高寒森林溪流凋落叶分解过程中的微生物群落演变

发布时间：2018-06-20 18:31

本文选题：高寒森林 + 溪流　；参考：《四川农业大学》2016年博士论文

【摘要】：高寒森林溪流凋落物分解过程中的微生物群落演变不仅是认识溪流生态系统物质循环与能量流动等关键生态学过程的重要内容,而且对于了解高寒森林陆地与水体间的生态联系具有重要意义,但缺乏必要关注。基于“受雪被和冻融影响,高寒森林溪流季节性环境变化可深刻影响微生物群落结构,进而调控凋落物分解及其相关的关键生态学过程”的科学假设,本研究以年积雪达5-6个月的川西高寒森林溪流为平台,以区域内冠层优势物种方枝柏(Sabina saltuaria)和四川红杉(Larix mastersiana)、河岸优势植物康定柳(Salix paraplesia)和高山杜鹃(Rhododendron lapponicum)的凋落叶为研究对象,在雪被形成期、雪被覆盖期、雪被消融期、生长季前期和生长季后期,研究了高寒森林、溪流、河流和河岸带凋落叶分解过程中微生物的群落组成、丰度、及多样性等结构特征及其与凋落叶分解的相互关系,结合同步温度动态和水环境特征监测,分析凋落叶分解过程中微生物群落结构的演变动态。主要结果如下：1、高寒森林存在普遍的季节性冻融循环,雪被的形成、覆盖和消融及土壤的冻融过程都会直接改变水环境,深刻影响其中的微生物类群。因此,尽管凋落叶在水环境中分解更快,但微生物丰度在时空差异性大且营养物质相对低的水环境中的丰度比在陆地森林中低。凋落叶的异质性使得在同种生境中,不同凋落叶上微生物类群丰度产生显著性的差异,致使微生物丰度在基质质量较高的康定柳凋落叶中最高。但是,因为受气候和环境因子的影响程度各不相同,甚至凋落叶异质性的影响被削弱,因此某些凋落叶类型对其微生物丰度并不产生显著影响。同时,本研究基于实时荧光定量PCR的研究结果发现在相同环境同一物种凋落叶中,细菌丰度均远高于真菌丰度,并更容易受凋落物类型及环境因子的深刻影响,充分说明细菌在凋落物分解早期也具有一定的作用。2、对凋落叶中AAPB(好氧不产氧光合菌,Aerobic Anoxygenic Phototrophic Bacteria)丰度的研究结果显示,AAPB在细菌类群中的相对数量极低(AAPB pufM丰度／细菌16S rDNA丰度0.2%),在不同的生态环境中AAPB的丰度变化具有明显的季节性动态特征,在温度较高的生长季节丰度较高,而在温度较低且冻融循环作用强烈的冬季丰度较低。本研究的三个水环境中,AAPB丰度均表现出与可溶性有机碳极显著的正相关(P0.01)；不同的水环境中AAPB丰度与温度的显著相关性程度不同,溪流和河岸带环境中与温度呈极显著正相关(P0.01),而河流环境中与温度呈正相关性,但不显著(P0.05)。凋落叶的异质性与生态环境的异质性是导致各凋落叶中的AAPB丰度变化及其对环境的响应存在明显差异的主要原因。3、随着凋落叶的分解,不同生态环境的凋落叶中的微生物群落及其结构发生显著的改变,且均表现出明显的季节性特征。空间差异性大且营养物质相对低的溪流和河流中凋落叶细菌多样性指数比陆地森林凋落叶中的低,在各凋落叶之间变化特征相似,这说明凋落叶分解过程中,细菌群落易受到环境异质性的影响。河岸带中各凋落叶细菌多样性指数变化存在明显差异,说明河岸带凋落叶异质性加深了对其分解过程中细菌群落的影响。聚类结果显示季节性变化是影响水环境或者土壤中细菌群落的主要因素,而凋落叶中细菌结构同时受到季节性变化和凋落叶物种差异的综合作用。凋落叶两年的分解过程中,主要的细菌类群组成包括了戈登氏菌属(Gordonia sp.)、红球菌属(Rhodococcus sp.)、地杆菌属(Terrabacter sp.)、产碱菌属(Alcaligenes sp.)、芽孢杆菌属(Bacillus sp.)、分枝杆菌属I(Mycobacterium sp.)、假单胞菌属(Pseudomonas sp.)、鞘脂单胞菌属(Sphingomonas sp.)、糖丝菌属(Saccharothrix sp.、链霉菌属(Streptomyces sp.)、弗兰克氏菌亚目(Frankineae)及伯克氏菌目(Burkholderiales)。溪流水环境及其凋落叶中,细菌类群以红球菌属为主；河流水环境及其凋落叶中,细菌类群相对单一,且红球菌属的优势地位更突出；河岸带水环境及其凋落叶中,红球菌属细菌的比例迅速减少,而芽孢杆菌、假单胞菌及放线菌(actinomycetes)比例增加。森林林下土壤细菌类群丰富,以芽孢杆菌为主。此外,凋落叶异质性是影响细菌丰度和多样性指数的主要原因之一,同时削弱了温差带来的影响,但是实验结果分析表明,季节性变化和环境异质性可能才是影响凋落叶分解过程中细菌类群的主要因素。4、高寒森林的季节性气候、冻融作用、环境理化因子及凋落叶的异质性对真菌群落结构及其多样性均具有更深刻的影响,在不同生境或者同一生境的不同凋落叶中真菌群落之间差异较大。真菌多样性在水环境及其凋落叶中表现出相似的特征,主要是受水环境的相似性和真菌比细菌更耐低温的物种特性影响；尽管凋落叶在水环境中分解更快,但水环境真菌多样性指数更小,随凋落叶分解过程的波动性更大,这是由于水环境较森林环境具有更强烈的时空变化,直接导致凋落叶破碎及物质的淋洗和流失。聚类结果也表明,季节性变化是影响水环境或者土壤环境中真菌群落的主要因素,并且凋落叶真菌结构同时受到季节性变化和凋落叶物种差异的综合作用。凋落叶两年的分解过程中,主要的真菌类群组成包括了格孢菌属(Pleosporales sp.)