长白山阔叶红松林土壤微生物群落结构和功能多样性小尺度空间异质性及影响机制

Soil microorganisms play important role in biogeochemical cycling processes and maintaining ecosystem function. However, little information is available on spatial heterogeneity of soil microbial community and functional diversity within natural forest ecosystem. Meanwhile, the factors that maintain and regulate this heterogeneity are poorly understood. By the methods of geostatistics, the spatial variability on a 60×60 m plot of soil microbial community composition and functional diversity were studied in this study in a natural broad-leaved Korean pine (Pinus koraiensis) mixed forest soil in Changbai Mountain. Meanwhile, we examined the relationship between soil microbial community composition and functional diversity. In addition, we examined and quantized the roots and the quality (labile soil organic matter) of soil organic matter to explore the mechanisms of spatial distribution of microorganisms; furthermore, we examined the effect of rhizodeposit-carbon on spatial distribution of soil microbial structure by using stable isotope. Local patterns in the spatial distribution of microorganisms provide important theoretical basis and guidance for better understand and evaluate the effects of microorganism on biogeochemical cycling processes and ecosystem function. Meanwhile, it also provides theoretical basis for promoting the sustainable development of forest ecosystems and strengthening the management and functional regulation of forest ecosystems.

土壤微生物是土壤生物化学循环的主要驱动者，在土壤生物地化循环过程调控和生态系统功能维持方面起着关键作用。但是目前关于自然森林生态系统中土壤微生物群落结构和功能多样性空间异质性方面的报道较少，并且其影响机制尚未完全明确。本项目以长白山阔叶红松林为研究对象，布设样方60×60m，一方面运用地统计学方法拟揭示土壤微生物群落结构和功能多样性小尺度空间分布规律，并描述土壤微生物群落结构和生态功能之间的相互关系。另一方面主要探索根系和土壤有机质质量（活性有机质）在微生物群落结构和功能多样性空间异质性形成机制中的作用；同时借用13C稳定同位素技术和盆栽试验研究根际碳淀积对土壤微生物群落结构空间分布的影响。项目的实施将为更好的评价土壤微生物在调控森林生态系统生物地球化学过程和维持生态系统功能方面的生态效应提供理论依据，同时对于推动森林生态系统可持续发展和加强对其管理和功能调控具有重要的科学意义。

土壤微生物对维持地下生物多样性起着关键作用，但是关于森林生态系统中小尺度内土壤微生物群落结构和功能多样性空间异质性方面的报道较少，并且其影响机制尚未完全明确。借助地统计方法以及高通量测序等研究手段，本研究对长白山原始阔叶红松林局部尺度内（30 m × 40 m plot）土壤微生物群落结构，碳源代谢多样性和酶活性空间分布进行了研究；同时通过交差半方差分析以及多重回归矩阵（MRM）分析，我们量化了根系属性和土壤有机质质量（活性有机质）在微生物群落结构，碳源代谢多样性和酶活性空间异质性形成机制中的作用。研究结果表明：（1）相较于土壤真菌，土壤细菌丰度表现为较强的空间自相关性；（2）土壤β-葡萄糖苷酶，β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶和酸性磷酸酶的块金值和基台值比值分别为0.003，0.481 和 0.034， 表明β-葡萄糖苷酶和酸性磷酸酶具有较高空间自相关；（3）土壤微生物碳代谢多样性呈现强烈的空间自相关性，而碳代谢活性呈现中等程度空间自相关；（4）MRM 分析显示影响土壤细菌群落结构的空间变异贡献最大的因子是土壤pH，其次是地理距离和根系比根长属性；影响微生物碳源代谢多样性的显著因子包括根系生物量、根系长度、土壤pH以及溶解性有机碳含量；（5）交差半方差分析显示土壤真菌群落空间变异主要受土壤有机氮含量；颗粒态有机氮含量以及根系生物量影响。综上所述，土壤微生物群落结构、活性以及功能在小尺度内存在空间变异；其空间分布和根系以及土壤属性密切相关，这为我们深刻理解森林生态系统地下多样性维持机制提供了科学依据；同时对于推动森林生态系统可持续发展和加强对其管理和功能调控具有重要的科学意义。