤熱交換過(guò)程具有十分重要的作用[4- 6]。東北-內(nèi)蒙古東部地區(qū)是中國(guó)三大主要積雪區(qū)之一,在每年11月至翌年4月都有穩(wěn)定的積雪覆蓋,由于高緯度地區(qū)對(duì)全球變化的敏感性和特殊性,有關(guān)積雪對(duì)土壤生態(tài)過(guò)程和區(qū)域環(huán)境影響方面的研究正逐漸被人們所關(guān)注。

微生物是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,參與土壤物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng),對(duì)所生存的微環(huán)境變化十分敏感,可以作為寒區(qū)生態(tài)系統(tǒng)變化的預(yù)警和敏感生物指標(biāo)[7]。高緯度地區(qū)冬季雪被的保溫絕熱作用能夠?yàn)橥寥牢⑸锏纳婧头敝程峁┫鄬?duì)穩(wěn)定的水熱條件。已有大量研究表明,在低溫季節(jié)土壤微生物群落動(dòng)態(tài)、溫室氣體排放通量以及土壤碳氮礦化速率并不低于夏季[8- 10]。氣候變化可能改變雪被的形成、覆蓋、消融以及土壤凍融循環(huán)過(guò)程,進(jìn)而顯著影響寒區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性[11]。近年來(lái)有關(guān)雪下土壤生態(tài)過(guò)程的研究,主要集中在高山苔原帶和環(huán)北極地區(qū),而對(duì)于高緯度多年凍土區(qū)不同積雪覆蓋條件下土壤微生物動(dòng)態(tài)變化特征的研究還十分匱乏。

大興安嶺地區(qū)是我國(guó)唯一的寒溫帶林區(qū),也是高緯度多年凍土的主要發(fā)育地區(qū),負(fù)溫期長(zhǎng)達(dá)5個(gè)月之久,平均積雪日數(shù)可達(dá)161 d[12]。積雪對(duì)下伏多年凍土有著十分重要作用,未來(lái)氣候變暖引起的積雪覆蓋變化,必將增加土壤凍結(jié)強(qiáng)度和凍融頻率,改變土壤表面水熱動(dòng)態(tài)、理化性質(zhì)、溫室氣體排放以及微生物多樣性和群落結(jié)構(gòu),從而對(duì)土壤生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程產(chǎn)生重要影響[13]。因此,為了更加清晰認(rèn)識(shí)氣候變化對(duì)多年凍土區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的影響,需要進(jìn)一步理清雪被覆蓋減少情境下土壤微生物群落的演變特征和關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)機(jī)制。本研究選取大興安嶺多年凍土區(qū)白樺次生林為研究對(duì)象,運(yùn)用磷脂脂肪酸(PLFA)的方法,探討不同雪被覆蓋條件下土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,以期全面深入了解多年凍土區(qū)土壤微生物生態(tài)過(guò)程,為準(zhǔn)確評(píng)估和預(yù)測(cè)高緯度寒區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球變化的響應(yīng)及其相互作用機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古大興安嶺高緯度多年凍土區(qū)的烏爾旗漢林業(yè)局西日特氣林場(chǎng)(49°32′41.32″ N—121°31′42.44″ E)。該區(qū)屬寒溫帶大陸性季風(fēng)性氣候,年均氣溫2.6 ℃,最低氣溫-47.6 ℃,最高氣溫34.5 ℃,晝夜溫差較大,無(wú)霜期短,夏季短促溫和,冬季漫長(zhǎng)寒冷；年降水量350—450 mm,多集中于7—8月份,降雪量占年降水量的10%—20%,多集中在11月至次年2月,積雪期可達(dá)155 d[14]。土壤以暗棕色森林土為主,森林覆蓋率可達(dá)79.15%,植物群落的主要建群樹(shù)種為興安落葉松(Larixgmelinii),喬木層還包括白樺(Betulaplatyphylla)、山楊(Populusdavidiana)、黑樺(Betuladahurica)、蒙古櫟(Quercusmongolica)、樟子松(Pinussylvestris)等；灌木層主要有篤斯越桔(Vacciniumuliginosum)、山莓(Rubuscorchorifolius)、興安杜鵑(Rhododendrondauricum)、山刺玫(Rosadavurica)、繡球繡線菊(Spiraeablumei)等；草本層主要有紅花鹿蹄草(Pyrolaincarnata)、地榆(Sanguisorbaofficinalis)、大葉野豌豆(Viciapseudorobus)等[15]。由于遭受火燒或采伐等人為干擾,大量興安落葉松林遭到破壞,衍生出大面積的白樺次生林,對(duì)該區(qū)域的水源涵養(yǎng)、水土保持、調(diào)節(jié)氣候及維護(hù)生態(tài)平衡等方面具有舉足輕重的地位。

