养分添加和次生演替对土壤微生物的影响

发布时间：2020-05-20 07:03

【摘要】：土壤微生物作为陆地生态系统的主要分解者,其生存和生长策略、群落结构影响土壤有机质的分解以及碳(C)、氮(N)、磷(P)等元素的循环,进而影响生态系统的功能。与传统的植物及群落生态学相比,微生物生态学研究因微生物个体微小、数量庞大、群落结构复杂而进展缓慢。为此,国内外学者开始尝试应用宏观生态学理论解释土壤微生物介导的生态学过程。本文采用野外试验、室内培养和整合分析等方法,测定了养分添加和次生演替过程中土壤微生物的动态变化,验证生态化学计量学理论和演替理论在微生物生态学中的应用。首先通过中国东北温带帽儿山地区两种森林(天然阔叶林和红松[Pinus koraiensis Sieb.et Zucc.]人工林)的养分添加实验研究了土壤微生物对化学计量不平衡性(即土壤C:N:P和微生物C:N:P之比)的适应机制,探索生态化学计量学理论在土壤微生物中的应用。之后,采用空间替代时间的方法研究了帽儿山地区次生演替(农田—灌草地—森林)过程中土壤微生物的动态变化,探索化学计量学理论和演替理论能否解释土壤微生物的变化趋势。最后,为了验证帽儿山地区的案例研究结果的普适性,运用整合分析手段分别研究了全球尺度上养分添加和次生演替对土壤微生物的影响。主要结果如下:氮添加显著改变了温带天然次生林和红松人工林土壤微生物C:N:P化学计量比,即降低了微生物C:N,但增加了微生物N:P,表明土壤微生物并不是保持严格的内稳态,微生物生物量C:N:P化学计量比会随土壤养分条件的变化而产生一定的可塑性。N添加抑制了与N获取相关的胞外酶活性,却增加了与C或P获取相关的胞外酶活性;P添加抑制了与P获取相关的胞外酶活性,却增加了与C或N获取相关的胞外酶活性;这些结果说明,微生物在受某种元素限制时会增加获取该元素的胞外酶的合成,支持了资源分配理论,N添加抑制了微生物代谢熵(即微生物呼吸与微生物生物量之比),表明N添加增加了微生物对C的利用效率。通过整合分析全球454个氮添加实验发现,N添加降低了微生物生物量C:N和真菌细菌比。进一步的基于回归分析和主成分分析结果表明,N添加主要是通过增加土壤N可利用性(即通过化学计量学途径)而不是传统认为的土壤酸化途径对土壤微生物群落结构产生影响。总之,帽儿山地区的养分添加实验和全球整合分析结果均证实了土壤微生物群落可以通过调整微生物生物量化学计量比、胞外酶化学计量比、群落组成结构、元素利用效率来适应养分添加诱导的土壤C:N:P化学计量比的变化。帽儿山地区次生演替过程中土壤微生物的动态变化研究结果表明,微生物代谢熵随着次生演替进程而逐渐增加。微生物代谢熵随着土壤C:P和N:P的增加而显著增加,但随着微生物生物量C:N和C:P的增加而显著降低。微生物代谢熵和化学计量不平衡性(即土壤C:N:P和微生物C:N:P之比)均存在显著的正相关关系(P0.05)。这些结果表明,微生物对土壤C:N:P化学计量特征的适应机制可以预测该次生演替过程中土壤微生物的变化趋势。为了验证该结果的普适性,整合分析了全球85个演替序列的结果显示,次生演替过程中土壤微生物的变化遵循宏观演替理论,即:随次生演替进程,土壤微生物代谢摘逐渐降低,而土壤微生物熵(即微生物生物量与土壤碳之比)显著增加;作为r-对策者的细菌群落在演替初期占优势,而作为K-对策者的真菌群落在演替后期占主导。同时还发现,次生演替过程中土壤C:N显著增加;土壤C:N的快速增加伴随着微生物代谢熵慢速降低和微生物熵慢速增加,但会导致真菌:细菌的快速增加。这些结果说明,化学计量学理论对演替理论作了补充,解释了全球不同次生演替序列之间微生物生长、代谢和群落组成演替动态的变异性。综上所述,本文基于野外试验、室内培养、整合分析等方法,通过养分添加和次生演替等两个案例,探索了生态化学计量学理论和演替理论在土壤微生物中的应用,推进了土壤微生物生态学的理论研究,展示了宏观生态学传统理论在研究土壤微生物介导的生态过程中的应用前景。同时建议,未来研究需重点理解全球变化情景下微生物的群落组成、化学计量、元素利用效率对土壤生态学过程的影响,深入理解土壤微生物在生态系统功能和服务中的作用。
【学位授予单位】：东北林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S714.3

【参考文献】