模拟氮沉降和酸化对云雾山草地土壤性质的影响

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宁夏云雾山草原自然保护区是我国西北地区保护最完整的一个“本氏针茅典型草原自然保护区”,面积达7000公顷,为黄土高原的植被恢复、水土保持和环境治理、我国半干旱区植被自然修复以及研究草地生态系统元素循环机制提供科学依据与试验场所。有许多学者对草地生态系统做了大量研究,多集中于土壤水分,碳、氮、磷元素含量的变化,或不同植被对土壤营养元素和理化性质的影响,对草地生态系统碳、氮、磷循环和微生物生物量对氮沉降和土壤酸化的响应研究相对较少。本研究以宁夏固原云雾山草原自然保护区的长期试验为平台,通过测定土壤理化性质及土壤碳、氮、磷元素不同形态的含量,采用荧光定量PCR(Real-time PCR)技术研究云雾山草地土壤的微生物特性,旨在探究模拟氮沉降及酸化对云雾山草地土壤碳、氮、磷含量和微生物生物量及微生物特征的影响。本文共选用了具有代表性的8种处理,分为两类:1.氮沉降(CK、N、N+W);2.酸化(SO、S1、S2、S3、S4)。测定对应土壤的理化生性质及土壤中细菌、古菌、氨氧化细菌、氨氧化古菌、甲烷氧化菌(pmoA)、固氮酶铁蛋白基因(nif-H)、亚硝酸还原酶(nir-S)的丰度,并通过冗余分析探究了土壤微生物丰度与环境因子之间的关系。以下为本文的主要研究结论。(1)施氮增加了土壤可溶性有机碳(DOC)和硝态氮含量,土壤全碳(TC)、全氮(TN)、铵态氮含量降低,施氮对土壤微生物量有抑制作用,提高了土壤全磷(TP)、速效磷(AP)、土壤有机磷含量(OP)、土壤呼吸商与矿化氮含量。氮沉降对土壤有机碳、全碳及全氮的影响存在正、负增长或无显著变化,可能与施氮处理的时间和浓度有关。长期施氮会降低土壤微生物量,同时氮素积累可能对土壤微生物有毒害作用,抑制微生物活性。施氮和酸化对呼吸速率的影响尚无定论,施氮增加土壤中有机碳,使植物生长加快,凋落物进入土壤成为有机质,成为微生物碳源促进微生物呼吸;当土壤养分被植物获取,微生物可利用有机质减少,活性降低,呼吸速率降低。(2)施酸减小土壤pH值,对有机磷含量(OP)、微生物量磷(MBP)、铵态氮含量和呼吸速率有促进作用,土壤全碳(TC)、全氮(TN)、微生物量碳(MBC)与酸的浓度有关。(3)施氮处理和施氮增温处理提高土壤细菌和古菌丰度,达每克108个基因拷贝数,降低土壤中甲烷氧化菌、固氮酶铁蛋白和亚硝酸还原酶基因丰度;施酸处理降低土壤中古菌丰度,对土壤细菌、固氮酶铁蛋白和亚硝酸还原酶基因丰度有促进作用。氮沉降处理中甲烷氧化菌丰度(pmoA)与土壤微生物量氮(MBN)和铵态氮(NH4+-N)含量之间呈正相关;固氮酶铁蛋白基因丰度(nif-H)、亚硝酸还原酶(nirS-Cd)丰度与硝态氮(NO3--N)含量之间相关性极小。土壤微生物量氮(MBN)与铵态氮(NH4+-N)含量、全磷(TP)与速效磷(AP)含量之间分别呈正相关,相关性显著。施酸土壤中古菌丰度与氮磷比(N:P)、微生物量碳(MBC)、酸碱度(pH)、微生物量氮(MBN)呈显著正相关关系,AOA、AOB的微生物丰度与土壤碳磷比(C:P)、速效磷(AP)含量以及硝态氮(NO3--N)含量存在显著正相关关系。甲烷氧化菌基因丰度(pmoA)与土壤微生物量氮(MBN)之间相关性极小。(4)氮沉降增加凋落物输入,减少土壤碳输出促进土壤腐殖质和稳定性碳形成,影响土壤理化性质与元素化学计量比,增加土壤氮含量,为土壤微生物提供营养,增大土壤微生物活性,不同种类微生物性质不同,微生物数量与种类对氮沉降的响应差异亦会导致施氮后微生物生物量对氮沉降的响应不同。
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