毛竹凋落物分解的微生物学机制及双效钾矿物分解细菌筛选

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毛竹(Phyllostachys edulis)是我国南方最重要的经济竹种之一,由于集约化经营水平不高,部分毛竹林地自然肥力呈现退化趋势。凋落物分解是森林生态系统养分归还的主要方式,而土壤微生物是凋落物分解及养分循环的关键因子。因此,明晰影响凋落物分解及土壤养分循环的生物和环境因素,可为有效提高毛竹林土壤肥力提供理论基础。本研究以井冈山国家自然保护区和大港实验林场毛竹林作为研究对象,采用凋落物袋法研究了毛竹凋落物分解特征及其影响因素,并有针对性地开展毛竹林钾矿物分解细菌的分布特征及高效菌株活化硅、钾营养元素的相关研究。主要取得以下研究结果:(1)毛竹凋落物在前期分解迅速,中后期分解减慢,并且毛竹林中分解最快。不同林分对毛竹凋落物分解有一定影响,分解两年后,毛竹凋落物在毛竹林、阔叶林、杉木林和柳杉林中残留率分别为20.82%、26.69%、28.58%和30.68%。不同类型林分毛竹凋落物硅和全磷含量呈波动增加的趋势,但凋落物硅的总量呈净释放的过程,前期释放迅速,后期释放较慢。(2)受毛竹凋落物分解的影响,毛竹林土壤有效硅表现出减少-增加-减少的过程,土壤有机结合态硅和全磷含量呈增加-减少-增加的规律,总硅和无定形硅含量呈释放-富集-释放。另外,有效硅在凋落物分解后期显著低于分解前期(p<0.05),有机结合态硅和全磷在分解后期显著高于分解初期,土壤总硅和土壤无定形硅在前期和后期之间无显着差异,土壤硅磷比在凋落物分解前期急剧下降,之后波动较为平稳。(3)凋落物分解过程中,土壤细菌主要以Protebacteria(22.14%~50.12%)、Acidobacteria(14.42%~47.75%)和Planctomycetes(2.76%~30.83%)为主,其中Acidobacteria在凋落物分解初期的相对丰度显著高于中期和后期(p<0.05),而Planctomycetes则在分解后期的相对丰度显著高于初期和中期(p<0.05)。土壤真菌群落主要以Ascomycota(2.86%~57.62%)、Basidiomycota(6.27%~56.63%)和Mortierellomycota(3.22%~66.10%)为主,其中Ascomycota和Basidiomycota在分解初期的相对丰度显著低于中期和后期(p<0.05),而Mortierellomycota则表现为相反的规律。(4)非度量多维尺度分析(NMDS)表明,土壤真菌和细菌群落结构对林分类型表现出显著的响应,即添加毛竹凋落物并不会改变原有林分土壤微生物群落结构,但改变其群落多样性。随着凋落物分解时间的推移,毛竹林土壤细菌群落丰富度增加,而均匀度和多样性降低。土壤真菌群落丰富度、均匀度和多样性均呈增加趋势。基于距离的冗余分析(db-RDA)表明,土壤pH是影响土壤细菌群落变化的主要因子(p<0.05),而土壤pH和有效硅含量则是土壤真菌群落变化的主要因子(p<0.05)。(5)钾矿物分解细菌的分布具有一定的偏好性,其中在毛竹林土壤中数量最多,且毛竹鞭根根际土壤显著高于篼根根际土壤(p<0.05)。本研究筛选获得36株兼具溶硅与释钾功能的菌株,分属于类芽孢杆菌属(Paenibacillus)、考克氏菌属(Kocuria)、芽胞杆菌属(Bacillus)、葡萄球菌属(Staphylococcus)、伯克霍尔德菌属(Burkholderia)、假单胞菌属(Pseudomonas)、泛菌属(Pantoea)、肠杆菌属(Enterobacter)、四折叠球菌属(Quadrisphaera)和节细菌属(Arthrobacter)等10个属。其中井冈山自然保护区土壤钾矿物分解细菌以类芽孢杆菌和芽孢杆菌为主,而大港林场则以伯克霍尔德菌为优势类群。菌株NR33的抑菌谱最广,菌株BF79次之。菌株NR33和BF69具有较高抗生素抗性,在灭菌土壤中能较好的存活,在未灭菌土壤中也可成功定殖。通过两年多的凋落物分解实验表明,在不同林分中添加毛竹凋落物有效促进了土壤真菌和细菌丰富度,而添加土壤真菌和细菌均表现出对林分类型的响应,表明分解并未改变不同林分表层土壤微生物群落组成,只是改变其结构。此外,凋落物分解也会引起土壤微生物群落演替,其中土壤pH是影响土壤真菌和细菌群落演替的主要因子。
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