本文關(guān)鍵詞：千島湖片段化生境中凋落物降解的差異及其對大氣氮沉降的響應　出處：《南京大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：近年來,隨著人類活動的頻繁干擾,驅(qū)使自然生境的土地面積減小,生境片段化加劇,進而對森林生態(tài)系統(tǒng)造成巨大的影響。由于生物地理學差異和干擾程度不同,片段化生境中植物,動物和土壤微生物等系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和多樣性均受到不同程度的限制,導致生態(tài)系統(tǒng)功能脆弱及系統(tǒng)的穩(wěn)定性減弱,對環(huán)境條件的應答和響應敏感。島嶼作為典型的彼此獨立的片段化生境,是學者們對這些問題研究的“理想模型”。諸多學者通過島嶼片段化對植物群落的組成,生物多樣性等影響方面的研究取得了許多可喜的成果。然而島嶼生境中土壤系統(tǒng)的分解功能差異及其對環(huán)境的響應研究很少。因此,從微觀尺度研究片段化島嶼生態(tài)系統(tǒng)中分解系統(tǒng)微生物功能群的代謝差異和其對氣候變化的響應機制對揭示生態(tài)系統(tǒng)片段化及其對全球變化的響應具有重要的理論和實踐指導意義。實驗選擇中國東部浙江省淳安縣千島湖庫區(qū)29個島嶼作為研究樣地。凋落物分解是在自然環(huán)境的影響下由凋落物質(zhì)量和分解者系統(tǒng)共同決定的,而島嶼系統(tǒng)環(huán)境因子復雜且不穩(wěn)定。因此,我們首先對實驗樣地穩(wěn)定的島嶼屬性,土壤環(huán)境及土壤中小型無脊椎動物區(qū)系進行調(diào)查分析,土壤節(jié)肢動物的通過食碎屑和代謝活動最終達到改良土壤分解環(huán)境養(yǎng)分狀況。而土壤微生物是分解過程最主要的直接參與者,為了保證分解差異均由土壤微生物分解者調(diào)控而避免其他環(huán)境的干擾,我們采取室內(nèi)控制實驗。實驗材料分別選擇兩種不同質(zhì)量的優(yōu)勢樹種(苦櫧Castanopsis sclerophylla及馬尾松Pinus massoniana)的凋落物作為實驗材料,相對應的29個島嶼的森林土壤作為分解基質(zhì),通過模擬N沉降施加無機氮的法進行室內(nèi)共培養(yǎng)實驗,共培養(yǎng)六個月,樣品每月回收一次,定期噴施雙蒸水和和無機氮溶液。在上述實驗的培養(yǎng)期間,跟蹤測量凋落物的失重速率、土壤微生物量、土壤pH,相關(guān)分解酶的活性以及土壤動物類群等。主要研究結(jié)果如下：(1)調(diào)查島嶼森林中參與凋落物分解的土壤中小型無脊椎動物群落主要分布在凋落物層,腐殖層和土壤表層。中小型動物類群隸屬5門14綱33目；分別為：節(jié)肢動物門,軟體動物門,環(huán)節(jié)動物門,線蟲動物門,輪形動物門。其中優(yōu)勢類群為彈尾目和螨目,在每個分解層都有分布。膜翅目,蜘蛛目,等翅目,鞘翅目,等足目等為常見類群。端足目,寡足綱,蛭綱,真螨目,蝎目,倍足綱,裂盾目等是稀有類群。垂直水平上,凋落層大型土壤動物常見類群有膜翅目(螞蟻),鱗翅目(蛾類,蝶類),鞘翅目(瓢蟲,屎殼郎),蜘蛛目等；中小型土壤動物常見類群有彈尾目,蜱螨目和寄螨目。其中,鞘翅目雜食性和捕食性動物有明顯的表聚現(xiàn)象(如蜘蛛,甲蟲,螞蟻等)。腐殖層以主要以虱目,等足目(鼠婦,卷甲蟲)等腐食型動物占優(yōu)勢。土壤層最常見類群為寡毛剛,唇足綱,線蟲等。