黄土丘陵区植被演替中的根际碳素过程及微生物功能解析

Carbon cycling in vegetation succession and its microbial function are hot points of restoration ecology. It can also be the basis for revealing the mechanism of vegetation succession and biogeochemical cycle. However, due to the study restrictions in theory and deficient research methods, the function relationships and the coordination mechanism of microbial groups with rhizosphere carbon cycle during vegetation succession lack of systematic research. Here, rhizosphere systems of a typical herbs succession in the hilly-gully region of Loess Plateau is selected, field experiments in situ, pot experiments and stable isotope probing are employed in the study to discuss the following questions: ⑴ the rule of carbon assimilation, allocation and turnover in root-soil-microbe system; ⑵ the key microbial functional group and its function in rhizosphere carbon cycle; ⑶ the collaboration mechanism and ecological relationships among carbon cycle, key microbial functional group and vegetation succession in the rhizosphere. This study will be helpful for revealing the relations between the rhizosphere carbon cycle and microbial groups, promote the understanding of the mechanism of biogeochemical cycle and carbon sequestration in vegetation succession, and provide a reference for the further study in the mechanism of vegetation recovery in the Loess Plateau.

植被演替中的碳素循环过程与微生物功能作用是目前恢复生态学研究的热点之一，也是揭示植被演替和地球生物化学循环机理的基础。然而受实验手段的制约，目前关于植被演替过程中的根际碳素过程与微生物类群的功能关系，及二者与植被演替的协同变化机理缺乏系统研究。对此，本研究以黄土丘陵区演替中后期典型草本群落优势种和伴生种的根际系统为研究对象，采用野外原位实验与室内盆栽模拟相结合的方法，借助于稳定性同位素探测技术等分析手段，重点研究：⑴ 碳素在根系-土壤-微生物系统的固定、分配与周转规律；⑵ 根际碳素过程中微生物的功能作用及关键功能类群解析；⑶ 根际碳素过程、微生物功能群与植被演替的协同机理与生态学解释。本研究期望从理论上揭示植被演替中的根际碳素过程和微生物类群之间的功能关系，促进对地表生物地球化学循环过程和植被演替碳汇机理的认识，为研究生态脆弱区植被恢复机理提供理论依据。

针对植被演替过程中的根际碳素过程与微生物类群的功能关系，及二者与植被演替的协同变化机理缺乏系统研究这一问题。研究以黄土丘陵区演替的根际系统为研究对象，采用野外实验与室内盆栽相结合的方法，分析了演替中碳素在植物、土壤和微生物中的固定和分配规律，阐明了物种竞争对碳素周转的影响，明确了不同生态位植物主要根际微生物类群。表明：①撂荒演替过程物种多样性呈低-高-低的趋势，土壤养分和化学计量学特征是影响前期植被构成的主要因子。微生物多样性演替较植物多样性演变滞后，影响演替前期根际微生物结构功能的主要因素为植物本身，而在演替后期则为土壤的碳氮供给能力。②演替过程中不同生态位植物在碳素固定分配中的作用不同，相同物种在不同阶段的作用也不同。相同生态位植物根际土壤微生物多样性呈现相似性。③坡向、土壤养分是影响碳素在系统分配、固定和周转的重要因素，其综合效应是微生物功能类群变化的驱动力。④相同土壤条件下，演替各阶段物种固碳总体表现为中期物种高于前期和后期物种，在周转方面中期物种δ13C周转速率显著高于初期和后期。物种竞争会导致植物碳素固定分配发生改变，对周转的影响则受演替阶段和物种类型制约。⑤演替各阶段物种对土壤碳素影响不明显；而物种竞争显著影响土壤碳素过程，但不同指标规律不同。⑥土壤碳素周转活性整体随演替阶段表现为“高-低-高”的趋势；物种竞争对相关酶活性影响显著，但随酶种类呈现不同的变化规律。植物竞争对植物、土壤和酶活性化学计量均产生显著影响，但对植物和酶活性化学计量的影响高于土壤的影响。⑦植被竞争影响了土壤微生物群落构成与代谢功能，其中主要影响细菌的结构构成，对多样性影响不明显，而对真菌的影响表现为结构构成和多样性同时影响。土壤条件是导致微生物群落构成变化的重要因子，而不是植物物种本身。我们的研究初步提出了相同生态位的植物物种对微生物类群作用相似，该结论可以为区域植被恢复的物种选择提供理论依据。