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《南京林业大学》 2016年
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杨树连栽对根际土壤环境演变的影响及其自毒效应研究

陆茜  
【摘要】:杨树是中国重要的人工林栽培树种之一,在长期连作经营模式中,出现了林分蓄积生长量逐代下降、病虫害严重、造林成活率下降等不同程度的连作障碍和地力衰退。随着林木根际化学作用研究的日益深入和根系分泌物化感效应的逐步揭示,林木根际的自毒作用逐渐成为连作人工林地力衰退机理研究中的重点和热点。本文以徐州丰县大沙河林场内杨树为对象,从自毒作用角度探索人工杨树林在多代连栽过程中根际土壤的细菌和真菌种群数量和群落结构的变化,以及连栽杨树人工林根际土壤水浸提液对莴苣种子萌发、扦插杨树水培的影响。研究表明:1.采用实时荧光定量PCR分别检测杨树人工林根际土壤的细菌和真菌数量变化(假定每个细菌含有1个16S rRNA基因拷贝、每个真菌含有1个ITS rRNA基因拷贝),在Ⅰ代林根际土壤中,每克干土中的16S rRNA基因拷贝数在2.05×106~5.59×106之间,平均值为4.18×106,ITS rRNA的基因拷贝数在3.33×103~9.73×103之间,平均值为6.79×103;在Ⅱ代林根际土壤中,每克干土的16S rRNA基因拷贝数在3.37×106~7.53×106之间,平均值为6.09×106,ITS rRNA的基因拷贝数在5.36×103~1.72×104之间,平均值为1.14×104;在Ⅲ代林根际土壤中,每克干土的16S rRNA基因拷贝数在2.02×107~4.57×107之间,平均值为3.52×107,ITS rRNA的基因拷贝数在6.14×103~1.82×104之间,平均值为1.19×104。这说明,随着杨树林连栽代际的增大,根际土壤的细菌和真菌的种群数量都显著增长,但两者的增长趋势不同步。根际细菌和真菌分别在Ⅲ代林阶段和Ⅰ代林阶段增长最显著。微生物数量增长的原因可能与连作后的根际土壤微生物大量吸收集聚在根际的自毒物质和硝态氮有关。2.采用DGGE图谱分析方法、DNA提取和PCR-DGGE分析方法检测杨树人工林根际土壤微生物的种群结构,在细菌种群方面,Ⅰ代林根际土壤的细菌种群和对照裸地土壤的细菌种群相似度约为91%,Ⅱ代林和Ⅰ代林的根际土壤种群相似度约为46%,Ⅲ代林与Ⅱ代林的根际土壤细菌种群结构相似度为52%;在真菌种群方面,Ⅰ代林根际土壤的真菌种群和对照裸地土壤的真菌种群相似度约为86%,Ⅱ代林和Ⅰ代林的根际土壤真菌种群相似度约为52%,Ⅲ代林与Ⅱ代林的根际土壤真菌种群结构相似度约为40%。这说明,在连作种植的条件下,杨树人工林根际土壤微生物的群落结构变化与种群数量变化不同步。根际真菌和细菌的种群结构均在Ⅱ代林阶段改变最显著,其原因可能与根际分泌物以及自毒物质选择性的刺激或抑制土壤细菌和真菌有关。3.采用测序和系统发育分析方法对随代际增大而变化最大的Ⅱ代林根际土壤细菌群落结构,与对照裸地土壤进行细菌群落种类的对比分析,测序结果显示:在门级别上,对照裸地土壤的细菌优势种群为酸杆菌门(Acidobacteria)、△-变形菌(deltaproteobacteria)和B-变形菌(Betaproteobacteria);Ⅱ代林根际土壤的细菌优势种群为酸杆菌门(Acidobacteria)、芽单胞菌门(Gammaproteobacteria)和B-变形菌(Betaproteobacteria)。