黄土高原辽东栎枯落物分解的微生物作用机制

摘要

植物枯落物是链接地上与地下生态系统的纽带，而微生物是植物枯落物分解的主要驱动力，是影响养分循环的关键因子，对陆地生态系统生物地球化学循环具有重要的影响。森林生态系统是全球陆地生态系统最大的碳汇，因此研究枯落物分解的微生物作用机制，对于理解物质循环、气候变化具有重要的推动意义，从源头去明晰枯落物分解机理。本研究依托黄土高原森林植被生态系统，利用传统的原位野外枯落物分解袋法与室内分解实验研究辽东栎枯落叶分解的微生物作用机制。通过野外调查枯落物的年产量，设置不同枯落物层次（枯落物表面、腐殖质层表面、土壤层表面），探讨不同层次的枯落物分解过程。利用分子生物学（高通量测序）等手段，研究枯落物分解过程中细菌与真菌变化特征，以及不同类群微生物对枯落物分解的响应，以阐明微生物对枯落物分解的作用机制。结合枯落物化学组成以及有机碳化学机构变化特征，探讨枯落物化学组成对枯落物分解的响应，明晰影响和控制枯落物微生物群落演替的关键因子，为黄土高原森林生态系统植被恢复过程中的物质循环提供新的见解，为提升黄土高原生态服务功能提供理论依据，为未来管理森林生态系统提供技术支撑。通过室内与室外枯落物分解实验，主要的研究结论如下： 1. 不同层次的枯落物分解差异显著。枯落物有机碳、全氮含量呈现净释放的过程，前期释放迅速较快，后期释放较慢，不同层次的枯落物全氮含量差异显著，枯落物层显著高于腐殖质层与土壤层。枯落物全磷含量呈现富集-释放-富集的过程，不同枯落物层次下枯落物全磷含量差异不显著。全钾含量表现出释放-富集-释放的变化过程，不同层次下枯落物全钾含量差异显著，在分解末期，不同层次枯落物全钾含量表现为土壤层>枯落物层>腐殖质层。枯落物质量损失量与枯落物有机碳含量之间存在极显著的负相关，与枯落物全氮、全磷含量之间存在极显著的正相关，与枯落物全钾含量的相关性不显著。分解初期微生物生物量呈现先增加后降低的变化趋势，表明分解初期微生物数量迅速增加，促进枯落物的分解。 2. 应用三种模型（Olson、Exponential、Logarithmic）对子午岭区辽东栎枯落物分解过程进行模拟，决定系数 R2以及显著性检验结果表明，三种模型均能很好地预测辽东栎枯落物的动态分解过程，其中Logarithmic模型拟合效果最佳。应用Logarithmic方程对不同层次的辽东栎枯落物的分解过程进行模拟，结果表明腐殖质层的枯落物的分解速率最快，其次是枯落物层的枯落物，分解最慢的是土壤层的枯落物。经过一年的分解，不同层次的辽东栎枯落物分解率分别为23%（枯落物层）、17%（腐殖质层）、15%（土壤层），分解常数分别为0.254（枯落物层）、0.205（土壤层）、0.184（腐殖质层）。 3. 枯落物微量元素在枯落物中含量虽然较小，但是对枯落物分解具有显著的影响。不同的微量元素随着分解时间的变化，表现出不同的变化趋势。经过 340d 的分解，辽东栎枯落物中 Ca、Mg、Mn、Zn 表现出富集-释放的过程，释放速率大小顺序为：Ca>Mg>Mn>Zn。Fe、Cu 在整个枯落物分解过程呈现出富集的过程，Fe 的富集量大于Cu。枯落物 Ca、Mg、Mn是影响枯落物分解的主要因素，与质量损失存在显著的负相关，尤其是枯落物Mn含量，控制着枯落物分解过程。 4. 核磁共振能够很好的表征枯落物的有机碳结构变化特征，能够预测枯落物分解速率。13C-NMR 图谱结果表明，辽东栎枯落物中主要以烷氧基碳与烷基碳为主，二者占总体的70%左右。不同化学结构的有机碳随着枯落物分解时间的进行，表现出不同的变化趋势。羧基碳与芳香碳的相对丰度随着分解时间逐渐增加，而烷基碳与烷氧基碳呈现降低的变化趋势，表明分解初期主要以烷基碳与烷氧基碳的物质为主。由于烷基碳与烷氧基碳物质的分解导致芳香碳的相对比例逐渐增加。芳香度的增加表明枯落物分解过程中枯落物有机碳的分子结构越来越复杂。 5. 枯落物分解过程中细菌多样性逐渐增加，特别是在分解初期，分解中后期处于平稳状态。真菌多样性也呈现前期迅速增加然后保持稳定的变化趋势（120-340天之间），结果表明在枯落物分解初期，真菌多样性迅速增加后趋于稳定。枯落物中细菌与真菌多样性呈现明显的季节变化特征，秋季（分解120天时）显著高于其它季节。相比于细菌，真菌的多样性变化趋势较为平缓。 6. 枯落物分解过程中，细菌主要由放线菌 Actinobacteria （16.8-24.7%） , Alphaproteobacteria （38.7-48.4%），Betaproteobacteria （18.4-38.9%）和 Acidobacteria （2.3-7.8%）组成。在枯落物分解过程中，Alphaproteobacteria和Gammaproteobacteria的相对丰度差异不显著，而Betaproteobacteria的相对丰度呈现下降的变化趋势。