、曲菌属(Aspergillus sp.)、根霉属(Rhizopus sp.)、伞形霉属(Umbelopsis sp.)、酵母菌(Hanseniaspora)、空团菌属(Cenococcum sp.)、腐质霉属(Humicola sp.)、黑团壳属(Massaria sp.)、枝孢属(cladosporium sp.)及子囊菌门(Ascomycota)和接合菌门(Zygomycota)中的其它物种。溪流水环境及其凋落叶中,真菌类群以曲霉属和空团菌属为主,其中空团菌属在各个时期均占据优势地位；河流水环境及其凋落叶中,曲霉属、枝孢属、黑团壳属真菌和子囊菌门的某类真菌成为主要类群,未检测到格孢菌属真菌。河岸带环境及其凋落叶中的真菌类群比溪流和河流环境中丰富,河岸带水环境和凋落叶中的格孢菌属真菌所占比例大幅增加,同时检测到根霉属和接合菌门真菌,其中,根霉属在河岸带凋落叶中占据一定的比例,且在某些时期成为优势类群。森林土壤及其凋落叶的真菌类群数量和种类更加丰富,格孢菌属、伞形霉属和曲霉属真菌在各个时期稳定存在并占据优势地位,根霉属真菌大幅减少,且只在生长季节检测到。实验结果分析表明,凋落叶分解过程中其物种差异性对真菌类群的影响更大。5、AAPB多样性指数在温度较高的生长季节高,而在温度较低且冻融循环作用强烈的冬季低,这一特征在溪流水环境中尤其明显。AAPB类群的多样性受到可溶性有机碳的深刻影响,同时由于环境差异和凋落叶异质性,凋落叶中的AAPB多样性指数受不同环境因子的影响差异明显。与细菌和真菌相似,聚类结果也显示了季节性变化是影响环境AAPB群落结构的主要原因,并在溪流水坏境和森林土壤中更明显,季节性变化和物种差异的综合作用则是影响凋落叶AAPB群落结构的主要原因。凋落叶两年的分解过程中,主要的AAPB类群组成包括了甲基杆菌属(Methylobacterium sp.)、鞘脂单胞菌属(Sphingomonas sp.)、伯克氏菌目(Burkholderiales)、赤杆菌属(Erythrobacter sp.)、红假单胞菌属(Rhodopseudomonas sp.)、红螺菌属(Rhodospirillum sp.)、红长命菌属(Rubrivivax sp.)、小红卵菌属(Rhodovulum sp.)、 Arctic spring bacterium sp.、微球菌属(Microbacterium sp.)、玫瑰杆菌属(Roseobacter sp.)和盐红螺旋菌属(Halorhodospira sp.)的物种。溪流水环境及其凋落叶中以红螺菌、红长命菌、红假单胞菌及伯克氏菌目光合细菌为AAPB的主要类群；河流环境及其凋落叶中,优势AAPB类群发生改变,鞘脂单胞菌、红假单胞菌和红长命菌成为主体；河岸带环境及其凋落叶中,鞘脂单胞菌、红假单胞菌和红长命菌依然是AAPB类群的主体,鞘脂单胞菌比例更高。森林土壤及其凋落叶中的AAPB类群以鞘脂单胞菌、红假单胞菌和甲基杆菌为主。红长命菌在森林土壤中未检出。6、凋落叶两年的分解过程中,微生物对凋落叶的分解具有显著的贡献。溪流环境中,各凋落叶的残留率与其中细菌丰度和真菌丰度均存在显著或极显著正相关(P0.05或P0.01)。河流水环境、河岸带水环境和森林林下土壤环境中,凋落叶的残留率与细菌或真菌丰度之间的显著性正相关性减弱甚至不存在显著相关；并且仅在溪流环境中,康定柳、高山杜鹃和四川红杉凋落叶的残留率与其AAPB丰度呈极显著正相关(P0.01)。同样,微生物多样性与凋落叶残留率的结果分析显示溪流环境各凋落叶残留率分别与凋落叶真菌及AAPB多样性指数呈极显著正相关(P0.01)。而河流水环境、河岸带水和森林林下这种相关性明显减小或不显著。这些结果都充分说明,溪流环境中微生物对凋落叶分解的影响比在其他环境中更深刻,也就表现出溪流环境中各凋落叶的分解均较在另外三个环境中更快。另一方面,基质质量的差异不仅影响微生物的丰度,同时也对凋落叶微生物多样性产生不同的影响而促进或抑制凋落叶分解。因此,基质质量高的康定柳凋落叶中,微生物丰度和多样性均更高,其凋落叶的分解也更快。总之,川西高寒森林各异质性的生态环境及其凋落叶中维持着丰富多样的微生物群落。在凋落叶的分解过程中,季节性变化、冻融循环和土壤冻结、环境的差异及凋落叶的异质性综合作用于微生物的数量和群落结构,导致各微生物类群的数量和结构及其变化在同一生境的不同凋落叶之间,或不同生境的同种凋落叶之问,以及随凋落叶分解进程产生巨大的差异,最终在不同程度上作用于凋落叶的分解。研究所得结果为深入认识高寒森林凋落物分解及其相关的物质与能量过程提供了科学理论依据。
[Abstract]:Based on the results of real - time fluorescence quantitative PCR , it is found that there is a significant difference in microbial community composition , abundance and diversity in alpine forest land and water environment . The results of the study showed that the relative abundance of AAPapb in the bacterial population was very low ( the abundance / bacteria 16S rDNA abundance 0.2 % ) . In different ecological environments , the abundance of AAPapb had obvious seasonal dynamics . In the three water environments of the study , the abundance of AAPapb showed a significant positive correlation with soluble organic carbon ( P0.01 ) .
