蚂蚁筑巢对纳帕海面山土壤碳积累及分配的影响

【目的】揭示纳帕海面山森林蚁巢与非蚁巢土壤总有机碳储量及活性有机碳组分的分配特征,为阐明蚂蚁活动对森林土壤有机碳沉积影响的过程及机制提供关键数据支撑。【方法】以纳帕海面山云杉−冷杉森林群落为研究对象,比较蚁巢和非蚁巢2种处理土壤总有机碳储量、活性碳组分(微生物生物量碳、易氧化有机碳、颗粒有机碳、可溶性有机碳)及其碳分配(微生物生物量碳/总有机碳、易氧化有机碳/总有机碳、颗粒有机碳/总有机碳、可溶性有机碳/总有机碳)的差异,并分析蚂蚁筑巢活动引起土壤理化环境改变对总有机碳储量及活性有机碳组分分配的影响。【结果】蚂蚁筑巢显著影响土壤有机碳积累及活性碳组分分配(P<0.05)。其中,蚁巢土壤有机碳储量是非蚁巢的5.7倍;蚁巢土壤总有机碳、微生物生物量碳、易氧化有机碳、颗粒有机碳含量分别提高了3.8、2.7、4.0、3.5倍;蚁巢土壤易氧化有机碳/总有机碳均值大小比蚁巢高出1.50%,而非蚁巢土壤微生物生物量碳/总有机碳、颗粒有机碳/总有机碳、可溶性有机碳/总有机碳均值分别比蚁巢高0.43%、3.30%、3.21%;不同处理和土层仅对土壤总有机碳、微生物生物量碳、颗粒有机碳和可溶性有机碳含量存在明显的交互作用(P<0.05);回归分析结果表明土壤微生物生物量碳、颗粒有机碳、可溶性有机碳和易氧化有机碳分别解释了96.45%、96.35%、95.13%、94.27%的总有机碳变化;主成分分析表明土壤密度、全氮和速效磷是总有机碳储量的主控因子,而速效氮、速效磷、土壤密度等是活性碳组分积累的主要驱动因子;全钾、含水量分别是颗粒性有机碳与可溶性有机碳分配的主要影响因子。【结论】蚂蚁筑巢主要通过改变土壤紧实度、氮磷养分条件等环境因子,进而调控纳帕海面山森林土壤总有机碳储量与活性有机碳组分的分配,研究结果有助于理解高原湿地面山土壤碳积累过程的土壤动物学调控机制。

纳帕海典型草甸群落土壤有机碳储量及碳组分变化特征

【目的】探索不同地下水位埋深引起纳帕海典型草甸湿地土壤碳组分的变化特征及其与环境因子的耦合关系,为理解高原湿地土壤碳循环过程提供数据支撑。【方法】2020年11月,在纳帕海湿地选择地下水埋深由高到低的疏花早熟禾Poa pratensis群落、鼠曲草Gnaphalium affine群落和云雾薹草Carex nubigena群落3种典型草甸群落作为研究对象,比较土壤总有机碳、微生物生物量碳、易氧化有机碳、颗粒有机碳的质量分数以及沿土层的分布特征,并分析碳组分与植物多样性和土壤理化因子之间的关系。【结果】随着地下水埋深降低,不同典型草甸群落土壤总有机碳储量(0~40 cm土层)呈减少趋势,从高到低依次为疏花早熟禾群落(47.55 t·hm−2)、云雾薹草群落(42.28 t·hm−2)、鼠曲草群落(32.14 t·hm−2),并沿土层加深而降低,其中鼠曲草群落土壤总有机碳储量下降幅度最大;土壤总有机碳、微生物生物量碳、易氧化有机碳和颗粒有机碳均随地下水埋深降低而减少,变幅为1.8~3.4倍;土壤有机碳组分质量分数沿土层加深而降低,下降1.0~3.4倍;植物生物量、植物群落Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数、Margalef丰富度指数和Simpson优势度指数均随着地下水埋深的降低而减小,降幅达1.5~2.8倍;土壤含水量、pH、全磷同样显著减少(P<0.05);冗余分析(RDA)和相关性分析表明:植物地上生物量、土壤含水量、容重、全氮和全磷对地下水埋深变化的响应最为强烈,是影响纳帕海典型草甸群落土壤有机碳组分变化的主控因子。【结论】纳帕海湿地典型草甸土壤有机碳组分质量分数及垂直分布的特征主要取决于不同地下水埋深所引起的植物地上生物量及土壤理化状况的改变。因此,在纳帕海湿地典型草甸群落的保护过程中,建议对地下水位进行监测,防止地下水位过低对湿地碳库稳定性造成影响。

