外来植物紫茎泽兰入侵的土壤微生物学机制

摘要

入侵植物与入侵地土壤微生物的互作关系是外来入侵植物与入侵地生境互作关系的重要内容,土壤微生物是影响外来植物入侵力和生态系统可入侵性的一个重要因素.外来植物入侵可以引起土壤微生物群落及土壤生态过程发生改变,反过来这种改变可能有利于外来植物的生长及与当地植物的竞争,这是外来植物入侵的一种新机制一土壤微生物学机制.因此,外来入侵植物对入侵地土壤养分循环和土壤微生物群落的影响不仅是入侵效应问题,更与外来植物的入侵机制联系紧密.紫茎泽兰(Ageratina adenophoro (Sprengel)R.King & H.Robinson(Synonym:Eupatoriumadenophorum))是一种典型的恶性入侵杂草,已对许多国家和地区造成了严重的经济和生态损失.在综述国内外外来植物的入侵机理和紫茎泽兰种群扩张研究的基础上,本研究从紫茎泽兰与土壤微生物的互作关系出发,通过野外取样和温室盆栽实验,分别从紫茎泽兰入侵对土壤生态的影响、紫茎泽兰根际土壤中优势细菌的筛选鉴定及拮抗性能评价、紫茎泽兰浸提液对土壤微生物群落结构的影响和入侵地土壤微生物群落对紫茎泽兰生长、与当地植物竞争的影响等方面研究了紫茎泽兰入侵的土壤微生物学机制.主要结果如下: 1.紫茎泽兰入侵对土壤生态的影响通过对紫茎泽兰入侵后不同演替阶段中(重度入侵区、轻度入侵区、未入侵区和当地植物生长区)的土壤微生物群落和土壤理化性质的比较,发现紫茎泽兰入侵显著改变了入侵地的土壤微生物群落结构,在重度入侵区土壤真菌、自生固氮菌、氨氧化细菌数量均较高,分别是轻度入侵区对应菌数量的2.2倍、3.6倍和1.4倍,是未入侵区对应菌数量的5.8倍、8.8倍和3.3倍,是当地植物区对应菌数量的1.7倍、2.6倍和1.9倍.同时提高了土壤中植物可直接吸收的硝态氮、铵态氮、有效磷、速效钾和有机碳含量,其中土壤硝态氮和铵态氮的含量分别为32.5 mg.kg<'-1>和39.3mg.kg<'-1>,分别是未入侵区对应含量的3.6倍和2.1倍,是当地植物区对应含量的2.3倍和1.4倍.土壤微生物各生理功能类群的变化与土壤理化性质的变化相关显著,土壤微生物群落的变化可能导致了土壤养分水平的升高.结果表明随着紫茎泽兰的不断入侵扩张,显著改变了土壤微生物群落和土壤养分;重度入侵区丛枝菌根真菌和真菌/细菌比率显著高于其它区,这可能与紫茎泽兰形成菌根真菌共生体有关. 2.紫茎泽兰根际土壤中优势细菌的筛选鉴定及拮抗性能评价通过分离、筛选、鉴定紫茎泽兰根际土壤中优势细菌及其拈抗性能测定发现紫茎泽兰根际土壤中存着丰富的芽孢杆菌和假单胞菌,其中枯草芽孢杆菌和巨大芽孢杆菌数量最多,共占鉴定细菌总数的55.6﹪;这些优势细菌类群对番茄枯萎病菌和青枯病菌有不同程度的拮抗作用,以枯草芽孢杆菌BS-5和苏云金芽孢杆BT-1对番茄枯萎病菌的拮抗效果最为明显,其代谢产物的抑菌率分别为85.5﹪和83.8﹪;优势细菌代谢液比菌体对病原菌的拮抗作用更强.结果表明紫茎泽兰根际丰富的具有强拮抗性能的细菌类群可能是紫茎泽兰不受土传病害侵扰的原因;通过这种根际有益微生物的反馈作用,紫茎泽兰直接或间接的在与当地植物竞争中处于有利地位,从而有利于其排挤当地植物. 3.紫茎泽兰浸提液对土壤微生物群落的影响利用紫茎泽兰根系和茎叶浸提液培育入侵地土壤微生物群落,发现紫茎泽兰根系浸提液和茎叶浸捉液分别处理轻度入侵土壤2周和3周后,土壤微生物群落发生显著变化,且随着浸提液浓度的增大微生物群落结构向重度入侵靠拢,但茎叶浸提液的作用效果小于根系.试验同时测定了紫茎泽兰根系和茎叶浸提液对已分离鉴定的8株紫茎泽兰根际优势细菌生长的影响,发现根系和I茎叶浸提液都显著地促进了细菌的生长,且随着浸提液浓度的增大促进作用增强.结果表明紫茎泽兰可以通过茎叶淋溶物和根系分泌物改变土壤微生物的群落结构,它们问可能存在营养关系或化学通信联系. 4.入侵地土壤微生物群落对紫茎泽兰生长、竞争的影响温室盆栽试验测定了被紫茎泽兰改变了的土壤微生物群落对紫茎泽兰生长、与当地植物竞争的影响,发现被紫茎泽兰入侵改变了的土壤微生物群落抑制了当地植物的生长,却增强了紫茎泽兰的竞争能力.重度入侵地土壤微生物群落对当地植物生长的抑制强度极显著地高于紫茎泽兰,灭菌处理使黑麦草生物量提高了23﹪,佩兰提高了93﹪,紫花苜蓿提高了73﹪,而紫茎泽兰仅提高了11﹪.与此相反,空白地土壤微生物对紫茎泽兰的抑制强度则显著地高于当地植物.当地植物区土壤微生物群落抑制了3种当地植物的生长,却促进了紫茎泽兰的生长.四种不同来源的土壤微生物群落都提高了紫茎泽兰相对优势度,重度入侵地土壤微生物群落提高紫茎泽兰相对优势度最为显著,比未入侵区土壤微生物群落对紫茎泽兰相对优势度的影响平均高出24﹪.结果表明紫茎泽兰入侵改变了的土壤微生物群落促进了紫茎泽兰生长和竞争. 5.总结紫茎泽兰入侵改变了土壤微生物群落,提高土壤自生固氮菌、氨氧化细菌和真菌数量,也提高了土壤的有效磷、速效钾、硝态氮、氨态氮含量;同时其根际存在丰富的具有拮抗性能的细菌类群,可能是紫茎泽兰不受土传病害侵扰的原因:其根系和茎叶浸提液可以改变土壤微生物群落,促进根际细菌的生长;通过这些途径,紫茎泽兰获得了土壤微生物的有益反馈,为自身生长创造有利条件.这是一个自我促进(self-reinforcing)式的入侵机制:紫茎泽兰改变入侵地土壤微生物群落,创造了对自身生长有利的土壤环境.

