论文部分内容阅读
土壤微生物是草地生态系统的重要组成部分,微生物群落结构特征被认为是表征草地生态系统物质循环、健康状况和生态服务功能的敏感指标。牧草管理措施的实施在促进和保障牧草生物产量和品质同时,也会对牧草种植土壤的物理、化学和生物学性质产生深远影响。为此,本研究选取南方高产、优质牧草品种桂牧1号为研究对象,于2011年在中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站内设置长期定位正交试验,于2018年采集土壤样品,采用Illumina Miseq高通量测序分析,研究施氮量和刈割频率及刈割留茬高度对桂牧1号种植土壤微生物生物量、群落结构、多样性等特征的影响,并结合土壤环境因子和网络分子生态学模型,探讨分析了不同管理措施下土壤微生物群落结构的响应机制。获得了如下主要研究结果:1.施用氮肥除了对桂牧1号种植土壤p H有显著影响外,对其土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)和全磷(TP)等的影响不显著;不同刈割频率和强度对其土壤基本理化性质无明显影响;施用氮肥对其土壤微生物生物量碳(MBC)没有显著影响,但对微生物生物量氮(MBN)具有负效应;刈割频率对其土壤MBC和MBN没有影响;刈割留茬高度影响其土壤MBN,表现为中等程度刈割留茬高度的土壤MBN含量最高。除了土壤SOC与TN外,土壤TP也是影响桂牧1号种植土壤MBC的重要因素。2.本研究结果表明桂牧1号种植土壤细菌和真菌群落由少数丰度较高的物种主导。其土壤细菌共42门、101纲、219目、304科、444属,真核微生物共11门、31纲、82目、159科、298属。细菌的主要优势菌群为酸杆菌门、变形菌、绿弯菌门和拟杆菌门;其真菌群落的优势门为子囊菌门、担子菌门、接合菌门等菌群;在不同管理措施处理下,桂牧1号种植草地土壤细菌和真菌在门水平上类群相对丰度均不显著,这表明长期不同施氮量和刈割频率及强度管理措施对桂牧1号种植土壤微生物在门水平上的群落组成影响不显著,需在更细分类学水平上才能更加准确地反映土壤微生物的响应特征。3.本研究土壤细菌和真菌的Alpha多样性分析发现,施氮量和刈割频率及强度管理措施对桂牧1号种植土壤细菌和真菌Shannon指数影响均不显著,而对细菌和真菌的物种丰富度影响显著。土壤细菌和真菌的物种丰富度都以1000 kg·hm-2·年-1施尿素量、3次/年刈割、刈割留茬高度5 cm处理(A3B3C1)的为最高值,即施氮量和刈割频率及强度等管理措施居中的情况下,桂牧1号种植土壤细菌和真菌物种丰富度达到峰值,说明桂牧1号种植土壤微生物物种丰富度的变化同样符合中度干扰假说。基于Bray-curtis距离矩阵的Beta多样性分析发现,细菌β多样性聚类结果不及真菌的明显,表明施氮量、刈割(频率和强度)等管理措施可极大地影响土壤细菌的群落结构稳定性。4.桂牧1号种植土壤细菌门群落结构分布主要的驱动因子为全氮(TN)、碱解氮(AN);在OTU水平上的主要驱动因子为AN、p H、微生物生物量氮(MBN)。其土壤真菌的担子菌门与土壤p H、全磷(TP)分别呈显著水平负相关(p<0.05);接合菌门与土壤全钾呈显著水平正相关(p<0.05);土壤门水平上真菌群落主要受到土壤微生物生物量磷(MBP)、TN等环境因子的驱动;OTU水平上土壤MBN(土壤微生物量氮)、TP、AN是主要的驱动因子。5.本研究基于分子生态网络模型的构建分析结果表明,不同施氮水平、刈割频次和刈割留茬高度可改变牧草品种桂牧1号种植土壤微生物网络模块数量、模块的大小,也可改变网络中模块的分布及其相互关系以及网络中的关键种。土壤细菌网络中,施氮量和刈割次数的增加可导致其土壤细菌网络结构更加复杂;在刈割留茬高度为25 cm时,土壤细菌网络抗外界干扰能力强。不同管理措施下桂牧1号种植土壤真菌网络结构拓扑规律性不太明显,不施氮肥和1年刈割3次频度的桂牧1号种植土壤真菌网络易受到外界环境扰动;而刈割留茬高度为5cm时的桂牧1号种植土壤真菌网络抗外界干扰能力强,具有更高的稳定性。6.基于不同氮肥和刈割处理的植物生长、土壤性状和土壤微生物结构的综合生态效益,采用欧氏距离、Ward法聚类分析获得植物生长和土壤环境欠发展型、植物生长改良型、土壤环境改良型和植物生长和土壤环境协调发展型四类,且以A2B1C2处理(即氮肥500 kg·hm-2·a-1,1次刈割,刈割留茬高度15cm处)的植物、土壤、土壤微生物综合生态效益最佳。