模拟酸雨及氮沉降对马尾松林...菌群落结构及其多样性的影响_王楠.pdf

Eco-EnvironmentalKnowledge Web环 境 科 学Environmental Science第44卷第4期 2023年4月Vol44，No4 Apr，2023模拟酸雨及氮沉降对马尾松林土壤细菌群落结构及其多样性的影响王楠1，钱少郁1，潘小承1*，陈一磊1，白尚斌1，徐飞2(1 浙江农林大学暨阳学院，绍兴311800;2 西华师范大学环境科学与工程学院，南充637002)摘要:通过分析酸雨和氮沉降对马尾松林土壤细菌群落结构及多样性的影响，探究马尾松林对环境胁迫的响应机制，为天目山国家自然保护区资源管理和保护提供理论参考依据 于 2017 2021 年在浙江省临安天目山国家级自然保护区设置 4 个酸雨和氮沉降模拟梯度 即 pH 5.5 和 0 kg (hm2 a)1，CK;pH 4.5 和 30 kg (hm2 a)1，T1;pH 3.5 和 60 kg (hm2 a)1，T2;pH 2.5 和 120 kg (hm2 a)1，T3 使用 Illumina MiSeq PE300 二代高通量测序平台对 4 种处理土壤细菌 16S rDNA 进行测序，分析不同处理土壤细菌群落组成和结构的差异及其影响因素 结果表明，酸雨和氮沉降显著降低了马尾松林土壤细菌 多样性(P 0.05)马尾松林土壤由 36 个门类的菌群组成，酸杆菌门(Acidobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)和绿弯菌门(Chloroflexi)为马尾松林土壤的主要细菌门类(相对丰度 1%)Flavobacterium、Nitrospira、Haliangium、Candidatus_Koribacter、Bryobacter、Occallatibacter、Acidipla、Singulisphaera、Pajaroellobacter 和 Acidothermus 属相对丰度变化显著，可作为酸雨和氮沉降胁迫下土壤细菌群落变化指示种 土壤 pH 和总氮是土壤细菌群落多样性的两个主要影响因子 由此可见，酸雨及氮沉降降低马尾松林土壤细菌群落多样性，微生物多样性的损失将改变生态系统的功能，降低了生态系统的稳定性关键词:酸雨;氮沉降;马尾松林;土壤细菌;群落结构中图分类号:X172文献标识码:A文章编号:0250-3301(2023)04-2315-10DOI:1013227/j hjkx202204340收稿日期:2022-04-28;修订日期:2022-07-02基金项目:国家自然科学基金项目(31770680);浙江省自然科学基金项目(LQ19C160013);浙江农林大学暨阳学院科研训练计划项目(202113283015)作者简介:王楠(1981 )，女，博士，副教授，主要研究方向为土壤与环境微生物，E-mail:wangnan198110163 com*通信作者，E-mail:pxc_zafu163 comEffects of Simulated Acid ain and Nitrogen Deposition on Soil Bacterial CommunityStructure and Diversity in the Masson Pine ForestWANG Nan1，QIAN Shao-yu1，PAN Xiao-cheng1*，CHEN Yi-lei1，BAI Shang-bin1，XU Fei2(1 Jiyang College of Zhejiang Agricultural and Forestry University，Shaoxing 311800，China;2 College of Environmental Science and Engineering，China West NormalUniversity，Nanchong 637002，China)Abstract:By analyzing the effects of acid rain and nitrogen deposition on the structure and diversity of soil bacterial communities，the response mechanism of Masson pineforests to environmental stress was investigated，providing a theoretical reference basis for resource management and conservation in Tianmu Mountain National Nature eserveFour treatments of the simulated acid rain and nitrogen deposition were set up in 2017 to 2021 in Tianmu Mountain National Nature eserve(pH value of 5.5 and 0kg (hm2 a)1，CK;pH value of 4.5 and 30 kg (hm2 a)1，T1;pH value of 3.5 and 60 kg (hm2 a)1，T2;pH value of 2.5 and 120 kg (hm2 a)1，T3)Thedifferences in soil bacterial community composition and structure among treatments and their influencing factors were analyzed by collecting soils from four treatments，using theIllumina MiSeq PE300 