松嫩草地土壤微生物对植物及草食家畜放牧的响应机制

发布时间：2017-08-02 11:02

  本文关键词：松嫩草地土壤微生物对植物及草食家畜放牧的响应机制

  更多相关文章： 草地生态系统 植物多样性 植物功能群 大型草食动物 多营养级关系 土壤细菌群落结构 土壤真菌群落结构 土壤真菌和细菌数量比

【摘要】：土壤微生物(soil microbes)是陆地生态系统的重要组成部分,其作为土壤中种类最丰富和数量最庞大的生物类群在生态系统中发挥着重要的分解功能,因此,微生物群落的改变在不同程度上会对养分循环等过程和功能产生影响。反过来,植物通过对资源质与量的控制、或者土壤因素的改变也会直接或间接的对土壤微生物群落产生调控。研究也证明植物与地下生物间的生态联系以及对生态系统功能的作用常受到其他营养级的强烈影响,尤其是地上草食动物的作用。在草地生态系统中,大型草食动物放牧(grazing by large herbivores)不仅能够影响草地(grassland)植被群落结构而且能够改变资源转化效率;同时,不同植物资源的分布也影响着草食动物的采食行为。而在天然草地影响草食动物采食的诸多植物群落特征中,植物多样性和功能群类型(functional groups)被认为是其中的重要因素。因此,综合大型草食动物和植物之间的紧密联系,进一步分析其对地下微生物群落的影响,对于理解草地生态系统地上和地下生物之间的联系(linkages between above-and below-ground communities)具有十分重要意义。本研究在我国松嫩草地中部的天然草甸上开展。我们分别在低和高植物多样性样地中进行了不同组合大型草食家畜放牧——无牧、牛放牧、牛和羊放牧,利用454焦磷酸测序技术(454 pyrosequencing technology)对不同植物多样性背景以及主要植物功能群(plant functional groups)下的土壤细菌(bacteria)和真菌(fungi)的群落分别进行了系统的研究。通过比较不同处理下土壤微生物群落的结构和数量的差异,并分析其与土壤和植物因子的联系,以探究松嫩草地的大型草食家畜通过植物和土壤对地下微生物群落产生影响的途径、土壤微生物群落变化的调控因子以及土壤微生物群落对植物和动物调控的响应机制。这一研究既有助于提高对草地生态系统土壤微生物群落变化规律的认识,而且,能够拓展对生物多样性的理解;同时,对于进一步研究地上和地下生物关系对于生态功能的调节作用以及有效的草地放牧管理制度的建立具有重要的理论价值和实践意义。通过一系列实验设计和实验方法,获得了以下主要研究成果:(1)大型草食动物放牧和植物对不同土壤理化性质的作用不同,且动物与植物对土壤指标的交互作用是通过特定的草食动物组合和植物背景而实现。在植物群落水平,尤其是在牛和羊混合放牧时,土壤含水量、有机碳和总氮随植物多样性的升高而增大。其主要原因包括:低植物多样性样地中牛和羊采食的累加效应对优势禾草的大量减少影响根系发达的禾本科植物的保水能力及其向地下输入资源的量;高植物多样性样地中牛和羊的互补效应使植物广泛且均匀地被采食而引起的多样性和生物量的增大,有利于土壤水分的保持并为资源向地下的输入提供了保证。而土壤pH和电导率在高植物多样性样地、牛放牧处理时最高,说明丰富资源的获取相对保证了牛排泄物量向地下的输入可能促进了土壤盐离子的积累和离子循环,从而利于土壤氢离子的浓度的增加。而在不同植物功能群水平(多年生根茎禾草和杂类草),基于高植物多样性背景以及牛和羊放牧组合的共同作用,物种丰富且纤维素较低的杂类草比多年生根茎禾草更利于土壤养分的积累和水分的保持;同时,杂类草功能群下较高的总氮含量促使其土壤酸碱度的降低。以上结果说明,植物背景及放牧方式都会对松嫩草地土壤的主要理化指标产生影响,其中,高植物多样性背景、杂类草功能群、适度且牛与羊混合放牧的方式最有利于土壤含水量和养分的提高以及土壤环境的改善。(2)植物多样性和大型草食动物放牧对土壤细菌群落多样性具有显著影响,且植物多样性对细菌群落多样性的促进依赖于草食动物放牧的作用。大型草食动物在高植物多样性样地相比在低植物多样性样地对土壤和植物资源的促进作用,利于土壤细菌群落多样性的提高;同时,结构方程模型结果也证明驱动地下土壤细菌群落多样性的重要因素是植物资源的质和量。而土壤细菌群落组成仅受到草食动物放牧的显著影响,并且,细菌群落组成对放牧的响应只体现在特定的细菌类群,包括浮霉菌门、芽单胞菌门、硝化螺旋菌门和疣微菌门。