川西亚高山三种天然次生林土壤微生物多样性变化特征.pdf

第 卷第 期 年 月生态学报 .:/.基金项目:川西亚高山天然次生林人工林窗对土壤活性碳氮磷含量及其酶活性的影响()国家重点研发课题()四川省环境治理与生态保护重大科技专项()收稿日期:网络出版日期:通讯作者 .:.:./.唐恬恬 胡宗达刘兴良蔡蕾 王轶浩肖玖金冯秋红罗明霞.川西亚高山三种天然次生林土壤微生物多样性变化特征.生态学报():.():.川西亚高山三种天然次生林土壤微生物多样性变化特征唐恬恬 胡宗达刘兴良 蔡 蕾 王轶浩肖玖金冯秋红罗明霞 四川省林业科学研究院森林和湿地生态恢复与保育四川重点实验室成都 四川农业大学资源学院成都 重庆师范大学地理与旅游学院重庆市三峡库区地表生态过程野外科学观测研究站重庆 四川农业大学林学院成都 摘要:开展川西亚高山相似土壤母质背景下天然次生林土壤微生物群落结构及其多样性探究可加深次生林更新过程中土壤微生物群落结构变化的认知 选取川西米亚罗林区 世纪 年代采伐后经自然更新恢复形成的 种天然次生林(槭桦阔叶林桦槭冷杉针阔混交林岷江冷杉林)分析林下表层()土壤微生物群落结构变化及其影响因素结果显示:()种林型土壤细菌 和 指数均极显著高于真菌但仅真菌群落的 指数差异显著表现为()细菌群落优势门主要为变形杆菌门、酸杆菌门、疣微菌门、拟杆菌门、绿弯菌门相对丰度占比超过 真菌群落则为子囊菌门和担子菌门占比超过 担子菌门相对丰度最高而子囊菌门最低()分析显示土壤 和乔木物种多样性(指数)是影响微生物群落结构变化的主导因子土壤养分元素对细菌群落影响不显著真菌群落主要受、含量显著影响 总体上林型间乔木层物种多样性、土壤酸碱度及其氮磷含量是导致微生物群落结构变化的关键因素关键词:川西亚高山天然次生林微生物群落相对丰度多样性 :(.:/.).()().:土壤微生物是森林生态系统土壤碳氮循环的重要组成部分对土壤有机质分解与稳定、腐殖质形成和养分转化等方面起到重要的促进作用 微生物可通过对凋落物的降解/分解方式影响到土壤碳水化合物特征为腐殖质的形成提供 以增强其他微生物的合成代谢改变土壤有机碳氮比影响到土壤固有属性其群落结构可作为评价土壤生态状况的重要生物指标 一般认为土壤微生物群落结构变化源自植物与土壤的交互作用这种作用因研究区域环境条件异同土壤养分元素和植物物种多样性对微生物群落组成结构的影响程度亦不同 大量研究表明不同林型条件下的土壤、土壤碳氮磷及其化学计量比与土壤细菌和真菌群落结构间的关系表现为正向、负向或中性的关系此外人为改变地表凋落物数量和质量以及地下根系生物量的差异也会导致土壤养分的变化进而影响到土壤微生物群落结构多样性和丰度说明了土壤微生物群落组成与土壤养分间的耦合协同关系较为复杂天然次生林是川西亚高山的主要森林类型之一在水源涵养及土壤碳氮固持等方面起着重要作用该区域 世纪中叶经大规模森林采伐及其 年代初期施行退耕还林政策实施后形成了以云杉()人工林、天然次生林、原始暗针叶林相间分布的森林格局为研究不同林型土壤碳氮循环及其与微生物菌群的耦合机制提供了便捷 研究显示岷江冷杉林土壤、全氮()和有效磷()含量显著影响到菌根真菌的形态天然针叶林和人工云杉林土壤/高低会改变土壤微生物群落相对丰度不同林龄人工云杉、天然次生阔叶林(红桦 )及针阔混交林(红桦、云杉和岷江冷杉)、岷江冷杉针叶林等的土壤有机碳()、和根系生物量对微生物群落结构有显著影响但/和 对真菌群落结构没有显著影响 树种间互作对微生物群落结构的影响弱于单一物种 虽然人们对川西亚高山林型间土壤微生物群落及其影响因素有一定了解但针对相似土壤母质背景下不同林型土壤微生物的变化仍然了解不够深入须进一步研究其土壤微生物对林型变化的响应特征及其影响因素一方面可充实对该区域森林土壤土壤微生物群落结构变化的认知另一方面亦可为森林土壤的碳氮固持驱动机制提供参考选取 世纪 年代采伐后经自然更新形成的天然次生林为对象采用 高通量测序技术分析土壤微生物多样性变化特征假设:土壤微生物多样性变化主要受、含量及林型物种组成的影响以探究:()土壤微生物群落多样性和结构对林型的响应特征()土壤养分、植物多样性及微生物多样性间 期 唐恬恬 等:川西亚高山三种天然次生林土壤微生物多样性变化特征:/.