造林对土壤有机碳的影响及其微生物驱动机制
文献类型：学位论文
| 作者 | 郑扬 |
| 答辩日期 | 2024-06 |
| 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 | 王训明 |
| 关键词 | 造林 化学计量 微生物群落组成 微生物残体 有机碳稳定性 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 植被恢复，例如人工造林等活动，被普遍认为是遏制干旱半干旱地区生态系统退化的有效策略。造林改变地表植被和土壤环境，土壤中的微生物通过调整其群落结构和潜在功能适应基质条件的变化，进而影响有机碳的形成、转化和稳定机制。目前对于造林引起的微生物群落动态及其与碳积累之间关系的研究仍相对薄弱，造林如何改变土壤微生物对碳循环过程的影响的总体模式仍存在不确定性。因此，本研究采用文献调研和野外调查相结合的研究方法，深入分析不同气候条件、造林背景和造林年限对土壤有机碳和微生物特性影响的一般规律。在此基础上，结合对干旱造林地区三种不同土地利用类型（农田、灌木林和林地）的野外调查和样品采集，评估造林引起的细菌和真菌的群落组成、生活史策略和功能群、微生物代谢活性、微生物残体碳变化特征及其驱动因素和土壤有机碳稳定性变化及其矿物保护机制。本研究旨在分析土壤有机碳积累和稳定性随土地利用类型转变的变化，并从微生物特性、矿物结合和土壤碳相互作用的角度揭示这些变化的内在机制。主要研究结论如下： （1）造林影响土壤微生物和土壤有机碳积累的一般规律.全球尺度上，造林使土壤微生物生物量、碳水解酶活性以及微生物呼吸作用分别增加了90%、78%和32%，土壤微生物代谢熵降低了38%，但对碳氧化酶活性没有显著影响。造林后土壤有机碳含量增加了77%，土壤有机碳的变化与造林前的土壤有机碳含量、造林年限以及造林地的干旱指数相关。造林地土壤有机碳的增加量随造林年限的增加而增加，随造林前土壤有机碳含量和造林地干旱程度的增加而下降。土壤有机碳的变化受到微生物胞内代谢熵和胞外碳降解酶活性共同影响。此外，林龄主要通过改变微生物胞内途径影响土壤有机碳含量。造林显著改变了土壤微生物群落结构，使土壤真菌：细菌比率增加了18%，并大幅度改变了真菌和细菌的群落结构，变化幅度分别为294%和202%。与真菌相比，造林引起的细菌群落结构变化与土壤有机碳的变化更相关。 （2）土壤细菌和真菌群落结构和功能特征.本研究以干旱地区不同土地利用类型（农田、灌木林和林地）土壤为研究对象，解析了表层土壤中细菌和真菌的结构和功能差异。研究表明，土壤细菌和真菌群落组成对造林的响应存在差异。与毗邻农田相比，林地土壤中细菌多样性增加，而真菌的多样性下降。与农田相比，造林地（灌木林和林地）土壤中富营养型细菌（变形菌门和拟杆菌门）减少，寡营养型细菌（酸杆菌门和放线菌门）增加。土壤中真菌子囊菌门（富营养型）和担子菌门（寡营养型）相对丰度分别在林地和灌木林地中最高，但造林没有改变土壤真菌营养模式。细菌代谢功能在灌木林和林地中显著高于农田；灌木林和林地的腐生真菌相对丰度下降，而林地的外生菌根真菌相对丰度显著增加。细菌和真菌群落结构和功能的变化表明，细菌和真菌均可能在干旱地区造林活动中对养分循环过程起重要的调节作用。 （3）土壤酶化学计量和微生物代谢的养分限制.造林使土壤碳氮比、微生物可利用碳氮比和氮磷比增加，导致土壤碳、氮和磷非等距变化。微生物对可利用碳磷比的变化表现出弹性稳态。造林地土壤微生物养分限制从磷限制向氮和磷共限制转移。微生物为维持其内部化学计量稳态，一方面，增加氮水解酶活性，另一方面使细菌生活史策略从r策略（富营养型）向K策略（寡营养型）转变，潜在增加保障微生物快速生长所需资源。与以往仅强调造林增加土壤磷限制不同，研究结果表明，造林在磷限制基础上增加了氮限制。此外，土壤中的碳氧化酶活性下降和土壤中腐生真菌相对丰度正相关，导致碳氧化酶与碳水解酶比例下降。 （4）土壤有机碳稳定性及其调控机制.微生物残体碳含量及其对土壤有机碳的贡献在干旱地区不同土地利用类型间无显著差异。此外，样点数据显示造林没有增加土壤有机碳含量，但增加了颗粒有机碳含量，降低了矿物结合有机碳含量。土壤矿物结合有机碳含量的下降与土壤中碳氧化酶与碳水解酶活性比例的下降密切相关。微生物对碳降解酶的调节不利于植物残体与矿物结合形成矿物结合有机碳，进而影响土壤有机碳的稳定性。土壤中可交换钙离子浓度的降低同样减少了微生物或植物残体与矿物的结合，同样影响土壤中有机碳的稳定性。这些研究结果提供了造林影响碳循环途径的新见解，从而提高了对全球气候变化下土壤有机碳库对造林响应的认识。 综上所述，通过对全球尺度和区域尺度土壤微生物特性及其对有机碳积累的贡献以及土壤有机碳稳定性的环境因子调控机制的研究，揭示了造林活动对土壤微生物群落结构、功能和代谢活性的影响，以及这些影响塑造土壤碳循环和稳定性的模式。研究结果为更深入地理解造林对土壤碳库响应的机制提供了新的见解，为未来的土地管理和生态修复提供了重要的理论指导。 |
| 学科主题 | 自然地理学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 165 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/209326]  |
| 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 | 郑扬. 造林对土壤有机碳的影响及其微生物驱动机制[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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