冻融作用下北方森林土壤碳动态的微生物调控机制
文献类型：学位论文
| 作者 | 杨艳 |
| 答辩日期 | 2023-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 方华军 |
| 关键词 | 冻融循环 土壤碳排放 土壤有机质组分 微生物群落组成 北方森林 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 生态学 |
| 英文摘要 | 冻融循环（Freeze-thaw cycles，FTCs）是广泛分布于高纬度或高海拔陆地生态系统中的一种重要自然现象，直接或间接影响土壤碳过程与碳平衡。冻融作用破坏土壤团聚体稳定性，增加有效态养分的释放，刺激土壤微生物的活性，增加土壤碳排放与养分淋失风险。寒温带针叶林位于欧亚大陆北方针叶林和泛北极冻土分布区的南缘，是气候变暖响应的敏感区和先兆区。气候变暖显著改变北方森林土壤的冻融格局，包括冻结时间变短，冻结强度增加，冻融循环的频率加大。冻融交替变化如何影响寒温带针叶林土壤碳转化和排放过程，潜在的机制是什么？冻融作用下底物有效性变化与微生物群落动态之间存在何种耦联关系？上述科学问题亟需解答。由于环境条件苛刻和分析技术的限制，过去相关研究只零星地涉及冻融作用对土壤理化属性、微生物数量、温室气体排放等影响，研究不够系统和深入，不同生态系统类型间研究结果差异较大，有关冻融作用下北方森林土壤有机质积累与转变的生物学驱动机制尚不清楚。本研究以大兴安岭寒温带针叶林为研究对象，依托兴安落叶松纬度分布样带，研究了北方森林土壤碳排放的空间格局及其微生物驱动机制；通过构建室内冻融循环模拟实验，结合热裂解-气相色谱/质谱（Py-GC/MS）、13C-固态交叉极化魔角自旋核磁共振技术（13C-CP/MAS-NMR）和16S rRNA/ITS 高通量测序技术，探讨冻融作用下北方森林土壤DOM 组分的变化及其与微生物群落的关联，模拟研究冻融循环对SOM 各组分（POM、MAOM）的潜在影响和微生物的驱动作用，精细解析了冻融交替对北方森林土壤碳排放的影响机理。主要结论如下：（1）沿着北方森林纬度梯度，针叶林和灌丛土壤基础呼吸、微生物群落和土壤理化属性均表现出显著的空间异质性，不受纬度和土层的影响。有机层土壤基础呼吸速率显著高于矿质层（0.82 vs. 0.31 CO2-C kg-1 soil-1 h-1）。多模型平均和偏回归分析结果表明，SOM 化学结构对森林表层土壤基础呼吸的调控作用最强（贡献率为23.0%），其次是土壤C/N（贡献率为17%）。然而，只有C/N 比是矿质层土壤基础呼吸最重要的预测因子。无论是有机层还是矿质层土壤，共营养型细菌对土壤基础呼吸的影响显著高于寡养型细菌。土壤理化属性（pH、机械组成）通过调节土壤微生物群落组成，特别是细菌群落结构，间接影响土壤基础呼吸。灌丛有机层土壤中，土壤质地和含水量是土壤基础呼吸的最优调控因子。（2）FTCs 处理显著提高了土壤DOC 和NH4+-N 含量。就化学组成而言，FTCs 显著降低了DOM 中芳香类化合物的相对丰度，但增加了多糖和脂肪酸甲酯的相对丰度。木质素源芳香族化合物的降解加快，微生物源化合物发生积累。此外，细菌群落对FTCs 的响应比真菌群落更敏感。FTCs 处理后细菌群落网络发生了显著变化，表现为连接增加，平均路径长度缩短，优势门的模块性和相对丰度降低，α 多样性降低。其中，平均路径长度表示两个节点之间的最短距离。平均路径长度越短，说明网络中所有节点距离越近，网络越复杂。相反，FTCs 只增加了土壤真菌群落的平均路径长度。较高的连通性表明FTCs 增强了微生物群落与DOM 化学成分之间的相互作用。FTCs 导致了细菌关键类群的转变，由存在于特定的DOM 分子中转变为竞争共同的底物。总体而言，FTCs 倾向于激活DOM 并提高其有效性，能够促进DOM 的周转，提高土壤C 的稳定性。（3）FTCs 不改变SOM 的化学组成，但显著改变了POM 和MAOM 组分的化学结构，其中POM 组分中多环芳烃类倾向于转变为简单芳香类化合物。MAOM 组分在不同土层对FTCs 的响应差异明显。FTCs 处理后，森林表层土壤POM 组分中的微生物源化合物，以及表层MAOM 组分中的植物源化合物显著升高，而表层MAOM 组分中微生物源化合物显著降低。与真菌群落相比， FTCs处理下土壤细菌与POM、MOAM 分子结构共现了更多的模块集群。优势细菌属Acidobacteriota、Gemmatimonadota、Planctomycetota 以及Bacteroidota 与POM组分的微生物源类化合物呈显著正相关，暗示着该类细菌类群对POM 组分中微生物源化合物的偏好和分解利用。（4）FTCs 显著抑制北方森林土壤的基础呼吸碳排放，其中深层土壤CO2 累积排放量随FTCs 频率的增加抑制作用增强。FTCs 处理后，优势真菌属均无显著变化，而优势细菌属Acidobacteriota、Bacteroidota、Planctomycetota、Bacilli 以及Gemmatimonadota 的相对丰度显著降低。土壤细菌群落组成受POM 组分（如烷烃、烯烃和脂肪酸）影响。FTCs 处理下，土壤CO2 排放受POM 化学结构和细菌群落组成共同调控，细菌群落组成对土壤CO2 排放的影响高度依赖于POM的化学结构，其中表层土壤Alphaproteobacteria 与脂肪酸类、CO2 排放速率显著正相关，而在深层土壤中Alphaproteobacteria、Bacteroidia、Gemmatimonadetes 以及Planctomycetes 均与烷烃、烯烃以及CO2 排放速率呈显著的正相关关系。综上所述，本研究明确了兴安落叶松林和灌丛土壤碳排放的空间（自然温度梯度带）分异规律，阐明了导致上述分异的生物与非生物驱动因子，探讨了冻融作用引发北方森林土壤SOM 组成（DOM、POM、MAOM）变化的微生物学机制，为冻融作用下土壤CO2 排放提供了机理性解释。研究结果为阐明冻融加剧情景下北方森林土壤SOM 动态的化学复杂性提供了新认识，也为土壤-生物系统碳过程模型的改进提供了重要参数支撑。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 152 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/199830]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 杨艳. 冻融作用下北方森林土壤碳动态的微生物调控机制[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2023. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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