尾巨桉人工林土壤细菌群落结构和多样性的动态变化

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桉树人工林单一树种多代连栽的炼山经营模式对土壤质量及其生态环境产生剧烈扰动,已引起社会的广泛关注,而采用免炼山造林这种模式是解决上述问题的重要措施之一;然而,在免炼山造林模式下,作为土壤生态环境重要组成部分的土壤微生物群落如何响应,且这一响应在林地更新后不同种植年限中又会产生怎么样的动态变化,我们仍然知之甚少。本文以免炼山新造林模式为研究对象,分析不同采伐剩余物处理方式下桉树人工林土壤中细菌群落结构和功能在林地更新后,在四个不同种植年限中的动态变化。研究对象为四种不同采伐剩余物处理方式的随机区组试验:炼山、移除采伐剩余物、平铺采伐剩余物和将采伐剩余物带状堆放,并以采伐前的第三代桉树人工林及样地附近的针阔混交次生林作为对照,对土壤物理、化学和生物学性质指标进行研究,并基于16srna测序结果,进行土壤细菌群落结构和多样性动态变化的分析,并预测土壤细菌基因功能预测。主要结论如下:(1)使用高通量测序技术,确定了7358个OTU。通过方差分析的指数组间差异检验,揭示了不同采伐剩余物处理和采样时间之间的细菌群落α多样性指数和丰富度指数(Shannon多样性,Simpsion均匀度,Ace丰富度,Chao丰富度)。本研究发现在α多样性指数上,不同采伐剩余物管理方式之间最大的差异体现于,在Shannon多样性和Simpsion均匀度指数值的极值分别出现在采伐前和次生林的指数值上,炼山和移除处理在林地更新的早期,对于土壤细菌群落产生了相对更大的扰动。因为林地更新后,在第一年中,炼山和移除处理的shannon指数值同时小于采伐前和次生林;而在Simpsion均匀度指数值上,炼山和移除大于采伐前和次生林,且在Chao丰富度指数中,第一年的炼山和移除指数值均低于平铺、炼山、采伐前和次生林。此外在林地更新后不同种植年限指数值的对比发现,第一年与其他种植年限的在指数指数值上拥有最多显著差异。经过β多样性分析和PERMANOVA分析我们研究发现,在综合讨论多个种植年限时,采用不同采伐剩余物管理方式对于土壤细菌群落的变化影响有限,而种植年限作为时间因素,对于土壤细菌群落的变化有显著的影响(p<0.05)。(2)通过对于土壤细菌群落的venn图的分析,我们进一步发现:林地更新会对土壤生态环境产生巨大扰动,而在不同采伐剩余物管理方式中,移除处理可能对土壤细菌群落产生了最大的扰动,因此导致移除处理有最多的独有OTU。而在林地更新后不同种植年限的土壤细菌群落VENN图的结果显示,我们发现土壤细菌群落并不能在受到扰动的第一年内恢复到相对稳定的状态。(4)土壤中的细菌群落的相对丰度在不同采伐剩余物处理方式和不同种植年限中,呈现动态变化,变形菌门Proteobacteria(相对丰度28.7%~40.5%),酸杆菌门Acidobacteria(20.9%~38%)和放线菌门Actinobacteria(6.8%~16.9%)能够在不同采伐剩余物管理方式和不同种植年限中成为相对丰度大于5%的优势菌群,而绿弯菌门Chloroflexi(4%~20.5%)和厚壁菌门Firmicutes(1.5%~6.2%)在某些情况下无法成为优势菌群。(5)土壤性质中,理化性质均在林地更新后两年内呈现波动后趋于稳定,在第四年,四种采伐剩余物处理方式之间的理化性质值没有显著差异,而生物化学性质中,蔗糖酶高值均出现在平铺处理,最低则倾向出现在炼山和移除处理中,脲酶高值倾向于出现在炼山处理中。(6)Heatmap分析结果表明土壤中化学性质对土壤平均相对群落占比大于2%的细菌群落影响,发现有机质,全钾,全磷,钙,镁和脲酶活性等环境因子与土壤细菌群落之间存在显著相关性,暗示这些土壤环境因子可能是土壤细菌群落结构变化的关键限制因子。(7)细菌群落功能预测发现在不同采伐剩余物处理方式之间的差异,主要存在于采伐前和次生林之间。其中采伐前处理表达较低的通路都属于在土壤环境不稳定的情况下才变得重要的功能基因。而在林地更新后不同种植年限之间,高表达量的通路均与细菌群落快速发展扩张有关,甚至某些细菌群落可能出现的演替也与这些功能基因的大量表达有关。
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