澳大利亚三种森林类型土壤有效碳和氮库及相关微生物过程研究

论文摘要

土壤可溶性有机质是研究陆地生态系统中碳氮循环不可忽视的组分,土壤微生物是土壤的分解者,参与土壤生物地球化学过程,在维持土壤生态系统平衡中具有重要的作用。澳大利亚昆士兰州属于典型的亚热带地域单元,是澳大利亚森林比较集中的分布区,对气候变化十分敏感,在澳洲气候乃至全球气候变化中扮演重要角色,其独特的自然环境和生态系统在全球占有特殊的地位,但人们对森林土壤有效态碳氮库及微生物活性方面的认识还非常有限。湿地松（Pinus elliottii Engelm. var. elliotttii）、南洋杉（Araucaria cunninghamii）和贝壳杉（Agathis australis）是澳大利亚南昆士兰州最主要的3种森林类型,本文以这3种森林类型为研究对象,利用生化和分子生物学方法对其土壤可溶性有机碳氮、微生物生物量、酶活性、土壤呼吸和微生物群落功能及结构多样性进行研究,探讨不同森林类型土壤有效碳氮库及相关的微生物过程,对于进步研究土壤生态系统结构和功能具有重要的理论指导意义。主要研究结果如下：1.对土壤11种重要金属元素进行分析,得出不同森林类型对土壤Al、Cu、Fe、K、Mg和Mn含量差异影响显著。不同森林类型SOCHW含量在552-1154 mg·kg-1之间变化,SOCHW含量大小顺序为湿地松>南洋杉>贝壳杉。SONHW含量则以南洋杉最高,为46.2 mg·kg-1,占可溶性全氮含量（SONHW/TSN）的65.38%,占全氮（SONHw/TN）的0.82%；其次是贝壳杉为39.2 mg·kg-1;湿地松林土壤SONHW含量最低,为26.7mg·kg-1。且南洋杉和贝壳杉林地土壤SONHW含量显著（P<0.05）高于湿地松。不同森林类型土壤SONHW和（?）SONHW/TSN差异达极显著（P<0.01）。不同森林生态系统NH4+-NHW含量均高于21.4 mg-kg-1,而NO3--NHW含量均低于8.02 mg-kg-1, NH4+-NHW的变化趋势跟SONHW和（?）SOCHW不一样,有机态碳氮比（C:NHW）的变化趋势跟SOCHW的变化趋势一样,并且C:NHW在不同森林类型之间的差异达极显著（P<0.05）。两种不同提取方法所得的土壤可溶性有机质含量相差较大。SONKCl比SONHW要低,均值为9.93 mg·kg-1, SONKCl占TSN的24.6-33.5%,占TN的0.14-0.25%。在湿地松林地, SONKCl含量占TSNKCl的比例最高,为29.3-32.1%；但占TN的比例最低,为0.14-0.16%,说明湿地松林地的TSN含量偏低。南洋杉林地土壤SOCKCl含量最高,而湿地松林地SOCKCl含量最低。由于NH4+-NKCl主要来自于无机态氮库,其含量与热水提取物的变化一致,并且在不同森林类型土壤之间的差异达显著（P<0.05）,而各森林类型土壤NO3--NKCl含量偏低,都在7.7 mg·kg-1以下。SOCKCl和C:NKCl有相同的变化趋势,不同森林类型土壤SOCKCl和SONKCl含量之间的差异均未达显著差异。2.贝壳杉林地土壤MBC含量最高,为188.2 mg-kg-1,其次是湿地松林地为112.8mg-kg-1,南洋杉林地MBC含量最低,其含量为77.1 mg-kg-1,不同森林类型土壤MBC含量差异显著（P＜0.05）, MBC含量占全碳含量（MBC/TC）在0.48-1.55%之间,且不同森林类型土壤MBC/TC差异显著。MBN含量均值为18.0 mg-kg-1, MBN有着和MBC同样的变化趋势和规律,且不同森林类型各土壤MBC的含量差异显著。