土壤跳虫在碳循环中的作用——13C示踪研究

徐国良，王敏，张卫信，夏汉平，王嘉珊，吴志峰*

1. 广州大学地理科学学院，广东 广州510006；2. 中国科学院华南植物园，广东 广州 510650；3. 中国科学院大学，北京 100039

土壤跳虫在碳循环中的作用——13C示踪研究

徐国良1，王敏2,3，张卫信2，夏汉平2，王嘉珊1，吴志峰1*

1. 广州大学地理科学学院，广东 广州510006；2. 中国科学院华南植物园，广东 广州 510650；3. 中国科学院大学，北京 100039

摘要：土壤动物在土壤碳库中发挥着重要的作用，但长期以来受技术手段的限制，其作用过程及贡献程度仍不清楚。该研究通过室内微宇宙实验，利用稳定碳同位素标记凋落物和模式跳虫实验种（Folsomia Candida）探索了土壤动物在碳循环中的作用。试验设置了3个处理：对照土壤、土壤加标记凋落物、土壤加标记凋落物和跳虫，每处理设4个重复，分别在实验开始的第7、21、63天进行破坏性取样。研究结果发现，凋落物新碳可以很快进入土壤食物网。试验跳虫δ13C原始值为-9.91‰±0.08‰，经过7天的培养，跳虫体内的δ13C值达到522.70‰，表明跳虫能在短时间内高效同化来自凋落物的新碳；土壤微生物群落也显著地同化了凋落物新碳，添加凋落物后微生物PLFAs δ13C值极显著升高，这种效应在试验初期尤其显著；同时，研究发现在添加跳虫的处理中，微生物δ13C比无跳虫处理的极显著升高，反映跳虫的存在和活动对微生物有积极的能动作用，增加微生物对凋落物新碳的同化效率。虽然7 d后发现凋落物新碳明显进入了土壤，然而添加跳虫处理的土壤δ13C显著低于没有加跳虫的，说明跳虫的活动可能促使了更多新C释放出土壤，从而降低了土壤的δ13C值。不同处理之间累计呼吸量存在显著差异，有凋落物和跳虫存在的处理极显著高于对照处理，表明实验处理都显著地增加了系统CO2通量；通过对C来源的同位素解析，发现试验初期（21 d）有85%以上的C都来自凋落物新碳，表明初期凋落物新C大量释放；但随着凋落物分解的进行或跳虫活动的增强，土壤C的利用效率逐步增加，使得通量中土壤C的比例逐渐增加。本研究通过比较完善的控制实验明确证实，在土壤动物和微生物的作用下，凋落物新C可以很快进入碳循环，但新C也很容易通过呼吸作用释放回到大气，尤其在初期，绝大部分排放的CO2都源自新C。土壤跳虫在食物网中的作用明显，对土壤微生物具有显著的调控作用。

关键词：跳虫；同位素；碳循环

引用格式：徐国良，王敏，张卫信，夏汉平，王嘉珊，吴志峰. 土壤跳虫在碳循环中的作用——13C示踪研究[J]. 生态环境学报, 2015, 24(7): 1103-1107.

XU Guoliang, WANG Min, ZHANG Weixin, XIA Hanping, WANG Jiashan, WU Zhifeng. Role of Collembola in Carbon Transformation——A13C-labelling Study [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(7): 1103-1107.

陆地碳循环是全球关注的焦点问题之一（Heimann et al.，2008），而土壤是陆地生态系统最大的碳库（Schimel，1995；Hagedorn et al.，2001）。土壤动物是陆地生态系统物质循环和能量流动正常运行的关键环节。近年来，有关土壤动物对土壤碳循环的物理、化学和生物过程的贡献受到越来越多关注。已有研究表明，土壤动物在土壤有机质矿化、腐殖质形成和分解、植物营养元素转化等过程中起着不可替代的作用（Edwards et al.，2004；Jegou et al.，2001；张卫信等，2007；Coleman et al.，1996；Nakamura et al.，2007；Persson，1983；Hunt et al.，1987）。

