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湿地生态系统是全球最为重要的生态系统之一,然而,全球大面积的湿地正处于剧烈的变化之中,湿地退化与修复过程在全球各地上演。湿地的剧烈变化对湿地生态功能、全球变化、生物地球化学循环过程等有重要影响。土壤微生物是湿地生态功能的重要参与者,探明其受到湿地变化的影响对深入认识湿地生态功能变化以及湿地保护与管理有重要意义。 本研究首先采用文献荟萃分析,分析不同湿地类型、不同气候条件或不同人类活动等对湿地土壤微生物的影响情况;在此基础上,选择三江平原湿地和南方湿地作为南北方的两处典型变化湿地,分析其土壤理化性质及土壤微生物变化情况,以验证荟萃分析结果,并深入研究湿地土壤微生物群落结构变化,及影响土壤微生物的关键因素,最终揭示湿地变化过程中土壤微生物群落变化情况及其机制。主要研究结论如下: 1、荟萃分析结果表明,不论是湿地开垦或是修复湿地,其对土壤微生物量(SMB)的影响并未表现出明确的变化趋势,不同湿地变化情况并不一致,但湿地变化后其土壤有机碳(SOC)主要呈现下降趋势(28%-14%,P<0.01)。 不同湿地类型中,滨海湿地开垦后SMB呈明显的增加趋势,其SOC也可能增加,而其他沼泽湿地开垦会显著降低SMB和SOC。不同开垦类型而言,湿地受到农业活动干扰后往往会导致SMB和SOC下降;开垦为旱田的湿地SOC呈下降趋势,开垦为水田的湿地SOC有增加趋势;不论开垦为何种农田,SMB的变化趋势并不明显,既可能下降,也可能增加;滨海湿地不论开垦为水田还是旱田,均会导致SMB增加。不同气候条件下,在湿度指数小于50的地区,湿地开垦往往导致SMB和SOC同时下降,而在70-90的地区,湿地开垦则会导致SMB和SOC同时增加。随着开垦年限的延长,湿地SMB表现出在开垦之初增加,随后降低,之后随着时间延长逐步增加的趋势,而SOC则表现为先降低而后随着开垦时间延长逐步增加的趋势,开垦50年以上的农田SOC甚至高于天然湿地。 湿地恢复后的SMB低于天然湿地,而高于修复前的受扰动湿地,其SOC则主要表现为降低趋势,甚至低于修复前的扰动湿地;滨海湿地修复后SMB呈增加趋势,SOC变化趋势不明确,而其他沼泽湿地修复后SOC和SMB均呈下降趋势;湿度指数大于70的地区,SMB和SOC在湿地修复后呈下降趋势。 2、三江平原湿地在不同开垦年限和恢复年限下,土壤微生物群落分析结果很好的验证了荟萃分析结果。结果表明,湿地开垦造成明显的土壤退化,包括SOC、氮及多种可利用养分含量的迅速下降,SMB及各个微生物群落的生物量均表现出明显的下降趋势;恢复湿地的各项土壤指标均有所回升,表明湿地在弃耕恢复后土壤质量得到提升。 开垦湿地与恢复湿地的土壤微生物群落结构差异显著。开垦湿地的主要特征为革兰氏阳性菌相对含量和革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌相对比例较高,而天然湿地和恢复湿地的主要特征为真菌相对含量和真菌与细菌相对比例较高。 对比不同年限的开垦湿地或不同年限的恢复湿地,发现随着湿地开垦年限的延长,土壤质量呈逐步下降的趋势;而随着湿地恢复年限的延长,土壤质量不断提升,但经过12年的湿地恢复,其土壤自质量仍与天然湿地土壤有较大差异。湿地开垦或恢复后,土壤的生物地球化学循环变化过程是一个新平衡建立的过程,开垦湿地的土壤向低有机质和低微生物量的平衡的方向演替,恢复湿地朝向建立高有机质和高微生物量的平衡的方向演替,但湿地恢复过程并不是重建天然湿地土壤状态的过程。在湿地恢复过程中,发生了磷限制的情况,因此,为加快湿地恢复过程,人为的磷添加可能是一项有效措施。此外,开垦湿地中不论是土壤理化性质还是微生物群落结构,都比天然湿地和恢复湿地有更好的均一性。 影响土壤微生物群落结构的土壤指标主要为SOC和可利用钾,pH及其他土壤养分含量对微生物群落的变化影响并不显著。不同环境下影响微生物群落的土壤理化性质可能不同,但对土壤微生物产生重要影响的土壤指标主要是变化较为剧烈的指标,而变化较为平缓的指标可能对土壤微生物产生的影响较弱。 3、采用高通量测序技术分析南方稻田与天然湿地(野生稻和李氏禾)的丛枝菌根真菌(AMF)群落结构变化,相关研究结果与荟萃分析结果较为一致。高通量测序的结果进一步扩展了以往对天然湿地和人工稻田中AMF群落的认识,共获得了376346条AMF序列和38个OTU,隶属于4个目(Glomerales,Diversisporales,Archaeosporales和Paraglomerales),9个属的AMF类群,AMF群落在科分类水平上的主要类群是Archaeosporales,不同处理间AMF群落结构差异明显。本研究中发现了大量的未被鉴定的AMF序列,表明湿地环境中存在着大量的未知AMF群落。 天然湿地中发现的AMF属种类比稻田中更多,尤其是在野生稻湿地中,本研究中发现的所有AMF属均在野生稻湿地中出现。稻田中AMF群落的多样性和丰度均显著下降,说明农业措施对AMF影响显著;野生稻和李氏禾的AMF群落也存在一些不同,但差异较小;说明农业措施对AMF的影响要远远大于不同宿主植物对AMF的影响。稻田和天然湿地中的AMF生物量没有显著差异,说明农业管理措施并非对AMF的所有类群产生不利影响,而是对其中部分类群的生存不利,如在栽培稻田中未检测到的Rhizophagus,Glomus和Archaeospora。 所有测定的土壤性状中,土壤可利用氮和可利用磷对AMF影响最显著。天然湿地的可利用氮含量高于稻田,可利用氮与AMF丰度指数和多样性指数均呈显著的正相关关系。与三江平原湿地一样,南方天然湿地中也发现了缺磷现象,可利用磷与AMF多样性指数无显著相关关系,但与AMF丰度指数呈显著负相关关系,稻田中的高磷环境可能是引起AMF多样性降低的因素之一。