论文部分内容阅读
青藏高原拥有独特的地理环境,使其对全球气候变化非常感敏。近年来,由于各种人为干扰因素(如过度放牧)使其主要植被类型(高寒草甸)退化严重。放牧是青藏高原地区草地利用的主要方式之一,不仅会改变地上植物群落结构和多样性,同时影响地下物质循环和能量流动。尤其改变土壤氮循环从而影响地上初级生产力。土壤微生物作为氮循环的关键驱动者,对调节植物可利用氮含量以及阻止生态系统中不必要的氮流失起着重要作用。因此,了解管理措施如何影响地下微生物群落,对预测人为干扰引起的生态效应问题意义重大。本研究采用构建克隆文库和实时荧光定量PCR相结合的方法,研究了青藏高原高寒草甸土壤中硝化和反硝化微生物的群落结构及其丰度对不同放牧强度(禁牧处理NG、季节性放牧SG、全年连续放牧CG)的响应并揭示其与环境因子之间的关系。同时,引入微生物“功能响应群”概念,探讨硝化和反硝化的主要功能类群对不同放牧强度的响应以及驱动这些功能响应群的主要环境因子。主要实验结果如下:1.不同放牧强度对硝化和反硝化微生物丰度的影响基于amoA基因的实时荧光定量PCR结果显示,放牧显著提高了氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB)的丰度(P<0.05)。不同放牧强度处理的样品中AOA和AOBamoA基因拷贝数分别为2.1-7.9×107 copiesg-1 dry soil和7.7×105-3.2×107 copies g-1 dry soil。NirK基因拷贝数在 2.1-5.8×105 copies g-1 dry soil之间变化,且随着放牧强度增强而显著增加(P<0.05)。NirS基因拷贝数则较nirK基因拷贝数高两个数量级,为3.9-9.7×107 copies g-1 dry soil之间。与nirK基因不同的是,随着放牧强度的增加,nirS基因拷贝数却呈现下降趋势(P=0.094)。总体上,放牧分别将AOB和AOA的丰度提高了 42倍和3.7倍,AOB丰度占总氨氧化微生物丰度的比例从3.1%提高到10.8%,nirK型反硝化细菌的丰度占总亚硝酸还原细菌的比例从0.2%提高到1.5%。2.不同放牧强度对硝化和反硝化微生物群落结构的影响及其与环境因子的关系不同放牧强度改变了硝化和反硝化微生物的群落结构。AOA群落结构的变化与C/N变化有关(P=0.032),但AOB群落结构与所测得理化指标都没有相关性。NirK型反硝化菌群落结构和土壤总碳以及NO3-都有显著相关性(P= 0.014;P = 0.027),nirS型反硝化菌则与C/N有关(P = 0.021)。3.硝化和反硝化微生物功能群对不同放牧强度的响应及其环境驱动因子AOA的功能亚群M2、M4、M5和arable cluster的丰度随放牧强度增加而升高。而M1的丰度却随着放牧强度增加而下降,M3和marine cluster的丰度没有受到放牧影响。AOB的功能亚群的cluster 3a的丰度随着放牧强度增加而显著升高,cluster 1-2、3b、ME、4和6的丰度对放牧干扰没有明显响应。nirK的功能亚群cluster Ⅰ-3、Ⅱ-1、Ⅱ-3和Ⅲ的丰度随着放牧强度增加而升高,而cluster Ⅰ-1的丰度则随着放牧强度增加而降低,cluster Ⅱ-2、Ⅳ-1和Ⅴ的丰度对放牧则没有响应。nirS功能亚群cluster Ⅲ-1和Ⅲ-4的丰度对放牧管理显示负响应,而放牧管理对cluster Ⅲ-2、Ⅳ和Ⅴ的丰度没有显著影响。对不同放牧强度显示正响应的AOA的功能类群M2、M4、M5和arable cluster以及AOB的cluster 3a的丰度都和N03-浓度呈正相关。相反,对放牧强度显示负响应的功能群M1与NO3-和土壤总氮呈负相关,和土壤总碳和C/N正相关。在nirK的五个(Ⅰ-2、Ⅰ-3、Ⅱ-1、Ⅱ-3和Ⅲ)对不同放牧强度显示正响应的功能类群中,有四个(Ⅰ-2、Ⅱ-1、Ⅱ-3和Ⅱ)的丰度与土壤硝态氮浓度呈正相关,有三个(Ⅰ-3、Ⅱ-3和Ⅲ)与土壤总碳含量呈负相关。相反,对放牧强度显示负响应的四个功能类群(nirK的Ⅰ-1;nrS的Ⅱ、Ⅲ-1和Ⅲ-4)均与土壤湿度呈正相关,其中还有三个(nirK的Ⅰ-1;nirS的Ⅱ和Ⅲ-1)与土壤总碳含量呈正相关。综上所述,不同放牧强度下AOB和nirK的响应较AOA和nirS更活跃,硝化和反硝化功能类群的亚群(sub-groups)对放牧干扰表现出的响应不同。土壤硝态氮(NO3-)含量可能是驱动反硝化细菌群落对放牧表现出正响应的主要环境因子。而驱动反硝化细菌群落对放牧显示负响应的主要环境因子可能是土壤湿度和总碳含量。结果表明,功能多样性存在于每个微生物功能大类群里,对干扰响应一致的类群可能具有相同的功能特性和环境驱动因子。硝化和反硝化功能群对特定干扰做出的响应结果可能是内部各功能亚群对干扰不同响应的总和。