因为其较大的基数或自我稳定机制,相对多度最高的变形菌门和放线菌门对外界干扰却并不敏感。以上结果说明,在不同植物多样性背景下,大型草食动物放牧通过对资源质和量的改变影响着土壤细菌群落多样性和特定细菌类群及其相关生态功能。植物功能群和大型草食动物放牧对土壤细菌群落多样性和组成也具有较强的调控作用,且大型草食动物处理对植物功能群下土壤细菌群落多样性的调控仅存在于高植物多样性样地。杂类草主要通过对土壤电导率和ph的降低而提高土壤细菌群落多样性,且土壤电导率也是影响土壤细菌群落组成的主要驱动因素。其中,放线菌门、酸杆菌门、芽单胞菌门、绿弯菌门和疣微菌门是对植物功能群的变化有响应的类群。本实验结果说明,在松嫩草地,不同植物功能群下土壤生境的盐离子浓度的改变对土壤细菌群落结构具有重要的调节功能;而且,高植物多样性背景以及牛与羊混合放牧的方式对不同植物功能群下的土壤细菌群落多样性的提高均是最佳模式。(3)与土壤细菌群落多样性的变化明显不同,不论在植物群落还是植物功能群水平下,土壤真菌群落多样性对各处理均不敏感。其主要原因可能是土壤中庞大而复杂的菌丝网络的存在以及大多数植物通常跟多种真菌具有密切联系。在植物群落整体水平,植物多样性背景显著影响真菌群落组成。其中,相对多度最高的子囊菌门随多样性升高而增加是土壤真菌的系统发育结构和群落组成对植物多样性背景有明显响应的重要体现,而担子菌门、球囊菌门、接合菌门和壶菌门对植物多样性的变化并不敏感。研究证明土壤水分、养分和ph值是影响土壤真菌群落组成的重要因素。以上结果说明,植物多样性的变化仅对主要的真菌门类具有较强的影响;且土壤真菌的群落可能比细菌更稳定、抗干扰能力更强。不同植物功能群和大型草食动物放牧均能显著改变土壤真菌群落组成。其中,在低植物多样性无牧处理时,多年生根茎禾草下子囊菌门的相对多度比杂类草下具有显著优势;而担子菌门、球囊菌门和接合菌门对大型草食动物放牧处理敏感,且其相对多度均在低植物多样性牛放牧处理时最低。而土壤容重和地上生物量是土壤真菌群落组成的主要调控因子。由此可知,在植物功能群水平上,土壤真菌类群对植物功能群和草食动物放牧的变化具有强烈的响应;而不同的植物水平(植物群落多样性和功能群水平)是导致土壤真菌群落结构变化规律和主要因素具有差异的一个重要原因。(4)土壤细菌数量约为真菌数量的200-1200倍,因此,从基因拷贝数量水平上说明土壤细菌是松嫩草地的优势微生物群落。土壤真菌和细菌的基因拷贝数均不受植物多样性背景和大型草食动物放牧处理的影响,这可能与适度的放牧强度和4年放牧处理后高和植物多样性样地中植物物种丰富度接近等综合因素有关。而大型草食动物对土壤真菌和细菌数量比的作用是通过对土壤含水量和电导率的改变而实现的。其中,土壤电导率是影响真菌和细菌比最大的抑制因子,牛放牧处理下土壤水分的丧失和大量排泄物向地下的输入导致的土壤电导率的升高是导致土壤真菌和细菌比最低的重要原因。由此可知,在高盐碱而土壤养分相对较低的天然草甸,土壤细菌是优势微生物类群;且相比土壤细菌,真菌数量更容易受到土壤电导率和水分的影响。综合以上研究结果说明,大型草食动物和植物群落均对土壤特定理化指标和微生物群落具有显著影响,其两者的作用往往是相互依赖和影响的;适度且牛与羊混合放牧的方式以及高植物多样性背景下杂类草比例的提高最有利于松嫩草地土壤资源和细菌多样性的提高以及土壤环境的改善。本研究通过对土壤微生物群落变化规律的综合分析,发现土壤细菌群落结构对植物和草食动物干扰响应更敏感,而真菌群落结构则相对稳定、抗干扰能力较强;真菌和细菌的基因拷贝数量比对大型草食动物放牧处理的响应,却相对体现出真菌数量对土壤资源和环境改变的相对敏感性。以上结论说明,土壤微生物可以通过其群落结构和数量的改变、产生不同的调节机制以适应土壤环境、地上植物和更高营养级生物的影响。本研究通过对放牧生态系统中地上动物、植物和地下微生物之间关系的综合探究得到:一方面,土壤细菌和真菌的群落结构对于植物和动物间互作的不同响应对于深入理解地上和地下生物多样性关系及其对生态系统功能的发挥具有重要的理论价值;另一方面,牛和羊放牧对地下微生物多样性的维持和促进为草地生态系统草地家畜放牧管理中多种大型草食动物混合放牧方式的实施提供了实验支持和指导。
【关键词】：草地生态系统 植物多样性 植物功能群 大型草食动物 多营养级关系 土壤细菌群落结构 土壤真菌群落结构 土壤真菌和细菌数量比
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S812
【目录】：

