干旱胁迫对丁香土壤微生物群落特征的影响

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在全球变化背景下,极端降雨事件发生的频率呈增加趋势。近百年来,黄土高原气候变化总体上呈暖干化变化趋势。在此背景下,干旱将如何影响植物生长以及土壤中微生物特征的变化成为人们关注的焦点和亟待解决的科学问题。本文选取黄土高原典型灌木树种丁香(Syringa oblata)为研究对象,采用盆栽控水实验,进行三年观测,研究了3个水分处理,即正常供水(CK,水分含量为田间持水量(FC)的75±5%、中度干旱(55±5%FC)和重度干旱(35±5%FC))对植物的叶、茎、极细根(0-1mm)、细根(1-2mm)、粗根(>2mm)的生物量、土壤理化性质、酶活性以及土壤微生物特征的影响。主要结论如下:(1)与正常供水的对照相比,中度和重度干旱胁迫导致丁香总生物量分别下降了9.65%和10.00%、地上生物量下降了25.81%和14.29%、根系生物量下降了0.36%和7.53%。而根冠比增加了29.79%和10.30%,极细根在中度干旱胁迫下增加了6.84%。说明干旱胁迫下,丁香将更多的碳向根系,尤其向极细根分配,以促进水分吸收。(2)中度和重度干旱胁迫下,丁香各器官氮(N)含量均呈增加趋势,叶N含量分别显著增加了7.11%和20.87%,叶磷(P)含量显著下降了38.70%和41.76%,但极细根和细根P含量在中度干旱胁迫下有增加趋势。叶C/N分别显著下降了2.65%和12.17%,叶C/P显著增加了58.36%和70.50%,叶N/P显著增加了68.69%和101.29%。丁香器官N/P均值为3.08,丁香的生长受到N素限制更为严重。(3)干旱胁迫下,土壤养分含量均呈增加趋势。中度和重度干旱胁迫下,土壤N含量分别显著增加了15.61%和8.83%、硝态氮(NO3-N)含量增加了53.53%和44.16%、铵态氮含量增加了119.28%和72.54%、水溶性碳(DOC)含量增加了14.61%,12.76%,均在中度干旱胁迫下达到最大值。SOC/TN、SOC/TP、DOC/AN和DOC/SAP在干旱胁迫下均显著下降;TN/TP和AN/SAP呈上升趋势,二者也在中度胁迫下达到最大值。(4)干旱胁迫下土壤酶活性表现为先下降后上升的趋势。β-1,4-葡糖苷酶(BG)和亮氨酸氨基肽酶(LAP)活性在中度干旱胁迫下降低了24.66%和1.45%,而在重度干旱胁迫下增加了21.22%和25.60%;碱性磷酸酶(AP)活性在中度和重度干旱胁迫下降低了54.92%和41.68%,β-1,4-乙酰-葡糖胺糖苷酶(NAG)酶活性增加了48.39%和36.44%。RDA分析表明,土壤酶活性与土壤养分含量呈反比。SAP、NH4-N、NO3-N是土壤酶活性在干旱胁迫下变化的主要驱动因子。(5)微生物量氮(MBN)和微生物量磷(MBP)在中度干旱胁迫下分别下降了25.54%和44.64%),在重度胁迫下下降了14.21%和35.36%。MBC/MBN和MBC/MBP却显著增加,MBN/MBP也呈下降趋势。C源酶BG和N源酶NAG+LAP酶活性在中度干旱胁迫下下降了24.66%和0.53%,在重度干旱胁迫下增加了21.22%和25.80%,P源酶AP酶活性在中度和重度干旱胁迫下下降了54.92%和41.68%。ln(BG):ln(NAG+LAP)逐渐下降,而ln(BG):ln(AP)和ln(NAG+LAP):ln(AP)显著增加。(6)干旱胁迫下,细菌群落多样性和丰富度指数呈逐渐增加的趋势,并且在重度干旱胁迫下达到最大值6.24(shannon指数)、2593(chao指数)。对照组中优势菌群为放线菌门、变形菌门和酸杆菌门,约占细菌群落的67.50%。随着干旱胁迫的加剧,大部分细菌门相对丰度显著下降,但在中度干旱胁迫下细菌优势菌群不变。在重度干旱胁迫下,蓝藻菌门相对丰度增加了1877.57%,蓝藻菌门成为优势菌群。RDA分析表明,SOC、TN、TP和NO3-N为细菌群落的主要驱动因子。(7)干旱胁迫下,真菌群落多样性和丰富度指数呈先上升后下降的趋势,在中度胁迫下达到最大值4.02(shannon指数),367.10(chao指数)。对照组中优势菌群为子囊菌门、担子菌门和接合菌门,约占真菌群落的77.19%。随着干旱胁迫的加剧,子囊菌门、球囊菌门和壶菌门的相对丰度呈增加趋势,但在中度干旱胁迫下优势菌群不变。在重度干旱胁迫下,接合菌门相对丰度下降了95.95%,球囊菌门成为优势菌群。RDA分析表明,SOC、铵态氮(CH4-N)、NO3-N为真菌群落的主要驱动因子。上述结果表明,中度干旱胁迫有助于提高土壤细菌和真菌群落物种多样性和丰富度。在重度干旱胁迫下,细菌比真菌有更强的适应性。对丁香来说,中度干旱胁迫(55+5%FC)可能更有利于积累植被生物量、提高土壤养分有效性、增强酶活性,增加土壤微生物群落多样性和丰富度。
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