黄土高原刺槐枯落叶分解过程碳氮磷耦合关系与微生物作用机制

来源 :西北农林科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lahlyg
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人工林作为脆弱生境区生态重建的关键手段,在减缓气候变化中具有重要作用。枯落叶分解作为植物与土壤间碳氮磷循环的重要方式,是黄土高原脆弱生境区森林生态系统碳氮磷周转和土壤有机质形成的关键过程。为揭示人工林枯落叶分解中枯落叶-土壤间的碳氮磷相互关系及其微生物作用机制,本研究选择黄土高原刺槐人工林为研究对象,基于枯落叶野外原位分解和室内模拟分解相结合的研究手段,分析了枯落叶分解过程枯落叶与土壤碳氮磷含量和化学计量的变化特征以及相互关系,探究了枯落叶与土壤微生物养分代谢和群落结构的演变特征,阐明了枯落叶分解过程碳氮磷的相互关系及其对微生物群落的响应特征。主要结果如下:(1)刺槐枯落叶分解过程中枯落叶碳氮含量显著降低、磷含量显著增加以及土壤碳氮含量显著增加,枯落叶与土壤间的碳氮比、碳磷比和氮磷比显著负相关。不同林龄刺槐枯落叶分解过程叶碳氮均变现为显著释放,而磷显著富集。分解前后叶全碳和全氮含量分别下降了42.90%、48.08%,而全磷含量显著提升了78.90%。分解前后叶际微生物量碳氮磷含量及碳氮磷获取酶活性呈现先升后降。不同林龄刺槐枯落叶分解过程土壤有机碳、全氮均显著积累。分解前后土壤有机碳、全氮和全磷含量分别增加了39.35%、41.48%和11.28%。分解前后土壤微生物量碳氮磷含量波动式上升,土壤碳氮磷获取酶活性在分解中后期显著下降。枯落叶分解前后叶碳氮比、叶际微生物量碳磷比和氮磷比显著上升了10.82%、37.72%和75.55%,而叶碳磷比、氮磷比、叶际微生物碳氮比显著下降了68.28%、71.17%和21.60%。分解前后土壤碳磷比和氮磷比显著上升了46.74%、52.14%,而土壤碳氮比显著下降了4.77%。相关性分析表明枯落叶和土壤间的碳氮比、碳磷比和氮磷比显著负相关,而枯落叶与土壤间的微生物量和酶碳氮磷化学计量比值显著正相关。(2)刺槐枯落叶分解前后叶际微生物磷限制转为碳和氮限制促进了微生物磷利用效率的增加,土壤微生物碳磷限制的下降提高了微生物碳磷利用效率。Vector-TER模型不同林龄刺槐枯落叶分解过程叶际微生物养分利用均表现为从磷限制转为碳限制和氮限制,而土壤微生物碳、磷限制均显著下降。不同林龄刺槐枯落叶分解过程叶际微生物碳和氮利用效率(CUE和NUE)均表现为先增后降(分解270d时达到峰值),而叶际微生物磷利用效率(PUE)则显著增加。不同林龄刺槐枯落叶分解前后土壤微生物CUE和PUE均显著上升,而土壤微生物NUE先增后降。相关性分析表明分解过程中叶际微生物磷限制向碳氮限制的转变抑制了微生物NUE和CUE,而促进了微生物PUE;分解过程中土壤微生物碳磷限制的下降提高了微生物CUE和PUE。(3)刺槐枯落叶分解过程中枯落叶与土壤微生物群落多样性和主导菌群丰度的变化趋势相反。分解过程中叶际微生物的Shannon和Simpson以及Chao指数先增后降,Coverage指数先降后增。叶际细菌主导菌群中变形菌(Proteobacteria)和放线菌(Actinobacteria)的相对丰度在分解前后显著下降;而酸杆菌(Acidobacteria)和拟杆菌(Bacteroidetes)则显著增加;真菌主导菌群子囊菌(Ascomycota)和担子菌(Basidiomycota)随分解先增后降。土壤微生物多样性和丰富度在分解前中期显著上升而后趋于平缓,微生物的均匀性则相反。分解前后,土壤细菌主导菌群Proteobacteria和Chloroflexi的相对丰度显著增加,而Acidobacteria则显著减少;土壤真菌主导菌群Ascomycota显著增加,被孢霉菌(Mortierellomycota)随着分解先降后增,Basidiomycota随着分解先增后降。(4)枯落叶分解过程中微生物养分代谢效率和主导菌群丰度的变化显著调节着枯落叶和土壤间碳氮磷元素的周转。分解过程中叶际微生物PUE、群落多样性、Proteobacteria、Actinobacteria和Ascomycota与枯落叶碳氮比显著负相关,与枯落叶碳磷比、氮磷比、纤维素含量和土壤p H显著正相关。分解过程中叶际微生物CUE、NUE、Acidobacteria和Basidiomycota与枯落叶碳磷比和氮磷比显著负相关,与枯落叶碳氮比和木质素含量显著正相关。分解过程中土壤微生物养分代谢和群落结构与碳氮磷化学计量的相关性与枯落叶部分相反。结构方程模型表明分解过程中叶际微生物群落直接影响或通过微生物养分利用效率间接影响枯落叶碳氮磷化学计量,土壤碳氮磷化学计量直接影响或通过土壤微生物量和酶碳氮磷化学计量间接驱动土壤微生物群落的变化。综上,枯落叶原位和室内模拟分解实验均证实枯落叶分解过程微生物多样性的变化与碳氮资源的迁移显著相关;Proteobacteria、Actinobacteria和Ascomycota与纤维素降解和碳氮变化高度关联;Acidobacteria和Basidiomycota对磷元素和木质素更加敏感。分解过程质量损失、纤维素和木质素降解及土壤p H的下降调节着微生物养分代谢效率和主导菌群丰度,从而影响枯落叶和土壤碳氮磷元素的周转。此外,微生物群落通过优化其在生产碳氮磷获取酶方面的资源分配,强烈影响枯落叶分解过程碳氮磷化学计量变化的速度和方向,从而构建一个相对平衡的稳态调节模式。本研究的结果可为黄土高原人工林生态系统植物和土壤间养分循环提供新的见解,对人工林可持续经营与管理具有重要理论和现实意义。
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