高通量测序分析大兴安岭典型森林土壤细菌和真菌群落特征

【背景】大兴安岭地区是我国对气候变化响应最敏感的区域,而土壤微生物在维持寒区森林生态系统结构和功能中发挥重要作用。【目的】探究大兴安岭不同森林类型土壤微生物群落结构及与环境因子的关系。【方法】采用Illumina MiSeq高通量测序技术,分析3种典型森林(白桦林、落叶松林和樟子松林)土壤细菌和真菌群落组成和多样性。【结果】3种林型中共获得2 786个细菌操作分类单元(Operational Taxonomic Unit,OTU),隶属于38门531属,其中优势菌门为变形菌门(Proteobacteria, 31.45%-40.32%)、酸杆菌门(Acidobacteria, 14.24%-40.16%)和放线菌门(Actinobacteria,7.13%-22.15%);1803个真菌OTU隶属于8门263属,其中优势菌门为担子菌门(Basidiomycota,40.43%-62.75%)和子囊菌门(Ascomycota,35.81%-53.68%)。主坐标分析表明,3种林型中细菌和真菌群落组间差异远大于组内差异。Mantel检验结果显示:细菌群落结构与pH、总氮(Total Nitrogen,TN)、总磷(Total Phosphorus,TP)和含水量(Soil Water Content,SWC)具有显著相关性(P0.05),其中pH的相关性系数最大;真菌群落结构与SWC、TN和TP具有显著相关性(P0.05),其中TN的相关性系数最大。冗余分析结果发现,TP与变形菌门、担子菌门相对丰度呈显著正相关,TN和SWC与酸杆菌门、子囊菌门呈显著正相关,pH与放线菌门呈显著正相关(P0.05)。【结论】不同林型间土壤微生物群落结构存在显著差异,明晰其分布规律及主要环境驱动因子,是把握寒区森林生态系统过程的关键。     

山西太岳山森林演替过程中建群种的动态特征和种间关系

为解释太岳山白桦(Betula platyphylla)林向华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)林演替的生态过程,该研究以不同演替阶段的调查样地数据为基础,通过空间代替时间构建演替的时间序列,即从白桦林演替至白桦+华北落叶松混交林再到华北落叶松林的过程;采用点格局分析法和Monte-Carlo拟合检验对演替过程中白桦和华北落叶松种群的分布格局及其相互关系进行研究。结果表明:(1)山西太岳山白桦种群龄级结构呈"纺锤"型,种群呈衰退的趋势;白桦种群逐渐被华北落叶松(龄级结构呈"金字塔"的增长型)种群所取代。(2)从白桦林演替至华北落叶松林的过程中,白桦种群由集群分布趋向于随机分布,驱动力主要是华北落叶松侵入扩散而形成的种间排斥;华北落叶松集群尺度逐步增大,驱动力主要是种群拓殖和种内竞争。(3)白桦和华北落叶松二者的种间关系,在白桦林阶段无显著相关,在混交林阶段由于排斥呈现显著负相关关系,华北落叶松林阶段二者无明显相关,二者种间关系的变化主要来自于群落剩余资源驱动下的种内种间竞争。     

云南松林次生演替阶段土壤细菌群落的变化

土壤细菌多样性是维持森林生态系统功能的关键因子,森林演替是影响其动态变化的重要因素。研究云南松林不同演替阶段土壤细菌群落结构及其多样性的变化规律,有助于深入理解森林生态系统恢复过程的驱动机制。本研究以云南省永仁县皆伐后形成的针叶林、针阔混交林和常绿阔叶林为对象,基于Illumina Hiseq高通量测序技术,分析森林演替过程中土壤细菌群落组成、结构、多样性及其影响因子的变化。结果表明: 土壤细菌的种群分类单元、Ace指数、Chao1指数和Shannon指数均随着演替进行呈减少趋势,演替早期阶段土壤的细菌总数、菌群丰富度及复杂程度最高。不同演替阶段细菌群落结构存在显著差异,其中,针阔混交林的差异最大,变形菌门和酸杆菌门为各演替序列共有的优势类群,放线菌门、绿弯菌门和Patescibacteria是演替早期的优势类群,且随着演替进行呈现减少趋势;变形菌门和WPS-2相对多度随演替进行呈增加趋势。土壤pH和乔木层物种丰富度是驱动次生演替过程中土壤细菌群落组成变化的关键因子。随着演替的进行,土壤细菌多样性减少,群落组成差异加大。     