根據(jù)大量的背景資料和野外調(diào)查基礎(chǔ)上,在具有代表性和立地類(lèi)型一致的白樺次生林中設(shè)置2塊50 m×50 m相距100 m的試驗(yàn)樣地,分別為自然積雪和遮雪,積雪厚度用雪尺測(cè)量。在降雪前(10月初)采用對(duì)角線法設(shè)置5個(gè)用木質(zhì)骨架搭建,面積為5 m×5 m,高為1.5 m的通風(fēng)遮雪棚(表面用聚乙烯塑料薄膜覆蓋透光率約90%),降雪期后移除。在2塊樣地的表層土壤5 cm處分別埋設(shè)1臺(tái)土壤溫度自動(dòng)監(jiān)測(cè)站(Watchdog 2400,USA),每1 h記錄1次溫度數(shù)據(jù)。2015年降雪期從10月11日至次年3月27日,整個(gè)過(guò)程歷時(shí)約140 d,土壤活動(dòng)層從10月初開(kāi)始凍結(jié)到次年9月末全部融通,活動(dòng)層最大融深為110 cm。

1.2 土壤理化性質(zhì)測(cè)定

土壤樣品采集于積雪形成期(2015.11.1,地表形成有效積雪)、積雪穩(wěn)定期(2016.1.13,積雪深度達(dá)到最大為33.15 cm)、積雪融化期(2016.2.25,氣溫達(dá)到0 ℃以上積雪開(kāi)始融化)、植被生長(zhǎng)季初期(2016.4.5,土壤表層溫度達(dá)到0 ℃以上植被開(kāi)始生長(zhǎng))、植被生長(zhǎng)季中期(2016.6.30,植被生長(zhǎng)旺盛)、植被生長(zhǎng)季末期(2016.9.25,氣溫達(dá)到0 ℃以下植被停止生長(zhǎng)),為減小邊緣效應(yīng)在每個(gè)遮雪棚中央采用土鉆法采集0—10 cm土壤樣品1個(gè),用滅菌自封袋密封置于冰盒中帶回實(shí)驗(yàn)室,在去除植物根系、碎石等雜質(zhì)過(guò)2 mm篩后平均分為兩份,一份自然風(fēng)干用于土壤理化性質(zhì)測(cè)定,另一份置于4 ℃冰箱儲(chǔ)存,一周內(nèi)用于土壤微生物磷脂脂肪酸測(cè)定。

土壤含水量采用烘干法,pH值采用電位法,土壤總有機(jī)碳采用TOC分析儀(Multi N/C 3100,Germany)測(cè)定,全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮釆用連續(xù)流動(dòng)分析儀(Skalar San++,Netherlands)測(cè)定。

