凋落叶多样性对土壤碳氮形态及微生物多样性的影响

发布时间：2019-03-29 14:27

【摘要】：杉木是中国特有的树种,是我国最重要速生用材树种之一,已有上千年的栽培历史。然而,传统的以木材生产为主要目的、追求速生丰产杉木人工林集约经营模式,形成了现行的带有掠夺性的、强度经营的、消耗地力的栽杉体制,造成杉木人工林生态系统结构过于简单、生物多样性下降、水土流失、地力衰退、抵御自然灾害能力(如病虫害和火灾蔓延等)弱等各种严重生态问题,尤其是多代连栽杉木人工林出现严重的地力衰退问题,直接制约和威胁着当前杉木人工林的可持续发展。综合国内外杉木人工林发展的经验教训及国外人工林经营的新理论和新技术,杉木人工林生物多样性下降被认为是造成当前杉木人工林出现各种生态问题最为根本性的原因,因此如何恢复和重建杉木人工林生物多样性已成为当前杉木人工林可持续经营中的一个迫切需要解决的重大研究课题。森林凋落物是连接森林生态系统地上和地下部分的桥梁,在维持森林地表层土壤肥力以及促进森林生态系统物质循环和养分平衡等方面都起着十分重要的作用,森林凋落物可作为研究物种多样性与土壤生态系统功能之间关系的良好媒介。在陆地生态系统中,土壤微生物群落在生物地球化学循环中起着决定性的作用,调控核心生态过程,如凋落物的分解,土壤碳固,土壤养分循环。土壤微生物是凋落物的主要分解者,土壤微生物群落通过其种类、数量、活性调控凋落物分解过程,促进土壤养分循环,而凋落物则通过养分组成影响土壤微生物群落的丰度、结构和活性。凋落物分解与土壤微生物群落结构和功能变化是相互影响、相互制约的过程。有鉴于此,本研究拟采用野外的田间盆栽控制实验,以凋落物多样性模拟树种多样性的研究技术手段,选择杉木(S)、火力楠(H)、乳源木莲(R)、楠木(N)、木荷(M),5个树种凋落叶作为研究对象,通过以杉木凋落叶为基础,设计具有不同树种凋落物组成的凋落叶多样性模式(1种、2种、3种、4种和5种),着重研究凋落叶多样性对杉木林地土壤碳氮形态、养分、酶活性、微生物多样性等的影响,深入揭示杉木人工林物种多样性对杉木林土壤生态系统功能的作用机制,为杉木人工林生物多样性的恢复和重建、杉木混交林的理想树种选择以及杉木人工林可持续经营提供科学的理论依据,主要研究结果如下：(1)凋落叶单一分解或混合分解均没有显著影响土壤中全磷、全钾的含量,但明显提高了土壤中的速效磷、速效钾的含量,阔叶树凋落叶单一分解对土壤速效养分的改善效果优于杉木凋落叶,杉阔凋落叶混合分解下土壤速效磷的含量均高于“S”,且"SHR"、"SHN"、"SHRN"、"SHRNM"分解下土壤速效磷的含量与“S”差异极显著。(2)不同树种凋落叶单一分解下土壤全碳、全氮含量差异不明显,而杉阔凋落叶混合分解时,土壤全氮含量随凋落叶种类的增加呈现梯度响应的规律,土壤中全氮含量表现为：5种混合4种混合3种混合2种混合,且3种以上的杉阔凋落叶混合分解下土壤全氮含量均高于杉木凋落叶单一分解。土壤C/N随着凋落叶种数的变化也存在着梯度变化规律：5种混合4种混合3种混合2种混合杉。(3)不同树种凋落叶单一分解均提高了土壤中DOC的含量,且不同树种凋落叶单一分解下土壤DOC大小表现为：MRNHSCK,但组间差异不显著(p0.05),DON含量大小顺序为：NCKHSRM,且组间差异极显著(p0.01)。不同树种凋落叶多样性混合分解下土壤DOC差异极显著(p0.01),土壤DOC含量大小顺序为：SHNSHRNM SHRN SR SRNMSSHRSSNSHCK。土壤DON含量大小顺序为SHNSHRNMSHRN CKSNSHSSRSRNSHRMS.(4)“S”单一分解降低了土壤中MBC的含量,“H”、“N”、“M”凋落叶单一分解下土壤MBC分别是“S”下的2.53,2.45,2.72倍,"H"、"R"、"N"、"M土壤MBN分别是“S”土壤的3.72、2.88、1.88、2.08倍。不同树种凋落叶混合分解下土壤MBC差异极显著(p0.01),大小顺序为：SHRSHSMSHRNSNSRSHRNMCKSHNSSRN。凋落叶多样性混合分解对土壤MBN含量有一定的影响但不同处理之间差异不显著(p0.05),MBN大小顺序为：SHRSNSHSRSHRNSCKSMSHNSRNSHRNM。