不同火烧强度迹地林下灌草层物种多样性及其与土壤因子的关系

为揭示胶东丘陵区麻栎黑松混交林过火后林下灌丛群落结构和多样性变化,探究群落物种分布和多样性指数与土壤因子之间的相互关系,该研究以威海仙姑顶中度、轻度、未过火林地为研究对象,对不同火烧强度林地进行土壤的定量分析和植物物种多样性调查,并运用典范对应分析法(CCA)和冗余分析法(RDA)进行排序,以明确影响不同火烧迹地林下灌丛群落物种多样性的关键土壤因子。结果表明:(1)各林地丰富度、多样性、均匀度指数在群落垂直方向上均表现为草本层大于灌木层。灌木层丰富度、多样性、均匀度指数均随火烧强度的增加先升后降,轻度火烧达到最大值,是灌丛群落特征变化的关键转折期;草本层Patrick、Shannon-Wiener和Simpson指数逐渐降低,Margalef指数先降低后微弱上升,均在未过火林地达到最大值,均匀度指数各林地无显著差别(P0.05)。(2)未过火与中度火烧地之间的Morista-Horn指数在灌木层、草本层和灌草层中均为最小,β多样性最高,林下物种组成差别迥异;轻度与中度火烧地在灌木层次上物种异质性较高,未过火与轻度火烧地在草本层次上拥有较高异质性的物种更替。(3)中度和轻度火烧地林下灌丛群落大致均可分为3个类群,未过火林下灌丛植物疏离分散,则未形成类群;中度火烧影响植物物种多样性的正向主要因子为碳氮比(C/N),逆向主要因子为全磷(TP)、全钾(TK);轻度火烧正向因子为氮磷比(N/P),逆向因子为pH;未过火林地物种多样性受多种土壤因子的共同作用。(4)火烧提高了林下灌丛群落物种更替速率,增加了灌木层物种多样性,降低了草本层物种多样性,轻度火烧地的物种丰富度水平较高,火烧迹地影响群落物种多样性的因子既有相似性又存在差异性,TK和TP是火烧迹地物种多样性的共同影响因子,磷(P)是火烧迹地物种多样性的共同限制性元素。     

大兴安岭落叶松林不同演替阶段土壤细菌群落结构与功能潜势

采用土壤细菌16S rDNA高通量测序方法研究了大兴安岭汗马自然保护区落叶松林不同演替阶段的土壤细菌群落结构和功能.结果表明: 不同演替阶段落叶松林土壤细菌优势门为变形菌门、酸杆菌门、疣微菌门、拟杆菌门、放线菌门、浮霉菌门和绿弯菌门,随着演替的进行,酸杆菌门相对丰度逐渐增加,绿弯菌门相对丰度逐渐减少,优势门相对丰度在不同演替阶段不同.细菌群落α多样性在不同演替阶段间无显著差异,但其群落结构分别在落叶松幼龄林与中龄林、幼龄林与过熟林、近熟林与成熟林之间存在显著差异.土壤氧化还原电位、土壤pH和有效磷是影响细菌群落结构的主要环境因素,其中土壤氧化还原电位对微生物群落结构影响最大.随着演替的进行,细菌参与的固氮作用、反硝化作用、氨氧化作用、木质素降解作用呈逐渐减弱的趋势,硫酸盐异化还原作用呈先降后升的趋势,碳固定作用呈先升后降的趋势,碱性磷酸酶没有明显的变化规律,影响土壤功能的主要因素有土壤有效磷和氧化还原电位等.     