的协同关系 材料与方法.研究区概况 研究区位于四川理县米亚罗林区海拔范围 气候受高原地形影响具有典型的高山气候特征年均温度 月份平均气温 月份平均气温.年均降雨量 集中于 月的生长季森林土壤类型以山地棕壤为主 实验样地位于理县夹壁乡夹壁沟林区(.)在该区域选取土壤母质和气候相似背景下的青榨槭 糙皮桦.红桦天然次生阔叶林()、红桦青榨槭岷江冷杉针阔混交林()、岷江冷杉林()的天然次生林作为试验样地.采样点设置及样品采集 年 月每种林型按照相邻原则采用罗盘仪()分别布设了 个 的标准样方再按“田”字形将每个样方划分为 个 的亚样方间隔距离)每个亚样方中将再次划分为 个 的小样方采用“梅花 点”法进行土壤取样取样前去除地表枯落物用不锈钢土钻采集 表层土样 钻将其充分混合均匀按照“四分法”取混合土样装入无菌自封袋后贴上标签运回实验室后将土壤样本分成两份:一份进行自然风干、研磨、过 筛后用于测定土壤理化性质另外一份置于冰箱保存用于高通量测序.土壤基本理化指标测定方法土壤 按土水质量比.混合搅拌后用 计测定土壤有机碳()含量采用重铬酸钾外加热法测定土壤全氮()含量采用硫酸催化剂消解流动分析仪法测定土壤全磷()含量采用氢氧化钠熔融钼锑抗比色法测定土壤有效磷()含量用碳酸氢钠浸提钼锑抗比色法测定土壤硝态氮()和铵态氮()采用比色法测定.土壤微生物 提取及扩增测序土壤高通量测序送成都罗宁生物科技有限公司(:/.)检测 利用 提取试剂盒进行基因组 抽提后使用.琼脂糖凝胶电泳检测 的浓度和纯度 以稀释后的基因组 为模板合成带有 的特异引物对细菌的 区域和真菌的 区域进行扩增使用引物()和()进行 检测使用 ()和 ()进行 检测 仪采用 公司的 使用 .()对 回收产物进行检测定量按照每个样本测序量的要求进行相应比例混合 基于 公司的 试剂盒进行文库构建使用罗宁生物的 平台 模式进行测序.生物信息分析使用 拼接双端序列基于 从 中拆分出各样品序列截去 序列得到原始数据然后使用 进行质控得到有效数据 基于 软件使用 算法在 的一致性水平上进行 聚类挑选每个 中出现频数最高的序列作为 的代表序列 使用 分类法与 数据库进行注释分析对代表性序列进行比对并过滤 为避免各样品微生物量的差异 对各样本做均一化处理以样品中数据量最少的为标准进行重抽样得到标准化数据用于后续的统计分析.数据处理与分析使用群落丰富度 指数(和)和 指数(和)代表单个样品中土壤微生生 态 学 报 卷:/.物 多样性(函数包)乔木层和草本层的 指数和均匀度指数的统计方法见前期研究 冠幅()和胸径()参考 公式不同林型物种多样性指数、细菌和真菌多样性指数以及土壤理化因子利用 .软件进行方差分析()和多重比较进行显著性差异检验利用微生物群落相对丰度计算 距离矩阵并进行非度量多维尺度分析()用非参数多元统计()检测林型间微生物群落 多样性的显著性差异(.)均匀度指数在林型间差异不显著(.)高低排序为 乔木层物种多样性指数在 和 间差异不显著 草本层物种多样性指数为 (.)总体上草本层物种多样性指数明显高于乔木层说明林下草本物种较乔木层丰富 胸径表现为 其中 胸径显著大于 和(.)表 三种天然次生林植被特征 林型 冠幅 ()/.胸径 ()/.乔木层 指数 ().乔木层均匀度指数 ().草本层 指数 ().