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连栽障碍地杉木无性系土壤酶活性及微生物功能多样性分析

王士亚  
【摘要】:人工林地力衰退作为一个全球性问题,已引起了众多学者的长期关注。杉木是我国特有的速生用材树种,广泛分布于我国南方16省区。近年来,由于杉木木材价值较高,杉木人工林种植面积呈不断扩大趋势,多代连栽现象日益严重。杉木人工林多代连栽导致的地力衰退问题已成为目前林业工作者和生态学家持续关注的重点。本研究以南平市王台镇国有林场杉木1代人工林(FCF)、连栽2代杉木人工林(SCF)、连栽3代杉木人工林(TCF)和楠木人工林(CK)土壤为研究对象,在分析不同连栽代数杉木人工林土壤理化性质及土壤细菌、真菌种群变化特征的基础上,进一步采用盆栽试验方法,以杉木不同连栽代数土壤及楠木人工林土壤为培养基质,以课题组筛选的不同化感型杉木无性系为试验材料,分析了化感忍耐型和敏感型杉木无性系幼苗生长、根际与非根际土壤酶活性以及土壤微生物功能多样性季节变化特征,研究结果可从根际和非根际微生物角度阐明不同化感型杉木无性系对连栽过程的响应,探明杉木连栽障碍形成的机理,为杉木人工林地力衰退的防治奠定理论基础。主要研究结果如下:(1)随杉木人工林连栽代数增加,土壤物理性质和化学性质均呈现下降趋势。土壤含水率、最大持水量、最小持水量、毛管持水量、总孔隙度体积大小变化均随着连栽代数增加而下降;土壤容重则随着连栽代数的增加而升高;土壤pH值、全碳和全氮随着连栽代数的增加而降低,土壤逐代酸化。(2)杉木不同连栽代数土壤细菌样品中共鉴定出门类水平18个类群,分别为:酸杆菌门(Acidobacteria) ;变形菌门(Proteobacteria) ;浮霉菌门(Planctomycetes) ;绿弯菌门(Chloroflexi) ;放线菌门(Actinobacteria) ;蓝藻门( Cyanobacteria) ;芽单胞菌门( Gemmatimonadetes) ;热袍菌门( Thermotogae) ;拟杆菌门( Bacteroidetes) ;硝化螺旋菌门(Nitrospirae);厚壁菌门(Firmicutes): Elusimicrobia;绿菌门(Chlorobi);衣原体门(Chlamydiae) TM6; TMT; WCHB1-60; Other。FCF细菌类群中的百分比大于1%的门类包括8类,由大到小排序为:Acidobacteria (56.08% ); Proteobacteria (23.08%); Planctomycetes (7.14%); Chloroflexi (6.27%); Actinobacteria (1.76%); Cyanobacteria (1.57%); Gemmatimonadetes (1.13%); Thermotogae (1.10%)。SCF细菌类群中的百分比大于1%的门类包括8类,由大到小排序为:Acidobacteria (51.76%); Proteobacteria (26.42%); Planctomycetes (8.67%); Chloroflexi (5.54%); Actinobacteria (2.12%); Thermotogae (1.25%); Firmicutes (1.18%); Gemmatimonadetes (1.07%)。TCF细菌类群中的百分比大于1%的门类包括6类,由大到小排序为:Acidobacteria(54.96% ); Proteobacteria(26.49% ); Planctomycetes(5.99%); Chloroflexi (5.79%); Actinobacteria (2.09%); Cyanobacteria (1.57%)。(3)3种不同连栽代数杉木人工林土壤真菌共鉴定出5种门类,分别是:子囊菌门( Ascomycota )、担子菌门(Basidiomycota)、接合菌门( Zygomycota )、Rozellomycola、真菌界下其他门(k_Fungi;Other)和未分类门(Unclassified;Other)。FCF真菌类群是:Ascomycota ( 50.94% ); Fungi;Other ( 33.48% ); Basidiomycota ( 12.20% ); Zygomycota ( 3.22% ); Unclassified;Other (0.10% ): Rozellomycota ( 0.06% )。SCF真菌类群为:Ascomyeota (67.07%); FungkOther (25.90%); Basidiomycota (6.71%); Zygomycota (0.31%)o TCF真菌群为:Ascomycota (27.92%); Fungi:Other (66.33%); Basidiomycota (4.25%); Zygomycota ( 1.41% ); Unclassified;Other (0.02%); Rozellomycota (0.08%)。(4)通过对土壤主要细菌、真菌门类分别与环境因素的RDA分析得出,土壤全磷含量、毛管孔隙体积、土壤含水率、土壤容重对8种细菌相对丰度的作用较大。土壤容重、含水率、全磷含量、全碳含量和pH对真菌门类的分布影响较大。