大兴安岭典型永久冻土土壤细菌群落组成和多样性

【背景】土壤微生物是土壤生物中的重要成分,参与了土壤生态系统中关键的生物化学循环过程。但是关于寒温带多年冻土土壤微生物的研究还比较薄弱。【目的】探究大兴安岭多年冻土土壤中微生物的多样性和种群结构。【方法】利用MiSeq高通量测序技术对黑龙江大兴安岭地区呼中保护区落叶松冻土和樟子松林冻土土壤样品进行测序。【结果】在落叶松冻土和樟子松林冻土土壤中,相对丰度最高的优势菌群的组成基本一致,在门水平有疣微菌门(Verrucomicrobia)、变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)、浮霉菌门(Planctomycetes)、绿菌门(Chlorobi)、Parcubacteria、放线菌门(Actinobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、厚壁菌门(Firmicutes)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)10个细菌门类,其中,疣微菌门(Verrucomicrobia)在樟子松林土壤中的相对丰度较多,变形菌门(Proteobacteria)在落叶松林土壤中的相对丰度较多。通过α多样性分析可知,落叶松冻土土壤微生物的群落多样性高于樟子松林冻土,而且两者的细菌群落组成与结构差异性较大。【结论】为深入认识大兴安岭多年冻土区的土壤微生物群落结构组成以及影响因素提供数据支撑。     

大兴安岭白桦-兴安落叶松林火烧迹地林下植被群落恢复过程的动态分析

火干扰在森林生态系统的发育过程中起到重要作用,直接影响着森林生态系统的物种组成、结构稳定性和物种多样性。本文通过调查大兴安岭兴安落叶松(Larix gmelinii)-白桦(Betula platyphylla)林林下植被,采用空间序列代替时间序列的研究方法,分析了大兴安岭北方针叶林火烧迹地林下植被的恢复过程。研究表明:1)在灌木层和草本层中林分结构的变化主要表现在一些旱生物种与中湿生物种的替代过程;2)物种多样性随着群落演替顺序未呈现连续增加趋势。在草本层,物种丰富度指数呈先上升后下降的单峰型变化趋势,在火烧后5~8年达到一个峰值,随着进一步的演替有所下降;物种多样性指数也表现出类似的单峰型变化趋势,在火烧后的第5年达到最大值,15年左右开始趋于平稳,20年左右达到一个较为稳定的数值;物种均匀度指数在火烧后5年左右达到最低值,随后上升并最终趋于平稳。在灌木层,物种多样性指数的变化趋势基本与草本物种相同,但滞后于草本群落3~5年;3)林下层的生物量随恢复年份呈指数增加,到25年时生物量达10.5t·hm-2。     

火烧强度对兴安落叶松群落叶片功能性状及功能多样性的影响

林火是北方针叶林的重要生态因子,直接影响火烧迹地物种多样性及功能多样性,进而影响森林群落的演替.以牙克石地区火后自然恢复12年的兴安落叶松群落为研究对象,在群落尺度上分析火烧迹地土壤养分含量、叶片功能性状、物种多样性和功能多样性在不同火烧强度(轻、中和重度火烧)下的变化规律.结果表明: 火烧显著降低了土壤全氮含量,对土壤全磷含量无显著影响.轻、中度火烧有助于维持群落较高的物种多样性和功能多样性;中度火烧显著增加了群落的物种多样性,物种丰富度指数、Shannon指数、Simpson指数和Pielou均匀度指数均在中度火烧时有最大值;火烧降低了群落的功能丰富度和功能离散度指数,二者分别在中、轻度火烧时最大(除未过火外),而群落的功能均匀度和二次熵指数在林火干扰后增加,轻度火烧后最大.随火烧强度增加,叶干物质含量、叶组织密度和叶磷含量总体呈显著增大趋势,而比叶面积、叶含水量、叶氮含量和叶N∶P则表现出未过火>中度火烧>轻度火烧>重度火烧的规律,叶片厚度呈先增大后减小的变化规律.火烧强度对森林群落的叶片功能性状和功能多样性均有显著影响,且适度的火干扰对森林群落的恢复具有促进作用.     

