森林转换对土壤微生物学特性的影响

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森林转换是常见的土地利用方式之一。土壤微生物是陆地生态系统生物地球化学循环的重要驱动因素,其特性指标常被作为土壤生态系统生产力的重要生物指标。为揭示森林转换对土壤生态系统生产力的影响,本研究分析了皖南山区马尾松(Pinus massoniana)次生林(PM)以及由马尾松次生林转换成的湿地松(Pinus elliottii)人工林(PE)和杉木(Cunninghamia Lanceolata)人工林(CL)的土壤理化性质与土壤微生物学特性的变异特征,深入探讨了土壤理化性质、土壤微生物生物量、土壤酶活性以及土壤细菌群落结构和多样性之间的相关性,以确定影响该地区森林土壤细菌群落的关键环境因子,以期为该地区次生林转换为人工林后森林土壤生态系统的可持续发展提供理论基础和科学依据。研究的主要结果如下:(1)森林转换改变了土壤理化性质。PM转换成PE后,0-10 cm土层的硝态氮(NO3--N)和速效磷(AP)含量显著降低;在0-10 cm,10-30 cm和30-50cm这3个土层中的土壤pH显著增加,土壤电导率(EC)显著降低;铵态氮(NH4+-N)含量在PE中最高,NO3--N含量与之相反。PM转换CL后,0-10 cm土层的土壤有机碳(SOC)和AP含量显著降低,3个土层中的土壤含水率(SWC)均显著增加,SOC含量和EC显著降低;SWC在CL中最大,SOC、全氮(TN)、全磷(TP)和NH4+-N含量均最低。3种林型中,除PM和CL的土壤pH随着土层加深而升高和PM的SWC先升高后降低之外,其他土壤理化性质指标均随土层加深而降低。(2)森林转换后土壤微生物生物量没有显著变化。土壤微生物生物量碳(MBC)含量在PM转换成PE和CL后的3个土层中均未发生显著变化,PE中的MBC含量在0-10 cm和30-50 cm土层均为3种林型最大;土壤微生物生物量氮(MBN)含量在PM转换成CL后的3个土层中也均未发生显著变化,但转换成PE后则显著增加,且均为3种林型中最大。3种林型中的MBC、MBN含量均随土层加深而降低。(3)森林转换显著改变了土壤酶活性。土壤酸性磷酸酶(S-ACP)和土壤蔗糖酶(S-SC)活性在PM转换为PE和CL后的3个土层中均降低且3种林型中均为PM>PE>CL。土壤过氧化氢酶(S-CAT)活性在森林转换后3个土层的趋势不同。土壤脲酶(S-URE)活性在PM转换为PE后,在3个土层中均显著增加且显著大于CL。4种土壤酶活性均随土层加深而降低。(4)森林转换显著改变土壤细菌多样性。3种林型的0-10 cm和10-30 cm两个土层的土壤细菌Chao1指数、Observed_species指数、Shannon指数、Simpson指数的变化趋势均为PE>CL>PM,0-10 cm的土壤细菌α多样性指数均大于10-30 cm土层。主坐标分析表明3种林型组间差异显著大于组内差异,0-10 cm和10-30 cm之间土层差异明显。(5)森林转换显著改变了土壤的细菌群落组成。0-10 cm土层中:在门水平上,三大优势菌群为酸杆菌门(Acidobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)和放线菌门(Actinobacteria),其中PE的酸杆菌门相对丰度最低,CL的变形菌门和放线菌门相对丰度均是最低;在属水平上,三大优势菌群为酸杆菌门Subgrou p_2_unclassified、Acidobacteriales_unclassified,变形菌门Elsterales_unclassified,其中这3个优势属相对丰度均是PE最低。10-30 cm土层中:在门水平上,三大优势菌群为酸杆菌门、变形菌门和绿弯菌门(Chloroflexi),其中PE的酸杆菌门和绿弯菌门相对丰度均为最低。在属水平上,酸杆菌门Subgroup_2_unclassified、Acidobacteriales_unclassified,变形菌门Elsterales_unclassified仍为3种林型的优势菌群,但PM和CL第二大优势菌群为绿弯菌门AD3纲_unclassified。(6)对土壤环境因子和土壤细菌群落进行Mantel分析可知,土壤EC是影响该地区土壤细菌群落最重要的环境因子,其次是土壤pH和NO3--N,同时SOC、TN、AP、MBC、MBN、S-CAT、S-SC、S-URE也显著影响了该地区的土壤细菌群落结构。综合分析表明:从微生物学特性的角度来看,马尾松次生林转换为湿地松人工林,比转换为杉木人工林有利于土壤细菌群落的发育和土壤养分维持,有利于皖南山区的土壤生态系统恢复和可持续发展。
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