固沙林恢复下枯落物-土壤连续体微生物群落的演变特征

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微生物与植被之间的相互反馈和调控对生态系统的演变过程和稳定性具有关键的作用。在荒漠化恢复过程中,理解微生物群落结构在长期植被恢复过程中的变化规律,对于长期维持固沙林的生态服务与功能具有重要意义。因此,本研究以毛乌素沙地中两种典型固沙林23~54年的时间恢复序列为研究对象,沿着土壤有机质(Soil organic matter,SOM)的转化与分解梯度,分别对其枯落物-土壤连续体中的新鲜枯落物层、腐殖层、土壤有机层和矿质土壤层的样品进行了采集,探究了微生物群落的结构在SOM的长期转化与积累过程的演变特征,从微生物群落演变的角度分析了两种恢复类型林地的长期演变机制。得出的主要研究结果如下:(1)植被恢复后,以枯落物的形式向土壤中输入了大量的碳(Carbo,C)和氮(Nitrogen,N)。到恢复54年,灌木和乔木以枯落物的形式分别向土壤中输入了半固定沙地的16.98和36.56倍的C,以及10.94和36.90倍的N,这导致灌木林地和乔木林地土壤有机层的总有机碳(Total organic carbon,TOC)分别增加了7.1和14.6倍,而土壤全氮(Total nitrogen,TN)在分别增加了4.4和6.6倍。枯落物的输入也造成了微生物量碳(Microbial biomass carbon,MBC)在灌木和乔木林地分别增加了73.9和165.32 mg kg-1,而微生物量氮(Microbial biomass nitrogen,MBN)分别增加了16.8和19.6 mg kg-1。相比于乔木林地,灌木林地中可溶性有机质(Dissolved organic matter,DOM)表现出较高的微生物来源,分子结构相对简单。另外,有机质在两种林地中的转化都遵循着C/N先增高后降低的规律,这说明有机质在枯落物层的转化主要是易降解组分的降解,和难降解组分的累积;而在土壤层中则朝着更易于被微生物利用的方向转化,表现出微生物代谢产物的增加。(2)在半固定沙地上造林后,总的来说,灌木林地中细菌群落的变化主要以放线菌门(Actinobacteria)相对丰度的增加为主,其平均增加了12.7%;而乔木林地则主要表现为变形菌门(Proteobacteria)丰度的增加,其平均增加了14.1%。相比于乔木恢复,灌木林地中细菌群落具有更高的均匀度、优势度以及多样性指数,然而其真菌群落的α多样性指数仅在枯落物层出现较高的值,而在土壤层,真菌群落的多样性则低于乔木。沿着枯落物到土壤层,灌木林地中微生物群落从枯落物层中以子囊菌门(Ascomycota)的增长为主,到有机层则转变为以放线菌为主,最后到矿质土壤向着以酸杆菌门(Acidobacteria)的增加为主。然而乔木林中,则从枯落物层中的以变形菌门丰度的增加为主要特征,然后转变以担子菌(Basidiomycota)为主,最后在土壤层则以被孢霉菌(Mortierellomycota)相对丰度的增加为主。微生物群落的网络结构特征表明,两种林地恢复后,相比于半固定沙地,微生物群落的结构在枯落物层变得更为复杂,但是深层土壤中与半固定相比却趋向于简单。另外相比于乔木林地,微生物群落在灌木林地中表现出较强的竞争关系,并且从枯落物层到土壤层,这种竞争关系趋向于增强。(3)乔木恢复相比于灌木林地恢复,枯落物-土壤连续体中具有较低的氧化酶活性,较高的N水解酶活性,以及较低C水解酶与N水解酶的计量比。这表明灌木林地中有机质更容易被微生物矿化,而乔木林地中则表现出较强的N限制。因此灌木恢复模式下,土壤有机质的增加和理化性质的改善相比于乔木恢复来说较为缓慢,并且在恢复30年后,其植被的多样性指数表现出降低的趋势。而在乔木林地中,虽然早期也有一些新的物种侵入,但是随着恢复时间的延长,最终演变成了樟子松的纯林。本研究结果表明,半固定恢复过程中,灌木和乔木林地的建立都能够极大的提高SOM的含量、以及改善土壤理化性质以及微生物群落结构。灌木恢复模式下,其枯落物更易于降解,虽然有利于微生物的生长和养分的释放,但是却不利于SOM的积累。乔木恢复下,枯落物生物量大并且难以降解,虽然有利于有机质的固定,但是不利于养分的释放,并且将会抑制微生物和植被的多样性。因此未来的研究需要进一步探究微生物与植被的相互调控机制,优化植被配置模式,缓解养分释放和SOM积累之间的矛盾。
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