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刺槐人工林林木-土壤-微生物互作关系及机制

 
【摘要】:人工林生态系统约占全球森林总面积的7%(Global Forest resources Assessment2015),在陆地生态系统碳汇、多样性保护、气候变化及资源供给中扮演极其重要的角色。在人工林生态系统中,“林木-土壤-微生物”之间的互作机制(Interaction mechanism)是理解人工林植被恢复过程及其机制,评估人工林生态系统稳定性与功能,预测生态系统演变方向的关键,对于生态脆弱区植被恢复与林业可持续经营具有重要的指导意义。本研究以黄土高原南部地区刺槐人工林为研究对象,以揭示“林木-土壤-微生物”相互作机制为目标,在林分因子、林下植被群落、细根养分组成、土壤理化性质和土壤微生物群落的调查分析基础上,分析了刺槐人工林不同发育阶段“植被-土壤-微生物”和“根系-土壤-微生物”系统组分的演变轨迹、互作关系及潜在机制;在分析林冠条件和枯立木数量的基础上,探究了林分健康状态对刺槐人工林“植被-土壤-微生物”和“根系-土壤-微生物”系统组分的影响及潜在机制;在调查分析刺槐纯林和混交林植被、土壤和微生物特征基础上,探究了人工林造林模式对“林木-土壤-微生物”的影响及潜在机制。主要研究结论如下:(1)不同发育阶段刺槐人工林林下植被群落、土壤养分及土壤微生物群落差异显著。林下植被群落在幼龄林阶段呈现随机入侵现象且具有最高的多样性和丰度指数;随着林龄的增加,光照条件、土壤高氮环境和种间竞争共同作用于草本群落,在过熟林中葎草成为林下唯一优势草本。土壤营养物质不断积累,但速效磷和铵态氮含量始终维持在较低水平。土壤细菌组成、多样性及优势菌群差异显著,其菌群变化滞后于植物变化,在刺槐成熟林阶段才逐渐形成新的细菌群落。刺槐人工林的建立迅速改变了土壤真菌群落,且群落结构和组成在发育前期(5和15年)和后期(25和35年)显著不同。冗余分析结果表明,林分物种丰度和土壤磷元素是影响土壤微生物群落结构和组成的关键因素。(2)不同发育阶段刺槐人工林细根和根际土壤养分以及根际土壤微生物群落存在显著差异。细根磷含量和土壤速效磷含量随林龄增加逐渐降低;细根化学计量受根际土壤养分的影响,两者之间存在线性关系。刺槐人工林的发育降低了根际土壤细菌和真菌群落多样性和丰度指数,且对细菌群落的影响大于对真菌群落的影响。根际细菌群落在发育前期以变形菌门(Proteobacteria)和酸杆菌门(Acidobacteria)为优势菌群,在发育后期则以Proteobacteria为优势菌群;不同发育阶段根际土壤细菌菌群的差异主要体现在芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)。细根和土壤养分共同影响刺槐根系土壤微生物群落结构和组成,其中土壤速效磷和细根氮、磷含量是关键环境因子。(3)与健康刺槐人工林相比,不健康林分改变了凋落物输入量、林下微环境、细根养分含量、林地和根际土壤理化性质及微生物群落结构和组成。健康林分林地土壤微生物优势菌群为变形菌门、酸杆菌门和子囊菌门(Ascomycota),而在不健康林地土壤中则以变形菌门、放线菌门(Actinobacteria)、子囊菌门和接合菌门(Zygomycota)为优势类群。不同健康度刺槐根际土壤细菌差异主要体现在芽单胞菌门,真菌群落差异主要体现在未分类类群。刺槐人工林林地和根际土壤养分差异能够部分解释微生物群落的变异,对林地土壤微生物群落变异贡献最大的环境因子是土壤C:N,而对根际土壤微生物群落变异贡献最大的环境因子为土壤硝态氮。(4)人工林林下植被群落、土壤理化性质和土壤微生物群落特征在不同林分类型间差异显著,这种差异主要受树种特性和树种组成的影响。不同造林模式对土壤细菌群落多样性的影响大于对其丰度的影响;改变土壤细菌优势菌群,具体体现在放线菌门、拟杆菌门(Bacteroidetes)和硝化螺旋菌门(Nitrospirae)。土壤真菌群落优势菌群、群落多样性和丰度在不同林分类型间均差异显著。土壤速效磷与氮组分(硝态氮和铵态氮)是影响土壤微生物群落组成的关键环境因子。
【学位授予单位】:西北农林科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:S718.5

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