蚯蚓和丛枝菌根真菌对南亚热带人工林土壤氮损失的影响

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氮(N)是大部分陆地森林生态系统中土壤最主要的限制性营养元素,在循环过程中部分土壤N主要通过两条路径损失,即可溶性有机N(DON)、NH4+和NO3-的淋溶损失和气态N2O的排放损失。土壤N过量损失能引起森林生态系统退化、水环境富营养化、气候变暖和臭氧层破坏等问题。土壤关键生物类群蚯蚓和根系共生从枝菌根真菌(AMF)分别在土壤N的矿化和植物吸收上扮演重要角色。然而,它们对土壤N损失是否也具有互补效应仍亟待研究。本研究以南亚热带人工林中广泛占据优势的外来入侵蚯蚓南美岸蚓(Pontoscolexcorethrurus)、乡土蕨类植物芒萁(Dicranopterisdichotoma)及其根系共生AMF(Rhizophagus intraradices)为研究对象,通过一个蚯蚓和AMF的二因素室内短期(46天)控制实验,应用实时荧光定量qPCR等技术,模拟研究了它们在南亚热带人工林中对土壤N淋溶和N2O气态损失的影响及微生物机制。研究拟回答的科学问题为“南美岸蚓是否提高了人工林土壤N损失风险?接种AMF能否缓解南美岸蚓引起的潜在风险?”主要研究结果如下:1)淋溶液中可溶性N(DN)以无机态的NO3-和NH4+为主,添加南美岸蚓的处理提高了第14天、16天和39天淋溶液流失体积、DN浓度和DN流失量,其中对土壤NH4+和NO3-的淋溶流失量提高幅度分别为180%和59%。虽然接种AMF未显著影响各次采样时土壤DN的淋溶损失量和其中NO3-的淋溶损失量,但显著降低了其中土壤NH4+的淋溶损失量,且当有南美岸蚓时AMF引起的土壤NH4+淋溶损失量下降幅度可达44%。2)南美岸蚓提高了第7天、14天、26天和39天白天,以及第7天和第26天夜晚,及第7天、14天、26天日平均土壤N2O释放速率,最终南美岸蚓对实验期间土壤N2O累积排放量的提高幅度为45%。AMF显著降低了第14天、26天、39天的白天、夜晚和日平均土壤N2O的释放速率。当有南美岸蚓时AMF引起的土壤N2O累积排放量下降幅度达48.5%。3)南美岸蚓未显著影响土壤硝化和反硝化功能基因的丰度,而AMF显著降低了非根际土壤的硝化过程功能基因AOB的丰度以及根际土壤中所有硝化和反硝化过程功能基因的丰度。土壤N淋溶损失量主要受硝化过程功能基因AOA和AOB的影响,而土壤N2O累积排放损失量同时受更多硝化和反硝化功能基因的调控。南美岸蚓对土壤N淋溶损失和气态N2O排放损失的促进,更大程度取决于其对土壤有机N矿化过程的促进作用,而非其对硝化和反硝化过程功能微生物的调控。AMF对土壤NH4+大量吸收和转移是AMF减少NH4+淋溶损失的主要原因,并进一步通过抑制硝化和反硝化功能微生物降低了气态N2O的排放损失。以上研究结果表明南美蚯蚓作为南亚热带人工林中广泛入侵的蚯蚓,会加剧桉树等人工林土壤N的淋溶流失和气态N2O的排放损失,潜在威胁被其入侵生态系统的生态服务功能。接种AMF可有效抵消南美岸蚓入侵对土壤N损失方面的消极影响。南美岸蚓和AMF对土壤N淋溶损失和N2O排放损失的互补效应,源于它们分别对土壤NH4+供给的促进和消耗,相对于蚯蚓对NH4+供给的提高,AMF对NH4+的消耗更容易通过硝化反硝化过程功能微生物的响应进一步影响土壤N2O排放损失。本研究第一次深入揭示了蚯蚓和AMF对土壤N淋溶损失和N2O排放损失的综合影响和机理,为南亚热带人工林的管理提供了有价值的参考。
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