山西太岳山华北落叶松人工林土壤微生物特性研究

【摘要】：为研究华北落叶松人工林土壤微生物群落结构和功能特性及其对人工林经营措施的响应,本文以山西省太岳山华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)人工林为研究对象,结合人工林密度调整,通过PLFA分析法研究土壤微生物群落结构特征。以土壤酶活性作为土壤微生物功能的指征,找出调控土壤微生物功能的关键微生物因子,进一步通过分子生物学手段,探究微生物群落的竞争和协作关系,并从基因层面对土壤微生物群落功能进行预测。同时,从改变外源碳氮输入角度探究土壤微生物群落结构和功能及其对土壤碳特性的调控机制。研究结果表明:(1)在不同林龄华北落叶松人工林下,土壤微生物量、土壤微生物丰度以及土壤水解酶活性均表现为15年显著高于45年。冗余分析表明,土壤总有机碳和土壤含水率是影响该地华北落叶松人工林土壤微生物群落结构的主要因子,且土壤酶活性的影响主要受到土壤细菌的直接作用。通过进一步分析土壤细菌的互作关系和功能预测,发现该区域土壤细菌之间的竞争关系较小,多是“协同合作”的模式。变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)和酸杆菌门(Acidobacteria)是该区域华北落叶松人工林的关键微生物类群。土壤总有机碳、微生物量碳和可溶性碳与变形菌门的丰度显著相关。土壤细菌中与碳转化功能相关的基因在45年生华北落叶松人工林中相对较高。土壤细菌的能量代谢、复制和修复功能与土壤微生物量碳和可溶性有机碳有显著相关关系,氨基酸代谢功能和膜转运功能与土壤总有机碳显著正相关。(2)中度密度调整导致土壤温度的涨幅高于其他强度的密度调整。土壤微生物量、土壤微生物丰度和土壤水解酶活性基本表现为在中度密度调整下显著增加。冗余分析表明,土壤温度和土壤p H是影响该地土壤微生物群落结构的主要土壤环境因子。土壤p H和土壤温度的变化对土壤酶活性的影响主要受到细菌的直接作用。通过进一步分析土壤细菌的互作关系和功能预测,发现密度调整下土壤细菌之间存在广泛的互利共生和共栖关系,且夏季土壤细菌之间的竞争关系增加。春季,轻度密度调整促进了土壤有机碳的分解,而中度和重度密度调整降低了参与土壤碳转化的相关功能基因。夏季,密度调整降低了土壤细菌的固碳功能,促进了土壤有机碳的分解。在不同密度调整下,土壤酚氧化酶和β-葡萄糖苷酶为影响土壤碳特性的关键酶。土壤微生物特性对土壤碳特性有相对较高的单独解释率,土壤环境因子单独解释率及环境因子和土壤微生物因子的交互作用的解释率较小。(3)凋落物去除实验表明,土壤微生物量碳氮基本表现为在去凋处理下显著高于未经凋落物处理,而土壤微生物群落丰度的变化趋势并不相同。在中度密度调整下,土壤总PLFAs含量及各土壤微生物群落丰度均表现为在凋落物处理下显著低于未经凋落物处理。而在重度密度调整下则表现为相反的变化趋势。凋落物去除削弱了土壤微生物与土壤水解酶活性的相关性,增加了土壤总有机碳与N-乙酰-β-葡萄糖苷酶活性的相关性,同时,也导致土壤微生物量碳和可溶性有机碳与土壤过氧化物酶活性的相关性增加。氮添加实验结果表明,氮添加第一年基本表现为增加土壤微生物量碳氮和土壤微生物群落丰度的趋势,而氮添加第二年则起到抑制的作用。切根去凋处理降低了土壤氧化物酶活性对土壤微生物量碳和总有机碳的影响,去凋处理增加了水解酶活性对微生物量碳和总有机碳的影响。路径分析显示,氮添加下革兰氏阴性菌和腐生真菌通过对土壤过氧化物酶的直接正效应进而影响土壤总有机碳。综上所述,土壤微生物群落结构和功能表现为在15年生华北落叶松人工林优于45年生,且在中度密度调整下最优。土壤温度和土壤p H是影响该地密度调整下土壤微生物群落结构的主要环境因子。相比于环境因子,土壤微生物对土壤碳特性有相对较大的影响。本文从改变外源碳氮输入角度探究人工林经营措施对土壤微生物的影响,初步阐明土壤微生物群落结构和功能对土壤碳特性的调控机制,为了解地上植被与地下土壤碳过程的关系、增强华北落叶松人工林的固碳潜力奠定理论基础。