河南白云山温带落叶阔叶林土壤微生物多样性及其分布机制

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土壤微生物(细菌和真菌)作为森林生态系统的主要分解者,直接或间接地参与土壤物质循环、能量流动和信息传递,在维持土壤生态系统功能和服务中发挥着重要作用。探明土壤微生物的分布机制及驱动因素,进而揭示土壤微生物群落构建的基本生态过程及植物-微生物互作的微生态机制,对未来维持森林生态系统的稳定和健康、开发森林土壤微生物资源及促进森林可持续发展具有重要意义。然而,目前我们对于温带落叶阔叶林不同生境下,土壤微生物的分布机制及群落构建过程仍然缺乏系统的认识。本研究以白云山国家森林公园动态监测样地为研究平台,采用高通量测序技术,研究了湿度梯度、植物群落类型和演替过程中土壤细菌和真菌的群落分布机制,以及演替过程中土壤微生物的生态学过程。具体研究结果如下:(1)通过对本区域3个湿度梯度(低含水率的山脊、中含水率的山坡和高含水率的山谷)30个木本植物群落的土壤细菌和真菌群落特征进行分析,确定了它们的空间分布机制。结果表明:1)温带落叶阔叶林不同湿度梯度中大部分土壤微生物的分布不是随机的,而是遵循生态专化的;2)不同微生物在不同湿度梯度中具有不同的分布偏好;3)真菌倾向于分布在水分含量高的地方,细菌对水分变化不敏感;4)在不同湿度梯度中,真菌和细菌形成明显的共生网络,且真菌与细菌的种间关系存在较大差异;真菌共生网络模块性较低,而细菌网络具有更高的稳定性;5)该温带落叶阔叶林不同湿度梯度中影响细菌和真菌分布的主要环境因子存在差异。由于水分变化对环境因子的影响,低含水率条件下土壤微生物群落的稳定性将变得更加脆弱。(2)通过对本区域6种植物群落类型(锐齿槲栎林、短柄枹栎林、落叶松林、华山松林、连翘林和湖北花楸林)18个木本植物群落中的土壤细菌和真菌群落特征进行分析,确定了它们的空间分布机制。结果表明:1)温带落叶阔叶林不同植物群落类型中大部分土壤微生物的分布不是随机的,而是遵循生态专化的;2)细菌和真菌对木本植物群落具有不同的分布偏好;3)在不同植物群落类型中,真菌比细菌表现出更高的专化性;4)该温带落叶阔叶林不同植物群落类型间影响细菌和真菌分布的主要环境因子存在差异。光照是真菌群落的主要驱动因子,而土壤理化因子是细菌群落的主要驱动因子。(3)通过对温带落叶阔叶林不同演替群落(人工林、择伐林、皆伐林和老龄林)中的土壤细菌和真菌群落进行表征,以确定它们在不同演替群落中的分布机制。结果表明:1)温带落叶阔叶林不同演替群落中土壤微生物的分布不是随机的,而是遵循生态专化的;2)不同演替群落中的细菌和真菌具有不同的分布偏好;3)在温带落叶阔叶林次生演替过程中,真菌比细菌更敏感;4)微生物-环境关系在次生演替过程中发生了变化。植物演替群落类型的差异会影响土壤微生物与环境的关系。(4)通过对温带落叶阔叶林不同演替群落(人工林、择伐林、皆伐林和老龄林)和不同功能群(泛化种、特化种和中性类群)中的土壤细菌和真菌群落进行表征,确定了它们的生态学过程。结果表明:1)细菌在不同演替群落中的生态学过程是随机性的,真菌在不同演替群落中的生态学过程是确定性的;2)细菌和真菌在不同演替阶段的生态学过程不同,确定性和随机性过程的平衡随演替而改变,且确定性过程在演替前期的影响较大;3)环境变量对细菌和真菌群落组装过程的影响不同。综上,本研究基于白云山国家森林公园动态监测样地,研究了不同湿度梯度、不同植物群落类型和不同演替过程中土壤细菌和真菌的物种组成和群落结构;揭示了生境分化对土壤微生物多样性具有重要影响。研究同时表明在温带落叶阔叶林不同生境中,真菌比细菌表现出更高的专化性;演替过程对土壤微生物群落构建作用明显;细菌的生态学过程是随机的,而真菌是确定的。这些发现促进了我们对森林土壤微生物多样性、分布机制以及生态过程的认识,并为未来基于土壤、植物、微生物精准调控的可持续森林管理提供了重要信息。
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