全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿源卷 第 员园期摇 摇 圆园员源年 缘月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
景观可持续性与景观可持续性科学 赵文武袁房学宁 渊圆源缘猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
生态系统服务付费的诊断框架及案例剖析 朱文博袁王摇 阳袁李双成 渊圆源远园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
湿地植物根表铁膜研究进展 刘春英袁陈春丽袁弓晓峰袁等 渊圆源苑园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
水生生态环境中捕食信息素的生态学效应 覃光球袁卢豪良袁唐振柱袁等 渊圆源愿员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
脊椎动物传播植物肉质果中的次生物质及其生态作用 潘摇 扬袁罗摇 芳袁鲁长虎 渊圆源怨园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
个体与基础生态
中亚热带天然林土壤 悦匀源吸收速率对模拟 晕沉降的响应 陈朝琪袁杨智杰袁刘小飞袁等 渊圆源怨愿冤噎噎噎噎噎噎
塔里木盆地南缘旱生芦苇生态特征与水盐因子关系 贡摇 璐袁朱美玲袁塔西甫拉提窑特依拜袁等 渊圆缘园怨冤噎噎噎
黄刺玫叶片光合生理参数的土壤水分阈值响应及其生产力分级 张淑勇袁夏江宝袁张光灿袁等 渊圆缘员怨冤噎噎噎噎
亚热带杉木和米老排人工林土壤呼吸对凋落物去除和交换的响应 余再鹏袁万晓华袁胡振宏袁等 渊圆缘圆怨冤噎噎噎
施钾提高蚜害诱导的小麦茉莉酸含量和叶片相关防御酶活性 王摇 祎袁张月玲袁苏建伟袁等 渊圆缘猿怨冤噎噎噎噎噎
高浓度 韵猿及太阳辐射减弱对冬小麦 孕杂域光合活性及光能耗散的影响
孙摇 健袁郑有飞袁吴荣军袁等 渊圆缘源愿冤
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
蜡样芽孢杆菌 月猿鄄苑在大田小麦根部的定殖动态及其对小麦纹枯病的防治效果
黄秋斌袁张摇 颖袁刘凤英袁等 渊圆缘缘怨冤
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
有限供水下冬小麦全程耗水特征定量研究 张兴娟袁薛绪掌袁郭文忠袁等 渊圆缘远苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
抗真菌转基因水稻生态适合度评价 李摇 伟袁郭建夫袁袁红旭袁等 渊圆缘愿员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
花生叶片蛋白组对 哉灾鄄月辐射增强的响应 杜照奎袁李钧敏袁钟章成袁等 渊圆缘愿怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
南海南部悬浮颗粒物脂肪酸组成 刘华雪袁柯常亮袁李纯厚袁等 渊圆缘怨怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
年龄尧集群尧生境及天气对鄱阳湖白鹤越冬期日间行为模式的影响 袁芳凯袁李言阔袁李凤山袁等 渊圆远园愿冤噎噎噎
咱树暂麻雀羽再生的能量预算和水代谢散热调节 杨志宏袁吴庆明袁杨摇 渺袁等 渊圆远员苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
低剂量杀虫剂对星豹蛛捕食效应的影响及其机理 李摇 锐袁李摇 娜袁刘摇 佳袁等 渊圆远圆怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
空心莲子草叶甲对越冬保护的响应与控害效能 刘雨芳袁王秀秀袁李摇 菲袁等 渊圆远猿愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
种群尧群落和生态系统
气候变化对鄱阳湖白鹤越冬种群数量变化的影响 李言阔袁钱法文袁单继红袁等 渊圆远源缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
不同退耕年限下菜子湖湿地土壤磷素组分特征变化 刘文静袁张平究袁董国政袁等 渊圆远缘源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
