模擬氮沉降和酸化對云霧山草地土壤性質的影響

【摘要】：寧夏云霧山草原自然保護區是我國西北地區保護最完整的一個“本氏針茅典型草原自然保護區”,面積達7000公頃,為黃土高原的植被恢復、水土保持和環境治理、我國半干旱區植被自然修復以及研究草地生態系統元素循環機制提供科學依據與試驗場所。有許多學者對草地生態系統做了大量研究,多集中于土壤水分,碳、氮、磷元素含量的變化,或不同植被對土壤營養元素和理化性質的影響,對草地生態系統碳、氮、磷循環和微生物生物量對氮沉降和土壤酸化的響應研究相對較少。本研究以寧夏固原云霧山草原自然保護區的長期試驗為平臺,通過測定土壤理化性質及土壤碳、氮、磷元素不同形態的含量,采用熒光定量PCR(Real-time PCR)技術研究云霧山草地土壤的微生物特性,旨在探究模擬氮沉降及酸化對云霧山草地土壤碳、氮、磷含量和微生物生物量及微生物特征的影響。本文共選用了具有代表性的8種處理,分為兩類:1.氮沉降(CK、N、N+W);2.酸化(SO、S1、S2、S3、S4)。測定對應土壤的理化生性質及土壤中細菌、古菌、氨氧化細菌、氨氧化古菌、甲烷氧化菌(pmoA)、固氮酶鐵蛋白基因(nif-H)、亞硝酸還原酶(nir-S)的豐度,并通過冗余分析探究了土壤微生物豐度與環境因子之間的關系。以下為本文的主要研究結論。(1)施氮增加了土壤可溶性有機碳(DOC)和硝態氮含量,土壤全碳(TC)、全氮(TN)、銨態氮含量降低,施氮對土壤微生物量有抑制作用,提高了土壤全磷(TP)、速效磷(AP)、土壤有機磷含量(OP)、土壤呼吸商與礦化氮含量。氮沉降對土壤有機碳、全碳及全氮的影響存在正、負增長或無顯著變化,可能與施氮處理的時間和濃度有關。長期施氮會降低土壤微生物量,同時氮素積累可能對土壤微生物有毒害作用,抑制微生物活性。施氮和酸化對呼吸速率的影響尚無定論,施氮增加土壤中有機碳,使植物生長加快,凋落物進入土壤成為有機質,成為微生物碳源促進微生物呼吸;當土壤養分被植物獲取,微生物可利用有機質減少,活性降低,呼吸速率降低。(2)施酸減小土壤pH值,對有機磷含量(OP)、微生物量磷(MBP)、銨態氮含量和呼吸速率有促進作用,土壤全碳(TC)、全氮(TN)、微生物量碳(MBC)與酸的濃度有關。(3)施氮處理和施氮增溫處理提高土壤細菌和古菌豐度,達每克108個基因拷貝數,降低土壤中甲烷氧化菌、固氮酶鐵蛋白和亞硝酸還原酶基因豐度;施酸處理降低土壤中古菌豐度,對土壤細菌、固氮酶鐵蛋白和亞硝酸還原酶基因豐度有促進作用。氮沉降處理中甲烷氧化菌豐度(pmoA)與土壤微生物量氮(MBN)和銨態氮(NH4+-N)含量之間呈正相關;固氮酶鐵蛋白基因豐度(nif-H)、亞硝酸還原酶(nirS-Cd)豐度與硝態氮(NO3--N)含量之間相關性極小。土壤微生物量氮(MBN)與銨態氮(NH4+-N)含量、全磷(TP)與速效磷(AP)含量之間分別呈正相關,相關性顯著。施酸土壤中古菌豐度與氮磷比(N:P)、微生物量碳(MBC)、酸堿度(pH)、微生物量氮(MBN)呈顯著正相關關系,AOA、AOB的微生物豐度與土壤碳磷比(C:P)、速效磷(AP)含量以及硝態氮(NO3--N)含量存在顯著正相關關系。甲烷氧化菌基因豐度(pmoA)與土壤微生物量氮(MBN)之間相關性極小。(4)氮沉降增加凋落物輸入,減少土壤碳輸出促進土壤腐殖質和穩定性碳形成,影響土壤理化性質與元素化學計量比,增加土壤氮含量,為土壤微生物提供營養,增大土壤微生物活性,不同種類微生物性質不同,微生物數量與種類對氮沉降的響應差異亦會導致施氮后微生物生物量對氮沉降的響應不同。