东北地区人工林土壤微生物多样性空间分异及其对凋落物分解的影响

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土壤拥有地球上最多样化的微生物群落,对生态系统的物质循环至关重要。微生物分解凋落物中有机物并将养分归还土壤实现物质与能量的转换,为深入认识和预测其在森林生态系统平衡中的重要作用,有必要对土壤微生物多样性与环境的关联度进行深入研究。目前关于土壤微生物多样性空间模式的研究主要集中在细菌,缺乏对真菌多样性和群落结构的研究,并且在已开展的研究中绝大多数以混交林为研究对象,这增加了筛选影响微生物多样性和凋落物分解速率主要因素的难度。本研究以东北地区四种常见的人工林纯林为研究对象,2018年春季和秋季在四个纬度(凉水、帽儿山、露水河和草河口)的四种人工林(樟子松Pinus sylvestris L.var.mongolica Litv.,落叶松Larix gmelini(Rupr.)Rupr、Larix olgensis Henry,白桦Betula platyphylla Suk和红松Pinus koraiensis Sieb.et Zucc.)中进行土样取样,对采集的84份土壤样本进行了土壤微生物高通量测序和土壤理化性质测定,测序共获得细菌19789条和真菌10793条有效序列。同时为了解微生物对凋落物分解的影响,我们将600个叶凋落物分解袋和6000个按根序拆分的1~10级根的分解袋,放置在四个纬度的同类型人工林中进行原位和异地分解。对不同树种的土壤微生物多样性,群落结构的空间分布、影响因素和由微生物引导的叶和根序凋落物原位和异地分解进行研究,研究结果表明:(1)土壤微生物空间分异细菌丰富度受树种、土壤pH和年降水因素影响,多样性受年均温和年降水影响;真菌丰富度和多样性均受树种、碳含量影响。纬度因素对细菌和真菌群落结构的分异贡献大于季节因素。白桦人工林土壤细菌和真菌群落结构在纬度间的分异程度大于落叶松、红松和樟子松。影响细菌群落结构的分异因素是土壤pH,影响真菌群落结构分异的因素是土pH和年均温。细菌和真菌的物种相对丰度在纬度间的分异规律为白桦和樟子松基本相同,落叶松和红松基本相同。影响与凋落物分解相关的差异物种的主要因素是土壤pH和年均温。细菌物种间相互作用关系在纬度间差异不显著。真菌相互作用关系随地点纬度减低而增加。(2)凋落物分解速率四个树种在四个纬度均是叶凋落物分解速率大于根序分解速率。根序分解速率结果为吸收根分解速率低于运输根分解速率。低纬度地区的叶凋落物和根序分解速率最快,碳残留率最低。高纬度地区分解速率最慢,碳残留率最大。白桦、樟子松叶凋落物和根序分解速率大于落叶松、红松,碳残留率低于落叶松和红松。四个树种叶凋落物分解速率和碳残留率在纬度间的种内分异结果为,白桦种内分异最小为1%~2%之间、其次为红松,樟子松种内分异在9%~15%之间、落叶松种内分异最大。四个树种根序分解速率和碳残留率在纬度间的种内分异结果为,白桦、落叶松种内分异较小在3%~4%之间,其次为樟子松和红松种内分异在9%~10%之间,落叶松种内分异最大,达到30%。低纬度地区具凋落物分解功能的微生物物种数量多且相对丰度高。影响根序分解的关键因素是真菌,影响叶分解的关键因子是叶碳含量。本研究确定了东北地区主要人工林土壤微生物多样性和群落结构的影响因素,探讨了在空间尺度上微生物对分解过程的影响,明确了根序间分解速率差异,并在空间尺度拓展了吸收根分解速率低于运输根这个结论的适用范围。这些结果有助于揭示气候条件变化下森林生态系统土壤碳循环过程中微生物的生态学意义。
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