长株潭城市化对林地和草地土壤细菌群落结构的影响

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城市在发展过程中会使其及其周边地区土地利用发生剧烈变化,形成异质性的环境梯度,直接或间接地影响了土壤细菌群落的组成和多样性,进而影响其所承载的生态系统服务。然而,目前尚未能充分了解城市发展环境变化下土壤细菌群落的动态变化,并且不同土地利用类型中的土壤细菌群落在城乡梯度下变化也鲜有研究。因此,本文通过使用Illumina Miseq-16S rRNA测序验证了湖南省长株潭城市群表层土壤的细菌群落多样性和结构组成在城乡梯度上的变化,以及分析了林地和草地中细菌群落多样性在城乡梯度上的差异,并使用结构方程模型(SEM)量化了环境因素对细菌群落的影响。通过分析,本研究主要得到以下结果:(1)高通量测序表明,林地土壤样品共产生5548698个有效reads序列,得到242617个OTUs,获得47个门;草地样品中共扩增出5239946个reads序列,得到296924个OTUs,获得51个门。细菌群落相对丰度显示,变形菌(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)、放线菌(Actinobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、拟杆菌(Bacteroidetes)和疣微菌门(Verrucomicrobia)为所有样地的土壤细菌群落优势门。优势菌门在城乡梯度上的变化相对稳定,而林地土壤中细菌门在城乡梯度上的变化比草地土壤中大。(2)土壤细菌群落中的多样性指数和丰富度指数在城市-郊区-农村的梯度上都呈递减趋势。城市中的细菌群落多样性和丰富度最高,其次是郊区,最后是农村。此外,通过在不同土地利用中对比研究发现,草地样地中的细菌群落丰富度和多样性要比林地高。(3)VPA方差分解分析发现,在林地样地中,城市化强度对土壤细菌群落变异的解释率为6.8%;土壤的理化性质和土壤重金属对土壤细菌群落变异的解释率达17.8%;空间变量对土壤细菌群落变异的解释率为4.4%。在草地样地中,城市化强度对土壤细菌群落变异的解释率为3.4%;土壤的理化性质和土壤重金属对土壤细菌群落变异的解释率为7.3%;空间变量对土壤细菌群落变异的解释率为6.9%。结果表明,城市发展在一定程度上能够改变土壤细菌群落的组成和多样性,但土壤细菌群落的大部分变异无法通过上述因素解释。此外,通过RDA分析表明,TOC、TP、C\N、SWC以及Mn是影响土壤细菌群落组成的关键因素,pH是影响土壤细菌群落组成和多样性的主要驱动力。(4)采用结构方程模型(SEM)量化环境因素对细菌群落的影响。结果表明,林地土壤细菌群落多样性主要是受pH的影响,而草地土壤细菌群落的多样性则更多的是受城市化、空间变量以及土壤理化的影响。另外,在林地和草地中城市化与土壤理化性质都存在明显的相关性。综上所述,城市化强度会影响土壤细菌群落结构。土壤细菌群落的多样性和丰富度在城市-郊区-农村梯度上存在差异,变形菌、酸杆菌门和绿弯菌门是土壤中的主要细菌门。城市发展过程中在一定程度上改变了土壤理化性质,从而间接改变了土壤细菌群落。在探究城市化过程中,土壤细菌群落多样性和结构的变化及驱动力可为城市土壤环境健康发展提供科学理论依据。
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