连作与轮作对杨树人工林解磷微生物及磷代谢的影响

摘要

土壤养分循环障碍是人工林地力衰退的重要成因，土壤微生物群落在土壤养分循环中发挥重要作用。磷是植物重要的矿质营养成分，对植物的生长和发育发挥重要作用。研究土壤解磷微生物类群演变动态，有助于阐明连作和轮作对杨树人工林土壤磷循环影响的微生态机制，为科学经营人工林提供理论依据。本研究基于宏基因组测序技术，分析了杨树人工林Ⅰ代林地和连作Ⅱ代林地的根际土和非根际土、Ⅱ代林地主伐后轮作花生地和轮荒地土壤中解磷微生物类群及磷代谢随不同连作和轮作方式的变化规律。研究结果如下：
　　（1）在杨树人工林不同连作和轮作方式土壤中共检测出5种酚酸物质，分别为对羟基苯甲酸、苯甲酸、阿魏酸、香草醛和肉桂酸，酚酸类物质总量表现为Ⅱ代林>Ⅰ代林>轮作花生地>轮荒地。土壤理化性质在不同土壤样品中变化规律表现不同，pH、有机质和有效钾含量显著差异，全磷、有效磷、有效氮含量无显著性差异。
　　（2）土壤样品中共检测到细菌域微生物类群8个门，分属厚壁菌门（Firmicutes）、变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）、酸杆菌门（Acidobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、绿弯菌门（Chloroflexi）、疣微菌门（Verrucomicrobia）和浮霉菌门（Planctomycetes）。厚壁菌门丰度最高，其次是变形菌门和放线菌门。轮作降低了微生物群落多样性，Ⅱ代林土壤微生物群落多样性低于Ⅰ代林但差异并未达到显著水平。与Ⅰ代林相比，土壤微生物在属分类水平变化明显，Ⅱ代林、轮作花生地和轮荒地土壤中微生物种类减少，微生物群落结构发生改变。功能基因总丰度表现为Ⅰ代林>轮荒地>Ⅱ代林>轮作花生地。人工林连作后，参与复制、重组与修复，翻译、核糖体结构与生物合成功能的基因丰度降低。Ⅱ代林主伐轮作后，总体上功能基因丰度无显著变化。
　　（3）杨树人工林不同连作和轮作方式土壤中共检测出9属解磷微生物。其中：细菌7属，分别为芽孢杆菌属（ Bacillus）、假单胞菌属（ Pseudomonas）、黄杆菌属（Flavobacterium）、类芽孢杆菌属（Paenibacillus）、慢生根瘤菌属（Bradyrhizobium）、泛生菌属（Pantoea）、沙雷氏菌属（Serratia）；放线菌2属，为链霉菌属（Streptomyces）和节杆菌属（Arthrobacter）。芽孢杆菌属和假单胞菌属为优势菌群。泛生菌属、类芽孢杆菌和沙雷氏菌属分别为Ⅰ代林地、Ⅱ代林地和轮荒地独有菌群，但所占比例均低于0.1％。
　　（4）杨树人工林连作、轮作和轮荒后，Ⅰ代林地和Ⅱ代林地解磷微生物占各样地解磷微生物总丰度的22.4%和23.1%，轮作花生地和轮荒地解磷微生物占各样地解磷微生物总丰度的26.8%和27.7%，与连作相比，轮作可以增加解磷微生物的数量。与Ⅰ代林地相比，Ⅱ代林地土壤中各属共有解磷微生物丰度均有不同程度增加。与Ⅱ代林地相比，主伐更新后轮作花生地和轮荒地土壤中芽孢杆菌属和假单胞菌属丰度分别增加19.9%和30.3%、20.4%和71.4%，而节杆菌属、慢生根瘤菌属、链霉菌属丰度则降低，且降幅均在50%以上。
　　（5）杨树人工林根际解磷微生物总丰度显著低于非根际，芽孢杆菌属和假单胞菌属细菌在杨树根际土壤中显著低于非根际土壤，R/S值分别为0.6~0.7:1和0.4~0.7:1，而节杆菌属、慢生根瘤菌属、链霉菌属的丰度显著高于非根际土壤，细菌R/S值为4~7:1，放线菌R/S值为2~6:1。
　　（6）在不同土壤中磷酸酶基因总丰度表现为Ⅰ代林地>轮荒地>Ⅱ代林地>轮作花生地。Ⅱ代林地主伐更新后，轮荒地磷酸酶基因总丰度升高，轮作花生地为各样本中最低。根际与非根际之间，Ⅰ、Ⅱ代林土壤磷酸酶R/S值分别为1.39和1.09，在Ⅱ代林中根际与非根际土壤磷酸酶丰度差异缩小，部分磷酸酶丰度甚至低于非根际土壤。Ⅱ代林根际土壤各磷酸酶丰度低于Ⅰ代林根际土壤。
　　（7）与Ⅰ代林相比，Ⅱ代林土壤中有机磷转化作用强度降低16.63%，人工林连作降低土壤可利用磷的含量。Ⅱ代林主伐后，轮作花生地土壤中有机磷转化作用强度比Ⅱ代林升高32.36%，轮荒地土壤中有机磷转化作用强度比Ⅱ代林升高25.44%。轮作和撂荒可以增加土壤中可利用磷的供应，改善林地生产力。

目录

声明

缩略词 Abbreviation

1 前言

1.1 研究的目的意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容、研究目标、技术路线及拟解决的关键问题

2 材料与方法

2.1 试验地概况

2.2 研究方法

2.3 数据处理与分析

2.4 主要试验仪器及辅助软件

3. 结果与分析

3.1 杨树人工林不同连作与轮作方式土壤酚酸含量及土壤因子差异

3.2 杨树人工林不同连作和轮作方式土壤微生物结构与功能分析

3.3杨树人工林不同连作和轮作方式土壤解磷微生物类群特征

3.4 杨树人工林不同连作和轮作方式土壤磷代谢作用

3.5 杨树人工林不同连作和轮作方式土壤有机磷转化作用强度

4 讨论

4.1 人工林连作与轮作影响土壤微生物群落结构

4.2人工林连作对解磷微生物及其活性的酚酸影响机制

4.3 人工林连作与轮作影响解磷微生物类群特征

5 结论与创新点

5.1 主要结论

5.2 论文创新点

参考文献

致谢

在读期间论文发表情况