刺槐萌生林化学计量特征及其土壤细菌多样性研究

发布时间：2020-07-23 07:56

【摘要】：刺槐(Robinia pseudoacacia L)原产于北美,其无性繁殖的主要方式是根蘖和萌蘖,形成的林分别称为根蘖林和萌蘖林,二者统称为萌生林。刺槐萌生林在生长过程中出现植株矮小、枝干弯曲和生产力低下等问题。试验以二代和三代萌生林内的无性系为研究对象,采用分子标记和高通量测序等方法,调查刺槐代际萌生林间土壤细菌、土壤和植物化学计量特征,分析二代和三代萌生林根际土壤细菌多样性、功能群落的差异,土壤和植物器官化学计量特征(C、N、P、C/N、C/P、N/P)的差异以及建立土壤和植物化学计量特征间,土壤细菌多样性和土壤化学计量特征间的相关性,说明刺槐多代萌生林生长受土壤养分元素限制情况,土壤细菌多样性、丰富度和均匀度与土壤化学计量特征间的关系。阐述刺槐多代萌生林衰退的原因。试验不仅可以丰富刺槐多代萌生林衰退机制研究的内容,还可以为合理抚育管理刺槐人工林以及提高刺槐林生产力提供一定的理论依据,具有实际价值和研究意义。研究主要结果如下:(1)刺槐无性系鉴定结果随着刺槐萌生林代数的增加,萌生无性系增加,证实了刺槐越伐越多的现象。三代萌生刺槐密度为2752株/hm~2显著大于二代萌生林1372株/hm~2,密度的增加直接影响刺槐的生长发育,这是导致刺槐衰退的原因之一。(2)土壤细菌群落比较结果二代萌生林(SR)和三代萌生林(TR)土壤细菌在α多样性Chao1指数、ACE指数、Simpson指数和Shanon指数上无显著性差异(P0.05),如:Chao1指数(SR:2594,TR:2560)ACE指数(SR:2670,TR:2597)和Shannon指数(SR:9.41,TR:9.39),这说明随着萌生代数的增加土壤细菌的多样性、丰富度和均匀度并没有显著降低。二代和三代刺槐萌生林根际细菌多样性指数与二代和三代萌生林非根际细菌多样性差异不显著(P0.05)。二代和三代刺槐萌生林优势细菌属组成基本一致,主要细菌属为:热酸菌属(Acidothermus)、根瘤菌属(Rhizomicrobium)、短根瘤菌属(Bradyrhizobium)、Bryobacter、不动杆菌属(Acidibacter)、Variibacter、芽单胞菌属(Gemmatimonas)、粘细菌属(Haliangium)、克洛斯氏菌属(Crossiella)、Candidatus_Solibacter、Jatrophihabitans、鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)、青枯菌属(Ralstonia)。细菌属组成相似,细菌功能群落也相似。研究发现三代萌生林固氮菌(Gemmatimonas)和根瘤菌(Bradyrhizobium)丰度显著高于二代萌生林(P0.05),但是两者土壤N含量差异不显著(P0.05),这可能是因为三代萌生林固氮属细菌活力下降,固氮能力减弱。(3)土壤化学计量特征结果二代和三代萌生林在土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)、铵态氮(NH_4~+)、硝态氮(NO_3~-)、速效磷(AP)、碳氮比(C/N)、碳磷比(C/P)、氮磷比(N/P)等化学计量特征对比上均无显著性差异(P0.05),二代和三代萌生林C、N、P、NH_4~+、NO_3~-、AP含量分别为50.19、4.52、0.25、0.06、0.096、0.014(mg/g)和47.23、4.34、0.24、0.063、0.128、0.016(mg/g)。三代萌生林化学计量变异系数均高于二代萌生林,说明三代萌生林土壤养分不均匀,差异大。研究发现二代与三代刺槐萌生林土壤N/P比值约为20高于全国平均水平3.9,说明土壤养分受P元素限制,刺槐生长也会受P元素影响。(4)土壤细菌多样性和土壤化学计量特征Pearson相关性结果由Pearson相关性分析可知,土壤化学计量特征及其化学计量特征比与土壤细菌Chao1指数、ACE指数无显著相关性(P0.05)。土壤P含量与细菌群落Shannon指数具有显著正相关性,土壤P的含量与土壤细菌群落均匀度有正反馈关系。另外,在土壤pH(3.59-4.35)与土壤细菌Shannon指数和Simpson指数呈显著正相关性(P0.05),土壤pH影响土壤细菌群落的均匀度。(5)植物化学计量特征结果二代和三代刺槐萌生林地上部分叶、枝和干在C、N、P、C/N、C/P、N/P等化学计量对比上无显著性差异(P0.05),可能与植物体元素组成存在内在的“动态平衡”机制相关。刺槐萌生林地下部分,二代和三代萌生林根C/N和C/P分别为145.86、80.10和265.71、110.18,三代萌生显著高于二代萌生林(P0.05),这可以一定程度上反映三代萌生林根系分蘖多、细根增多,导致三代萌生林根蘖扩散严重,萌生刺槐苗增多这也是刺槐多代萌生产生衰退的原因。土壤和植物化学计量特征Pearson相关性结果:二代萌生林土壤C对根N、枝C/N、根N/P;土壤N对根N、N/P;土壤NO_3~-对根N/P有着显著正相关性(P0.05)。三代萌生林土壤和植物各器官对应的化学计量无显著相关性(P0.05);二代萌生林土壤与刺槐根系化学计量特征有显著正相关性,说明二代刺槐萌生林根与土壤C和N元素有正反馈关系,当增加土壤C、N含量时有利于刺槐的生长。综上所述,通过比较二代和三代刺槐萌生林间土壤细菌多样性、土壤和植物化学计量特征的结果发现,它们间没有表现出显著差异。即但是,实验也发现它们间存在一定差异,由于萌生代数太少,差异表现不明显,随着萌生代数增多,差异可能会逐渐显现。所以下一步实验,还应结合更多的方法,研究刺槐多代萌生林产生衰退问题。
【学位授予单位】：山东农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S792.27
【图文】：