目录

文摘

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论文说明：图表目录

独创性声明及关于论文使用授权的声明

第一章绪论

1.1外来植物入侵机制的研究进展

1.1.1外来入侵植物的生物生态学特征

1.1.2被入侵生境的可入侵性

1.1.3外来入侵植物与入侵地生境的互作关系

1.2外来植物入侵的土壤微生物学机制研究

1.2.1土壤微生物对植物生长、竞争和群落演替的作用

1.2.2外来植物入侵对土壤生态过程的影响

1.2.3土壤微生物群落对入侵植物生长、竞争的反馈及其机制

1.2.4外来植物入侵的土壤微生物学机制对入侵植物生态替代的指导意义

1.2.5总结

1.3土壤微生物群落结构的研究方法

1.3.1土壤微生物的传统培养的研究方法

1.3.2以磷脂脂肪酸(PLFA)为代表的生物标志物(Biomarker)法

1.4紫茎泽兰种群入侵扩展机理研究

1.4.1紫茎泽兰生物生态学特征

1.4.2紫茎泽兰入侵扩张的分子机理

1.4.3紫茎泽兰与本地植物的资源竞争

1.4.4紫茎泽兰化感作用研究

1.5本研究的总体思路、主要内容和技术路线

1.5.1总体思路

1.5.2研究内容和意义

1.5.3技术路线

第二章紫茎泽兰入侵对土壤生态的影响

2.1材料与方法

2.1.1研究区的自然概况

2.1.2实验设计

2.1.3土样的采集与保存

2.1.4土样的测定与方法

2.1.5数据分析

2.2结果

2.2.1不同入侵区的植物群落特征

2.2.2不同入侵区土壤理化性质的差异

2.2.3不同入侵区土壤微生物群落结构的差异

2.2.4不同入侵区可培养土壤微生物类群的差异

2.2.5土壤微生物可培养类群变化与土壤理化性质变化的联系

2.3讨论

2.4结论

第三章紫茎泽兰根际土壤中优势细菌的筛选鉴定及拮抗性能评价

3.1材料与方法

3.1.1紫茎泽兰根际土壤采集

3.1.2土壤细菌的分离培养和优势细菌的筛选

3.1.3优势细菌的脂肪酸(PLFAs)鉴定

3.1.4优势细菌对土传病原菌的拮抗作用

3.1.5细菌代谢产物拮抗性能的测定

3.1.6统计分析

3.2结果与分析

3.2.1细菌的分离与鉴定

3.2.2优势芽孢杆菌的多态性聚类分析

3.2.3优势细菌对番茄枯萎病菌和青枯菌的拮抗作用

3.3讨论

3.4结论

第四章紫茎泽兰浸提液对土壤微生物群落结构的影响

4.1材料与方法

4.1.1紫茎泽兰根系和茎叶浸提液的制备

4.1.2土壤微生物的培育

4.1.3数据分析

4.2结果与分析

4.2.1紫茎泽兰浸提液对土壤微生物群落的影响

4.2.2紫茎泽兰浸提液对细菌生长的影响

4.3讨论

4.4结论

第五章入侵地土壤微生物群落对紫茎泽兰生长及当地植物竞争的影响

5.1材料与方法

5.1.1土壤和土壤微生物群落

5.1.2种子

5.1.3温室盆栽实验

5.1.4盆栽实验收获

5.1.5数据分析

5.2结果与分析

5.2.1入侵地土壤微生物对紫茎泽兰和当地植物生长的影响

5.2.2入侵地土壤微生物对紫茎泽兰与当地植物竞争的影响

5.3讨论

5.4结论

第六章结论与展望

6.1结论

6.1.1紫茎泽兰入侵对土壤生态的影响

6.1.2紫茎泽兰根际土壤中优势细菌的筛选鉴定及拮抗性能评价

6.1.3紫茎泽兰浸提液对土壤微生物群落的影响

6.1.4入侵地土壤微生物群落对紫茎泽兰生长、竞争的影响

6.1.5总结

6.2本研究的创新之处

6.2.1研究方法和技术

6.2.2研究思路和试验设计

6.3展望

参考文献

致 谢

作者简历