【摘要】：土壤微生物作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要分解者,其生存和生長策略、群落結(jié)構(gòu)影響土壤有機質(zhì)的分解以及碳(C)、氮(N)、磷(P)等元素的循環(huán),進而影響生態(tài)系統(tǒng)的功能。與傳統(tǒng)的植物及群落生態(tài)學相比,微生物生態(tài)學研究因微生物個體微小、數(shù)量龐大、群落結(jié)構(gòu)復雜而進展緩慢。為此,國內(nèi)外學者開始嘗試應用宏觀生態(tài)學理論解釋土壤微生物介導的生態(tài)學過程。本文采用野外試驗、室內(nèi)培養(yǎng)和整合分析等方法,測定了養(yǎng)分添加和次生演替過程中土壤微生物的動態(tài)變化,驗證生態(tài)化學計量學理論和演替理論在微生物生態(tài)學中的應用。首先通過中國東北溫帶帽兒山地區(qū)兩種森林(天然闊葉林和紅松[Pinus koraiensis Sieb.et Zucc.]人工林)的養(yǎng)分添加實驗研究了土壤微生物對化學計量不平衡性(即土壤C:N:P和微生物C:N:P之比)的適應機制,探索生態(tài)化學計量學理論在土壤微生物中的應用。之后,采用空間替代時間的方法研究了帽兒山地區(qū)次生演替(農(nóng)田—灌草地—森林)過程中土壤微生物的動態(tài)變化,探索化學計量學理論和演替理論能否解釋土壤微生物的變化趨勢。最后,為了驗證帽兒山地區(qū)的案例研究結(jié)果的普適性,運用整合分析手段分別研究了全球尺度上養(yǎng)分添加和次生演替對土壤微生物的影響。主要結(jié)果如下:氮添加顯著改變了溫帶天然次生林和紅松人工林土壤微生物C:N:P化學計量比,即降低了微生物C:N,但增加了微生物N:P,表明土壤微生物并不是保持嚴格的內(nèi)穩(wěn)態(tài),微生物生物量C:N:P化學計量比會隨土壤養(yǎng)分條件的變化而產(chǎn)生一定的可塑性。N添加抑制了與N獲取相關(guān)的胞外酶活性,卻增加了與C或P獲取相關(guān)的胞外酶活性;P添加抑制了與P獲取相關(guān)的胞外酶活性,卻增加了與C或N獲取相關(guān)的胞外酶活性;這些結(jié)果說明,微生物在受某種元素限制時會增加獲取該元素的胞外酶的合成,支持了資源分配理論,N添加抑制了微生物代謝熵(即微生物呼吸與微生物生物量之比),表明N添加增加了微生物對C的利用效率。通過整合分析全球454個氮添加實驗發(fā)現(xiàn),N添加降低了微生物生物量C:N和真菌細菌比。進一步的基于回歸分析和主成分分析結(jié)果表明,N添加主要是通過增加土壤N可利用性(即通過化學計量學途徑)而不是傳統(tǒng)認為的土壤酸化途徑對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響�？傊�,帽兒山地區(qū)的養(yǎng)分添加實驗和全球整合分析結(jié)果均證實了土壤微生物群落可以通過調(diào)整微生物生物量化學計量比、胞外酶化學計量比、群落組成結(jié)構(gòu)、元素利用效率來適應養(yǎng)分添加誘導的土壤C:N:P化學計量比的變化。帽兒山地區(qū)次生演替過程中土壤微生物的動態(tài)變化研究結(jié)果表明,微生物代謝熵隨著次生演替進程而逐漸增加。微生物代謝熵隨著土壤C:P和N:P的增加而顯著增加,但隨著微生物生物量C:N和C:P的增加而顯著降低。微生物代謝熵和化學計量不平衡性(即土壤C:N:P和微生物C:N:P之比)均存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(P0.05)。這些結(jié)果表明,微生物對土壤C:N:P化學計量特征的適應機制可以預測該次生演替過程中土壤微生物的變化趨勢。為了驗證該結(jié)果的普適性,整合分析了全球85個演替序列的結(jié)果顯示,次生演替過程中土壤微生物的變化遵循宏觀演替理論,即:隨次生演替進程,土壤微生物代謝摘逐漸降低,而土壤微生物熵(即微生物生物量與土壤碳之比)顯著增加;作為r-對策者的細菌群落在演替初期占優(yōu)勢,而作為K-對策者的真菌群落在演替后期占主導。同時還發(fā)現(xiàn),次生演替過程中土壤C:N顯著增加;土壤C:N的快速增加伴隨著微生物代謝熵慢速降低和微生物熵慢速增加,但會導致真菌:細菌的快速增加。這些結(jié)果說明,化學計量學理論對演替理論作了補充,解釋了全球不同次生演替序列之間微生物生長、代謝和群落組成演替動態(tài)的變異性。綜上所述,本文基于野外試驗、室內(nèi)培養(yǎng)、整合分析等方法,通過養(yǎng)分添加和次生演替等兩個案例,探索了生態(tài)化學計量學理論和演替理論在土壤微生物中的應用,推進了土壤微生物生態(tài)學的理論研究,展示了宏觀生態(tài)學傳統(tǒng)理論在研究土壤微生物介導的生態(tài)過程中的應用前景。同時建議,未來研究需重點理解全球變化情景下微生物的群落組成、化學計量、元素利用效率對土壤生態(tài)學過程的影響,深入理解土壤微生物在生態(tài)系統(tǒng)功能和服務中的作用。
【學位授予單位】：東北林業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：S714.3

【參考文獻】

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