倒木对土壤微生物群落特征的影响

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以倒木为主的粗木质残体约占森林木质生物量的20-30%,对森林更新、地力维持、物质循环和生物多样性保育等至关重要。大量研究证实,倒木的有机质分解和养分循环主要是通过土壤微生物群落主导的生物化学降解过程来实现,与倒木特性(如倒木类型、腐解等级)和分解环境密切相关。倒木的形成通常伴随着林窗的产生,林窗可通过改变地表微环境直接影响土壤微生物群落多样性和结构,也可通过改变倒木上附生植物群落和倒木的分解过程间接作用于土壤微生物群落,但这些过程缺乏系统研究。因此,利用2013年在川西亚高山森林设置的岷江冷杉(Abies faxoniana)倒木控制实验,采用腐解等级序列(I-V)研究方法,于2019年植物生长季节(生长季节早期、生长季节中期、生长季节末期),研究林窗中心(Gap center)、林窗边缘(Gap edge)、郁闭林下(Closed canopy)倒木环境条件下土壤理化性质和土壤微生物群落多样性及结构变化特征。主要研究结果如下:(1)土壤温度和p H值随腐解等级的增加而增加,且林窗中心>林窗边缘>郁闭林下,而含水量呈相反趋势。土壤总有机碳、全氮磷含量、总有机碳/全氮比、微生物生物量随腐解等级的增加而增加,在IV或V腐解等级下最高,而土壤全氮/全磷比和微生物量比值呈相反趋势。与郁闭林下相比,高腐解等级下土壤总有机碳、全氮含量和微生物生物量在林窗中心显著更低。(2)基于高通量测序对真菌ITS区域进行分析,土壤样品总计获得6505个OTU,隶属于16门、51纲、146目、329科和751属。真菌群落Alpha多样性在IV或V腐解等级最高,且郁闭林下最低。担子菌门(Basidiomycota)和子囊菌门(Ascomycota)为优势门。担子菌门(Basidiomycota)的相对丰度随腐解等级的增加而增加,表现为林窗中心<林窗边缘<郁闭林下;子囊菌门(Ascomycota)的相对丰度随腐解等级的增加而降低,在不同林内位置间无显著差异。在属水平上,丝盖伞属(Inocybe)、乳菇属(Lactarius)、红菇属(Russula)、镰刀菌属(Fusarium)、Piloderma、土赤壳属(Ilyonectria)、被孢霉属(Mortierella)、蜡壳菌属(Sebacina)为优势属。丝盖伞属相对丰度随腐解等级的增加而降低,而乳菇属和红菇属相对丰度在V腐解等级最高。乳菇属、红菇属、Piloderma和蜡壳菌属的相对丰度均在林窗中心较低,而镰刀菌属和土赤壳属的相对丰度在郁闭林下较低。(3)基于高通量测序对细菌16S V3-V4区域进行分析,土壤样品总计获得11291个OTU,隶属于49门、58纲、135目、271科和703属。细菌群落Alpha多样性在III或IV腐解等级最高,且郁闭林下最低。变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)和放线菌门(Actinobacteria)为优势门。变形菌门(Proteobacteria)和放线菌门(Actinobacteria)相对丰度在高腐解等级下更低,酸杆菌门(Acidobacteria)呈相反趋势。变形菌门相对丰度在林窗边缘最高,酸杆菌门在郁闭林下最高,而放线菌门在林窗中心最高。在属水平上,慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium)、Candidatus_Solibacter属、苔藓杆菌属(Bryobacter)、热酸菌属(Acidothermus)、酸杆菌属(Acidibacter)、Granulicella属、玫瑰弯菌属(Roseiarcus)、赫黄嗜盐囊菌属(Haliangium)为优势属。慢生根瘤菌属、苔藓杆菌属、酸杆菌属和玫瑰弯菌属相对丰度在高腐解等级下更高。林窗对细菌优势属的影响因腐解等级而异。(4)相似性分析(ANOSIM)以及基于Bray-Curtis距离算法的置换多元方差分析(PERMANOVA)、非度量多维尺度分析(NMDS)和主坐标分析(PCo A)表明,土壤真菌和细菌群落特征在倒木不同腐解等级和不同林内位置间差异显著。冗余分析(RDA)显示,土壤真菌群落的Shannon指数和Simpson指数与土壤总有机碳、全氮磷含量呈显著正相关;Chao1指数和ACE指数与微生物生物量氮磷比呈显著正相关;担子菌门(Basidiomycota)和子囊菌门(Ascomycota)分别与土壤温度、p H值呈显著正相关;丝盖伞属(Inocybe)与全氮/全磷比、p H值呈显著正相关,Piloderma和丝膜菌属(Cortinarius)与土壤含水量呈显著正相关。土壤细菌群落的Shannon指数与土壤总有机碳、全氮磷含量呈显著正相关;Chao1指数和ACE指数与土壤温度呈显著正相关;变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)和放线菌门(Actinobacteria)分别与土壤全氮/全磷比、微生物生物量碳、微生物生物量氮磷比呈显著正相关;慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium)和Granulicella属与土壤含水量呈显著正相关。综上所述,亚高山针叶林倒木的形成提高了土壤微生物生物量和微生物多样性,其缓慢的分解过程为土壤微生物生长繁殖提供了有利的环境和栖息生境。同时,林窗的形成通过影响土壤温湿度和p H值降低了土壤微生物生物量,增加了土壤微生物多样性,且在高度腐解等级倒木下作用更显著。这些研究结果为深入认识亚高山森林生态系统物质循环过程和生产力维持机制提供了参考。
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