森林土壤微生物群落结构和功能的纬度变化规律及其影响因子研究

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微生物是地球上最为丰富多样的生命有机体,在生态系统生物地球化学循环过程中具有重要作用。长期以来,不同的研究者在对动物和植物空间分布深入观测和研究的基础上,指出陆地生态系统中植物和动物都呈现明显的地带性分布规律,但是由于受研究手段的限制,有关土壤微生物空间分布规律的研究较少。  本研究以中国东部南北样带(NSTEC)上的典型森林生态系统为研究对象,通过野外调查、采样,结合微生物学技术与生态学的研究方法获取气候因子、土壤理化性质、植被特征及土壤微生物数据,深入探讨NSTEC土壤微生物群落结构、土壤酶活性及功能多样性的纬度变化规律及影响因子。对土壤微生物群落及功能的纬度分布规律及其形成机制的认识,将有助于人们对陆地生态系统的管理和功能调控,以应对全球变暖等重大的全球性环境问题。论文主要研究结果如下:  (1) NSTEC森林土壤中以磷脂脂肪酸总量(total PLFA)表征的土壤微生物生物量范围为7-23 nmol·g-1,土壤细菌及真菌变化范围分别为3.7-13 nmol·g-1,0.2-0.9 nmol·g-1。NSTEC森林土壤真菌/细菌(F/B)、革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌(G+/G-)变化范围分别为0.05-0.36,1.14-3.09。NSTEC森林土壤微生物群落结构随着纬度的变化而变化,具有地带性分布规律。亚热带及热带森林土壤中革兰氏阳性菌(G+)及真菌含量高,而温带森林土壤中革兰氏阴性菌(G-)含量高。年平均气温(MAT)、土壤温度(ST)及土壤养分状况的纬度格局变异是NSTEC森林土壤微生物群落结构纬度变异的主要影响因子。  (2)神衣架(SN)以北,土壤β-1,4-葡萄糖苷酶(BG)酶活性在150-300 nmol·g-1h-1之间,土壤β-1,4-N-乙酰葡糖氨糖苷酶(NAG)酶活性在60-120 nmol·g-1h-1之间,SN以南,土壤BG酶活性则<100 nmol·g-1h-1,土壤NAG则<40 nmol·g-1h-1。NSTEC森林土壤酶活性表现为温带森林土壤BG和NAG酶活性要高于亚热带及热带森林土壤,而土壤酸性磷酸酶(AP)酶活性则相反,表明亚热带及热带森林生态系统物质循环过程受P元素的限制较为严重。土壤中与碳、氮、磷元素循环相关的土壤C∶N∶P酶活性比(ln(BG)∶ln(NAG+LAP)∶ln(AP))存在生态化学计量关系,其比值约为1∶1∶1。年平均气温(MAT)、年平均降水量(MAP)、土壤pH及C∶P、N∶P是影响土壤酶活性纬度变异及其计量关系的主要环境因子。  (3) NSTEC森林土壤微生物群落碳源代谢强度无显著的纬度变异,其中呼中(HZ)及东灵山(DL)两个站点壤微生物的碳源代谢强度最低,分别为65.7、59.7,而尖峰岭(JF)站点最高,为157.6。土壤微生物功能多样性指数具有明显的纬度变化规律,各多样性指数均表现为凉水(LS)、长白山(CB)两个站点最高,而HZ及DL两个站点最低。土壤微生物主要利用糖类、氨基酸、羧酸和聚合物等4类碳源物质,四者相对吸光值约为85%,而对其他碳源的利用能力较低。气候、土壤及植被等因子解释了微生物碳源利用能力纬度变异的82.5%,第一轴解释56.0%,第二轴解释14.1%。其中,植被因子中的乔木叶片功能特征、土壤粉砂及粘粒含量对NSTEC微生物碳源利用能力的纬度变异影响最大。
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