鄱阳湖沙化土地不同植被恢复方式下的土壤细菌群落特征研究

摘要

鄱阳湖湖滨带所形成的沙化土地是南方地区典型的沙化区域，在土壤生态系统中具有地域独特性和区域生态脆弱性的特点。在自然环境变化和人为活动中，导致了鄱阳湖湖滨带的沙地植被多样性减少、土壤养分流失、土壤贫瘠等一系列的生态环境问题。改善和恢复鄱阳湖沙化区的生态环境一直受到地方政府和研究学者的高度重视。诸多学者们对鄱阳湖沙化土地的研究工作主要集中在沙地成因机制和地上植被、区域小气候等方面，忽略了与土壤养分循环、植被类型多样性密切相关的土壤微生物群落。土壤微生物是土壤生态系统中养分循环和物质运移的重要参与者，了解清楚鄱阳湖多宝沙地的土壤细菌群落分布特征，对沙地土壤退化生态系统具有积极意义。本研究旨在从不同植被恢复方式下对土壤理化性质、微生物群落的影响，探究沙地土壤细菌群落组成特征，探明鄱阳湖沙化治理试验区土壤环境因子与土壤微生物群落的相关性，以此说明植被恢复对沙地治理的积极性，并通过研究沙地土壤细菌群落特征，为进一步沙地土壤治理提供基础数据和理论依据。　　2009年以来，鄱阳湖沙化治理团队在鄱阳湖多宝乡沙化土地设置治沙试验区，通过人工种植湿地松、香根草、夹竹桃、雷竹等植物，搭配先锋植物狗牙根、单叶蔓荆，对沙化区进行了生态治理和植被恢复。本研究以鄱阳湖多宝乡沙地人工植被恢复试验区为研究区域，选取不同沙化程度下具有固沙能力强、耐旱等特性的人工植物湿地松、香根草及先锋植物狗牙根、单叶蔓荆，同时设置裸地对照组（5种处理方式）。对沙地不同植被覆盖下的土壤微生物群落特征进行了系统研究。　　本研究利用高通量测序技术探明了沙地土壤细菌群落组成特征。土壤细菌群落与环境因子的RDA冗余分析和Heatmap相关性分析，说明了沙地土壤细菌群落与环境因子的相关性关系。通过LEfSe统计工具多组比较策略筛选出了鄱阳湖沙地不同植被治理方式土壤中有显著差异的微生物细菌。并通过利用PICRUSt功能预测,探究了鄱阳湖沙地土壤微生物细菌群落功能物种和功能多样性。本研究试验结果说明：　　（1）鄱阳湖沙化土地的土壤容重为1.24g/cm3～1.51g/cm3；土壤含水量为2.46%～4.02%；土壤有机质含量为0.25%～1.78%；土壤全磷含量为0.11mg/g～0.39mg/g；土壤有效氮含量为11.72mg/kg～20.63mg/kg。鄱阳湖沙化土地不同植被恢复下的土壤养分含量存在显著差异性，沙地土壤养分含量总体呈现贫瘠状态。　　（2）鄱阳湖沙化土地的土壤细菌群落主要由36个细菌门，80个细菌纲和748个细菌属等组成。鄱阳湖沙地表层（5cm～20cm）土壤细菌群落优势细菌门是主要细菌门有放线菌门（Actinobacteria）、变形菌门（Proteobacteria）、酸杆菌门（Acidobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）、厚壁菌门（Firmicutes）、浮霉菌门（Planctomycetes）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、疣微菌门（Verrucomicrobia）、蓝细菌门（Cyanobacteria），未知细菌门WPS-2、Patescibacteria、GAL15等。由于不同植被类型对土壤环境和养分的影响，以及土壤微生物的生境选择偏好等，不同植被类型的土壤微生物优势细菌群落不同，人工植被湿地松的土壤优势细菌群落为Proteobacteria；人工植被香根草、先锋植被的土壤优势细菌群落为Actinobacteria；裸地对照组的土壤优势细菌群落为Chloroflexi。土壤细菌群落在物种多样性以及丰度特征上存在显著差异，通过利用LEfSe统计工具用多组比较策略筛选出鄱阳湖沙地不同植被治理方式下的土壤中有显著差异的53个细菌属。　　（3）鄱阳湖沙化土壤细菌群落多样性与生物特性受到土壤理化性质和植被类型的的影响。其中对鄱阳湖沙地土壤细菌群落影响较大环境因子是SBD、SOM、TP、AN。MWC与鄱阳湖多宝沙地土壤细菌群落呈不显著关系。随着地表植被类型的改变，地表调落物的种类和数量发生变化，以及植被根系分泌物的差异性，植被类型对于地表土壤微生物群落的动态变化具有重要影响。土壤理化特性和植被类型共同塑造着沙地土壤细菌群落结构的变化。　　（4）鄱阳湖沙化土地土壤细菌的固氮微生物主要有4个四菌门；5个细菌纲；5个细菌属。门分类学水平上主要有Proteobacteria、Actinobacteria、Planctomycetes、Firmicutes。解磷细菌属主要是芽孢杆菌属(Bacillus)、假单胞菌属(Pseudomonas)、根瘤菌属(Bradyrhizobium)。通过对沙地土壤细菌群落的功能基因的预测，沙地土壤细菌功能主要有6个一级功能和41个二级功能。不同植被恢复下的土壤细菌群落的每一种功能基因的功能丰度都大致相同。先锋植被的土壤细菌各功能基因丰度略高于其他处理组，说明了先锋植被土壤细菌群落在沙化土地中的适应性强。其次，土壤细菌群落功能基因丰度不随土壤植被样地的变化而改变，而土壤微生物细菌群落结构因土壤环境而发生改变，可能说明土壤细菌群落结构先于土壤细菌群落功能基因变化。

目录

声明

1绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究进展

1.3研究内容及意义

1.4研究思路与技术路线

2研究区概况与研究方法

2.1沙化土地研究区域概况

2.2研究方法

3沙地不同植被恢复方式下的土壤理化性质特征

3.1结果与分析

3.2讨论

3.3小结

4沙地不同植被恢复方式下的土壤微生物群落特征分析

4.1沙化土地土壤微生物测序结果与分析

4.2沙化土地土壤微生物群落组成

4.3沙化土地土壤微生物多样性分析

4.4沙地不同植被恢复条件下土壤环境因子与细菌群落关系分析

4.5讨论

4.6小结

5鄱阳湖沙化土地土壤细菌群落功能物种及其功能特征

5.1沙地土壤细菌群落功能群落

5.2沙地土壤微生物群落功能特征

5.3讨论

5.4小结

6研究结论与展望

6.1研究结论

6.2研究展望

参考文献

致谢

硕士在读期间发表论文