在纲水平下，Burkholderiales是最主要的优势纲，其相对丰度由38.6%（夏季，30天）下降到18.2%（春季，340天）。随着枯落物分解，Burkholderiales呈现显著下降，Micrococcales显著增加。在属水平下，Massilia逐渐下降，而Sphingomonas和Rhizobium呈现增加的变化趋势。DisstLM 分析表明枯落物性质对细菌群落组成具有重要的影响，枯落物 pH （F=2.66，P=0.007）、总氮（F=1.98,P=0.037）、总磷（F=3.11, P=0.005）、总碳（F=2.12, P=0.042）是影响枯落物细菌群落组成的最重要的因素，其解释率分别为21.0%、14.2%、18.1%、10.6%，其累积解释率为63.9%。 7. 辽东栎枯落物分解过程中真菌群落表现出明显的季节性差异，在分解前期迅速繁殖，其真菌多样性达到最大值。枯落物真菌主要以子囊菌门（Ascomycota）、胆子菌门（Basidiomycota）为主。Cylindrium为第一大优势菌属，是枯落物分解的主要菌属，其相对丰度在分解中期（120d）显著高于分解后期（250d、340d）。研究结果表明，枯落物pH（F=2.09，P=0.009）、总氮（F=1.86，P=0.025）和总磷（F=1.90，P=0.037）是影响枯落物真菌群落组成的最重要的因素，其解释率分别为17.3%、14.2%、13.1%，其累积解释率为44.6%。 8. 枯落物分解能够有效的改变土壤碳氮组分，尤其是有效氮含量（硝态氮、可溶性氮、微生物生物量氮）。枯落物量的增加并没有显著地改变土壤细菌群落结构。正常枯落物量处理与加倍处理、对照处理土壤微生物群落结构差异显著，尤其是富营养细菌以及寡营养细菌的差异。相关性分析表明，土壤氮源是影响土壤微生物群落结构最重要的影响因子。 9. 辽东栎枯落物分解对土壤与枯落物细菌群落具有显著的影响。室内模拟土壤细菌群落组成区别于野外原位土壤样品，室内模拟枯落物细菌群落结构区别于野外原位枯落物。分解者数量与种类是枯落物分解的主要影响因素，也是导致室内模拟与室外原位枯落物微生物群落差异的主要原因。放线菌门是枯落物中最为丰富的细菌群落，而土壤中细菌群落主要为变形菌门、厚壁菌门、酸杆菌门、放线菌门等群落。室内模拟与室外原位土壤细菌群落特征差异较大，其中室外土壤的变形菌门显著低于室内土壤样品，室外土壤样品的厚壁菌门显著高于室内土壤样品。室内模拟与室外原位枯落物样品中细菌群落差异较小，枯落物中含有大量的纤维素分解菌（Burkholderia），表明枯落物纤维素分解较快于土壤。而土壤样品中分布着较为丰富的酸杆菌，显著区别于枯落物样品，对于促进土壤中碳氮循环具有重要的作用。土壤细菌是枯落物分解的主要来源，土壤微生物群落能够敏感地响应枯落物分解。温度与水分能够影响枯落物与土壤细菌群落特征。 通过340天的枯落物分解实验表明，枯落物细菌与真菌群落组成存在显著的季节差异。随着枯落物分解过程的进行，枯落物细菌与真菌多样性逐渐增加，在枯落物分解120天时多样性达到最大值。表明，叶际微生物是枯落物分解的主要驱动力。此外，枯落物基质质量变化也会促进枯落物微生物群落演替，其中枯落物氮、磷含量以及pH值是控制枯落物微生物群落演替的关键因子。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 选题的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 存在的主要科学问题

第二章 研究区概况、研究内容及方法

2.1 研究区概况

2.2 研究内容

2.3 技术路线

2.4 研究方法

第三章 辽东栎枯落物分解基质质量变化特征

3.1 结果与分析

3.2 讨论

3.3 本章小结

第四章 枯落物分解过程中微量元素变化特征

4.1 结果与分析

4.2 讨论

4.3 本章小结

第五章 辽东栎枯落物分解过程中有机碳化学结构变化特征

5.1 结果与分析

5.2 讨论

5.3本章小结

第六章 辽东栎枯落物分解过程中叶际微生物变化特征

6.1 结果与分析

6.2 讨论

6.3 本章小结

第七章 辽东栎枯落物分解对土壤微生物群落的影响

7.1 结果与分析

7.2 讨论

7.3 本章小结

第八章 室内与室外枯落物分解过程中土壤与枯落物细菌群落变化特征

8.1 结果与分析

8.2 讨论

8.3 本章小结

第九章 主要结论及有待进一步研究的问题

9.1 主要结论

9.2 主要创新点

9.3 本研究的局限及有待进一步研究的问题

参考文献

致谢

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