中国背景森林土壤中的磷脂脂肪酸(PLFAs)及其微生物群落指示意义初步研究

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森林生态系统是陆地生态系统中重要的组成部分。其土壤微生物群落的组成和活性对土壤生物地球化学循环、有机质代谢以及土壤的肥力和质量有重要影响。磷脂脂肪酸是一类可有效表征活体微生物群落结构的生物标记物,在相关研究领域得到广泛应用。  本文工作以磷脂脂肪酸(PLFAs)为主要研究对象,进行了两项工作。其一,在前人工作基础上,建立了基于制备色谱(PCGC)系统的森林土壤磷脂脂肪酸单体分离制备方法;其二,在2012年5月至2013年10月期间,分析了我国9个背景森林不同植被带土壤样品中的磷脂脂肪酸,并以之对比分析不同森林土壤微生物群落结构及其与环境因素的关系。论文工作获得的主要结论如下:  1.在评估了PCGC系统中不同参数组合下冷却进样系统(CIS)和分离收集系统(PFC)的分离和收集效率后,得出用于森林土壤单体磷脂脂肪酸收集的最佳操作方法为:  CIS起始温度为40℃,CIS最终温度为300℃,CIS溶剂挥发时间为0.1 min,CIS加热速度为12℃/min,CIS进样模式为快速模式,PFC收集温度为室温30℃,进样量为3μl。  在优化后的操作方法下,从450 g森林土壤样品中可以收集到总碳量高于100μg的目标单体磷脂脂肪酸化合物,并且在GC-FID检测到的目标化合物回收率高于90%。因此,我们所建立的用于分离收集单体磷脂脂肪酸的PCGC系统操作方法,符合接下来的加速质谱(AMS)放射性碳同位素分析的测定要求。  2.对我国9个背景森林中不同植被类型36个土壤样品的现场测定与采样分析结果表明,土壤总有机碳(TOC)范围为1.25%~21.4%,pH值范围为3.8~4.8,碳氮比(C/N)为11.8~25.3,土壤含水率范围为13.3%~74.5%,采样时土壤温度为5℃~18.8℃。  样品的PLFAs总含量代表了土壤微生物总生物量,范围为28.2μg/g~253μg/g。其中,细菌(B)和真菌(F)占据了PLFAs总含量的60%以上,是占主要地位的两个生物群落。除贡嘎西坡真菌群落含量略高于细菌群落以外,其余几个背景森林的群落含量排序均为:细菌>真菌>革兰氏阳性菌>革兰氏阴性菌。由于贡嘎西坡的样品点设置(2个)较其余几座山(≥3个)少,且采样位点垂直高度差异较整座山小(10%),不具有整体代表性。因此我们认为,森林土壤群落含量的总体排布是符合以上规律的。  革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌比值(GP/GN)真菌与细菌比值(F/B)通常作为评价微生物群落结构变化的指标。对背景森林土壤中的这两个指标分析发现,革兰氏阳性菌与阴性菌比值变化范围为0~4,真菌与细菌比值变化的范围为0~1,在区域尺度上GP/GN的变化比F/B的变化更为明显。  3.利用SPSS软件,对不同微生物群落与环境因子进行相关分析,结果表明,土壤TOC与土壤微生物生物量随海拔高度的线性关系高度一致(R2=0.4~0.8),显示在垂直森林带谱上土壤TOC是导致土壤微生物生物量变化的主要因素;在区域尺度上,土壤pH值和土壤TOC与土壤微生物的生物量显著相关(P<0.01);革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、真菌、细菌群落和革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌群落含量比(GP/GN)等微生物群落含量和结构特性,均与土壤C/N比有关(P<0.01),显示C/N比是影响土壤微生物群落含量和群落结构变化的普遍因素;对于革兰氏阳性菌群落,除土壤C/N外,土壤温度亦是影响其群落含量和结构变化(GP/GN)的另一个重要因素(P<0.01)。  4.在对9个背景森林土壤微生物多样性的研究中发现,处于相对高纬度低海拔(如平顶山、太白山)和相对低纬度高海拔(如贡嘎山、哀牢山)的背景森林样品点PLFAs主成分分布相近。土壤温度与土壤C/N是决定PLFAs主成分变化的主要因素(P<0.01)。因此,不同的地理位置可以形成类似的生境,而森林土壤微生物多样性主要由气候条件、生态系统类型(林型)所决定。
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