草本层均匀度指数 ().表中同行不同小写字母表示不同林型间差异显著(.):岷江冷杉林 :桦槭冷杉针阔混交林 :槭桦阔叶林 .:冠幅 :胸径 :乔木层 指数 :乔木层均匀度指数 :草本层 指数 :草本层均匀度指数 .不同林型土壤基本理化特性不同林型表层()土壤 达显著性水平(.)其变动幅度为.(表)其中 中酸性最强 酸性最弱说明林分中出现针叶树种会导致土壤出现酸化趋势 毛管孔隙度在不同林型间差异显著(土壤非毛管孔隙度和总孔隙度最高其中非毛管孔隙度显著大于 与 差异不显著总孔隙度显著大于 与 差异不显著说明针阔混交林土壤较为密实储水能力强阔叶林土壤大小孔隙兼备通气状况最佳针叶林土壤孔隙结构最差、含量均为在 和 间的差异显著(.)其中 含量在不同林型间差异显著(个)(个)独有数目分别为、和 个真菌 数目与细菌变化趋势一致独有数目分别为、和 个表 三种天然次生林下土壤的理化性质(平均值标准差)()理化指标 植被类型 物理性质毛管孔隙度()/.非毛管孔隙度()/.总孔隙度()/.化学性质有机碳()/(/).全氮()/(/).全磷()/(/).硝态氮()/(/).铵态氮()/(/).有效磷()/(/).:毛管孔隙度 :非毛管孔隙度 :总孔隙度 :有机碳 :全氮 :全磷 :硝态氮 :铵态氮 :有效磷 图 三种次生林之间共有的细菌和真菌 的数量.从图 可知 中林型间土壤细菌丰富度指数()和 多样性指数()差异不显著其高低排序均为 真菌 多样性指数在 和 间差异显著(方差分析显示土壤微生物细菌 和 指数极均显著高于真菌(.)分析(图)显示 和 的细菌 多样性在二维空间上趋向于聚集在一起并与 的细菌分离真菌 多样性在不同林型下明显分离 分析进一步表明不同林型间土壤细菌和真菌 多样性变化达到显著(.)和极显著变化(.)且真菌(.)对林型的响应大于细菌从门水平看 种天然次生林土壤中变形菌门(.)、酸杆菌门(.)、疣微菌门(.)、拟杆生 态 学 报 卷:/.图 三种天然次生林土壤微生物群落多样性.:岷江冷杉林 :桦槭冷杉针阔混交林 :槭桦阔叶林 .图 三个天然次生林土壤细菌和真菌 数量的非度量多维标度分析().()菌门(.)、绿弯菌门(.)为优势细菌菌群相对丰度占比超过 且变形菌门(.)、酸杆菌门(.)和疣微菌门(.)相对丰度以 林分最高方差分析显示仅有变形菌、拟杆菌和浮霉菌 个门的相对丰度在不同林型中差异显著(.)子囊菌门()、担子菌门()、罗兹菌门()、和被孢霉门()是主要的真菌菌群并在不同林型间发生显著或极显著变化其中子囊菌门(.)、担子菌门(.)为优势门占比超过 与 相比子囊菌在 和 中分别增加了.倍和.倍 属水平上(图)细菌群落结构在 和 中被聚为一类说明以阔叶树种为优势种的林型中土壤细菌群落结构表现出相似特征其中 为第一优势菌属其相对丰度在 中最高、和 的相对丰度在不同林型间发生显著变化(.)真菌群落结构在 和 中被聚为一类表明林型中针叶树种对真菌群 期 唐恬恬 等:川西亚高山三种天然次生林土壤微生物多样性变化特征:/.落结构影响度较大担子菌门的红菇属()子囊菌门的、和 不同林型下发生显著(.)或极显著(.)变化图 三种天然次生林土壤细菌和真菌门和属水平上 的相对丰度.:变形杆菌门:酸杆菌门:疣微菌门:拟杆菌门:绿弯菌门:浮霉菌门:放线菌门 门:子囊菌门:担子菌门:被孢霉门:罗兹菌门.植被特征和土壤理化性质对微生物群落的影响 相关性分析(图)表明细菌的 指数()与 和 显著正相关(.)真菌的 指数()与、和 显著正相关(.)与 极显著负相关(.)真菌的 指数()与 呈显著负相关关系(.)为进一步了解天然次生林土壤理化因子、植被特征协同对土壤微生物群落组成是否产生显著性影响采用 检验(表)发现在门水平上细菌群落组成主要受、和 的显著影响(.)