两者的细菌组分存在差异,主要体现在Ⅱ代林根际土壤的芽单胞菌门(Gammaproteobacteria)、变形菌门(Alphaproteobacteria)和放线菌门(Actinobacteria)的百分比含量比对照裸土分别提高了10.92%、7.38%、5.46%,而酸杆菌门(Acidobacteria)的百分比含量则下降了18.38%。4.采用HPLC检出对羟基苯甲酸、香草酸、香草醛、阿魏酸、异香草醛、苯甲酸、肉桂酸、香豆素8种存在于杨树人工林根际土壤中酚酸。8种酚酸在杨树人工林林地土壤中存在累积规律,随着代数的增加,并非完全成线性增长,而是累积速率呈现下降趋势。8种酚酸对土壤酶具有明显的自毒效应,对脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶活性产生抑制作用,且抑制作用随着浓度的增加而加强,过氧化氢酶随着浓度增加活性增强,而多酚氧化酶活性受酚酸浓度的影响并不深刻。酚酸物质对土壤微生物具有明显的自毒效应,真菌随着浓度增大而增大,对细菌表现出强烈的抑制作用。5.采用生物测定方法,不同代际的杨树人工林根际土壤浸提液对莴苣种子的萌发具有显著的抑制作用,而非根际土壤浸提液对莴苣种子的萌发抑制不显著。与纯水对照组84.5%的萌发率相比,无论是Ⅰ代林、Ⅱ代林还是Ⅲ代林,根际土壤组的莴苣种子萌发率均显著减少,萌发率最高不超过60%,尤其是Ⅲ代林的萌发率仅为48.7%,达到极显著抑制的水平(P0.01)。随着根际土壤的浸提液质量浓度的增高,对莴苣种子的萌发抑制率增大。其中Ⅱ代林和Ⅲ代林在0.1g/m L的低浓度时能够促进萌发率增长(萌发率高于对照)。而三个林代的抑制趋势略有不同:其中Ⅰ代林随着浓度增大,抑制率增大的幅度最小,Ⅱ代林接近线性趋势,Ⅲ代林随着浓度升高而增大抑制萌发率的幅度最大。0.2g/m L-0.5g/m L的浓度范围内,三个林代的抑制萌发率最接近。6.采用生物测定方法,不同代际的杨树人工林根际土壤浸提液对水培扦插杨树植株的生长发育有着显著影响。随着代际增大,杨树的胚芽生长长度和根伸长长度均呈降低趋势,其中Ⅰ代林根际土壤浸提液没有显著差异;而Ⅱ代林和Ⅲ代林的差异性不受营养条件影响,Ⅲ代林根际土壤浸提液的胚芽生长和根伸长都均比Ⅱ代林显著降低。随着根际土壤的浸提液质量浓度的增高,胚芽生长长度、根伸长长度都随土壤浸提溶液浓度的升高而呈现逐渐降低的趋势,抑制率呈现逐渐升高的趋势,其中在最低浓度0.1g?m L-1时抑制率为负,即与对照相比,土壤浸提液对胚芽生长、根伸长长度都有促进作用。土壤溶液浓度为0.5g·m L-1时胚芽生长长度为4.88cm,与溶液浓度在0.1g·m L-1、0.2g·m L-1和1g·m L-1时存在显著差异,与0.8g·m L-1时无显著性差异;土壤溶液在0.5g·m L-1时对胚芽生长的抑制率为14.7%,与浓度在0.1g·m L-1、0.2g·m L-1和1g·m L-1时存在显著性差异,但与0.8g·m L-1浓度无显著性差异。土壤溶液为0.8g·m L-1时根伸长长度为4.12cm,与溶液在0.1g·m L-1、0.2g·m L-1和1g·m L-1浓度时存在显著差异,与溶液在0.5g·m L-1时无显著性差异;土壤溶液在0.8g·m L-1时对胚芽生长的抑制率为39.2%,与0.1g·m L-1、0.2g·m L-1和1g·m L-1浓度时存在显著性差异,但与溶液在0.5g·m L-1时无显著性差异。7.人工杨树林连栽30至40年即会产生自毒作用,引起连栽障碍,建议人工杨树林连栽30年后改变种植方式,实施间作或轮作等方式以改善根际土壤微生物的环境、减少连作障碍的发生。
【学位授予单位】:南京林业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:S792.11;S714

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