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氮沉降下西南山地针叶林根际和非根际土壤微生物养分限制特征差异
植物生态学报
2022, 46 (4):
473-483.
DOI: 10.17521/cjpe.2021.0346
长期氮(N)沉降诱导了土壤养分失衡, 深刻影响着森林生态系统养分循环过程、生态功能及其可持续发展。前期研究发现N沉降下西南森林树木生长受到不同程度的磷(P)限制, 而土壤微生物是否表现出与植物养分限制特征协同的响应仍未明确。基于此, 该研究以西南山地典型人工针叶林——华山松(Pinus armandii)林为对象, 通过野外原位模拟N沉降实验, 测定了土壤有效养分供给、土壤微生物生物量(碳(C)、N、P)含量以及胞外酶活性, 结合生态酶化学计量的3种模型(比值模型、矢量分析模型与阈值元素比率模型)验证森林根际/非根际土壤中微生物是否受P养分限制。结果表明: (1) N添加下两个土壤位置(根际和非根际土壤)酸性磷酸酶(AP)活性分别显著升高52.5%和53.2%, 导致土壤酶活性N:P分别降低7.8%和4.8%; (2)矢量模型分析发现N添加下两个土壤位置的矢量角度均大于45°, 根际土壤和非根际土壤的矢量角度分别为52.2°和49.0°; (3) N添加下两个土壤位置C:P阈值(TERC:P)显著降低, 导致C:P阈值与土壤有效C:P的比值(TERC:P/AvC:P)远小于1, 且根际土壤表现更明显。综上所述, 3个模型均表明N沉降加剧了土壤微生物代谢的P限制, 且根际土壤微生物P限制程度更强, 这与土壤和微生物养分含量及其化学计量特征密切相关。该研究结果可为全球气候变化下森林生态系统的适应性管理提供重要科学依据。  View image in article
图4
西南山地华山松林根际(A)和非根际(B)土壤有效养分、微生物生物量和胞外酶的化学计量特征与微生物磷(P)限制相关指标的Pearson相关系数矩阵。AvC:N, 有效碳氮比; AvC:P, 有效碳磷比; AvN:P, 有效氮磷比; EEAC:N, 酶碳氮比; EEAC:P, 酶碳磷比; EEAN:P, 酶氮磷比; MBC:MBN, 微生物生物量碳氮比; MBC:MBP, 微生物生物量碳磷比; MBN:MBP, 微生物生物量氮磷比; TERC:P, 碳磷阈值比; TERC:P/AvC:P, 碳磷阈值比/土壤碳磷养分比; VA, 矢量角度。*, p < 0.05; **, p < 0.01; ***, p < 0.001; n = 3。
正文中引用本图/表的段落
Mantel检验结果表明, 根际土壤微生物P限制指标(矢量角度和TERC:P/AvC:P)主要受到微生物因素影响; 而非根际土壤微生物P限制指标受到土壤因素和微生物因素的共同调控(表2)。Pearson相关性分析进一步表明, 根际土壤矢量角度与酶N:P呈显著负相关关系(R2 = 0.99, p < 0.001), TERC:P/AvC:P与酶C:N (R2 = 0.76, p < 0.05)、酶C:P (R2 = 0.96, p < 0.001)、MBC:MBP (R2 = 0.85, p < 0.01)和MBN:MBP(R2 = 0.85, p < 0.01)显著正相关。而非根际土壤中矢量角度与MBN:MBP (R2 = 0.85, p < 0.01)和AvC:N (R2 = 0.94, p < 0.001)显著正相关, 与酶N:P (R2 = 0.94, p < 0.001)显著负相关; TERC:P/AvC:P与酶C:N (R2 = 0.73, p < 0.05)、酶C:P (R2 = 0.93, p < 0.01)、酶N:P (R2 = 0.63, p < 0.05)和MBC:MBN (R2 = 0.76, p < 0.05)显著正相关, 但与MBN:MBP (R2 = 0.75, p < 0.05)和AvC:P (R2 = 0.65, p < 0.05)显著负相关(图4)。
根际和非根际土壤之间C源输入的数量和质量对N添加的差异化响应将直接作用于土壤微生物生物量和P-获取酶活性。相比于非根际土壤, N添加下根际土壤依然保持较高的DOC输入(表1), 这说明根际土壤微生物依然保持强烈的养分限制状态(Kuzyakov, 2002)。虽然外源N输入在一定程度上缓解了根际土壤微生物相对于非根际更加强烈的N限制, 但这也在一定程度上增加了根际土壤微生物对P养分的迫切需求, 并间接影响微生物对C和N的利用效率。具体地, 根际土壤微生物P受限时通常可以利用富集的C和N养分来合成更多的P-获取酶(如磷酸酶), 催化SOM的分解以获得更多的有效P, 达到维持自身生长和生理代谢的C-N-P养分平衡(Richardson & Simpson, 2011)。根际土壤P-获取酶活性显著增强(表1), 以及微生物生物量化学计量(C:P和N:P)与酶活性化学计量(C:P)强烈的正相关关系(图4A)也进一步支持了这一推断。
本文的其它图/表
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