黄土高原不同起源油松林根际土壤解磷细菌群落特征及其功能

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油松(Pinus tabulaeformis)是黄土高原的乡土常绿针叶树种,抗旱能力强、根系发达,在生态环境建设中发挥着重要作用。土壤磷是植物生长发育过程中必不可少的营养元素之一,也是土壤养分的重要指标。尽管土壤中全磷含量较高,但大部分以植物不能直接吸收利用的无效态存在。黄土高原地区气候干旱少雨,土壤因其风化程度高且钙氧化物丰富,对磷有较强的固定能力。因此,该区域油松林木生长经常受到低可利用性的土壤磷素的限制,阻碍油松的生长发育,影响油松林的稳定性。现有的研究表明,人工油松林的生长发育和林分稳定性普遍低于天然油松林。本研究以陕西省黄龙县蔡家川林场不同起源的油松林为对象,设置20×30 m临时样地,挖取0-20 cm表土层20×20 cm土样,采集土样及吸收根样和根际土,测定土壤理化性质和胞外酶活性。采用高通量测序分析根际土壤微生物群落组成,结合室内分离鉴定解磷细菌及测定其解磷能力,揭示了不同起源油松林根际土壤微环境和解磷细菌群落组成及功能方面的差异,探讨了造成差异的驱动力,为进一步研究土壤解磷细菌与油松的互作关系奠定了基础。主要研究结果如下:(1)不同起源油松林土壤理化性质和胞外酶活性存在明显差异。天然油松林全碳、全氮含量以及碳氮比、氮磷比显著高于人工油松林。与碳循环相关的β-葡萄糖苷酶表现为人工林显著高于天然林,而与氮循环相关的亮氨酸氨基肽酶表现则相反。油松人工林根际土壤碳氮酶活性比(C:Neea)和碳磷酶活性比(C:Peea)均显著高于天然林。胞外酶中β-葡萄糖苷酶、α-葡萄糖苷酶、纤维双糖水解酶、β-木糖苷酶和β-1,4-N-乙酰基氨基葡萄糖苷酶活性均与土壤p H值和硝态氮、铵态氮、速效磷及全磷含量呈正相关,而与土壤全碳、全氮含量和碳氮比、氮磷比呈负相关。(2)不同起源油松林根际土壤细菌群落多样性和丰富度差异不显著,而群落组成存在差异。本研究得到6897种OUT序列。不同起源油松林根际土壤细菌群落在门水平上主要由变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)和酸杆菌门(Acidobacteria)组成;在纲水平上主要由放线菌纲(Actinobacteria)、α-变形菌纲(Alphaproteobacteria)和γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)组成;在属水平上两种林型共检索到617个属,其中天然林独有细菌属的个数较人工林独有细菌属少。(3)土壤理化性质对油松根际土壤的细菌群落多样性有显著影响。其中,放线菌门相对丰度与全氮含量呈显著负相关;硝化螺旋菌门(Nitrospirae)相对丰度与全磷含量呈显著正相关;变形菌门相对丰度与p H值呈极显著负相关。冗余分析(RDA)结果表明,p H值、全氮和速效磷含量与前两个主成分轴显著相关。(4)不同起源油松林根际解磷细菌群落组成和结构均存在显著差异。与人工油松林相比,天然油松林根际解磷细菌群落多样性更丰富、分布更均匀,其解磷能力普遍较高。不同起源油松林根际土壤解磷细菌共区分出20属65种解磷细菌,虽然优势菌均为芽孢杆菌属(Bacillus)、链霉菌属(Streptomyces)和假单胞菌属(Pseudomonas),但天然油松林和人工油松林土壤中的解无机磷细菌种类数量(32种和21种)均高于解有机磷细菌(18种和16种)。人工油松林土壤中的解磷细菌群落组成种类(36种)较天然油松林(49种)少,特别是解无机磷细菌菌种减少了34.38%。冗余分析结果表明,链霉菌属细菌数量与土壤全碳、全氮含量和碳氮比、氮磷比呈正相关,而芽孢杆菌属和假单胞菌属细菌数量与土壤硝态氮、铵态氮、速效磷及全磷含量呈正相关。(5)人工接种试验结果表明,接种无机磷细菌(W)及无机磷+有机磷细菌(W+Y)处理的油松幼苗生长最好。未接种和不灭菌处理(CK0)的育苗土壤基质全碳、全氮和全磷含量均显著高于其它几个处理,而有效养分含量却显著低于未接种和灭菌处理(CK1)。有机磷细菌(Y)接种处理的育苗土壤基质养分含量显著低于无机磷细菌接种处理和无机磷+有机磷细菌接种处理。未灭菌处理的育苗土壤基质中,细菌和解磷细菌数量均略高于灭菌处理的育苗土壤基质。
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