祁连山葫芦沟土壤细菌群落多样性及其分布格局的研究

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土壤微生物是土壤生态系统的重要组成部分,在生态系统物质循环和能量转化中占有重要的地位。高寒微生物对环境变化的响应和反馈,可为环境变化下高寒生态系统的演变过程提供科学依据。祁连山地区位于青藏高原东北缘,是中国西北地区重要的气候交汇区和敏感区,以及西部重要的生态安全屏障。土壤细菌是土壤微生物中数量最多的一个类群,探讨祁连山土壤细菌群落多样性及其分布格局,有助于揭示生态系统退化及恢复的机理,从而为生态保护和可持续发展提供科学依据。  本论文选择祁连山黑河源区葫芦沟及其附近地区,研究样地主要覆盖两种草地类型:高寒草甸和高寒草原。选择海拔4160m的垫状植被、海拔3890m的高寒草甸、海拔3620m的沼泽草甸和海拔3300m的高寒灌丛的4种植被类型和海拔、坡度和坡向基本一致,气候、土壤类型基本无差异的高寒草原、青海云杉林地、鼠丘退化草地、6年翻耕草地和50年农田5种土地覆被类型,采用Biolog-ECO生态板和Illumina高通量测序方法研究土壤细菌群落碳源代谢功能多样性及群落结构差异。本研究主要结果如下:  (1)土壤微生物生物量碳氮大小为:沼泽草甸>高寒草甸>高寒灌丛>垫状植被;反映微生物活性的平均颜色变化率的大小顺序为:沼泽草甸>高寒草甸>高寒灌丛>垫状植被,沼泽草甸土壤微生物群落代谢活性最高;高寒草甸和沼泽草甸土壤微生物群落碳源利用模式相似,土壤微生物群落的Shannon-Wiener物种丰富度指数(H)与土壤有机碳和全氮显著相关(P<0.05),Simpson优势度指数(D)和McIntosh指数(U)与土壤全氮显著相关(P<0.05);冗余分析表明,土壤有机碳、pH和全氮可能是土壤微生物利用碳源的控制因子。  (2)土壤细菌群落共检测出54个门类,土壤细菌在门分类水平(或变形菌亚门)上优势细菌门类为放线菌门、酸杆菌门、α-变形菌、厚壁菌门、芽单胞菌门、γ-变形菌、绿弯菌门、疣微菌门、β-变形菌门、拟杆菌门、δ-变形菌门、浮霉菌门和硝化螺旋菌门。土壤细菌群落结构沼泽草甸和高寒灌丛较为相似。垫状植被土壤细菌α多样性(OTUs和系统发育多样性、Chao1指数和香农指数)小于其他3种植被类型,而沼泽草甸土壤细菌α多样性除香农多样性指数外,均显著大于其它3种植被类型(p<0.05)。相关性分析和Mantel分析发现土壤pH、土壤含水量、土壤有机碳、全氮是影响4种植被类型土壤细菌群落结构和多样性的主要因素。  (3)不同土地覆被类型土壤微生物生物量碳氮大小为:青海云杉林地>高寒草原>6年翻耕地>50年农田>鼠丘退化草地。而土壤微生物利用单一碳源能力的大小顺序为:青海云杉林地>高寒草原>6年翻耕地>鼠丘退化草地>50年农田。青海云杉林样地土壤微生物代谢糖类、羧酸类、氨基酸类、多聚物类和芳香化合物/杂类5大类碳源的能力显著高于其它土地利用类型(p<0.05)。高寒草原、6年翻耕地、鼠丘退化草地和50年农田样地土壤微生物代谢6大碳源能力差异不显著(p>0.05)。青海云杉林和高寒草原土壤微生物碳源代谢功能多样性Shannon指数(H)和Simpson指数(D)最高。相关性分析表明,土壤有机碳是影响土壤微生物生物量碳氮和群落碳源代谢活力的主要因素。  (4)土壤细菌群落共检测出55个门类,土壤细菌在门分类水平(或变形菌亚门)上优势细菌门类α-变形菌、厚壁菌门、放线菌门,拟杆菌门、酸杆菌门、γ-变形菌、绿弯菌门、疣微菌门、β-变形菌门、δ-变形菌门、芽单胞菌门,浮霉菌门和硝化螺旋菌门。在5种土地覆被类型中,鼠丘退化草地物种丰富度(OTUs)和系统发育多样性最低,显著小于其它土地覆被类型。相关性分析和Mantel分析发现土壤pH、土壤含水量和全氮是影响5种土地覆被类型土壤细菌群落结构和多样性的重要因素。  综上所述,本论文研究了祁连山葫芦沟流域土壤细菌群落多样性和分布格局特征。4种植被类型,沼泽草甸土壤微生物群落代谢活性最高;而当高寒草原土地覆被受到鼠类破坏退化后,土壤细菌群落代谢活性及多样性都降低,抵御土壤微生态环境恶化的缓冲能力降低,本文为祁连山生态系统恢复、重建和管理提供理论依据。
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