文峪河上游河岸带森林植物群落演替和林下土壤细菌群落组成与多样性研究

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河岸带植被在维持流域景观稳定性和生态安全方面发挥着重要作用,由于复杂的地形地貌和河水季节性变化等因素作用,河岸带植物群落呈现出明显的时间演替和空间梯度格局。其群落演替与林下土壤细菌群落组成及生物多样性表现出独特的动态过程和相互关系。揭示其植物群落演替的影响因素,特别是林下土壤细菌群落组成及生物多样性的驱动机制,对河岸带保护和生态功能恢复,改善河岸带植物群落及林下土壤微生境条件及生态功能具有重要指导意义。本研究选址山西省庞泉沟自然保护区内,采用空间代替时间的办法,选取文峪河上游不同演替阶段8种河岸带植物群落(以建群种命名,分别为五花草地、沙棘灌木林、柳树灌木林、山杨林、杨桦混交林、杨桦落叶松混交林、落叶松云杉混交林、云杉林)及林下土壤为研究对象,以“植被-土壤-微生物”复合生态系统的关联与互作为切入点,调查了河岸带植物群落组成及物种多样性的变化特征,采用DCA排序法分析了河岸带植物群落演替规律;对其林下土壤理化性状进行分析测定及统计分析;采用高通量测序法对其林下土壤细菌群落及反硝化菌群落组成及生物多样性等的变化特征进行分析测定及统计分析;揭示了土壤理化性质等生态因子对植物群落演替和微生物群落动态变化的驱动和影响机制,阐明文峪河上游河岸带植物群落演替进程中,其与林下土壤细菌群落发生耦合及互作的调控机理。为文峪河上游段河岸带植被保护和生态恢复提供科学的理论依据。主要研究结果如下:1.文峪河上游段8种河岸带植物群落样地形成明确的6阶段演替序列,依次为:山地草地(I)、山地落叶阔叶灌丛(II,包括沙棘灌丛和柳树灌丛群落)、山地小叶阔叶林群落(Ⅲ,包括山杨林和山杨白桦混交林)、山地针阔混交林群落(Ⅳ,山杨白桦落叶松混交林)、山地针叶混交林群落(Ⅴ,落叶松云杉混交林)和山地暗针叶林群落(Ⅵ,云杉林)。2.河岸带植物群落组成及物种多样性随演替进程发生显著变化。从演替前期的五花草地、沙棘灌木林和柳树灌木林植物群落物种多样性缓慢降低,到山杨林降至最低,在山杨白桦落叶松混交林转为上升并达到最高值,在演替后期的落叶松云杉混交林和云杉林呈现下降趋势并趋于稳定。3.河岸带植物群落土壤理化性质及反硝化酶活性均受群落演替过程的影响,整体呈先升高再降低并趋于稳定的变化规律,且不同演替阶段之间差异性显著。其中,pH在演替阶段Ⅰ(五花草地群落)土壤中最高;土壤有机碳在演替Ⅴ阶段(落叶松云杉混交林群落)土壤中最高;土壤全氮、硝态氮含量和反硝化酶活性在演替阶段Ⅱ(沙棘灌木林和柳树灌木林群落)土壤中最高,其土壤氮素循环生物化学过程也最为强烈。4.河岸带植物群落演替过程中,其林下土壤细菌群落组成及生物多样性呈先上升后下降的变化趋势,土壤细菌群落α多样性在演替阶段Ⅲ(山杨林群落)土壤中较高,且受土层深度的影响显著。同时,土壤细菌群落组成及优势菌属丰度值在各演替阶段间差异性显著,如:变形菌门(Proteobacteria)、Acidobacteria(酸杆菌门)、Actinobacteria(放线菌门)、绿弯菌门(Chloroflexi)、浮霉菌门(Planctomycetes)、硝化螺旋菌门(Nitrospirae)等和涅瓦菌属(Nevskia)、红游动菌属(Rhodoplanes)、红球菌属(Rhodococcus)、芽孢杆菌属(Bacillus)和硝化螺菌属(Nitrospira)等细菌群落优势属。5.土壤反硝化菌群落组成及生物多样性随群落演替也呈先升高后降低的变化趋势,土层深度也显著影响其群落组成及优势菌群丰度含量。其中,变形菌门(Proteobacteria)是第一大优势反硝化菌群,占到总菌群数量的71.8%;罗丹菌属(Rhodanobacter)、假单胞菌属(Pseudomonas)、固氮螺菌属(Azospirillum)、偶氮藻属(Azoarcus)、固氮螺菌属(Azospira)、红长命菌属(Rubrivivax)和硫磺菌属(Sulfuritalea)等优势属在不同演替阶段之间相对丰度含量差异性显著。6.文峪河上游河岸带植物群落演替过程中,地上植物群落和林下土壤微生物群落发生显著的关联和互作过程,土壤细菌和反硝化菌群落组成及优势菌属丰度含量受地上植物群落演替过程的影响差异性显著。土壤理化性质变异是驱动地上植物群落演替和林下土壤微生物群落动态变化的重要因素。
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