利用同位素技术进行土壤动物生态学研究作为一种原位无干扰研究方法，使人们可以更好地了解土壤动物群落的结构与功能过程。Briones et al. （1999a）曾利用13C自然丰度研究跳虫对食物的选择性，这与传统的观察法和肠道内含物分析方法相比，不仅省时省力，而且重现性好。同时，同位素技术在土壤动物功能群的划分中也起着重要的作用，所谓功能群是指以相似的方式对某一过程产生影响的一组生物，而土壤动物体组织的同位素丰度信息能够为我们鉴定出土壤中一系列的功能群提供非常有价值的信息（Briones et al.，1999b）。所有这些研究都表明稳定同位素技术在土壤动物生态学的相关领域有着广阔应用前景。

土壤跳虫与螨类构成了中小型土壤动物的重要组分（陈建秀等，2007）。它分布广泛，从极地、阿尔卑斯苔原到沙漠和热带雨林，都能观察到跳虫活动的踪迹；它们的密度也相当惊人，能达到700万只/m2（Rusek，1998）。同时它们在土壤生态系统中扮演着极为重要的功能角色，能参与土壤物质循环、提高土壤肥力、改善土壤理化特性、维持土壤生物群落，以及在土壤质量评价、污染监测、污染土壤的生物修复等方面起重要作用（陈建秀等，2007）。目前已有许多关于土壤跳虫对微生物和土壤养分影响的研究，然而关于土壤跳虫对凋落物层C进入到土壤中的贡献程度的研究却较少（Chamberlain et al.，2006）。因此，本研究在室内微宇宙系统中，以土壤跳虫为研究对象，利用稳定同位素技术手段开展实验。本研究试图验证以下假设：土壤跳虫的存在能够调控微生物活性并在C循环中有积极的能动作用。

1　材料与方法

1.1实验材料与设计

试验土壤取自鼎湖山自然保护区针阔叶混交林。凋落物来自于13C标记过的荷木叶。跳虫为实验室培养种。

实验在室内微宇宙系统进行。微宇宙系统建立在塑料容器内（内径10.5 cm，高12 cm），盖子涂上适量的凡士林，以确保微宇宙系统能够完全密封，同时又能确保有足够的空间。称取100 g灭菌土放在150 mL的烧杯内，该烧杯放于微宇宙系统的底部，一个装有20 mL 1M NaOH的50 mL烧杯也放于系统内用于吸收呼出的CO2。实验开始后，将30 g新鲜土壤和300 mL灭菌水混合制成土壤悬浮液，10 mL土壤悬浮液加入100 g干土中，再用灭菌水调节土壤含水量，维持在土壤最大持水量的60%。根据实验最初的含水量，每隔一周调节一次土壤含水量。称取被标记的凋落物叶1 g放入土壤表面（40个微宇宙），添加30只成年跳虫（20个微宇宙）。实验一共设置了3个处理：（1）对照土壤（S）；（2）土壤加标记凋落物（SL）；（3）土壤加标记凋落物和跳虫（SLC）。分别在实验开始后的第7、21、63天进行破坏性取样，每次取样的微宇宙个数为12个，即每个处理4个重复。

1.2样品采集与前处理

用镊子从土壤表面小心地取出未被分解的凋落物叶，于60 ℃烘干并称重，球磨仪磨碎，并过80目筛，用于测定δ13C和碳氮含量。一部分土壤用于提取土壤跳虫；一部分土壤用于测定土壤微生物的PLFAs，测定PLFAs所剩提取液再用来测定土壤微生物δ13C；剩余的土壤自然风干，研磨过80目筛，用于测定δ13C、土壤有机碳和土壤易氧化有机碳。提取的跳虫计数后，冷冻干燥，用于测定δ13C。

呼出的CO2用20 mL 1 M NaOH吸收，破坏性取样后，先用5 mL饱和的BaCl2溶液沉淀，再用0.5 M盐酸滴定，根据滴定的盐酸量来计算呼出的CO2速率（用mg·hr-1表示）。将生成的BaCO3沉淀转移至50 mL离心管中，加入适量去离子水，手工摇动，并在2500 rpm下离心2 min，弃去上层液体，此过程反复多次，直到上层液体pH达到中性（6.8～7.0），之后将沉淀物于80 ℃烘48 h（Sven et al.，2007），用于测定CO2的δ13C。

