亚热带不同树种对土壤氮保留及相关功能微生物的影响

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本实验样地位于福建省厦门市汀溪国有林场(24°49′N,118°07′E),选取闽楠、火力楠、木荷、杉木和福建柏5种人工林为研究对象。各林分之间最大距离小于3km,每个树种分别设置3个重复,每个小区面积为20 m×20 m,共15个小区。通过对5个树种010 cm的土壤基本理化性质进行研究;实时荧光定量q PCR研究参与氮循环微生物基因丰度;建立克隆文库并测序对氨氧化古菌(AOA)不同的TRFs进行系统发育分析,末端限制性片段多态性技术分析AOA群落结构,15N同位素成对标记技术研究土壤氮素初级转化速率,揭示不同树种如何通过凋落物数量、质量和细根等来影响土壤基本理化性质,进而影响氮循环微生物基因丰度和群落结构,影响不同树种土壤的氮循环过程和氮保留能力。本研究的主要结果如下所示:(1)本研究并未发现不同树种间土壤pH的显著差异,土壤pH与凋落物钙、镁的含量也无显著相关性。福建柏的土壤全碳含量显著高于杉木;木荷和火力楠的土壤硝态氮含量显著高于闽楠和福建柏;火力楠的土壤矿质氮含量显著高于闽楠,表明种植闽楠和福建柏,或许能够有助于提高土壤的氮保留能力。本研究5个树种的土壤碳/氮并无显著差异,这可能和土壤本底的碳氮比差异较小有关。(2)5个树种中,火力楠和木荷的微生物生物量碳显著高于闽楠和杉木,火力楠、木荷和福建柏的微生物生物量氮显著高于闽楠和杉木。在5个树种中火力楠和木荷的微生物生物量碳、氮都表现出是最高的,相反,闽楠和杉木人工林下的微生物生物量碳、氮却表现出是最低的。不同树种人工林土壤微生物生物量碳、氮与其植物凋落物的木质素和纤维素含量显著负相关,不同树种通过凋落物质量等直接影响到土壤微生物生物量。不同树种微生物生物量碳与土壤硝态氮含量显著正相关;不同树种微生物生物量氮与土壤全氮含量显著正相关。不同树种植物特性通过凋落物、细根周转、根系分泌物等改变土壤基本理化性质,从而间接地影响到土壤微生物生物量。(3)q PCR发现,不同树种土壤氨氧化微生物基因丰度存在显著差异,总体上呈现出木荷高于其它4个树种,且与氨氧化细菌(AOB)相比,AOA在数量上占绝对优势。反硝化微生物(narG、nirK、nosZ)基因丰度在5个树种间均无显著差异。但是nirS的基因丰度在5个树种间存在显著差异,木荷显著高于火力楠、杉木和福建柏,但和闽楠无明显差异。木荷的土壤AOA、AOB基因丰度在5个树种间最高,且其反硝化微生物nirS的基因丰度也显著高于其它树种。这表明木荷林下土壤的氮循环可能更加迅速,硝化作用和反硝化作用更为活跃,面临着氮素离开森林生态系统的风险,不利于氮保留。(4)土壤pH与AOB基因拷贝数显著正相关,而与AOA的基因拷贝数无显著相关。冗余分析同时发现土壤硝态氮含量与AOA极显著负相关,而与AOB无显著相关性。这表明,与AOB相比,AOA在南方酸性森林土壤中更有生存优势,而且其林下土壤硝化作用强烈,面临硝态氮大量淋失以及通过反硝化作用变成氮氧化物离开生态系统的风险,不利于氮保留。反硝化微生物中,土壤pH值与土壤narG、nosZ显著正相关。(5)5个树种土壤的AOA类群属于Nitrosopumilus和Nitrosophaera。通过使用RsaI限制性内切酶对AOA基因PCR产物进行酶切分析,能够产生4个不同的TRFs,其中TRF-76和TRF-165是最主要的两个片段类型。不同树种土壤AOA的群落结构无显著差异。(6)本研究发现木荷林下的土壤总氮矿化速率高于其它4个树种,这可能与其凋落物质量高有关。当加入外源氮素后,木荷的土壤表现出强烈的硝化作用,这可能和土壤中AOA的基因丰度高有关。
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