土壤氮转化功能微生物对南亚热带森林演替和降水变化的响应

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微生物是土壤生物地球化学循环的主要驱动者,是森林生态系统结构和功能的重要组成部分,对土壤微生物活性和组成的研究有利于探究被干扰后森林生态系统响应和恢复的内在机制。然而,相对于植被而言,对森林发展变化过程中土壤微生物动态变化的研究却很少。本论文以南亚热带森林生态系统为对象,首先研究了鼎湖山南亚热带常绿阔叶林具有60年恢复历史(演替前期)和具有400年保护历史(演替后期)的两个林分内土壤主要氨氧化功能微生物(AOA)群落丰度和结构的分布格局,及其与土壤理化性质、植被结构和空间距离的相关性,通过分析森林演替过程中土壤AOA群落与非生物环境因子和地上植被相互作用的变化,探讨土壤氨氧化功能微生物群落对干扰后森林生态系统次生演替过程中功能和结构恢复的作用;其次研究了鹤山人工恢复常绿阔叶林土壤硝化(archaeal amoA)、反硝化(nirK、nirS和nosZ)功能基因丰度,土壤净硝化和净氮(N)矿化速率,土壤理化性质等对该地区未来降水格局变化的响应及内在因果联系,旨在探讨全球降水格局变化干扰下,南亚热带森林土壤N循环功能微生物对N转化过程的驱动作用。  结果表明:(1)演替前期林分内,土壤AOA群落丰度、植被物种多样性、植株密度和土壤养分含量均低于演替后期林分(p≤0.085)。AOA群落丰度在演替前期林分内呈现较小的不规则斑块状分布(<50m),演替后期林分内呈现较大斑块的连续状分布(≥120m);AOA群落丰度和结构的空间变异在演替前期林分内主要与土壤理化性质的空间分布格局相关,而在演替后期林分内主要与空间距离和植被遗传结构相关。这些结果说明土壤氨氧化功能微生物是森林生态系统的重要组成部分,它通过与非生物环境因子和地上植被的相互作用,相互反馈共同决定着森林群落的发展和森林生态系统的结构与功能。(2)人工恢复南亚热带常绿阔叶林中,干季更干、湿季更湿(DD)处理对土壤含水量(SWC)有显著的负效应,干季隔除67%的降水降低了土壤amoA基因丰度,同时增加了nirS和nosZ基因丰度,从而降低了净硝化速率、净N矿化速率(15.8-21.2%)。湿季增加降水降低了反硝化功能基因的丰度,同时导致土壤净硝化和净N矿化速率增加了50%。(3)延长干季、湿季更湿(ED)处理对土壤氮转化功能微生物的影响在较干的年份(2014,降水:1550mm)和较湿的年份(2013,降水:2094mm)呈现不一致的规律。2013年延长干季处理增加了nirS和nosZ基因的丰度,而2014年延长干季处理对硝化和反硝化功能基因都表现出明显的负效应,两年内湿季更湿处理均降低了反硝化功能基因的丰度。延长干季增加了土壤NO3-含量、净硝化和净N矿化速率,而湿季更湿降低了土壤NO3-含量和净N转化速率;(4)结构方程模型分析结果表明:降水格局变化过程中,土壤微生物生物量碳(MBC)含量、硝化(amoA)和反硝化(nirK、nirS和nosZ)功能基因丰度的变化是土壤N转化速率的变化的主要驱动力,而MBC含量、硝化和反硝化功能基因丰度的变化主要受土壤可溶性有机碳(DOC)和无机氮(NH4+、NO3-)等底物浓度的影响。
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