δBC在-28.5--27.5%o,其中南洋杉林地土壤的δ13C含量较高,均值为-27.8%o,湿地松林与其他两种林地土壤δ13C含量差异显著；δ15N含量在-2.1-3.4‰之间,其中贝壳杉林δ15N含量最高,为2.33%o,不同森林类型土壤δ15N含量之间差异不明显。不同森林土壤PMN和PMN/TN具有相似的变化趋势,其中南洋杉林PMN最高,为77.19mg·kg-1, PMN/TN为0.138%；其次为贝壳杉林,PMN为71.87 mg-kg-1, PMN/TN为0.14%；而湿地松林最小,PMN为43.55 mg-kg-1, PMN/TN为0.082%,方差分析表明湿地松林地土壤PMN和PMN/TN均与其他两种森林之间差异显著。3.63 d的室内培养实验结果表明,贝壳杉林地土壤呼吸程度最强,为680.28 gCO2-C kg-1,显著强于湿地松林277.73 g CO2-C kg-1 （P<0.05）。对土壤呼吸潜在碳排放进行模拟,得出贝壳杉最大潜在碳排放（C0）为1117.8 g CO2-C kg-1;其次为南洋杉林土壤为1082.1 g CO2-C kg-1;而湿地松林土壤最低,为783.0 g CO2-C kg-1,并且湿地松与其他两种森林土壤最大潜在碳排放差异显著,模拟的相关系数均在0.99以上,说明拟合效果很好。底物对不同林地土壤呼吸所产生的CO2影响格局基本一致。底物Glucose的添加对土壤呼吸产生CO2的量影响较对照均有显著的提高（P<0.000）, Glucose和Na2HPO4以及Glucose、NH4NO3和Na2HPO4共同作用与对照相比,均在不同程度上提高了土壤的呼吸强度。但是在底物Na2HPO4或H4NO3和Na2HPO4共同作用下,气体排放均减少,尤其是Na2HPO4在一定程度上抑制了土壤呼吸。添加底物与对照相比其土壤呼吸速率均呈现显著的时间性变化（P<0.001）基本一致,总体上三种森林类型土壤呼吸速率曲线格局相似,均呈现单峰型。底物的添加对微生物生物量碳氮的影响并不一致,其影响与底物对土壤呼吸基本相似。4.微生物活性随培养时间的延长而提高,培养24 h后,微生物对底物的利用迅速增加。在96h的培养过程中,不同生态系统土壤微生物利用单一碳源能力的大小顺序为：南洋杉林>贝壳杉林>湿地松林,其中南洋杉林土壤微生物群落具有最强的代谢能力,湿地松与其他两种森林类型的碳源利用差异显著（P<0.05）。南洋杉林地土壤的Shannon指数为4.391,均匀度为0.046, Simpson指数为67.9,Mclntosh指数为14.07,均匀度为0.979,均高于其他两种森林类型,湿地松林最低,并且均与南洋杉和贝壳杉林地土壤的多样性指数和均匀度均达差异显著（P<0.05）。同一森林类型下土壤微生物对不同类型碳源的利用程度差异非常显著,在Biolog微平板整个培养期内,土壤微生物比较偏好的碳源类型为糖类和聚合物类。5.不同森林类型土壤几丁质酶和亮氨酸氨肽酶（LAP）活性表现为：湿地松林>南洋杉林>贝壳杉林。酸性磷酸酶和p-葡萄糖苷酶活性表现为：湿地松>贝壳杉>南洋杉；碱性磷酸酶则表现为：贝壳杉>湿地松>南洋杉。土壤几丁质酶与TC, pH与几丁质酶、LAP、β-葡萄糖苷酶、TC和碱性磷酸酶之间差异显著（P<0.01）。冗余分析结果表明碱性磷酸酶与南洋杉、LAP和p-葡萄糖苷酶与贝壳杉以及微生物生物量与湿地松之间关系更密切。几丁质酶和酸性磷酸酶与湿地松成负相关。6.湿地松林地土壤PLFAs的单体数为45个,南洋杉和贝壳杉林地的PLFAs单体数分别为39和35个。湿地松林地的PLFAs单体个数和含量均较其他两种林地土壤的要高。PCR-DGGE分析表明三种森林类型土壤样品的电泳条带数量从17到28条,其中湿地松林地土壤的电泳条带数量平均为25.5条,南洋杉为17条,贝壳杉为23条,这说明细菌丰度湿地松林地最高,其结果与PLFA技术分析的结果相吻合。