查干湖湿地浮游植物与环境因子关系的多元分析 李然然袁章光新袁张摇 蕾 渊圆远远猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
闽江河口区淡水和半咸水潮汐沼泽湿地土壤产甲烷菌多样性 曾志华袁杨民和袁佘晨兴袁等 渊圆远苑源冤噎噎噎噎噎
环境及遗传背景对延河流域植物叶片和细根功能性状变异的影响 郑摇 颖袁温仲明袁宋摇 光袁等 渊圆远愿圆冤噎噎噎
衡阳紫色土丘陵坡地植被恢复阶段土壤特性的演变 杨摇 宁袁邹冬生袁杨满元袁等 渊圆远怨猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
海平面上升影响下广西钦州湾红树林脆弱性评价 李莎莎袁孟宪伟袁葛振鸣袁等 渊圆苑园圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
中国南方 猿种主要人工林生物量和生产力的动态变化 杜摇 虎袁曾馥平袁王克林袁等 渊圆苑员圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎
杉木人工林土壤真菌遗传多样性 何苑皞袁周国英袁王圣洁袁等 渊圆苑圆缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
科尔沁固定沙地植被特征对降雨变化的响应 张腊梅袁刘新平袁赵学勇袁等 渊圆苑猿苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
黄土丘陵区退耕还林地刺槐人工林碳储量及分配规律 申家朋袁张文辉 渊圆苑源远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
南亚热带森林演替过程中小气候的改变及对气候变化的响应 刘效东袁周国逸袁陈修治袁等 渊圆苑缘缘冤噎噎噎噎噎
黄淮海平原典型站点冬小麦生育阶段的干旱特征及气候趋势的影响 徐建文袁居摇 辉袁刘摇 勤袁等 渊圆苑远缘冤噎噎
资源与产业生态
基于 郧陨杂的山西省矿产资源规划环境影响评价 刘摇 伟袁杜培军袁李永峰 渊圆苑苑缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于效益分摊的水电水足迹计算方法要要要以密云水库为例 赵丹丹袁刘俊国袁赵摇 旭 渊圆苑愿苑冤噎噎噎噎噎噎噎
学术信息与动态
全球土地计划第二次开放科学大会渊郧蕴孕 圆灶凿 韵责藻灶 杂糟蚤藻灶糟藻 酝藻藻贼蚤灶早冤会议述评 段宝玲袁卜玉山 渊圆苑怨远冤噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢猿源愿鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢猿远鄢圆园员源鄄园缘
室室室室室室室室室室室室室室
封面图说院 鄱阳湖越冬的白鹤群要要要白鹤为国家一级保护动物袁世界上白鹤东部种群的迁徙路线是从俄罗斯西伯利亚的雅库
特袁向南迁飞 缘员园园噪皂到中国长江下游的鄱阳湖越冬袁其中途经俄罗斯的雅纳河尧印迪吉尔卡河和科雷马河流域袁进
入中国后主要停歇地有扎龙尧林甸尧莫莫格以及双台河口尧滦河口尧黄河三角洲和升金湖等地遥 多年的监测表明袁世
界 怨园豫以上的白鹤种群都在鄱阳湖越冬遥 越冬初期和末期是白鹤补充能量的关键阶段袁因此袁研究鄱阳湖国家级自
然保护区越冬白鹤种群数量和当地气候变化的相关性具有重要意义遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 34 卷第 10 期
2014年 5月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.10
May,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家林业局重点项目(2012鄄01);中南林业科技大学研究生科技创新基金资助项目(2010bx02)
收稿日期:2013鄄09鄄07; 摇 摇 修订日期:2014鄄03鄄26
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: gyzhou2118@ 163.com
DOI: 10.5846 / stxb201309072227
何苑皞,周国英,王圣洁,李河.杉木人工林土壤真菌遗传多样性.生态学报,2014,34(10):2725鄄2736.
He Y H, Zhou G Y,Wang S J, Li H.Fungal diversity in Cunninghamia lanceolata plantation soil.Acta Ecologica Sinica,2014,34(10):2725鄄2736.
