Knowledge Resource Center for Ecological Environment in Arid Area
| 生物土壤结皮微生物群落的生理生态学研究 | |
| 其他题名 | Studies on Physiological Ecology of Microbial Communities in Biological Soil Crusts |
| 李华 | |
| 出版年 | 2013 |
| 学位类型 | 博士 |
| 导师 | 王洪铸 |
| 学位授予单位 | 中国科学院大学 |
| 中文摘要 | 生物土壤结皮是由生活在土壤表层数毫米空间中的蓝藻、真核藻类、真菌、细菌、放线菌和地衣、苔藓等生物与土壤颗粒相互作用形成的具有生物学活性的紧密土壤层状结构。由于生物土壤结皮具有独特的生理生态学过程，其生长对温湿度要求很低，对极端温度和光强具有很高的耐受力，能够在维管植物难以生长的环境中得以生存，使其可以广泛存在于各种自然环境中。作为对气候变化极其敏感的生境之一，荒漠环境中的生物土壤结皮在较小的空间范围内具有多个营养级生物及复杂生态系统功能。生物土壤结皮群落中的土壤微生物在沙土颗粒的凝聚、土壤水分的保持、营养物的循环及土壤表层的固定过程中极其重要。本论文围绕经过长期野外发育演替的生物土壤结皮微生物群落结构的变化特征及与其复杂生态系统功能的关系进行了相关研究，主要研究结果有以下几个方面： 为了触发荒漠中生物土壤结皮的形成并控制移动沙丘的侵蚀，将耐旱灌木培植、草方格沙障构建和陆生蓝藻具鞘微鞘藻（Microcoleus vaginatus Gom.）和爪哇伪枝藻（Scytonema javanicum Born et Flah.）的规模化扩殖、喷洒接种技术相结合的治沙综合技术被证明是行之有效的方法。非生物自然条件是在胁迫条件下生态功能发展、群落发育和演替最关键的驱动因子，在崎岖的沙丘表面接种的陆生蓝藻处于不同立地条件的土壤表层，也因此处于不同的外界环境胁迫梯度中，而这将显著影响人工生物土壤结皮的发育并限制该技术应用的适应性。本研究通过分子微生物生态学方法分析了不同立地条件下经过野外长期发育的生物土壤结皮蓝藻16 S rRNA基因凝胶图谱的差异性。结果表明，采自沙丘阳坡的结皮样品蓝藻群落结构与其他样品间差异更大而同一立地条件中的人工土壤生物结皮蓝藻群落结构相似；阳坡与阴坡结皮样品之间的微生物多样性指数差异最大且阴坡的生物多样性指数大大低于其他立地条件的生物结皮样品，其中Patrick丰富度、Shannon-Wiener及Simpson指数有显著性差异（p<0.05）；通过对变性梯度凝胶电泳中显著性条带的切胶测序发现，属于颤藻目（Osillatoriales）和念珠藻目（Nostocales）的OTUs分别占53.3%和46.7%；经过7年的野外生长发育，结皮中蓝藻群落念珠藻目的优势类群仍然属于伪枝藻属（Scytonema），而颤藻目的蓝藻类群多样性更高，分别属于微鞘藻属（Microcoleus）和席藻属（Phormidium）；除pH外，阳坡结皮样品各理化性质均低于阴坡和丘间地样品，且有机碳、电导率和可溶性盐具显著性差异（p<0.05），丘间地结皮样品的各土壤理化性质与阴坡结皮样品更接近。 另外，通过对人工生物土壤结皮综合固沙技术示范应用区域的样方调查观察到草本植物22种、灌木3种、乔木1种；调查结果表明生物土壤结皮的光合活性与结皮盖度呈显著正相关关系（p<0.05），与结皮厚度极显著正相关（p<0.01），人工生物土壤结皮的覆盖度与灌木树冠投影的覆盖度呈极显著正相关（p<0.01），而生物结皮的发育与草本、乔本植物的盖度无显著性相关（p>0.05）；人工草方格对草本植物影响较小且与乔木无显著相关性，但对生物土壤结皮的生长发育有显著正相关，与灌木的生长呈极显著正相关。 水分资源是荒漠极端干旱环境中维系生命活动正常运转的首要因素，生物土壤结皮中由微生物分泌的胞外多糖很大程度上决定了当地的水分循环（影响水分渗透等）。本研究通过采集实验样地中不同发育年限的人工生物土壤结皮样品，分析了不同发育阶段生物结皮中的微生物生物量差异、各组分胞外多糖含量的变化以及其与土壤表层水文特性的相关关系。结果发现，各发育年限的生物土壤结皮的平行样方间蓝藻种群平均丰度呈现出巨大的波动，单位重量生物结皮中核糖体基因拷贝数变化范围在0.47×109 g-1至3.21×109 g-1之间，但各样地间蓝藻种群丰度并没有随着生物结皮发育时间增加而逐渐增大；生物土壤结皮中真菌种群丰度虽然较蓝藻种群低，但其与结皮发育时间相关性很高（p=0.001）；发育时间较长的生物土壤结皮中胞外碳水化合物含量比发育时间短的结皮样品高出3～4倍，这种差异也受到样地环境胁迫条件的显著影响；胞外碳水化合物各组分含量变化与水分渗透速率减低的关系可能存在阈值，低分子量胞外碳水化合物（LMW）阈值为0.4 mg·g-1左右而高分子量胞外多糖（HMW）大约为0.2 mg·g-1，当胞外碳水化合物含量低于阈值时，土壤水分渗透速率显著增加；人工生物土壤结皮中水分渗透速率与高分子量胞外碳水化合物（EPS）的相关性（R2=0.56，p=0.02）比低分子量胞外碳水化合物更高（R2=0.44，p=0.03）；结构完整的生物土壤结皮吸收水汽量为1.78±0.69 mg·g-1，而下层对照沙土吸收水汽量为0.30±0.20 mg·g-1，结皮层约为下层沙土的5倍（p<0.05，n=4）。当人工生物土壤结皮破碎至颗粒状时，他们仍然比对照沙土吸收的水汽更多（p<0.05，n=4），但这个情况下，破碎结皮样品吸收的水汽量只是对照下层沙土的2倍；当结皮样品物理结构完整时，其吸收的水汽量与LMW含量（R2=0.28，p=0.12）或HMW含量（R2=0.05，p=0.02）相关性不高，而当结皮样品被破碎之后，暴露了更多的微生物丝状体和基质于空气中，吸收水汽的量与LMW胞外碳水化合物含量呈正相关关系（R2=0.60，p=0.01），而与HMW碳水化合物没有显著性相关关系（R2=0.16，p=0.25）。 胁迫梯度假说预测群落中相互作用的微生物间相互促进与相互竞争作用同时存在，其相对作用强度此消彼长且与环境胁迫梯度相关。作为生态学基础概念模型之一，胁迫梯度假说在过去20年时间里指导了大多数物种间促进关系的研究并推进了相关领域的发展。本研究通过对各演替阶段的生物土壤结皮样品（浅藻结皮、暗藻结皮、藻藓结皮、苔藓结皮）中16 S rRNA基因变性梯度凝胶电泳图谱的分析，计算各演替阶段生物土壤结皮中光合微生物群落种间相互作用指征值C-score，揭示生物结皮中光合生物群落的相互作用趋势，并与生物结皮各生态系统功能相结合进行偏路径分析，分析种间相互作用与各生态系统功能间的相互影响关系。结果发现，暗藻结皮与藻藓结皮的光合微生物群落结构很接近，而苔藓结皮的群落结构与其他演替阶段结皮样品差异最大；随着土壤表面苔藓的不断拓殖、盖度逐渐增加，种间相互竞争的强度增大；群落特征（生物多样性、土壤含水量、结皮盖度）对群落生态系统功能的直接影响最大（r=0.63, p<0.01）。相比之下，种间相互作用关系对生态功能的直接影响较小（r=0.19, p<0.05）。另外，种间相互作用与群落特征矩阵间为负相关关系但并不具有显著性（r=-0.27, p>0.05）。检验结果表明胁迫梯度假说不仅可以解释高等微管植物种间相互作用的规律，同时也可说明土壤光合微生物间相互作用的变化趋势。 |
