土壤和叶片施氮对扁秆荆三棱湿地土壤微生态环境的影响

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大气氮沉降是全球变化的重要问题之一,引起了一系列的生态环境问题:如土壤酸化、土壤微生物群落结构与功能改变、土壤温室气体的释放增加等。对于普遍存在于氮限制条件下的湿地生态系统,大气氮沉降的生态效应更加不容忽视。以往模拟研究多数是通过土壤施氮来模拟氮沉降过程,忽视了通过沉降到植物叶片表面再进入到湿地生态系统的氮输入过程,导致了大气氮沉降生态效应评估的不准确。此外,大气氮沉降在一般情况下会带来植物生物量和植株密度的增加,进而造成植株之间相互遮挡和光的获取性减弱,而在研究大气氮沉降对湿地土壤微生态环境的影响时,通常并没有将这一过程考虑进来。基于此,本研究在扁秆荆三棱(Bolboschoenus planiculmis)湿地进行两因素方差实验,进行对照试验与四种处理实验,分别为:土壤施氮和叶片施氮两种施氮方式以及100%光照强度和50%的光照强度两种光照强度。对扁秆荆三棱湿地土壤微生态环境进行土壤理化性质、土壤酶活性、土壤微生物群落结构、土壤微生物功能基因四个方面进行研究。主要研究结果如下:(1)两种施氮方式显著降低土壤pH和速效磷(AP)含量,显著增加土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、铵态氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3--N)含量;土壤施氮处理下NO3--N含量高于叶片施氮;弱光处理降低了NO3--N含量,增加了AP含量。(2)施氮方式与光照强度对酶活性的影响主要在于不同时期碳氮循环相关酶,在叶片施氮下,不同时期的土壤都具有较高的碳氮酶活性。土壤理化性质与土壤酶活性有显著相关性,施氮可能通过改变土壤性质(土壤pH值和氮含量)来影响土壤酶活性。(3)施氮方式与光照强度变化显著影响扁秆荆三棱湿地土壤微生物量、微生物多样性和微生物优势菌门相对丰度。叶片施氮处理下土壤微生物量氮(MBN)含量高于土壤施氮;弱光处理下,微生物量碳(MBC)和微生物碳氮比(MBC/MBN)含量降低;叶片施氮处理下Chao1指数高于土壤施氮;弱光处理下,Chao1指数增加;土壤施氮处理下,拟杆菌门(Bacteroidetes)和甲基菌门(Methylomirabilota)高于叶片施氮,芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)低于叶片施氮;弱光处理下,厚壁菌门(Firmicutes)增加。(4)施氮显著增加了非根系土壤的pmoA、amoA、nirS、norB基因相对丰度,降低了nosZ、nasA、nirB、narB基因相对丰度;相较于土壤施氮,叶片施氮处理增加了nirS、nirB基因相对丰度,降低了mtrA、norB、nirA基因相对丰度;弱光处理下,pmoA、mtrA、nirA基因相对丰度增加,nirK、norB、nosZ、nirB基因相对丰度降低。施氮显著增加了根系土壤的pmoA、mtrA、amoA、基因相对丰度,降低了napA、nirA基因相对丰度;相较于土壤施氮,叶片施氮处理增加了pmoA、amoA、mtrA、nrfA,降低了nifH、nirS、nosZ、napA基因相对丰度;弱光处理下,pmoA、amoA、nirA基因相对丰度降低。根系土的pmoA、mtrA、amoA、ureC、narB基因相对丰度高于非根系土,narG、nirS、nosZ、nrfA基因相对丰度低于非根系土。在叶片施氮处理下,根系土在土壤固氮、反硝化过程降低,硝化、氮异化还原和氮同化还原过程增加。施氮方式与光照强度显著影响扁秆荆三棱湿地土壤微生态环境及生态环境因子之间的关系,尤其是叶片施氮在土壤磷含量、碳氮循环酶、微生物多样性以及甲烷氧化生成和氮循环过程等方面的影响与土壤施氮影响不同。表明氮沉降所导致的叶片氮输入对湿地土壤微生态环境具有重要作用,而植株之间因相互遮挡而造成光的获取性减弱也对评估施氮效应有一定的干扰。本研究对于准确评估氮沉降对湿地生态系统的影响能够提供理论支撑,尤其是对湿地土壤环境。
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