论文部分内容阅读
鉴于土壤微生物丰富的多样性和巨大的数量，及其在有机物分解、营养元素循环等陆地生态系统过程中的重要作用，土壤微生物生态学日益受到重视并成为当前研究的热点之一。考查土壤微生物在不同环境条件下的分布规律，探讨土壤微生物群落结构和多样性变化的生态效应，解析不同环境因子对土壤微生物群落结构和多样性变化的相对作用大小，弄清驱动土壤微生物群落结构和多样性变化的主控因子，回答土壤微生物生态学研究中的一些重要的基础性科学问题，将进一步提升人们对微生物参与的重要土壤生物学过程的认识，为针对性地拟定环境友好的陆地生态系统管理和保护策略提供理论依据。
论文在系统评述土壤微生物群落结构和多样性研究方法、影响因素及生态功能的基础上，通过土壤DNA提取、多聚酶链式反应(PGR)、变性梯度凝胶电泳(DGGE)、末端限制性片段长度多态性(T-RFLP)分析、克隆和测序等一系列分子生物学技术的有机结合，深入考查肥料施用、有机废物添加和空气CO2浓度升高三种典型环境扰动对土壤细菌群落结构和多样性的影响；通过多元回归树(MRT)分析和聚合推进树(ABT)等多元统计分析方法，定量解析历史的进化因子和当代的环境因子对土壤细菌群落多样性变化的相对作用大小：结合对一系列土壤生态系统功能性指标的考查，初步探讨土壤细菌群落多样性变化对土壤生态系统多重功能性的影响。论文的主要研究内容与成果如下：
(1)在封丘农业生态试验站采集了七种不同施肥处理的土壤：对照(CK)、无机氮钾肥(NK)、无机磷钾肥(PK)、无机氮磷肥(NP)、无机氮磷钾肥(NPK)、有机肥(OM)、无机氮磷钾肥+有机肥(NPKOM)，用以考查长期肥料施用对土壤细菌群落结构和多样性的影响。通过DGGE分析考查不同施肥处理条件下土壤细菌群落的分子指纹特征和基因型多样性特征；通过克隆和测序分析考查采样点土壤细菌群落组成及不同施肥处理条件下土壤细菌群落组成差异。DGGE分析结果表明：OM和PK处理土壤细菌群落分子指纹特征同CK相比有明显差异，且具有更高的基因型多样性；而含无机N肥的四个处理(NK、NP、NPK和NPKOM)土壤细菌群落分子指纹特征同CK相比无明显差异。因此在该取样点，同OM和PK处理对土壤细菌群落的正面影响不同，N肥施用可能是抵消其它肥料(P、K和OM)施用对土壤细菌群落正面影响的重要因子。克隆和测序分析表明：在该取样点测序的118个克隆中，Proteobacteria是最主要的细菌类群，其相对多度为30.5％，其后依次为Acidobacteria(15.3％)、Gemmatimonadetes(12.7％)、Chloroflexi(9.3％)、Actinobacteria(7.6％)、Bacteroidetes(6.8％)、Firmicutes(5.1％)和Planctomycetales(1.7％)，另有11.0％的细菌克隆未能确定类别归属。克隆序列在不同处理间的分布表明：OM处理细菌群落组成与其它处理相比有明显差异。OM处理中Proteobacteria和Acidobacteria的相对多度显著低于部分甚至所有其它处理，而Firmicutes和Bacteroidetes的相对多度则显著高于部分甚至所有其它处理。
(2)在澳大利亚Menangle有机废物农业循环利用试验站采集了七种不同有机废物处理的土壤：对照(CK)、低量CO型隔油池废物(COL)、高量CO型隔油池废物(COH)、低量CL型隔油池废物(CLL)、高量CL型隔油池废物(CLH)、低量城市有机固体废物堆肥(ML)、高量城市有机固体废物堆肥(MH)，用以考查不同类型和数量的有机废物添加对土壤细菌群落结构和多样性的影响。DGGE分析结果表明：同CK相比，COL和COH处理可对土壤细菌群落的分子指纹特征和基因型多样性特征产生明显的负面影响，而其它有机废物处理(CLL、CLH、ML和MH)对土壤细菌群落的分子指纹特征和基因型多样性特征无明显影响。不同类型有机废物的碳/氮(C/N)差异与土壤细菌群落的分子指纹特征差异间呈极显著正相关(r=0.71，P=0.002)，表明C/N可用于预测不同类型有机废物对土壤细菌群落分子指纹特征的不同影响。有机废物添加量对土壤细菌群落分子指纹特征和基因型多样性特征的影响因有机废物类型的不同而有所变化。