1.3 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)測(cè)定

土壤微生物采用修正的磷脂脂肪酸(phospholipid fatty acid,PLFA)法測(cè)定[16]。微生物細(xì)胞脂肪酸成分鑒定采用美國(guó)MIDI公司開(kāi)發(fā)的Sherlock MIS 4.5系統(tǒng)。磷脂脂肪酸含量(nmol/g干重)可代表不同類(lèi)型土壤微生物的生物量,磷脂脂肪酸的類(lèi)別數(shù)量可代表土壤微生物群落多樣性。革蘭氏陽(yáng)性菌(G+)用i14:0、a15:0、i15:0、i16:0、a17:0和i17:0來(lái)表征；革蘭氏陰性菌(G-)用16:1ω5c、16:1ω11c、cy17:0、17:1ω8c、18:1ω5c、18:1ω7c、18:1ω9c和19:1ω6c來(lái)表征；14:0、15:0、16:0、18:0代表一般性細(xì)菌；真菌用18:2ω6,9c來(lái)表征；AM真菌用16:1ω5c來(lái)表征；放線菌用10Me 16:0、10Me 17:0和10Me 18:0來(lái)表征；原生動(dòng)物用20:4ω6c來(lái)表征[17- 21]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

不同土壤理化性質(zhì)；微生物磷脂脂肪酸總量；真菌、細(xì)菌磷脂脂肪酸含量運(yùn)用軟件SPSS 20.0進(jìn)行單因素(one-way ANOVA)方差分析(LSD多重比較法,顯著性水平設(shè)為0.05)。微生物群落多樣性采用Shannon Wiener指數(shù)、Simpson指數(shù)和McIntosh指數(shù)表征,運(yùn)用BIO-DAP程序進(jìn)行計(jì)算。土壤微生物PLFA主成分分析(Principal component analysis,PCA)和冗余分析(Redundancy analysis,RDA)在多元統(tǒng)計(jì)分析軟件Canoco 5.0中進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理土壤溫度和含水量變化特征

2015年冬季首次降雪始于10月11日(圖1),但很快融化沒(méi)有形成有效積雪,10月20日降雪后樣地內(nèi)部出現(xiàn)穩(wěn)定積雪,2016年4月初積雪全部融化。2015年10月至2016年4月期間共觀測(cè)到17場(chǎng)降雪,樣地最大積雪深度為33.15 cm。自11月至次年2月氣溫迅速下降,雪被覆蓋對(duì)冬季土壤具有明顯的保溫隔熱作用,隨著積雪厚度的增加,土壤5 cm處地溫差異明顯,遮雪比自然積雪的平均地溫低1.33 ℃；2月至4月氣溫波動(dòng)上升積雪融化,自然積雪比遮雪處理的平均地溫低0.36 ℃；5月以后兩個(gè)處理的地溫差異不顯著(圖1)。從圖1土壤含水率變幅可以看出,在積雪融化期和植被生長(zhǎng)季初期,自然積雪的土壤含水率顯著高于遮雪(P<0.05),而在積雪形成期、積雪穩(wěn)定期、植被生長(zhǎng)季中期和末期的土壤含水量無(wú)顯著性差異。

圖1 不同雪被覆蓋條件下積雪深度、土壤溫度和含水量Fig.1 Snow depth, soil temperature and water content under different snow cover conditions

2.2 不同處理土壤理化性質(zhì)變化特征

不同雪被覆蓋條件下土壤理化性質(zhì)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)相似,但在積雪融化期存在一定差異(圖2)。遮雪對(duì)土壤pH值和總氮(TN)無(wú)顯著影響(P>0.05),總體趨勢(shì)為先增加后降低,在植被生長(zhǎng)季初期最高,積雪形成期最低。土壤總磷(TP)含量在植被生長(zhǎng)季中期最高,在積雪融化期遮雪(0.82 mg/kg)高于自然積雪(0.74 mg/kg)但差異不顯著(P>0.05)。土壤總有機(jī)碳(TOC)含量在積雪形成期最高、植被生長(zhǎng)季初期最低,積雪穩(wěn)定期和積雪融化期,遮雪(30.95、27.38 g/kg)顯著高于自然積雪(28.54、25.46 g/kg,P<0.05)。土壤銨態(tài)氮(NH4-N)含量在積雪融化期遮雪顯著高于自然積雪(P<0.05)；硝態(tài)氮(NO3-N)含量在積雪穩(wěn)定期最高,植被生長(zhǎng)季初期最低,在積雪融化期遮雪顯著高于自然積雪(P<0.05),其他時(shí)期間無(wú)顯著性差異(P>0.05)。