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摘要

ABSTRACT

插图及附表目录

第一章研究综述

1 前言

2 土壤可溶性有机碳氮库研究

2.1 土壤可溶性有机碳研究

2.2 土壤有机态氮研究

2.3 土壤有机碳氮关系研究

3 土壤微生物生物量研究

3.1 土壤微生物量碳研究

3.2 土壤微生物生物量氮

3.3 土壤微生物碳氮关系

4 土壤酶活性研究

4.1 土壤酶的来源及在土壤中的作用

4.2 土壤酶和土壤微生物的关系研究

4.3 土壤酶活性与植物生长

4.4 土壤酶活性与土壤养分

4.5 土壤酶活性与土壤微生物量的关系

5 土壤呼吸研究

5.1 土壤呼吸

5.2 影响土壤呼吸的生态因子

5.3 土壤呼吸的测定方法

6 土壤微生物群落多样性研究

6.1 土壤微生物群落功能多样性研究

6.2 土壤微生物群落结构多样性研究

6.2.1 土壤PLFA技术研究

6.2.2 PCR-DGGE研究

7 论文研究意义和内容

7.1 研究目的意义

7.2 论文研究内容

第二章研究材料与方法

1 试验地概况

2 土壤样品采集

3 实验方法

13C和δ¹⁵N以及土壤元素含量的测定'>3.1 土壤全碳、全氮、同位素δ¹³C和δ¹⁵N以及土壤元素含量的测定

3.2 土壤有机碳和氮库的测定

3.3 土壤微生物碳氮库的测定

3.4 土壤粒级分类的测定

3.5 土壤呼吸测定

3.6 土壤酶活性的测定

3.7 土壤微生物群落功能多样性测定

3.7.1 碳源平均颜色变化率（AWCD）计算方法

3.7.2 碳源对土壤微生物群落的贡献

3.7.3 土攘微生物群落功能多样性的分析

3.8 土壤磷脂脂肪酸（PLFA）分析

3.9 土壤微生物群落结构多样性检测

3.9.1 基因组DNA提取与PCR扩增

3.9.2 DGGE电泳

3.9.3 定量PCR分析

4 实验数据处理

5 技术路线

第三章三种不同森林类型土壤有效态碳和氮库特征

1 前言

2 结果与分析

2.1 不同森林类型土壤元素含量分析

2.2 不同森林类型土壤有效碳氮特征

2.3 不同森林类型土壤微生物碳氮差异特征

13C和δ¹⁵N特征'>2.4 不同森林类型土壤稳定性同位素δ¹³C和δ¹⁵N特征

2.5 不同森林类型土壤氮矿化

2.6 不同森林类型土壤呼吸差异特征

2.7 不同森林类型土壤呼吸速率特征

2.8 土壤微生物代谢特性与环境因子的相关性分析

3 讨论

4 结论

第四章三种不同森林类型土壤微生物功能多样性分析

1 引言

2 结果与分析

2.1 Biolog-GN板的碳源类型

2.2 碳源平均颜色变化率（AWCD）

2.3 微生物群落功能多样性分析

2.4 不同森林类型对不同类型碳源的利用

2.5 不同类型碳源对区分不同森林类型土壤微生物群落的贡献

2.6 土壤微生物代谢特性与环境因子的相关性分析

3 讨论

4 结论

第五章三种不同森林类型土壤酶活性特征

1 引言

2 结果与分析

2.1 土壤几丁质酶活性

2.2 土壤亮氨酸氨肽酶活性

2.3 β-葡萄糖苷酶活性

2.4 土壤磷酸酶活性

2.4.1 土壤酸性磷酸酶活性

2.4.2 土壤碱性磷酸酶活性

2.5 不同森林类型土壤酶活性之间的相关性分析

3 讨论

4 结论

第六章添加底物对不同森林类型土壤有机质矿化的影响

1 前言

2 结果与分析

2.1 底物添加对土壤呼吸的影响

2.1.1 底物添加对湿地松林地土壤呼吸的影响

2.1.2 底物添加对南洋杉林地土壤呼吸的影响

2.1.3 底物添加对贝壳杉林地土壤呼吸的影响

2.2 底物添加对土壤呼吸速率的影响

2.3 底物添加对土壤微生物生物量的影响

2.3.1 底物添加对湿地松林地土壤微生物生物量的影响

2.3.2 底物添加对南洋杉林地土壤微生物生物量的影响

2.3.3 底物添加对贝壳杉林地土壤微生物生物量的影响

2.3.4 底物添加对土壤pH的影响

3 讨论

4 结论

第七章三种不同森林类型土壤微生物群落结构的PLFA和PCR-DGGE解析

1 前言

2 结果与分析

2.1 不同森林类型土壤微生物群落结构PLFAs分析

2.1.1 不同森林类型土壤微生物PLFAs含量

2.1.2 不同森林类型土壤微生物群落结构多样性分析

2.1.3 生物标志PLFAs在不同森林类型土壤中的相对含量

2.2 不同森林类型土壤细菌群落结构PCR-DGGE分析

2.2.1 DNA的提取和PCR扩增

2.2.2 DGGE图谱分析

2.2.3 相似性及聚类分析

3 讨论

4 结论

第八章研究结论及展望

1 本研究的主要结论

2 创新之处

3 研究不足

4 研究展望

参考文献

致谢

个人简历

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