生态恢复对城市湖滨湿地土壤有机碳动态和微生物功能及组成多样性的影响机制

论文摘要

湿地作为水陆交界的过渡性生态系统,与人类活动关系密切。城市化的发展,农业围垦、水体污染等导致了城市湖滨湿地生态环境的退化,影响了土壤养分循环及其分布特征,引起土壤生态功能发生改变。在湖滨湿地的退化和生态恢复过程中,微生物对由自然和人为干扰引起的土壤理化性质的改变十分敏感,并通过群落代谢特征和结构组成的变化以响应土壤环境。本文以不同生态恢复模式下的城市湖滨湿地为研究对象,基于Biolog-EcoPlate和16S rRNA测序技术,综合分析了生态恢复对湿地土壤理化性质、土壤碳蓄积及活性有机碳组分、土壤微生物功能代谢特征以及土壤细菌群落组成多样性的影响,为揭示植被-土壤-微生物之间的互作关系提供试验依据。主要结论如下:（1）在垦殖花圃地（FL）、森林湿地（PL）、荒草滩地（GL）和芦苇滩地（RL）四种不同的生态恢复类型中,土壤有机碳和溶解性有机碳、颗粒有机碳、热水溶性有机碳和微生物量碳含量在土层之间具有明显的表聚效应,均随着土层的加深呈现下降趋势。而土壤易氧化碳在土层之间变化规律与其他活性碳组分不同步,尤其在植被生长季,易氧化碳含量在不同土层和不同恢复类型之间分布相对平均。土壤有机碳与各活性有机碳组分之间均呈显著或极显著的正相关关系（P<0.01或0.05）。（2）土壤碳储量在不同恢复类型中均主要分布在表层（0-10 cm）,且表层土壤碳储量的变化趋势为:植被休眠季FL>PL>GL>RL,植被生长季FL>GL>PL>RL。此外,FL、GL和RL类型土壤碳储量随着土层的加深而下降,而PL类型土壤碳储量则随着土层加深呈现先减后增的趋势。此外,以GL类型为基准参考,PL、RL和FL在植被休眠季和生长季的0-20 cm 土层中的碳库管理指数均高于GL,大致呈现出随着土层的下降而降低的趋势。与对照GL类型相比,PL、RL和FL恢复类型提高了土壤质量。（3）不同生态恢复类型、不同土层之间土壤微生物群落对单一碳源的利用程度存在差异。表层0-10 cm 土壤中,土壤微生物群落的整体代谢活性季节性差异不明显,土壤微生物群落平均颜色变化率值在植被休眠季和生长季均表现为RL最高,GL最低;而表层与下层10-20 cm 土壤微生物群落平均颜色变化率值差异显著,在FL类型下层土壤中微生物代谢活性最强,而在RL（休眠季）或GL（生长季）土壤中的微生物整体代谢活性最低。此外,不同恢复模式之间土壤微生物群落的多样性指数的差异,主要体现在不同季节之间,且在10-20 cm 土层中四种生态恢复类型之间的差异更加明显。主成分分析可知,对土壤微生物群落代谢特征起分异作用的主要碳源类型为碳水类/糖类和羧酸类。（4）表层土壤细菌群落多样性指数和结构组成在不同季节、不同生态恢复类型之间存在差异。植被休眠季,GL类型的各多样性指数均最低;生长季,RL类型的各多样性指数均最低,FL类型最高。在门水平上,植被休眠季和生长季中变形菌门（Proteobacteria）、酸杆菌门（Acidobacteria）和放线菌门（Actinobacteria）均为四种恢复类型土壤细菌中的三大主要门类,而生长季中绿弯菌门（Chloroflexi）相对丰度高于放线菌门。在属水平上,四种恢复类型之间的差异凸显——在前20个相对丰度最高的属中,休眠季仅有Gp1、Gp7和Ktedonobacter的相对丰度在四种类型之间差异不显著,其他 17 个属均差异显著;生长季除了Latescibacteriageneraincertae sedis差异不显著,其他18个属和Others均差异显著（P<0.05）。在门水平上,抚微菌门（Verrucomicrobia）和绿菌门（Chlorobi）同时受到不同生态恢复模式、季节及其交互作用的共同影响;而WS3（Latescibacteria）受到模式和季节交互作用的影响显著,但二者单独作用不显著。在属水平上,Gp4和Gp7同时受到模式、季节及其交互作用的共同影响。（5）生态恢复诱导了土壤环境因子的改变,从而影响土壤活性碳循环、微生物碳源利用以及细菌群落组成多样性之间的关系。土壤环境因子中溶解性有机氮、硝态氮、全氮和镁含量与土壤有机碳及各活性碳组分均呈显著或极显著正相关关系（P<0.05或0.01）。冗余分析和相关性分析结果表明土壤微生物群落碳源利用和结构特征在不同生态恢复模式中差异显著;主导环境因子对土壤微生物功能和组成多样性也产生显著的影响（P<0.05）。一方面土壤铵态氮含量影响了微生物碳源代谢水平,其中与羧酸类碳源的利用达到显著的正相关关系（P<0.05）;另一方面,铵态氮含量也影响了细菌群落结构和组成,在两季中均与酸杆菌门（Acidobacteria）细菌相对丰度呈显著正相关,而与TM7（Saccharibacteria）相对丰度呈显著负相关（P<0.05）。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
•   1.1 湿地生态恢复研究进展
•     1.1.1 国外湿地生态恢复研究
•     1.1.2 国内湿地生态恢复研究
•   1.2 湿地土壤碳储量及活性有机碳组分研究进展
•     1.2.1 土壤碳储量及碳库管理指数
•     1.2.2 土壤有机碳及其活性组分