圖2 不同雪被覆蓋條件下土壤理化性質(zhì)特征Fig.2 Soil physical and chemical properties under different snow cover conditions

2.3 不同處理土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征

在自然積雪和遮雪處理的土壤中共檢測(cè)出21種和20種PLFA,選取含量大于0.1 nmol/g的13種PLFA進(jìn)行分析,其中革蘭氏陽(yáng)性菌(G+)3種、革蘭氏陽(yáng)性菌(G-)4種、一般性細(xì)菌2種、真菌1種、內(nèi)生真菌(AM)1種、放線菌1種和原生動(dòng)物1種。由圖3可知,18:2ω6,9c的含量最高,占總磷脂脂肪酸的15.17%—42.44%；a15:0、i16:0、17:1ω8c、18:1ω9c和16:1ω5c的總和占脂肪酸總量的37.16%—57.57%,說(shuō)明這6種PLFA是土壤微生物的主要類(lèi)群,但不同時(shí)期各優(yōu)勢(shì)PLFA含量存在一定差異。其中,自然積雪處理的土壤a15:0含量在植被生長(zhǎng)季末期最高,積雪穩(wěn)定期最低,而在遮雪處理中則為植被生長(zhǎng)季中期最高,積雪穩(wěn)定期最低；17:1ω8c含量在自然積雪處理中為積雪融化期最高,積雪形成期最低,而在遮雪處理中則為植被生長(zhǎng)季中期最高,積雪穩(wěn)定期最低。遮雪處理僅在積雪穩(wěn)定期顯著降低18:1ω9c含量、增加18:2ω6,9c含量(P<0.05),對(duì)其他時(shí)期微生物群落結(jié)構(gòu)影響不顯著。

圖3 不同積雪覆蓋條件下土壤微生物磷脂脂肪酸類(lèi)型及含量Fig.3 The type and content of soil microbial phospholipid fatty acid under different snow cover conditions

遮雪對(duì)不同時(shí)期土壤微生物PLFA的影響各有不同(表1)?？偭字舅?PLFA)含量變化范圍24.41—33.95 nmol/g,在植被生長(zhǎng)季初期最高,積雪穩(wěn)定期最低,且生長(zhǎng)期顯著高于積雪期(P<0.05)。土壤微生物以細(xì)菌為優(yōu)勢(shì)類(lèi)群,占微生物總PLFA含量的42.03%—69.79%,生長(zhǎng)期顯著高于積雪期,遮雪顯著降低積雪穩(wěn)定期細(xì)菌PLFA含量(P<0.05)。真菌在積雪穩(wěn)定期最高,分別為10.19 nmol/g和11.77 nmol/g；在植被生長(zhǎng)季末期最低,分別為6.62 nmol/g和6.93 nmol/g,遮雪顯著增加積雪穩(wěn)定期真菌PLFA含量(P<0.05)。遮雪處理下的土壤革蘭氏陽(yáng)性菌和革蘭氏陰性菌PLFA含量比值(G+∶G-)略高于自然積雪,但均未達(dá)到顯著水平(P>0.05),在積雪期革蘭氏陰性菌含量較高,而在植被生長(zhǎng)期則為革蘭氏陽(yáng)性菌占優(yōu)勢(shì)。細(xì)菌/真菌(F∶B)比值在積雪期高于生長(zhǎng)期,遮雪顯著增加積雪穩(wěn)定期的真菌/細(xì)菌比值(P<0.05)。

2.4 不同處理微生物多樣性特征

土壤微生物群落多樣性分析結(jié)果表明,遮雪對(duì)各時(shí)期土壤微生物群落多樣性指數(shù)均未產(chǎn)生顯著影響(表 2)。Shannon Wiener多樣性指數(shù)和McIntosh均勻度指數(shù)的最高值均出現(xiàn)在植被生長(zhǎng)季初期,分別為2.792、2.727和17.259、17.982；而最低值出現(xiàn)在積雪穩(wěn)定期,分別為2.136、2.047和9.411、9.127(P<0.05)。Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)則與之相反最高值出現(xiàn)在積雪穩(wěn)定期,分別為0.103和0.098；而最低值出現(xiàn)在植被生長(zhǎng)季初期,分別為0.071和0.075。

