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不同林型红松林土壤微生物群落组成和多样性及与理化性质关系

陈秀波  
【摘要】:红松(Pinus koraiensis)是我国东北地区珍贵针叶树种,以红松为主的混交林是本地区地带性植被类型,具有极高的生产力和生态地位。在红松的幼苗更新、次生演替、通过竞争达到顶级群落的过程中,作为分解者的土壤微生物在调节养分循环、参与物质循环和能量流动、分解凋落物、转变有机质和改善土壤环境等方面扮演着极其重要的角色。然而关于不同林型红松林土壤微生物的群落组成和多样性特征及其与土壤理化性质关系的研究尚未见报道,特别是参与氮循环的功能微生物群落研究相对缺乏。分析不同林型土壤微生物的群落组成、多样性特征及其影响因素,特别是参与氮循环的功能微生物群落,有助于了解红松林的重要物质循环和能量流动的过程及规律,分析红松对土壤环境的适应性。因此,本研究选取凉水国家级自然保护区内的三种原始红松林(云冷杉红松林、椴树红松林和枫桦红松林)、红松人工林和红松天然次生林五种林型的林下土壤为研究对象,在测定不同林型土壤理化性质的基础上,扩增相关土壤微生物类群的标记基因(细菌16S rDNA、真菌ITS1、固氮菌nifH、反硝化功能基因nirK和nosZ),采用高通量测序和生物信息学分析技术,全面分析相关微生物类群的群落组成、多样性特征以及与土壤理化性质的关系,探讨相关微生物类群的关键影响因素。主要研究结果如下:(1)土壤理化性质的差异及细菌群落组成和多样性特征:五种林型之间土壤铵态氮(NH4+-N)含量差异显著(P0.05),硝态氮(NO3--N)含量除红松人工林与云冷杉红松林和红松天然次生林之间无显著差异外,其他林型之间差异显著(P0.05)。原始红松林与红松天然次生林和红松人工林之间多数理化性质差异显著,但三种原始红松林之间土壤pH、总有机碳和土壤容重无显著差异。五种林型红松林土壤细菌以变形菌门、放线菌门、疣微菌门和酸杆菌门为优势菌门。原始红松林和红松人工林土壤细菌的辛普森指数(Simpson指数)高于红松天然次生林(但与枫桦红松林差异不显著)。五种林型之间其他土壤细菌α多样性指数均无显著差异,同时细菌α多样性指数与土壤理化性质均无显著相关性。基于物种分类的五种红松林土壤细菌群落组成差异显著(R=0.210,P=0.037,R值反应组间与组内比较的差异程度),但基于系统进化关系的五种林型土壤细菌群落组成无显著差异(R=0.106,P=0.131)。土壤总孔隙度、总有机碳和pH值与细菌群落组成显著相关(P0.05),总孔隙度是影响细菌群落组成的主要理化因子。(2)土壤真菌群落组成和多样性特征:三种原始红松林土壤真菌的香农指数(Shannon指数)和丰富度指数(Ace指数和Chao1指数)均高于红松人工林和红松天然次生林,其他林型之间的α多样性指数差异不显著。土壤pH值与五种林型土壤真菌α多样性指数呈负相关、土壤全氮含量与真菌α多样性指数呈正相关,其中全氮含量与Chao1指数和Ace指数呈显著正相关。土壤真菌群落以子囊菌门和担子菌门为优势菌门。基于物种分类的五种红松林土壤真菌群落组成差异显著(R=0.261,P=0.005),但基于系统进化关系的五种林型土壤真菌群落组成无显著差异(R=0.053,P=0.252)。土壤全氮、总有机碳和总孔隙度与土壤真菌群落组成显著相关(P0.05),土壤总有机碳含量是影响真菌群落组成的主要理化因子。(3)土壤固氮菌的群落组成和多样性特征:五种林型土壤固氮菌的四种α多样性指数均无显著差异,并且与土壤理化性质无显著相关性。五种林型红松林土壤固氮菌以变形菌门、蓝细菌门、厚壁菌门和疣微菌门为优势菌门(总体组成比例在1%以上)。基于物种分类的五种红松林土壤固氮菌群落组成差异显著(R=0.243,P=0.005),基于系统进化关系群落组成也差异显著(R=0.245,P=0.002)。土壤硝态氮、铵态氮和pH值与固氮菌群落组成显著相关(P0.05),土壤硝态氮含量是影响五种林型固氮菌群落组成的主要理化因子,其次为土壤铵态氮含量和pH值。