鄱阳湖湿地三种植物凋落物的分解过程及细菌群落结构动态变化

论文摘要

湿地是位于陆地生态系统和水生生态系统之间的过渡地带,在维持全球物质循环和能量流动方面扮演着重要的角色,同时也具有水源净化、环境保护等方面的重要作用,被誉为地球之肾。湿地具有较高的生产力,尽管其面积只占地球陆地表面的4%~5%,其碳储量却占生物圈的20%左右。湿地中大量的地上生物量以凋落物分解的方式完成营养元素的循环,是维持湿地生态系统稳定的重要环节。相较于森林和海洋生态系统,湿地生态系统具有较高的生态敏感性,全球环境变化对于湿地及其碳存储功能的影响也更加明显。尤其是在一些吞吐型的湖泊湿地中,季节性的水文节律变化对于凋落物分解过程的影响很大,而目前我们对于这些类型的湿地中凋落物分解过程的研究比较欠缺。因此,本研究以鄱阳湖湿地为例,选取了三种优势的湿地植物:灰化薹草(Carex cinerascens,编号A),南荻(Triarrhena lutarioriparia,编号B),芦苇(Phragmites australis,编号C),采用凋落物袋分解法开展野外分解实验,分别研究了1):单物种与混合物种凋落物分解过程的差异;2)土壤动物对凋落物分解过程的影响;3)不同物种凋落物分解过程中的主场效应。实验过程中,监测了凋落物的分解速率、营养释放动态(碳、氮、磷)、难分解成分(半纤维素、纤维素、木质素)的降解,同时关注分解过程中胞外酶活性和细菌群落结构的动态变化。本研究取得的结果如下:(1)不同凋落物单物种和物种混合分解过程的差异十分明显,并且这种差异与凋落物的基质质量密切相关。三种凋落物中,薹草氮含量高,碳氮比低,木质素含量低,是高质量的凋落物,分解速率最快;而南荻与之相反,基质质量低,分解速率慢。物种混合产生拮抗或协同效应与参与混合的单物种的质量相关。薹草和南荻混合(AB)、薹草和芦苇混合(AC)、三种混合(ABC)具有协同效应;而南荻和芦苇混合(BC)具有拮抗效应。同时,凋落物混合后,能够促进碳、氮、磷的释放和半纤维素的降解,而纤维素和木质素则是单物种降解更快。胞外酶活性随分解先升高后降低,在第90天时活性最高。南荻、南荻芦苇混合(BC)有较高的Bglu、Bxyl和CB酶活性。分解165天后的细菌群落多样性高于分解初期,而且混合凋落物能够提高细菌群落的多样性。细菌群落结构组成与凋落物的性质有关,单物种中有较高的厚壁菌门(Firmicutes)丰度,混合组有较高的拟杆菌门(Bacteroidetes)丰度;薹草及其混合组有较高的放线菌门(Actinobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)丰度,南荻、芦苇及二者的混合组(BC、ABC)有较高的蓝细菌门(Cyanobacteria)丰度。(2)土壤动物能够促进凋落物的分解,加快木质素、纤维素、半纤维素的降解和碳、磷的释放。在分解初期土壤动物的贡献超过30%,后期超过10%。尽管土壤动物对胞外酶活性没有显著的影响,但影响了细菌群落结构。土壤动物不仅能够提高细菌群落的多样性,而且提高了放线菌门(Actinobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和厚壁菌门(Firmicutes)的丰度,有利于凋落物的分解。(3)凋落物分解的主场效应与凋落物的基质质量和细菌群落结构有关。质量较差、分解速率较慢的凋落物其分解时的主场优势比质量较好、分解快的凋落物明显。薹草和南荻凋落物分解具有主场优势,且南荻更加明显;而芦苇凋落物则不具有主场优势,在南荻样地分解快。主场优势能够促进分解,加快碳的释放和半纤维素、纤维素、木质素的降解。薹草、南荻凋落物在主场分解时酶活性也显著提高。薹草凋落物在主场分解时,细菌群落多样性低于客场,有较高的放线菌门(Actinobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)和较低的拟杆菌门(Bacteroidetes)丰度。南荻凋落物在主场分解时,细菌群落多样性在主场高于客场,但细菌群落结构的特点与薹草相似。芦苇凋落物在主场分解时,细菌群落多样性低于客场,在南荻样地多样性最高,有较丰富的变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和较少的放线菌门(Actinobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)。综上所述,物种混合主要改变了凋落物基质质量,造成分解特征的不同。土壤动物能够促进凋落物的分解,加快营养元素的流转。凋落物分解的主场效应与凋落物质量及微生物的群落结构有关,并非所有的凋落物在主场分解时都具有主场优势。在分解后期,细菌群落多样性增加,说明细菌群落结构随分解趋于复杂。凋落物的性质和土壤动物能够显著影响细菌群落多样性和组成,进而调控胞外酶活性,对凋落物分解过程中营养元素的释放、木质素和纤维素等的降解具有重要作用。本研究的结果揭示了典型吞吐型淡水湖泊湿地凋落物在不同因素影响下的分解特征和营养变化,研究结果深化了我们对于分解过程中微生物作用的认识。传统的凋落物分解袋法和新兴的环境微生物组学技术结合,能够为未来对湿地凋落物分解的研究提供有力的技术保障。同时,本研究的结果也有利于评估湿地生态系统的健康走向,有助于湖泊湿地的科学管理。

