高寒草甸土壤微生物多样性与植物群落功能属性的关系

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土壤微生物在生态系统物质循环和能量流动中发挥重要作用,土壤微生物多样性的形成和维持机制是群落构建研究的主题之一。大量研究表明土壤理化特性是土壤微生物多样性形成的重要驱动因子;由于土壤、微生物和植物相互联系和作用,理论预测土壤微生物多样性不仅受土壤理化特性影响,也受植物多样性等影响。当前研究表明植物物种多样性与土壤微生物多样性关系并不密切,基于区域大尺度的研究表明土壤微生物多样性与植被特性有关;在局域小尺度上,土壤微生物多样变化是否受植物群落功能属性(群落水平功能性状,Community-weighted mean,CWM;性状多样性,Functional diversity,FD)影响仍不清楚。本研究基于局域小尺度探究土壤微生物多样性(土壤细菌和真菌多样性)空间变化与植物群落功能属性变异的关系。本研究在青藏高原东缘高寒草甸选取三个试验点,每个试验点选择四个生境(沟底平地、阴坡、阳坡和山顶),每个生境设置三个样方。在每个样方中测量植物群落组分种的五个关键功能性状,计算植物群落水平功能性状和性状多样性;并在每个样方中采集土壤,采用高通量测序分析样方中的土壤细菌及真菌多样性。利用广义线性混合模型,比较土壤细菌及真菌优势类群(门水平和属水平)和土壤理化特性在不同试验点和生境之间的差异;采用多元分析和偏回归检验土壤细菌和真菌多样性与植物群落功能属性和土壤理化特性的关系。主要研究结果如下:(1)高寒草甸土壤细菌门水平优势类群为疣微菌门、变形菌门、酸杆菌门和浮霉菌门;属水平上优势类群为GP4、GP6、盐单胞菌属及GP1。土壤真菌门水平优势类群为接合菌门、子囊菌门、担子菌门和球囊菌门,属水平优势类群为被孢霉属、隐球菌属、丝盖伞属、蜡壳菌属和蜡伞属。土壤细菌门及属水平优势类群的分布因生境而异;土壤接合菌门和球囊菌门及被孢霉属在四个生境分布差异显著。(2)样方间土壤理化特性变化解释土壤细菌丰富度变异的43%,土壤细菌Shannon指数变异的37%。土壤细菌多样性随土壤湿度、全磷、速效磷、有机碳和全氮的增加而增加,随土壤速效氮和土壤pH的增加而降低;土壤理化特性变化解释土壤真菌丰富度变异的21%,土壤真菌丰富度随土壤pH、全氮和速效氮的增加而增加,随土壤有机碳、有机质和碳氮比的增加而降低。(3)植物群落水平功能性状变化解释28%的土壤细菌丰富度变异,37%的土壤细菌Shannon指数变异。土壤细菌多样性与植物群落水平的比叶面积和株高显著正相关,与群落水平叶片干物质含量显著负相关;植物群落水平功能性状变化解释20%的土壤真菌丰富度变异,土壤真菌丰富度与群落水平株高显著负相关。(4)植物群落性状多样性变化解释19%的土壤细菌丰富度变异,28%的土壤细菌Shannon指数变异。土壤细菌多样性与株高和比叶面积的多样性显著正相关;植物性状多样性变异解释土壤真菌丰富度变化的33%,土壤真菌丰富度随叶片氮和磷含量多样性的增加而增加,随株高和叶片干物质含量多样性的增加而减小。综上所述,在局域小尺度上土壤微生物多样性变化不仅与土壤理化特性变异相关,而且与植物群落功能属性变化有关。在环境适宜而土壤资源相对丰富的生境,植被趋于快速生长,植株高度较高、性状多样性较高,土壤细菌多样性较高而真菌多样性较低;在环境严酷而土壤贫瘠的生境中,植被生长更趋于采取保守策略,植被高度较低、性状多样性较低,土壤细菌多样性较低而真菌多样性较高。总之,植物群落功能性状及性状多样性显著影响土壤微生物多样性,同时也受微生物反馈影响。本研究为深入理解高寒草甸土壤微生物多样性形成和维持提供了新视角。
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