The results showed that the diversity index of litter leaves in the litter leaves was significantly different from that of terrestrial forest . The results showed that the seasonal change was the main factor affecting the bacterial community in the water environment or the soil .
In the river water environment and its litter leaf , the bacterial flora is relatively simple , and the dominant position of the genus Rhodococcusis more prominent .
In addition , the seasonal climate , freeze - thaw action , environmental physical and chemical factors and the heterogeneity of litter leaves have a more profound effect on the structure and diversity of fungi communities .
The results also show that seasonal variation is the main factor affecting water environment or fungal community in soil environment , and the main fungal group composition includes Pleosporales sp . , Aspergillus sp . , Cenococcum sp . , Humicola sp . , Massaria sp . , Cladosporium sp . and other species in Ascomycota and Zygomycota . In the stream water environment and its litter leaf , the fungus group mainly belongs to the genus Aspergillus and Ascomyum , where the genus Acomycota is dominant in all times ;

In the river environment and its litter leaf , the dominant A / B group changed , and the Pseudomonas , Rhodobacter sphaeroides and Rhodobacter sphaeroides became the main bodies ;
In the stream environment , the residual ratio of litter leaves was significantly correlated with the bacterial abundance and the abundance of fungi ( P0.05 or P0.01 ) . There was no significant correlation between the residual rate of litter and the abundance of bacteria or fungi in the river water environment , the river bank water environment and the forest forest soil environment .
In conclusion , the effects of microbial diversity and litter leaf residue on litter leaf decomposition were significantly higher than those in other three environments .
【学位授予单位】：四川农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S714

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