1.3指标测定

跳虫用干漏斗法提取并保存在酒精（90%）中，在体视显微镜下统计其数量。土壤水分含量在105℃下烘24 h测定；土壤pH值用校正后的pH计测定；土壤有机碳采用重铬酸钾氧化-外加热法测定；易氧化有机碳（ROC）利用333 mmol·L-1高锰酸钾氧化法测（Blair et al.，1995，1997）。凋落物全碳的测定方法同土壤全碳的测定方法；凋落物全氮经凯式消解后靛酚蓝比色法测定。微生物提取流程主要参照Bossiod et al.（1998）的方法；土壤微生物多样性用磷脂脂肪酸法分析。所有样品的δ13C均用IsoPrime 100稳定性同位素比值仪测定。

1.4统计分析

统计分析采用SPSS 16.0软件处理，图表用Origin 8.0和Excel 2013完成。所有的数据都进行了方差齐性检验，显著性水平以P<0.05表示，方差分析的显著差异用LSD多重比较。跳虫δ13C值采用单因素方差分析。重复测量的变量（土壤δ13C，PLFAs的δ13C，CO2速率，CO2δ13C）采用重复测量方差分析。

2　结果与分析

2.1土壤碳同位素丰度变化

不同微宇宙系统的土壤δ13C有显著差异（F=30.885，P<0.01，图1），SL和SLC处理中土壤δ13C都比对照（S）处理显著升高，表明凋落物新碳明显进入了土壤。同时，SLC系统土壤δ13C比SL显著降低，可能是因为跳虫的活动，能够促使更多的新C释放出土壤，因而降低了土壤的δ13C值。

2.2跳虫和土壤微生物13C丰度的变化

跳虫体内的δ13C的变化反映了其同化新碳的情况。试验所添加的跳虫δ13C原始值为-9.91‰± 0.08‰，经过7 d的培养，跳虫体内的δ13C极显著增加，达到了522.70‰（图2A），这表明跳虫能在短时间内高效地同化来自凋落物的新碳。之前的一些研究也得到了类似的结果，Deniro et al.（1978）在研究动物体内同位素组成和食物同位素组成时发现，两者之间的碳同位素比值相差非常小。Endlweber et al.（2009）也证明跳虫体内的13C来源于它的食物。这说明，跳虫体内的δ13C丰度与其食物环境直接相关，而且跳虫可以高效地反映环境C同位素丰度的变化。

图1　不同处理土壤δ13C随时间的变化Fig 1 Bulk δ13C values of soil in microcosms of soil; soil and litter; soil, litter and Collembola

不同处理之间，土壤微生物PLFAsδ13C存在极显著差异（F=28.043，P<0.01，图2B）。包含凋落物的处理比对照处理微生物PLFAsδ13C显著为高，这表明凋落物新碳显著被同化进入了土壤微生物群落，而且初期这种效应尤其显著，表明微生物对凋落物新碳的偏好。另外，添加跳虫的SLC处理比无跳虫的SL处理δ13C显著为高，反映了跳虫的存在和活动可以极显著地激发微生物作用，增加微生物对凋落物新碳的同化。许多研究认为，跳虫对于C、N的矿化是通过影响微生物结构、真菌龄级、基质条件等产生作用（Seastedt，1984；Teuben，1991；Satoshi et al.，2008）。在以往的研究中，一般也认为跳虫种F. candida并不直接取食凋落物叶，而是主要以真菌为食，也即通过取食微生物进而间接同化凋落物新碳，它们的存在与活动可以通过调控微生物实现对新C输入的影响。

2.3CO2通量的响应

不同处理之间累计呼吸量有显著差异（F=96.859，P<0.001，表1）。有凋落物和跳虫存在的处理极显著高于对照处理，表明凋落物和跳虫的添加显著地增加了系统CO2通量。虽然整体上SL 和SLC处理之间没有显著差异，然而试验21 d，跳虫个体数量开始显著增加后，SLC处理排放的CO2开始高于SL处理。

表1　不同微宇宙系统累积CO2通量Table 1 Cumulative CO2respired from microcosms over the 63-d experimental period

