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凋落物、根系去除和环割处理对滨海沙地森林土壤呼吸和微生物的影响

桑昌鹏  
【摘要】:本研究通过在亚热带滨海防护林湿地松(Pinus elliottii)、尾巨桉(Eucalyptus urophylla × Eucalyptus grandis)、纹荚相思(Acacia aulacocarpa)和木麻黄(Casuarina equisetifolia)人工林中设置去除凋落物、去除根系、环割和对照处理来分析改变地上、地下输入对沙地人工林土壤呼吸、土壤微生物生物量、群落结构和功能的影响,并探讨其相互关系。实验样地设置在福建省长乐大鹤国有防护林场(25°57'N,119°24'E),在每个人工林中设置4个20m×20m样地,作为研究树种对土壤呼吸和微生物性质影响的样地,在每个样地中均设置3个2 m×2 m次小区,按照随机区组方法设计去除根系、去除凋落物和对照处理,湿地松人工林中另设4个10m×10m的环割处理样地,样地内每株树木均进行树干环割,环割小区内相同方法进行去除凋落物、去除根系和对照三种处理的设置。样地布设后每月进行土壤呼吸的测定,处理一年以后,在每个季节对土壤微生物群落和酶活性进行一次检测,以期归纳出凋落物、根系输入变化对土壤碳排放的影响及其微生物机制。主要研究结论如下:(1)树种对土壤呼吸有显著影响,土壤呼吸月平均速率和土壤呼吸年通量均表现为尾巨桉最高,纹荚相思和木麻黄次之,湿地松最低。树种对土壤微生物生物量、群落组成和酶活性影响显著,并且具有显著的季节变化特征。(2)不同输入处理对土壤呼吸的影响及贡献差异显著,去除根系和凋落物显著降低各林分土壤呼吸,环割对湿地松人工林土壤呼吸影响不显著,湿地松林分矿质土壤呼吸对土壤呼吸的贡献最大(51.1%),尾巨桉林分比重最大的为凋落物层呼吸(50.0%),纹荚相思和木麻黄人工林中贡献最大的均为矿质土壤呼吸,但与凋落物层呼吸差异较小,根系呼吸作用最弱。(3)土壤呼吸速率与土壤温度呈显著的指数相关,与土壤湿度呈显著的线性相关,土壤温度、含水量的配置状况导致了土壤呼吸的季节变化,两者的双因素模型能解释各人工林及各处理土壤呼吸速率38%-67%的变异。土壤呼吸的温度敏感性湿地松1.537、木麻黄1.492,显著低于尾巨桉(1.665)和纹荚相思(1.878),与有些研究中发现的阔叶林土壤呼吸Q10值小于针叶林的结论不一致,这与沙地土壤中难以形成大量稳定性有机碳关系密切,去除根系显著升高Q10值,去除凋落物显减低Q10值,表明凋落物和根系输入处理引起了应对外界环境变化抵御能力的改变。(4)湿地松人工林去除凋落物显著降低了土壤MBC、MBN,去除根系反而使土壤MBC含量显著升高,环割小区土壤MBC、MBN含量相比对照变化不显著,其内部的去除根系和凋落物处理均显著降低土壤MBC、MBN。尾巨桉、纹荚相思和木麻黄人工林去除根系和凋落物土壤MBC、MBN含量与对照相比差异不显著,表明土壤微生物生物量有较高的积累能力,与土壤中原有有机质含量较高有关。夏季,所有微生物类群磷脂脂肪酸含量在湿地松环割处理小区显著低于对照,尾巨桉人工林各微生物类群数量也在去除根系和凋落物后明显下降。纹荚相思和木麻黄人工林土壤磷脂脂肪酸含量在去除根系和凋落物后变化不显著。其他季节各处理土壤微生物的变化规律与此相似。(5)处理的时间长短也是影响微生物生物量的一个重要方面。湿地松人工林土壤MBC含量随着处理时间的增长不断下降,尾巨桉人工林前三个季节土壤MBC含量较高且相互之间差异不显著,至次年春季急剧降低。纹荚相思和木麻黄MBC含量在冬季最高,夏季次之,春季最低,恰好与土壤微生物对土壤碳库的利用强度相对应(6)土壤微生物群落的结构的变化受到地上地下输入处理的显著影响。处理一年后发现,地上、地下输入减少显著降低了湿地松、纹荚相思和木麻黄土壤中真菌丰度,降低了真菌细菌比,提高了放线菌丰度,而在尾巨桉中群落组成无显著变化。研究期间土壤微生物群落组成最大的变化即是革兰氏阳性细菌和革兰氏阴性细菌比值在冬季的增大,这与革兰氏阳性细菌抗逆性强相对。不同季节主成分分析结果显示,时间因素(处理周期)是推动微生物群落结构演变的重要条件。(7)去除根系、凋落物和环割处理对土壤酶活性影响显著。湿地松人工林所有水解酶活性在去除根系、凋落物和环割处理后显著低于对照,氧化酶活性仅在去除凋落物处理下显著低于对照处理。尾巨桉人工林中水解酶活性受处理的影响在季节之间波动明显,氧化酶活性变化不显著。纹荚相思人工林土壤水解酶活性在去除凋落物小区均显著低于其他处理,氧化酶活性变化不显著。木麻黄人工林中所有酶活性均表现为去除凋落物后低于对照或去除根系,凋落物和根系输入的减少对过氧化物酶和多酚氧化酶这两种氧化酶影响不显著。土壤酶活性的变化还具有明显的季节差异。除湿地松人工林外,其他树种土壤酶活性均在春季高于其他季节。(8)相关分析发现,纤维素水解酶活性与革兰氏阳性细菌、丛枝菌根真菌和真菌生物量显著负相关,β-葡萄糖苷酶活性与各微生物类群数量相关性不显著,酸性磷酸酶活性与脂肪酸总量、革兰氏阳性细菌以及真菌生物量显著正相关,乙酰氨基葡萄糖苷酶活性仅极显著正相关于真菌生物量,多酚氧化酶活性与丛枝菌根真菌生物量极显著正相关,过氧化物酶活性与除革兰氏阳性细菌以外的所有微生物生物量相关性显著,其中丛枝菌根真菌的作用最强。土壤呼吸速率与所有土壤微生物类群数量显著相关,相关性最强的是丛枝菌根真菌,土壤呼吸速率与土壤两种氧化酶活性的相关性显著,不同处理下水解酶活性与土壤呼吸速率的相关性有差异。土壤微生物群落和酶活性与土壤呼吸的显著性关系,印证了土壤微生物群落组成和功能(酶活性)活动是土壤呼吸的微观表现形式。


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