氮、钠添加对亚热带森林土壤动物—凋落物分解系统的影响

发布时间：2020-08-22 00:05

【摘要】：凋落物是连接地上、地下生态系统的重要枢纽。森林凋落物的分解由凋落物质量和分解者共同决定,而后两者又直接或间接的受到气候环境的影响。土壤动物是凋落物分解过程中的重要参与者,腐食性大型土壤动物主要通过调节土壤微生物活性和群落结构影响凋落物的分解。钠是土壤动物和土壤微生物活动所必需的一种元素,但是在植物凋落叶中含量甚微。因此凋落物分解者的活性极易受钠元素短缺的限制。目前钠元素匮乏对亚热带森林生态系统凋落物分解的影响还知之甚少。此外,随着大气氮沉降的不断加剧,其对凋落物分解系统的影响也引起研究者的广泛关注。目前森林凋落物分解系统对氮沉降的生物响应机制研究主要集中于低营养级的土壤微生物和微型土壤动物,氮沉降对高营养级的大型土壤动物(如等足类)及其交互作用对微生物的影响的研究较少。因此研究土壤动物和土壤微生物对钠元素以及氮沉降的响应,探究凋落物分解系统中可能的反馈机制势在必行。本研究选择中国东部的紫金山地区作为实验样地。首先,通过室内模拟实验评估大型土壤动物卷甲虫及其排泄物-三种不同质量的粪便对凋落物分解的影响。在本研究中,选择针叶林马尾松、阔叶林栓皮栎和豆科植物刺槐的凋落物作为材料喂养卷甲虫,并分别收集相应的粪便。其中,卷甲虫食用马尾松后的排泄物为低质量粪便,而食用刺槐后的粪便为高质量粪便。实验选取栓皮栎和马尾松两种凋落物为分解材料,分别与其原生土混合培养六个月,期间用五种不同处理(马尾松粪便、栓皮栎粪便、刺槐粪便、卷甲虫以及双蒸水对照)进行增施处理。以此为基础,通过野外控制实验探究针叶林和阔叶林凋落物分解过程中土壤动物和土壤微生物对不同浓度钠元素的响应。在本研究中,选取5 mm和0.2 mm孔径的凋落物袋将微型土壤动物、土壤微生物与大中型土壤动物分离,分别研究它们对钠元素的响应以及钠施加下对凋落物分解的影响。以紫金山中两种优势林型针叶林和阔叶林作为实验样地,每月分别用三种不同浓度的钠盐(0.005%,0.05%and 0.5%质量的NaCl水溶液)以及双蒸水(对照)喷施针叶林和阔叶林中的凋落物袋,共喷施八个月。最后,在室内展开模拟实验探究中国亚热带森林凋落物分解过程中土壤动物和土壤微生物交互作用对大气无机氮沉降的响应。将阔叶林栓皮栎和针叶林马尾松的凋落物分别与其原生土混合培养六个月,培养期间分别进行添加卷甲虫、添加硝酸铵、同时添加卷甲虫和硝酸铵以及加双蒸水对照四种处理。在上述三个实验的培养期间,跟踪测定凋落物的失重速率、土壤微生物量、土壤pH以及相关分解酶的活性等。主要研究结果如下:(1)土壤动物对凋落物分解有显著的间接作用,在针叶林中卷甲虫食用刺槐后的粪便显著加快了马尾松凋落物的分解,在阔叶林中作用不显著。三种类型的粪便处理对土壤微生物的作用非常显著:与空白对照相比,两种林型中大部分土壤微生物的生物量、微生物胞外酶活性均显著增加。刺槐粪便处理显著促进了分解速率与酚氧化酶、过氧化物酶之间的关系。本研究结果表明高质量的粪便可调节木质素、酚类等难分解物质的分解,在大型土壤动物数量较多的生态系统中,这一调节作用可能对凋落物的分解有重大意义。此外,大型土壤动物等足目对凋落物分解的间接作用(粪便)取决于等足类所食用的凋落叶质量和所分解的凋落物类型。本研究结果也进一步揭示了等足目土壤动物的重要作用:通过代谢高质量凋落物为粪便来促进低营养的难降解凋落物的分解。(2)三种浓度的钠盐添加处理均促进了针叶林和阔叶林凋落物的分解,说明钠元素限制存在于中国东部亚热带森林生态系统中。钠添加显著增加了土壤动物对凋落物的贡献率,却降低了土壤微生物的贡献率:高浓度的钠盐抑制了土壤微生物的活性。高浓度钠盐对微生物的抑制作用表现在显著减弱了凋落物分解速率和与碳、氮、磷相关的土壤酶活性之间的关系。但低浓度的钠盐增加了针叶林土壤微生物活性。本研究结果表明钠浓度对亚热带森林凋落物的分解有着直接的影响,无论钠限制还是钠饱和都会增加陆地生态系统的碳的储存。(3)无机氮沉降显著促进了阔叶林凋落物的分解,卷甲虫的取食作用加快了凋落物的分解,但降低了土壤微生物量和土壤酶活性。氮沉降减弱了卷甲虫对阔叶林凋落物分解的贡献,与单一卷甲虫处理,凋落物分解速率下降了 8.64%。此外,氮沉降抑制了与木质素、酚类等难分解物质相关的土壤微生物酶的活性。本研究结果说明无机氮沉降能够通过干扰土壤动物与微生物间的取食关系来抑制凋落物的分解过程。根据本研究结果,长期的氮沉降对森林凋落物分解系统的抑制效应可能导致土壤碳库的积累,从而改变生态系统碳流动、营养循环及腐殖质形成之间的平衡,进而对森林生态系统造成多重影响。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S714

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