動物類群多樣性和豐富度在垂直水平分布不均勻,與島嶼面積的相關(guān)性不顯著,與島嶼隔離度和干擾程度顯著負相關(guān),與土壤pH和C/N顯著正相關(guān)。土壤動物類群的的結(jié)構(gòu)和組成都顯著低于同緯度的陸地森林生態(tài)系統(tǒng)。腐殖層的無脊椎動物多樣性顯著高于凋落層和土壤層,這是由于腐殖層具有土壤動物久居的最適宜條件。此外,本研究結(jié)果也表明島嶼大小不是影響土壤動物分布的主要因素,島嶼屬性和中小型無脊椎動物活動共同影響土壤養(yǎng)分以及土壤微生物代謝活性。本研究揭示了不同生境土壤表層動物活動,競爭,食性不同,影響森林地表土壤發(fā)生層,進一步影響分解者細菌真菌代謝活性。(2)經(jīng)過6個月,每個島嶼土壤的分解實驗,就凋落物質(zhì)量而言,低質(zhì)量的馬尾松分解率顯著低于高質(zhì)量的苦櫧凋落物分解率。而不同凋落物在不同島嶼土壤環(huán)境分解率有顯著的差異。沿著島嶼大小梯度,氮限制存在于一些大島嶼土壤分解環(huán)境中,馬尾松在小型島嶼的土壤中分解率顯著高于來自大島的土壤環(huán)境,而苦櫧在來自每個島嶼的土壤中分解率差異均不顯著。土壤微生物的生物量在島嶼間各不相同,隨著島嶼面積的增加其生物量在顯著下降。經(jīng)過6個月的分解,兩種凋落物氮含量與島嶼面積顯著負相關(guān),硝酸還原酶和脲酶活性隨著島嶼面積增加顯著上升,酚氧化酶和過氧化物酶活性與馬尾松分解率顯著正相關(guān),說明特定的分解酶主導特殊生境凋落物的分解。這些結(jié)果提示馬尾松表現(xiàn)出顯著的主場效應,而苦櫧分解對環(huán)境養(yǎng)分如N更敏感。土壤氮是調(diào)控微生物活動的主要因素,島嶼系統(tǒng)分解很大程度上取決于土壤養(yǎng)分平衡及凋落物性質(zhì)和壤微生物活動的相互作用。(3)通過6個月分解實驗,適當?shù)臒o機氮添加促進了兩種凋落物分解速率,土壤微生物的生物量增加,尤其苦櫧凋落物在大島土壤中分解對氮的敏感性更高,說明氮添加緩解了土壤養(yǎng)分限制�？鄼胶婉R尾松凋落物分解速率(k值)比對照分別高出20.48%和19.86%。簡單線性模型顯示,隨著島嶼大小梯度增加,氮添加提高了土壤微生物量和大部分和C,P代謝相關(guān)的酶活性,氮添加降低了N代謝相關(guān)的酶活性和土壤pH值。本研究結(jié)果表明氮增施通過影響土壤微生物量,進而改變微生物代謝產(chǎn)生胞外酶的配置從而促進了凋落物的分解。結(jié)果表明長期的大氣氮沉降將影響小島生境凋落物分解率,最終影響片段化森林C循環(huán)。綜上所述,在片段化凋落物分解過程中,島嶼屬性對土壤無脊椎動物及土壤酶活力有一定的影響,其中土壤節(jié)肢動物在分解層的活動和分布通過改變土壤環(huán)境促進凋落物分解,土壤養(yǎng)分尤其氮是影響分解率的重要因素,影響微生物群落對分解的調(diào)控機制。長期的人類活動和氣候變化,森林生境孤立程度,導致凋落層土壤動物群落異質(zhì)性較高；大氣氮沉降引起的生境凋落物分解的增速效應可能會影響森林碳流,養(yǎng)分循環(huán)和腐殖質(zhì)形成。本研究可為今后島嶼森林保護區(qū)的規(guī)劃和建立以及生態(tài)系統(tǒng)的平衡提供參考依據(jù)。
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：Q948

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本文編號：1327643