退耕还林对吉林省中部地区土壤微生物群落结构及碳转化功能的影响研究

作     者：王玖程 

作者单位：吉林农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周雪

授予年度：2023年

学科分类：083001[工学-环境科学] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 07[理学] 08[工学] 0713[理学-生态学] 

主      题：退耕还林 土壤酶活性 微生物群落 碳转化 

摘      要：为了生态环境的可持续发展,我国自1999年开始实施退耕还林工程。然而,对于退耕还林的研究多集中在植被恢复状况及退耕地土壤性质改良等方面,对于农田退耕还林后土壤微生物群落的演替特征尚缺乏足够了解。本研究以吉林省中部地区耕地及其相邻退耕20年及40年落叶松林地为研究对象,采用高通量和宏基因组测序技术分析细菌和真菌的多样性、群落结构、物种组成以及碳转化相关功能基因的变化,同时进行土壤理化分析以及土壤碳转化相关酶活性分析,以期为全面评价退耕还林的生态效益提供数据支撑。研究结果如下:(1)退耕还林对土壤理化性质和土壤碳转化相关酶活性具有显著影响,退耕还林后土壤p H、有机质(OM)含量随退耕年限的增加显著升高,在退耕20年及40年后分别升高17.24%和76.88%,土壤速效钾(AK)、碱解氮(AN)含量则显著降低52.48%和36.93%,土壤速效磷(AP)含量随退耕年限的增加先显著降低后显著升高,退耕40年林地较未退耕农田降低82.26%。退耕40年林地土壤纤维素酶活性及β-葡萄糖苷酶活性较未退耕农田显著升高111.9%、90.55%,土壤蔗糖酶酶活性呈现先升高后降低的趋势,退耕20年林地较未退耕农田升高235.37%。(2)退耕还林对土壤微生物群落结构组成及多样性具有显著影响。微生物多样性退耕40年林地细菌群落多样性、丰富度较未退耕农田分别降低4.31%、26.4%,而真菌群落分别升高28.74%、60.17%。退耕还林前后土壤真菌和细菌群落结构均具有显著差异,且真菌群落组成的差异大于细菌。退耕后土壤中细菌节点和连接数较多,模块性指数较高,退耕后细菌网络更加稳定,真菌网络平均连通度和聚类系数较低,群落结构更加稳定,细菌及真菌网络中正相关数均大于负相关数。退耕还林各阶段细菌差异性物种主要集中在酸杆菌门(Acidobacteriota)、变形菌门(Proteobacteria)。真菌差异性物种主要集中在子囊菌门(Ascomycota)、担子菌门(Basidiomycota)。退耕20年及40年林地土壤细菌和真菌群落之间的相互关系与未退耕农田具有显著差异,共变异类群细菌酸微菌纲(Acidimicrobiia)及真菌银耳纲(Tremellomycetes)随着退耕还林丰度显著提高。土壤细菌及真菌跨域网络分析结果显示退耕20年林地节点数及相关性最为复杂,同时互作网络图中正相互作用减少,土壤细菌及真菌菌群协同作用降低。(3)退耕还林后,碳转化相关基因丰度差异显著,景天酸代谢循环(CAMcrassulace an acid metabolism)、C4-二羧酸循环(C4-dicarboxylic)、3-羟基丙酸循环(3-HP3-hydrox ypropionate)相关基因丰度均随着退耕年限的增加分别提高8.53%、16.93%、2.37%,还原性乙酰辅酶A途径(Wood reductive acetyl-Co A)基因丰度则随着退耕年限的增加降低7.14%,CAZy基因的组成和丰度分析表明,编码糖苷水解酶(GH)、多糖裂解酶(P L)、辅助活性(AA)的基因丰度均随着退耕年限降低,碳水化合物结合模块(CBM)则随着退耕年限升高。综上所述,本研究发现吉林省中部地区农田退耕还林后,土壤性质发生了改变,土壤有机质、p H显著升高,碱解氮显著降低。土壤细菌多样性显著降低,土壤真菌多样性和丰富度均显著升高,退耕还林前后土壤真菌和细菌群落结构均具有显著差异,且真菌群落组成的差异大于细菌。退耕后土壤微生物具有更大的网络规模及复杂度,且微生物碳转化功能发生显著变化。