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模拟酸沉降对南亚热带季风常绿阔叶林土壤微生物群落结构的长期影响
植物生态学报
2021, 45 (3):
298-308.
DOI: 10.17521/cjpe.2020.0217
土壤微生物是生态系统重要的组成成分, 尤其是在土壤风化严重, 养分贫瘠的热带和南亚热带森林生态系统中, 微生物在植物养分的获取、碳循环以及土壤的形成等生态过程中的作用尤为重要。该研究基于鼎湖山南亚热带季风常绿阔叶林长期(10年)的野外模拟酸沉降实验平台, 探究了土壤微生物群落结构对土壤酸化的响应。结果表明, 酸沉降处理显著降低土壤pH (即加剧酸化)。土壤酸化对微生物生物量碳(C)含量的影响不大, 但改变了土壤微生物生物量氮(N)和磷(P)的含量, 导致表层土壤(0-10 cm)微生物生物量C:P和N:P显著提高, 表明土壤酸化可能加剧了微生物P限制。土壤酸化还显著改变了土壤微生物群落结构, 导致次表层土壤(10-20 cm)真菌:细菌显著增加。进一步分析表明, 土壤pH和土壤有效P含量是影响土壤微生物群落最为主要的两个因素。
表2
模拟酸沉降对南亚热带季风常绿阔叶林土壤理化性质的影响
正文中引用本图/表的段落
于2019年8月进行土壤的取样工作。将土壤表面的凋落物轻轻拨开, 使用直径2.5 cm的土钻分表层土壤(0-10 cm)和次表层土壤(10-20 cm)取样。根据森林植被的不均匀分布的特性选取了尽量远离树干的4个点, 避免倒木、动物巢穴等明显受到干扰的地方, 并在每个取样点附近又随机取了4柱土壤进行混合, 以避免取样点局部凹凸不平等的影响。收集的新鲜样品立刻放入4 ℃保温箱中, 带回实验室后迅速储存于4 ℃和-80 ℃冰箱中, 土壤过2 mm筛后在两周内完成含水量、硝态氮、氨态氮含量和微生物相关指标测定, 其余指标在半年内完成测定。
表层土壤pH在未经酸雨处理的样地中为4.18 ± 0.03, 并随着酸雨程度的加剧而逐渐下降, 依次为4.05 ± 0.03、3.98 ± 0.06和3.90 ± 0.03 (表2)。次表层土壤pH显著高于表层土壤, 在模拟酸雨处理下具有相同的显著下降趋势。此外, SWC、土壤TP含量以及土壤N:P在两个土层中均出现了显著的下降趋势。土壤SOC、TN以及有效磷(AP)含量随着酸处理的加剧也出现了下降的趋势, 但并未达到显著水平。与之相反的是, 土壤AP以及土壤硝态氮含量均在表层土壤中出现了先下降后上升的趋势, 在次表层土壤该趋势并不显著。
本研究的对象为南亚热带季风常绿阔叶林, 其土壤高度风化, 并且在长期受到不平衡氮磷沉降后, 植物生产力和土壤微生物活性的主要限制性养分由氮转为了磷(Mo et al., 2008; Cleveland et al., 2013; Deng et al., 2017)。因此, 长达10年的酸沉降实验虽然显著改变了SWC、土壤硝态氮含量以及C:N (表2), 但这并未成为影响土壤微生物群落结构的主要因素(图3)。此外, 在酸化加剧背景下, 土壤AP、TP以及MBP含量均呈显著的下降趋势, 这意味着土壤酸化确实有可能导致热带森林磷限制的加剧, 从而减少微生物对磷的同化作用。
除土壤pH外, 土壤磷含量是导致本研究中土壤微生物群落结构发生变化的另一个主要原因(图3), 即土壤酸化导致的土壤磷限制加剧可能进一步促进土壤微生物群落向以真菌为主的微生物群落的转变(表2, 表3)。大量研究表明, 在土壤磷限制严重的热带森林生态系统中, 微生物真菌和细菌的比值显著高于农田和草地土壤, 且真菌丰度与土壤磷含量和C:N具有很强的相关关系(Lauber et al., 2008), 而这可能主要是真菌在养分贫瘠环境中较高的适应性, 以及在酸性条件下对磷具有更强的获取能力所导致(DeForest & Scott, 2010; Jones & Oburger, 2011)。例如, 在磷有效性过低的情况下, 为了维持生长所需的足够养分, 植物将更多的光合作用产物投入地下, 通过增加其根系上菌根真菌的定殖以扩大土壤磷的获取范围和增加吸收面积, 增加对养分的获取能力(van der Heijden et al., 1998; Wardle et al., 2004), 或者通过养分的重吸收从而减少养分的消耗等途径适应养分贫瘠的土壤, 而这些变化最终也将导致土壤中微生物的群落结构发生改变(Strickland & Rousk, 2010)。此外, 在热带森林土壤纤维素分解过程的研究中发现, 真菌和细菌生长的限制性养分存在差异, 细菌由于较大的比表面积对磷脂的需求较高, 使得土壤磷含量的改变也可能进一步抑制了细菌的活性(Nottingham et al., 2018)。不同的是, 温带森林生态系统中, 模拟酸沉降导致的微生物群落结构的变化主要是土壤中碳和氮的有效性改变所导致的(Killham et al., 1983), 在氮有效性较低的条件下, 氮的添加可以通过解除土壤中微生物的碳和氮的限制, 从而缓解氮添加导致的土壤pH下降对微生物生长和群落结构的影响(Treseder, 2008)。
本文的其它图/表
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