宁南山区枯落物分解对土壤微生物群落结构及有机碳形态的影响

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枯落物是连接土壤碳库和植物碳库的重要组分,同时作为分解者的物质和能量来源,对陆地生态系统的碳循环具有重大影响。本研究通过采用野外分解袋法和室内分解培养法,对枯落物分解过程中土壤总有机碳、微生物量碳、可溶性有机碳、轻组有机碳和磷脂脂肪酸含量进行测定,研究黄土丘陵区植被恢复中枯落物分解对土壤微生物群落特征和有机碳形态转化、固定的影响,揭示植被恢复早期土壤微生物对土壤有机碳形态转化及碳固持的作用机理,所得主要结论如下:(1)野外枯落物分解对土壤养分的影响受气候条件影响较大,在0-5cm土层表现较为明显。枯落物分解下的土壤有机碳大体呈先增加后减小的过程,其中2012年8月到11月前增加速度较快,之后相对稳定,次年6月到7月间下降速度很快。枯落物分解后的土壤有机碳含量和空白土壤相比都有不同程度的提高;土壤全氮主要来源于土壤植物残体分解与合成所形成的有机质,其变化趋势与有机碳相似;土壤硝铵态氮随时间呈明显上下波动状态,2012年8月到11月间土壤硝态氮有所减小,而铵态氮有所升高,11月至次年3月,土壤硝态氮迅速升高。枯落物分解对土壤硝态氮具有一定的增加作用,而对铵态氮影响很小;不同植物类型的枯落物对土壤养分的影响存在差异,柠条对土壤全碳和全氮以及硝态氮的提高作用最为显著,说明柠条作为当地植树造林的主要树种,对于土壤养分含量的提高具有明显的作用;根枯落物分解对土壤养分的影响与叶具有类似的作用,其中在对土壤有机碳的影响中,根的作用甚至大于叶的分解,植物根在对土壤养分的增加上起着不可忽视的作用。(2)枯落物添加到土壤后的碳矿化特征结果表明:添加枯落物后的土壤有机碳矿化速率呈现两个阶段,前期(0-11天)速率较大且迅速降低,后期速率较小且保持平稳,到培养结束时速率仅为初始速率的5.37%~13.98%;受矿化速率的影响,有机碳累积矿化量前期增加很快,之后逐渐减慢。前期(0-11天)各处理有机碳累积矿化量占到总矿化量的30.43%~50.51%;用一级动力学方程对枯落物自身释放的CO2-C量进行模拟,可得到矿化速率常数k以及枯落物的分解率,不同枯落物的分解率大小为冰草>长芒草>铁杆蒿>茭蒿>百里香,说明冰草和长芒草作为禾本科植物,其分解程度较高,而铁杆蒿等叶片表面较粗糙,不易分解,百里香的分解程度最低。矿化速率常数与分解率均与枯落物木质素含量呈显著负相关,说明枯落物的木质素含量与其碳矿化速率和分解率有密切关系,木质素含量越高,越不利于枯落物的分解。(3)室内培养试验中,添加枯落物后土壤总有机碳、可溶性有机碳、微生物量碳和轻组有机碳都明显高于空白土壤,其中空白土壤总有机碳稳定在2.60~2.90g/kg,而添加枯落物处理的有机碳含量在8.80~13.90g/kg之间;随着培养过程中有机碳的矿化损失,土壤总有机碳呈逐渐减小的趋势。可溶性有机碳在培养的第7天开始有所增加,达到最大值后随着微生物的消耗利用而逐渐减小;添加枯落物的各处理土壤微生物量碳与土壤轻组有机碳的相关系数在0.817~0.995之间,均达显著水平,说明轻组有机碳是土壤微生物重要的碳和能量来源;无气候条件影响下,枯落物的化学组成决定着枯落物的分解过程,添加长芒草与冰草、铁杆蒿与茭蒿的土壤有机碳变化趋势均相似,说明长芒草与冰草、铁杆蒿与茭蒿化学组成较相似。在培养的第14天,添加长芒草和冰草的土壤可溶性有机碳达到最大,且轻组有机碳分解完全,而添加铁杆蒿、茭蒿、百里香则在培养的第28天得到该结果,说明长芒草和冰草比铁杆蒿、茭蒿、百里香更容易被分解。(4)测定结果共检测出磷脂脂肪酸19种,其中16:0、18:1ω9c、18:2ω9,12和18:1ω9t占总PLFA的比例较高,比例分别为22.26~45.58%、1.66~49.48%、3.62~15.41%和1.59~10.40%。空白土壤总PLFA含量变化范围在1.71~6.91n mol/g之间,添加枯落物的土壤总PLFA含量在整个培养期内均大于空白土壤,变化范围在5.78~61.79n mol/g之间。随着枯落物的分解,各处理土壤微生物总PLFA含量均逐渐减少;与未加枯落物处理相比,添加不同枯落物后土壤微生物群落中真菌所占比例均增大,而细菌所占比例减小,革兰氏阳性菌的比例增大且随着分解的进行逐渐增加,但革兰氏阴性菌无此变化规律;添加枯落物后微生物真菌/细菌与G+/G-比例均增大,真菌和革兰氏阳性菌在枯落物分解中发挥了主要作用,添加枯落物使微生物群落结构发生了改变;在恒温恒湿条件下,枯落物的化学性质是影响土壤微生物的最主要因素,添加枯落物处理的土壤总PLFA含量、真菌的相对含量以及真菌/细菌均表现为百里香>铁杆蒿>长芒草,而细菌和革兰氏阳性菌的相对含量表现为百里香<铁杆蒿<长芒草,说明百里香所含营养物质较难分解,更有利于真菌生物量的增加,而长芒草较容易被分解,更有利于细菌生物量的增加。(5)土壤总有机碳表现为与总PLFA和真菌PLFA呈显著正相关,说明土壤总有机碳的含量是影响土壤微生物数量的重要养分因素;土壤轻组有机碳与土壤微生物类群的相关关系和微生物量碳一致,均与真菌PLFA和真菌/细菌呈显著正相关,说明在本试验中,土壤微生物量碳的变化主要是来源于土壤中真菌数量的变化,真菌对土壤中有机碳的转化起主要作用;空白土壤各微生物类群与有机碳形态之间未表现出显著相关关系,仅总有机碳与革兰氏阳性菌呈显著正相关,说明空白土壤中真菌对有机碳的分解作用较弱,而细菌中的革兰氏阳性菌起了主要作用。
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