不同年限果园土壤团聚体有机碳分布及其微生物作用机制

来源 :华中农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:fenglingxing
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农业生态系统是陆地生态系统中重要的组成部分,其土壤(0-1 m)有机碳储量约为128 Pg碳,占陆地有机碳储量的9%。近几十年来频繁的人类农业活动造成土壤有机碳库波动,增加了大气中CO2、CH4等温室气体的含量,导致温室效应不断加剧。2015年联合国气候变化大会提出了“千分之四”倡议——全球农业土壤有机碳储量平均每年增加千分之四,以减缓气候变化和确保粮食安全。土壤团聚体作为土壤结构的基本单元,是土壤有机碳贮存的重要场所,也是土壤微生物活动热区。农业生产过程中不同的土壤管理措施会影响土壤团聚体粒径分布。不同粒径的土壤团聚体给胞外酶与微生物提供了分层的生境,而且胞外酶与微生物分解转化作用的不同导致了团聚体有机碳分布差异。因此,研究微生物作用下不同粒径团聚体有机碳分布规律有利于深入理解土壤有机碳稳定机制,为制定可持续农业管理计划提供理论依据。本文以我国南方红壤低山丘陵区不同年限(新建、7年、20年、40年)梯地果园为研究对象,系统研究了不同年限果园中各粒径土壤团聚体有机碳分布特征,阐明其与胞外酶活性、微生物多样性、微生物群落组成的关系,揭示土壤微生物介导的不同粒径团聚体有机碳固持机制。本文的主要结论有以下几点:(1)果园年限增加可促进不同粒径团聚体有机碳含量增加。不同年限果园中,大团聚体(>0.25 mm)有机碳含量比微团聚体(0.053-0.25 mm)和粉黏粒级团聚体(<0.053mm)有机碳含量分别高约48.83%和25.68%;粉黏粒级团聚体有机碳含量比微团聚体有机碳含量高约17.54%。单因素方差分析表明,随着果园年限增加,大团聚体占比显著增加,微团聚体和粉黏粒级团聚体占比均显著降低(p<0.05),导致了大团聚体中有机碳储量和贡献率均高于微团聚体和粉黏粒级团聚体。这说明果园年限增长过程中大团聚体在土壤有机碳积累中起重要作用。(2)各粒径团聚体微生物生物量碳和胞外酶活性随着果园年限的增加而增加。不同年限果园中大团聚体微生物生物量碳含量均高于微团聚体与粉黏粒级团聚体微生物生物量碳含量约40.26%和14.88%。α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶和蔗糖酶活性随着团聚体粒径的降低而增加。新建果园和7年果园中α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶和蔗糖酶活性贡献率随团聚体粒径的降低而增加,而20年和40年果园中酶活性贡献率随团聚体粒径的降低而降低。这说明随着果园年限的增加,与微团聚体与粉黏粒级团聚体相比,大团聚体中土壤有机碳受易受胞外酶分解。皮尔森相关分析表明,不同粒径团聚体微生物生物量碳、胞外酶活性与有机碳含量显著相关(p<0.05)。这说明在果园年限增加过程中不同粒径团聚体中土壤有机碳矿化均加快。(3)微生物多样性与群落组成的变化影响土壤团聚体有机碳分布。随着团聚体粒径增加,细菌、真菌多样性和丰富度降低分别约29%、51%,细菌均匀度随着团聚体粒径增加而降低,真菌均匀度随团聚体粒径增加而增加。主坐标分析表明,不同年限果园不同粒径团聚体之间细菌与真菌群落组成具有显著差异(p<0.05)。不同年限果园中,随着团聚体粒径的增加,绿弯菌门细菌相对丰度升高,放线菌门、变形菌门和酸杆菌门细菌相对丰度降低。40年果园中,随着团聚体粒径的增加,子囊菌门真菌相对丰度降低,担子菌门真菌相对丰度增加。这说明微生物群落的变化有利于土壤有机碳在大团聚体中积累。(4)果园年限增长下不同粒径团聚体有机碳对微生物性质的响应机制。虽然果园年限增长促进了不同粒径团聚体胞外酶活性和微生物生物量的增加,加快了不同粒径团聚体上有机碳的分解。但是,微生物熵随着团聚体粒径增加降低约16%,说明大团聚体中有更多可利用性底物。而且特定胞外酶活性(g-1 MBC,g-1 SOC)随团聚体粒径增大而降低,说明微生物产水解酶的效率和有机碳矿化的潜能在>0.25mm团聚体中更低。因此,比微团聚体、粉黏粒级团聚体相比,大团聚体能积累更多土壤有机碳。冗余分析进一步表明,2-5 mm和<0.053 mm团聚体占比分别与土壤有机碳含量和储量显著正相关和显著负相关(p<0.05),说明这两个团聚体粒径占比可以有效得作为评价土壤有机碳封存潜力的有效指标。
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