连栽杉木根际土壤微生物群落结构变化特征研究

摘要

杉木（Cunninghamia lanceolata(Lamb.)Hook）是我国重要的用材林，在南方地区种植广泛，由于需求量巨大导致其种植面积不断扩大。生产者发现经过连续多代种植后杉木的生长量、蓄积量等指标均有所下降，出现了连栽障碍，影响了杉木人工林正常生产与经营。本研究以福建三明市尤溪县国有林场的一代杉木（first Chinese fir rotation plantation（FCP）），二代杉木（second Chinese fir rotation plantation（SCP））和三代杉木（third Chinese fir rotation plantation（TCP））根际土壤微生物为研究对象，综合运用Biolog微平板技术、磷脂脂肪酸（PLFA）技术、末端限制性片段长度多样性技术（T-RFLP）结合土壤理化性质对根际土壤微生物群落多样性进行了分析，探讨了连栽条件下杉木根际土壤生物群落结构特征。从根际土壤微生物角度探讨了群落结构对连栽过程的响应，为解决杉木生产中连栽障碍提供理论依据，也为其它用材林科学经营和管理提供参考。具体研究结果： （1）土壤主要化学性质和微生物群落多样性的相关性分析表明，除了土壤pH外，其它所有化学性质指数均与土壤微生物群落多样性相关；其中微生物群落多样性指数与土壤TOC及AN呈现极显著相关；C/N和多样性指数呈现显著负相关，表明土壤碳和氮在土壤微生物群落多样性中扮演者极为重要角色。 （2）对杉木根际土壤微生物的Biolog平板分析表明，不同栽植年代的杉木根际土壤微生物的AWCD值随培养时间的增长而增加，而FCP根际土壤微生物对Biolog平板碳源的利用率要高于SCP和TCP，即土壤微生物代谢活性随栽植年代增长而逐渐降低（FCP＞SCP＞TCP）。就微生物所利用的碳源来看，不同栽植年代土壤微生物对6类碳源利用率差异显著。不同栽植年代土壤微生物对氨基酸类、碳水化合物类、聚合物类和酚酸类利用率的规律大体相同。碳水化合物、羧酸类碳源是杉木土壤微生物的主要碳源，其次为氨基酸类、酚酸类和聚合物类，胺类碳源的利用率最小。群落功能多样性指数中无论是Simpson指数，Shannon指数还是Richness指数均呈现出：FCP＞SCP＞TCP的规律，即随栽植年代的增加，土壤微生物群落功能多样性逐渐下降。 （3）对不同栽植年代的杉木根际土壤微生物的磷脂脂肪酸（PLFA）分析表明，PLFA标记总量在FCP中最高（102.18±1.15μg.g-1），其次是SCP（94.69±0.96μg.g-1），最低是TCP（89.48±0.64μg.g-1）；cy19:0是FCP的主要PLFA微生物标记其含量达到15.37±0.13μg.g-1，i16:0是SCP和TCP主要PLFA微生物标记其含量分别达到17.54±0.27μg.g-1，19.63±0.22μg.g-1。总体来看，PLFAs在所有样本中的排序为16:00，i17:0，i16:0，cy19:0和18:3ω6c（6,9,12）。从微生物的分类来看，所有样本中，细菌的PLFAs高于真菌和放线菌。不论是革兰氏阳性菌还是革兰氏阴性菌都是TCP最少，而真菌PLFAs在TCP中最多，在FCP中最少，另外真菌/细菌比同样呈现出TCP最高，FCP最低的趋势。 （4）对不同栽植年代的杉木根际土壤微生物进行末端限制性片段长度多样性分析（T-RFLP），共鉴定出细菌12个门类，分别是：变形菌门（Proteobacteria）；放线菌门（Actinobacteria）；浮霉菌门（Pl anctomycetes）；厚壁菌门（Firmicutes）；蓝藻门（Cyanophyta）；螺旋体门（Spirochaete）；拟杆菌门（Bacteroidetes）；热微菌门（Thermom icrobia）；柔膜菌门（Tenericutes）；梭杆菌门（Fusobacteria）；梭菌门（Clostridium）；纤维菌门（Fiber）；其它（others）。FCP细菌门类中大于10%的共有3类，具体是：Firmicutes（34.97%）；Actinobacteria（12.57%）；Proteobacteria（10.93%）。SCP细菌门类中大于10%的共有3类，具体是：Firmicutes（28.77%）；Proteobacteria（14.16%）；Actinobacteria（10.96%）。TCP细菌门类中大于10%的共有3类，具体是：Firmicutes（20.47%）；Proteobacteria（20.18%）；Actinobacter ia（17.51%）。 以AluⅠ酶切片段数（T-RFs）分析不同栽植年代杉木根际土壤微生物的3个多样性指数香浓维纳指数（Shannon-Weiner Index）、辛普森指数（Simpson Index）及均匀度指数（Evenness Index），结果表明，TCP的Shannon-Weiner指数（5.79±0.16）和Simpson指数（0.97±0.01）略高于FCP（5.47±0.03；0.96±0.01）和SCP（5.58±0.26；0.96±0.01）。 进一步分析不同栽植代杉木根际土壤关键微生物菌群的相对含量，将微生物菌群按照功能分为碳循环、硫循环、纤维降解、有益菌和病原菌5大类。结果表明，碳循环中的黄杆菌属Flavobacterium柱状黄杆菌Flavobacterium columnare的相对含量（%）变化趋势为：FCP＞SCP＞TCP；噬甲基菌属Methylophilus甲基弯曲菌Methylophilus-LW3的相对含量（%）变化趋势为：FCP＞SCP＞TCP。纤维降解菌中二氧化碳噬纤维菌属Capnocytophaga黄褐二氧化碳噬纤维菌Capnoc ytophaga ochracea的相对含量（%）变化趋势为：FCP＜SCP＜TCP。硫循环中硫化杆菌属Sulfobacillus-Sulfobacillus disulfidooxdans的相对含量（%）变化趋势为：FCP＜TCP＜SCP。有益菌中芽孢杆菌属Ba cillus巴氏芽孢杆菌Bacillus pasteurii的相对含量（%）变化趋势为：FCP＞SCP＞TCP。病原菌中棒杆菌属Corynebacterium-Corynebacteriu m genitalium的相对含量（%）变化趋势为：FCP＜SCP＜TCP。总体来看，杉木根际土壤微生物有益菌相对含量随栽植年代的增加而减少，病原菌相对含量随栽植年代增加而增长，杉木根际土壤功能细菌结构发生改变，导致连栽障碍问题出现。

