珍稀植物四合木分布区特有土壤微生物区系研究

【摘要】： 四合木(Tetraena mongolica Maxim)为蒺藜科的一个单种属古老残遗植物物种，其分布范围极为有限，仅分布于内蒙古西鄂尔多斯草原化荒漠区。强旱生植物，常为建群种。它的存在不仅在植物区系及系统演化上具重要地位，在生态环境保护上也具有很大价值。近年来，由于各种因素干扰，其分布范围逐渐缩小并破碎化，被列为国家二级保护植物，对四合木物种保护的研究已引起生物学工作者的广泛关注。 迄今为止，针对四合木的研究工作主要从分布区的自然地理与气候、生物学特性、生理生态适应性、传粉昆虫和景观破碎化过程到群落、种群、个体、细胞和遗传结构等不同层次展开，并取得积极成果；但缺乏对该地区特定生境条件的系统分析，特别是西鄂尔多斯地区特殊的地理环境(地下煤炭、矿藏储量极为丰富)。本研究主要从四合木狭域性分布的这一特殊地理环境出发，通过探讨“四合木分布区的土壤及四合木根际微域中的土壤微生物区系是否具有特殊性?地下独特的煤炭矿藏是否与该地区的土壤元素含量、土壤微生物种类及其活性之间具有一定的内在联系?”等问题，进一步了解四合木分布区在土壤理化环境、土壤微生物区系成分、群落结构及多样性、数量动态变化等方面的特点，从而为珍稀植物四合木的生境适宜性及异地引种保护研究提供更为详实的理论依据，结果如下： 1．在四合木分布区，有煤样地和无煤样地在有机质和pH值上具有差异性：有煤样地(A)的有机质含量高于无煤样地(B)，而无煤样地(B)的pH值高于有煤样地(A)。有煤样地和无煤样地在土壤营养元素的全量及有效量上表现出明显的差异性，有煤有四合木样地(A)的全量氮磷钾含量均高于无煤有四合木样地(B)的全量氮磷钾含量。研究区有煤样地和无煤样地土壤中的全量微量元素含量以及有效量分配方面具有一定的差异。有煤样地(A)土壤中的Cu、Fe、Mn、Zn、B的全量均高于无煤样地(B)的含量，六种微量元素(Cu、Fe、Mn、Zn、B、Mo)的有效量在有煤样地(A)土壤中均高于无煤样地(B)土壤中的含量。 2．研究区土壤微生物区系中，各大菌群的组成比例由大到小依次为：细菌＞放线菌＞厌氧菌＞真菌。细菌和放线菌在研究区菌群中占主导地位。土壤微生物区系中放线菌群占有较大比例，体现出该研究区土壤贫瘠、土壤条件差的荒漠性特点。四合木根际微生物活动在四合木生长发育期中表现出明显的规律性，在营养期-花期-果期表现为：低-高-低，说明在四合木开花期，其根部环境的微生物活动非常活跃。四合木具有明显的根际效应，而且在生长期中表现出一致规律性：营养期-花期-果期表现出高-低-高的规律性。有煤样地和无煤样地在微生物数量和根际效应方面具有差异性：有煤有四合木样地(A)的微生物数量均高于无煤有四合木样地(B)，无煤有四合木样地(B)的根际效应比有煤有四合木样地(A)的根际效应更明显，(R／S)_B＞(R／S)_A。 3．土壤细菌、真菌和厌氧菌与土壤中植物生长所需的六种微量元素间存在着一定的相关关系。土壤细菌与土壤全铜含量极显著相关(97.1％)，与土壤铜(91.3％)、锰(87.7％)有效含量显著相关。土壤中的厌氧菌与全铁含量间极显著相关，与全锰含量间显著性相关。由此推测，土壤细菌(好气性细菌和厌氧菌)可能在土壤矿质元素铁、铜和锰的分解及植物有效性利用方面发挥着积极的作用。 4．本研究在前人方法的基础上摸索出了一种快捷、高效的适合于研究区土壤微生物DNA提取的方法，并与已有的成熟方法作了比较，得出SDS高盐提取法更适合于西鄂尔多斯荒漠区的土壤微生物DNA的提取。该方法所得土壤微生物总DNA的产量多而且纯度较好，可直接用于16S rDNA目标片段的扩增；该方法设备要求低，完成时间短。因而，为今后从事西鄂尔多斯地区土壤微生物的群落结构、微生物的多样性和功能微生物的代谢途径等方面的研究提供了可行性方法。 5．本文运用PCR-DGGE技术对研究区土壤细菌多样性进行了研究。四合木分布区土壤细菌遗传多样性在有煤样地(A)和无煤样地(B)间具有差异性。在系统进化上，同一类型样地中的细菌同源性高，细菌系统发育具有相似性；而在不同类型样地(有煤样地、无煤样地)间具有差异性。本研究发现的土壤优势菌群和特殊菌群与该地区特有的土壤地理环境之间有着密切的关系。 6．四合木分布区土壤微生物量存在着年际变化。土壤微生物量的动态变化表现为：在四合木生长发育过程中，营养期-花期-果期表现为，低-高-低的变化规律。从而说明四合木开花期土壤微生物活跃，土壤微生物C库很大。 7．土壤酶活性在有煤样地和无煤样地间差异性不显著，但其在四合木生长季中的动态变化表现为7月份(花期)的酶活性最高，高于营养期和果期。脲酶与土壤微生物量显著性正相关，与转化酶、过氧化物酶之间极显著正相关，因而推测在该研究区土壤有机物质氧化、土壤微生物系统C、N转化过程中，脲酶、转化酶、过氧化物酶间具有耦联作用。 8．四合木分布区特有微生物区系研究取得了初步成果。但本文主要集中于两年的研究，然而对于珍稀植物四合木分布的这一特殊区域，地下煤炭矿藏与土壤环境间的内在联系是地理环境演化过程中长期作用的结果，因此要揭示这一内在联系，需要更长时期的不断探索和深入研究。