大兴安岭火烧迹地恢复初期土壤微生物群落特征

对大兴安岭兴安落叶松2003年重度和中度火烧迹地以及未过火样地的土壤微生物群落进行了考察,旨在揭示火烧迹地恢复初期土壤微生物群落变化特征。研究结果表明火烧迹地土壤养分(全氮、全碳、土壤有机质、有效氮)和土壤水分与未过火对照样地存在显著差异;火烧迹地土壤微生物量碳氮、微生物代谢活性以及碳源利用能力均显著高于对照样地;但火烧迹地与对照样地土壤微生物群落结构指标土壤微生物量碳氮比(MBC/MBN)以及多样性指数没有显著差异。相关分析结果表明:土壤微生物量、代谢活性和碳源利用能力与土壤养分指标(全碳、全氮、速效氮、有机质)和土壤水分含量有显著相关性。主成分分析的结果表明火烧与否是火烧样地与对照样地土壤微生物对碳源利用能力差异的原因。所有样地土壤微生物群落真菌比例较高,可能与该地区土壤酸碱度有关(pH=4.12—4.68)。经过6a的恢复,重度和中度火烧迹地的土壤养分和水分、土壤微生物群落的生长、代谢、以及群落多样性仍存在差异,但均不显著,表明此时火烧程度对土壤微生物群落的影响已很微弱。     

大兴安岭重度火烧迹地地表土壤节肢动物群落特征

火是生态系统的主要干扰因子之一,直接影响地表土壤动物群落多样性。为了解大兴安岭火烧迹地地表土壤动物群落恢复状况,于2016年6月和8月,选取松岭区南瓮河国家级自然保护区内2006年落叶松白桦混交林重度火烧迹地为实验样地、未受干扰的混交林为对照样地,采用陷阱法研究地表土壤节肢动物群落组成与多样性。本研究共捕获地表土壤节肢动物17 460只,隶属5纲14目57科85属。其中大型土壤节肢动物隶属4纲11目36科55属,优势类群为铺道蚁属（Tetramorium）;中小型土壤节肢动物隶属2纲3目18科30属,优势类群为球角跳属（Hypogastrura）。整体而言,重度火烧迹地地表土壤节肢动物总个体数多于对照样地,而总类群数低于对照样地,但仅大型地表土壤节肢动物个体数明显低于对照样地（P < 0.05）。研究时段,8月份中小型土壤节肢动物的个体数明显高于6月份（P < 0.05）。群落多样性分析表明,重度火烧迹地与对照样地的地表土壤节肢动物群落多样性指数差异性不显著（P > 0.05）,其中6月份中小型地表土壤节肢动物Shannon-Wiener指数、Pielou均匀度指数与Margalef丰富度指数明显低于8月份（P < 0.01）,而6月份Simpson优势度指数高于8月份（P < 0.01）。火烧迹地与对照样地土壤节肢动物群落相似性系数为0.78,不同月份之间地表土壤节肢动物群落相似性均为0.43,表明地表土壤节肢动物群落总体变化较小,但地表土壤节肢动物群落随时间发生改变。地表土壤节肢动物对研究区域资源的利用存在明显的差异（P < 0.01）,重度火烧迹地可共同利用资源增多,对照样地可共同利用资源少而优势现象明显。重度火烧迹地地表主要土壤动物类群因可利用资源增加而导致生态位重叠指数增加。典型判别分析显示,地表土壤节肢动物群落受火烧干扰影响,且存在明显的季节变化。     

环境因子对山西太岳山典型森林类型物种多样性及其功能多样性的影响

该研究采用典型样地法,调查群落内物种分布并测量植物功能性状(叶面积和植株高度),对山西太岳山不同坡位华北落叶松-白桦混交林以及辽东栎次生林物种多样性及其功能多样性进行比较分析,探究环境因子对不同群落层次(乔木、灌木、草本)物种多样性及其功能多样性的影响机制,以及环境因子与群落构建之间的联系,为森林生态系统多样性研究以及经营管理提供理论依据。结果显示:(1)华北落叶松-白桦混交林的物种分布更加均匀,物种多样性和功能多样性(乔木层)均显著高于辽东栎次生林。(2)华北落叶松-白桦混交林乔木层功能均匀度与功能分散指数显著高于辽东栎次生林,但灌木草本层低于辽东栎次生林。(3)不同群落层次的物种多样性与功能多样性均呈正相关关系,影响物种分布和性状分布的环境因子存在差异,物种多样性受多种环境因子的综合影响,而单个环境因子对功能多样性影响较大,环境解释力与林分类型和群落层次相关。(4)乔木层物种多样性主要受土壤pH、冠层结构(MLA、林分开度)以及光照影响,灌木层物种多样性与土壤pH和MLA密切相关,林下总辐射、土壤养分(SOC、STN)、土壤相对含水率是影响草本层物种分布的主要环境因子;冠层结构(MLA、林分开度)是影响乔木层功能多样性最主要的环境因子,土壤pH和坡位分别是华北落叶松-白桦混交林和辽东栎次生林灌木层功能多样性的主要影响因子,影响草本层功能多样性的主要环境因子是土壤相对含水率与LAI。研究表明,在垂直分层的森林生态系统中,不同群落层次竞争的主要环境资源存在差异,乔木层通过改变冠层结构和林内环境限制林下物种分布和性状分布。     