杉木人工林土壤真菌遗传多样性
何苑皞1,2,周国英1,2,*,王圣洁1,2,李摇 河1,2
(1. 经济林培育与保护教育部重点实验室,中南林业科技大学, 长沙摇 410004; 2. 中南林业科技大学林学院, 长沙摇 410004)
摘要:为探明杉木人工林土壤真菌遗传多样性及其与环境因子的关系,采用 454 测序技术对土壤真菌的遗传多样性进行了分
析,测定了黄丰桥林场杉木人工林土壤真菌的遗传多样性与环境因子的相关性。 试验结果表明:淤不同代数、林龄的杉木人工
林土壤理化性质及林下植被多样性均有显著差异。 第 1代杉木幼林林土壤肥力较高,有机质、全 N、速效 K的均值分别为 88.02
g / kg、2.56 g / kg、84.96 mg / kg均高于第 2代和第 3代杉木幼林林,速效 N和含水量的均值分别为 22.86 mg / kg和 26.28%低于其
他样地。 杉木幼林林下植被多样性最为丰富。 于通过 454测序技术分析发现第 1代杉木幼林真菌 Ace丰富度指数、Chao丰富
度指数及群落遗传多样性指数均大于第 2代杉木幼林和第 3代杉木幼林。 杉木人工林土壤中粪壳菌纲(Sordariomycetes)真菌
为优势种群。 不同栽培代数杉木人工林的真菌群落存在差异,其中块菌科(Tuberaceae)为第 2 代和第 3 代杉木林特有真菌,而
不同发育阶段的杉木人工林的真菌群落差异不明显。 盂经 RDA 分析,杉木人工林土壤主要真菌群落受含水量、有机质、速效
P、速效 K影响较大。 土壤真菌群落遗传多样性 Shannon鄄Wiener多样性指数与林下植被多样性、土壤全 N 显著正相关,土壤真
菌 Chao指数与土壤真菌 Shannon-Wiener多样性指数、土壤全 N含量显著正相关。 本研究表明不同栽培代数杉木人工林的真
菌群落存在差异,土壤真菌群落与环境因子之间具有相关性。
关键词:杉木人工林;真菌遗传多样性;真菌群落;454测序
Fungal diversity in Cunninghamia lanceolata plantation soil
HE Yuanhao1,2, ZHOU Guoying1,2,*,WANG Shenjie1,2,LI He1,2
1 The Key Laboratory for Non鄄wood Forest Cultivation and Conservation of Ministry of Education, Central South University of Forestry and Technology,
Changsha 410004, China
2 College of Forestry, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China
Abstract: Cunninghamia lanceolata(Lamb.)Hook. (Chinese fir) is one of the most important industrial timber species in
China, the area of Chinese fir plantation accounts for 21.35% of the total plantation area in China. At present, the Chinese
fir plantation has some problems such as continuous planting, single tree species, mismatch tree species with site and so
on, this contributed to productivity decline and soil degradation. Remarkable changes caused by soil degradation, for
instance, soil microorganism, soil physic鄄chemistry characteristics, soil enzyme activity and undergrowth vegetation, etc.
Soils represent a huge reservoir of biodiversity with several billion prokaryotic and eukaryotic microorganisms,
corresponding to numerous different taxa, inhabiting a single gram of soil. Fungi are the dominant eukaryotic lineage in
terms of biomass in soil, where they play key roles as decomposers, pathogens, and mycorrhizal mutualists. Due to their
large number of species, specialization, and important ecological functions, fungi are also excellent bioindicators.
Investigating the fungal diversity becomes crucial for the ecological characterization of any given site.
Traditionally, diversity was assessed using selective plating and direct viable counts. Limitations include uncultivable
microorganisms not detected, bias towards fast growing individuals, and bias towards fungal species that produce large
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quantities of spores. High鄄throughput tag鄄encoded FLX amplicon pyrosequencing has been used to study fungal diversity and
allows identification of fungal as well as the prediction of phylogenetic relationships. This method avoided the limitations of
plate count.
This study aims to provide an overview of soil fungal diversity in soils of Chinese fir plantations and examine the
relationship between soil fungal diversity and environmental factors. To achieve the objectives, we employed high鄄throughput
tag鄄encoded FLX amplicon pyrosequencing to analyze fifteen soil samples from the Chinese fir plantation forests at the
Huangfengqiao farm. Our analyses showed that there were significant differences in soil physical鄄chemical characteristics and
undergrowth vegetation among the sites that differed in forest age. Specifically, the soil from the first generation Chinese fir
plantation had higher organic matter, total N, and available K than those from the second generation and the third
generation Chinese fir soils. Similarly, the 454 pyrosequencing results showed that the fungal Ace index, Chao index and
fungal genetic diversity of the first generation young Chinese fir soil were all higher than those in the soils from the second
generation and the third generation Chinese fir plantations. The dominant phylogentic group was Sordariomycetes.
Interestingly, fungi in family Tuberaceae were found only in soils of the second and third generation Chinese fir plantations.
The RDA analyses identified that moisture content, organic matter, available P, and available K in the Chinese fir
plantation forest all contributed to differences in the distributions of dominant soil fungi. The diversity of soil fungi was
positively correlated with undergrowth vegetation diversity and total N. Similarly, the Chao index was correlated with
Shannon鄄Weaver index and total N. In conclusion, our analysis of fungal 18S rRNA鄄based datasets revealed differences in
soil fungal community structure among the different plantations of the Chinese fir and that the differences were correlated
with the soil physical鄄chemical characteristics as well as undergrowth vegetations. Further research is needed to understand
the detailed mechanisms responsible for the observed differences.