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摘 要

Abstract

1 引言

1.1 杉木连栽障碍国内外研究现状

1.2 土壤微生物研究方法进展

1.3 研究的目的及意义

1.4 技术路线

2 材料与方法

2.1 试验样地概况

2.2 试验样地的设立与取样方法

2.3 试验方法

2.3.1 土壤化学性质测定方法

2.3.2 土壤微生物代谢和群落功能多样性测定方法

2.3.3 磷脂脂肪酸（PLFA）实验方法

2.3.4 末端限制性片段长度多样性（T-RFLP）实验方法

2.4 试验数据处理

3 结果与分析

3.1 土壤化学性质测定

3.2 连栽杉木根际土壤微生物碳源代谢能力和功能多样性特征

3.2.1 连栽杉木根际土壤微生物利用碳源变化特征

3.2.2 连栽杉木根际土壤微生物对不同类型碳源利用强度

3.2.3 连栽杉木根际土壤微生物群落功能多样性指数

3.2.4 连栽杉木根际土壤微生物群落代谢功能主成分

3.2.5 连栽杉木根际土壤理化性质与根际土壤微生物群落相关性

3.3 连栽杉木根际土壤微生物群落结构多样性特征

3.3.1 磷脂脂肪酸的命名

3.3.2 连栽杉木根际土壤微生物PLFA标记及含量

3.3.3 连栽杉木根际土壤主要微生物种群PLFA分布

3.3.4 连栽杉木根际土壤微生物群落PLFA主成分

3.3.5 连栽杉木根际土壤微生物主要类群和结构特征

3.4 连栽杉木根际土壤关键微生物的确定及变化特征

3.4.1 样品T-RFs的筛选

3.4.2 连栽杉木根际土壤细菌T-RFLP图谱分析

3.4.3 连栽对杉木根际土壤细菌群落多样性的影响

3.4.4 连栽杉木根际土壤细菌群落结构

3.4.5 连栽杉木根际土壤细菌群落功能

4 讨论与结论

4.1 讨论

4.2 结论

4.2.1 连栽杉木土壤养分变化

4.2.2 连栽杉木土壤化学性质与微生物多样性的相关性

4.2.3 连栽杉木根际土壤微生物代谢和群落功能多样性

4.2.4 连栽杉木根际土壤微生物结构多样性

4.2.5 连栽杉木根际土壤关键微生物相对含量变化

4.3 总结与展望

参考文献

致谢