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茂兰喀斯特森林凋落物—土壤系统的养分动态变化及其相互影响机制

赵畅  
【摘要】:凋落物是森林生态系统养分循环过程中的重要媒介,凋落物生物量、凋落动态及其分解过程中的养分释放规律直接反映了森林生态系统的生产力和动态平衡状态。凋落物分解过程中的质量损失和分解速率是由土壤动物及微生物共同作用的,也间接反映了森林生态系统的土壤环境。目前,国内外学者对凋落物凋落动态及分解的研究多关注于年凋落物动态、养分释放和凋落物分解速率,而较少涉及坡向和季节变化对凋落动态的影响以及土壤微生物群落在凋落物分解过程中对凋落物质量损失和养分释放的影响。喀斯特区地表小生境类型多样,土壤浅薄不连续,水热变化对植被凋落物的凋落动态及分解动态产生重要影响。基于此,本研究采用空间与时间序列并用的方法,对贵州茂兰喀斯特森林生态系统内不同坡向的凋落物及土壤、不同植被恢复类型和受不同干扰程度的土壤进行野外调查取样和室内分析,研究凋落物各组分凋落量、主要营养元素含量、凋落物分解过程中的元素释放、土壤理化性质、土壤微生物性质、土壤真菌群落以及凋落物分解与土壤微生物之间的关系,旨在阐明喀斯特森林生态系统中坡向和季节变化对凋落物的影响以及凋落物与土壤微生物之间的关系,为阐明喀斯特区森林生态系统养分循环和动态平衡状态提供基础理论。主要结论如下:(1)选取阳坡、阴坡和半阴坡作为研究样地,分别在夏、秋、冬、春季收集凋落物并进行土壤采集,探讨不同坡向植被凋落的季节动态变化。结果表明:阴坡植被凋落量(6.35 t·hm~(-2))显著高于半阴坡(5.75 t·hm~(-2))和阳坡(4.89 t·hm~(-2)),年凋落叶量(4.07 t·hm~(-2))和枝量(1.25 t·hm~(-2))分别占总量的67.8%和20.8%,其中凋落阔叶量为1.93 t·hm~(-2),凋落落叶量为2.14 t·hm~(-2);凋落阔叶的季节动态表现出单峰型模式,3种坡向均在春季(3月~5月)达到最大凋落值,在秋季(9月~11月)形成凋落落叶量的小高峰,凋落枝在3种坡向均表现为在春季达到凋落最大值。(2)茂兰喀斯特原生林不同坡向植被凋落叶和枝的主要营养元素含量表现为:TCCaTKMgTNTP,凋落物碳、钙元素含量较高,氮、磷、钾、镁元素含量较低。凋落枝的碳含量高于凋落叶,而氮含量低于凋落叶,导致3种坡向的凋落枝年平均C/N比值(27.5)高于凋落叶(21.4),使凋落叶相比枝更易被土壤动物破碎和微生物的分解,加速凋落叶的分解;凋落枝和叶的磷含量均在夏季表现最高,且凋落叶磷含量高于凋落枝,3种坡向的凋落物磷含量差异不显著;凋落阔叶及落叶量与其自身养分含量之间的相关性不显著,但发现凋落阔叶量与镁含量呈显著负相关。(3)凋落物在为期360天的分解过程中阳坡和阴坡分解袋内的剩余质量分别为4.11和4.47 g,质量损失率约为73.3%~70.2%;阳坡和阴坡分解凋落物的初始碳、氮、磷含量表现为:TCTNTP,凋落物在阳坡的全碳含量和C/N比值显著高于阴坡,而全磷含量显著低于阴坡;凋落物分解过程中全碳表现为释放,凋落物全氮表现出富集的趋势,约富集了0.52%,全磷表现为逐渐释放,C/N比值逐渐降低。(4)凋落物分解过程中阳坡和阴坡的微生物总磷脂脂肪酸(PLFA)含量在秋季和春季较高,分别为559.2和513.6 nmol·g~(-1),土壤微生物群落含量均表现出:细菌(149.8 nmol·g~(-1))放线菌(63.9nmol·g~(-1))真菌(31.3 nmol·g~(-1));阳坡土壤细菌含量随季节变化表现出先升高后降低再升高的趋势,阴坡细菌含量在秋季达到最大(186.2nmol·g~(-1)),真菌与细菌表现较为一致;阳坡微生物群落结构与凋落物的碳、氮、磷元素释放率有较强的相关性,凋落物质量损失率与阴坡环境的细菌、真菌群落呈显著负相关关系(P0.05),与阳坡真菌呈极显著正相关关系(P0.01)。(5)利用高通量测序技术对受不同干扰程度的土壤进行测序,分析了土壤真菌的Chao1指数和观测物种总数,并研究干扰对真菌群落结构的影响。结果表明,喀斯特区土壤共检测到4门11纲55目145科361属土壤真菌,以干扰程度较小的间伐林土壤真菌群落的丰富度和物种总数相对较高,干扰程度较大的耕地土壤表现相对较低;选取3种类型土壤真菌群落做主坐标分析(PCoA)和LEfSe差异性分析,发现干扰对土壤真菌群落组成的影响较为显著,未受干扰的原生林土壤差异菌群主要有Sordariomycetes(粪壳菌纲)、Sordariales(粪壳菌目)、Chaetomiaceae(毛壳菌科)、Penicillium(青霉菌属)和Nectriaceae(丛赤壳属),受干扰较小的间伐林土壤差异菌群主要有Leotiomycetes(锤舌菌纲)、Helotiales(柔膜菌目)和Xylariales(炭角菌目),受干扰较大的耕地土壤差异菌种主要有Hypocreales(肉座菌目)和Clavicipitaceae(麦角菌科)。(6)以不同植被恢复类型为研究对象,比较分析0~10 cm和10~20 cm的土壤理化性质和微生物群落结构特征。结果表明:土壤微生物PLFA总含量在原生林土壤中最高,细菌和真菌群落丰度受植被恢复类型和土壤深度的影响较显著,革兰氏阳性菌的相对丰度均在荒草地的两个土层中表现最高(19.1%和20.1%);Spearman相关分析表明在0~10 cm土层革兰氏阳性菌(GP)的丰度与土壤理化性质呈显著负相关(P0.01),真菌特征磷脂脂肪酸18:1ω9c和丛枝菌根真菌(AMF)的丰度与土壤全氮和全碳含量呈负相关,10~20 cm土层的土壤全氮与总PLFA含量、GP、18:1ω9c和AMF的丰度呈显著正相关关系(P0.01),因此,土壤微生物群落可作为反映喀斯特森林生态系统稳定性的敏感指标。


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