Predicting Impacts of Climate Change on the Aboveground Carbon Sequestration Rate of a Temperate Forest in Northeastern China

The aboveground carbon sequestration rate (ACSR) reflects the influence of climate change on forest dynamics. To reveal the long-term effects of climate change on forest succession and carbon sequestration, a forest landscape succession and disturbance model (LANDIS Pro7.0) was used to simulate the ACSR of a temperate forest at the community and species levels in northeastern China based on both current and predicted climatic data. On the community level, the ACSR of mixed Korean pine hardwood forests and mixed larch hardwood forests, fluctuated during the entire simulation, while a large decline of ACSR emerged in interim of simulation in spruce-fir forest and aspen-white birch forests, respectively. On the species level, the ACSR of all conifers declined greatly around 2070s except for Korean pine. The ACSR of dominant hardwoods in the Lesser Khingan Mountains area, such as Manchurian ash, Amur cork, black elm, and ribbed birch fluctuated with broad ranges, respectively. Pioneer species experienced a sharp decline around 2080s, and they would finally disappear in the simulation. The differences of the ACSR among various climates were mainly identified in mixed Korean pine hardwood forests, in all conifers, and in a few hardwoods in the last quarter of simulation. These results indicate that climate warming can influence the ACSR in the Lesser Khingan Mountains area, and the largest impact commonly emerged in the A2 scenario. The ACSR of coniferous species experienced higher impact by climate change than that of deciduous species.     

Coastal heathland succession influences butterfly community composition and threatens endangered butterfly species

Succession has a strong influence on species diversity and composition of semi-natural open terrestrial ecosystems. While several studies examined the effects of succession on butterflies in grassland and forest ecosystems, the response of heathland butterflies to succession had not been investigated so far. To address this issue we sampled butterfly abundance and environmental parameters on the Baltic island of Hiddensee (NE Germany) along a gradient of coastal heathland succession from grey dunes to birch forest. Our results provide evidence that succession of coastal heathland has a strong influence on butterfly diversity, abundance, and species composition. Thereby grass and tree encroachment present the main threats for heathland butterflies. Diversity and abundance of butterflies were highest in shrub-encroached heath directly followed by early stages of coastal heathland succession (dwarf-shrub heath, grey dune). Both observed threatened species (Hipparchia semele, Plebeius argus) were negatively affected by succession: abundance decreased with increasing vegetation density (both species) and grass cover (P. argus); consequently, the two later successional stages (shrub, birch forest) were not occupied. Our findings highlight the importance of the preservation of early stages of coastal heathland succession for endangered butterfly species. For coastal heathland management we therefore suggest to maintain early successional stages by sheep grazing, mowing or, in case of high nutrient contents, intensive techniques such as sod-cutting or choppering. To a lower extend shrub-encroached sites should also be present, which might be beneficial for overall species richness.     

典型农田退耕后土壤真菌与细菌群落的演替

土壤真菌和细菌作为地下生态系统的重要组成部分,其群落的恢复状况是评价农田退耕还林生态效益的重要指标。以云南省维西县典型退耕还林农田为对象,利用高通量测序等方法比较了不同退耕年限的农田土壤中真菌和细菌群落随植被演替的变化特征。结果发现,农田撂荒后土壤细菌多样性先显著降低后缓慢上升,真菌多样性变化不明显;地上部植被由草本经灌丛再向林地演替的过程中,土壤真菌的群落组成随植被变化呈现明显的改变,主要体现在粪壳菌纲(Sordariomycetes)所占比例的减少(由30%减至10%左右)和伞菌纲(Agaricomycetes)所占比例的增加(由5%以下增至20%以上);而细菌的群落组成无明显变化。聚类分析的结果显示,真菌的群落组成变化与植物群落的演替规律更为同步。不同演替阶段的退耕农田土壤真菌和细菌群落均明显区别于未经扰动的天然林,表明人为扰动对土壤微生物群落的影响可能在较长时间内持续存在。研究揭示了云南典型农田退耕后地下土壤真菌和细菌群落随植被演替的变化特征,为全面评价该地区退耕还林的生态效益提供了数据支撑。     

