增氮增雨对贝加尔针茅草甸草原土壤细菌群落结构与多样性动态的影响

【摘要】：土壤细菌是草地生态系统中重要的组成部分,并在草地生态系统的能量流动和物质循环中起着重要作用。全球变化深刻地影响着草地植物群落结构与植物多样性的同时,也影响着土壤细菌群落的结构组成与多样性。目前,对于我国草甸草原土壤细菌群落结构和多样性对全球变化响应的过程与机制的研究尚存在不足,尤其是关于土壤细菌群落动态的研究罕见报道。本研究以内蒙古东部的贝加尔针茅草甸草原为研究对象,模拟氮沉降和增加降雨两个因素,设置了增氮(N)、增雨(W)和增氮增雨互作(NW)3种处理,以不增氮和自然降雨为对照,随机区组设计。于施加实验处理后的第5年即2014年植物群落的返青期(5月15日)、生长期(7月1日)、生物量高峰期(8月15日)和生长末期(9月10日)4个时期进行植物群落调查并取土样。以16S r RNA基因为标靶,对土壤微生物总DNA进行高通量测序,获得土壤细菌群落结构组成与多样性信息;并采用荧光定量PCR分析各时期土壤细菌相对丰度(relative abundance)和细菌/真菌比(B/F ratio)。拟回答以下科学问题:(1)模拟氮沉降和增加降水对贝加尔针茅草甸草原土壤细菌群落结构及多样性的月动态会产生怎样的影响?(2)土壤细菌群落结构和多样性的月动态与土壤以及植被特征的关系如何?实验得出主要结论如下:(1)经过高通量测序共测得贝加尔针茅草甸草原土壤细菌34门、77纲、158目、298科。其中,门(phylum)水平上的优势类群依次是放线菌门(Actinobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)和绿弯菌门(Chloroflexi);纲(class)水平上的优势类群依次是放线菌纲(Actinobacteria)、酸杆菌纲(Acidobacteria)、α-变形菌纲(Alphaproteobacteria)、酸微菌纲(Acidimicrobiia)和δ-变形菌纲(Deltaproteobacteria)。(2)生长季内细菌丰度的变化呈现单峰曲线模式,在8月中旬达到峰值,是5月中旬的3倍;细菌平均基因拷贝数达2.7×106 copy·ng-1。细菌/真菌比的生长季动态与细菌基因拷贝数变化的趋势一致。多样性指数的月动态基本保持稳定、无明显变化。(3)同一时间的增氮、增雨及二者交互处理下的细菌总丰度无显著性差异。但是在同一处理下的细菌丰度的月份变化呈现了显著差异(P0.05)。与细菌总丰度相类似,细菌的16个优势纲(相对丰度大于1%的)的丰度在不同处理间未呈现显著的差异性,不同“纲”对处理的响应规律各异。在月份变化上有显著差异(P0.05)的优势菌纲有10个即酸微菌纲、α-变形菌纲、酸杆菌纲、δ-变形菌纲、芽单胞菌纲(Gemmatimonadetes)、浮霉菌纲(Planctomycetacia)、热微菌纲(Thermomicrobia)、芽孢杆菌纲(Bacilli)、纤维粘网菌纲(Cytophagia)、绿弯菌纲(Chloroflexia);其中有6个纲即α-变形菌纲、酸杆菌纲、δ-变形菌纲、热微菌纲、芽孢杆菌纲和绿弯菌纲的月份变化差异达到了极显著水平(P0.01)。(4)相关性分析表明,表征土壤细菌群落的多样性指数(包括OTUs、Ace、Chao、Shannon和Simpson指数)与土壤理化参数包括p H、总有机碳(TOC)、全氮(TN)、速效氮(AN)、碳/氮比(TOC/TN)、土壤含水量(SM)相关不显著,但是细菌基因拷贝数和细菌/真菌比与地上植物丰富度(PR)、植物群落盖度(CC)呈显著正相关(P0.05)。受地上植被影响较大的细菌类群有酸杆菌纲、酸微菌纲、δ-变形菌纲、浮霉菌纲、热微菌纲、芽孢杆菌纲和绿弯菌纲。综上所述,连续5年的增氮、增雨及二者交互处理,总体上并未对贝加尔针茅草甸草原土壤细菌群落组成和丰富度造成显著影响,但是土壤细菌群落的月份变化显著,即“季节效应”在一定程度超过了“实验处理效应”。贝加尔针茅草甸草原土壤细菌群落的月份变化可能主要是受到植物群落月动态的直接影响。本研究结果说明,氮沉降和降水格局的改变对草原土壤微生物群落的影响可能是一个缓慢而复杂的生态过程,模拟全球变化的定位监测也必然需要一个长期的过程。