Key Words: Chinese Fir Plantation;fungal genetic diversity;fungal community;454 pyrosequencing
摇 摇 真菌是土壤生态系统的重要组成部分,不但分
解有机质,为植物提供养分[1鄄2],保障植物健康[3鄄5],
改善土壤结构[6鄄7],改良土壤肥力[8鄄9]等,同时影响土
壤细菌群落组成[10],是生态系统健康的指示物。 真
菌的遗传多样性是真菌结构和功能多样性的基础,
决定了真菌在土壤中的作用。 因此,研究土壤真菌
遗传多样性时应选用准确、可靠的方法。 基于焦磷
酸测序(pyrosequencing)技术的大规模高通量测序系
统的发布[11],为全面了解土壤真菌多样性和群落结
构提供了技术支撑。
高通量测序技术(High鄄throughput sequencing),
以能一次对几十万到几百万条 DNA 分子进行序列
测定为标志。 Genome Sequencer FLX (GS FLX)测序
系统具有 400bp的读长,测序的信息更为准确,广泛
应用于土壤微生物遗传多样性及群落的研究,如比
较土壤微生物的生物地理分布[12],不同经营措施下
的农业土壤微生物群落[13],极端环境下土壤微生物
多样性[14],土壤微生物多样性与环境因子的相关
性[15]等。
杉木是我国南方重要的造林树种之一,其人工
林面积占全国人工林总面积的 21.35%。 目前杉木
人工林存在多代连栽,群落结构简单,树种单一以及
不适地适树等因素,造成了杉木生产力下降、地力衰
退等问题。 地力衰退改变了土壤理化性质、各种土
壤酶活性、林下植被变化,从而导致土壤微生物多样
性发生变化。 传统培养法仅能反映土壤中可培养真
菌的状况,而这部分真菌仅占土壤真菌总量的 1%,
因此传统培养法无法准确反映土壤中真菌的真实情
况。 为了全面了解杉木人工林土壤真菌的遗传多样
性及其与环境因子的关系,本研究应用 GS FLX测序
系统,研究了不同代数及发育阶段的杉木人工林土
壤真菌群落结构和多样性及其与环境因子的关系,
以期阐明杉木人工林地力衰退的土壤真菌群落结构
特征,揭示土壤真菌与环境因子的关系。
1摇 研究区概况
研究区位于湖南省攸县黄丰桥国有林场,地理
坐标为 E 113毅09忆—113毅51忆,N 26毅46忆—27毅26忆,海拔
6272 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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115—1270 m,年平均气温 17.8 益,年降水量 1410.8
mm,无霜期 292 d 左右,属亚热带季风湿润气候区。
黄丰桥林场呈带状横跨于攸县东西部,以中低山貌
为主,坡度在 25毅—35毅之间。 主要成土母岩为板页
岩,石灰岩次之,土壤以板页岩发育而成的山地红壤
为主。
2摇 材料与方法
2.1摇 样地设置
选择立地条件、林分结构和抚育管理基本一致
的 1—3代杉木人工林以及不同林龄阶段的 1 代杉
木人工林作为样地(表 1)。 记录每个样地内林下植
被的种类、株数、盖度、高度。
表 1摇 样地基本特征
Table 1摇 Characteristic of sample area
样地
Plot
经纬度
Latitude and
longitude
海拔
Altitude
坡向
Aspect
坡度
Slope
树龄
Age /
a
林分密度
Stand
Density /
(株 / hm2)
平均胸径
Diameter /
cm
树高
Height /
m
1代杉木幼林
(FYC1)
27毅21忆41.88义N
113毅22忆15.69义E 276 东南 6 3 2250 2.0 1.8
1代杉木幼林
(FYC2)
27毅20忆40.76义N
113毅22忆20.37义E 276 东南 6 5 2250 2.3 2.1
1代杉木幼林
(FYC3)
27毅21忆35.24义N
113毅21忆17.58义E 273 东南 6 4 2247 2.1 2.0
1代杉木中林
(FMC1)
27毅21忆41.88义N
113毅22忆15.70义E 347 东南 9 13 1920 6.0 13
1代杉木中林
(FMC2)
27毅21忆37.88义N
113毅21忆54.23义E 338 东南 8 15 1900 6.3 14
1代杉木中林
(FMC3)
27毅20忆76.26义N
113毅22忆71.47义E 326 东南 7 11 1897 5.5 10
1代杉木成林
(FRC1)
27毅21忆41.88义N