2.5 土壤微生物PLFA主成分分析

為進(jìn)一步分析遮雪和季節(jié)對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響,提取不同時(shí)期遮雪和自然積雪處理土壤中的13種特征PLFA進(jìn)行主成分分析(圖4)。結(jié)果表明,前2個(gè)主成分(PC1和PC2)共同解釋微生物總變異的83.4%,基本可以全面反映研究區(qū)域土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的分異特征。不同時(shí)期土壤微生物群落結(jié)構(gòu)均存在顯著差異,積雪形成期、積雪穩(wěn)定期與積雪融化期、植被生長(zhǎng)季(初期、中期和末期)的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)沿第2主成分序軸能夠明顯分開(kāi),而自然積雪和遮雪處理的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)較為相似。PLFA初始載荷因子分析表明,對(duì)第1主成分起主要作用的PLFA為i16:0和18:2ω6,9c,而a15:0、18:1ω9c和16:1ω5c對(duì)第2主成分的貢獻(xiàn)較大。

2.6 微生物群落組成與土壤理化性質(zhì)間的關(guān)系

冗余分析(RDA)結(jié)果顯示,第1軸和第2軸分別解釋微生物群落結(jié)構(gòu)變異的43.2%和35.9%,兩者累計(jì)解釋變異量達(dá)79.1%,模擬效果較好(圖5)。土壤總磷脂脂肪酸含量(Total PLFA)、真菌(F)、真菌/細(xì)菌(F∶B)和革蘭氏陰性菌(G-)與土壤含水量(SWC)、pH和銨態(tài)氮(NH4-N)均呈顯著正相關(guān)。細(xì)菌(B)和革蘭氏陽(yáng)性菌(G+)與土壤總磷(TP)、總氮(TN)和硝態(tài)氮(NO3-N)呈顯著正相關(guān)。放線菌(A)、原生動(dòng)物(P)和革蘭氏陽(yáng)性菌/革蘭氏陰性菌(G+∶G-)受環(huán)境因子的影響較小。

表1 不同積雪覆蓋條件下土壤微生物各菌群磷脂脂肪酸含量及比率

表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；不同大寫(xiě)字母代表自然積雪處理組間差異顯著 (P<0.05)；不同小寫(xiě)字母代表遮雪處理組間差異顯著 (P<0.05)

表2 不同積雪覆蓋條件下土壤微生物多樣性特征

表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；不同大寫(xiě)字母代表自然積雪處理組間差異顯著 (P<0.05)；不同小寫(xiě)字母代表遮雪處理組間差異顯著 (P<0.05)

圖4 土壤微生物群落PLFA主成分分析Fig.4 Principal component analysis (PCA) of soil micr obial community PLFA

圖5 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與土壤環(huán)境因子的冗余分析Fig.5 Redundancy analysis of relationships among soil microbial community structure and soil environmental factorsSC：積雪；SWC：土壤含水量；Total PLFAs：總磷脂脂肪酸含量；B：細(xì)菌；F：真菌；A：放線菌；P：原生動(dòng)物；G+：革蘭氏陽(yáng)性菌；G-：革蘭氏陰性菌；F∶B：真菌/細(xì)菌；G+∶G-：革蘭氏陽(yáng)性菌/革蘭氏陰性菌

