季节性冻融对亚高山/高山森林土壤微生物多样性的影响

论文摘要

季节性冻融是全球中高纬度和高海拔地区普遍存在的现象,而全球变暖引起的季节性冻融变化必然直接或者间接作用于森林生态系统,从而对生态系统过程施加强烈的影响。作为森林生态系统重要的成分之一,土壤微生物在森林生态系统的物质循环和能量流动中具有十分重要的和不可替代的作用,并受到生物和非生物因素的综合调控。但迄今为止的研究更集中在土壤冻结前和融化后的生长季节内,有关土壤冻结和融化过程中森林土壤微生物数量、种类、空间分布、群落结构变化及其多样性等研究仍然相对缺乏,这很难深入理解土壤微生物在高寒森林生态系统过程,如凋落物分解、养分元素的释放与转化、腐殖质的形成等过程中的功能和作用,更不利于理解未来气候变化下该生态系统过程可能发生的变化。因此,本实验以川西亚高山／高山地区分布范围最广和面积最大的冷杉（Abies faxoniana）原始林、红桦（Betula albosinensis）+冷杉混交林、冷杉次生林为研究对象,采用PCR-DGGE的方法研究季节性冻融期土壤冻结阶段和解冻阶段土壤细菌群落结构变化特征,探讨三种森林群落土壤细菌群落结构对季节性冻融过程的响应,以期为深入认识亚高山／高山森林冬季土壤生态学过程提供基础数据。（1）在土壤季节性冻结期间,3个森林群落土壤有机层的细菌条带数均大于矿质层,并且两个层次的细菌条带总数在冻结前表现为：MF>SF>PF,而土壤完全冻结后则表现为：PF>MF>SF,3个森林群落土壤的细菌条带总数下降率分别达到18%（PF）、38%（MF）和40%（SF）；在土壤融化期间,3个森林群落土壤有机层的细菌条带数较矿质层低,总数表现为：PF>SF>MF,但细菌条带总数随着解冻过程呈现先下降后升高的趋势,均在4月达到最低点,3个森林群落土壤的细菌条带总数上升率分别达到54%（PF）、41%（MF）和49%（SF）,在生长季节里总数表现为：SF>MF>PF。这些结果说明季节性冻融对3个森林群落土壤有机层和矿质层的细菌种群数量产生不同程度的影响。（2）Shannon-Wiener指数（H）、均匀度（EH）、Simpson优势度指数（C）也具有相似的变化趋势。土壤完全冻结后,3个森林群落不同层次土壤细菌的Shannon-Weiner指数均明显减小。MF群落2个土层的土壤细菌均匀度（EH）指数在冻结后表现出减小的趋势,但PF、SF群落中的均匀度（EH）指数在冻结前后无显著差异。相反,PF和MF群落土壤细菌的Simpson优势度指数(0在土壤冻结后明显增加。而在土壤解冻期,3个森林不同土壤层次的样品,其Shannon-Wiener指数和均匀度均表现出随土壤解冻先降低再升高的趋势,但其达到谷值的时间不同,而Simpson优势度指数表现出先升高再降低的趋势。（3）3个森林土壤有机层和矿质层中细菌群落组成表现出较大的变异性（相似性48%-92%）,同时表现出明显的季节性变化,季节性冻融前后,3种森林群落土壤细菌类群聚类存在较大的差异,说明季节性冻融对土壤微生物细菌群落结构有重要影响。（4）通过测序和对比同源性分析,3个森林群落有机层和矿质层土壤样品里含有厚壁菌门（Firmicutes）,变形细菌门（Proteobacteria）和拟杆菌门（Acidobacteria）,绿弯菌门（Chloroflexi）, Band 7与蓝细菌（Cyanobacterium）和脱铁杆菌目（Deferribacterales）同源性高。Band 5和Band 9都与变形细菌门（Proteobacteria）,且同源性都为100%。有一个样品含有的是未经鉴定的细菌克隆,同源性为96%。这些结果表明亚高山／高山森林在冻融季节极端环境变化条件下仍然具有相对丰富的耐寒优势微生物种群,以维持冬季土壤生态过程的持续进行。综上所述,亚高山/高山地区的季节性冻融变化对森林土壤微生物群落结构具有重要影响。尽管在土壤经历冻结后,森林群落土壤各层次细菌类群大量死亡,冻结过程显著降低了土壤细菌类群的丰富度及多样性,但一定程度上提高了土壤细菌种群的优势度,而土壤解冻过程造成激烈的土壤水热动态变化,进一步加大了对土壤细菌群落结构的影响。这种由土壤冻结／融化作用驱动的细菌群落结构变化可能对认识冬季土壤生态过程具有重要意义,但具体的机制及其作用过程还需要作进一步深入的探讨。值得注意的是,虽然DGGE的方法仍为研究土壤微生物群落结构和多样性的快速、有效的通用方法,但仍存在不确定性。本项研究结果也只能说明在现有技术条件下样品所表征的意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 第一章 文献综述
• 1.1 土壤微生物多样性概述
• 1.2 土壤微生物研究方法进展
• 1.3 影响土壤微生物多样性的环境因素
• 1.3.1 植物群落
• 1.3.2 温度和水分
• 1.3.3 土壤
• 1.3.4 经营管理方式
• 1.5 森林土壤有机层生化特性
• 1.6 季节性冻融对土壤微生物的影响
• 1.7 存在的问题
• 1.8 研究的目的与意义
• 第二章 材料与方法
• 2.1 研究区域及样地概况
• 2.2 土壤有机层水热动态监测
• 2.3 样品采集
• 2.4 土壤总DNA的提取与纯化
• 2.5 细菌16S RDNA V3区的PCR扩增
• 2.6 变性梯度凝胶电泳（DGGE）及图谱分析
• 2.7 主要条带的切割、克隆及测序
• 第三章 结果与分析
• 3.1 土壤总DNA的提取和16S RDNA的PCR扩增
• 3.2 三种森林群落土壤细菌种群的DGGE图谱
• 3.3 土壤融冻期土壤细菌群落相似度
• 3.4 16S RDNA序列系统发育分析
• 第四章 讨论与结论
• 4.1 土壤细菌种群数量变化及其对季节性冻融的响应
• 4.2 土壤微生物多样性指数的变化
• 4.3 土壤细菌16S RDNA类群变化及其对季节性冻融的响应
• 第五章 研究展望
• 参考文献
• 致谢