模拟氮磷沉降对北方针叶林土壤性质、微生物群落结构及氮循环过程的影响

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北方针叶林作为敏感且脆弱的生态系统,极易受全球变化的影响。由于人类活动引起的大气氮磷沉降量的增加可能会使土壤理化性质和微生物群落结构发生改变,从而影响土壤氮循环过程。本研究以我国大兴安岭地区典型北方针叶林为研究对象,通过模拟氮磷沉降试验,野外长期连续测定土壤含水量、p H、不同形态碳、氮和磷含量等指标,阐明氮磷沉降条件下北方针叶林土壤理化性质的年际变化规律及其关键控制因素;采用氯仿熏蒸浸提方法测定土壤微生物量碳和氮含量,16Sr RNA高通量测序技术测定微生物群落组成和结构,揭示氮磷沉降对北方针叶林土壤微生物的影响;采集模拟氮磷沉降土壤样品进行室内培养试验,结合野外试验土壤理化性质和微生物数据,探究氮磷沉降影响下土壤氮循环过程与微生物特征的关联。主要结果如下:(1)氮沉降处理初期降低了北方针叶林土壤pH,而随着模拟沉降时间的延长,氮沉降处理对土壤p H的影响逐渐减小,磷沉降和氮磷沉降处理对北方针叶林土壤p H没有显著影响。氮沉降处理初期促进了北方针叶林土壤总碳的积累,磷沉降处理抑制了土壤总碳积累,降低了土壤可溶性有机碳的含量,氮磷沉降处理初期抑制了北方针叶林土壤总碳的积累,而随着模拟沉降时间延长,氮磷沉降处理促进了土壤总碳积累,提高了土壤可溶性有机碳的含量。氮沉降和氮磷沉降处理促进了北方针叶林土壤总氮的积累,提高了土壤可溶性氮和铵态氮的含量,磷沉降处理提高了土壤可溶性氮的含量,氮沉降有利于改善北方针叶林土壤氮素有效性。磷沉降处理显著增加了北方针叶林土壤总磷和速效磷含量,氮沉降和氮磷沉降处理初期对土壤总磷和速效磷含量没有显著影响,在模拟沉降的后期显著增加了土壤速效磷的含量,表明在受氮限制的北方针叶林外源氮素输入促进了微生物对土壤有机质的分解,从而加速了磷素矿化和向土壤中的归还;(2)模拟沉降后期,磷沉降和氮磷沉降处理均显著提高了土壤微生物量碳和氮的含量,而氮沉降处理显著提高了土壤微生物量氮的含量。氮沉降处理显著增加了北方针叶林土壤细菌丰富度,降低了土壤真菌丰富度,而氮磷沉降处理不仅显著增加了土壤细菌丰富度,而且显著增加了土壤真菌丰富度,这可能与土壤细菌和真菌群落对氮磷输入的响应存在差异有关。氮沉降处理增加了变形菌门(Proteobacteria)的丰度,而磷沉降处理降低了变形菌门的丰度,氮磷沉降处理增加了酸杆菌门(Acidobacteria)的丰度,且土壤可溶性有机碳、铵态氮和总磷含量可能是引起土壤细菌群落改变的主要限制因子,表明氮磷沉降可通过改变北方针叶林土壤养分含量从而影响土壤细菌群落组成。氮沉降处理和氮磷沉降处理都显著增加了子囊菌门(Ascomycota)的丰度,而显著降低了担子菌门(Basidiomycota)的丰度,且土壤速效磷、微生物量氮和铵态氮含量是引起土壤真菌群落改变的主要限制因子;(3)室内培养试验发现,模拟沉降后期,氮沉降处理显著增加了北方针叶林土壤铵态氮和硝态氮含量,结合野外试验数据发现,持续的氮磷沉降处理显著提高了北方针叶林土壤净氮矿化和硝化速率,磷沉降处理显著降低了北方针叶林土壤净氮矿化速率而提高了土壤净硝化速率,这可能是由于磷沉降加剧了北方针叶林土壤氮限制,抑制了土壤微生物活性,从而影响土壤有机质的分解。
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