马尾松人工林不同营林措施下土壤微生物群落特征及其响应机制研究

摘要

森林地上部分和地下部分的群落结构具有强烈交互作用，土壤微生物在生物地球化学循环中起着重要的作用。微生物群落结构特征是表征森林生态系统物质循环、健康状况和生态服务功能的敏感指标。而不科学的森林经营会导致森林生产力的降低、养分流失、生物多样性降低。因此，本研究选取北亚热带典型马尾松人工林为研究对象，于2013年9月份于湖北省秭归县九岭头的典型马尾松人工林场进行典型采伐，设置3种营林措施和对照，每种营林方式设置6个10m×10m的固定样地，共24块固定样地，样地间距50-300m。3种营林方式具体如下:除灌措施(SM)-对样地内灌丛地上部分全部清除;轻度采伐(LH)-对样地内胸径≥4cm非马尾松（主要为光皮桦、漆树、杉木）和部分高大灌木（木姜子、火棘等）清除，按胸高断面积算强度为15％;重度采伐(HH)-对样地内胸径≥17.9cm马尾松清除，强度为70％。采伐树木移出样地，保留采伐的剩余物。 本研究采用Illumina MiSeq高通量测序技术获得土壤微生物群落结构整体序列信息，通过数据库比对得到土壤微生物的群落组成、结构和功能特征，结合环境因子、功能家族特征、网络分子生态学模型和系统发育学特征，探究分析不同营林措施下土壤微生群落结构的稳定性和响应机制。 主要研究结论如下: 1)通过对土壤微生物生物量碳氮分析发现:土壤微生物生物量碳氮对营林干扰产生了显著响应，微生物生物量碳氮在营林干扰后显著降低;同时真菌较细菌具有较高微生物生物量碳氮比，说明真菌较细菌对营林干扰更加敏感。 2)通过高通量测序获得微生物群落组成、结构、多样性特征表明:细菌和真菌的少数丰度较高的物种主导群落特征;在更细分类学水平上更能准确地反映微生物响应特征;营林措施导致了物种(OTU)总数降低，除灌和重度采伐的独有物种(OTU)百分比增高，而轻度采伐的独有物种(OTU)百分比降低;营林措施显著的改变了微生物群落结构(p＜0.05)，同时轻度采伐的细菌真菌alpha多样性和丰度显著下降(p＜0.05)。 3)通过PICRUSt预测细菌的功能家族特征，FUNGuild预测真菌营养功能特征，结果表明:营林干扰后细菌的功能家族呈现下降趋势，只有细胞通信和敏感系统显著下降(p＜0.05);真菌的功能团呈显著差异。结果同时说明细菌具有一定功能冗余，因此响应不显著，而真菌具有生长速率慢且宿主特异性，因此对营林干扰响应更灵敏。 4)土壤微生物生物碳氮量、微生物群落结构与环境因子的多元逐步回归分析表明:环境因子是驱动土壤微生物的异质性主控因子;生物和非生物环境因子驱动微生物群落异质性，其中生物因子（细根生物量和凋落物产量）和非生物因子（含水量、PH、稳定和铵态氮）与微生物量碳显著相关，微生物量氮只和可溶性碳显著相关。综上表明环境对微生物群落特征起着决定作用，即符合生态位理论。 5)通过微生物弱相互作用构建的分子生态学网络模型表明:营林措施改变了微生物的网络结构特征，微生物类群通过协作应对营林干扰导致的环境变化;细菌模块内部的重要关键物种（模块枢纽）显著下降，细菌模块之间的关键物种（连接者）也下降;同时，真菌网络模型模块（生态位）数量下降，且模块内部物种增多。综上可知:营林干扰显著降低了生态位的数量，相同生态位物种丰度增加，微生物群落内部竞争加剧，当受到外界环境干扰时，微生物群落结构不稳定;在微生物网络模型中环境因子起着关键作用，即符合生态位理论。 6)通过微生物群落的系统发育特征进行分析表明:微生物系统发育学指数NRI、NTI＞0，生态位理论在微生物群落构建过程中起主导作用，环境是限制土壤微生物群落结构变化的主控因子;轻度采伐的生态位数量显著降低，这归因于轻度采伐导致微生物生存所需的养分和能量多样性降低;但是重度采伐的环境确定性作用显著降低，主要是因为重度采伐为其它物种的更新提供了大量生态位，中性理论的随机分布、扩散加强。 综合上面主要研究结论发现:土壤微生物是营林干扰的敏感响应因子;营林措施不同程度改变了土壤微生物的群落特征;同时，营林干扰通过改变环境因子来改变土壤微生物的群落特征，环境因子是微生物群落结构变化的主控因子;营林措施导致土壤微生物网络模型发生了改变，土壤微生物的网络结构稳定性降低，微生物受到环境变化影响时，微生物群落结构就更加不稳定;营林措施导致土壤微生物的系统发育学特征发生改变，土壤微生物群落的生态位发生显著变化。环境因子是微生物群落的主控因子，即生态位理论;轻度采伐导致微生物的生态位降低，重度采伐为灌草更新提供生态位，即重度采伐有趋向于随机分布、扩散的中性理论趋势。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1研究背景

