中国北方半干旱草原土壤微生物对全球变化的响应

摘要

气候变暖、降水格局改变和大气氮沉降驱动的全球变化过程对人类赖以生存的陆地生态系统产生着深远影响。陆地生态系统对全球变化的响应与反馈一直是全球变化生态学研究的核心问题。土壤微生物可以影响碳、氮循环等重要生态系统过程，在陆地生态系统响应全球变化中起着关键作用。然而，土壤微生物对陆地生态系统响应全球变化的调节机制目前还不是非常清楚。
　　本研究通过在中国北方半干旱草原建立昼夜不对称增温、增温增雨和氮添加增雨等三个野外控制实验平台，探索土壤微生物群落结构和呼吸功能对全球变化多种驱动因子的响应规律以及生物因子和非生物因子的调控机制。控制实验位于中国内蒙古自治区多伦县，该地区属于生态系统对全球变化响应敏感区域，有利于观测土壤微生物对全球变化多种驱动因子的响应过程。
　　昼夜不对称增温实验共有4种处理，分别为对照(C)、白天增温(D)、夜间增温(N)和全天增温(W)，每种处理4次重复，共计16个样方。增温增雨实验有对照(C)、增温(W)、增雨(P)和增温增雨(WP)等四种处理，每种处理6次重复，共计24个样方。氮添加增雨实验共有4种处理，分别为对照(C)、氮添加(N)、增雨(P)和氮添加增雨(NP)，每种处理4次重复，共计16个样方。论文检测了上述三个实验中土壤微生物生物量碳氮、磷脂脂肪酸、微生物基础呼吸、土壤有机碳、全氮、铵态氮、硝态氮、pH、含水量、土壤呼吸和植物群落结构等，主要研究结果如下：
　　1.昼夜不对称增温条件下，土壤微生物群落结构对短期和长期增温的响应存在着显著区别。短期(2006和2007年)和长期实验(2011、2013和2015年)条件下微生物群落存在显著差异，长期实验条件下微生物群落香农维纳指数(H′)比短期实验增加0.20，革兰氏阴性菌、细菌多度和革兰氏阴性菌阳性菌比例等分别增加8.95mol％、10.69mol%和0.36，革兰氏阳性菌、真菌、丛枝菌根真菌多度、真菌细菌比例和cy17:0/16:1ω7比例等分别减少6.03mol%、0.96mol%、0.08mol%、0.05和0.06。结果表明长期实验条件下植物群落和土壤水分在调控微生物群落变化上起主导作用，而短期实验条件下土壤水分占主导作用。长期白天增温导致真菌细菌比例下降，可能引起土壤碳库不稳定，对中国北方半干旱草原生态系统碳循环有重要影响。
　　2.增温增雨实验结果表明，土壤可溶性有机碳和水分是调控微生物群落变化的主要因素，增温增雨间不存在交互作用。土壤微生物对增温和增雨的响应方向是相反的。增温显著减少5.4%微生物生物量碳，增雨使微生物生物量碳、氮和基础呼吸分别增加27%、32%和58%。增温显著增加0.51mol%革兰氏阳性菌；增雨减少1.35mol%革兰氏阳性菌，使革兰氏阴性菌和丛枝菌根真菌分别增加1.41mol%和0.45mol%，导致革兰氏阴性菌阳性菌比例增加0.08。
　　增温没有改变土壤碳氮含量，增雨使土壤可溶性有机碳、有机碳、硝态氮和总氮分别增加5.7%、11.8%、32%和9.9%。
　　3.氮添加增雨实验结果表明，植物群落、土壤速效氮和可溶性有机碳是调控微生物群落变化的重要因素。氮添加使微生物生物量碳和基础呼吸分别减少11.9%和14.5%。氮添加改变了土壤微生物群落结构组成，使真菌和丛枝菌根真菌分别减少1.34mol%和1.04mol%，导致真菌细菌比例减少0.02。氮添加使土壤可溶性有机碳显著减少8.8%，使铵态氮和硝态氮分别增加235%和242%，引起土壤pH显著减少0.67，土壤酸化。
　　与氮添加相反，增雨使微生物生物量碳、氮和基础呼吸分别增加80%、148%和68%。增雨显著减少1.47mol%革兰氏阳性菌，使革兰氏阴性菌和丛枝菌根真菌分别增加1.78mol%和0.73mol%，导致革兰氏阴性菌阳性菌比例增加0.09。增雨显著增加17.2%可溶性有机碳，减少47%铵态氮，使得土壤pH增加0.31，缓解了氮添加引起的土壤酸化。氮添加和增雨对微生物基础呼吸、真菌和革兰氏阴性菌多度、微生物群落均匀性、土壤铵态氮等有显著的交互作用。中国北方半干旱草原氮素和水分作为重要的限制因子通过微生物-土壤-植物的相互作用对微生物群落产生影响。
　　控制实验结果阐明了中国北方半干旱草原土壤微生物对全球变化多种驱动因子的响应过程，揭示了植物群落和土壤理化性质在生态过程中对微生物的调控作用，这将为理解土壤碳库对全球变化多种驱动因子的反馈作用提供依据，为全球碳循环模型研究提供数据支持，从而为减缓全球变化对陆地生态系统的负面影响提供策略。

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第一章 前言

1.1 土壤微生物多样性及作用

1.2 土壤微生物对全球变化的响应

1.3 本研究的目的、意义和内容

第二章 材料和方法

2.1研究地区概况

2.2实验设计与研究方法

2.3数据处理和统计方法

第三章 土壤微生物对昼夜不对称增温的响应

3.1 引言

3.2 材料与方法

3.3结果

3.4 讨论

3.5 小结

第四章 土壤微生物对增温和增雨的响应

4.1 引言

4.2 材料与方法

4.4 讨论

4.5 小结

第五章 土壤微生物对氮添加和增雨的响应

5.1引言

5.2材料与方法

5.3 结果

5.4讨论

5.5 小结

第六章 结论与展望

6.2 展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