禁牧对云雾山草地土壤微生物群落结构和功能的影响

作     者：高雅宁 

作者单位：西北农林科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张超

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 0713[理学-生态学] 

主      题：禁牧 植被恢复 土壤微生物 群落结构 黄土高原 

摘      要：草地在畜牧业发展和控制水土流失方面发挥着重要作用,然而目前由于过度放牧,全国90%的天然草地严重退化。围栏禁牧是阻控草地退化,提高土壤质量的有效措施。微生物作为土壤生态系统的重要组成部分,是物质转化和能量流动的驱动者,其变化在一定程度上能够反映土壤质量状况。近年来,针对退化草地禁牧过程中植物、土壤养分的演变过程开展了大量研究,然而对土壤微生物群落结构及其功能影响的研究相对缺乏。本研究以黄土高原云雾山禁牧草地为研究对象,采用高通量测序技术,系统研究禁牧0年、10年、15年、27年和35年土壤微生物群落结构及功能的演变特征,阐明土壤微生物群落变化的驱动因素,为半干旱区退化草地的恢复治理提供理论依据。主要结果如下:(1)随着禁牧年限的增加,植被盖度、地上和根系生物量呈现递增趋势,并在禁牧27年达到峰值,分别增加了1.83、8.70、3.94倍,表明禁牧能够促进植被群落恢复,但长期禁牧会抑制植被群落的恢复。禁牧提高土壤养分含量,土壤有机碳、硝态氮、铵态氮分别提高了1.68、1.86、1.85倍,土壤有机碳、硝态氮、铵态氮、速效磷和碳氮比基本表现为递增趋势,在禁牧27年达到峰值后降低。信息熵维数D、关联维数D、容量维数D随禁牧年限递增;信息熵维数D、关联维数D在禁牧前期样地随土层深度递增、在禁牧35年草地均随土层深度递减,D/D则呈现递减趋势。土壤容重、有机碳与土壤粒径分布呈现正相关关系。以上结果表明,禁牧能够促进土壤肥力,改善土壤结构,但长期禁牧不利于退化草地植被和土壤的恢复。(2)土壤微生物群落多样性(包括OTUs、Shannon指数和Chao1估计值)随着禁牧年限呈递增趋势,说明禁牧能够提高土壤微生物多样性,但细菌群落多样性峰值位于禁牧27年,真菌在禁牧35年,说明细菌、真菌群落的演替模式不同。土壤细菌的优势菌门为放线菌门(Actinobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)和浮霉菌门(Planctomycetes),群落组成基本稳定;随土层深度的增加,在0-40cm土层中放线菌门、变形菌门的相对丰度呈递减趋势,表明不同类群的细菌对土层深度环境偏好不同。土壤真菌功能类群主要为植物病原体、动物病原体、粪腐生菌、木质腐生菌和丛枝菌根真菌,随着禁牧年限的增加,动物病原体和粪腐生菌丰度递减,植物病原体、木质腐生菌和丛枝菌根真菌丰度则呈递增趋势。以上结果表明禁牧改变了微生物的群落组成,能够提高土壤微生物群落多样性。(3)随着禁牧年限的增加,土壤微生物总氮循环功能基因丰度、chi A、nif H、amo A-AOA、amo A-AOB、nir S和nir K的基因丰度均逐渐增加,其中总氮功能基因丰度提高了1.28倍;在垂直方向上,chi A、nif H、amo A-AOB的基因丰度随着土层深度的增加,但amo A-AOA、nir S和nir K的基因丰度变化趋势相反。以上结果表明,禁牧在提高土壤氮储存潜力的同时也增加了土壤氮的释放潜能。随着禁牧年限的增加,腐生菌、植物病原菌和丛枝菌根真菌的多样性增加,但植物病原菌和丛枝菌根真菌的多样性在禁牧27年时达到峰值后降低;动物病原菌和粪腐生菌的多样性随禁牧年限增加而减小。禁牧对真菌功能群在土壤垂直方向上的分布无显著影响。(4)植物多样性、土壤有机碳和硝态氮是细菌和真菌群落变化的主要驱动因素。土壤养分、容重和根系生物量是影响氮循环功能基因的主要因素;集成推进树分析表明真菌功能群落组成在0-20cm土层主要受植物多样性、地上生物量、根系生物量、土壤有机碳、硝态氮和土壤含水量影响,而在20-60cm受容重是影响最大。以上结果表明禁牧通过改善地上植被和土壤养分状况,进而影响微生物群落结构和功能。综上所述,结果表明禁牧能够增加土壤养分,提高微生物群落多样性,有利于土壤微生物群落结构及功能的恢复,但长期禁牧会不利于退化草地植物、土壤性质和微生物群落的恢复。