氮添加和半灌木扩张对黄土高原天然草地土壤微生物群落的影响及机制研究

来源 :西北农林科技大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:tapril10
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草地是我国最大的陆地生态系统,在调节气候、防风固沙、保持水土、固碳释氧和生物多样性保护等方面发挥着巨大的作用,对保障生态和食物安全具有重要战略意义。然而,由于全球气候变化和人类的不合理利用,导致我国大部分草地面临着退化问题,尤其是在生态环境及其脆弱的黄土高原地区,紧密关系黄河流域生态保护和草牧业高质量发展。氮沉降是一个全球性的环境问题,它可以改变生物群落的组成和结构,进而影响生态系统的功能和服务。然而,氮沉降对土壤性质、植物和微生物群落的影响具有高度的区域性,与生态系统类型、土壤类型和气候因子等密切相关。此外,半灌木/灌木扩张是近年来发生在干旱半干旱区草地的一种典型现象,深刻改变了生物群落的结构和功能。然而,黄土高原天然草地白莲蒿(半灌木)扩张如何影响草地植被-土壤特征以及微生物群落尚不清楚。本研究以黄土高原宁夏云雾山草地生态系统为研究对象,通过设置4个氮添加水平和3个半灌木扩张强度(轻度、中度和重度半灌木扩张),深入研究氮添加和半灌木扩张及其交互作用对草地植被-土壤特征和微生物群落(细菌和真菌群落)多样性和组成的影响,并分析影响土壤微生物群落多样性和组成的驱动因素。同时,分析氮添加和半灌木扩张对微生物共现网络的影响以及土壤微生物群落的构建过程。主要的研究结果如下:(1)氮添加和半灌木扩张及其交互作用对植被-土壤特征有显著影响。氮添加显著增加了对植物叶片氮含量的群落加权平均值(LNCWM)、叶片氮磷比和土壤碱解氮(AN),但显著降低了植物群落物种均匀度指数(J)、植物叶片碳含量的群落加权平均值(LCCWM)和土壤p H。植物群落物种丰富度指数(S)、多样性指数(H)、优势度指数(D)、功能丰富度指数(FRic)、功能均匀度指数(J)、功能分散指数(FDis)、比叶面积的群落加权平均值(SLACWM)、叶片干物质含量的群落加权平均值(LDMCCWM)、叶片磷含量的群落加权平均值(LPCWM)、地上生物量(AB)、地下生物量(BB)、土壤含水量(SWC)、有机碳(OC)、全氮(TN)、全磷(TP)和速效磷(AP)对氮添加没有显著响应。中度和重度半灌木扩张显著增加了LCCWM、LNCWM、LPCWM、叶片氮磷比、AB、SWC、OC、TN、AN、TP和AP,但降低了D、LDMCCWM、J和土壤p H。重度半灌木扩张降低了S、J和FDis。氮添加对植物群落组成没有显著影响,但半灌木扩张改变了植物群落组成。氮添加和半灌木扩张的交互作用仅对LCCWM、叶片氮磷比和土壤p H有显著影响。(2)半灌木扩张显著改变了土壤微生物群落α-多样性和组成,氮添加和氮添加与半灌木扩张的交互作用对土壤微生物群落α-多样性和组成没有显著影响。土壤细菌群落的优势门为变形菌门、酸杆菌门、放线菌门和芽单胞菌门,土壤真菌群落的优势门为子囊菌门、被孢霉门、担子菌门和壶菌门。双因素方差分析表明,氮添加和氮添加与半灌木扩张的交互作用对土壤微生物α-多样性和微生物优势门的相对丰度没有显著影响。LEf Se、主坐标分析(PCo A)、置换多元方差分析(PERMANOVA)和多反应置换法(MRPP)表明氮添加对土壤微生物群落组成的影响很小。与氮添加相反,半灌木扩张显著影响了微生物群落的α-多样性和组成。双因素方差分析表明,重度半灌木扩张草地的土壤细菌α-多样性最高,但真菌群落α-多样性在3个半灌木扩张草地没有显著变化。PCo A、PERMANOVA和MRPP表明,轻度、中度和重度半灌木扩张草地的土壤细菌和真菌群落组成不同。偏最小二乘法结构方程模型表明,半灌木扩张通过直接影响植被特征和土壤性质间接影响土壤微生物群落。细菌α-多样性的决定因素是植被结构(SLACWM和植物群落组成)和土壤性质(OC、AN、TP、AP和SWC),细菌群落组成主要受植物地上生物量和土壤性质的调节,真菌群落组成的主要驱动因素是植被结构。(3)氮添加和半灌木扩张显著改变了土壤微生物共现网络结构和复杂性。我们基于所有样本(36个)构建了土壤细菌和真菌群落的整体共现网络,并分别构建了氮添加和半灌木扩张的特定共现网络。研究结果表明,氮添加降低了土壤细菌和真菌群落的网络复杂性。土壤细菌和真菌群落分别在中度和重度半灌木扩张草地中有最高的网络复杂性。所有的细菌特定共现网络都是简单网络,真菌特定共现网络具有一定的复杂性。我们使用Kolmogorov-Smirnov检验评估了氮添加和半灌木扩张特定共现网络节点属性(节点度、介数中心性、接近中心性和连通度)的整体分布模式,结果表明,微生物特定共现网络的节点属性整体分布存在显著差异,即氮添加和半灌木扩张改变了微生物网络结构。Spearman相关性分析表明,土壤细菌网络的拓扑属性(节点数、边数、节点度、平均路径长度和介数中心性)与许多环境因子(SLACWM、LDMCCWM、LCCWM、LNCWM、LPCWM、FRic、FEve、H、D、J、AB、OC、TN、AN、TP、AP、p H和SWC)显著相关,相关系数最高的是LNCWM和AN。土壤真菌网络的拓扑属性仅与AN和FEve显著相关。(4)土壤微生物群落的构建过程以随机过程为主。土壤微生物群落的迁移率在重度半灌木扩张草地达到峰值,表明土壤微生物群落具有更高的扩散能力,更有利于土壤微生物α-多样性的增加。Spearman相关性分析和Mantel检验表明,微生物群落α-多样性和组成与环境因子(植被特征和土壤性质)的相关性较小。方差分解分析和层次分割进一步表明,植被特征和土壤性质对微生物群落组成差异的解释方差较低(<20%),确定性过程在土壤微生物群落构建过程中起次要作用。中性群落模型(NCM)、PER-SIMPER和扩散-生态位连续指数表明,土壤微生物群落的形成主要受到随机过程的调控。此外,随机过程对土壤微生物群落不同类群(从属到门)的影响是一致的,表明同一系统发育谱系内的类群对随机过程的反应是相似的。NMDS表明,基于NCM形成的中性和非中性分区的微生物类群具有不同的组成。中性分区微生物类群的丰富度和丰度显著高于非中性分区。微生物类群迁移率的高低是形成中性和非中性分区的主要原因。本研究分析了氮添加和半灌木扩张及其交互作用对草地植被-土壤特征和微生物群落的影响,得出以下结论:(1)与氮添加及氮添加和半灌木扩张的交互作用相比,半灌木扩张对草地植被-土壤特征和微生物群落(α-多样性和组成)的影响更显著。(2)半灌木扩张通过影响植被-土壤特征间接影响土壤微生物群落。(3)氮添加和半灌木扩张改变了微生物共现网络结构和复杂性,AN可作为微生物共现网络拓扑属性的预测因子。(4)黄土高原天然草地土壤微生物群落的构建过程以随机过程为主。
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