毛竹入侵阔叶林对土壤固碳功能菌群落特征的影响及其机制

摘要

毛竹(Phyllostachys pubscens)主要分布在热带和亚热带地区，是我国南方重要的笋、材两用竹，其依靠强大的地下茎（竹鞭）不断向四周扩散。植物入侵潜在改变陆地生态系统的碳循环和土壤微生物群落，土壤自养微生物在固定CO2方面扮演着重要角色;然而毛竹入侵过程中固碳自养微生物群落的变化及其驱动的环境因子尚不清楚。本文采用实时荧光定量PCR(Real-time PCR，qPCR)、末端限制性片段长度多态性技术(T-RFLP)、基因克隆文库等分子生物学的方法，研究了浙江天目山和江西庐山自然保护区毛竹入侵阔叶林对土壤固碳功能菌群落特征的影响，并利用冗余分析(Redundancy analysis，RDA)研究影响土壤固碳功能菌群落变异的主要环境因子，旨在揭示亚热带地区自然保护区毛竹入侵地带性阔叶林对土壤固碳自养微生物群落特征及其影响机制。　　天目山自然保护区两个实验位点（石门洞和进山门）的研究结果均表明，毛竹入侵阔叶林增加土壤cbbL基因数量和RubisCO酶活性。与常绿阔叶林相比，毛竹入侵阔叶林导致石门洞实验位点的cbbL基因数量和RubisCO酶活性分别增加72％和140％;进山门实验位点的cbbL基因数量和RubisCO酶活性分别增加105％和80％。相关分析表明，cbbL基因数量与土壤pH呈显著正相关，RubisCO酶活性与有效磷、电导率以及硝态氮显著正相关;cbbL基因数量与RubisCO酶活性呈现显著正相关关系(r=0.80，P=0.016)。多响应置换过程分析(Multi-response permutation procedures，MRPP)结果表明，在石门洞实验位点混交林与阔叶林之间的固碳自养微生物群落结构差异显著，而进山门毛竹林与混交林群落结构差异性显著。主坐标分析(Principal coordinate analysis，PCoA)和聚类分析(Cluster analysis，UPGMA)均表明研究区域的位置差异显著影响固碳自养微生物群落结构，且其效应大于毛竹入侵阔叶林造成的林分类型的影响。RDA结果表明，石门洞实验位点土壤固碳菌群落结构受土壤pH(P=0.029）、有机碳(P=0.001）、碳氮比(C/N ratio，P=0.001)、硝态氮(P=0.011)以及铵态氮(P=0.035)含量的显著影响;进山门实验位点则主要受土壤pH、硝态氮以及速效钾的影响，且只有速效钾(P=0.043)的影响达到显著性水平。多元回归树分析(Multivariate Regression Tree，MRT)表明土壤易氧化碳含量是土壤固碳微生物数量、多样性以及群落结构地理变异的主要因素。本研究区域的自养菌群优势菌种为根瘤菌(Rhizobiales)，诸如芽生绿菌属(Blastochloris viridis)，Starkeya novella,and Bradyrhizobium sp.等　　庐山自然保护区两个实验位点（黄龙寺和碧云庵）的研究结果表明，不同林分土壤cbbL基因丰度和RubisCO酶活性变化因地理位置而异。黄龙寺实验位点的混交林cbbL基因丰度显著高于毛竹林，而RubisCO酶活性则显著低于毛竹纯林和阔叶林;碧云庵实验位点混交林cbbL基因丰度显著高于阔叶林和毛竹纯林;且碧云庵三种林分的cbbL基因数量和RubisCO酶活性均高于黄龙寺。相关分析表明:cbbL基因数量与硝态氮(r=-0.612，P＜0.01)和碱解氮(r=-0.348，P=0.026)均呈显著负相关;RubisCO酶活性与易氧化碳(ROC)含量呈负相关(r=-0.314，P=0.046)。MRPP和非度量多维尺度分析(Non-metric multi-dimensional scaling，NMDS)结果均表明，碧云庵三种林分彼此之间固碳菌群落结构差异显著，而黄龙寺样品则没有规律。RDA结果表明黄龙寺固碳菌群落结构受有效磷(P=0.001)、pH(P=0.002)以及有机碳(P=0.002)含量的影响，碧云庵固碳菌群落结构除上述因素外，还受全氮(P=0.029)和电导率(P=0.024)的影响。多元回归树分析(multivariate regression tree，MRT)表明土壤硝态氮含量是土壤固碳微生物数量、多样性变异的主要因素。基因克隆文库分析表明，本研究区域的自养菌群优势菌种为根瘤菌(Rhizobiales)，诸如慢生根瘤菌（Bradyrhizobium）、华癸中生根瘤菌(Mesorhizobium)、以及Devosia sp.等，此外还有发现的少量硝化细菌(Nitrobacter)和固氮螺菌属(Azospirillum)等。　　固碳自养微生物的种群及分布在庐山和天目山地区存在差异，地理差异影响固碳自养微生物群落生物地理分布，碱解氮含量是驱动固碳自养微生物地理分异的主要因素。

目录

声明

摘要

1 文献综述

1．1 毛竹入侵阔叶林研究现状

1．2 固碳微生物相关研究

1．2．1 固碳微生物种类

1．2．2 微生物固碳途径

1．2．3 RubisCO研究进展

1．2．4 固碳微生物群落分布及多样性研究

1．3 展望

2 立题依据与研究内容

2．1 立题依据

2．2 研究内容

2．3 技术路线

3 天目山毛竹入侵阔叶林土壤固碳微生物群落特征及其影响因素

3．1 材料与方法

3．1．1 研究区域概况

3．1．2 样品采集与处理

3．1．3 主要试剂与引物

3．1．4 分析方法

3．1．5 数据处理

3．2 结果与分析

3．2．1 土壤理化性质

3．2．2 土壤固碳细菌cbbL基因丰度和RubisCO酶活性

3．2．3 土壤固碳功能茵群落特征

3．2．4 土壤固碳功能菌多样性

3．2．5 土壤固碳菌群落结构与环境因子的相关分析

3．3 讨论

3．4 结论

4 庐山毛竹入侵阔叶林土壤固碳微生物群落特征及其影响因素

4．1 材料与方法

4．1．1 研究区域概况

4．1．2 样品采集与处理

4．1．3 主要试剂与引物

4．1．4 分析方法

4．1．5 数据处理

4．2．1 土壤理化性质

4．2．2 土壤固碳细菌cbbL基因丰度和RubisCO酶活性

4．2．3 基于T-RFLP的土壤固碳功能菌群落结构

4．2．4 土壤固碳功能菌多样性

4．2．5 土壤固碳菌群落结构与环境因子的相关分析

4．3 讨论

4．4 结论

5 固碳自养微生物生物地理分布差异及其机制

5．1 材料与方法

5．1．1 研究区域概况

5．1．2 样品采集与处理

5．1．3 主要试剂与引物

5．1．4 分析方法

5．1．5 数据处理

5．2 结果与分析

5．2．1 基于地理位置差异的土壤固碳细菌系统发育树

5．2．2 土壤固碳功能细菌MRT分析

5．3 讨论

5．4 结论

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

个人简介

致谢