滇东南典型常绿阔叶林土壤酶活性的海拔梯度特征

[目的]探究滇东南文山国家级自然保护区土壤酶活性沿海拔的变化规律,为理解“海拔-水热-植被-土壤”间相互耦合对土壤酶活性影响的过程与机制提供数据支撑。[方法]以不同海拔典型植被类型(亚热带季风常绿阔叶林、半湿润常绿阔叶林及湿性常绿阔叶林)为研究对象,研究不同森林类型土壤酶活性沿海拔及土层变化特征,采用前向选择法、蒙特卡洛检验与冗余分析,分析水热、植被及土壤理化性质沿海拔梯度变化对土壤酶活性的影响。[结果](1)土壤酶活性随海拔升高呈显著不同的变化规律(P<0.05),土壤过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶的活性呈增加趋势,而土壤酸性磷酸酶活性呈先下降后上升的趋势。随着土层深度增加,土壤酶活性均逐渐降低;(2)水热条件、植物多样性及土壤理化性质沿海拔梯度呈显著不同的变化规律。年均降水量随海拔升高呈增加趋势,植物多样性、年均气温和土壤温度呈下降趋势。随着海拔升高,土壤含水量、总有机碳、全氮、全钾、速效氮和速效钾含量呈上升趋势,土壤全磷和速效磷呈先下降后上升趋势,土壤容重和pH呈降低趋势;随着土层深度增加,土壤含水量、总有机碳、全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷和速效钾含量呈降低趋势,而土壤容重和pH呈上升趋势;(3)冗余分析表明,水热条件、植物及土壤理化性质与土壤酶活性有不同程度的相关性,其对土壤酶活性变化的重要性大小排序为:总有机碳>全氮>容重>速效钾>pH>含水量>速效氮>全钾>有效磷>全磷>Pielou指数>年均降水量>年均气温>土壤温度>Simpson指数>Margalef index指数>Shannon-Wiener指数。[结论]海拔梯度变化引起文山国家级自然保护区内水热条件、植物多样性及土壤理化性质的显著改变,进而调控森林土壤酶活性沿海拔及土层垂直分布的变化,其中,土壤含水量、pH、容重、总有机碳及氮、磷、钾均能较好地解释土壤酶活性的海拔梯度差异。

文山国家级自然保护区不同海拔地带性植被的土壤微生物生物量碳氮分布特征

【目的】探究文山国家级自然保护区土壤微生物生物量碳氮沿海拔地带性植被的分布特征及其关键调控因子,为理解亚热带森林土壤碳氮循环过程及其调控机制提供基础数据参考。【方法】以保护区低海拔亚热带季风常绿阔叶林、中海拔半湿润常绿阔叶林和高海拔中山湿性常绿阔叶林3种典型地带性植被类型为研究对象,采用氯仿熏蒸法研究土壤微生物生物量碳氮含量沿海拔和土层的变化,并运用偏Mantel检验、Fourth-Corner方法解析植被多样性、土壤性质与微生物生物量碳氮之间的关系。【结果】1)土壤微生物生物量碳氮含量的海拔变化差异显著(P<0.05)。3个地带性植被群落的土壤微生物生物量碳氮含量随海拔升高呈增加趋势,即亚热带季风常绿阔叶林(15.75和2.84 mg·kg^(-1))<半湿润常绿阔叶林(28.05和4.95 mg·kg^(-1))<中山湿性常绿阔叶林(41.61和7.80 mg·kg^(-1))。2)各地带性植被带土壤微生物生物量碳氮含量均随土层加深而呈显著的减小趋势(P<0.05),0~10 cm土层微生物生物量碳氮含量分别是40~50 cm的4.26和3.22倍,且亚热带季风常绿阔叶林微生物生物量碳氮含量变幅(7.21和3.42倍)最大。3)偏Mantel相关性检验结果表明,微生物生物量碳氮含量与土壤全氮含量、有机质含量和pH值的关联性最强(P<0.01,r≥0.75),而与土壤含水量、密度、全钾含量的关联性次之(P<0.05,r>0.5);Fourth-Corner分析结果表明,亚热带季风常绿阔叶林的土壤微生物生物量碳氮含量仅与植被多样性(Shannon指数,Margalef指数,Pielou指数)极显著负相关(P<0.01);而在半湿润常绿阔叶林和中山湿性常绿阔叶林中,微生物生物量碳氮含量与土壤pH值呈极显著负相关(P<0.01),与枯落物厚度、有机质含量和全氮含量极显著正相关(P<0.01)。【结论】保护区土壤微生物生物量碳氮含量沿海拔变化主要受土壤全氮含量、有机质含量和pH值调控;低海拔样地土壤微生物生物量碳氮含量主要受植物群落多样性所调控,而高海拔样地土壤微生物生物量碳氮含量的主控因子为枯落物厚度、pH值、有机质含量和全氮含量。

