發(fā)布時間：2017-12-10 05:02

  本文關鍵詞：自然恢復和人工林重建對土壤原核微生物群落結(jié)構(gòu)和建群機制的影響

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【摘要】：恢復受損森林是當今恢復生態(tài)學研究的熱點。雖然生態(tài)學家對不同地區(qū)典型森林生態(tài)系統(tǒng)恢復過程中的植物種類選擇、群落構(gòu)建和土壤養(yǎng)分等基本理化性質(zhì)的有了較全面的認識和理解,然而對土壤微生物群落在自然恢復或人工造林過程的作用與動態(tài)變化卻了解很少,更不清楚微生物群落組成與功能特征變化的關鍵驅(qū)動因子及其調(diào)控的生態(tài)機制。土壤微生物是土壤碳、氮等物質(zhì)循環(huán)的主要參與者,在森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能中起著十分重要的作用,深入認識土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、功能和多樣性在生態(tài)恢復過程變化規(guī)律及其調(diào)控機制,對科學辨識土壤微生物群落在不同恢復階段或者人工恢復類型中的生態(tài)系統(tǒng)功能和建群機制具有重要意義。本文主要采用16S rRNA基因高通量測序技術(shù),研究了南亞熱帶地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)采伐后自然恢復過程和人工造林重建過程中土壤原核微生物群落組成、結(jié)構(gòu)特征變化規(guī)律和建群機制,探討自然恢復過程中土壤微生物的恢復機制和不同人工造林重建對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、功能和穩(wěn)定性的影響。主要結(jié)論如下:(1)南亞熱帶石灰?guī)r山地季節(jié)性雨林皆伐后形成的灌草(3年)、次生林(35年)和原始林(400年)3個典型階段土壤原核微生物的組成、結(jié)構(gòu)和多樣性的研究表明:土壤古菌群落大約占總原核微生物的10%,其組成、結(jié)構(gòu)和多樣性在皆伐后自然恢復過程中并沒有發(fā)生顯著變化。但皆伐顯著改變了土壤細菌群落組成和結(jié)構(gòu)(p=0.018),采伐后形成的灌草地與原始林土壤細菌群落組成結(jié)構(gòu)具有顯著差異,但經(jīng)過35年的恢復,次生林的土壤細菌群落結(jié)構(gòu)與未干擾的原始林相似,這一發(fā)現(xiàn)說明土壤細菌群落在受到干擾后自然恢復過程中的演替具有可預測性。實際上,森林皆伐后土壤微生物的恢復至少需要30年,甚至更長的時間。森林皆伐后形成的灌草地土壤細菌群落多樣性并沒有顯著低于原始林土壤,但經(jīng)過35年恢復的次生林細菌群落多樣性達到最高。這說明多樣性變化規(guī)律符合宏觀生態(tài)學中的中度干擾理論:重度干擾或者很少干擾均會降低土壤原核微生物的多樣性,而適度的干擾則會提高土壤微生物的多樣性。(2)用原核微生物群落組成的系統(tǒng)發(fā)育譜系距離推算微生物的建群過程發(fā)現(xiàn):皆伐顯著地增加了最近種間親緣關系指數(shù)(nearest-taxon-index,nti)和凈種間親緣關系指數(shù)(netrelatednessindex,nri),這表明皆伐顯著增加了生態(tài)位作用在群落構(gòu)建中的重要性(p=0.001),但經(jīng)過35年的自然恢復,次生林nti和nri指數(shù)恢復到了周圍未砍伐的原始林水平。此外,冗余分析表明皆伐后自后恢復過程中細菌群落的變化和除土壤ph之外的其他因子均顯著相關,其中銨態(tài)氮,硝態(tài)氮和碳氮比,是細菌群落組成結(jié)構(gòu)變化中的主要驅(qū)動因子。這意味著皆伐造成低的資源條件可能起到了“環(huán)境篩”的作用,提高了生態(tài)位作用在群落構(gòu)建中的重要性。自然恢復過程中土壤古菌群落的nti和nri指數(shù)均沒有發(fā)生明顯變化,這表明皆伐對土壤古菌群落構(gòu)建沒有顯著影響,同時研究還發(fā)現(xiàn)在自然恢復過程中土壤因子和古菌群落的組成變化沒有顯著相關性。(3)人工重建的馬尾松純林、紅椎純林、桉樹純林、格木純林和云南石梓純林和對應的馬尾松紅椎混交林、桉樹格木混交林和云南石梓格木混交林的土壤細菌群落的組成和結(jié)構(gòu)研究結(jié)果表明:樹種混交顯著改變了土壤細菌的群落組成結(jié)構(gòu)(p0.05),且不同混交林間的土壤細菌群落結(jié)構(gòu)變得更加相似�；�于矩陣的多元逐步回歸分析(permutation-basedmultipleregressionondistancematricesmrm)表明,環(huán)境因子中土壤可溶性碳中的葡萄糖、土壤碳礦化率、游離有機酸和酚類化合物、可溶性碳銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有效磷和碳氮比對土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)有顯著影響(p0.05),其中低分子量化合物和碳礦化率的影響最顯著,而土壤ph值、土壤有機質(zhì)和土壤總氮的影響較小。由環(huán)境因子和微生物分子構(gòu)建的生態(tài)網(wǎng)絡模(molecularecologicalnetworksmens)表明,土壤可溶性碳中低分子量化合物(主要源自植物根系分泌物)是最重要的影響因子,土壤碳礦化率次之。進一步檢測混交后微生物群落結(jié)構(gòu)對其調(diào)控的生態(tài)過程的影響,發(fā)現(xiàn)純林刺激了r策略細菌(變形菌門和擬桿菌門)的生長,同時發(fā)現(xiàn)r策略細菌的相對含量和土壤碳凈礦化率成正比�；旖涣值那闆r與此相反,r策略細菌的相對含量較低,k策略細菌(酸桿菌門)相對含量較高,而且k策略細菌相對含量與土壤碳凈礦化率成反比。這表明樹種混交不僅改變了土壤微生物的群落結(jié)構(gòu),還改變了其調(diào)控的土壤碳礦化過程。(4)馬尾松紅椎混交林、桉樹格木混交林和云南石梓格木混交林的土壤細菌群落穩(wěn)定性顯著高于馬尾松純林、紅椎純林、桉樹純林、格木純林和云南石梓純林細菌群落。3種混交林的土壤細菌群落譜系多樣性顯著高于5種純林細菌群落。同時,研究還發(fā)現(xiàn)混交林土壤細菌群落的最近種間親緣關系指數(shù)NTI和凈種間親緣關系指數(shù)NRI顯著小于純林(p0.05),這表明混交林土壤細菌群落種間距離更大,增加了細菌生態(tài)位的分化。與此保持一致的是,細菌群落的分子生態(tài)學模型分析表明,純林細菌群落有更多的生態(tài)位重疊現(xiàn)象。土壤細菌群落多樣性指數(shù)和穩(wěn)定性之間的相關分析表明,土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的譜系多樣性和譜系結(jié)構(gòu)均顯著影響細菌群落穩(wěn)定性(p0.05),而豐富度和香濃多樣性對微生物群落穩(wěn)定性沒有顯著影響,這表明樹種混交通過增加土壤細菌群落的生態(tài)位分化提高了微生物群落的穩(wěn)定性。
【學位授予單位】：中國林業(yè)科學研究院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：S714
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本文編號：1273196