通过对C来源的解析，发现试验初期，几乎所有的C都来自凋落物（表2）；21 d后，来自土壤的C开始增加；两个月后，系统排放的C过半来自土壤。表明初期微生物明显偏好凋落物新C，但随着凋落物分解的进行或跳虫活动的增加，微生物逐渐更多地利用土壤中的老C。

图2　不同时间土壤跳虫（A）和土壤微生物（B）同位素丰度 (n=4)Fig. 2 The bulk δ13C values of Collembola (A) and soil microbes (B). Values with the different letter are significantly different (P<0.01) (n=4)

表2　CO2中的C来自凋落物(flitter)和土壤(fsoil)的比率Table 2 The proportion of litter- and soil-derived CO2

3　结论

通过13C同位素标记示踪技术，分析了凋落物新C在跳虫和微生物作用下的循环过程。研究证实，凋落物新C可以很快被土壤食物网同化，而且土壤微生物对新鲜凋落物具有明显的偏好。虽然如此，新C也很容易通过呼吸作用释放回到大气中，尤其在初期，绝大部分排放的C都源自凋落物。土壤跳虫在食物网中的作用明显。它们可以短时间内间接同化大量的外源新C；同时跳虫对土壤微生物具有显著的功能性调控作用，在跳虫活动的激发作用下可以显著提高土壤微生物对新C的同化效率。

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Role of Collembola in Carbon Transformation——A13C-labelling Study

XU Guoliang1, WANG Min2, 3, ZHANG Weixin2, XIA Hanping2, WANG Jiashan1, WU Zhifeng1*
1. School of Geographical Sciences, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China; 2. South China Botanical Garden, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510650, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China

Abstract:Terrestrial carbon cycle is one of the key issues in the world. Soil fauna play essential roles in soil ecosystem which is the largest terrestrial carbon sink. However, both the contributions of soil fauna to carbon transformation and the underlying mechanisms are still unclear. The isotope technology provided an useful method to quantify the key processes in soil food web and material cycling. In this study,13C-labeled leaf litter was used to investigate the effect of the Collembola (Folsomia Candida) on carbon transformation in laboratory microcosms. Three treatments were set up: (1) soil (control, S), (2) soil and labeled litter (SL), and (3) soil, labeled litter and Collembola (SLC). Each treatment has four replicates. These microcosms were destructively sampled on day 7, 21, 63 after the experiment initiation. The results showed that litter-derived C was incorporated into soil biota rapidly. The original δ13C values of Collembola was -9.91‰±0.08‰, and it reached 522.70‰ after 7 days of incubation indicating that Collembola could efficiently assimilate this newly introduced litter-derived C. Similarly, the δ13C values in PLFAs increased significantly, especially at the initial experimental stage. In addition, the presence of Collembola significantly promoted the PLFAs δ13C suggesting that Collembola could accelerate the microbial assimilation of litter carbon. Unexpectedly, treatment SLC exhibited significantly lower δ13C values than treatment SL. This may indicate that the presence of Collembola stimulated the release of newly metabolized litter C. Both of the treatments stimulated CO2flux significantly. By C isotope analysis, over 85% of the mineralized C derived from litter at the initiation state (21 days), demonstrating that new C from fresh litter tended to release back to atmosphere with active soil biota. Thereafter, the contribution of soil-derived C to the CO2emission increased. This study proved that new C from litter could participate in soil C cycling rapidly, especially in systems with active soil biota. While, the newly introduced litter C was also readily to be respired as CO2. In spite of the small size, Collembola had a priming effect on microbes in the litter-soil environment and, thus, contributed to the functioning of soil food web.

Key words:collembola; stable isotope; carbon transformation

收稿日期：2015-06-14

*通信作者：吴志峰。E-mial: gzuwzf@163.com

作者简介：徐国良，男，博士，副研究员，主要从事土壤动物多样性及与环境变化关系研究。

基金项目：国家自然科学基金项目（31270560；41571247）；973子课题（2011CB403205）；广东省自然科学基金项目（2014A030313532）；广州市属高校科研项目（1201410805）

中图分类号：X17

文献标志码：A

文章编号：1674-5906（2015）07-1103-05

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.07.003