(4)nirK型反硝化微生物的群落组成和多样性特征:椴树红松林nirK型反硝化微生物的Ace指数和Chao1指数显著高于红松人工林和红松天然次生林,但三种原始红松林之间、红松人工林和红松天然次生林之间nirK型反硝化微生物α多样性指数差异不显著。nirK型反硝化菌的丰富度指数(Ace指数和Chao1指数)与土壤总孔隙度、NO3--N和NH4+-N含量呈显著正相关,其中Ace指数和Chao1指数与土壤总孔隙度呈极显著正相关。五种林型nirK型反硝化微生物群落组成以变形菌门为优势菌门(组成比例为30.7%-54.0%)。基于物种分类的五种红松林土壤nirK型反硝化微生物群落组成差异显著(R=0.448,P=0.001),基于系统进化关系的群落组成也显著差异(R=0.434,P=0.001)。土壤硝态氮和水分含量与nirK型反硝化微生物群落组成显著相关(P0.05),土壤硝态氮含量是影响五种林型土壤nirK型反硝化微生物群落组成的主要理化因子,其次为土壤水分含量。(5)nosZ型反硝化微生物的群落组成和多样性特征:除枫桦红松林土壤nosZ型反硝化微生物的Shannon指数和Simpson指数显著高于红松天然次生林外,五种林型红松林之间土壤nosZ型反硝化菌的α多样性指数均无显著差异。土壤pH与nosZ型反硝化菌Simpson指数呈显著负相关,而Chao1指数、Ace指数和Shannon指数与土壤NO3--N含量呈显著正相关。五种林型红松林土壤nosZ型反硝化微生物以变形菌门为优势菌门(组成比例为41.28%-65.17%),伯霍尔德杆菌属(Burkholderia)、黄杆菌属(Flavobacterium)、慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium)、假单胞菌属(Pseudomonas)、Dechloromonas属、芽单胞菌属(Gemmaimonas)、无色杆菌属(Achromobacter)和中华根瘤菌属(Sinorhizobium)为优势菌属。基于物种分类的五种红松林的土壤nosZ型反硝化微生物群落组成差异显著(R=0.387,P=0.006),基于系统进化关系的群落组成也差异显著(R=0.391,P=0.004)。土壤全氮和铵态氮含量两个理化因子与nosZ型反硝化微生物群落显著相关(P0.05),其中铵态氮含量可能是影响五种林型土壤nosZ型反硝化微生物群落组成的主要理化因子,其次为全氮含量。本研究通过高通量测序和生物信息学分析,五种林型红松林土壤中均获得大量分类地位没有界定的土壤细菌、真菌、固氮菌、nirK和nosZ反硝化微生物,在有注释信息的微生物类群中,土壤细菌以变形菌门、放线菌门、疣微菌门和酸杆菌门为优势菌门;真菌以子囊菌门和担子菌门为优势菌门;固氮菌和反硝化菌均以变形菌门为优势菌门。五种林型红松林土壤理化性质的差异没有对相关土壤微生物类群α多样性指数产生显著影响,但引起相关土壤微生物类群的β多样性显著的差异,而从系统进化关系分析得出土壤细菌和真菌群落组成无显著差异。无论是基于物种分类还是基于系统进化距离,处于演替阶段的红松天然次生林土壤微生物群落组成与原始红松林和红松人工林差异较大,但三种原始红松林之间微生物群落组成差异较小。土壤总孔隙度是影响五种林型细菌群落的主要理化因子;总有机碳含量是影响真菌群落的主要理化因子;土壤硝态氮和铵态氮含量是影响氮循环相关微生物群落的主要理化因子。本研究以相关土壤微生物类群的标记基因为分子靶标,采用高通量测序技术和生物信息学分析方法,首次明确红松林土壤中相关微生物类群的群落组成、多样性特征以及关键影响因素,明了红松林生态系统中林分组成-土壤理化性质-微生物群落组成及多样性之间的关系,为进一步研究红松林土壤养分循环,特别是与氮素循环相关的过程和规律奠定了科学基础,同时也为原始红松林的保护、恢复和可持续经营提供基础数据和理论依据。


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