川南毛竹林土壤有机碳和土壤微生物研究

【摘要】：土壤呼吸是土壤有机碳流失的主要途径,凋落物分解是土壤有机碳输入的主要来源,两者均是森林土壤碳循环中极为重要的组成部分。毛竹(Phyllostachys edulis)是我国主要的森林类型之一,具有分布广、生长快、固碳强等特点,对调节大气CO_2具有重要的作用。加强毛竹林土壤呼吸和凋落物分解特征及其影响因素的研究,有助于揭示土壤碳循环关键过程的主要调控因子,可为该区域毛竹林可持续经营管理及提高竹林土壤碳储量提供理论依据。土壤有机碳质量往往反映了土壤有机碳的可获取性,土壤有机碳化学结构是目前用来表征土壤有机碳质量的常用方法,此外,土壤微生物作为土壤有机碳分解的主要驱动因素,了解土壤微生物群落结构和功能(酶活性)是研究土壤有机碳分解的重要基础。本研究通过对川南典型毛竹林土壤呼吸及其组分的野外观测,结合土壤温湿度、土壤理化性质、凋落物和细根特性、土壤有机碳及碳化学结构、土壤微生物群落结构和功能的变化特征的测定,综合分析影响毛竹林土壤总呼吸及其各组分的生物环境因素,揭示生物和非生物因子对毛竹林土壤呼吸的影响规律,主要研究结果如下:(1)0-5cm土壤有机碳化学结构表现为芳香碳最高,氧烷基碳次之,再者为烷基碳和羰基碳。生物和非生物因子显著影响土壤有机碳及碳化学结构,其中土壤有机碳与全氮、硝态氮、全磷、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和土壤质量含水量相关,各土壤理化因子主要通过间接效应对土壤有机碳产生影响,同时凋落物生物量和细根化学性质也是影响土壤有机碳的关键因子;此外,真菌、革兰氏阴性菌与芳香碳相关,毛管孔隙度与氧烷基碳相关,非毛管孔隙度、土壤容重、细根氮磷比、真菌和革兰氏阴性菌与烷基碳相关,pH值、真菌和革兰氏阴性菌与羰基碳相关。(2)为了解川南毛竹林一重要土壤碳过程--凋落物分解过程及其影响因素,我们开展了凋落物叶、细根分解试验。鉴于凋落物质量、林地类型对分解具有重要影响,因此,针对毛竹和林下占优势的芒箕两种质量差异极其显著的叶、细根开展了异地交互分解试验。发现:毛竹和芒箕叶、根分解速率差异显著,凋落物叶年分解系数(k)芒箕(0.73±0.02)高于毛竹(0.58±0.03),而细根年分解速率(k)毛竹(0.66±0.04)高于芒箕(0.42±0.03),凋落物叶和细根中C、N、P均表现为养分净释放模式;毛竹和芒箕凋落物叶(或细根)混合分解并没有产生混合效应,但是显著抑制了凋落物叶N、P养分释放和细根的C的养分释放;林下植被盖度不同的林地对分解速率产生显著影响,林下植被盖度高的林地中毛竹和芒箕凋落物叶年均分解速率比在林下植被盖度低的林地中分别快18.75%和9.10%,细根年均分解速率分别快10.14%和24.49%;初始养分浓度是影响养分释放模式和释放速率的关键因子。(3)该区毛竹林土壤总呼吸、异养呼吸及自养呼吸年平均速率分别4.69μmol·m~(-2)·s~(-1)、1.67μmol·m~(-2)·s~(-1)和2.58μmol·m~(-2)·s~(-1),年累积通量分别为4622.15g·m~(-2)、2724g·m~(-2)和1898.15 g·m~(-2),土壤各组分呼吸对土壤总呼吸的贡献率表现出明显的季节动态,其中自养呼吸贡献率和表层5cm土壤温度变化趋势一致,年平均土壤总呼吸中自养呼吸贡献率相对较高(60.57%)。土壤总呼吸速率及各组分表现出明显的季节动态,均与表层5cm土壤温度呈显著指数关系,土壤温度能解释土壤呼吸变异的56.4%-80.9%,是该研究区毛竹林土壤呼吸及其组分季节变异的主要环境因子,土壤湿度与土壤呼吸季节无显著相关性。不同呼吸组分温度敏感性(Q_(10))表现为自养呼吸(3.38)异养呼吸(2.21)。生物或非生物因子对土壤总呼吸及各组分呼吸影响不同,土壤总呼吸与毛管孔隙度、非毛管孔隙度和细根生物量显著相关,土壤自养呼吸除与毛管孔隙度、非毛管孔隙度、细根生物量相关外,还与细根氮、磷含量有关,而土壤异养呼吸主要受细根碳氮比影响。(4)0-5cm土壤微生物群落中细菌含量最高,占土壤总生物量的75.65%,而放线菌和真菌分别占总量的16.43%和3.63%,季节动态显著影响土壤微生物量和土壤酶活性。RDA分析表明:土壤温度和氨态氮是影响土壤微生物群落结构的主要环境因子,共能解释土壤微生物群落结构变异的34%,全氮和丛枝菌根真菌是影响土壤酶活性的主要非生物和生物因子,能分别解释土壤微生物功能变异的70%和28%。此外,林下植物盖度不同的林地间土壤微生物群落结构和土壤酶活性均存在差异,主要表现为丛枝菌根真菌、放线菌、β-葡萄苷酶、蛋白酶、酚氧化酶产生分异。(5)土壤呼吸受环境因子、土壤有机碳化学结构、凋落物和细根性质、土壤微生物等多生物和非生物因子的影响。RDA分析表明,非毛管孔隙度和毛管孔隙度是影响土壤呼吸的变异的最主要环境因子,能共同解释呼吸变异的77.9%,其中总呼吸和自养呼吸与非毛管孔隙度显著正相关,与毛管孔隙度显著负相关;真菌和细根生物量是影响土壤呼吸的变异的最主要的生物因子,其中,总呼吸和自养呼吸与细根生物量正相关,异养呼吸与真菌负相关;土壤有机碳化学结构中烷基碳/氧烷基碳比可解释土壤呼吸变异的36.7%。