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《中国科学院大学(中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心)》 2019年
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黄土高原侵蚀与植被恢复驱动下土壤有机碳矿化与固定特征及其微生物作用机制

肖海兵  
【摘要】:水力侵蚀(简称侵蚀)与侵蚀劣地植被恢复(简称植被恢复)是土壤碳库的重要驱动因子,能够显著影响土壤碳库的封存与流失。在过去几十年,国内外学者针对侵蚀与植被恢复过程土壤有机碳库的动态变化进行了广泛探讨,但有关侵蚀与植被恢复环境土壤有机碳动态的微生物作用机制仍缺乏深入了解。因而,进一步研究黄土高原侵蚀与植被恢复环境微生物主导的有机碳矿化与固定潜力及其与土壤生物、非生物因子间的内在联系,对于揭示土壤侵蚀在全球碳循环中的角色定位以及探明微生物在土壤碳循环中所起的作用都具有重要意义。本研究选取黄土高原典型坝控小流域-桥子沟流域为研究对象,应用定量PCR、高通量测序与~(13)C稳定同位素标记等分析技术,研究了侵蚀与植被恢复体系微生物主导的有机碳矿化与固定潜力及其影响机制。主要结论如下:(1)阐明了坡面侵蚀与沉积环境土壤有机碳矿化的微生物作用机制。研究结果表明侵蚀区(坡上、坡中)细菌丰度显著高于沉积区(坡下),而细菌物种多样性与群落组成并无明显差异。此外,沉积区土壤有机碳矿化速率为19.02 mg CO_2-C kg~(-1) d~(-1),分别是坡上与坡下侵蚀区的1.26和1.07倍;有机碳矿化比呈现出坡中(0.082 g CO_2-C g~(-1) SOC)坡上(0.070 g CO_2-C g~(-1) SOC)坡下(0.064 g CO_2-C g~(-1) SOC)的变化规律。侵蚀诱导土壤团聚体的破裂虽增加了侵蚀区土壤有机碳被微生物矿化分解的风险,但表层土壤活性有机碳的大量流失导致其可供微生物分解的有机碳量减少,其CO_2释放速率也相应降低。多元逐步回归分析结果表明碱解氮是土壤有机碳矿化的主要解释变量(60.2%)。相对细菌丰度与物种多样性,活性有机质是侵蚀坡面土壤有机碳矿化的主要调控因子。侵蚀坡面细菌丰度与有机碳矿化速率的空间分布异质性否定了土壤有机碳矿化微生物控制学说。研究结果表明土壤微生物对有机碳矿化表现出明显的功能冗余特征,侵蚀诱导微生物丰度与物种多样性的适度改变不会对土壤有机碳矿化产生显著影响。(2)揭示了流域沟蚀作用下自养细菌群落与微生物固碳潜力的变化特征。研究发现坡耕地自养细菌丰度与物种多样性指数分别是淤地坝的1.70和1.10倍,沟蚀诱导养分贫瘠土壤的沉积显著降低了淤地坝总自养细菌丰度与物种多样性,而以大气CO_2为专一碳源的专性自养菌相对丰度却得到显著提升,如硫杆菌(Thiobacillus)。此外,淤地坝微生物固碳速率为5.002 Mg C km~(-2) yr~(-1),是对应坡耕地的4.67倍;微生物固碳速率与有机碳含量,多数兼性自养菌相对丰度,总自养微生物丰度与物种多样性指数存在显著负相关关系,而与多数专性自养菌相对丰度显著正相关。因而,专性自养菌可能是微生物固碳的主要贡献者。逐步回归分析结果表明,可溶性有机碳是土壤微生物固碳速率的主要解释变量(72.0%),流域侵蚀通过影响活性有机碳的空间分布可有效改变自养微生物群落结构,如兼性自养菌与专性自养菌的占比,进而影响侵蚀与沉积环境土壤微生物固碳潜力。(3)揭示了侵蚀劣地植被恢复过程土壤微生物与有机碳矿化速率间的内在联系。研究结果表明植被恢复区土壤细菌丰度(1.47×10~7 copies g~(-1))显著低于坡耕地(8.39×10~8 copies g~(-1)),而植被恢复区土壤真菌:细菌比是侵蚀区的7.68倍,侵蚀劣地植被恢复过程土壤微生物由细菌为主导的群落向以真菌为主导的群落演变。此外,植被恢复区土壤有机碳矿化速率是侵蚀区的1.29倍,土壤碳矿化比则表现出相反的变化趋势,侵蚀劣地植被恢复虽降低了土壤有机碳被微生物矿化的风险,但植被恢复区活性有机质含量的增高显著提升了土壤CO_2释放速率。多元统计分析结果表明,可溶性有机碳是土壤有机碳矿化的主要解释变量(68.5%),侵蚀劣地植被恢复过程土壤活性有机质含量的高低在一定程度上调控着土壤CO_2释放速率的快慢。研究指出土壤微生物是有机碳矿化的主要承担者而非关键调控者。(4)阐明了自养细菌群落与微生物固碳潜力对侵蚀劣地植被恢复的响应特征。研究结果表明侵蚀劣地植被恢复32年,植物碎屑与根系分泌物的大量输入虽有助于土壤碳、氮库的提升,但小冠花植物巨大的蒸腾损耗显著降低了土壤水分含量。植被恢复过程土壤有效水分的降低抑制了自养微生物的快速生长与增殖,致使植被恢复区土壤自养细菌丰度与物种多样性显著低于侵蚀劣地。此外,侵蚀劣地土壤微生物固碳速率为1.114 Mg C km~(-2) yr~(-1),是植被恢复区的1.748倍。主成分分析结果表明,微生物固碳速率与土壤水分、自养细菌丰度与物种多样性呈正向耦合关系,而与土壤碳、氮养分呈负向耦合关系。干旱半干旱区植被恢复诱导土壤水分的降低是微生物固碳潜力的主要限制因素,且其主要通过改变自养细菌群落来实现。总的来说,侵蚀与植被恢复环境土壤有机碳矿化主要受有机质自身质量所调控,微生物对土壤有机碳矿化特征表现出明显的功能冗余,微生物是土壤有机碳矿化的主要“承担者”而非关键“调控者”。此外,微生物固碳速率与专性自养微生物相对丰度显著正相关,专性自养菌可能是土壤微生物固碳的主要“贡献者”。植被恢复诱导土壤水分的降低抑制了自养菌群的快速增殖,尤其是兼性自养菌,且进一步降低了微生物固碳潜力。该研究改变了微生物丰度决定土壤有机碳矿化速率的传统观念,证实了微生物在土壤有机碳矿化中的功能冗余与固碳中的关键贡献,为侵蚀与植被恢复体系土壤有机碳动态模拟与研究提供了新的思路。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:S153.6;S154.3;S157.1

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