磷添加对杉木人工林土壤不同呼吸组分的影响及机制

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土壤呼吸是大气和陆地生态系统之间的第二大碳通量,其微小变化将会显著增加或降低大气中二氧化碳的浓度,进而对全球气候变暖产生深远的影响。土壤养分通过调控微生物生长代谢过程影响土壤呼吸,厘清土壤呼吸与土壤养分之间的关系对预测全球陆地碳循环至关重要,是当前全球变化领域的热点问题。磷是限制陆地生态系统初级生产力的关键养分元素之一,而亚热带森林土壤高度风化,大部分磷被铁铝氧化物固定,土壤有效磷含量低,导致该区域内微生物活动趋向受磷限制。与此同时,由于人类活动导致磷沉降和磷肥大量输入,这会改变土壤磷养分状况,进而影响土壤呼吸,然而土壤呼吸及其组成部分(自养呼吸、异养呼吸及其菌根诱导呼吸)对磷养分的变化做出何种响应?影响机制是什么?目前仍存在不确定性。为此,本研究在杉木人工林样地上,设置磷添加和对照两种处理,通过分室隔离技术(隔根、隔菌根处理)将土壤呼吸分成土壤异养呼吸、根呼吸以及菌根诱导呼吸三个组分,探讨磷添加对亚热带杉木人工林土壤不同呼吸组分的影响。结合磷添加后土壤理化性质、微生物群落组成、酶活性、根系属性等生物和非生物因素的变化特征,旨在阐明磷添加对杉木人工林不同呼吸组分影响的作用机制。本研究有助于深入认识磷养分调控土壤呼吸及其组分变化的作用机制,将为磷养分纳入地球系统模型提供理论基础,对我国杉木人工林的经营和管理具有重要的实践意义。主要结果如下:(1)磷添加显著改变土壤理化性质,磷添加后土壤p H、总磷(TP)、有效磷(AP)显著增加,表明磷添加增加土壤磷有效性,并且可能会缓解由氮沉降带来的土壤酸化进程;磷添加后土壤可溶性有机碳(DOC)显著增加,并且土壤DOC腐质化和芳香化指数显著提高,说明磷添加将增加土壤有机碳淋溶损失的风险,并且提高土壤DOC稳定性碳的比例;磷添加后土壤矿质氮(NH4+-N和NO3--N)和可溶性有机氮(DON)显著降低,说明磷添加将改变土壤氮转化过程,降低氮的淋溶损失,这可能会导致杉木人工林生态系统由磷限制转向氮限制。(2)磷添加显著增加土壤微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)以及微生物生物量磷(MBP)和土壤不同类型微生物磷脂脂肪酸的含量,而显著降低土壤MBC/MBP及MBN/MBP,但是磷添加后土壤革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌(GP:GN)以及真菌与细菌比值(F:B)变化不显著,并且相关分析表明土壤总磷、有效磷以及DOC含量是解释土壤微生物生物量变化的关键因子,说明磷可能是限制杉木人工林土壤微生物生长的养分元素之一,磷添加通过提高土壤磷有效性和DOC含量,进而促进土壤微生物生长。(3)磷添加显著降低土壤酸性磷酸酶活性,而对土壤β-葡萄糖苷酶(βG)、β-氮乙酰基葡萄糖苷酶(NAG)、纤维素水解酶(CBH)活性影响不显著,但是βG/ACP、和NAG/ACP显著增加,说明了磷添加后微生物磷养分需求降低,土壤有机磷的转化速率降低,而土壤微生物对碳底物和氮养分的需求增加。(4)磷添加显著增加杉木人工林土壤总呼吸年通量和异养呼吸年通量,同时磷添加后杉木人工林土壤根呼吸年通量和菌根诱导呼吸年通量也呈增加的趋势,说明磷添加将增加土壤二氧化碳排放,并且磷可能是限制杉木人工林土壤微生物活性的养分元素之一;磷添加后土壤总呼吸、异养呼吸、根呼吸以及菌根呼吸的Q10呈增加趋势,并且土壤总呼吸和异养呼吸的Q10对磷添加的响应存在显著性,说明磷肥添加可能导致土壤呼吸的温度敏感性增加,未来气候变暖可能会增加高磷有效性土壤中有机碳分解速率;相关分析结果发现,土壤异养呼吸与DOC、NO3--N、AP、TP等非生物因子呈显著正相关,与GN、βG、MBC、MBN/MBP等生物因子呈显著正相关;冗余分析结果表明土壤AP、DOC是解释土壤呼吸组分变化的关键因子,说明磷添加后土壤异养呼吸变化是生物因素和非生物因素共同调控的结果,并且磷添加主要通过改变微生物生物量、群落组成以及碳基质有效性等影响土壤呼吸。综上,短期磷添加通过改变土壤磷有效性和DOC含量,直接或间接影响土壤微生物活性,提高土壤呼吸,而短期磷添加对根呼吸和菌根诱导呼吸影响不显著。本研究结果明晰了磷添加通过调控土壤生物因素和非生物因素作用于土壤呼吸及其组分的可能作用机制,对于完善地球系统模型和亚热带森林经营与管理提供理论依据。
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