亚热带森林外生与丛枝菌根树种丰度变化对土壤氮循环的影响

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土壤氮(N)循环对森林生态系统结构、功能及其对全球变化的响应都具有重要的影响。森林中几乎所有树木的根系都能与土壤真菌形成外生菌根(ECM)或丛枝菌根(AM)。菌根能够帮助树木获取土壤氮从而调节土壤氮循环过程,但不同类型菌根树种影响土壤氮循环的特征以及作用机制尚不清楚。本论文以亚热带典型次生林为研究对象,通过野外菌根调查构建ECM和AM树种优势及梯度变化样地,研究菌根树种相对丰度变化对土壤氮循环包括总氮(TN)、溶解性有机氮(DON)、微生物量氮(MBN)、氨态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)、以及净氮矿化(Nmin)和硝化速率(Nnit)等指标的影响规律,并通过测定叶凋落物数量和质量、土壤pH等理化性质、以及土壤氮循环功能基因丰度和微生物群落组成等,探讨不同菌根树种影响土壤氮循环的作用机制。主要研究结果如下:(1)随着ECM树种相对丰度的增加,土壤TN和NH4+-N无显著变化,但DON和NO3--N呈显著下降趋势,MBN则呈显著上升趋势,且这些趋势在表层有机土壤中更加明显。氮转化速率测定发现,Nmin和Nnit在土壤有机层随ECM树种丰度增加而降低,且Nnit与NO3-N呈显著正相关关系。通过对比AM和ECM优势样地,发现AM 土壤DON,NO3--N和Nnit是ECM的1.8-2.3倍,AM 土壤中 NO3-/NH4+>1 且 MBN/(NO3-+NH4+)显著高于 ECM 土壤,表明 AM 相较 ECM优势林分土壤可利用N更充足,N循环更快速。(2)随ECM树种优势度增加,年叶凋落物生物量无显著变化,但凋落物C/N 比呈升高趋势且ECM显著高于AM优势样地,表明ECM森林的凋落物质量与AM相比更低,更难分解。土壤pH值和含水量随ECM树种丰度增加而降低,有机碳(SOC)和C/N 比在有机层土壤中随ECM树种丰度增加而增加。土壤有机层中水解有机氮的β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAGase)活性与ECM树种优势度显著正相关。(3)土壤氮转化相关功能基因如amoA、napA和nirK的丰度在AM优势样地中要高于ECM样地。土壤细菌群落以酸杆菌门、放线菌门和变形菌门为主,但在不同菌根林分间无显著差异。土壤真菌群落以子囊菌门和担子菌门为优势菌门,且丰度在ECM优势样地中要显著高于AM样地。(4)在同时考虑地上生物量和多样性、土壤等多种环境因子的情况下,菌根树种相对丰度仍是土壤氮可利用性及转化速率的重要预测因子。基于结构方程模型的路径分析表明,ECM树种主要通过降低叶凋落物质量(高C/N),提高土壤C/N、降低土壤pH和含水量,并分泌更多NAGase直接从有机质中获取N,改变土壤微生物群落结构抑制氮转化功能微生物活性,从而降低了土壤氮矿化和硝化速率导致N有效性低。综上所述,本论文研究结果证实亚热森林ECM和AM树种相对丰度变化对表层土壤氮循环过程具有显著影响,可为全球气候变化及人为干扰活动加剧背景下森林树种构成改变时合理预测土壤氮循环过程,以及退化地植被恢复工程实践中不同菌根树种的合理搭配提供科学依据,对于科学管理和维持森林生态系统功能稳定具有重要意义。
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