不同比例杉阔凋落叶混合分解对土壤碳氮形态和微生物多样性的影响

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杉木是是我国重要的速生用材树种之一,广泛分布在长江流域、秦岭以南地区,其栽培历史已有上千年。第八次全国森林资源清查结果表明,杉木人工林面积和蓄积量分别占所清查乔木林总面积的6.66%,总蓄积量的4.91%,均居我国主要造林树种的首位,可见其在林业生产和生态建设中的具有十分重要的地位和作用。森林生态系统中,凋落物作为连接地上和地下部分的桥梁,在维持土壤肥力和促进森林生态系统物质循环等方面起着十分重要的作用,因此凋落物可以作为研究不同植物群落与土壤生态功能之间关系的良好媒介。作为凋落物的主要分解者,土壤微生物在土壤生物化学循环中起决定性作用,在对土壤外源有机物的分解和利用的同时,也驱动着土壤养分的循环和更新,为植物的生长提供养分和能量。混合凋落物通过改变凋落物养分组成影响其分解速率和养分释放规律,从而对土壤微生物多样性和活性产生影响。因此,土壤微生物和凋落物分解是相互影响的过程。本研究通过不同比例凋落叶模拟不同比例杉阔混交林为研究手段,通过野外控制实验来揭示不同比例杉阔凋落叶混合分解对土壤养分、碳氮形态、酶活性、土壤微生物多样性的影响。试验分为两部分,分别为不同比例杉木火力楠凋落叶混合分解和杉木乳源木莲混合分解。在一年的凋落叶分解过程中,不同比例杉阔凋落叶混合分解的作用下,土壤相关指标产生了不同的动态变化规律。主要结果如下:(1)各处理土壤pH整体上均表现为下降趋势。凋落叶分解一年后,土壤pH大小顺序分别为“S”>“SH1:3”>“SH1:1”>“H”>“SH3:1”和“SR1:1”>“SR1:3”>“S”>“R”>“SR3:1”。(2)凋落叶分解一年后,不同比例杉阔凋落叶分解并没有显著提高土壤全磷、全钾含量,但各处理土壤速效钾含量均显著上升,“S”最小,土壤速效钾随着阔叶树比例的增加而上升。“SH1:1和“SR1:1”提高了土壤速效磷含量。(3)随着凋落叶的分解,不同处理的土壤全碳全氮含量均呈逐渐下降的趋势。其中不同比例杉乳凋落叶处理的土壤全碳全氮含量均高于纯杉木凋落叶分解,并且“SR1:1”效果最好。在不同比例杉火凋落叶处理中,土壤全碳全氮随火力楠比例的增加而上升,但只有“SH1:3”效果好于“S”。(4)相比于添加火力楠凋落叶,不同比例杉乳凋落叶混合分解更有利于提高土壤DOC含量。在凋落叶分解一年后,“S”土壤DON则远高于不同比例杉阔凋落叶处理。(5)杉阔凋落叶混合分解下土壤铵态氮、硝态氮含量均高于“S”。其中凋落叶分解初期。不同比例杉阔凋落叶处理的土壤硝态氮远高于其他处理,一年后“SH1:3”和“SR1:3”土壤硝态氮含量远大于杉木,而“SH1:3”和“SR1:1”更有助于增加土壤硝态氮。(6)凋落叶分解四个月时“SH1:1”和“SR1:1”均降低了土壤MBC含量,除“SH1:1”和“SR3:1”外其余杉阔凋落叶混合分解土壤MBN含量均小于“S”。一年后,不同比例杉阔凋落叶处理的土壤MBC含量高于“S”,而 MBN 大小顺序分别为“H”>“SH1:3”>“S”>“SH3:1”>“SH1:1”和“SR3:1”>“S”>“SR1:1”>“R”>“SR1:3”。(7)凋落叶分解过程中,不同比例杉火凋落叶混合分解降低了土壤脲酶和酸性磷酸酶活性,土壤纤维素酶活性则逐渐增强,7月时“SH1:3”土壤纤维素酶活性最大,“S”土壤蔗糖酶活性与杉火凋落叶混合分解处理无显著差异。不同比例杉乳凋落叶蔗糖酶活性在凋落叶分解前期显著上升并高于“S”,土壤纤维素酶活性则随着时间的增加而逐渐增强,土壤酸性磷酸酶则逐渐下降。凋落叶分解一年后,除土壤蔗糖酶外,“SR3:1”土壤蔗糖酶、纤维素酶、酸性磷酸酶活性均高于“S”。