植物根系和菌根真菌对亚热带森林土壤呼吸响应长期氮磷添加的影响及其机制

来源 :华东师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xuejun2004
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常绿阔叶林是我国亚热带区域典型的植被类型,是全球森林碳汇的重要组成。土壤呼吸,作为陆地生态系统第二大碳通量,对于森林碳汇功能具有重要的影响。随全球变化的加剧,亚热带森林正面临区域氮沉降增加的持续影响。相对于氮,该区域森林更容易受到磷的限制。区域氮沉降增加是否会加剧亚热带森林土壤磷限制,进而影响土壤呼吸及其组分,即,根呼吸、菌根真菌呼吸及微生物呼吸,目前尚不清楚,极大地限制了未来氮沉降增加背景下对该区域森林碳汇的准确评估与预测。本研究依托浙江天童森林生态系统国家野外科学观测研究站长期氮磷沉降模拟实验平台,在长期监测对照、低氮、高氮、磷、低氮+磷及高氮+磷六种处理条件下土壤呼吸的基础上,利用内置不同孔径尼龙网的内生长环,区分去除植物根系与菌根真菌输入(Rh)、仅菌根真菌输入(Rm+Rh)、植物根系与菌根真菌同时输入(Rr+Rm+Rh)条件下的土壤呼吸,结合土壤理化性质、微生物以及根系指标,解析亚热带森林土壤呼吸在长期氮磷添加条件下的动态响应规律;并重点围绕长期外源氮磷输入条件下,植物根系与菌根真菌对土壤呼吸的影响及机制进行深入研究,探明植物根系和菌根真菌对亚热带森林土壤呼吸响应长期氮磷添加的影响及其机制。主要结果如下:(1)不同氮磷添加条件下土壤呼吸的长期(10年)监测显示:亚热带森林土壤呼吸对氮磷添加的响应存在时间效应,低氮处理在初期显著提高土壤呼吸(+19.67%),施肥6年磷处理显著提高土壤呼吸(+29.91%),而经历10年的长期氮磷添加后,外源的氮、磷输入均对土壤呼吸产生显著的负效应(降低24.93-47.50%)。不同阶段亚热带森林土壤呼吸响应氮磷添加的主要影响因子亦有所不同,在外源氮磷输入的早期亚热带森林土壤呼吸更多地受到土壤微生物胞外酶活性和土壤氮含量的影响,而到后期则更多地受到微生物的群落结构与组成的影响。(2)针对长期外源氮磷输入在后期对土壤呼吸的抑制作用,采用不同孔径尼龙网内生长环区分不同土壤呼吸组分,结果显示:植物根系和菌根真菌是影响亚热带森林土壤呼吸响应长期氮磷添加的重要因素。在没有外源氮磷输入的条件下,尽管植物根系的输入促进土壤呼吸(+33.89%),而菌根真菌却在一定程度上抑制了土壤有机碳的分解,降低土壤呼吸(-27.09%)。长期不同氮磷添加处理抑制亚热带森林土壤呼吸的机制亦有所不同:在磷与低氮+磷处理下,外源磷输入量较氮输入量(元素比)更多时,相对于对照组植物根系对土壤呼吸贡献(+12.14%和+17.87%)有所减弱,是土壤呼吸降低的主要原因;在长期高氮+磷与低氮处理下,外源氮、磷输入量相当或输入低水平氮时,土壤微生物呼吸受到抑制(-34.79%和-29.03%),导致土壤呼吸下降;而在长期高氮处理下,菌根真菌对土壤有机质分解的抑制作用(-38.17%)较对照更强是引发土壤呼吸下降的主要原因。结构方程模型结果表明,长期模拟氮磷沉降处理并不能直接影响三种组分土壤呼吸,而是通过影响土壤p H、酶活性、微生物生物量或微生物群落组成间接调控。综上所述,本研究以亚热带区域氮沉降增加为背景,探讨亚热带森林土壤呼吸及其组分对长期氮、磷添加的响应及其机制。揭示了土壤呼吸响应外源氮磷输入的时间效应,即在初期低氮处理下土壤呼吸有所上升,继而磷处理促进土壤呼吸,而在经历长期施肥后所有氮磷处理均会抑制土壤呼吸。区分组分的实验则进一步揭示了经历长期氮磷添加后土壤呼吸被抑制的原因,从更多的磷输入转变为更多的氮输入过程中,处理对亚热带森林土壤呼吸的抑制从植物根系的贡献减弱转变为微生物呼吸的降低,再转变至菌根真菌更为强烈的抑制作用,而长期外源氮磷的输入主要通过影响土壤、微生物等因子间接调控三种组分土壤呼吸的变化。以上研究结果强化了我们对亚热带森林土壤碳过程响应氮沉降增加的理解与认识,并为未来亚热带森林碳汇管理提供理论依据。
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