根際微生物對植物競爭和水分脅迫的響應機制.pdf

1、植物間的競爭作用影響植物的生長、形態(tài)和存活，并推動植物群落演替，水分脅迫加劇植物間的競爭作用，而根際是植物、土壤和微生物相互作用的特殊微生態(tài)系統(tǒng)。目前，植物競爭和水分脅迫共同作用下植物—土壤—微生物體系中各部分間的互動效應研究較少。鑒于此，本論文以黃土丘陵區(qū)演替中后期典型禾草群落優(yōu)勢種(白羊草，Bothriochloa ischaemum)和伴生種(狗尾草Setaria viridis和長芒草Stipa bungeana)為研究對象，通

2、過構(gòu)建不同水分梯度的盆栽競爭體系，對植物—土壤—微生物體系進行了全面細致的研究，包括植物礦質(zhì)元素、根際養(yǎng)分狀況、化學計量特征、胞外酶活性和微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性等方面，以期為深入認識該地區(qū)植被恢復和演替機理提供理論依據(jù)，為生態(tài)建設(shè)提供實踐指導。主要結(jié)果如下:
　　(1)植物競爭和水分脅迫影響植物生物量、礦質(zhì)元素和根際養(yǎng)分含量
　　競爭影響植物礦質(zhì)元素含量，長芒草植物碳、氮和磷含量最高，尤其是氮和磷含量，但水分對植物礦質(zhì)元素的影

3、響具有偶然性。整體上，混種處理根際土壤有機碳、總氮、水溶性銨態(tài)氮、水溶性有機碳和水溶性有機磷含量較對照增加，但速效磷、硝態(tài)氮和水溶性硝態(tài)氮含量較對照減少;水分脅迫顯著影響根際土壤速效磷、pH、水溶性總氮和水溶性有機碳含量，對其它養(yǎng)分指標影響不明顯。
　　(2)植物競爭和水分脅迫影響根際胞外酶活性
　　植物競爭和水分脅迫對根際土壤水解酶有顯著影響，表現(xiàn)為禾草植物的種植能顯著增加碳氮相關(guān)水解酶的活性，但對磷相關(guān)水解酶沒有增加作用

4、，且混種處理的β-1，4-葡糖苷酶(BG)、β-1，4-木糖苷酶(BX)、β-1，4-乙酰-葡糖胺糖苷酶(NAG)和FDA水解酶較單種處理整體上有增加趨勢;輕度干旱脅迫條件下根際碳氮相關(guān)水解酶、多酚氧化酶(PPO)和FDA水解酶活性高于水分充足條件，而磷相關(guān)的水解酶則相反。綜合考慮7種酶活性特征，不同處理可歸為3組，即對照、單種和混種各為一組，禾草單種和混種處理的根際酶活性各自相似，但互相不同。此外，根際酶活性與化學性質(zhì)聯(lián)系密切，其中根

5、際有機碳、速效磷、硝態(tài)氮和各種水溶性物質(zhì)對土壤酶的影響顯著。
　　(3)植物競爭和水分脅迫影響植物—根際—微生物體系化學計量特征
　　植物競爭對植物、根際和酶活性化學計量均產(chǎn)生顯著影響，但植物競爭對植物和酶活性化學計量的影響比對土壤化學計量特征的影響更明顯。白羊草的出現(xiàn)有利于增加植物和根際酶活性C∶N和C∶P，而長芒草的出現(xiàn)有利于植物、根際土壤和酶活性N∶P的增加。水分條件對植物和根際化學計量的影響具有偶然性，但對根際酶活性

6、化學計量的影響較大，且影響顯著的處理均表現(xiàn)為輕度干旱脅迫條件下的酶活性化學計量均大于水分充足條件。酶活性C∶P與植物C∶N、酶活性N∶P與植物C∶P之間呈線性正相關(guān)，酶活性C∶N與植物N∶P、酶活性C∶P與植物N∶P之間呈線性負相關(guān)關(guān)系。酶活性N∶P與土壤N∶P和土壤總磷分別呈線性負和正相關(guān)關(guān)系。
　　(4)植物競爭和水分脅迫改變根際微生物生物量和群落結(jié)構(gòu)
　　競爭當年，輕度干旱條件下，混播處理，尤其是長芒草+白羊草(CB)

7、、狗尾草+白羊草(GB)和狗尾草+長芒草+白羊草(GCB)處理的根際PLFA總量，細菌PLFA、革蘭氏陽性菌PLFA顯著高于對照處理，并且高于單種處理;水分充足條件下各競爭處理較對照有增加作用，但增加量達到顯著水平的處理具有隨機性，沒有明顯規(guī)律。競爭次年，各植物競爭處理根際PLFA量較對照增加。同時，土壤水分和競爭時間也會引起微生物群落結(jié)構(gòu)和生物量發(fā)生變化，且植物競爭次年水分條件對微生物群落的影響比當年大。相關(guān)性分析表明，根際有機碳、總

8、氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、水溶性硝態(tài)氮、速效磷和水溶性有機碳含量與禾草根際微生物群落關(guān)系密切，是影響根際微生物群落的重要因子，也說明土壤微生物群落發(fā)展有利于這些養(yǎng)分的提高。
　　(5)植物競爭影響根際細菌與真菌群落結(jié)構(gòu)或多樣性
　　植物競爭影響根際細菌群落的結(jié)構(gòu)但不影響其多樣性，混種處理變形菌門(Proteobacteria)和擬桿菌門(Bacteroidetes)的相對豐度大于單種處理大于對照處理，而放線菌門(Actinobac

9、teria)和酸桿菌門(Acidobacteria)則相反。植物競爭影響根際真菌群落的結(jié)構(gòu)、組成和多樣性。白羊草的出現(xiàn)減少了子囊菌門(Ascomycota)的相對豐度卻增加了擔子菌門(Basidiomycota)的相對豐度。禾草單種、混種和對照處理的根際細菌和真菌群落各自相似卻相互不同。土壤有機碳、水溶性有機碳和速效磷含量的差異是導致根際細菌群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的主要因子，而土壤有機碳、硝態(tài)氮和速效磷含量的差異是導致根際真菌群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變

10、的重要因子，并不是禾草本身的差異。
　　上述結(jié)果表明，植物競爭和水分脅迫影響整個植物、根際和微生物體系，并且植物混種有利于改善根際土壤狀況，提高酶活性，增加微生物總量。不同演替階段植物根際胞外酶、細菌和真菌群落相似，說明演替過程中植被群落的變化和土壤微生物群落的變化并不同步，這可能因為本研究三種禾草的生態(tài)位相似，且土壤受歷史背景影響變化相對遲緩。因此，黃土高原進行人工植被恢復時應增加植物多樣性，避免種植相同或相似植物種類，這樣才有