分析不同连栽代数土壤细菌和真菌群落与土壤理化性质的相关性得到:土壤细菌Ace指数与土壤含水率、容重和全磷存在相关性;Chaol 与土壤容重、全磷相关,Simpson与土壤全氮和全碳相关;土壤真菌Chaol、Ace与土壤全氮、全碳、pH和全磷呈相关性;Shannon指数与土壤pH和全氮为正相关;Simpson指数与土壤全碳为负相关。(5)通过分析不同连栽代数杉木人工林土壤细菌及真菌的Chaol、Ace、Shannon和Simpson指数得出:细菌的Chaol、Ace指数的高低排序为FCFTCFSCF, Shannon和Simpson指数分别是SCF为最高和最低。真菌的Chaol、Ace指数是TCF为最低。TCF分别是Shannon和Simpson指数最低和最高。(6)盆栽试验表明,2种化感型杉木无性系幼苗苗高、地径增长量总体变化为忍耐型高于敏感型;苗高增长量随着土壤连栽代数增加而降低,地径增长量大体也随土壤连栽代数增加而降低。(7)盆栽试验表明,不同林分类型土壤对土壤脲酶活性产生显著影响。一年中,忍耐型根际和非根际土壤的脲酶活性CK显著大于其他3种类型,其变化趋势为夏季升高,秋季达到峰值,冬季下降,高低排序为秋季夏季春季冬季。敏感型根际土壤脲酶活性总体上也为CK显著高于其他3种类型,其变化趋势为先升高后降低的趋势。不同土壤类型显著影响了土壤蔗糖酶活性。除夏季和冬季外,忍耐型根际和非根际土壤分别为CK高于其他土壤类型,其变化趋势为升高降低再升高的趋势。敏感型根际和非根际土壤,除了夏季和冬季外,都为CK活性值最高。不同土壤类型显著影响了土壤纤维素酶活性。忍耐型根际和非根际土壤酶活性总体上是TCF的活性值最高。敏感型根际土壤的纤维素酶活性则分别是TCF、SCF、FCF和CK在春夏秋冬季最高,非根际土壤TCF春夏季最高,秋季CK最大,SCF冬季最高。不同土壤类型显著影响了土壤酸性磷酸酶活性。忍耐型根际和非根际土壤酶活性都为SCF最大,其趋势都为升高降低再升高过程。敏感型根际和非根际土壤,除了冬季外都为SCF值最高,其趋势和忍耐型变化一致。(8)盆栽试验表明,不同化感型杉木无性系根际及非根际土壤微生物总体活性AWCD值的变化为“S”型,这一过程符合微生物培养生长特征。春季,在培养168h后,4种土壤类型的AWCD值从高到低的顺序为CKFCFSCFTCF,随着连栽代数的增加,AWCD值下降。夏季,忍耐型根际和非根际土壤的AWCD值为TCF最高,敏感型根际和非根际土壤的AWCD值为CK最高,两种化感型杉木根际土壤的AWCD值总体上大于各自的非根际土壤;在不同化感型杉木土壤根际与非根际土壤比较方面,均为忍耐型高于敏感型。秋季,忍耐型根际和非根际土壤AWCD值都为TCFSCFFCF,根际土壤均大于非根际土壤,敏感型则大体上为根际土壤大于非根际土壤;比较根际土壤AWCD方面,总体上忍耐型大于敏感型。冬季,忍耐型根际与非根际土壤AWCD都为TCFSCFCKFCF,大体上根际土壤活性高于非根际土壤,敏感型根际和非根际土壤的AWCD值的最大值为TCF,并且根际土壤均大于非根际土壤土壤微生物活性值,根际土壤方面总体上为敏感型大于忍耐型;不同连栽代数杉木无性系根际土壤与非根际土壤Shannon、Simpson指数之间存在差异。(9)通过土壤微生物群落6类碳源利用变化及主成份分析得出:春季,CK的微生物对于多聚物、酚酸类利用效率最高,FCF, SCF. TCF分别对于碳水化合物、氨基酸和羧酸类、胺类的利用效率最大。随着连栽代数增加,土壤微生物对于酚酸类利用率下降,胺类利用率上升。夏季,土壤微生物对于多聚物、碳水化合物、酚酸类、氨基酸、胺类利用效率大体呈现一种随连栽代数的增加而升高趋势。根际土壤中,土壤微生物对于多聚物、碳水化合物和酚酸类碳源的利用效率为:忍耐型敏感型,氨基酸、胺类和羧酸类也大体呈现这一趋势。非根际土壤中,土壤微生物对于多聚物、碳水化合物和羧酸类碳源的利用效率是:忍耐型敏感型,氨基酸、胺类和酚酸类的利用情况也大体为忍耐型高于敏感型。秋季,土壤微生物对于多聚物的利用情况大体上都为连栽3代土壤类型的利用效率最高。在根际土壤中,土壤微生物对于多聚物、胺类和羧酸类的碳源利用情况为:忍耐型敏感型。非根际土壤里,土壤微生物对于碳水化合物、酚酸类、氨基酸和羧酸类的利用情况是:敏感型忍耐型。冬季,土壤微生物对于多聚物、碳水化合物、酚酸类、氨基酸、胺类和羧酸类也大体上随着连栽代数的增加而呈上升趋势。根际土壤中,土壤微生物对于多聚物和羧酸类的碳源利用情况为:忍耐型敏感型。碳水化合物、酚酸类和氨基酸的利用则大体上是:敏感型忍耐型。非根际土壤中,土壤微生物对于碳水化合物、氨基酸和羧酸类的利用情况大体为:忍耐型敏感型,多聚物的利用情况是:敏感型忍耐型。(10)通过土壤微生物功能多样性指数、AWCD值与土壤酶活性相关性分析得出:春季,AWCD、Shannon指数与脲酶均达到了显著水平(P0.05)。夏季,AWCD与纤维素酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶达到显著水平(P0.05),Shannon、Simpson指数均与与蔗糖酶、酸性磷酸酶达到了极显著水平(P0.01)。秋季,AWCD与蔗糖酶呈现出显著水平(P0.05),Simpson指数与脲酶、蔗糖酶呈现显著水平(P0.05)。冬季,AWCD、Shannon指数与纤维素酶、蔗糖酶达到了显著水平(P0.05),Simpson指数与纤维素酶、蔗糖酶呈现显著水平(P0.05)。


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