3 討論

由于積雪對(duì)熱量的傳導(dǎo)效率小于空氣,致使太陽(yáng)輻射在積雪覆蓋下不能直接到達(dá)土壤表面,積雪在抑制土壤自身熱量散失的同時(shí)也阻礙土壤對(duì)于太陽(yáng)輻射能量的吸收；而遮雪處理的土壤失去具有保溫隔熱效應(yīng)的雪被,土壤溫度受氣溫影響較大,在11月至次年2月土壤5 cm地溫低于自然積雪處理。積雪覆蓋時(shí)間、積雪密度和深度均會(huì)強(qiáng)烈地影響冬季土壤的凍結(jié)速率、凍融頻率和春季融期土壤升溫速率。Williams等[22]在高山和北極地區(qū)的研究結(jié)果也表明,缺少雪被覆蓋,土壤溫度會(huì)更低,凍融交替加劇,土壤凍結(jié)范圍進(jìn)一步增大。除土壤溫度外,遮雪還對(duì)土壤含水量有一定的影響,在積雪融化期和植被生長(zhǎng)季初期,自然積雪的土壤含水量顯著高于遮雪,這主要受春季積雪融水和地表徑流下滲的影響。許多研究都證實(shí)土壤含水量是影響土壤微生物群落的重要因素,但是在不同研究區(qū)域影響效果不盡相同[23- 24]。本研究發(fā)現(xiàn),遮雪和自然積雪處理的土壤在積雪融化期和植被生長(zhǎng)季初期土壤微生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)無(wú)顯著差異,其原因可能是由于積雪融化引起的瞬時(shí)土壤含水量升高對(duì)土壤微生物的影響有限。

目前,關(guān)于季節(jié)性雪被覆蓋對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物的影響尚無(wú)明確結(jié)論,已有研究表明冬季積雪覆蓋的變化會(huì)顯著改變土壤微生物代謝水平,不同的覆蓋時(shí)間和積雪深度很可能通過(guò)改變微生物群落結(jié)構(gòu)而對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán)和生態(tài)功能產(chǎn)生重要影響[25]。Broder等[26]對(duì)挪威云杉林的研究結(jié)果顯示,季節(jié)性雪被發(fā)育和融化動(dòng)態(tài)深刻影響著土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)、多樣性和代謝活性,進(jìn)而對(duì)高山生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)能量循環(huán)和植被分布產(chǎn)生重要影響。Rinnan等[27]認(rèn)為積雪周期變化并沒(méi)有引起土壤微生物量的顯著差異,說(shuō)明冬季不同積雪周期下微生物的固定和礦化處于相對(duì)平衡狀態(tài)。本研究發(fā)現(xiàn),土壤中含量較高的PLFA為18:2ω6,9c、a15:0、i16:0、17:1ω8c、18:1ω9c和16:1ω5c,這6種PLFA是大興安嶺多年凍土區(qū)白樺次生林土壤微生物的主要類(lèi)群,但不同時(shí)期各優(yōu)勢(shì)PLFA含量存在一定差異?？侾LFA含量在植被生長(zhǎng)季初期最高,積雪穩(wěn)定期最低,這是由于春季植被開(kāi)始萌發(fā),樹(shù)木根系分泌物增多、代謝加快,適宜的土壤溫度和濕度為微生物的生存和繁殖提供了較好的環(huán)境；而冬季較低的土壤溫、濕度和較高的凍融頻率導(dǎo)致耐受性較差的微生物迅速死亡,嗜冷微生物的生長(zhǎng)代謝也受到抑制,這與前人研究結(jié)果相吻合[28- 30]。遮雪處理下的土壤細(xì)菌PLFA含量略低于自然積雪,僅在積雪穩(wěn)定期有顯著降低而真菌PLFA含量變化則與之相反(P<0.05),這也說(shuō)明真菌對(duì)寒冷干燥的環(huán)境適應(yīng)性更加靈活。細(xì)菌和真菌在土壤環(huán)境中占據(jù)各自不同的生態(tài)位,個(gè)體形態(tài)、生長(zhǎng)和繁殖策略的不同可能導(dǎo)致細(xì)菌和真菌對(duì)積雪覆蓋變化的響應(yīng)存在差異。在寒冷的冬季,真菌較細(xì)菌對(duì)環(huán)境變化的耐受能力更高,水分相對(duì)缺乏的土壤環(huán)境限制了細(xì)菌生長(zhǎng),土壤凍融交替對(duì)細(xì)菌細(xì)胞的破壞程度加大,導(dǎo)致細(xì)菌數(shù)量下降,而真菌菌絲體能夠利用土壤顆粒周?chē)降奈磧鏊?甚至能夠穿越凍土間液態(tài)水薄膜以獲取生存所需的水分[31]。越來(lái)越多的證據(jù)顯示,在雪被覆蓋下的高緯度寒區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中嗜冷微生物的生理適應(yīng)性使其能在寒冷條件下生存和繁殖[32]。Lipson等[33]對(duì)高寒草甸的研究證實(shí),在冬季融雪期間土壤微生物群落組成由細(xì)菌轉(zhuǎn)變?yōu)檎婢?。一般認(rèn)為真菌/細(xì)菌比值常被用來(lái)衡量?jī)煞N微生物類(lèi)群的相對(duì)豐富度和土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性,遮雪顯著增加積雪穩(wěn)定期的真菌/細(xì)菌比值(P<0.05)。Schadt等[34]對(duì)科羅拉多地區(qū)雪下微生物群落組成的研究發(fā)現(xiàn),凍土帶土壤微生物量在雪下達(dá)到年度峰值且真菌占主要部分。Glanville等[35]對(duì)北極苔原生態(tài)系統(tǒng)的研究表明,在融雪72 h后,地上植被和地下微生物群落均會(huì)對(duì)環(huán)境變化做出迅速的響應(yīng)。全球變化可能導(dǎo)致一些地區(qū)降雪減少而降水增加,雪被較少或者消失會(huì)影響土壤溫度變化速率、通氣性、水分以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的遷移和轉(zhuǎn)化。尹鵬等[36]則認(rèn)為氣候變暖引起的冬季積雪覆蓋時(shí)間的縮短并不會(huì)通過(guò)影響土壤微生物活性而對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)水平和物質(zhì)循環(huán)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響。本研究中,遮雪處理僅在積雪穩(wěn)定期增加真菌PLFA含量、降低細(xì)菌PLFA含量,對(duì)其他時(shí)期微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性的影響并不顯著,Vankoughnett等[37]的研究也證實(shí),土壤微生物量并沒(méi)有對(duì)積雪覆蓋變化表現(xiàn)出明顯的響應(yīng)。這可能說(shuō)明短期積雪覆蓋變化對(duì)表層土壤微生物的影響是短暫而非可持續(xù)性,而對(duì)深層土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響還有待進(jìn)一步研究。