滇东南亚热带土壤细菌群落对植被垂直带变化的响应

为探究南亚热带森林土壤细菌群落的变化特征及其与环境因子的耦合机制,沿海拔自下而上选取滇东南文山国家级自然保护区亚热带季风常绿阔叶林(E1)、半湿润常绿阔叶林(E2)、中山湿性常绿阔叶林(E3)3种典型森林类型为研究对象,采用Illumina高通量测序技术研究土壤细菌群落组成、结构和多样性对植被垂直带变化的响应规律,以及它们与环境因子之间的关系。研究发现,(1)环境因子沿植被垂直带变化显著(P<0.05)。E3植被带的凋落物厚度、Simpson指数、土壤含水量、有机质、氮、磷、钾含量较E1和E2显著增加,而植物的Margalef指数、Shannon指数、Pielou指数、土壤密度、pH、温度较E1和E2显著减少,其平均增幅和降幅分别3倍和1.5倍。(2)酸杆菌门、变形菌门、放线菌门等细菌优势菌群的相对丰度沿植被垂直带和土层变化差异显著(P<0.05);次优势菌门变形菌、放线菌在E3植被带的相对丰度显著高于E1和E2(P<0.05),而酸杆菌门相对丰度略低于其他两个植被带(P>0.05);变形菌与放线菌主要富集于土壤表层(0-10 cm)、酸杆菌富集在中层(10-30 cm)、绿弯菌富集在底层(40-50 cm)。(3)土壤细菌多样性沿植被垂直变化呈显著的增加趋势(P<0.05),并在E3达到最大值,沿土层则表现为减小变化。(4)随着海拔上升,植被多样性及凋落物厚度对细菌群落结构及多样性的主导因子从E1的3个减至E3的1个,而土壤理化对二者的解释率从E1的0个增至E3的7个,E1的植被多样性负向影响转变为E3含水量、碳氮等养分元素的正向影响。因此,文山自然保护区植被群落沿海拔的垂直变化,导致凋落物厚度、土壤水分、pH、养分含量的显著改变,进而决定了森林土壤细菌群落组成、结构及多样性的分布格局。

氮沉降下纳帕海草甸植被与土壤变化对微生物生物量碳氮的影响

为探明高原草甸土壤微生物对短期氮沉降的响应,以纳帕海典型高寒草甸云雾薹草群落为对象,野外原位布设低氮(5 g N·m^(-2)·a^(-1))、中氮(10 g N·m^(-2)·a^(-1))和高氮(15 g N·m^(-2)·a^(-1))3种施氮处理,研究氮沉降引起高寒草甸植物多样性及土壤性质变化对微生物生物量碳氮的影响。结果表明:氮添加显著增加土壤微生物生物量碳氮及其熵值,中氮处理下微生物生物量碳增量最高,达139.3%;微生物生物量碳氮的垂直变化表现为沿土层显著降低,降幅为24.1%~75.1%。氮添加显著提高群落地上生物量,降低Shannon和Simpson多样性,变幅达6.6%~65.4%;氮添加显著降低土壤pH,增加土壤有机质、全氮、铵态氮和硝态氮含量,且在中氮处理下变幅(7.0%~511.1%)最大;土壤pH随土层加深而增大,而其他理化指标则沿土层加深而显著减少,变幅达19.5%~91.2%。结构方程模型表明,土壤铵态氮、硝态氮和有机质对微生物生物量起促进作用,而土壤pH和植物群落Shannon指数对其具有负效应;植物和土壤理化性质共同解释微生物生物量碳氮及其熵55%~77%的变化,其中土壤理化性质对微生物生物量碳氮及其熵的效应值最高(0.56~0.95),其次是植物群落多样性和生物量。因此,氮沉降主要通过提高地上生物量及土壤碳氮养分的可利用性而增加土壤微生物生物量碳氮及其熵,但高氮处理导致土壤酸化及植物多样性降低,而对其产生一定的抑制效应。

