刈牧、水分和有机质添加对草地土壤微生物群落的作用

【摘要】：在全球气候变化背景下,我国北方草地有机质输入和降水量有潜在增加的可能。放牧是我国北方草地生态系统主要的管理方式之一。土壤微生物(soil microbes)是土壤中种类最丰富、数量最庞大的生物类群,在草地生态系统的养分周转、物质循环和土壤物理结构的保持等方面发挥重要作用。土壤微生物群落同时受到放牧、有机质输入和降水量的增加等多重因素干扰将呈现何种变化,各干扰因素之间对土壤微生物群落存在怎样的交互作用。目前,尚无针对这类问题的综合研究。本研究以盆栽控制实验的形式开展,选择松嫩草地优势种植物羊草(Leymus chinensis)及其常见伴生种全叶马兰(Kalimeris intergrifolia)和蒙古蒿(Artemisia mongolica)为实验材料,在松嫩草地生态研究站开展为期两年的三因素控制实验,设置刈割处理、有机质添加处理和水分梯度处理。通过实时荧光定量PCR技术和HiSeq 2500高通量测序技术研究土壤真菌和细菌数量、多样性以及群落组成,探究刈牧、土壤水分和有机质添加对土壤微生物群落的作用规律及关键影响因子,揭示其作用途径,有助于深入了解土壤微生物群落对多因素干扰的响应,为预测和解释全球气候变化条件下我国北方草地土壤微生物群落的潜在变化提供理论依据。通过研究获得以下主要结果和结论:(1)在本研究的土壤微生物群落中,细菌占优势地位。平均每克干土中细菌基因拷贝数为9.98×106个,平均每克干土中真菌基因拷贝数为3.53×104个,真细菌拷贝数之比平均为2.84×10-3。刈割和水分梯度处理及其及交互作用对土壤细菌数量有显著影响。土壤细菌数量随水分梯度增加显著升高,与土壤含水量具有显著的正相关关系;刈割通过提高土壤含水量来增加土壤细菌数量,土壤含水量是影响土壤细菌数量变化的主要因素。(2)真菌和细菌的丰富度指数在实验处理下变化显著。刈割降低植物的总生物量进而降低真菌的丰富度。刈割和有机质添加及其交互作用对细菌丰富度作用显著。土壤细菌丰富度指数与土壤全碳含量具有显著的正相关关系,但土壤全碳含量在实验处理下并无显著性变化,刈割增加细菌丰富度这一结果可能由于刈割改变了植物根系分泌的碳素的种类或质量,进而提高细菌丰富度。整体来看,有机质添加降低了土壤细菌丰富度,并且削弱了刈割对土壤细菌丰富度的正向作用。(3)水分和刈割对土壤细菌群落组成作用显著,主要是通过影响放线菌门(Actinobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)与疣微菌门(Verrucomicrobia)的相对丰度实现的。冗余分析(RDA)的结果表明,多因子互作实验处理下,土壤含水量和土壤铵态氮含量是影响土壤细菌群落组成的主要环境因子,其中土壤铵态氮是最重要的影响因子。(4)水分和刈割对土壤真菌部分类群的相对丰度(relative abundance)有显著影响。刈割通过提高土壤硝态氮含量增加了接合菌门(Zygomycota)的相对丰度。刈割和水分梯度处理及其交互作用对球囊菌门(Glomeromycota)的相对丰度影响显著。球囊菌门的相对丰度与土壤含水量具有显著的负相关关系,刈割通过增加土壤含水量来降低球囊菌门的相对丰度。综上所述,土壤微生物群落对模拟动物采食以及水分变化响应敏感,而添加有机质在实验周期内对土壤微生物群落没有显著影响。土壤水分含量变化直接作用于细菌数量,动物采食引起土壤含水量变化进而影响土壤细菌数量。动物采食通过降低植物总生物量来影响真菌的丰富度,而动物采食和有机质输入对土壤细菌丰富度的交互作用还需进一步探究来解释。本研究证实了水分和养分对微生物群落的调控作用,土壤含水量和土壤铵态氮含量是土壤细菌群落组成的主要驱动因子,土壤铵态氮含量是最重要的影响因素。降水量变化以及动物采食通过改变土壤水分和速效氮这一途径,作用于土壤微生物部分类群进而影响土壤微生物的群落组成。土壤细菌群落对实验处理引起的土壤环境变化的响应比较敏感,而真菌群落虽然处于劣势地位,对生境变化的抵抗性较强,群落结构相对稳定。本研究为解释和预测未来松嫩草地土壤微生物群落的潜在变化提供了实验支持。