氮磷添加对中国东部不同纬度森林土壤微生物群落多样性及其活性的影响

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土壤微生物在土壤环境中发挥着重要作用。土壤微生物通过维持土壤肥力,减轻土壤污染,调节土壤有机质分解和养分循环及其土壤结构的形成等方式,控制着许多对生态系统功能至关重要的地下过程。氮(N)和磷(P)通常被认为是控制森林生态系统物种组成、多样性和生产力的关键生长限制元素。长期以来,不同的研究者多在单一地点或单一森林类型研究氮磷添加对土壤微生物多样性的影响,,但是关于氮磷添加对不同纬度分布的森林生态系统的土壤微生物多样性影响尚缺系统研究。因此,本研究于2013年在中国三种不同的森林土壤类型(亚热带森林,暖温带森林和寒温带森林)中建立了多地点氮磷施肥试验。本文研究了经过4-5年的N和P添加处理后,不同纬度下的森林系统中土壤呼吸作用、土壤微生物群落组成和酶活性对氮磷添加的响应。主要研究结果如下:(1)N添加对寒温带森林土壤微生物量和群落组成均有显著正效应。相反,N添加会使暖温带森林土壤呼吸量减少,进而对该地森林土壤微生物量和群落结构有着显著的负效应。在亚热带森林中,N添加对微生物群落有抑制作用,但对微生物生物量的影响不显著。(2)P添加显著增加了亚热带森林中的微生物生物量并改变了其微生物群落组成,但P添加在寒温带森林土壤中仅表现出对真菌生物量具有显著的正效应。P添加对寒温带森林和亚热带森林土壤呼吸量均有所增加,而对暖温带森林微生物生物量和群落组成没有显著影响。(3)N和P的交互作用显著增加了亚热带森林土壤的微生物量,改变了其群落组成,但暖温带森林中N和P交互作用对土壤微生物量的影响呈相反结果。在寒温带森林中,N和P之间的交互作用显著改变了其群落组成,但对微生物生物量没有影响;(4)在寒温带森林中,与CK处理相比,N添加仅使土壤βG(β-1-4-葡萄糖苷酶)活性显著提高40.4%;P添加使土壤βG和NAG(β-1-4-N-乙酰葡萄糖苷酶)活性均有显著提升作用,但使APA(酸性磷酸酶)活性显著降低28.6%;N和P交互作用使βG和NAG活性分别提高120.1%和67.9%。在暖温带森林中,N添加对βG和NAG活性具有显著正效应;P添加则显著提高NAG和APA活性;N和P交互作用显著提高βG和NAG活性,而显著降低APA活性。在亚热带森林中,N添加使NAG活性显著下降11.1%,APA活性显著提高47.4%;P添加使βG活性显著降低,而使NAG和APA活性具有明显提升作用;N和P交互作用仅使APA活性显著增加49.1%。(5)在寒温带森林中,与CK处理相比,N添加使βG/NAG和βG/APA显著提高,而使NAG/APA显著下降;P添加使βG/NAG、βG/APA和NAG/APA都具有显著提升作用;N和P交互作用使βG/APA和NAG/APA显著提高。在暖温带森林中,N添加使βG/NAG和NAG/APA显著提高;P添加使βG/APA显著下降,而使NAG/APA显著提高;N和P交互作用使βG/APA和NAG/APA明显提升。在亚热带森林土壤中,N添加使βG/NAG显著提高,而使βG/APA和NAG/APA显著下降;P添加和NP交互作用使βG/NAG、βG/APA和NAG/APA都有显著的降低作用。(6)在寒温带森林中,βG活性与NO3-N和DOC呈显著正相关关系,与TC含量呈显著负相关关系;NAG活性与TP含量和pH值呈显著正相关关系;APA活性与各个环境因子无相关性。在暖温带森林中,βG活性仅与土壤TC含量极显著正相关;NAG活性与土壤AP和TC含量与其呈显著正相关关系,与土壤pH和DOC呈显著负相关关系;APA活性与DOC呈极显著正相关关系,与AP和TP含量呈显著负相关关系。在亚热带森林中,βG活性与DOC含量呈显著正相关关系,而与土壤AP和TP含量呈极显著负相关关系;NAG活性与土壤AP和TP含量与其呈显著正相关关系,与土壤DOC含量呈显著负相关;APA活性与土壤NH4+N、AP和TP含量呈显著正相关关系。(7)在寒温带森林中,与C循环相关的βG活性、与N循环相关的NAG活性和与P循环相关的APA活性三者之间相关性不显著;在暖温带森林中,βG活性与NAG活性呈显著的正相关关系,但与APA活性之间以及NAG活性与APA活性之间相关关系不明显;在亚热带森林中,βG活性与NAG活性呈极显著负相关关系,βG活性与APA活性之间的相关性略微显著,NAG活性与APA活性之间相关性不强。本研究结果将为深入了解氮磷添加长期过程对不同纬度森林生态系统的影响以及揭示不同森林生态系统土壤微生物变化规律提供理论依据,也为预测全球气候变化背景下(尤其是氮磷变化)对不同森林生态系统微生物多样性格局和功能稳定性的动态变化和发展趋势提供科学依据。
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