根際微生物對植物競爭和水分脅迫的響應(yīng)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(yīng)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(xué)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(fù)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(dǎo)。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(xué)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(xué)計量特征
　　植物競爭對植物、根際和酶活性化學(xué)計量均產(chǎn)生顯著影響，但植物競爭對植物和酶活性化學(xué)計量的影響比對土壤化學(xué)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(xué)計量的影響具有偶然性，但對根際酶活性

6、化學(xué)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(xué)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(dān)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(dǎo)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(dǎo)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(fù)時應(yīng)增加植物多樣性，避免種植相同或相似植物種類，這樣才有