中国北方主要草地类型土壤细菌群落结构和多样性变化

由于土壤细菌在生态系统物质循环和能量流动过程中所发挥着重要的作用,土壤细菌多样性和群落结构的变化规律及其驱动因子已成为生态学研究的热点问题。以往的研究多集中于较小研究尺度,而在区域甚至更大研究尺度背景下这些规律及驱动因子是否适用仍无一致定论。因此,本研究在欧亚草原带东部设置研究样带,调查了土壤细菌多样性和群落结构在不同草地类型间的变化规律,分析了土壤理化性质在其中发挥的作用,加深了人们对较大空间尺度背景下土壤细菌群落变化规律及驱动因子的认识,同时,从物质循环和能量流动角度揭示草地生态功能和经济价值最大化的可能机制,为草地保护及维持提供相关理论依据。 本研究在研究样带上选取以下5种草地类型作为研究对象——平原草甸、草甸草原、典型草原、荒漠草原和高寒草甸,采用高通量测序法分析了影响土壤细菌多样性和群落结构的主要驱动因子,获得的主要结果及结论如下： (1)高寒草甸的土壤细菌遗传多样性显著高于平原草甸、草甸草原、典型草原和荒漠草原的细菌遗传多样性,但细菌遗传多样性在后四种草地类型间没有显著差异。在分析测定的所有土壤理化性质中,土壤细菌遗传多样性与土壤含水量、有机碳含量、全氮含量和氮磷比间呈显著的正相关关系,而与pH值呈显著的负相关关系。结合RDA分析结果可知,土壤中有机碳含量是细菌遗传多样性的主要驱动因子。 (2)在所有可聚类序列中,分析获得了39个土壤细菌类群。依据各细菌类群的相对多度可划分为三大类,优势类群(dominant phyla)、常见类群(common phyla)和稀有类群(rare phyla)。优势类群是指那些几乎在所有土壤样品中均具有较高相对多度的类群,包括放线菌门、酸杆菌门、α-变形菌纲和绿弯菌门；常见类群是指那些具有相对较低相对多度但仍能在绝大多数土壤样品中被检测出来的土壤细菌；本研究将相对多度<2%的细菌类群定义为稀有类群,约占整体的10%。 (3)在主要草地类型间细菌的优势类群和常见类群组成基本一致,但是,在细菌群落结构上仍有显著的差异。酸杆菌门、放线菌门和绿弯菌门相对多度与土壤有机碳含量呈显著的负相关关系,而变形菌纲与有机碳含量呈显著的正相关关系。疣微菌门(Verrucomicrobia)相对多度表现出随土壤pH值和电导率的增加而降低的趋势,但与优势类群主要驱动因子土壤有机碳含量无显著相关性。 (4)土壤微生物生物量碳在不同草地类型间有显著差异,分布范围为0.14-0.92g·kg-1,在典型草原达到最高。在分析的所有的土壤理化性质中,土壤微生物生物量碳与土壤有机碳含量、全氮含量、碳氮比和氮磷比有显著的负相关关系,其中,土壤碳氮比是微生物生物量碳的主要驱动因子。 综上所述,在区域尺度研究背景下,不同草地类型间土壤微生物生物量碳和细菌多样性及群落结构是不同的。其中,细菌多样性变化的主要驱动因子是土壤有机碳含量,土壤微生物生物量碳变化的主要驱动因子是土壤碳氮比。尽管优势类群相对多度和细菌多样性有一致的驱动因子,但其它细菌类群相对多度的驱动因子是不同的。本研究不仅增进人们对土壤细菌群落在较大空间尺度背景下变化规律的认识,亦为草地的保护维持提供理论基础。