干湿交替和外加氮源对土壤碳氮转化及微生物多样性的影响

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气候变化背景下的干旱频发和极端降雨事件使土壤频繁经历干湿交替过程,进而影响生态系统的碳氮循环过程,加之干湿交替对土壤碳氮循环过程的影响机理尚不明晰。本文以黄淮海平原潮土区的砂壤土和黏壤土为研究对象,通过室内试验研究了干湿交替(干湿频率:0、2、6和12次)和外加氮源(土壤中添加纯氮累计量分别为0、110和220 mg-N·100g-1·干土)对土壤碳氮变化和微生物多样性的影响,为维持土壤碳氮平衡和优化水肥管理措施提供理论依据和数据支撑。主要研究结果如下:(1)干湿交替和外加氮源显著增加了土壤CO2和N2O释放速率,两种土壤的CO2和N2O的释放速率对干湿交替的响应模式相一致。干旱期越长,外加N源对土壤CO2释放速率的激发效应越强;干旱期越短,外加N源对土壤N2O释放速率的激发效应越强。(2)干湿交替和外加氮能够显著提高土壤有机碳的矿化速率,砂壤土的碳矿化速率对干湿交替的响应更为强烈。复水恒湿阶段,土壤的DOC和TOC含量在3个氮浓度水平下呈现N0?N1?N2的趋势,表明外加氮源对有机碳的矿化存在长期的促进作用;干湿交替对土壤碳矿化的“后续”效应存在,但是逐渐减弱。(3)干湿交替条件下,外加氮显著提高了砂壤土和黏壤土无机氮(NO3-和NH4+)的含量,累积净矿化氮量逐渐增大,随施氮量的增加而增加;砂壤土的氮矿化对干湿交替和外加氮响应的更为强烈。复水恒湿阶段,各处理的全氮含量和NO3--N含量都有所减少,砂壤土各处理的全氮含量减少幅度大于黏壤土。相关分析,砂壤土和黏壤土的CO2释放速率均与N2O释放速率、NH4+-N含量呈极显著正相关关系。砂壤土和黏壤土的N2O释放速率都与NH4+-N、NO3-N含量呈显著正相关关系。(4)干湿交替和外加氮显著提高了土壤脲酶、蔗糖酶和纤维素酶活性。恒湿处理过氧化氢酶整体呈现下降的趋势;干湿频率越高和外加氮浓度越大,其过氧化氢酶活性越高。干湿交替处理土壤的磷酸酶活性整体呈现缓慢上升的趋势,其活性随施氮量的增加而增加。在试验的复水恒湿阶段,各处理脲酶、蔗糖酶、纤维素酶和过氧化氢酶活性均呈降低趋势。相关分析,脲酶与CO2释放速率、NH4+-N、DOC和NO3--N含量显著正相关,而与N2O释放速率极显著正相关;纤维素酶和蔗糖酶都与CO2释放速率、DOC含量呈显著相关。(5)干湿交替和外加氮源可以提高土壤微生物的香农指数和丰度指数;砂壤土和黏壤土恒湿处理的均匀度指数最大。恒湿和干湿交替处理间的微生物群落结构差异明显。砂壤土,干湿频率越高的处理微生物功能多样性与DOC、可利用磷(AP)、全氮(TN)含量的相关性越明显,干湿频率越低的处理微生物功能多样性与NO3--N、土壤含水量(SMC)、NH4+-N含量的相关性越明显;黏壤土干湿频率越高的处理微生物功能多样性与NO3--N、DOC和AP含量的相关性越明显,而干湿频率越低的处理微生物功能多样性与SMC、NH4+-N和TN含量的相关性越明显。复水恒湿阶段,2循环与AP相关性明显,而6循环、12循环和AP、TN的相关性减弱,高频率处理的微生物功能多样性与TN相关性随外加氮源的消耗而减弱。
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