凋落物输入对川西亚高山森林土壤氨氧化微生物的影响

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土壤无机氮可被植物及微生物直接吸收利用,是森林生态系统生产力的决定因子之一。氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea,AOA)和氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB)是氨氧化作用的主要参与者,其丰度及群落结构与无机氮转化直接相关。在森林生态系统中,凋落物作为土壤有机质的主要来源,是连接“植物—土壤”的关键枢纽,通过淋溶、分解等对土壤生态过程产生深刻影响。同时,凋落物也是土壤微生物的主要碳源,不同类型的凋落物具有不同的化学组成和分解速率,对氨氧化微生物群落结构和丰度的影响也可能具有较大差异。目前关于凋落物的数量和质量对AOA和AOB群落结构及丰度的影响机制还尚不清楚。因此,本研究以川西亚高山地区典型红桦阔叶林、岷江冷杉针叶林及红桦—岷江冷杉针阔混交林土壤为研究对象,通过采取凋落物输入控制实验,利用实时荧光定量PCR(Quantitative Real-time PCR,q PCR)和高通量测序技术(Illumina Mi Seq),分析该地区AOA和AOB amo A基因丰度及群落结构,并结合土壤无机氮组分等特性指标探究其驱动因子。主要研究结果如下:(1)无机氮含量总体受凋落物输入影响较小。凋落物输入仅显著提高了处理1.5年时期阔叶林土壤无机氮含量(39.02%),并显著降低了处理2.5年时期阔叶林土壤硝态氮(47.86%)和无机氮(29.97%)含量以及混交林土壤铵态氮(54.70%)和无机氮(53.63%)含量。凋落物处理时间显著影响了土壤无机氮组分含量,除混交林无凋落物输入处理中土壤铵态氮、硝态氮和无机氮含量随处理时间而上升外,其余林型各处理中土壤铵态氮、硝态氮和无机氮含量均表现出先升高后降低的趋势。同时,铵态氮含量在混交林中较高,硝态氮含量在阔叶林中最高。(2)三因素方差分析结果表明,AOA对凋落物输入响应比AOB更为敏感。凋落物输入总体提高了AOA的amo A基因丰度,并在处理2年时期的阔叶林及2.5年时期的混交林中分别显著提高了17.34%和17.65%。AOA及AOB的amo A基因丰度随凋落物处理时间而变化,并在处理2.5年时期显著降低。在不同林型中,针叶林AOA及AOB amo A基因丰度最低。在阔叶和混交林中,AOA/AOB随凋落物输入而提高,表明高质量阔叶(低C/N)的输入有利于AOA对优势地位的竞争。(3)土壤AOA和AOB多样性指数分析表明,阔叶林中凋落物的输入在处理2.5年时期将土壤AOA的Shannon、Ace和Chao指数分别显著提高至2.46、41.06和39.33。混交林中凋落物的输入在处理1年时期将AOA的Ace指数显著提高至43.61,但在处理2.5年时期显著降低了混交林土壤AOB的Ace与Chao指数。AOA和AOB多样性指数在不同处理时间上表现出显著差异,总体表现为在处理1年和2年时期较高,而1.5年和2.5年时期较低。同时,阔叶林AOA与AOB多样性指数相对高于针叶林和混交林。(4)氨氧化微生物群落组成分析结果显示,川西亚高山地区AOA在门水平上的已知群落主要集中于泉古菌门(Crenarchaeota)和奇古菌门(Thaumarchaeota),并以泉古菌门为优势种群;AOB优势种群为变形菌门(Proteobacteria)及其亚硝化螺菌属(Nitrosospira)。AOA和AOB群落组成未受凋落物输入的显著影响,但在不同林型间有差异。其中,混交林中泉古菌门相对丰度最高,阔叶林中奇古菌门相对丰度最高,而变形菌门及亚硝化螺菌属则在针叶林中具有最高的相对丰度。凋落物处理时间对AOA和AOB群落组成的影响主要表现在混交林中,其中奇古菌门、变形菌门及亚硝化螺菌属相对丰度随处理时间呈先上升后降低的趋势,奇古菌门相对丰度在处理2年时达到最高,而变形菌门及亚硝化螺菌属则在处理1.5年时期达到最高。(5)AOA和AOB amo A基因丰度及群落组成主要受土壤特性指标的影响。其中,土壤p H、有机碳、全氮含量以及酸性磷酸酶活性是控制AOA amo A基因丰度及群落组成的主要因素,而土壤铵态氮含量、β-葡萄糖苷酶活性对亚高山地区AOB amo A基因丰度及群落组成起着更重要的作用。综上所述,由于川西亚高山地区低温所导致较慢的凋落物分解速率,使本研究中凋落物输入对土壤特性指标及土壤氨氧化微生物等的影响较为迟缓,而不同林型之间的明显差异主要是由于凋落物类型及化学组成对土壤生态过程影响更大。这些结果对理解凋落物输入与土壤氨氧化微生物之间关系具有重要意义,为川西亚高山森林土壤氮循环的微生物作用提供新的认识。
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