(8)不同比例杉阔凋落叶处理的土壤细菌OTUs大小顺序为“R”>“H”>“SH1:3”>“SR3:1”>“S”>“SR1:3”>“SH3:1”>“SR1:1”>“SH1:1”。Chao1和ACE均表示对应处理的细菌丰度指数,与“S”相比,除“R”“H”“SH1:3”“SR3:1”外,“R”“H”“SH1:3”“SR3:1”均提高了土壤细菌丰富度。土壤真菌OTUs数量大小顺序为“SR1:1”>“R”>“SR1:3”>“SH3:1>“SH1:3”>“SH1:1”>“H”>“SR3:1”>“S”。单一阔叶树凋落叶分解和不同比例杉阔凋落叶混合分解下土壤真菌丰富度均大于“S”。(9)不同比例杉阔凋落叶混合分解下的土壤优势细菌门类为Proteobacteria(变形菌门)、Chloroflexi(绿弯菌门)、Actinobacteria(放线菌门)、Acidobacteria(酸杆菌门)、Firmicutes(厚壁菌门)、Planctomycetes(浮霉菌门)。不同凋落叶处理的土壤细菌在不同门类上的丰度差异明显:如“SH1:1”“SH1:3”“SH3:1”“SR1:1”“SR3:1”土壤中变形菌门、放线菌门、厚壁菌门的丰度均明显小于“S”而“S”提高了土壤中厚壁菌门的丰度。Ascomycota(子囊菌门)、Basidiomycota(担子菌门)、Streptophyta(扭鞘藻门)、Chlorophyta(绿藻门)为土壤中优势真菌门类。“SH1:3”“SR1:1”“SR1:3”“SR3:1”中土壤子囊菌门、担子菌门丰度均明显小于“S”,并且“S”土壤中扭鞘藻门、Chytridiomycota(壶菌门)丰度均小于其他处理。(10)与“S”相比,“SH1:1”明显降低的土壤细菌和真菌在目、科、属水平上的数量,其余不同比例杉阔凋落叶混合分解基本上均提高了土壤细菌和真核微生物在不同分类水平上的多样性。(11)主坐标分析结果表明,前两个主轴功能揭示60.79%在门水平上的细菌多样性信息,其中第一主轴和第二主轴分别能概括49.03%和11.76%的细菌多样性信息。“SR1:3”“S”和“R”三个处理的细菌群落结构较为相似,而“SH1:3”和“SH1:1”细菌群落组成相似度较高。第一主轴能概括29.88%的土壤真核微生物多样性信息,第二主轴能概括17.66%的真核微生物多样性信息,前两个主轴共能解释47.54%的土壤真核微生物多样性信息。其中“SH1:3”和“SR3:1”两组处理间土壤真核微生物物种组成结构表现出高度的相似性,“SH1:1”土壤真核微生物群落结构组成与其余处理差异较大。(12)冗余分析结果表明,4个环境因子对土壤细菌在门水平上的多样性有良好的解释能力,影响因子从大到小依次为全碳(0.4455)、铵态氮(0.2378)、全氮(0.0608)、硝态氮(0.0428)。其中全碳主要解释了Cyanobacteria和Proteobacteria的多样性信息,铵态氮主要解释了Thaumarchaeota和Chloroflexi多样性信息。全碳(0.5688)、硝态氮(0.5157)和铵态氮(0.4821)能较好的解释土壤真核微生物在门水平上的多样性信息,其中Rotifera和Streptophyta丰富度与土壤全碳正相关,铵态氮和硝态氮则主要解释了Chytridiomycota的多样性。(13)本试验中,与纯杉木凋落叶相比,不同比例杉阔凋落叶混合分解均提高了 土壤生态功能。其中不同比例杉木和乳源木莲凋落叶混合分解的效果好于杉木和火力楠凋落叶混合分解,并且土壤生态功能随着乳源木莲凋落叶比例的增加而提高。
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