氮添加对黄河三角洲高潮滩芦苇生长的影响

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氮素是植物生长繁殖所需的最重要的营养元素之一,也是滨海湿地生态系统的限制因子。目前,随着工农业生产排放的氮素及大气氮沉降的增加,滨海湿地中的氮输入量逐年增加。氮素含量的提高可能会导致滨海湿地土壤理化性质、细菌群落结构组成和植物生长繁殖性状发生改变。黄河三角洲是中国重要的河口-滨海湿地,也面临水体和土壤氮富集的环境问题。因此,在全球变化背景下,探讨氮添加对黄河三角洲滨海湿地芦苇生长的影响及机制能够为黄河下游的生态保护提供理论基础。本研究于2017年5月中旬在黄河三角洲国家级自然保护区大汶流管理站的高潮滩芦苇植被区设置野外控制试验样方。试验设置了4个氮添加水平(N0:0 g·m-2·year-1、N1:5 g·m-2·year-1、N2:20 g·m-2·year-1、N3:50 g·m-2·year-1),于每年5月中旬、7月中旬添加尿素(CO(NH2)2,含氮46%),分析了不同氮添加水平对黄河三角洲高潮滩土壤理化性质、土壤细菌群落结构和多样性、芦苇生长状况的影响。研究结果主要包括:(1)通过连续三年(2018-2020年)的试验研究表明,大部分土壤理化性质在4个氮添加水平间未表现出显著差异(p>0.05)。除2018年9月的电导率、全硫以及2020年9月的铵态氮在不同氮添加水平间表现出显著差异(p<0.05)之外,其他年份的含水率、p H值、电导率、有效磷、全磷、铵态氮、硝态氮、有效氮、全氮、全碳、全硫在不同氮添加水平间均未表现出显著差异(p>0.05)。(2)基于2018年的数据分析发现,不同氮添加水平间,土壤细菌OTUs数目和土壤细菌α多样性指数(shannon、simpson、chao1、ACE、goods coverage)均未表现出显著差异(p>0.05)。氮添加对土壤细菌群落门类群相对丰度没有显著影响,但对土壤细菌纲、目、科、属、物种类群相对丰度具有显著影响。NMDS和MRPP检验发现土壤细菌群落结构在不同氮添加水平间表现出显著差异(p<0.05)。土壤理化性质对土壤细菌主要门、纲类群结构的变化影响不显著,但对主要目、科、属、物种类群结构的变化影响显著。土壤全碳含量是土壤细菌优势物种类群结构的主要影响因素(p<0.1);土壤全硫含量是土壤细菌优势目、科、属类群结构的主要影响因素(p<0.1);土壤全磷含量是土壤细菌优势属、物种类群结构的主要影响因素(p<0.05)。(3)三年的研究表明,芦苇基径、株高、叶片长度、叶片宽度等多个直接体现芦苇生长繁殖的性状均在N1或N2水平表现最高。不同氮添加水平间芦苇密度、叶片数、节间长、叶片全氮、叶片全碳、叶片全硫含量未表现出显著差异(p>0.05)。(4)使用2018年的数据构建氮添加水平-土壤理化性质-细菌多样性-芦苇生长的SEM结构模型,结果表明,氮添加对芦苇生长产生直接的负面影响(标准化路径系数是-0.25,p<0.05);然而,氮添加对土壤理化性质产生显著直接正向影响(标准化路径系数是0.35,p<0.05),土壤理化性质对细菌多样性有显著的正影响(标准化路径系数为0.88,p<0.001),细菌多样性对芦苇生长的标准化路径系数为0.84并且达到了显著性水平(p<0.001),氮添加对细菌多样性并未产生显著影响(标准化路径系数为0.06,p=0.63)。所以,综合不同氮添加水平来看,氮添加对芦苇生长的直接影响是负向的;但是氮添加通过影响土壤理化性质,然后影响到细菌多样性及结构,间接促进芦苇生长。总之,氮添加对芦苇生长具有直接负向影响,即过量的氮添加不利于芦苇生长;然而,氮添加对芦苇生长具有间接促进作用,其机制是:氮添加通过正向影响土壤理化性质,间接正向影响到细菌多样性和群落结构,从而促进芦苇生长,即适量的氮添加促进芦苇生长。因此,在今后的黄河三角洲潮汐湿地芦苇植被的保护工作中,应当适当控制氮输入。
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