入侵植物加拿大一枝黄花根系和凋落叶输入对土壤微生物群落的影响及其反馈效应
作者单位：江苏大学
学位级别：硕士
导师姓名：孙见凡
授予年度：2022年
主 题：加拿大一枝黄花 凋落叶分解 根际微生物 植物-土壤反馈 微生物群落结构
摘 要：外来植物入侵是影响陆地生态系统结构和功能的重要过程。植物可以通过根系分泌物和凋落叶分解改变入侵地土壤营养循环和微生物群落结构多样性,进而对后代入侵植物或本土植物的生长造成影响,也称作植物-土壤反馈效应。加拿大一枝黄花是一种具有强化感作用的入侵植物,具有竞争能力强、抗逆性强、繁殖速度快等特点,对入侵地地上植物群落和地下微生物群落组成均会造成巨大影响。已有许多关于加拿大一枝黄花化感作用的报道,但是关于其对地下微生物群落结构和植物-土壤反馈的研究还很少。由于土壤微生物在塑造植物群落和陆地生态系统功能方面发挥着至关重要的作用,因此评估植物入侵对土壤微生物的影响及其对后代植物入侵的潜在反馈效应是很有必要的。本研究以入侵植物加拿大一枝黄花和本地伴生植物多裂叶翅果菊为实验材料,从植物根系分泌物和凋落叶分解两种输入途径入手,通过实验模拟加拿大一枝黄花入侵过程和在脆弱河岸带生境水位波动下凋落叶分解过程,探究加拿大一枝黄花在入侵过程中土壤微生物群落结构变化及不同输入途径(根系分泌物/凋落叶分解)对后代植物的土壤反馈效应。同时通过评估凋落叶在不同分解阶段水位波动及凋落叶类型对土壤理化性质、酶活性及微生物群落结构多样的变化,探究加拿大一枝黄花在特定环境扰动下分解动态与土壤生物或非生物环境因子的关系。本研究主要取得成果如下:1、通过室内盆栽调节的方法模拟加拿大一枝黄花入侵过程,对不同生长年限后的根际土壤进行高通量测序并进行植物-土壤反馈实验。结果显示:(1)入侵植物和本地植物根系调节均促进了土壤细菌多样性,但对于真菌群落,入侵植物对真菌多样性没有显著影响,而本地植物调节降低了真菌多样性;(2)不同生长年限下入侵植物和本地植物根系调节土壤后,细菌和真菌群落结构均发生显著变化;(3)入侵植物显著增加了土壤p H并积累了更多的酚类物质,但土壤中总碳和总氮含量显著低于对照组,植物调节显著增加了土壤β-葡萄糖苷酶(BG)和β-D-纤维二糖水解酶(CBH)活性,但入侵植物和本地植物之间没有显著性差异;(4)入侵过程中土壤性质与微生物群落结构的变化提高了加拿大一枝黄花同多裂叶翅果菊的竞争能力。2、通过盆栽调节和掩埋凋落叶袋的方法模拟根系输入与凋落叶分解过程,测定调节后土壤理化性质及化感物质并进行植物-土壤反馈实验。结果显示:(1)入侵植物和本地植物根系对土壤特性及化感物质的影响大于凋落叶分解的作用;(2)在植物-土壤反馈实验中,对入侵植物而言,根系作用要大于凋落叶作用,加拿大一枝黄花在自身根系和凋落叶共同调节后会对后代的根长有显著促进作用。而对于本地植物,凋落叶分解的影响要大于根系调节的影响,凋落叶的调节使本地植物的株高显著降低,且入侵植物凋落叶对其株高的抑制作用更明显;(3)在混种条件下,两种植物根系和凋落叶调节对后代加拿大一枝黄花的生长均具有促进作用,此外,本地植物根系调节和凋落叶处理后的土壤增强了加拿大一枝黄花的竞争能力,而对自身的生长有显著抑制作用。3、通过调节水位线高度及掩埋凋落叶袋的方法模拟河岸带脆弱生境水位波动下入侵植物加拿大一枝黄花凋落叶分解过程,对凋落叶在不同分解阶段、不同水位下分解后的土壤进行高通量测序并测定土壤理化性质,结果显示:(1)凋落叶在不同水位波动条件下,分解时间对质量损失的影响随水位的升高而降低。木质素含量的变化与水位条件相关性不大,而与分解时间显著相关,在不同水位下,凋落叶中木质素含量均呈现出先上升后下降的趋势;(2)分解过程中水分含量对土壤理化性质及酶活性的影响最大,其次是分解时间,凋落叶类型仅对土壤总氮和可溶性有机碳含量显著相关;(3)土壤细菌中特有OTU的数目随分解时间递增,且各阶段间没有共有的OTU。从PCo A图和系统进化图中也可以看出不同分解阶段细菌群落组成的差异性。在分解过程中土壤中的主要优势菌门有变形菌门(Proteobacteria),酸杆菌门(Acidobacteria),拟杆菌门(Bacteroidetes),放线菌门(Actinobacteria)等,其相对丰度会随水位波动及分解时间发生变化。在分解前期土壤理化性质、酶活性及化感物质与细菌群落相关性更大,在分解后期酶活性对其影响较小。综上所述,在加拿大一枝黄花入侵过程中根系分泌物和凋落叶分解对入侵地土壤的理化环境及微生物群落结构有显著的影响,这些由入侵导致的生物与非生物环境的变化有利于下一代加拿大一枝黄花在与相邻本土植物竞争时表现出更强的竞争优势从而促进自身的进一步入侵。
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