浙江古田山常绿阔叶林演替序列研究:群落物种多样性

采用较为成熟的“空间差异代替时间变化”的研究方法,应用相邻格子样方法调查了16个典型样地,利用Shannon-Wiener指数、Pielou均匀度指数、Simpson生态优势度指数计算了浙江古田山自然保护区常绿阔叶林演替序列4种群落的物种多样性。结果表明,从针叶林到针阔叶混交林、木荷林和甜槠林的演替过程中,4种群落乔木层的Shannon-Wiener指数分别为1.9670、2.4975、2.6140和2.4356,呈现先增大后变小的趋势;灌木层物种多样性以针阔叶混交林最高,Shannon-Wiener指数为2.8625;针叶林的草本层Shannon-Wiener指数为1.5334,高于其它3种群落。在群落的垂直结构中,演替序列中的针叶林、针阔叶混交林、甜槠林物种多样性均表现为灌木层>乔木层>草本层,而木荷林物种多样性大小则表现为乔木层>灌木层>草本层。演替过程中,乔木层、灌木层和草本层的物种多样性的变化幅度以草本层最大,H、JSW、JSI、D的变异系数分别为0.1572、0.0806、0.0899和0.1884;灌木层变化幅度最小,其H、JSWJ、SI、D的变异系数分别为0.0482、0.0385、0.0142和0.1553。     

大兴安岭呼中地区3种林分的群落特征、物种多样性差异及其耦合关系

准确理解天然林林分群落特征及其与物种多样性耦合关系是提升天然林管理、达到多样性保护的关键。选择大兴安岭呼中地区典型落叶松林、杂木林、白桦落叶松林为研究对象,分别对乔木层、灌木层和草本层特征(高度、胸径、冠幅、盖度等)进行调查并计算丰富度指数、多样性指数和均匀度指数,旨在探究林分间差异及其耦合关系变化。结果表明:(1)乔木层的树高、枝下高表现出杂木林落叶松林白桦落叶松(P0.05);落叶松林的胸径比白桦落叶松林和杂木林的高出6%和11%;灌木层的高度、盖度、地径、冠幅和草本层多度、盖度、高度在森林类型间均未表现出显著差异。(2)3个森林类型的乔、灌、草丰富度指数R、Shannon-Wiener指数及Simpson指数均表现出杂木林最大,乔木层和草本层呈相同规律,即杂木林白桦落叶松林落叶松林,而灌木层表现出杂木林落叶松林白桦落叶松林;白桦落叶松林和杂木林的乔木层均匀度Pielou指数和Alatalo指数约为落叶松林的3倍左右,而在灌木层和草本层在森林类型间差异不显著(P0.05)。(3)典范对应分析(CCA)结果表明林分群落特征和生物多样性关系存在明显森林类型间差异。总体表现为灌木特征(冠幅、地径)、草本层特征(盖度、多度和高度)对多样性均有较大影响;白桦落叶松林和杂木林的胸径对多样性影响明显,而落叶松林的乔木高度(树高、枝下高)对多样性影响较大。杂木林随着灌木盖度、草本高度的增加,草本物种多样性降低、乔木多和灌木物种多样性增加;而落叶松林相同的多样性变化多伴随草本高度增加、多度和盖度变小。灌木层物种多样性增加多与乔木和草本物种多样性降低相伴随,在杂木林中同时伴随着乔木胸径和草本的盖度、多度增大、灌木冠幅变小,而白桦落叶松林则伴随灌木冠幅和草本多度盖度的减小。以上结果表明,林分群落特征与物种多样性存在耦合关系,上述解耦合结果为通过维持良好森林结构、多样性保护具有实践意义。