1．2项目来源和经费支持

1．3国内外研究综述

1．3．1土壤微生物分布特征

1．3．2土壤微生物的功能分布特征

1．3．3植被对微生物的影响

1．3．4土壤微生物的群落结构维持机制理论

1．3．5土壤微生物维持机制假说

1．3．6基因组学

1．4关键科学问题

1．5研究内容及技术路线

1．5．1研究目标

1．5．2研究内容

1．5．3研究技术路线

第二章样地概况，实验设置和试验方法简介

2．1三峡库区自然概况

2．2研究样地概况

2．3样地设置

2．4土壤样品采集

2．5提取土壤微生物的DNA

2．5．1土壤样品DNA提取

2．5．2 PCR扩增

2．6序列数据处理

2．6．1原始样本统计

2．6．2有效数据统计

2．6．3数据去杂方法和参数

2．6．4物种注释

2．7数据分析方法简介

第三章马尾松人工林不同营林措施下土壤微生物量碳氮特征及影响因素

3．1引言

3．2研究方法

3．2．1样地设置

3．2．2实验材料

3．3统计分析

3．4结果

3．4．1不同营林措施下的土壤微生物量碳氮

3．4．2土壤微生物熵及环境因子变异特征

3．4．3土壤微生物生物量碳氮和环境因子的关系

3．5讨论

3．5．1不同营林措施下土壤微生物生物量碳氮响应特征

3．5．2土壤微生物量与环境因子的关系

3．5．3营林措施对微生物生物量碳氮差异解释

第四章马尾松人工林不同营林措施下土壤微生物多样性及组成特征

4．1引言

4．2研究方法

4．3．1样地设置

4．2．1土壤样品

4．2．2高通量测序数处理

4．2．3数据分析方法

5．2．2高通量测序数处理

4．3结果

4．3．1土壤微生物群落组成分布特征

4．3．2土壤微生物的alpha多样性

4．3．3土壤微生物的beta多样性

4．3．4土壤微生物群落组成特征

4．5讨论

4．5．1土壤微生物多样性、组成响应探究

第五章马尾松人工林不同营林措施下土壤微生物群落结构响应及其与环境因子的关系

5．1引言

5．2研究方法

5．3．1样地设置

5．3数据分析

5．4结果

5．4．1环境因子对营林干扰的响应

5．4．2不同营林措施下土壤微生物的群落结构

5．4．3土壤微生物群落结构的差异物种分析

5．4．3土壤微生物群落结构相似性

5．4．4土壤微生物群落组成和环境因子的关系

5．5讨论

5．5．1营林措施对土壤微生物群落结构影响

5．5．2环境因子与土壤微生物群落结构异质性的关系

第六章马尾松人工林不同营林措施下土壤微生物功能响应特征

6．1引言

6．2研究方法

6．2．1实验样品和数据处理

6．2．2细菌功能预测

6．2．3真菌功能预测

6．2．4数据分析

6．3结果

6．3．1细菌的功能多样性特征

6．3．2真菌的功能多样性特征

6．4讨论

6．4．1细菌功能家族特征

6．4．2真菌的功能群特征

第七章马尾松人工林不同营林措施下土壤微生物的交互作用响应机制

7．1引言

7．2研究方法

7．2．1实验设置

7．2．2实验材料高通量测序处理

7．2．3分子生态学网络模型的构建

7．2．4分子生态学网络模型的分析方法

7．3结果

7．3．1土壤细菌分子生态网络模型的拓扑学属性

7．3．2土壤细菌分子生态学模型的模块和关键节点

7．3．3土壤真菌分子生态学网络模型拓扑学属性

7．3．4土壤真菌分子生态学模型的模块和关键节点

7．3．5网络拓扑学性质与环境参数之间的参数

7．4讨论

7．4．1基于细菌分子生态学网络模型对营林干扰响应机制

7．4．2基于真菌分子生态学网络模型对营林干扰响应机制

7．4．3环境因子和土壤微生物的分子生态学网络模型

第八章马尾松人工林不同营林措施下土壤微生物的系统发育学特征

8．1引言

8．2材料与方法

8．2．1研究样地微生物群落系统发育树构建

8．2．2系统发育多样性指数计算

8．2．3数据分析

8．3结果

8．3．1不同营林干扰下的细菌系统发育多样性指数的响应

8．3．2不同营林干扰下的真菌系统发育多样性指数的响应

8．3．3谱系发育树上的关键物种

8．4讨论

8．4．1基于系统发育指数细菌对营林干扰的响应机制

8．4．2基于系统发育指数指数真菌对营林干扰的响应机制

第九章结论与展望

9．1主要结论

9．1．1土壤微生物生物群落生物量、组成、结构和功能对营林干扰的响应特征

9．1．2土壤微生物群落结构与环境因子的关系

9．1．3基于分子生态学网络模型土壤微生物对营林干扰的响应机制

9．1．4基于系统发育学特征土壤微生物对营林干扰的响应机制

9．1．5基于土壤微生物的响应特征，评估营林措施的影响

9．2主要创新点和展望

9．2．1主要创新点

9．2．2研究展望

参考文献

在读期间的学术研究

致谢