不同空间尺度上环境因素对亚热带竹林土壤微生物多样性的影响

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竹林是我国南方丘陵山区最主要的经济林种之一,具有分布广、根系发达、再生能力强、速生丰产、经济价值高等特点,在水土保持、植被恢复和土壤肥力提升等方面起着重要作用,是发展丘陵立体种植业的重要林种。深入研究竹林土壤微生物空间分布格局形成机制可以帮助预测生态系统对环境变化的响应,为应对全球气候变化背景下的竹林土壤可持续管理提供理论依据。  本研究针对我国亚热带毛竹林主要分布区,在浙、闽、湘、赣4省沿经度带和纬度带选取典型产毛竹大县(市),采集了198个竹林表层土壤样本(0~20cm)。利用磷脂脂肪酸(phospholipid fatty acids,PLFAs)、变性梯度凝胶电泳(denaturing gradient gel electrophoresis,DGGE)、高通量测序(High-throughput Sequencing)等研究手段,分析我国亚热带丘陵区竹林土壤微生物群落结构特征及其影响因素,研究毛竹林土壤微生物的地理分布格局,探索环境因素(气候、土壤理化性质)和空间距离(景观尺度:竹林L型采样区域内;区域尺度:不同采样县(市)间)对土壤微生物分布的影响。测定土壤呼吸强度和微生物碳源代谢特征(Biolog-ECO),分析区域尺度上竹林土壤微生物功能的变化,为研究毛竹林生态系统的养分循环过程及其生态服务功能提供理论基础。研究结果如下:  在区域尺度上,竹林土壤微生物总PLFAs量及各组分含量呈现出相同的地带性分布规律,从北至南,含量增加,从东至西,含量降低;竹林土壤革兰氏阳性细菌和阴性细菌的比值(G+/G-)从南至北呈下降趋势,在东西方向上没有规律性的变化;不同采样县(市)竹林土壤细菌和真菌群落的α多样性(Simpson指数、Shannon指数、Chao1指数、Ace指数)没有显著的差异,也未呈现出规律性的变化趋势。分别分析土壤细菌、真菌和总微生物群落结构,结果显示,不同采样点样本典范对应分析(Canonical correspondence analysis,CCA)排序图中的分布状态表现出了一定的空间分布特征。因子分析(CCA based variationpartitioning analysis-VPA)结果显示,竹林土壤微生物群落结构受气候因子及土壤理化性质的共同影响,其中,土壤化学性质对微生物群落结构变异的贡献率最大(细菌35%左右,真菌40%左右),气候因子和土壤物理性质的变异解释量比较接近(10%左右)。土壤化学性质是决定微生物群落结构的主要影响因素,气候因子和土壤物理性质是推动竹林土壤微生物空间分布格局形成的重要生态因子。  在不同空间尺度上,竹林土壤微生物β多样性指数(Jaccard指数及S(o)rensen指数)的距离衰减模式也有所不同。景观尺度上,土壤微生物群落相似度都随着采样点间距离的增大而降低。其中,细菌群落β多样性的距离衰减强度较高(kJac=-0.04~-0.10; kSor=-0.02~-0.06),真菌的距离衰减拟合方程斜率低于细菌(kJac=-0.02~-0.07; kSor=-0.01~-0.05)。区域尺度上,土壤微生物群落β多样性指数同样呈现出显著的距离衰减关系,比较同种分析方法计算结果,区域尺度上的距离衰减方程斜率(细菌:kJac=-0.17;kSor=-0.08;真菌:kJac=-0.11;kSor=-0.05)高于景观尺度。高通量测序分析结果显示,竹林土壤细菌β多样性指数与距离线性拟合方程斜率(kJac=-0.0884,kSor=-0.0573)低于真菌(kJac=-0.1327,kSor=-0.1137)。  对竹林土壤微生物功能的分析发现,不同采样县(市)土壤CO2呼吸速率有显著差异,在南北采样带上呈现出规律性的变化。竹林土壤呼吸强度与微生物含量显著正相关,气候因子和土壤理化性质共同影响着竹林土壤样本CO2的释放速率。不同采样县(市)竹林土壤微生物对不同碳源的代谢情况没有出现明显的区别,样本AWCD(average well color development)值与微生物功能群落多样性指数间均没有显著性差异。  毛竹林土壤微生物多样性及群落结构是影响土壤质量和毛竹林生态系统稳定性的重要因素,本研究初步探索了我国中亚热带丘陵地区毛竹林土壤微生物群落空间分布状况和群落功能,发现气候等环境因子变化对竹林土壤微生物群落及功能有着重要影响。在全球气候变化的大背景下,对预测竹林生态系统对气候变化的响应有着重要意义,对毛竹林可持续开发利用和竹林固碳研究有着积极的推动作用。
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