| 英文摘要 | Biological soil crusts (BSCs) in desert are delicate soil aggregates containing abundance of microorganism species, including bacteria, cyanobacteria, microalgae, fungi, lichens, and bryophytes, that link sand particles via the mechanical constraints of filamentous microorganisms and the adhesion of extracellular substances to form a biological layer structure. Based on the special physiological properties, BSCs have the high resistance against extreme temperature and illumination stresses and the low requirement of water resources, and even survived in the extreme environments where the natural conditions poorly support the growing of high plants. As an ecosystem most sensitive to climate change, BSCs contain multiple trophic levels and complex ecosystem functions in a small spatial region. The soil microorganisms in the BSCs communities are crucial in the processes of sand particle adhesion, soil moisture retention, nutrient cycling enhancement and sand stabilization. This research is focused on the microbial community structure shift of long-term field developing BSCs and its influences on the multiple ecosystem functions. The main results are summarized as follows: Microcoleus vaginatus Gom. and Scytonema javanicum Born. et Flah. have been isolated from natural BSCs in arid areas of China and mass cultured in raceway ponds for inoculation to induce the formation of artificial BSCs (ABSCs) and control the expansion of moving dunes. Previous literature shows that this technique, along with the application of straw checkerboard barriers as complementary tools, is effective in improving sand dunes. However, considering that abiotic conditions dominantly drive succession in arid environments, spray-inoculated cyanobacteria on different slope types suffer from stress-gradient erosion. This erosion significantly affects the development of ABSCs and limits the applicability of this dune-control method. This study analysed the 16 S rRNA gene pattern variation of long-term BSCs communities from different slopes of sand dunes. The results showed that the cyanobacterial community structure of the windward crusts is more different compared with those of the other ABSCs. |
| 中文关键词 | 生物土壤结皮 ; 微生物群落 ; 演替发育 ; 生态系统功能 ; 种间相互作用 |
| 英文关键词 | Biological soil crusts Microbial community |
| 语种 | 中文 |
| 国家 | 中国 |
| 来源学科分类 | 水生生物学 |
| 来源机构 | 中国科学院水生生物研究所 |
| 资源类型 | 学位论文 |
| 条目标识符 | http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/287267 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 李华. 生物土壤结皮微生物群落的生理生态学研究[D]. 中国科学院大学,2013. |
| 条目包含的文件 | 条目无相关文件。 | |||||
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