大兴安岭森林火烧恢复迹地土壤微生物群落研究

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近年来,温室气体增加导致全球变暖现象日益明显,全球林火发生呈增多态势,林火对森林生态系统结构和功能产生重要影响。大兴安岭林区是我国发生火灾最严重的地区之一,林火已经成为该区一个重要扰动因子。目前对大兴安岭林火干扰的研究主要集中在地上植被演替和土壤性质变化,对火干扰后土壤微生物群落变化的研究不多,但土壤微生物群落变化对于火后森林系统恢复具有良好指示作用,且已有研究大部分都是关于林火短期影响,对长期影响的研究甚少。因此研究不同火烧恢复年限的微生物群落变化,有利于探究微生物群落对林火干扰的响应机制,对火烧后森林生态系统恢复及重建具有重大意义。因此,本研究选取大兴安岭林区火烧后4a、14a、40a、70a及120a内未火烧样地为研究对象,采用磷脂脂肪酸、高通量测序和MicroRespTM方法分别从细胞、分子和代谢三个水平测定土壤微生物群落变化,并测定凋落物碳氮磷含量和土壤理化性质变化,综合环境因子与微生物群落组成的相关关系,寻求驱动土壤微生物群落变化的关键因子。  本研究主要内容包括:⑴林火影响了凋落物碳氮磷含量,主要和植被类型有关。火后4a和14a凋落物氮、磷含量显著降低,在火后40a基本恢复。凋落物C∶N、C∶P值随恢复年限增加而下降,N∶P值却呈上升趋势。说明随火烧恢复年限增加,植被生长迅速的同时凋落物分解速率加快,凋落物质量不断提高。随恢复年限增加,土壤含水量不断提高,pH值下降。火后4a土壤总碳氮含量与对照相比无显著性差异,在火后70a显著提高,因为凋落物分解速率加快,归还到土壤中的碳氮量增加,且土壤C∶N随火后恢复年限增加呈上升趋势,说明土壤矿化速率下降,导致土壤中碳氮积累。林火干扰主要影响有机层土壤可溶性有机碳变化,随火后恢复年限增加逐渐提高,说明土壤中可供微生物利用的营养物质增加。有机层微生物量碳含量在火后4a仍显著低于对照,在火后14a基本恢复,在火烧后40a显著提高。说明林火短期内能够降低微生物生物量,随着恢复年限增加,逐渐恢复甚至超过对照水平。⑵林火显著改变土壤微生物的群落结构。火后4a土壤总生物量与对照相比已无显著差异,但细菌与真菌的生物量仍显著低于对照,随恢复年限增加不断提高,在火后40a显著高于对照。火烧后4a平地土壤真菌与细菌比值低于对照水平,这主要是因为细菌的恢复速度比真菌要快。革兰氏阳性菌与阴性菌的比值却显著高于对照,因为土壤养分贫瘠导致革兰氏阳性菌迅速生长。随着恢复年限增加,真菌与细菌比值不断升高,革兰氏阳性菌与阴性菌比值降低,这主要与pH降低及养分含量提高更有利于真菌和革兰氏阴性菌生长有关。⑶林火显著改变土壤细菌群落结构。酸杆菌、拟杆菌和变形菌是火烧恢复迹地的三大优势菌,林火显著影响了有机层酸杆菌相对丰度,对矿质层三大类优势菌相对丰度均有显著影响,变形菌和拟杆菌相对丰度分别在火烧后14a、40a最高,显著高于对照水平。林火对有机层细菌群落结构影响比矿质层要大,但对矿质层细菌物种多样性影响更大,林火能够提高矿质层细菌物种多样性。⑷林火显著改变了土壤中微生物群落的碳代谢功能。火烧后4a微生物基础呼吸代谢基本恢复,坡地微生物总代谢能力(火烧后4a)比平地(火烧后14a)恢复到对照水平要快。微生物CLPPs值在火烧后40a显著提高。火烧后4a、14a微生物偏好于利用复杂类碳源(芳香酸、羧酸),可能与革兰氏阳性菌迅速生长有关。火烧后40a、70a偏好于利用易分解类碳源(氨基酸、碳水化合物),可能与真菌及革兰氏阴性菌生长有关。有机层微生物对α-酮戊二酸和草酸利用率较高,与嗜酸的酸杆菌显著变化有关。矿质层微生物对3,4-二羟基苯甲酸、乙酰氨基葡萄糖、阿拉伯糖利用率较高,与拟杆菌、变形菌变化有关。⑸通过将土壤理化因子分别与微生物群落结构及代谢功能变化相关分析发现,土壤pH、水溶性有机碳是影响微生物群落结构和碳代谢功能变化的主要理化因子。
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