(5)不同树种凋落叶单一分解下土壤纤维素酶活性均高于“CK”,但“R”、“N”、“M”单一分解下的土壤纤维素酶活性均低于“S”,分别是“S”的58.2%,38.8%,55.1%。阔叶树凋落叶分解下的土壤蔗糖酶活性均高于“S”。土壤脲酶组间差异不显著(P0.05),阔叶树凋落叶单-分解下土壤酸性磷酸酶、过氧化物酶活性均高于“S”,而土壤多酚氧化酶和活性均低于“CK”和“S”。不同树种凋落叶多样性混合分解下土壤纤维素酶、多酚氧化酶活性均低于“S”,而蔗糖酶、酸性磷酸酶、过氧化物酶活性均高于“S”,不同组间脲酶差异不显著(P0.05)(6)不同凋落叶多样性混合分解下土壤微生物总磷脂脂肪酸、细菌磷脂脂肪酸、真菌磷脂脂肪酸含量均差异极显著(P0.01),放线菌磷脂脂肪酸差异不显著(P0.05)。“S”并没有明显改变土壤微生物三大类群的生物量,杉阔凋落叶混合分解下土壤微生物三大类生物量均高于“S”和‘CK"。"SHR"、"SN"、"SHN"、"SHRN"、"SHRNM"三大类群磷脂脂肪酸均极显著高于“S”。(7)“SR"土壤中G+：G-比值最小为1.29,S土壤中G+：G比值最高为3.86,“S”增加了土壤革兰氏阳性菌的比例,而阔叶树与杉木凋落叶混合分解增加了土壤中革兰氏阴性菌的比例。“SN"凋落叶混合分解明显提高了土壤细菌的比例,其余混合凋落叶组合均提高了土壤中真菌的比例,且‘"S"、"SR"、"SHR"、"SHN"凋落叶分解均显著(P0.05)使土壤微生物从细菌主导型向真菌主导型转变。(8)凋落叶混合分解下土壤微生物磷脂脂肪酸的Shannon-wiener差异极显著(P0.01)Shannon-wiener指数变化范围为：2.06-2.39。不同凋落叶组合Shannon-wiener指数大小顺序为：SHRSHNSNSHRNSRNSSRSHRNMSMSHCK。可见合适的凋落叶组合能提高土壤微生物群落结构多样性,但是土壤微生物群落结构多样性与凋落物树种多样性之间并没有必然的联系。(9)主成分分析结果显示,前四轴能解释86.39%的土壤微生物群落磷脂脂肪酸的变异,前四个主成分能概括绝大部分不同凋落叶组合处理土微生物群落磷脂脂肪酸的变异信息。其中主成分一能解释48.18%的变异,主成分二能解释15.99%的变异。主成分分析和聚类分析可以将不同凋落叶组合分成三大类,"SN"、"SHR",为优势组合,不同单体磷脂脂肪酸的含量均较高；"SHN"、"SHRN"、"SHRNM"、"SR"、"SM",为次优势组合,部分单体磷脂脂肪酸的含量较低,如cy19:0,i17:0."CK"、"S"、"SH"、"SRN"为劣势组合,绝大部分单体磷脂脂肪酸的含量均较低,尤其是真菌表征磷脂脂肪酸：18：2ω)6,9、1 8：1ω)9c,放线菌表征磷脂脂肪酸：9Me18：0,10Me19：0含量均很低。(10)24个环境因子(包括土壤因子和凋落物质量)共能解释83.8%的土壤微生物结构多样性信息,冗余分析结果显示,纤维素(P=0.005)、全磷(P=0.004)、木质素(P=0.018)交换性酸(P=0.01)、PH (P=0.013)、铵态氮(P=0.047),分别能解释13.5%,11%,6.9%,7.1%,5.7%、4.5%的土壤微生物结构多样性信息。纤维素、铵态氮、木质素主要解释了表征真菌(18：2ω6,9、18：1 ω9c)和放线菌(10Me19:0.10Me18:0)的磷脂脂肪酸的结构多样性信息。交换性酸、PH主要解释了表征细菌(17:0、cy19:0、a15:0)的磷脂脂肪酸的结构多样性信息。(11)不同树种凋落叶单一分解下土壤微生物碳源功能代谢强度大小为：RHNSMCK。不同树种凋落叶混合分解下土壤微生物碳源功能代谢强度大致呈现：3种、4种、5种凋落叶混合分解均大于2种或是杉木凋落叶单一分解。阔叶树凋落叶单一分解、杉阔凋落叶混合分解下土壤微生物对酚酸类代谢强度均显著高于杉木,表明杉木凋落叶单一分解下代谢酚酸的土壤微生物活性较低。(12)碳源代谢多样性中,阔叶树种凋落叶单一分解下的土壤微生物Shannon-wiener指数均高于“CK”和“S”,杉阔凋落叶混合分解下的土壤微生物Shannon-wiener指数均高于“CK”和“S”,且“SR”最高为3.35。(13)主成分分析结果显示：不同树种凋落叶单一分解条件下,碳水化合物和氨基酸类2大类碳源是土壤微生物利用的主要碳源。