纳帕海高原湿地土壤微生物群落对土地利用方式改变的响应

【目的】探明高原湿地不同土地利用方式下土壤理化性质的改变对微生物群落结构及多样性的影响,为纳帕海高原湿地土地利用管理提供理论依据。【方法】以人类活动干扰下形成的放牧草地和耕地为研究对象,以自然沼泽湿地为对照,运用Illumina高通量测序技术比较不同土地利用方式下土壤微生物群落结构和多样性特征,并采用Mantel test分析土壤理化环境改变对土壤微生物群落的影响。【结果】①相较于自然沼泽湿地,耕作与放牧显著降低了土壤含水量、有机质、全氮和速效氮,却提高了全磷、碳氮比和容重(P<0.05)。②耕作和放牧显著增加土壤细菌与真菌α多样性(P<0.05),三种利用方式间β多样性差异显著(P<0.01)。③耕作和放牧显著改变细菌和真菌群落结构,其中耕作使变形菌门、厚壁菌门和绿弯菌门相对丰度显著增加21.07%~123.61%,酸杆菌门、放线菌门和芽单胞菌门显著减小62.7%~75.29%;耕作使子囊菌门、担子菌门、接合菌门相对丰度显著减小71.33%~96.47%,未分类真菌门相对丰度显著增加722.97%;放牧使细菌浮霉菌门和疣微菌门增加57.46%、179.12%,却使变形菌门、芽单胞菌门和拟杆菌门显著减少16.23%~67.16%(P<0.05)。放牧使担子菌门和子囊菌门相对丰度分别增加34.57%、105.94%,而使未分类的真菌门和接合菌门显著分别减少45.66%、93.90%。④Mantel test分析表明,土壤含水量、有机质、全氮是影响细菌和真菌多样性的主要因子,而土壤磷、钾和pH是影响土壤细菌和真菌群落结构的主控因子。【结论】耕作与放牧主要引起湿地旱化、土壤碳氮养分降低及全磷含量提高,从而导致湿地土壤微生物代谢类型的组成改变及多样性增加。

文山自然保护区典型植被土壤碳氮储量变化特征

探究文山自然保护区土壤有机碳和全氮储量沿海拔的变化特征及其与环境因子的耦合关系,为评估保护区植被碳氮固定潜力提供数据支撑。选取保护区沿海拔分布的3种典型植被类型为对象,研究土壤有机碳和全氮储量沿海拔和土层的分布规律,并采用主成分降维分析方法探讨环境因子(微气候、植被与土壤)沿海拔变化对土壤碳氮储量的影响。结果表明:不同植被类型土壤碳氮储量沿海拔升高呈显著增加趋势(P<0.05),最大值出现在高海拔中山湿性常绿阔叶林,相较于低海拔亚热带季风常绿阔叶林,其增幅分别达82.81%和80.98%。土壤碳氮储量随土层加深呈显著减小趋势(P<0.05),相较于0~10 cm土层,40~50 cm土层的降幅分别为54.82%和55.38%;凋落物厚度、Simpson指数、土壤总孔隙度、毛管孔隙度、含水量、全钾沿海拔上升呈增加趋势,全磷则先减后增;相较于低海拔亚热带季风常绿阔叶林,上述指标在高海拔中山湿性常绿阔叶林的增幅为53.29%~666.67%;而Margalef指数、Shannon指数、Pielou指数、土壤非毛管孔隙度、土壤容重、温度、p H、机械组成沿海拔梯度呈减小趋势,这些指标在高海拔中山湿性常绿阔叶林的降幅为15.97%~59.71%;环境因子沿海拔的变化对碳氮储量具有极显著的共线性影响(P<0.05),凋落物厚度、年均降水量、土壤总孔隙度、毛管孔隙度、含水量、全钾沿海拔的增加对碳氮储量存在极显著的正效应(P<0.01),植物多样性沿海拔的减小对碳氮储量存在显著的正效应(P<0.01)。综上,文山保护区土壤碳氮储量沿海拔升高呈现显著增加趋势,其中,微气候、土壤理化性质、凋落物厚度沿海拔的垂直分布是调控碳氮储量的关键因子。