黄土丘陵森林恢复区根系与丛枝菌根对土壤团聚体稳定性的调控机制研究

Soil erosion is serious in the Loess Plateau especially in the hilly areas, the stability of soil aggregates is a decisive factor in maintaining and improving soil erosion resistance. The symbiosis of roots and arbuscular mycorrhizal fungi of forest vegetation is the key factor to regulate the stability of soil aggregates, significantly affecting the structure of soil aggregates and producing cementing substances to promote the formation of aggregates. However, little is known about the mechanism of fine roots and arbuscular mycorrhizal fungi regulating the stability of soil aggregates. This project will select Caragana korshinskii Kom and Platycladus orientalis（L.) Franco with different restoration years in the typical hilly areas in the western Loess Plateau, Combine field investigation and laboratory analysis, to investigate the variation characteristics of fine roots functional traits, community structure of arbuscular mycorrhizal fungi, and the arbuscular mycorrhizal fungal traits during vegetation restoration; to quantitatively study the effects of plant fine roots and arbuscular mycorrhizal fungi on the stability of soil aggregates; to explore the mechanism of the effect of them on the stability of soil aggregates; to reveal the potential function of plant roots and arbuscular mycorrhizal fungi in maintaining the stability of ecosystem. The expected research results will provide scientific basis and practical support for forest vegetation restoration and sustainable management in the hilly region of Loess Plateau.

黄土高原丘陵区水土流失严重，土壤团聚体稳定性是维持和提高土壤抗侵蚀能力的决定因素，而森林植被地下根系与丛枝菌根共生体是调控土壤团聚体稳定性的关键，显著影响着土壤团聚体的结构及其胶结物质的形成。但目前关于根系与丛枝菌根调控土壤团聚体稳定性的机制知之甚少。本项目拟以黄土高原西部典型丘陵区不同恢复年限的柠条、侧柏林为研究对象，采用野外调查和室内分析相结合的方法，分析森林植被恢复过程中植物根系功能性状、丛枝菌根真菌群落结构和菌根真菌性状的演变特征，量化植物根系与丛枝菌根真菌对土壤团聚体稳定性的影响，揭示植物根系与丛枝菌根真菌对土壤团聚体稳定性的调控机制，探讨植物根系与丛枝菌根真菌维持生态系统稳定的潜在功能，为黄土高原丘陵区森林植被恢复和可持续经营管理提供科学依据和实践支撑。

植物细根与丛枝菌根真菌（AMF）被认为是影响土壤结构形成与演化的关键生物因素，但它们对土壤结构的单独影响仍未得到充分认识，植物细根与AMF二者之间交互作用的研究更鲜有报道。本研究以黄土高原丘陵地区不同恢复年限的柠条为研究对象，探索植物细根和AMF对土壤结构的影响机制。研究发现土壤结构，包括土壤团聚体特征（土壤团聚体分布、土壤团聚体大小、土壤团聚体稳定性）和土壤孔隙特征（大孔隙度、连通性、分形维数和弯曲度等）都随着植被演替而显著改善。基于传统的细根功能性状分类方法，我们将细根功能性状分为细根密度性状（生物量密度、长度密度、体积密度、表面积密度）、形态性状（细根直径、根组织密度、比根长和比根面积）与化学性状（细根氮含量、细根磷含量、细根碳含量和细根碳氮比）。研究发现，细根密度性状显著增加，而形态性状与化学性状随着恢复时间的增加而降低，基于植物的C-S-R生存策略，我们发现柠条种植以后，林下植物由竞争策略转向较为保守的资源利用策略。此外，植被恢复时间对AMF群落结构具有积极影响，并间接介导细根化学性状。植物细根对土壤大孔隙特性具有直接影响，其中植物细根密度性状对土壤大孔隙特征具有积极影响，而植物细根形态性状和化学性状对土壤大孔隙特征具有负面影响，相较于形态性状与化学性状，植物细根的密度性状对土壤大孔隙特征的影响最大。除此之外，AMF本身对土壤大孔隙特征没有直接影响，但是AMF的群落结构组成而不是生物多样性可以通过介导植物细根的化学性状，从而对土壤大孔隙特征产生负面的间接影响。综上所述，本研究量化了植物细根和AMF如何通过直接和间接机制分别和/或共同影响土壤结构的形成与演变。该研究对立足黄土高原森林植被恢复和区域发展需求，合理配置植被，改善土壤结构，提升土壤质量，防治水土流失，维持区域生态系统稳定与健康具有特别重要的理论和实践意义。