相關(guān)分析發(fā)現(xiàn),大興安嶺多年凍土區(qū)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和土壤理化性質(zhì)間具有明顯的相關(guān)性(圖5)。土壤總磷脂脂肪酸含量、真菌和革蘭氏陰性菌與土壤含水量、pH和銨態(tài)氮均呈顯著正相關(guān)。韓世忠等[38]的研究結(jié)果表明,在米櫧(Castanopsiscarlesii)天然林真菌對(duì)有機(jī)底物的利用率更高,在養(yǎng)分有效性較低、偏酸性的土壤中,真菌代謝更加旺盛。Lauber等[39]也證實(shí)在偏酸性的土壤環(huán)境中真菌能夠提高對(duì)水分的利用效率,從而促進(jìn)自身生長(zhǎng)和繁殖。土壤pH在4.27—4.81之間,季節(jié)性變幅不大,雖然有研究認(rèn)為土壤微生物可在一個(gè)較寬pH范圍內(nèi)生長(zhǎng),但不同類(lèi)群的微生物對(duì)土壤pH的耐受范圍不同,過(guò)高或過(guò)低的pH值都不利于土壤微生物的生長(zhǎng)和繁殖[40]。季節(jié)變化會(huì)對(duì)植被生長(zhǎng)和土壤微生物群落產(chǎn)生直接影響,而土壤水熱條件的變化又會(huì)影響有機(jī)質(zhì)的分解和周轉(zhuǎn),進(jìn)而改變土壤中碳、氮元素含量。土壤有機(jī)碳表現(xiàn)為在積雪形成期最高,植被生長(zhǎng)季初期最低,這主要是由于在植被生長(zhǎng)季節(jié)末期大量新鮮凋落物歸還到土壤表面,使有機(jī)碳在土壤凍結(jié)初期保持著較高含量,冬季較低的土壤溫、濕度對(duì)碳、氮等元素轉(zhuǎn)化具有一定限制作用,而微生物仍能夠持續(xù)不斷地分解和利用有機(jī)物質(zhì),進(jìn)而降低了土壤有機(jī)碳含量。春季氣溫回暖,適宜的土壤條件為植物和微生物的生長(zhǎng)和代謝提供了良好的環(huán)境,增加對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的需求量,致使土壤有機(jī)碳含量維持在較低水平。Meril?等[41]在對(duì)中高緯度森林土壤微生物群落結(jié)構(gòu)月際變化進(jìn)行研究時(shí)也發(fā)現(xiàn)每年生長(zhǎng)季開(kāi)始時(shí),土壤存在養(yǎng)分的再次積累現(xiàn)象。不同季節(jié)所引起植被凋落物及其分解速率的變化,造成回歸土壤中養(yǎng)分的質(zhì)量和數(shù)量產(chǎn)生差異,從而影響了微生物群落的組成和多樣性。本研究中細(xì)菌和革蘭氏陽(yáng)性菌與土壤總磷、總氮和硝態(tài)氮呈顯著正相關(guān),遮雪僅在積雪融化期顯著增加了土壤總有機(jī)碳、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量(P<0.05),而不同積雪覆蓋條件并沒(méi)有引起其他時(shí)期土壤理化性質(zhì)的顯著差異,其原因是相對(duì)于微生物,土壤理化性質(zhì)對(duì)遮雪的響應(yīng)可能存在一定滯后性[42]。積雪融化促進(jìn)了土壤養(yǎng)分釋放和有機(jī)物質(zhì)分解,為細(xì)菌創(chuàng)造了有利的生存環(huán)境,同時(shí)地溫回升也可能提高細(xì)菌的生理活性。當(dāng)土壤可利用基質(zhì)下降到一定程度時(shí)又可能成為土壤微生物繁殖和生存的限制性因子,土壤微生物群落組成和代謝活性很大程度上是由土壤的肥力和質(zhì)量、土壤有機(jī)物的代謝過(guò)程以及生物地球化學(xué)循環(huán)等因素所決定[43]。

