浙江省森林土壤固碳细菌对植被类型和土壤理化性质的响应

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森林生态系统是地球上重要的有机碳库之一,我国亚热带森林资源广阔丰富,土壤固碳细菌具有重要碳汇功能。植被类型和土壤质地对植物源有机碳的转化和积累具有重要影响,对土壤固碳细菌也存在重要影响。探索两者对森林生态系统土壤固碳细菌影响差异,不仅能增加对亚热带森林生态系统的碳汇功能认识,而且可以为采取合理有效的森林碳库管理提供技术指导。本研究选取毛竹林(Moso banboo)、阔叶林、杉木林(Chinese fir)和马尾松林(Masson pine)等4种植被,安吉粉砂岩和页岩(Siltstone and Shale)、临安凝灰岩(Tuff)、龙泉花岗岩(Granite)等3种成土母岩土壤为研究对象;采集表层(0~20cm)及亚表层(20~40cm)土壤,以cbb L为固碳细菌指示基因,利用荧光定量PCR(real-time PCR)和Mi Seq高通量测序为研究手段,比较临安同一母岩土壤4种林分,比较阔叶林不同母岩土壤固碳细菌数量及群落结构特征;同时,分析3种母岩4种林分土壤有机碳组分与土壤固碳细菌丰度的关系;揭示固碳细菌对植被和土壤理化性质的响应。主要结果如下:临安玲珑山4种植被类型对土壤固碳细菌影响结果表明,4种林分土壤的细菌16S r RNA基因和固碳细菌cbb L基因丰度范围分别是5.40×1010~2.81×1011 copies g-1干土和4.55×108~3.53×109 copies g-1干土,其中毛竹林显著高于其他三种林分(P<0.05);cbb L基因丰度显著关联的理化性质仅为阔叶林土壤的有效磷(AP)和马尾松林的p H、以及表层土壤的p H(P<0.05)。杉木表层土壤固碳细菌多样性显著低于3种林分(P<0.05),而亚表层土壤不同林分之间没有差异,4种林分亚表层土壤固碳细菌多样性总体高于表层;双因子分析表明,不同林分类型以及土层对土壤固碳细菌多样性均有显著或极显著影响(P<0.05),Shannon和Simpson指数为林型影响大于土层,而Chao1和ACE指数则土层大于林型。毛竹林和杉木土壤的甲基化石油杆菌属(Methylibium)和诺卡菌属(Nocardia)占比明显高于阔叶林和马尾松林。热图结果显示,毛竹和杉木两种人工林土壤固碳细菌群落结构组成相似度较高,阔叶林和马尾松林则在表层土壤相似度较高。RDA结果显示,不同林分土壤p H、土壤有机碳(SOC)、AP、全氮(TN)差异是影响土壤固碳细菌群落特征形成的主要因素。初步结论,4种植被对土壤固碳细菌数量及群落结构多样性影响明显,从土壤理化性质、固碳细菌基因丰度、多样性以及结构特征等多维度结果表明,毛竹林对土壤肥力以及固碳细菌影响最大,确切结论有待进一步探索。比较阔叶林不同母岩土壤颗粒组成发现,不同母岩土壤颗粒组成和质地显著差异,粉页混岩、凝灰岩土壤的颗粒组成相近,花岗岩发育的砂质粘壤土含较高粗砂和较低的粉砂;而土壤养分则是粉页混岩土壤与其余2种土壤差异显著,表现为较高的有效氮、磷、钾较和较低有机碳和全氮;母岩(除SOC外)和土层(除p H外)对土壤理化性质影响均达到显著水平(P<0.05)。母岩对土壤总细菌影响大于土壤固碳细菌,花岗岩土壤基因丰度与其他2种土壤差异明显,表现为最低的土壤细菌丰度和最高的固碳细菌占比(cbb L:16S r RNA,花岗岩15%VS粉页混岩、凝灰岩1%左右)。花岗岩土壤固碳细菌群落结构特征与粉页混岩及凝灰岩差异明显,多样性低(Simpson与Shannon)而丰富度高(Chao1与ACE指数)。花岗岩土壤前三个优势属(诺卡菌属、甲基化石油杆菌、红长命菌属)累计百分较低,特别是红长命菌属。驱动土壤cbb L丰度变化的因子较为复杂,只有花岗岩土壤的有效P有显著相关性;表层土壤固碳细菌群落结构主要受土壤AK、SOC及AN(P<0.05)等因子驱动,亚表层土壤则受AP(P<0.05)驱动。土壤有机碳组分对固碳细菌丰度影响结果表明,不同植被对土壤有机碳组分影响因不同母岩而异,4种植被之间的高低顺序没有一致规律,母岩对土壤有机碳影响大于植被。安吉和临安两地不同林分土壤固碳细菌影响表现为毛竹林和马尾松林土壤显著高于(P<0.05)阔叶林及杉木林土壤的一致规律,总体水平显著高于龙泉;cbb L基因丰度与EOC正相关、而与WSOC及BR则呈负相关,土壤ECO含量是土壤cbb L基因丰度变异的主要因素。结论,母岩和植被对土壤有机碳组分以及cbb L基因丰度均有显著影响,但前者大于后者。结论:本研究所涉亚热带4种植被、3种母岩的结果是,母岩对土壤理化性质、有机碳组分以及固碳细菌的丰度和结构影响均大于植被,其中花岗岩发育土壤与粉页混岩、凝灰岩差异显著,表现为SOC最高、EOC最低,cbb L占比16S r RNA高达15%,推测有较大的碳功能。
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