内蒙古草原不同利用方式下土壤有机质矿化及其微生物学机理研究

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在没有外源肥料投入的天然草原,土壤主要通过有机质矿化为植物提供有效养分。割草、围封和放牧是草原的最主要的利用管理方式,他们对草地土壤有机质矿化的影响可能不同。目前针对不同草地利用管理方式的研究主要集中在其对植物物种组成和生物量以及土壤养分的影响研究,而关于它们对土壤有机质(SOM)矿化影响的研究相对较少。SOM的矿化是由微生物驱动的,其组成和结构的复杂性可能会导致其矿化的微生物机理不同。耦合有机质结构和微生物群落来研究不同草地利用管理下SOM矿化对于我们深入理解SOM矿化过程极为重要。本研究基于内蒙古锡林浩特地区的两个长期定位试验(不同割草频率的割草试验和不同围封期限的围栏封育试验),结合室内培养试验,采用固体核磁共振、荧光定量PCR和高通量测序等先进技术探索了内蒙古草原土壤有机质矿化与微生物群落和有机质结构组成之间的内在关系,解析了温度和水分这两个关键的环境因子对草原土壤有机质矿化的影响。主要结果如下:(1)通过对不同割草频率处理13年后的土壤基本理化性质、有机氮净矿化速率(Rm)、有机官能团以及微生物量碳(MBC)和不同微生物群落丰度和多样性测定和分析,结果表明不同处理之间土壤pH、含水量、有效磷(AP)含量以及细菌群落丰度和多样性差异不显著(P>0.05),且含水量和AP含量只有7.2 %-8.5%和1.0mgkg-1-1.3mgkg-1。一年割一次(M1)SOM含量显著高于对照(CK,不割草)和一年割两次(M2)。M1 的土壤 Rm、MBC、AlkylC/O-alkylC (A/OA)以及真菌群落丰度和多样性均显著高于M2,或者显著高于CK,而M2的上述指标均显著低于CK (P<0.05)。真菌群落丰度与Rm之间呈现显著的线性正相关关系(r = 0.688,P=0.005)。M1显著地提高了 土壤中Mortierella等可以降解木质素和纤维素的真菌物种的相对丰度,而M2的土壤中致病真菌相对丰度显著高于其他处理,而降解菌的相对丰度显著下降(P<0.05)。(2)通过对不同割草处理和不同围封年限下SOM矿化和微生物群落季节动态变化规律研究,结果表明不管在哪个季节割草处理中M1的Rm和细菌、真菌群落丰度都显著高于CK, M2则相反(P<0.05)。从五月到十月,土壤细菌和真菌的丰度均表现为逐渐增加的趋势,从而导致MBC和Rm也表现为增加趋势。古菌群落丰度在10月显著地低于其他季节(P<0.05)。不同围封年限下,97年围封土壤Rm和不同微生物群落丰度在不同季节都与83年围封差异不显著(P >0.05),但都显著高于过度放牧,而显著低于M1 (除了古菌群落丰度)(P<0.05)。(3)通过系统地对围封(83年围封,E)、最佳割草方式(一年割一次,M)和过度放牧(G)处理下土壤Rm、MBC、有机官能团和细菌、真菌群落丰度和多样性分析及有机官能团和微生物群落之间的相关关系研究,结果表明土壤养分含量和微生物指标及表征有机质矿化程度的A/OA(AlkylC/O-alkylC)等指标(除pH、速效钾和细菌群落的多样性)均表现为M>E>G,且差异显著(P<0.05)。土壤pH在G处理下最高,且显著高于E和M,但都在中性范围。速效钾(RK)含量在E处理下显著高于G和M,且M显著高于G(P<0.05),但各处理的土壤RK含量均很高,在210mgkg-1以上。多元回归分析得知在含水量和有效磷很低的土壤中,细菌受SOM有机官能团组成的影响很小,ArylC和CarbonylC是解释处理之间微生物群落尤其是真菌群落组成差异的两个最主要的官能团,可以分别解释微生物群落组成差异的51.1%和25.1%。(4)采用室内培养方法,通过模拟内蒙古不同季节温度和降雨量来研究温度和水分对草原土壤有机氮经过冻融和干湿交替后SOM矿化的影响及其土壤有机官能团组成和微生物群落的响应,结果表明土壤经过低温冰冻后融解,不同的冻结温度对Rm的影响差异不显著(P>0.05)。然而经过不同温度的长期冻融(VT1)和温度突变冻融(VT2)处理后于15℃培养三天后,土壤无机氮显著增加(P<0.05)。利用变温冻融处理(VT1)继续进行干湿交替试验,在相继经历冻融和干湿交替后土壤细菌群落丰度显著降低,与培养前相比分别降低了 32.8%和49.7%,而真菌则显著增加,分别比培养前高6.8%和33.3% (P<0.05)。冻融和干湿交替连续进行后,土壤有机官能团的变化表现为容易降解的有机质(Substituted alkyl C)含量显著低于恒温恒湿的对照处理(P< 0.05),相对容易降解(Carbonyls)和难降解的有机质(Aromatics)也有所减少,但与培养前差异不显著(P>0.05)。
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