真菌群落组成则主要受、和 的显著影响(.)表 门水平上土壤微生物群落结构和土壤理化性质及物种多样性的 检验 指标细菌门 真菌门 调整 值 调整 值 .土壤理化性质和物种多样性基于 距离计算微生物群落结构基于 距离计算 分析结果(图)显示门水平上土壤理化性质和植物特性分别对的细菌群落物种数量的影响程度累计解释量为.和.和(乔木层 多样性指数)对细菌群落组成影响显著其中 与拟杆菌门和放线菌门显著正相关 与拟杆菌门显著正相关真菌群落物种数量主要受到 、和 的显著影响(图)前 轴分别累计解释量为.和.其中、和 与子囊菌门 期 唐恬恬 等:川西亚高山三种天然次生林土壤微生物多样性变化特征:/.与呈正相关关系与担子菌门、被孢霉门、罗兹菌门和 呈负相关关系 讨论和结论.微生物多样性对林型的响应森林土壤微生物生命活动的养分和能量主要来源于土壤有机质而有机质中的溶解性有机碳含量对细菌代谢影响程度表现各异主要源于土壤孔隙结构会改变水分和气体流动速率而引起菌群生物膜结构发生响应改变影响到土壤微生物群落的多样性和稳定性 本研究中 表层土壤细菌 指数和 多样性指数及真菌 指数最低但与其它两种林型差异不显著与已有研究结果相悖这与不同林型间土壤、含量差异不显著(表)而对土壤细菌群落结构多样性未产生显著影响有关有研究亦证实 亦发现 的真菌群落结构的 多样性指数最高且与 差异显著一方面说明林型间物种组成差异可能是影响真菌群落物种多样性的原因之一另一方面说明增加土壤总孔隙度可以增强土壤微生物活性进而刺激土壤真菌生长繁殖提高其多样性指数(表 和图)门水平上 种天然次生林土壤细菌群落结构中的优势菌群主要为变形杆菌门、酸杆菌门、疣微菌门、拟杆菌门和绿弯菌门 本研究发现 土壤中的变形菌门(.)相对丰度最高与该林区不同演替阶段植被类型的研究结果相悖主要源于立体条件以及演替时间的差异究其原因:)变形菌和酸杆菌门不同亚群对土壤环境因子及地上植被响应迥异)变形杆菌和酸杆菌门喜好在酸性土壤环境繁殖生长)变形杆菌门通常优先分解利用土壤不稳定碳氮素酸杆菌门可降解植物残体纤维素最终导致在 中相对丰度最高 本研究亦发现 种林型的拟杆菌门和浮霉菌门差异显著表现为 的拟杆菌门和浮霉菌门相对丰度显著低于 和 说明针叶林中土壤环境不适宜拟杆菌和浮霉菌的繁殖生长属水平上疣微菌门的 属于最丰富的细菌菌群具有生产抗生素的高能力宜于在酸性(值.)土壤环境繁殖生长能够有效地竞争土壤中的空间和养分(如碳和氮)导致该属在 种林型中扮演着优势菌属角色且在 中相对丰度最高 变形杆菌门的 具有固氮功能同时亦和酸杆菌门的 具有反硝化作用协同抑制 中的硝化作用从而促进 中 向 的转化导致 中的土壤 和 含量高而 含量相对较低 此外酸杆菌门的 在利用土壤碳方面比其他细菌的效率更高在增加碳源和氮源的土壤中 可以巩固其对养分的控制便于吞噬更多养分而得到快速生长使其在阔叶林中处于优势地位 种林型中的担子菌门和子囊菌门差异显著且为优势菌门并发现在 中以担子菌门为主而 中则以子囊菌门为主且子囊菌门的、和 在 和 中的相对丰度显著高于 源于子囊菌主要降解纤维素而非木质素而担子菌通过合成降解复杂聚合物的酶以分解惰性有机碳说明在 和 中 含量较 高的背景下(表)子囊菌群和担子菌群相对丰度显著变化这与已有研究结果类似 属水平上担子菌门中的红菇属在 林型中最高一方面由于红菇属可与针叶树种形成外生菌根增加分解有机物质能力另一方面土壤 和 对红菇属具有负向作用促使其分解利用顽固性有机物碳作为能源.