亚热带森林菌根对植物生长与土壤碳动态的影响

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菌根联合体是陆地生态系统常见的自然现象,大量研究已经证明碳和养分通过菌丝进行交换,但是受研究手段的限制,菌根与植物之间碳-养分的定量研究十分有限,基于原位观测的定量研究更为缺乏。本研究选择位于鼎湖山自然保护区内不同的森林群落(马尾松林、针阔混交林和季风常绿阔叶林)为研究对象,在大量长期定位监测的基础上,通过菌根类型、侵染率、根际土壤磷酸酶活性以及微生物群落结构,并借助微孔筛分割土壤呼吸,间接估算根外菌丝呼吸通量,定量研究根外菌丝呼吸对土壤呼吸的贡献率,评估生态系统水平上菌根对土壤有机碳输入、输出过程的影响,旨在从生态系统尺度探讨菌根资源对植物生物量累积和土壤碳动态的影响。研究取得的主要结果如下:  (1)对不同径级个体侵染率的研究表明,菌根侵染率与径向生长速率相关,植物生长迅速的阶段菌根侵染率更高。中径级(胸径15~30 cm)的马尾松(Pinusmassoniana)和锥(Castanopsis chinensis)的侵染率比小径级(胸径1~15 cm)个体的侵染率高,而大径级个体(胸径30 cm以上)的侵染率略低于中径级个体的侵染率。木荷(Schima superba)则表现出侵染率随胸径增大而增高的趋势。  (2)对群落生物量贡献率越大的树种,其在群落内的侵染率越高。如马尾松在马尾松林和混交林的侵染率分别为77.30%和40.50%,其对马尾松林群落生物量的贡献率达到87.43%,是对混交林生物量贡献率(17.51%)的5倍。混交林和阔叶林的共有优势树种锥的侵染率和生物量贡献率也有存在相同规律。  (3)通过微孔筛法测定的连续数据,发现马尾松林、针阔混交林和季风常绿阔叶林中,菌根真菌根外菌丝呼吸每年消耗的碳为107.06±62.44,175.99±59.02和116.76±66.12g C m-2yr-1,分别相当于地下部分净初级生产力的27.03%,36.81%和20.25%。  (4)土壤有机碳增量受植物和菌根真菌活动共同调控。在马尾松林中,较低的碳输入量决定了其土壤碳增量少;针阔混交林中,尽管地下部分碳输入量丰富,由于微生物活动频繁,导致大量的碳被消耗,转化为土壤有机碳储存起来的碳较少;在季风常绿阔叶林中,地下部分的碳输入量大,仅有少部分通过菌根真菌消耗,使得该群落内转化为土壤有机碳储存起来的碳较多。  (5)通过设置不同孔径的内生长袋填埋实验,去除土壤中植物来源的碳,实验处理一年后,发现内生长袋中土壤有机碳含量降低,表明菌根真菌能够通过促进土壤有机碳分解获得自身生长所需的能量。  (6)优势树种根际土壤磷酸酶活性高于非根际土壤,这种差异在混交林中尤为明显(P<0.05)。土壤磷酸酶活性在土壤有效磷含量低的森林群落高于土壤有效磷含量高的森林群落。季风常绿阔叶林的土壤有效磷含量在三个森林群落中最低(0~10 cm土层:1.95±0.57 mg kg-1;10~20 cm土层:1.05±0.35 mg kg-1),其土壤磷酸酶活性最高(6.66±0.69μmol g-1 h-1)。优势树种菌根侵染率与根际土壤磷酸酶相关性不显著(P=0.5251),叶片磷含量与根际土壤磷酸酶活性呈显著负相关关系(R2=0.5640,P=0.0012),叶片磷含量越低的植物根际土壤磷酸酶活性越高,缺磷可能是诱导磷酸酶产生的驱动力之一。  本研究结果表明,亚热带主要森林类型的菌根真菌以外生菌根真菌和内生菌根真菌为主,系统分配给地下部分净初级生产力中,约28%左右通过根外菌丝呼吸消耗。菌根真菌活动与植物碳输入共同调控土壤有机碳固持,植物来源充足且菌根消耗较少的常绿阔叶林体现出较高的土壤碳吸存能力。菌根真菌与植物共生,还能够促进植物光合产物积累和磷元素的吸收效率。
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