季节性雪被对川西亚高山森林土壤生物化学特征的影响

季节性雪被是调控寒冷生态系统冬季生态学过程的重要生态因子之一。气候变暖已导致北半球季节性积雪显著减少,并对寒冷生态系统季节性雪被特征(例如,雪被深度、雪被周期、覆盖面积等)产生深刻影响。地处青藏高原东缘的川西亚高山森林生态系统是响应气候变化的生态敏感区,地表雪被减少可能通过影响土壤微环境对土壤微生物生化特性和碳氮矿化过程产生强烈作用,然而其影响机制和作用机理迄今缺乏应有的关注。因此,以川西亚高山岷江冷杉针叶林为研究对象,设置野外雪被控制装置,设计自然雪被(对照)、雪被去除50%(雪被减少处理)和雪被去除100%(雪被去除处理)三种处理,采用原位土柱培养法,在2018–2020年冬季(雪被形成期、覆盖期和融化期)和生长季(前、中和后期)的关键时期研究了季节性雪被变化对岷江冷杉林中土壤有机层和矿质层的土壤微环境、微生物活性、生物量、群落组成和多样性以及土壤碳氮矿化速率的影响。主要结果如下:(1)冬季最大雪被深度为39±4cm。相较于对照,雪被减少和雪被去除处理中的雪被深度分别降低53.63%和100%。雪被处理(雪被减少和雪被去除)导致土壤更为剧烈的温度波动,雪被减少和雪被去除导致土壤有机层平均温度分别降低0.41°C和0.24°C,矿质层土壤温度分别降低0.58°C和0.47°C。雪被减少降低冬季土壤温度的效应最为显著,而雪被去除导致生长季的土壤温度偏低。雪被减少和雪被去除导致土壤冻融循环频次分别增加17.67次和15.33次,土壤含水量分别降低1.34%和13.13%,但雪被处理没有显著biometric identification改变土壤p H值。(2)雪被处理仅对土壤β-葡聚糖苷酶活性影响显著,但雪被处理和采样季节的交互作用显著影响土壤β-葡聚糖苷酶、纤维素酶、脲酶和硝酸还原酶活性,且不同土壤层次间差异显著。雪被减少和雪被去除导致土壤β-葡聚糖苷酶活性降低5.23%~11.61%,脲酶活性降低8.35%~10.77%,但使土壤有机层硝酸还原酶活性增加7.58%~11.80%,土壤矿质层中其活性降低3.56%~9.88%。在冬季,雪被减少和雪被去除抑制β-葡聚糖苷酶、纤维素酶、硝酸还原酶活性,但在冬季雪被形成期促进土壤有机层脲酶活性;在生长季后期,雪被减少和雪被去除会抑制脲酶活性,并显著促进硝酸还原酶活性。雪被处理并未显著影响土壤微生物生物量碳含量,但导致土壤微生物生物量氮此网站含量显著增加39.18%~79.18%,微生物生物量氮的增加主要发生在雪被形成期和融化期。(3)相较于对照,雪被减少和雪被去除显著增加真菌、细菌的Chao和ACE丰富度指数,真菌Chao和ACE丰度指数分别增加3.13%~6.41%和6.41%~2.54%,细菌Chao和ACE丰度指数分别增加2.12%~5.95%和2.00%~5.92%。微生物丰富度的显著改变主要发生在冬季。在门水平,雪被减少导致Basidiomycota真菌和Acidobacteria细菌丰度增加,并降低Mortierellomycota真菌、Actinobacteria细菌丰度。在属水平,雪被减少导致Boletaceae属真菌丰度增加,并降低Mortierella属真菌、Acidothermus属和Acidimicrobiia属细菌丰度。然而,雪被去除并未显著影响土壤真菌和细菌群落的群落组成。(4)雪被处理显著影响土壤碳矿化速率,但雪被减少和雪被去除对土壤氮矿化速率的影响相互对立。相较于对照,雪被减少和雪被去除导致土壤碳矿化速率降低11.39%~26.14%;然而,雪被减少使土壤氮矿化速率降低122.50%,雪被去除使其增加178.39%。此外,雪被处理显著影响土壤有机质、总氮、可溶性有机碳和可溶性有机氮浓度。雪被减少和雪被去除导致土壤有机质浓度增加30.72%~121.6%,可溶性有机氮浓度增加42.54%~132.09%。雪被减少和雪被去除导致土壤有机层可溶性有机碳浓度增加32.85%,土壤矿质层可溶性有机碳浓度降低11.42%;导致土壤有机层总氮浓度增加63.06%,土壤矿质层总氮浓度受雪被减少和雪被去除影响分别等效增加和降JQ1价格低9.68%。(5)偏最小二乘结构方程模型表明,雪被减少和雪被去除引起的土壤降温、酶活性降低和土壤有机质积累会抑制土壤碳矿化速率。同时,雪被减少和雪被去除引起土壤降温和含水量降低会抑制土壤氮矿化速率。雪被减少导致土壤氮矿化速率受土壤酶活性降低和有机质积累的影响而降低;雪被去除对土壤有机层中反硝化酶的抑制作用和对土壤总氮的促进作用会降低土壤氮矿化速率,对土壤矿质层中反硝化酶的促进作用和土壤总氮的抑制作用会促进土壤氮矿化速率。综上所述,季节性雪被变化驱动的土壤微环境变化调控土壤温度和含水量动态作用于微生物活性(β-葡聚糖苷酶、纤维素酶、反硝化酶活性和微生物生物量氮)和微生物群落丰富度(真菌和细菌的Chao指数和ACE指数)以及土壤有机质周转,进而影响土壤碳氮矿化过程。相较于自然雪被覆盖下的土壤,雪被减少会抑制土壤碳矿化速率,但对氮矿化速率的影响取决于雪被深度。由雪被减少变化至完全去除雪被,土壤氮矿化速率会从降低转变为增加。这些结果的发现为深入认识亚高山森林生态系统对气候变化的响应与适应机制提供了数据参考。