城乡环境梯度下森林土壤微生物群落对氮沉降的响应特征

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城市森林建设是城市建设的重点工程,城市森林土壤质量则是城市森林健康稳定发展的重要影响因素。土壤微生物是表征土壤养分变化的敏感指标,是近年来生态领域研究的热点。城市化扩张造成的氮沉降问题已经成为对全球陆地生态系统的最大威胁之一,且土壤对氮沉降的反应更敏感,氮沉降是否会对城市森林土壤微生物产生影响,是否会达到城市森林土壤的氮饱和阈值,都需要进一步研究。合肥市城市化起步较晚,但发展迅速,随着我国中部崛起战略和长三角区域一体化战略的实施,其城市化水平有了极大提高,合肥市是中国各大城市城市化发展的缩影。本研究采用空间替代时间的方法,从城乡环境梯度的角度出发,在城市近郊森林(合肥市大蜀山)、远郊森林(紫蓬山)及乡村自然林(万佛山)建立样地,选择合肥地区分布广泛的麻栎(Quercus acutissima Carruth.)林为研究对象,通过模拟氮沉降实验(0kg N ha-1yr-1,50kg N ha-1yr-1,100kg N ha-1yr-1),研究氮沉降对城乡梯度下森林土壤微生物群落结构组成的影响,分析比较城乡环境梯度下森林土壤微生物量及其群落功能特征的差异及影响因素,为准确评估城乡森林的土壤健康状况,研究城市化进程对城市森林生态系统的影响,有效应对城市氮沉降,提高森林生态系统功能等方面提供重要参考和科学依据。研究结果如下:(1)城市近郊森林和远郊森林土壤微生物量氮(MBN)、微生物量碳(MBC)的季节分布特征表现为夏秋高,冬春低,乡村自然林的土壤MBC与之相同,而MBN则表现为夏秋冬均较高,春季最低;空间分异上,城市近郊森林的土壤MBC和MBC/MBN高于远郊森林和乡村自然林而MBN低于乡村。(2)氮沉降显著增加城市近郊森林秋季和春季的土壤微生物量,远郊森林土壤MBC对氮沉降响应表现以抑制性为主,对MBN的影响较小。氮沉降对乡村自然林土壤MBC表现为氮沉降初期促进,后期抑制,对乡村土壤MBN以促进作用为主。氮沉降初期对城乡土壤微生物MBC/MBN均有促进作用而后期表现出抑制作用,并且对乡村和远郊的抑制更显著。(3)氮沉降会提高远郊和乡村森林春、秋季的土壤平均颜色变化率(AWCD)。施氮后期显著降低乡村自然林和远郊森林的土壤AWCD值,但显著提高城市近郊森林的AWCD值。(4)乡村自然林土壤微生物的多样性指数最高。氮沉降下城市近郊森林土壤微生物群落均匀度(Mc Intosh多样性)指数表现为生长初期抑制,生长旺季促进,对远郊森林以显著抑制为主,乡村自然林对氮沉降的响应最弱。氮沉降初期对城市近郊森林生长季土壤微生物种类丰度(Shannon-Winner多样性)有促进作用,对土壤微生物常见种优势度(Simpson多样性)指数没有影响。远郊森林和乡村森林的Shannon-Winner和Simpson多样性指数在氮沉降初期显著促进而在2019年5月显著抑制。(5)城乡环境土壤微生物均偏向于对羧酸类、氨基酸类、多聚物类物质的代谢,对多胺类的代谢能力最弱。碳源的代谢能力表现为乡村>近郊>远郊。氮沉降对乡村自然林碳源利用类型的影响表现为初期促进,后期抑制,而近郊和远郊森林对氮沉降的响应在植物生长季存在极大的波动性。氮沉降后期的土壤微生物对多酚类、多胺类以及多聚物类物质的代谢差异是造成土壤微生物在城乡环境上显著分异的主要原因。长期的氮沉降会降低乡村自然林和远郊森林土壤微生物碳源代谢的种类,但却增加城市近郊森林土壤微生物的碳源代谢种类。(6)土壤NH4+-N(铵态氮)、NO3--N(硝态氮)、pH(酸碱度)、SOC(土壤有机碳)和TN(全氮)等理化性质是影响土壤微生物量及群落多样性的敏感指标,城市近郊森林的土壤微生物代谢特点以r策略为主,其偏向对外源氮的利用。
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