中亚热带森林土壤动物对凋落物分解和土壤有机碳的影响

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在当前大气中CO2等温室气体浓度持续升高的背景下,作为陆地生态系统中最大的碳库,森林土壤对气候变化的响应及其固碳潜力已成为当今生态学的热点问题之一。有关凋落物输入对土壤有机碳库影响的研究已有较多报道,同时有关森林土壤动物影响土壤有机碳周转方面的作用受到越来越多的重视。但对土壤动物在凋落物碳向土壤转移和凋落物分解产物腐殖化过程中的作用了解较少。本论文采用“网袋法”排除土壤动物结合凋落物输入管理等研究手段在中亚热带典型森林中进行了野外微宇宙试验,研究了土壤动物对凋落物分解和土壤有机碳变异的影响。主要研究结果如下:  (1)冗余分析显示,土壤总有机碳、全氮、pH等因子与蜱螨、弹尾目、膜翅目等土壤动物优势类群多度之间表现出明显的相关关系:另一方面,线性回归显示,这些土壤动物类群的生境偏好性对土壤有机碳、全氮、pH等因子具有显著的依赖性。(2)整体上,在凋落物分解初期和中期,排除土壤动物均导致C、Ca、Mg元素浓度,C/P比显著增加,导致C、N、Ca、Mg释放率显著降低。在分解中期,排除土壤动物导致分解产物总物质量及其C、N、P、K、Ca、Mg元素浓度和绝对含量均显著减少。分解初期,排除土壤动物显著提高了栲树叶凋落物中N、Ca的浓度,对杉木叶凋落物中这两种元素浓度的影响不明显,引起栲树叶凋落物Ca释放率的减幅大于杉木叶凋落物。分解中期,排除土壤动物引起两种叶凋落物N浓度的变化方向相反,栲树叶凋落物N浓度上升,杉木叶凋落物N浓度降低;引起栲树叶凋落物Ca释放率的减幅小于杉木叶凋落物,引起栲树叶凋落物Ca浓度的增幅小于杉木叶凋落物;引起栲树叶分解产物重量显著减少1.36 g,明显大于杉木叶分解产物的减少量(0.42 g)。在绝对变化量上,排除土壤动物导致栲树叶分解产物各养分元素含量的减少量明显大于杉木叶分解产物。但是在相对变化量上,排除土壤动物处理引起栲树叶分解产物C、N、P、Mg元素含量的减幅小于杉木叶分解产物。回归分析显示,分解产物表现出对半分解凋落物显著的依赖关系,随着半分解凋落物重量、养分浓度及含量的降低,对应地,分解产物数量以及相应养分浓度和含量大多呈现出非线性的增加。(3)试验初期,添加凋落物或未排除土壤动物的土壤中热水浸提有机碳含量、蔗糖酶活性均高于各自的对照组土壤,土壤铵态氮的含量显著低于各自的对照组土壤,而土壤脲酶的活性在这两个因素的影响下均表现出与铵态氮相反的变化趋势。添加凋落物且不排除土壤动物的情况下,热水浸提有机碳的含量和脲酶活性将比单独的凋落物添加处理或者不排除土壤动物的条件下都要高。土壤热水浸提有机碳含量最大值,硝态氮、铵态氮含量最小值均出现在添加凋落物且不排除土壤动物的土壤中;蔗糖酶活性最小值,硝态氮、铵态氮含量最大值均出现在无凋落物且排除土壤动物的土壤中。(4)在试验458天、805天,排除土壤动物导致TOC含量依次减少5.4%、12.9%(P<0.001),MBC含量依次减少34.2%(P<0.05)、35.1%(P<0.001)。试验805天排除土壤动物导致林下植被细根生物量减少63%(P=0.000)。两个试验时间上,在增强型回归树模型对TOC、MBC变异的解释量中,除了区组因素以外,排除土壤动物处理(网袋孔径)的相对贡献在各因素中是最大的,其在TOC、MBC的回归树模型解释量中的相对贡献在两个试验时间上分别是J.4%、26.61%和8.85%、12.44%。两个试验时间上,Pielou均匀度指数所表征的土壤动物多样性对TOC、易氧化有机碳(ROC)变异的相对贡献大于其它多样性指数。两个试验时间上,Pielou均匀度指数、Shannon多样性指数、总多度对MBC变异量的影响均比较明显。两个试验时间上,线虫和线蚓是对TOC变异量贡献较大的两个土壤动物类群。试验458天,线虫、线蚓是对MBC和ROC变异量贡献最大的两个类群;试验805天,线虫、蜱螨是对MBC和ROC变异量贡献最大的土壤动物类群;林下植被细根对TOC、MBC、DOC、ROC变异量的相对贡献均明显,对TOC、MBC的影响要大于土壤动物变量。  研究表明:在中亚热带典型森林中,凋落物残体数量及其养分状态直接决定了分解产物的数量及养分特征。土壤动物促进凋落物分解并加速凋落物分解产物的形成以及养分积累,并在分解初期促进凋落物碳向矿质土壤转移,同时其作用受到凋落物质量的制约。凋落物分解初期,凋落物、土壤动物协同影响土壤碳氮过程,对土壤有机碳的影响可能进一步引起土壤无机氮及脲酶活性的变化,导致有机碳分解和无机氮之间可能存在负反馈机制。关于土壤动物对土壤有机碳的影响,土壤线虫、蜱螨等类群以及Pielou均匀度指数和Shannon指数所表征的土壤动物多样性的作用应当受到重视,相比之下,林下植被细根的作用不容忽视。土壤动物在影响凋落物分解和土壤有机碳的同时,其群落组成以及主要类群的生境偏好性受到土壤有机碳、全氮、pH等土壤化学因子的影响。应用“网袋法”研究植物细根或者土壤动物生态功能的试验中,应当考虑到小孔径网袋对另一个因素的干扰以及该因素的重要性。此外,本论文对土壤生态学相关研究进行了回顾,并对研究手段以及需要加强研究的领域提出了展望。
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