second-generation high-throughput sequencing platform The results showed that acid rain and nitrogen deposition significantly reduced soil bacterial-diversity(P 0.05)in a Masson pine forest The Masson pine forest soils consisted of 36 phylum groups of mycota，with Acidobacteria，Proteobacteria，Actinobacteria，andChloroflexi as the main bacterial phyla(relative abundance 1%)in the Masson pine forest soils Flavobacterium，Nitrospira，Haliangium，Candidatus_Koribacter，Bryobacter，Occallatibacter，Acidipla，Singulisphaera，Pajaroellobacter，and Acidothermus，which showed significant changes in relative abundance under the four treatments，could be used as indicator species for changes in soil bacterial communities under acid rain and nitrogen deposition stress Soil pH and total nitrogen were influential factors inthe diversity of soil bacterial communities As a result，acid rain and nitrogen deposition increased the potential ecological risk，and the loss of microbial diversity will changethe ecosystem function as well as reduce the stability of the ecosystemKey words:acid rain;nitrogen deposition;Masson pine forest;soil bacteria;community diversity酸雨和氮沉降作为全球性环境问题，已严重阻碍我国生态环境的发展 目前我国约一半的国土面积受到影响，是世界第三大酸雨区及氮沉降集中分布区1，2，伴随着工农业的迅速发展，预测于“碳达峰前”其危害范围与程度将持续扩大 以长三角洲为核心的中东部地区是我国酸雨及氮沉降量较高的地方，且两者含量均呈上升趋势3，4 2019 年浙江省81.2%的城市出现酸雨，降水的 pH 均值为5.13，酸雨频率为 57.1%5，我国东部地区平均氮沉降量已达 50 kg (hm2 a)1 2 森林生态系统是陆地生态系统的主体，也是酸雨及氮沉降的直接承受者 其中，土壤微生物是森林生态系统植物多样性和生产力的关键驱动因素 作为生态系统中最活跃的分解者，微生物参与土壤各种生态过程，驱动森林生态系统中 C、N、P 等营养环境科学44 卷要素迁移转化，其功能多样性能反映出环境胁迫下森林土壤微生物群落的生态特征6 土壤细菌是土壤微生物的重要类群之一，也是环境变化最敏感的土壤微生物类群，环境条件改变能够使土壤微生物群落结构及功能发生相应的变化7，进一步影响森林土壤呼吸以及森林生态系统碳循环过程8，9 因此，开展酸雨和氮沉降对森林生态系统土壤微生物的影响研究，能够更好的理解地下微生物群落对全球变化的响应马尾松(Masson pine)为松属高大乔木，是国内重要乡土造林树种，分布广泛且速生丰产，具有较强的适应性，在造纸工业、林业资源化和生态发展方面起到重要作用，也是保持水土、涵养水源和绿化造林的先锋树种，有研究表明马尾松对酸雨和氮沉降较为敏感，其分布区域酸雨和氮沉降危害较为严重10，11 大量 H+伴随酸雨输入造成森林土壤酸化，抑制植物根系生物量，影响土壤养分的循环，破坏了森林生态系统稳定性11 现今，全球性氮沉降的程度逐年增加12，氮沉降在土壤酸化中扮演着越来越重要的角色13 NH+4作为氮沉降的主要形式，在土壤径流中通过硝化作用大部分转化为 NO314，形成大量酸输入于土壤 有研究表明当氮沉降大于 36kg (hm2 a)1时，大气中 NH+4输入量显著上升，促进了氮转化过程中的酸输入，加剧了土壤酸化效应15 目前，有研究已经探讨了单一类型的酸雨或氮沉降对森林生态系统的影响，但是针对酸雨和氮沉降共同作用对森林土壤微生物群落(尤其是细菌)方面的研究还鲜见报道 因此为了揭示酸雨和氮沉降共同作用下马尾松林地下生态过程的影响机制，本文通过野外酸雨和氮沉降模拟试验，以浙江省天目山国家级自然保护区马尾松林为研究对象，利用高通量测序技术和生物信息学分析方法，探究不同酸雨和氮沉降处理对天目山国家森林保护区马尾松林的土壤细菌群落组成及结构的影响，并进一步分析土壤细菌群落多样性与环境因子的相互作用关系，以期为天目山国家自然保护区资源管理提供科学依据1材料与方法1.1研究地区概况研究地位于浙江省杭州临安天目山国家级自然保护区(301830 302137N，1192411 1192711E)，总面积为4 300 hm2，属于中型野生植物类型自然保护区 海拔一般在 300 1 500 m之间，中亚热带向北亚热带过渡型气候，最冷月气温 2.63.4，极端最低气温 20.2，最热月气温 19.228.1，极端最高气温 29.1 38.2 多年平均降雨量为1 400 mm，多年平均无霜期