不同土地利用类型下凋落物分解过程及其微生物学特征

来源 :中国科学院大学(中国科学院武汉植物园) | 被引量 : 3次 | 上传用户:xgf217
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土地利用变化通过改变地上植被类型进而影响地表净初级生产力和土壤有机质(soil organic matter,SOM)的输入,并间接影响土壤的理化性质,而这些变化将对陆地生态系统碳(C)、氮(N)和磷(P)循环过程和微生物酶活性产生巨大影响。然而,目前关于土地利用类型的变化对凋落物分解与微生物酶活性的影响机制尚不完全明确。因此,本研究选取丹江口库区三种不同土地利用类型的优势物种(森林:侧柏;灌丛:白刺花;农田:玉米)的凋落叶和细根作为研究对象,采用凋落袋分解的方法开展野外分解实验,研究(1)不同土地利用类型的凋落物分解过程及影响因素;(2)凋落物分解过程中的微生物酶活性特征及其与凋落物的分解速率、营养释放动态(C、N、P)、难分解组分(木质素、纤维素、半纤维素)的降解等过程的互作机制。本研究取得的结果如下:(1)不同土地利用类型下,凋落物类型(细根和凋落叶)的分解过程差异显著,这些差异与凋落物质量、形态学特征密切相关。在784天的分解过程中,灌丛凋落叶的初始N含量和N:P比高,初始C:N比和C:P比低,初始木质素含量低,是高质量的凋落物,分解速率最快(0.57 yr-1)。森林和农田凋落叶与之相反,即凋落物质量低,分解速率慢,其分解速率分别为:0.32 yr-1(森林)和0.31 yr-1(农田)。不同类型的凋落物分解过程变化迥异。农田细根的初始C含量和根组织密度(RTD)低,特定根长(SRL)高,分解速率最快(0.89 yr-1)。而森林和灌丛的细根则正好相反,分解速率分别为:0.25 yr-1(森林)和0.12 yr-1(灌丛)。(2)在凋落物的分解过程中,营养元素和难分解组分受土地利用类型、凋落物类型和分解时间及其交互作用显著的影响。C、木质素、纤维素和半纤维素在784天的分解过程中整体表现为释放,而N和P表现为释放或固定,其动态与土地利用类型、凋落物类型紧密联系。此外,不同土地利用类型的凋落物分解速率、营养元素和难分解物质释放的差异与凋落物输入量的不同导致造林(森林:1557.55±53.18 g m-2和灌丛:1609.07±23.87 g m-2)土壤有机碳(soil organic carbon,SOC)储量显著高于农田(734.42±56.36 g m-2),森林(115.77±6.08 g m-2)土壤N储量显著比灌丛(94.37±3.38 g m-2)和农田(98.44±4.94 g m-2)高,而森林(5.16±0.34 g m-2)土壤P储量却显著低于灌丛(8.54±0.27 g m-2)和农田(8.27±0.31 g m-2)。(3)在784天的分解过程中,土地利用类型、凋落物类型、分解时间及其交互作用对微生物C酶(β-Glucosidase,BG)、N酶(Leucine amino peptidase+N-acetyl-β-glucoasminidase,LAP+NAG)和P酶(Acid phosphatase,AP)活性有显著的影响。标准化主轴分析发现,凋落叶和细根的微生物C酶和N酶、C酶和P酶、N酶和P酶活性呈显著正相关关系。由于凋落物化学计量比、环境因素和微生物因素对微生物酶活性的向量长度的影响,导致造林植物凋落叶的向量长度随着分解的进行,呈现逐渐升高的趋势,农田在一定范围内上下波动;而森林细根的向量长度随着分解的进行呈现先上升后下降再上升的趋势,灌丛一直上升,农田则先上升再下降。同时,凋落物质量、化学计量比、环境因素和微生物因素也对微生物酶活性向量角度有显著影响,这导致森林凋落叶的向量角度呈现先上升再逐渐下降的趋势,且小于45°;灌丛的向量角度则直线上升,但均小于45°;而农田的向量角度直线下降,除分解前期外,其分解后期的向量角度小于45°;造林植物细根的向量角度则呈现先上升后下降的趋势,但是,森林的向量角度大于45°(分解第784天除外),灌丛的向量角度小于45°;农田的向量角度则逐渐变大,且均大于45°。综上所述,不同土地利用类型下,植被的改变导致凋落物质量、化学计量比和形态学特征差异显著,从而导致分解特征不同。凋落物输入量和分解过程的不同,又进一步影响不同土地利用类型的SOC、N和P储量显著不同。因此,全球土地利用变化背景下,我们的研究结果有利于评估土地利用变化对土壤C封存和营养循环的潜在效应,为深入认识生态系统间物质循环和能量流动的相关研究提供了基础数据。
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