多代连栽杉木林土壤氮循环障碍与功能微生物演变机制

Microbial functional communities are the main drivers of soil nitrogen(N) cycling, which directly mediate the supply and transformation of soil N. The abundance and activity of microbial communities determine the size of soil labile N pool. Particularly, N-fixing bacteria and denitrifying bacteria play significant roles in maintaining a balanced soil N budget. It has been proved that litter quality and phenolic compounds significantly affected the abundance of microbial functional communities under highly intensive management in artificial forest ecosystem, but the mechanisms are still obscure. This project will focus on the nutrient return from litter and releasing dynamics of phenolic compounds, as well as variations of microbial functional communities in Chinese fir plantation among different generations (first to third) by physico-chemical method and q-PCR technique. The PCA function of Canoco software will be used to analyze the main factors that responsible for variations in the abundance of microbial functional communities. The implementation of this project will be helpful to enhance our understanding of the molecular mechanism of productivity decline caused by consecutive cultivation, and offer theoretical basis for assessing health condition and developing sustainable management strategy for Chinese fir plantation. It will also improve our ability to protect and utilize the microbial functional communities in Chinese fir plantation.

微生物是土壤氮（N）循环的重要驱动力，直接调节土壤N的供给和转化，其数量和作用强弱决定了土壤活性N库的大小。其中，固氮细菌和反硝化细菌对于土壤N素的收支平衡尤为重要。在高度集约化经营的人工杉木纯林中，凋落物性质和酚类化感物质对于微生物功能群的数量有显著影响，但其影响机制尚不明确。本项目以不同栽植代际间的杉木人工林为研究对象，通过传统土壤分析方法和荧光定量PCR等分子生物学技术，分析连栽过程中凋落物的养分输入和累积特性，酚类物质的动态释放规律和微生物功能群的演变特征及其相互关系；通过Canoco软件的主成分分析（PCA）功能，阐明影响N循环过程功能微生物丰度的环境因子。该项目对于深入认识杉木人工林连栽N循环障碍的分子微生物学机理，合理保护和利用土壤功能微生物群具有重要意义，并为人工林的健康状况评估和可持续化经营提供理论依据。

微生物是土壤氮（N）循环的重要驱动力，直接调节土壤N的供给和转化，其数量和作用强弱决定了土壤活性N库的大小。在高度集约化经营的人工杉木纯林中，林地生产力随着连栽代数增加逐渐下降的现象十分常见，但其影响机制尚不明确。本项目以不同栽植代际间的杉木人工林为研究对象，联合应用传统土壤理化性质分析方法、酶活性测定、荧光定量PCR及高通量测序方法，分析了不同连栽代数杉木人工林的养分状况、微生物群落结构及多样性、功能基因的丰度和参与土壤过程的酶活性，在不同层次上揭示了连栽这一森林经营措施对土壤微生物群落结构和土壤质量的影响。研究结果表明，相较于一代林和二代林，三代林细菌和真菌的多样性都有显著下降，但是一代林和二代林之间并无显著差异。在本研究中测定的功能基因（16S，18S，AOA，AOB，nifH，nirK，nirS，nosZ）中，只有氨氧化古菌（AOA）的基因拷贝数在两个采样季都随连栽代数增加显著递减，表现为杉木一代林 > 二代林 > 三代林，但是格氏栲天然林中的古菌amoA基因拷贝数与一代林和二代林无显著差异，且显著高于杉木三代林。连栽对大多数土壤酶的活性并无显著影响（蛋白酶、β-葡萄糖苷酶、硝酸还原酶、亚硝酸还原酶、N-乙酰氨基葡萄糖苷酶）。综合研究结果，说明连栽的影响与整地方式、轮伐期长短、林地收获方式等营林措施及林地养分含量状况、林木遗传特性和林龄等诸多因素有关，连栽对人工林土壤质量和林地生产力的影响是一个复杂综合的过程。因此，建议延长杉木人工林的种植时间，采取合理的营林措施，避免杉木人工林出现的土壤养分含量减少、酶活性降低以及微生物群落多样性降低等问题，实现人工林的可持续发展。