(3)在美国Duke森林开放式空气CO2浓度升高(FACE)试验站采集了四种不同FACE处理的土壤：不施肥+CO2浓度不升高(AN-AC)、不施肥+CO2浓度升高(AN-EC)、施肥+CO2浓度不升高(EN-AC)、施肥+CO2浓度升高(EN-EC)，用以考查施肥和不施肥条件下长期FACE处理对土壤细菌群落结构和多样性的影响。通过T-RFLP分析考查长期FACE处理条件下土壤细菌群落的分子指纹特征和基因型多样性特征；通过克隆和测序分析考查采样点土壤细菌群落组成及长期FACE处理条件下土壤细菌群落组成差异。T-RFLP分析结果表明：不管是在施肥或是在不施肥条件下，长期FACE处理均未对土壤细菌群落的分子指纹特征和基因型多样性特征产生明显影响。克隆和测序分析表明：在该取样点测序的1086个克隆中，Proteobacteria是最主要的细菌类群，其相对多度为50.1％，其后依次为Acidobacteria(26.2％)、Actinobacteria(10.8％)、Bacteroidetes(5.2％)、Gemmatimonadetes(0.6％)、Firmicutes(0.3％)，另有6.9％的细菌克隆未能确定类别归属。克隆序列在不同FACE处理间的分布表明：土壤细菌群落组成在各处理间均无明显差异。
(4)在三个农业生态长期定位试验站(河南封丘站、湖南桃源站和祁阳站)采集了不同深度、不同时间及不同施肥处理(无机N、P、K肥和OM)的212个土壤样品，用不同的施肥处理和取样时间表征当代的环境扰动，用空间上分隔的不同取样点和土壤剖面层次表征历史的进化因子，首次考查了当代的环境扰动及历史的进化因子对区域尺度土壤细菌群落多样性变化的相对作用大小。通过DGGE分析考查土壤细菌的基因型多样性特征(基因型丰富度、香农多样性指数和辛普森优势度指数);通过MRT分析和ABT分析，定量解析历史的进化因子和当代的环境因子对土壤细菌群落多样性变化的相对影响，进而确定区域尺度下土壤细菌群落多样性变化的驱动因子。MRT分析表明:土壤细菌多样性特征主要随取样地点发生变化，取样地点差异可解释40.8％的土壤细菌多样性变化，其后依次为取样土层(19.5％)、取样时间(13.1％)、OM(3.7％)和P(1.8％)。ABT分析表明：不同分类因子对土壤细菌群落多样性变化的相对影响大小依次为取样地点＞取样土层＞取样时间＞OM＞P。MRT分析和ABT分析的结果一致，即历史的进化因子(以不同取样点和土壤剖面层次表征)是驱动区域尺度(约1000km)土壤细菌多样性变化的主要因素，同时某些当代的环境扰动也会造成局地尺度土壤细菌多样性变化。上述研究结果表明历史的进化因子及当代的环境扰动对当前土壤细菌群落多样性变化的相对影响同它们对大型生物多样性变化的影响相似，即在较大空间尺度下历史及进化过程的主导作用下，当代环境因子也在小空间尺度下不断地对土壤细菌空间分布格局进行细部改造，从而表明可能有一些对所有类型生物都适用的生物地理学规律的存在。
(5)在前期对大量土壤样品细菌群落分子指纹特征和基因型多样性特征分析的基础上，结合对一系列土壤生态系统功能性指标的考查，通过ABT分析分别确定对不同生态系统功能性指标有正面影响的细菌可操作分类单元(OTU)组，并分别计数不同细菌组中OTU的个数，进而考查土壤生态系统功能数与土壤细菌OTU数之间的关系，首次探讨了土壤生态系统中细菌群落多样性变化对土壤生态系统功能数的影响。结果表明：对生态系统功能有正面影响的细菌OTU数与生态系统功能数之间呈正相关关系，即土壤生态系统中可维持的功能数将随着土壤细菌OTU数的减少而减少。可用幂指数方程OTUN=OTU1(N)T定量描述所观测到的土壤细菌多样性与生态系统多重功能性之间的正相关关系，其中OTUN为维持N个土壤生态系统功能所需要的细菌OTU数，OTU1为维持一个土壤生态系统功能所需要的平均的细菌OTU数，T为当需要维持的土壤生态系统功能数增加时细菌OTU数的平均周转率。所考查的三个取样点的实测数据可很好地拟合上述的幂指数方程，分别为：OTUN=7.3N0.84(R2=0.80，P＜0.0001)、OTUN=7.1N0.71(尺2=0.80，P＜0.0001)、OTUN=10.0N0.80(R2=0.69，P＜0.001)。上述研究结果表明多样性丧失不但可能影响特定生态系统功能的强度，还可能影响生态系统中可维持的功能的个数，因而对于全面认识和评价生物多样性丧失的生态风险具有重要意义。