论文部分内容阅读
人工林生态系统是旱区森林生态系统的重要组成部分,可以缓解和改善旱区的生态环境问题,而人工林养分循环可以调节和影响生态系统的物质循环、信息传递和能量流动,是维持旱区人工林生态系统生态服务功能和可持续发展的关键,但目前关于旱区人工林生态系统养分循环过程和机制的认识尚不清楚。因此,本研究以陇中黄土高原主要人工林生态系统为研究对象,包含了柠条锦鸡儿（Caragana korshinskii）、侧柏（Platycladus orientalis）、山杏（Armeniaca sibirica）、油松（Pinus tabuliformis）、河北杨（Populus hopeiensis）和柽柳（Tamarix chinensis）六种常见造林树种与13年、35年和≥50年三个造林年限,通过野外调查采样、室内测定分析等多种技术手段方法,首先明确了陇中黄土高原主要人工林生态系统不同组分的养分循环特征,其次分析了不同树种的凋落物化学性质和土壤酶活性对≥50年人工林土壤养分的影响,最后重点探究了柠条锦鸡儿林和侧柏林土壤微生物群落的差异及其与植物群落、土壤性质之间的相互关系,进而揭示了陇中黄土高原主要人工林生态系统的养分循环过程及其潜在机制。主要结果如下:（1）树种（柠条锦鸡儿、侧柏、山杏、油松、河北杨和柽柳）和造林年限显著影响陇中黄土高原主要人工林生态系统绿叶、细根、叶凋落物和表层土壤的有机碳（OC）、全氮（TN）、全磷（TP）、全钾（TK）含量及其比值和叶片养分再吸收效率,而且不同组分间（绿叶、细根、叶凋落物和表层土壤）的养分含量和比值也存在显著差异。在不同组分中,绿叶N、P和K含量显著高于细根、叶凋落物和表层土壤,细根C含量最高,表层土壤C、N含量和细根P、K含量最低,导致它们的平均C:N:P:K比值大小依次是细根＞叶凋落物＞绿叶＞表层土壤,不同组分C:N:P比值大小也遵循该规律。叶片C、N、P和K的再吸收效率分别是21.83%、44.34%、52.68%和55.90%;13年侧柏林和50年油松林受到N、P共同限制,其他人工林仅受P限制;叶片P再吸收效率与不同组分P呈显著负相关,且植物绿叶对土壤速效磷（AP）表现出“稳态”,表明树木采取提高叶片P再吸收效率和维持绿叶P稳态性相结合的策略来适应P限制生境。（2）在≥50年的人工林中,柠条锦鸡儿、侧柏、山杏、油松和河北杨林地土壤养分含量显著不同。柠条锦鸡儿林土壤有机碳（OC）、全氮（TN）、速效氮（AN）、AP显著高于河北杨林、山杏林、油松林和侧柏林,侧柏林土壤TN、全磷（TP）、全钾（TK）、速效钾（AK）显著低于河北杨林和山杏林,其AP显著低于油松林和山杏林。与天然草地相比,柠条锦鸡儿林土壤全碳（TC）、OC、TN、AN和AK分别显著增加了28.42%、56.08%、57.41%、107.25%和10.29%,而侧柏林土壤TN、TP、AP、TK和AK分别显著降低了38.89%、30.58%、76.39%、8.25%和8.33%。与侧柏林相比,柠条锦鸡儿林叶凋落物有显著更低的C含量和更高的N、P、K含量,其土壤脲酶和碱性磷酸酶（ALP）的活性也显著高于侧柏林。整体上,叶凋落物质量和土壤酶活性对土壤养分总变异的贡献达到了62.20%,而且叶凋落物磷（LP）和土壤ALP更加显著积极地影响土壤养分,说明驱动陇中黄土高原主要人工林土壤养分变化的关键因素是树种、LP和ALP。此外,在凋落物、土壤酶和土壤养分中,N和P之间显著耦合关系揭示了人工林生态系统P循环可以积极响应氮水平的增加变化,尤其在豆科人工林中,柠条锦鸡儿通过提高土壤N含量来改善生态系统P状况进而缓解P对植物生长的限制。（3）在柠条锦鸡儿和侧柏林中,植物群落、土壤性质和土壤微生物群落的特征表现出较大差异。除土壤细菌Shannon指数与真菌Simpson指数外,柠条锦鸡儿林植物群落盖度、植物多样性、土壤养分含量和土壤微生物多样性均高于侧柏林。与侧柏林相比,确定过程在柠条锦鸡儿林土壤细菌和真菌群落构建中的贡献更大,其在细菌群落构建中的比例达到了91.43%,而随机过程在侧柏林土壤细菌和真菌群落构建中的比例为66.67%和100%。同时,柠条锦鸡儿林土壤细菌和真菌共现网络的特征为更高的多样性和丰富度、更短的平均路径长度和网络直径、更多的关键物种、相互关系及积极关系、更大的连通性和图密度,而侧柏林仅表现出更大的平均聚类系数,进而证明柠条锦鸡儿豆科人工林塑造了更复杂和更稳定的土壤微生物群落,形成了“植物-土壤-微生物”之间的积极相互作用,增强了豆科人工林的稳定性和可持续发展潜力。综上所述,树种主导了陇中黄土高原主要人工林生态系统的养分循环,C、N、P、K在绿叶、细根、叶凋落物和土壤之间的循环具有明显异质性,而人工林可以通过提高植物P再吸收效率、维持植物P元素内稳态、增加土壤碱性磷酸酶诱导叶凋落物释放更多P、改善N水平促进P循环等策略适应P相对缺乏环境,同时植物-土壤-微生物之间的积极相互作用是人工林生态系统养分循环的关键和可持续稳定发展的重要基础。本研究不仅深化了旱区人工林生态系统养分循环过程和机制的理解,也为旱区人工林生态系统健康管理和可持续发展提供了重要科技支撑。