不同树种凋落叶混合分解下,羧酸、碳水化合物、氨基酸3大类碳源是凋落叶混合分解下土壤微生物利用的主要碳源。冗余分析结果显示：不同树种凋落叶单一分解条件下MBC(P=0.002)、铵态氮(P=0.002)、MBN (P=0.002)纤维素酶(P=0.002)、含水率(P=0.004)、DOC (P=0.008)、交换性A1(P=0.002)对碳源代谢功能多样性解释能力极显著,分别能响应21.3%,18.6%,13.2%,9.9%,7.7%,6.1%,7.2%的土壤微生物碳源代谢多样性信息。不同树种凋落叶混合分解下,交换性A1(P=0.002)、C/N(P=0.002)、硝态氮(P=0.002)、含水率(P=0.002)、全P(P=0.002)、全N(P=0.002)、过氧化物酶(P=0.004)、MBN (P=0.002)对碳源代谢功能多样性解释能力极显著,分别能响应13.4%,10.9%,9.3%,7.9%,7.4%,7.0%,5.1%,4.8%的土壤微生物碳源代谢多样性信息。(14)高通量测序结果显示：7个不同凋落叶处理的土壤样品的优化序列分布在10029-105099之间,统一测序深度后OTUs数量分布在2786-3400之间,不同样品OTUs大小顺序为：SRSHRNMSHNSHRNSNSHRS, OTUs、Chaol、Ace指数均表明了杉阔凋落叶混合分解下土壤中细菌的丰富度大于S。(15)凋落叶混合分解条件下土壤细菌Shannon指数变化范围为：6.4923-6.6970,Shannon指数大小顺序为：SHRSRSHRNSHRNMSHNSNS,表明杉阔凋落叶混合分解下土壤细菌多样性均高于“S”,且“SHR”土壤细菌多样性最高。(16)7个不同的凋落叶处理下的表层土壤中共检测出至少23门,108科,180属的细菌,每个样品中至少有82%以上的优质序列在门水平上得以分类,不同凋落叶组合在门分类水平上差异不明显,在科、属分类水平上差异明显。放线菌门、变形菌门、绿弯菌门、酸杆菌门、拟杆菌门、厚壁菌门为优势细菌门类。与杉木凋落叶单一分解相比,杉阔凋落叶混合分解会降低土壤中某些优势门类细菌的丰度,如绿弯菌门、酸杆菌门、候选门TM7,同时提高某些劣势门类细菌的丰度,如螺旋体门、热袍菌门、互养菌门、放线菌门。(17)前9个优势门类在每个样品中的累积丰度均大于80%。主成分分析结果显示前四主成分能总共能概括96.85%的细菌多样性信息,其中第一主轴能概括42.82%的细菌多样性信息,第二主轴能概括29.66%的的细菌多样性信息,前两主轴总共能概括72.48%的细菌多样性信息,能很好的概括大部分细菌多样性信息。与第一主轴极显著相关的细菌为：Acidobacteria(r=-0.7648,p0.01)、Bacteroidetes (r=0.9445, p0.01)、Gemmatimonadetes (r=-0.9445,p0.01)；与第二主轴极显著相关的细菌为：Chloroflexi (r=0.7603,p0.01)、TM7 (r=0.9428, p0.01)、Armatimonadetes (r=0.6658, p0.01)(18)冗余分析结果显示,5环境因子对凋落叶混合分解下土壤细菌多样性有良好解释能力,总共能解释97.7%的细菌多样性信息,贡献率从大到小的顺序为：速效磷(40.4%)、纤维素酶(26.8%)、DOC(14.1%)、全碳(10.5%)、木质素(5.9%)。速效磷、木质素、DOC主要解释了Bacteroidetes、Acidobacteria、Gemmatimonadetes门类的多样性信息,纤维素酶主要解释了Chloroflexi、Armatimonadetes、TM7、Actinobacteria的多样性信息。(19)相比较于杉木凋落叶单一分解,"SHN"、"SHRNM"、"SHR"、"SHRN"均显著改善了土壤的生态功能,"SH"、"SM"显著降低了土壤的生态功能。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：福建农林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S714

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