自然恢复和人工林重建对土壤原核微生物群落结构和建群机制的影响

发布时间：2017-12-10 05:02

  本文关键词：自然恢复和人工林重建对土壤原核微生物群落结构和建群机制的影响

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【摘要】：恢复受损森林是当今恢复生态学研究的热点。虽然生态学家对不同地区典型森林生态系统恢复过程中的植物种类选择、群落构建和土壤养分等基本理化性质的有了较全面的认识和理解,然而对土壤微生物群落在自然恢复或人工造林过程的作用与动态变化却了解很少,更不清楚微生物群落组成与功能特征变化的关键驱动因子及其调控的生态机制。土壤微生物是土壤碳、氮等物质循环的主要参与者,在森林生态系统结构和功能中起着十分重要的作用,深入认识土壤微生物群落结构、功能和多样性在生态恢复过程变化规律及其调控机制,对科学辨识土壤微生物群落在不同恢复阶段或者人工恢复类型中的生态系统功能和建群机制具有重要意义。本文主要采用16S rRNA基因高通量测序技术,研究了南亚热带地区森林生态系统采伐后自然恢复过程和人工造林重建过程中土壤原核微生物群落组成、结构特征变化规律和建群机制,探讨自然恢复过程中土壤微生物的恢复机制和不同人工造林重建对土壤微生物群落结构、功能和稳定性的影响。主要结论如下:(1)南亚热带石灰岩山地季节性雨林皆伐后形成的灌草(3年)、次生林(35年)和原始林(400年)3个典型阶段土壤原核微生物的组成、结构和多样性的研究表明:土壤古菌群落大约占总原核微生物的10%,其组成、结构和多样性在皆伐后自然恢复过程中并没有发生显著变化。但皆伐显著改变了土壤细菌群落组成和结构(p=0.018),采伐后形成的灌草地与原始林土壤细菌群落组成结构具有显著差异,但经过35年的恢复,次生林的土壤细菌群落结构与未干扰的原始林相似,这一发现说明土壤细菌群落在受到干扰后自然恢复过程中的演替具有可预测性。实际上,森林皆伐后土壤微生物的恢复至少需要30年,甚至更长的时间。森林皆伐后形成的灌草地土壤细菌群落多样性并没有显著低于原始林土壤,但经过35年恢复的次生林细菌群落多样性达到最高。这说明多样性变化规律符合宏观生态学中的中度干扰理论:重度干扰或者很少干扰均会降低土壤原核微生物的多样性,而适度的干扰则会提高土壤微生物的多样性。(2)用原核微生物群落组成的系统发育谱系距离推算微生物的建群过程发现:皆伐显著地增加了最近种间亲缘关系指数(nearest-taxon-index,nti)和净种间亲缘关系指数(netrelatednessindex,nri),这表明皆伐显著增加了生态位作用在群落构建中的重要性(p=0.001),但经过35年的自然恢复,次生林nti和nri指数恢复到了周围未砍伐的原始林水平。此外,冗余分析表明皆伐后自后恢复过程中细菌群落的变化和除土壤ph之外的其他因子均显著相关,其中铵态氮,硝态氮和碳氮比,是细菌群落组成结构变化中的主要驱动因子。这意味着皆伐造成低的资源条件可能起到了“环境筛”的作用,提高了生态位作用在群落构建中的重要性。自然恢复过程中土壤古菌群落的nti和nri指数均没有发生明显变化,这表明皆伐对土壤古菌群落构建没有显著影响,同时研究还发现在自然恢复过程中土壤因子和古菌群落的组成变化没有显著相关性。(3)人工重建的马尾松纯林、红椎纯林、桉树纯林、格木纯林和云南石梓纯林和对应的马尾松红椎混交林、桉树格木混交林和云南石梓格木混交林的土壤细菌群落的组成和结构研究结果表明:树种混交显著改变了土壤细菌的群落组成结构(p0.05),且不同混交林间的土壤细菌群落结构变得更加相似。基于矩阵的多元逐步回归分析(permutation-basedmultipleregressionondistancematricesmrm)表明,环境因子中土壤可溶性碳中的葡萄糖、土壤碳矿化率、游离有机酸和酚类化合物、可溶性碳铵态氮、硝态氮、有效磷和碳氮比对土壤微生物的群落结构有显著影响(p0.05),其中低分子量化合物和碳矿化率的影响最显著,而土壤ph值、土壤有机质和土壤总氮的影响较小。由环境因子和微生物分子构建的生态网络模(molecularecologicalnetworksmens)表明,土壤可溶性碳中低分子量化合物(主要源自植物根系分泌物)是最重要的影响因子,土壤碳矿化率次之。进一步检测混交后微生物群落结构对其调控的生态过程的影响,发现纯林刺激了r策略细菌(变形菌门和拟杆菌门)的生长,同时发现r策略细菌的相对含量和土壤碳净矿化率成正比。混交林的情况与此相反,r策略细菌的相对含量较低,k策略细菌(酸杆菌门)相对含量较高,而且k策略细菌相对含量与土壤碳净矿化率成反比。这表明树种混交不仅改变了土壤微生物的群落结构,还改变了其调控的土壤碳矿化过程。(4)马尾松红椎混交林、桉树格木混交林和云南石梓格木混交林的土壤细菌群落稳定性显著高于马尾松纯林、红椎纯林、桉树纯林、格木纯林和云南石梓纯林细菌群落。3种混交林的土壤细菌群落谱系多样性显著高于5种纯林细菌群落。同时,研究还发现混交林土壤细菌群落的最近种间亲缘关系指数NTI和净种间亲缘关系指数NRI显著小于纯林(p0.05),这表明混交林土壤细菌群落种间距离更大,增加了细菌生态位的分化。与此保持一致的是,细菌群落的分子生态学模型分析表明,纯林细菌群落有更多的生态位重叠现象。土壤细菌群落多样性指数和稳定性之间的相关分析表明,土壤微生物群落结构的谱系多样性和谱系结构均显著影响细菌群落稳定性(p0.05),而丰富度和香浓多样性对微生物群落稳定性没有显著影响,这表明树种混交通过增加土壤细菌群落的生态位分化提高了微生物群落的稳定性。
【学位授予单位】：中国林业科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S714
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本文编号：1273196