•     1.2.3 生态恢复对土壤碳库的影响
•   1.3 湿地土壤微生物多样性研究进展
•     1.3.1 土壤微生物群落功能多样性
•     1.3.2 土壤微生物群落组成多样性
•     1.3.3 生态恢复对湿地土壤微生物群落多样性的影响
• 第二章 引言
•   2.1 研究目的
•   2.2 研究意义
• 第三章 材料与方法
•   3.1 研究区自然概况
•   3.2 实验设计
•     3.2.1 样地选取
•     3.2.2 样地设置
•   3.3 样品采集与分析
•     3.3.1 样地调查与样品采集
•     3.3.2 土壤理化性质指标测定及碳储量计算
•     3.3.3 土壤活性有机碳组分测定
•     3.3.4 土壤微生物功能代谢指标测定
•     3.3.5 土壤微生物总DNA提取及纯度定量检测
•     3.3.6 16S rRNA的V3-V4区段PCR扩增及浓度检测
•     3.3.7 土壤微生物群落组成多样性分析
•   3.4 数据处理
•   3.5 技术路线
• 第四章 不同生态恢复类型土壤养分及有机碳活性组分动态变化
•   4.1 不同恢复类型对土壤养分含量及分布特征的影响
•     4.1.1 土壤理化指标及其分布特征
•     4.1.2 土壤全量养分及其分布特征
•     4.1.3 土壤有效养分及其变化特征
•     4.1.4 土壤微生物量及其变化特征
•   4.2 不同恢复类型土壤活性有机碳组分及其分配比例的动态变化
•     4.2.1 土壤溶解性有机碳的动态变化
•     4.2.2 土壤颗粒有机碳的动态变化
•     4.2.3 土壤热水溶性有机碳的动态变化
•     4.2.4 土壤易氧化碳的动态变化
•     4.2.5 土壤微生物生物量碳的动态变化
•   4.3 不同恢复类型土壤碳储量及碳库管理指数动态变化
•   4.4 讨论
• 第五章 不同生态恢复类型土壤微生物群落功能多样性与碳源利用的动态变化
•   5.1 不同恢复类型土壤微生物群落碳源利用动力学特征
•     5.1.1 植被休眠季土壤微生物群落碳源利用动力学特征
•     5.1.2 植被生长季土壤微生物群落碳源利用动力学特征
•   5.2 不同恢复类型土壤微生物群落功能多样性指数变化
•     5.2.1 植被休眠季土壤微生物群落功能多样性指数变化
•     5.2.2 植被生长季土壤微生物群落功能多样性指数变化
•   5.3 不同恢复类型土壤微生物群落碳源利用率变化特征
•     5.3.1 植被休眠季土壤微生物群落碳源利用率变化特征
•     5.3.2 植被生长季土壤微生物群落碳源利用率变化特征
•   5.4 不同恢复类型土壤微生物群落代谢功能群的主成分分析
•   5.5 讨论
• 第六章 不同生态恢复类型土壤细菌群落组成多样性的动态变化
•   6.1 不同恢复类型土壤细菌群落多样性变化特征
•     6.1.1 植被休眠季土壤细菌群落多样性变化特征
•     6.1.2 植被生长季土壤细菌群落多样性变化特征
•   6.2 不同恢复类型土壤细菌群落结构组成变化特征
•     6.2.1 植被休眠季土壤细菌群落结构组成变化特征
•     6.2.2 植被生长季土壤细菌群落结构组成变化特征
•   6.3 不同恢复类型、季节及其交互作用对土壤细菌组成的影响
•     6.3.1 不同恢复类型、季节及其交互作用对土壤细菌门水平相对丰度的影响
•     6.3.2 不同恢复类型、季节及其交互作用对土壤细菌属水平相对丰度的影响
•   6.4 讨论
• 第七章 生态恢复对城市湖滨湿地土壤有机碳动态及细菌群落多样性影响的综合分析
•   7.1 土壤理化性质与有机碳组分之间的关系
•   7.2 土壤理化性质与微生物碳源利用之间的关系
•   7.3 土壤理化性质与微生物群落结构组成之间的关系
•   7.4 土壤微生物功能多样性和群落结构与组成的关系
•     7.4.1 不同恢复类型土壤环境因子对土壤微生物碳源利用的影响
•     7.4.2 不同恢复类型土壤环境因子对土壤细菌群落组成的影响
•   7.5 讨论
•   7.6 小结
• 第八章 结论、创新点与展望
•   8.1 结论
•   8.2 创新点
•   8.3 存在不足及研究展望
• 参考文献
• 作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 滕臻

导师: 徐小牛

关键词: 生态恢复,土壤有机碳及其活性组分,微生物功能代谢,细菌群落多样性,城市湖滨湿地

来源: 安徽农业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,农业科技

专业: 生物学,农业基础科学,农业基础科学,农艺学,农艺学

单位: 安徽农业大学

分类号: S154.3;S153.6

DOI: 10.26919/d.cnki.gannu.2019.000009

总页数: 138

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