凋落物添加和去除对杉木林土壤剖面有机碳组分及微生物特性的影响

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杉木(Cunninghamia lanceolata)是我国南方最重要的速生用材树种。凋落物是森林土壤有机碳输入和养分归还的最主要的来源。凋落物输入在森林生态系统碳(C)循环和氮(N)、磷(P)等养分循环中的作用一直是林学等相关学科的研究热点。为探讨全球气候变化和人类活动影响背景下凋落物量增加或减少对亚热带森林土壤剖面有机碳组分和微生物特性的影响,本研究以杉木人工林为对象,于2013年布设凋落物去除(LR)、凋落物添加(LA)和对照(CK)三种处理4次重复的完全随机区组试验,试验连续处理6年后,2019年沿土壤剖面采集0-10 cm、10-20 cm、20-40 cm、40-60 cm共4层土壤,测定其理化性质、有机碳组分、水解酶活性和微生物群落结构,阐明凋落物添加和去除对杉木人工林土壤剖面碳储量及关键生态过程影响及其微生物学机制,为杉木林凋落物管理及可持续经营提供科技支撑。主要结果如下:(1)LA显著提高0-10 cm层土壤养分含量、有机碳组分、水解酶活性、微生物多样性和主要类群丰度。LR显著提高0-20 cm层土壤p H和有效磷(Olsen-P),却显著降低有效氮。LA显著增加10-20 cm层全氮、全磷、铵态氮(NH4+-N)、微生物生物量碳(MBC)、葡萄糖苷酶(BG)、半纤维素酶(CB)、亮氨酸氨基肽酶(LAP)、酸性磷酸酶(AP)活性(除乙酰葡糖胺糖苷酶(NAG))、原生动物和革兰氏阴性细菌(G-)生物量。LR显著降低有机碳活性碳组分、CB、NAG、AP活性。LA使20-40cm土层的有效氮养分、可溶性碳(DOC)、CB活性和微生物群落结构均显著提高,LR也显著提高总微生物量、真菌、细菌和革兰氏阳性细菌(G+)生物量,降低了AP活性。在40-60 cm土层中,LA显著增加NH4+-N、DOC和CB活性;LR只降低了CB和NAG酶活性,LA和LR均不对微生物群落结构产生影响。(2)各凋落物处理下的土壤养分含量、有机碳组分、5种酶活性和微生物群落结构组成生物量及其多样性均随土层的增加而降低,表层显著高于深层(20-60 cm)。在各个土层下AP活性显著高于C、N水解酶活性。ln(BG+CB):ln(NAG+LAP):ln(AP)比值在整个土层的范围为1:0.40-0.90:1.82-2.54。羧酸类、氨基酸类是土壤微生物的主要利用碳源,胺类和酚酸类利用最少。此外,真菌/细菌、G+/G-和环境压力(cy17:0/16:1ω7)均随着土壤剖面的深度而增加。(3)随着土层的加深,酶活性、微生物群落结构组成和多样性与土壤理化性质及有机碳组分的相关性也随之削弱。在表层中,全磷、NH4+-N和酸水解有机碳组分是影响水解酶活性和微生物群落结构及其多样性变化的关键因子。全量养分在20-40cm和p H、活性碳和惰性碳(RP-C)在40-60 cm土层是对酶活性及其化学计量比影响的主要因子。N/P和SWC各在20-40 cm和40-60 cm土层中影响土壤微生物群落结构及其多样性变化的关键因子。综上,凋落物去除分别对土壤理化性质、有机碳组分、酶活性和微生物群落产生中性、消极和积极的影响,而凋落物添加往往对这些特性产生积极影响,且这些特性对凋落物添加的响应比凋落物去除更敏感。几乎所有的养分、有机碳组分、酶活性和微生物群生物量均随着土壤深度的增加而降低,但凋落物处理下的不同土层间差异不一致。可见,凋落物通过影响土壤剖面非生物特性、水解酶活性和微生物群落特征,从而在维持杉木人工林土壤长期肥力方面发挥着关键作用。
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