影响微生物群落构成的主要因素一般情况植被物种多样性会引起凋落物数量和质量变化导致土壤物理属性、养分含量、根系分泌物发生变化而直接或间接地影响土壤微生物群落结构发生相应变化 乔木的胸径和冠幅()可作为预测植物地上部生物量的重要指标植物生物量在微生物演替过程中起关键作用从而影响微生物群落构成 另一方面冠幅通过影响水分、光照和温度状况从而影响植物群落的种间竞争和土壤养分条件随着冠幅的增大植物种间竞争增强从而降低植物多样性表现为冠幅()与植物多样性指数负相关(图)此外植物密度、凋落物数量和质量可能会抑制某些真菌的生长这和本研究结果相相似(图)生 态 学 报 卷:/.图 不同林型土壤理化性质和植物特性与门水平土壤微生物细菌和真菌群落的冗余分析.()本研究发现乔木层 多样性指数是影响细菌和真菌群落相对丰度的关键因素(图)与 等和 等分别发现真菌和细菌的影响因素结果相似说明乔木层物种通过改变地上地下生物量、根际代谢产物以及凋落物的/促进 积累为微生物提供更多的碳源 此外在细微尺度下地上植物凋落物的输入和根际沉积导致细菌和真菌的捕食者自上而下调控土壤微生物的群落结构使物种多样性成为土壤微生物多样性的次要驱动因素 如要明晰具体调控土壤细菌和真菌群落结构的驱动机制需要进一步对其根际微生物群落及其功能基因的探究土壤 显著影响到微生物菌群种类多样性其原因在于:一方面土壤 值影响到土壤养分有效性含量、微生物分解代谢及其生物量活性另一方面针叶树种地表凋落物分解过程中产生有机酸等酸性物质以及共生固氮菌通过影响其活性氮含量以降低土壤 值进而影响到土壤细菌和真菌群落结构 本亦研究发现土壤养分含量对细菌未产生显著影响但 种林型间的变形杆菌门、拟杆菌门和浮霉菌门表现出 期 唐恬恬 等:川西亚高山三种天然次生林土壤微生物多样性变化特征:/.显著性差异源于土壤酸碱度的显著影响而削弱了土壤养分的影响度 土壤 和 含量是影响真菌群落构成的关键因子(图)一方面 含量高的土壤基质在初始阶段可被微生物快速分解积累大量的微生物产物为真菌提供了充足的养分促进了真菌群落相对丰度的提升尤其对子囊菌门相对丰度的增加效果最为显著另一方面磷素限制背景下真菌通过分泌有机酸、水解酶和氧化外酶以促进氮素和磷素分解以增强菌根主要菌群对磷素资源获取促进了菌根繁殖生长而引起磷素有效成分出现降低趋势(表)表现出 土壤真菌主要优势菌群相对丰度高于其他两种林型 综上林型间土壤微生物的群落结构及多样性变化是一个多因素协同作用的综合结果如需深入了解土壤微生物群落的响应机制需要在不同时空尺度上探究影响微生物群落结构的生物或非生物因素进一步揭示地上植物根系土壤微生物的交互作用本研究表明土壤细菌和真菌群落多样性在 中呈现出最低趋势土壤微生物群落结构组成变化主要受控于、和 的显著影响 尽管 引起针阔混交林中真菌群落多样性的显著增加但因土壤有效养分含量显著降低而导致该林型中细菌多样性低于阔叶林说明提高养分含量可以缓解物种多样性降低对细菌多样性的抑制作用 因此对该区域天然次生林的营林管护可以通过提高土壤养分或进行林分结构抚育以达到精准提升天然次生林森林质量参考文献():.:.:.():.:.:():.():.:.:.:.:.:.():.():.:.:.生 态 学 报 卷:/.():.():.(/):.:.:.():.:.:.汪璇 邓丽梅 刘刚才 陆传豪 董先勇 朱万泽.川西亚高山区域的水源涵养功能变化趋势.水土保持通报 ():.邓仁菊 杨万勤 张健 胡建利 冯瑞芳 简毅 林静.川西亚高山森林土壤有机层碳、氮、磷储量特征.应用与环境生物学报 ():.刘义 陈劲松 刘庆 吴彦.川西亚高山针叶林不同恢复阶段土壤的硝化和反硝化作用.植物生态学报 ():.张远东 赵常明 刘世荣.川西亚高山人工云杉林和自然恢复演替系列的林地水文效应.自然资源学报 ():.陈璐璐 冯秋红 孙建新.川西亚高山岷江冷杉外生菌根形态随海拔梯度的分化.应用生态学报 ():.梁儒彪 梁进 乔明锋 徐振锋 刘庆 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