丹江口库区土地利用变化对土壤微生物学特征的影响

【摘要】：土地利用变化是全球变化的重要组成部分,对生态系统结构、过程和功能有重要影响。然而土地利用变化下土壤微生物群落组成及酶活性的变化特征,及其与土壤有机碳库相互作用的机制尚未清楚。本研究在丹江口水库库区选择了四种土地利用方式(森林、灌丛、农田和荒地)为研究对象,探讨土地利用变化对土壤有机碳氮库、微生物群落组成、酶活性和土壤微生物呼吸的影响,及其互作过程与机制,主要结论如下:(1)土地利用变化对和微生物群落和微生物呼吸的影响造林(森林和灌丛)显著提高了土壤的微生物磷脂脂肪酸量和土壤基础微生物呼吸速率,耕种对于土壤微生物磷脂脂肪酸量和基础微生物呼吸速率没有显著影响,但耕种显著降低了土壤的真菌细菌比,改变了微生物群落结构。土地利用变化下,微生物磷脂脂肪酸量主要与土壤有机氮含量及易分解碳含量相关。而土壤有机碳,易分解碳、易分解氮、含水量和pH也是影响土壤微生物群落组成的重要因子。虽然森林和灌丛的基础微生物呼吸显著高于农田和荒地,但是其单位磷脂脂肪酸量的基础微生物呼吸显著低于农田和荒地,表明造林可能通过减少呼吸损耗,增加了土壤碳封存。(2)土地利用变化对土壤碳酶活性的影响森林、灌丛和农田碳水解酶活性和氧化酶活性均显著高于荒地,土壤表层的碳酶活性显著高于底层。森林和灌丛较高的碳水解酶活性主要由于其具有较高的可溶性碳和易分解碳含量,而农田较高的水解酶活性则主要由于其较低的碳氮比和翻耕等。农田在四种土地利用方式中具有最高的氧化酶活性,这主要由于其具有较高的惰性碳指数以及较低的碳氮比造成的。农田的单位有机碳酶活性显著高于森林和灌丛,说明农田具有较高的碳周转速率。碳酶活性在夏季显著最高,这是由于夏季较高的土壤温度和较低的pH造成的。(3)土地利用变化对氮酶活性的影响。森林、灌丛和农田氮水解酶活性以及单位有机氮氮水解酶活性均显著高于荒地,土壤氮酶活性与土壤有机氮、惰性氮、惰性氮指数、易分解氮和有机碳均显著相关。同时土壤氮酶活性也与土壤温度和含水量显著相关。其中N-乙酰-β-葡糖苷酶活性主要与土壤碳氮比和土壤pH有关,而亮氨酸氨基肽酶活性则主要与土壤总有机氮及pH有关。土壤碳酶活性与氮酶活性具有很好的耦合作用。(4)土地利用变化对碳氮库的影响。相对于荒地,造林(灌丛和森林)和耕作均显著提高了土壤有机碳氮、易分解碳氮和惰性碳氮组分含量,但造林地土壤有机碳氮含量显著高于农田。造林通过降低的呼吸熵,单位有机碳的碳酶活性,减少微生物的呼吸消耗和降低土壤碳的周转速率提高土壤碳封存;造林和耕种均显著提高了单位有机氮的氮酶活性,刺激氮循环快速进行,促进碳氮的耦合循环。总之,造林与耕作均提高了土壤有机碳氮库含量、土壤微生物生物量、碳酶和氮酶活性,也改变了微生物群落结构以及土壤特征(含水量、温度和pH)。但是造林地与农田相比,降低了微生物消耗(呼吸熵)和碳周转速率,提高土壤碳稳定性,从而促进土壤碳封存,而农田由于增加了微生物消耗,降低了碳利用效率,导致碳封存能力有限。