秦岭锐齿栎林带植物-土壤化学计量比值及碳氮组分对土壤微生物群落和胞外酶的影响

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土壤酶活性和微生物群落组成会随着生态系统中底物化学计量特征的变化而改变,从而强烈影响着养分周转速率和底物分解速度,进而对生态系统中养分循环过程造成影响。山地森林生态系统中,由于海拔高度变化导致植被和土壤出现分异,并会进一步引起土壤微生物和酶活性发生变化。然而以往研究多集中于大尺度海拔高度变化(530-3767 m内)的植物-土壤-微生物相互关系上,且由于植被类型差异导致结论并不统一。而以微尺度海拔梯度植物-土壤为研究对象,能够消除不同植被类型带来的差异,更能够准确地反映山地森林生态系统中植物、土壤和微生物间的相互作用关系。本研究基于生态化学计量学理论,以6个海拔高度(分别为1308 m、1403 m、1503 m、1603 m、1694 m和1803 m)的秦岭锐齿栎林系统为研究对象,通过野外试验和室内分析相结合的方法,在微海拔尺度上研究了海拔高度微变化过程中的植物-土壤系统C:N:P比化学计量特征、土壤碳氮组分和土壤微生物指标的变化规律,旨在阐明秦岭锐齿栎林带“植物-土壤-微生物”系统整体响应关系,为进一步了解山地森林生态系统养分循环过程机制提供理论支撑。研究得出的主要结论如下:(1)秦岭锐齿栎林不同海拔梯度上植物-土壤C、N、P含量及其化学计量比变化特征在秦岭锐齿栎林带中,植物-土壤C、N、P含量及其化学计量比在海拔1308-1803m间呈现出不同的趋势,其中,叶片N、P与细根P均随海拔上升呈先增后减趋势,而凋落物与细根N含量随海拔变化趋势为先减后增;凋落物C:P比和N:P比在海拔梯度上无显著差异,叶片化学计量比、凋落物及细根C:N比随海拔上升总体呈上升趋势,细根C:P比与N:P比则呈现出先减后增的趋势;土壤C、N、P均在海拔梯度上呈先增后减趋势,而C:N比、N:P比随海拔变化无显著差异。在植物-土壤体系中,C:N比联系更为紧密,说明在锐齿栎林带中C:N比相较于其他两个比值更能较好的反映出植物-土壤系统中元素的互馈关系。(2)秦岭锐齿栎林不同海拔梯度上土壤碳、氮组分含量变化特征土壤碳、氮组分含量在锐齿栎林带中均有明显变化。除铵态氮外,土壤微生物量碳氮、可溶性有机碳氮及硝态氮均随着海拔上升呈现出先增后减的趋势。此外,在所研究的锐齿栎林中土壤铵态氮与硝态氮含量范围分别为3.30-18.50 mg·kg-1和0.20-0.41 mg·kg-1,6个海拔铵态氮含量均显著高于硝态氮,说明该区域土壤氮素矿化以氨化作用为主。相关性分析发现,锐齿栎林带植物-土壤系统化学计量特征对土壤碳氮组分均有显著影响,其中植物化学计量比对其影响较大,尤其是植物C:N比。(3)秦岭锐齿栎林不同海拔梯度上土壤微生物指标的变化特征随着海拔上升,5种土壤酶活性变化趋势各不相同。其中纤维二糖水解酶和β-葡萄糖苷酶随海拔升高整体呈先增后减趋势,木糖苷酶与之相反;β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶与碱性磷酸酶在1408 m-1694 m呈下降趋势,在1803 m处有所升高;土壤总体酶活性在海拔间整体表现为降低趋势,与1308 m海拔相比,1694 m海拔土壤总体酶活性显著下降了63.92%。锐齿栎林带平均土壤酶C:N:P活性比约为1:1:0.8,被限制在一个相当窄的范围内,但在不同海拔梯度上又表现出明显的差异。除真菌alpha多样性外,土壤微生物丰富度和alpha多样性随海拔升高呈现出先增后减的趋势,其中,相比于1803 m海拔处,1308 m、1408 m、1503 m、1603 m和1694 m细菌alpha多样性分别高出14.17%、15.01%、16.51%、16.07%、和12.78%,而真菌在1503 m、1603m、1694 m和1803 m海拔间无显著差异。细菌和真菌beta多样性在不同海拔梯度上存在明显的聚集和分离效应。在微生物群落中,细菌优势菌门为变形菌门(Proteobacteria)与酸杆菌门(Acidobacteria),占细菌群落的70%以上;真菌优势菌门为担子菌门(Basidiomycota),占总相对丰度的50%-90%。此外,各菌门相对丰度在不同海拔梯度上差异显著。(4)秦岭锐齿栎林不同海拔梯度上植物-土壤系统及碳氮组分对微生物指标的影响相关性分析和冗余分析结果表明,在秦岭锐齿栎林带不同海拔梯度上,土壤酶活性及化学计量比与土壤微生物(细菌和真菌)受到植物和土壤C、N、P资源及土壤碳氮组分不同程度上的调控。其中,各海拔间土壤酶活性及其化学计量比的差异与土壤微生物量(MBC、MBN)关系较为密切。而对于土壤微生物来说,土壤活性碳氮组分是调控其在微海拔尺度上变化的主要因子。
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