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雅鲁藏布江中游不同恢复阶段风沙化土地植被-土壤碳氮磷生态化学计量及微生物特征
董瑞珍1
作者信息
摘要
沙化土地动态变化的过程中，群落结构和物种组成发生着巨大变化，研究植物与土壤元素生态化学计量学特征对于了解生态系统生物地球化学循环至关重要。探索植物与土壤元素之间的相互关系、反馈机制是高寒脆弱沙地生态系统恢复的核心问题。为此，本研究以不同恢复阶段风沙化土地“植被-土壤-微生物-胞外酶”系统主线，从C、N、P生态化学计量学入手，以土壤微生物群落为核心点，在流域尺度系统研究了雅鲁藏布江中游不同恢复阶段风沙化土地砂生槐灌丛植被-土壤生态化学计量学及其微生物特征，以期为高寒脆弱河谷沙地系统的恢复与管理提供科学依据。本研究采用传统常规分析方法、磷脂脂肪酸分析和高通量测序技术（16S rRNA 基因和 ITS 基因），对流域尺度（雅鲁藏布江中部流域）不同恢复阶段风沙化土地（固定沙地、半固定沙地、流动沙地）砂生槐灌丛群落结构特征、生活型组成、以及植物-土壤系统C、N、P生态化学计量学特征的分布格局、动态平衡关系及其与微生物群落多样性的关系，明确高寒脆弱沙地生态系统砂生槐灌丛C、N、P元素化学计量比动态平衡规律及其微生物调控的机制。得到了如下结果： 1.砂生槐灌丛群落结构相对简单，物种多样性水平低。物种组成以菊科、禾本科和豆科等居多。植物生活型组成以地面芽植物和一年生植物为主。随着灌丛群落恢复，菊科、禾本科、豆科和紫草科植物在群落中的比重逐渐增加，苋科在群落中的比重降低。 2.随着灌丛恢复，植物N、P含量整体上呈现增加趋势，而C含量在不同恢复阶段差异不显著。同时，植物不同组分C、N、P养分差异性导致其C∶N比、C∶P比和N∶P比不同。不同恢复阶段砂生槐灌丛叶片N∶P比＞16且P含量＞1.0mg/g，说明砂生槐种群整体上可能更受P元素的限制。此外，由于砂生槐叶片中P含量较低，所以导致叶片C∶P比和N∶P比均高于冠层下草本植物C∶P比和N∶P比。植被系统中，N∶P比在叶片、冠层下草本以及凋落物的联系最为紧密，这也证明N和P元素对陆地生态系统植被恢复的重要性。 3.土壤和微生物生物量C、N和P含量随灌丛恢复呈递增趋势，而群落结构的差异性导致了土壤和微生物量元素化学计量比的不同。其中，随着灌丛群落恢复，尤其是土壤N∶P比、微生物C∶N比、C∶P比和N∶P比呈现出增加的趋势。而土壤C∶N比随着灌丛恢复表现为降低的趋势。 4.随着灌丛群落恢复，土壤中C、N和P获取酶活性增加。C、N和P获取酶的自然对数的比值范围在1∶1.16∶1.69到1∶0.96∶1.13之间，平均值为1∶1.01∶1.30，偏离了全球平均比值1∶1∶1，表明土壤微生物受N和P的共同限制。随着灌丛恢复，胞外酶N∶P比值减小，矢量角度增加，说明土壤微生物受P的限制逐渐增强。另外，土壤C、N和P获取酶与土壤和微生物生物量C∶N∶P比值之间的密切关系表明，土壤胞外酶化学计量学稳态依赖于微生物资源的有效性。 5.砂生槐灌丛不同恢复阶段，土壤微生物总PLFAs生物量、多样性水平（alpha和beta多样性）存在明显差异，即从流动沙地到固定沙地阶段，微生物alpha多样性显著增加，且不同恢复阶段微生物beta多样性差异显著，说明高寒荒漠脆弱生态系统土壤微生物明显受植被群落结构的影响。同时，细菌PLFAs的相对丰度随灌丛恢复显著降低，特别是革兰氏阴性细菌（ Gram-negative bacteria ）。土壤细菌群落以放线菌门（ Actinobacteriota ）、变形菌门（ Proteobacteria ）和拟杆菌门（ Bacteroidetes ）为主。其中，放线菌门（Actinobacteriota）在是最丰富的菌门，随灌丛恢复显著降低。真菌群落优势菌门子囊菌门（Ascomycota）和担子菌门（Basidiomycota）在不同恢复阶段存在显著差异但变化趋势不一致。 6.不同恢复阶段风沙化土地，砂生槐灌丛植物、土壤、微生物和胞外酶C、N、P化学计量比之间存在着复杂的动态平衡网络，而这种平衡关系，可能受不同水平的基质营养状况驱动。植物-土壤系统C、N、P含量及生态化学计量比与土壤微生物群落组成及多样性相互影响，尤其是胞外酶C∶N比最敏感，对土壤微生物群落影响较大，并且微生物群落在变化的环境（植物群落结构和土壤特性的变化）中通过调整自身的群落结构组成和多样性调控植被-土壤系统C、N、P元素的平衡关系。
关键词
风沙化土地/恢复阶段/砂生槐灌丛/植物-土壤碳氮磷化学计量学/养分限制/微生物群落/雅鲁藏布江中游引用本文复制引用
授予学位
博士学科专业
牧草栽培与育种导师
马玉寿学位年度
2023学位授予单位
青海大学语种
中文中图分类号
S1