萌生林,刺槐,无性系

山东农业大学硕士学位论文153 结果与分析3.1 分子标记无性系鉴定结果对二代萌生林 200 株刺槐和三代萌生林 235 株刺槐分别构建了遗传距离发育树（图2）。二代萌生林鉴定出超过 2 株刺槐个体的无性系 8 组，共有 80 株刺槐占二代萌生林刺槐总数的 40 %（图 2A）。三代萌生林中鉴定出 21 组无性系共有 152 株刺槐占三代萌生林刺槐总数的 64 %（图 2B）。从图中我们可以看出刺槐萌生林随着萌生代数的增加，刺槐根蘖萌生的无性系有增多的趋势，证实了刺槐越伐越多的现象。萌生刺槐密度增加，直接影响刺槐的生长发育，这是导致刺槐衰退的原因之一。本研究在二代萌生林中选取 3 组无性系 SR1、SR2、SR3，三代萌生林中选取 3 组无性系 TR1、TR2、TR3。并在每个无性系中分别随机选取三株刺槐个体作为每个无性系的重复（表 3）。图 2 刺槐 UPMA 发育树及无性系的选取Fig.2 Selection of black locust clones and UPMA development treeA: 二代萌生林无性系 Second generation sprouting forest clones.B: 三代萌生林无性系 Third generation sprouting forest clones.3.2 多代萌生林林间土壤化学计量特征比较3.2.1 代际林间土壤化学计量特征比较表 4 中结果显示二代和三代萌生林根际土壤 C、N、P、NH4+、NO3-、AP、C/N、C/P 和 N/P 等化学计量特征间均无显著性差异（P>0.05）。通过对比我们发现土壤 C、N、P 化学计量特征二代萌生林要高于三代萌生林，在 NH4+、NO3-、AP 化学计量特征

土壤养分含量,萌生林

刺槐萌生林化学计量特征及其土壤微生物研究代萌生林要高于二代萌生林。从表 4 中我们还可以看出三代萌生林土壤化学计量特征异系数均高于二代萌生林，变异系数可知只有 C/N 和 NH4+变异系数小于 15%，其他学计量特征值变异系数高，最高为三代萌生林 C/P 变异系数为 61.66%。图 3 中三代生林土壤 C、N、P、NH4+、NO3-和 AP 等化学计量特征值范围明显的大于二代萌生林壤化学计量特征值的范围。由此我们认为三代萌生林土壤化学计量特征较二代萌生林比差异性更大，说明三代萌生林土壤养分分配不均匀。

显著相关,萌生林,土壤化学,回归图

刺槐萌生林化学计量特征及其土壤微生物研究0.888 0.891N0.769* 0.724* 0.0660.015 0.028 0.867P0.618 0.612 -0.706* 0.5000.076 0.080 0.034 0.170P0.566 0.565 -0.752* 0.421 0.996**0.112 0.113 0.019 0.259 0.000P-0.354 -0.361 0.331 -0.193 -0.536 -0.5330.350 0.340 0.384 0.619 0.137 0.1394+0.502 0.487 -0.349 0.536 0.502 0.480 0.0150.168 0.184 0.358 0.137 0.169 0.191 0.9703-0.944** 0.960** 0.126 0.563 0.504 0.468 -0.391 0.4710.000 0.000 0.746 0.115 0.167 0.204 0.297 0.201**代表极显著相关性（P<0.01）；*代表显著相关性（P<0.05）。** represents a very significant correlation (P < 0.01); * represents a significant correlation (P < 0.05)

【参考文献】