论文目录

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 凋落物的分解和地球生物化学循环

1.2 湿地生态系统和湿地凋落物分解过程的重要性

1.3 凋落物分解过程研究

1.4 影响凋落物分解的因素

1.4.1 环境因子

1.4.2 凋落物质量

1.4.3 生物因子

1.4.4 凋落物物种混合对分解的影响

1.4.5 凋落物分解的主场效应

1.5 研究凋落物分解的方法

1.6 本课题的研究背景及拟解决的科学问题

1.7 研究方案和技术路线

1.7.1 研究方案

1.7.2 技术路线

1.8 研究意义与创新点

第二章材料和方法

2.1 样地介绍

2.2 凋落物原始性质

2.3 样品布设和采集

2.4 凋落物理化参数测定方法

2.4.1 凋落物干物质剩余量测定

2.4.2 凋落物TOC测定

2.4.3 凋落物TN测定

2.4.4 凋落物TP测定

2.5 凋落物组成成分分析

2.6 凋落物胞外酶活性测定

2.6.1 底物配制

2.6.2 实验步骤

2.7 凋落物DNA提取及高通量测序

2.7.1 凋落物DNA提取

2.7.2 16S rRNA基因高通量测序

2.8 数据处理

2.8.1 凋落物理化、酶活性、组成结果处理

2.8.2 细菌群落结构分析

2.9 实验仪器及试剂

2.9.1 实验仪器

2.9.2 实验试剂

第三章单物种与混合物种凋落物分解过程的比较

3.1 不同凋落物单物种及混合物种的分解特征

3.2 凋落物分解过程中碳、氮、磷的释放动态

3.3 凋落物半纤维素、纤维素、木质素变化

3.4 分解过程中微生物胞外酶酶活性变化

3.5 凋落物分解过程中细菌群落结构的动态变化

3.5.1 凋落物分解过程中细菌群落结构多样性的变化

3.5.2 凋落物分解过程中细菌群落组成的动态变化

3.6 讨论

3.6.1 凋落物的基质性质影响了凋落物的分解过程

3.6.2 凋落物的基质性质影响了参与分解的细菌群落结构

3.7 小结

第四章土壤动物对凋落物分解的影响

4.1 土壤动物对凋落物分解速率的影响

4.2 土壤动物对凋落物分解过程中碳、氮、磷元素释放的影响

4.3 土壤动物对凋落物半纤维素、纤维素和木质素分解的影响

4.4 土壤动物对凋落物胞外酶酶活性变化的影响

4.5 土壤动物对凋落物细菌群落结构的影响

4.5.1 土壤动物对细菌群落结构多样性影响

4.5.2 土壤动物对细菌群落结构组成的影响

4.6 讨论

4.6.1 土壤动物能够促进凋落物的分解

4.6.2 土壤动物与微生物的相互作用促进凋落物的分解

4.7 小结

第五章凋落物分解的主场效应（Home-field Effect）研究

5.1 薹草凋落物的主场效应研究

5.1.1 薹草凋落物主场、客场分解速度的差异

5.1.2 薹草凋落物在主场、客场分解碳、氮、磷动态变化

5.1.3 薹草凋落物在主、客场分解半纤维素、纤维素和木质素的变化

5.1.4 薹草凋落物在主场、客场分解过程中酶活性变化

5.1.5 薹草凋落物在主场、客场分解过程中细菌群落结构变化

5.2 南荻凋落物的主场效应研究

5.2.1 南荻凋落物在主场、客场分解速度差异

5.2.2 南荻凋落物在主场、客场分解过程中碳、氮、磷的释放动态

5.2.3 南荻凋落物在主、客场分解半纤维素、纤维素、木质素的变化

5.2.4 南荻凋落物在主场、客场分解过程中酶活性变化

5.2.5 南荻凋落物在主场、客场分解过程中细菌群落结构变化

5.3 芦苇凋落物的主场效应研究

5.3.1 芦苇凋落物在主场、客场的分解速度差异

5.3.2 芦苇凋落物在主场、客场分解碳、氮、磷动态变化

5.3.3 芦苇凋落物在主、客场分解半纤维素、纤维素和木质素的变化

5.3.4 芦苇凋落物在主场、客场分解过程中酶活性变化

5.3.5 芦苇凋落物在主场、客场分解过程中细菌群落结构变化

5.4 凋落物分解主场效应的细菌群落组成

5.5 讨论

5.5.1 不同植物凋落物的主场效应表现不同

5.5.2 主场效应与参与分解的微生物群落

5.6 小结

第六章结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附件

附件一:三种凋落物单物种图

附件二:布样图

附件三:细菌群落稀疏曲线图

附件四:攻读学位期间的研究成果

附录五:项目支持

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 蔡润发

导师: 吴兰,马燕天

关键词: 鄱阳湖湿地,凋落物分解,混合凋落物,土壤动物,主场效应,细菌群落结构

来源: 南昌大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学,生物学

单位: 南昌大学

基金: 国家基金(31560143)",水情驱动下鄱阳湖湿地植物分解过程与微生物群落演替的动态耦合关系"

分类号: Q948;Q938

DOI: 10.27232/d.cnki.gnchu.2019.001303

总页数: 120

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