辽东山区不同森林恢复类型土壤有机碳固存的微生物学机理

来源 :沈阳农业大学 | 被引量 : 5次 | 上传用户:jrong520
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植被恢复可以通过改善土壤理化性质、提高土壤肥力、增加土壤碳储量来提高生态效益。因此,阐明不同植被类型生态恢复过程中土壤有机碳及其稳定性的变化规律,准确评估区域尺度上的土壤有机碳储存及其变化趋势对于有效管理陆地生态系统非常重要。为了探究不同植被恢复土壤有机碳固存的微生物学机理,我们通过宏基因组测序研究了碳反应所涉及的土壤微生物、代谢通路和功能基因的类型,采用固体交叉极化魔角自旋13C核磁共振测定不同土壤有机碳化学结构及其稳定性,并分析了不同植被类型土壤有机碳与微生物群落及功能基因间的相互关系。研究结果表明:(1)与针叶林(落叶松人工林、红松人工林)和针阔混交林相比,阔叶林(核桃楸林、蒙古栎林)能更好的提高土壤全碳、全氮、速效氮、可溶性有机碳和微生物量碳的含量。(2)不同植被类型土壤有机碳以烷氧碳为主(45.36%-48.12%),依次是烷基碳(17.14%–21.84%),芳香碳(17.34%–20.69%)和羧基羰基碳(13.61%–15.82%)。阔叶林(核桃楸林、蒙古栎林)土壤具有较高芳香碳、芳香度、芳香碳/烷氧碳和较低的Aliphatic/aromatic和脂化度;针叶林(落叶松人工林、红松人工林)土壤中烷基碳含量和烷基碳/烷氧碳的比值显著高于阔叶林和针阔混交林。针叶林土壤中降解烷基碳的功能基因的相对丰度要高于阔叶林和针阔混交林,降解潜力较大,由此可见,阔叶林土壤有机碳较为稳定。(3)不同植被类型土壤微生物对总碳源的利用能力(AWCD)依次为核桃楸林>蒙古栎林>针阔混交林>落叶松人工林>红松人工林,且核桃楸林土壤微生物群落的Shannon指数,Simpson指数和Mclntosh指数均最高,分别为0.957、3.22和8.01。不同植被类型土壤微生物群落功能呈显著差异,针叶林(落叶松人工林、红松人工林)土壤微生物群落功能与针叶阔叶林和阔叶林(核桃楸林和蒙古栎林)是沿着PCA1轴明显分开,且酯类和碳水化合物是起分异作用的主要碳源。(4)不同植被类型土壤微生物多样性指数和微生物群落组成具有显著差异,土壤细菌的ACE指数和Chao1指数在针阔混交林中最高,分别为3637.79和3568.24,而细菌Shannon指数和Simpson指数在核桃楸林土壤中最高,分别为9.71和0.9950。该区主要优势菌门为变形菌门(39.98%-45.11%)和酸酐菌门(15.18%-27.32%),主要优势菌纲为α-变形菌纲,核桃楸林土壤中富集的门类群包括疣微菌门、放线菌门和硝化螺旋菌门,红松林土壤中富集的门类群为拟杆菌门。阔叶林(核桃楸林、蒙古栎林)、针叶阔混交林和针叶林(落叶松人工林、红松人工林)具有明显不同的细菌群落,阔叶林土壤细菌网络中的节点连接度较大,连接紧密,阔叶树能更好的增强土壤细菌群落之间的联系和相互作用。土壤pH、全碳、微生物量碳、可溶性有机碳、速效磷是影响该区土壤细菌群落的主控因子。(5)不同植被类型土壤真菌多样性指数具有显著差异,核桃楸林土壤真菌的Shannon指数、ACE指数、Chao1指数、Simpson指数均最高,分别为8.18、879.57、879.08和0.99。担子菌门(21.31%-66.08%)、子囊菌门(24.82%-51.88%)、接合菌门(2.21%-6.37%)和Rozellomycota(0.42%-2.09%)是该区主要优势真菌类群,不同植被类型土壤真菌群落结构特征差异显著,尤其是针叶和阔叶林之间,其中,落叶松人工林、红松人工林和针阔混交林土壤真菌群落结构较为相似,为一个聚类;蒙古栎林和核桃楸林土壤真菌群落结构相似,为另一个聚类。阔叶林土壤真菌网络中的节点连接度较大,连接紧密,阔叶树能更好的增强土壤真菌群落之间的联系和相互作用。(6)针叶林和阔叶林的碳循环通路存在明显差异,不同植被类型土壤微生物的系统发育距离从阔叶林到针叶林增加,落叶松人工林和红松人工林土壤微生物系统发育距离相近,蒙古栎林和核桃楸林土壤微生物发育距离相近。土壤环境因子对土壤微生物碳循环相关通路有显著影响,其中,土壤全氮、土壤有机碳和微生物量碳是决定土壤碳循环通路的主要因素。土壤环境因子对固碳和碳代谢通路有显著影响,土壤全氮和土壤有机碳是决定固碳通路的主要因素,而土壤有机碳是决定碳降解通路的主要因素。(7)土壤中碳循环是由高度多样化的微生物类群共同作用的,变形菌门、酸酐菌门和放线菌门是土壤中碳反应和碳循环的主要微生物类群。阔叶林土壤微生物与有机碳网络中的节点连接度较大,连接紧密,能更好的增强土壤微生物群落与碳之间的相互联系和作用。土壤有机碳分子结构与土壤细菌、真菌之间的增强联系可能影响土壤中碳的转化与固存,土壤微生物网络的变化是影响土壤有机碳分子结构的重要生物因素。综上所述,不同植被类型通过改变土壤微生物群落组成从而改变微生物参与碳循环的功能基因,从而影响土壤有机碳固存及其稳定性。在辽东地区核桃楸林和蒙古栎林植被恢复能够更好改善土壤养分条件,提高土壤有机碳库储量及其稳定性。本研究结果从基因水平上分析了阔叶林、针阔混交林和针叶林土壤有机碳固存的微生物机理,为土壤中碳反应与微生物之间的相互作用提供了新的见解。
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