内蒙古天然草地细菌和氮循环微生物功能群分布对降水和围栏封育的响应研究

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土壤微生物在草地生态系统中发挥着重要的作用,研究微生物空间分布格局是理解生态系统功能的关键。目前,环境和气候变化对于微生物的空间分布影响显著。降水作为主要的影响因子,其对微生物分布的影响受到了广泛的关注。  本研究以内蒙古荒漠草原、典型草原和草甸草原作为研究对象。2011年7月在草甸草原谢尔塔拉牧场、典型草原白音锡勒牧场和荒漠草原乌兰察布围封放牧样地采集土壤样品,采用实时定量荧光PCR分析氮循环相关微生物功能基因的数量。2012年7月在位于草甸草原谢尔塔拉、白音查干和伊敏嘎查牧场,典型草原东乌珠穆沁和白音锡勒牧场,荒漠草原苏尼特左旗和乌兰察布牧场的围封样地采集36个土壤样品,对土壤样品进行土壤pH,土壤含水量,土壤有机碳(SOC),土壤总氮(TN),无机氮含量(NO3-N,NH4-N)等理化指标进行测定。454焦磷酸测序分析细菌16SrRNA多样性和群落组成。本研究旨在探讨(1)细菌多样性和群落组成在降水梯度下的变化趋势以及影响因子;(2)氮循环微生物功能群数量在降水梯度下的变化;(3)在降水梯度下,围栏封育对氮循环微生物功能群数量的影响。  主要研究结果如下:  (1)2011年土壤理化性质(pH,土壤含水量,土壤全碳、土壤全氮,无机氮NO3-N和NH4-N)和氮循环微生物功能群(nifH,AOA,AOB,narG,nirS, nirK和nosZ基因)的数量在不同降水区域之间差异显著。围栏封育处理显著增加荒漠草原和典型草原微生物功能群数量(p<0.001),对降水条件较好的草甸草原没有影响。  线性回归分析方法表明土壤pH值与土壤nifh功能群数量变化呈显著的正相关关系(R2=0.934,p<0.001)。土壤含水量与硝化和反硝化微生物功能群数量呈显著的正相关关系,且土壤含水量能够解释53.8%-92.34% AOA-amoA,narG,nirS和nosZ基因数量的变异量。本研究表明,土壤pH是影响内蒙降水梯度下固氮过程的主要驱动因子,而土壤含水量则是影响硝化作用和反硝化作用的主要驱动因子。围栏封育对草甸草原微生物功能群数量没有影响而显著增加荒漠草原和典型草原微生物功能群的数量,表明较好的土壤水分条件能够抵消了放牧对干旱半干旱草甸草原对微生物功能群的负效应。  (2)2012年围封样地土壤理化性质(pH,土壤含水量,土壤全碳,土壤全氮,无机氮NO3-N和NH4-N)和细菌群落多样性(chao1和谱系多样性)在不同降水量条件下差异显著。作为细菌群落中数量最多的三类微生物种群,酸杆菌门、放线菌门和变形菌门相对数量约占细菌总数量的75%~81%,但在不同降水条件下没有显著差异。  细菌群落在不同的降水条件下差异显著,逐步回归分析得到细菌多样性与土壤pH(p<0.001)具有显著的相关关系。植物数据能够解释3.0%细菌群落的变异量,而年均降水量和土壤理化性质能够分别解释3.4%和7.4%细菌群落的变异量。研究结果表明土壤pH值和降水量是影响内蒙草地细菌群落组成的主要影响因子。  综上所述,土壤pH和降水量是细菌群落组成的主要影响因子,这表明土壤和气候条件在干旱半干旱生态系统对于调节细菌的分布具有重要的作用。硝化和反硝化微生物功能群数量在草甸草原达到最高,在荒漠草原达到最低,土壤含水量则是影响内蒙古草地生态系统硝化和反硝化微生物功能群的主要影响因子。放牧处理显著的降低了荒漠草原和典型草原氮循环微生物功能群,而对草甸草原并没有影响,这表明,在水分较好的草地生态系统,与围封处理相比,放牧过程不会影响到当地土壤氮循环的微生物功能潜势。
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