• 中文摘要4-7
• Abstract7-13
• 第1章 引言13-23
• 1.1 研究背景13-15
• 1.2 研究现状与分析15-20
• 1.2.1 土壤因素对土壤微生物群落的影响15-16
• 1.2.2 植物群落对土壤微生物群落的影响16-17
• 1.2.3 草食动物对土壤微生物群落的作用17-19
• 1.2.4 研究中存在的问题19-20
• 1.3 研究目的、内容和意义20-21
• 1.3.1 研究目的与内容20
• 1.3.2 研究意义20-21
• 1.4 技术路线21-23
• 第2章 研究区域及研究方法23-36
• 2.1 研究区域23-25
• 2.1.1 地理位置23
• 2.1.2 气候特点23-24
• 2.1.3 土壤特征24
• 2.1.4 植被特征24-25
• 2.1.5 草地利用方式25
• 2.2 研究方法25-36
• 2.2.1 实验设计与样地设置25-27
• 2.2.2 取样时间和方法27-30
• 2.2.3 土壤细菌和真菌群落多样性和组成的测定30-33
• 2.2.4 土壤细菌和真菌数量的测定33-34
• 2.2.5 数据处理与统计分析34-36
• 第3章 植物与大型草食动物放牧对土壤理化性质的影响36-54
• 3.1 植物多样性背景与放牧对土壤理化性质的影响36-43
• 3.1.1 结果36-41
• 3.1.2 讨论41-43
• 3.1.3 小结43
• 3.2 植物功能群与放牧对土壤理化性质的影响43-54
• 3.2.1 结果44-51
• 3.2.2 讨论51-53
• 3.2.3 小结53-54
• 第4章 土壤细菌群落多样性和组成对植物与大型草食动物放牧的响应54-88
• 4.1 土壤细菌群落结构对植物多样性背景与放牧的响应54-69
• 4.1.1 结果55-63
• 4.1.2 讨论63-68
• 4.1.3 小结68-69
• 4.2 土壤细菌群落结构对植物功能群和放牧的响应69-88
• 4.2.1 结果70-80
• 4.2.2 讨论80-87
• 4.2.3 小结87-88
• 第5章 土壤真菌群落多样性和组成对植物与大型草食动物放牧的响应88-105
• 5.1 土壤真菌群落结构对植物多样性背景与放牧的响应88-95
• 5.1.1 结果88-93
• 5.1.2 讨论93-95
• 5.1.3 小结95
• 5.2 土壤真菌群落结构对植物功能群和放牧的响应95-105
• 5.2.1 结果96-101
• 5.2.2 讨论101-103
• 5.2.3 小结103-105
• 第6章 土壤微生物数量对植物多样性背景与大型草食动物放牧的响应105-110
• 6.1 结果105-107
• 6.1.1 土壤细菌数量、真菌数量以及真菌和细菌数量比105-106
• 6.1.2 影响土壤真菌和细菌数量比的重要因素106-107
• 6.2 讨论107-109
• 6.2.1 土壤真菌和细菌数量对植物多样性背景和放牧的响应107-108
• 6.2.2 土壤真菌和细菌数量比对植物多样性背景和放牧的响应108-109
• 6.3 小结109-110
• 第7章 结论与展望110-114
• 7.1 本研究的主要结论110-112
• 7.2 本研究的创新点112
• 7.3 本研究存在的问题及展望112-114
• 参考文献114-124
• 攻读博士学位期间公开发表的论文124-125
• 攻读博士学位期间参与的科研项目125-126
• 攻读博士学位期间内参加的国际、国内学术会议126

【参考文献】

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本文编号：608920