4 結(jié)論

大興安嶺多年凍土區(qū)土壤中18:2ω6,9c(真菌)、a15:0(革蘭氏陽(yáng)性菌)、i16:0(革蘭氏陽(yáng)性菌)、17:1ω8c(革蘭氏陰性菌)、18:1ω9c(革蘭氏陰性菌)、和16:1ω5c(內(nèi)生真菌)含量較高,且在不同時(shí)期各優(yōu)勢(shì)PLFA含量存在差異。微生物總磷脂脂肪酸表現(xiàn)為植被生長(zhǎng)初期最高,積雪穩(wěn)定期最低,遮雪對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)具有一定影響,其中在積雪穩(wěn)定期顯著降低細(xì)菌PLFA含量、增加真菌PLFA含量,真菌相比細(xì)菌對(duì)干冷環(huán)境變化有更高的耐受能力。RDA分析表明,土壤含水量、pH和氮素是影響土壤微生物群落組成的關(guān)鍵環(huán)境因子。微生物本身對(duì)積雪減少的響應(yīng)存在較大差異,短期實(shí)驗(yàn)可能掩蓋了土壤微生物對(duì)小面積積雪去除的滯后效應(yīng)和敏感性,要揭示大興安嶺多年凍土區(qū)微生物群落組成和空間分布格局對(duì)積雪覆蓋變化的響應(yīng)機(jī)理,還需要開(kāi)展更廣泛、更深入的連續(xù)性野外定位觀測(cè)和多因子綜合控制試驗(yàn)。