113毅22忆15.71义E 373 东南 8 26 1624 13 26
1代杉木成林
(FRC2)
27毅22忆37.12义N
113毅21忆51.46义E 284 东南 7 20 1627 12.1 22
1代杉木成林
(FRC3)
27毅22忆37.08义N
113毅21忆51.12义E 284 东南 7 25 1627 12.8 24
2代杉木幼林
(SYC1)
27毅13忆38.45义N
113毅49忆31.43义E 276 东南 6 4 2250 1.8 1.7
2代杉木幼林
(SYC2)
27毅14忆61.34义N
113毅47忆29.17义E 289 东南 7 4 2240 1.7 1.7
2代杉木幼林
(SYC3)
27毅13忆37.86义N
113毅49忆31.05义E 276 东南 6 5 2250 2.0 1.9
3代杉木幼林
(TYC1)
27毅15忆6.74义N
113毅49忆22.96义E 276 东南 6 5 2250 2.5 2.4
3代杉木幼林
(TYC2)
27毅17忆39.43义N
112毅50忆54.82义E 312 东南 7 3 2250 2.2 1.9
3代杉木幼林
(TYC3)
27毅17忆37.85义N
112毅50忆53.27义E 312 东南 7 4 2250 2.3 2.2
2.2摇 样品采集
土壤样品于 2013 年 4 月采集。 本研究采用五
点采样法,除去腐殖质层在土层 5 cm 深度取土样,
土样过筛去除根及石块( >4 mm)后混匀[16],保存于
干冰中带回实验室,存储于-80 益冰箱中待用。 其
余土壤样品装袋后带回实验室自然风干,进行理化
性质分析。
2.3摇 样品分析
2.3.1摇 土壤理化性质分析
土壤有机质、全 N、速效 N、速效 P 及速效 K 分
别采用重铬酸钾外加热法、KDY鄄 9830 全自动凯氏定
N法、碱解扩散法、盐酸鄄氟化铵法及火焰光度法。 土
壤 pH 值测定采用 pH 计 (型号: Mettler Toledo
Delta320 pH 计),土壤含水量用烘干法 ( 105 益,
7272摇 10期 摇 摇 摇 何苑皞摇 等:杉木人工林土壤真菌遗传多样性 摇
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8 h)。
2.3.2摇 土壤真菌 DNA提取及分子鉴定
采用 454焦磷酸测序法对杉木人工林土壤真菌
进行分子鉴定。 18S rRNA 作为真菌的通用测序类
型广泛应用于焦磷酸测序[17鄄20]。 对 18S rRNA的 V4
变量区进行扩增及 454 测序。 测序正向引物为
3NDF(5忆鄄GGCAAGTCTGGTGCCAG鄄3忆),反向引物为
V4 _ euk _ R2 ( 5忆鄄 ACGGTATCT ( AG) ATC ( AG)
TCTTCG鄄3忆)。
(1)基因组 DNA 抽提摇 使用 DNA 提取试剂盒
(E.Z.N.A Soil DNA)提取土壤基因组 DNA,提取的
DNA溶液于-20 益冰箱保存。
( 2 ) PCR 扩增 摇 采用 TransGen AP221鄄 02:
TransStart Fastpfu DNA Polymerase,20 滋L 反应体系:
5伊 FastPfu Buffer 4 滋L, 2. 5 mmol / L dNTPs 2 滋L,
Forward Primer(5 滋mol / L) 0.8 滋L,Reverse Primer(5
滋mol / L ) 0郾 8 滋L, FastPfu Polymerase 0. 4 滋L,
Template DNA 10 ng,补 ddH2O至 20 滋L。
PCR反应参数摇 淤 1伊(2 minutes at 95 益); 于
25 / 30伊(30 seconds at 95 益; 30 seconds at 55 益; 30
seconds at 72 益); 盂 5 minutes at 72 益, 10 益 until
halted by user,PCR 仪为 ABI GeneAmp誖 9700 型。
每个样品 3个重复,将同一样品的 PCR 产物混合后
用 2%琼脂糖凝胶电泳检测,使用 AxyPrepDNA 凝胶
回收试剂盒(AXYGEN 公司)切胶回收 PCR 产物,
Tris鄄HCL洗脱;2%琼脂糖电泳检测。
(3)荧光定量摇 参照电泳初步定量结果,将 PCR
产物 用 QuantiFluorTM鄄ST 蓝 色 荧 光 定 量 系 统
(Promega公司),PicoGreen誖 dsDNA 定量试剂盒进
行检测;之后按照每个样品的测序量要求,进行相应
比例的混合。
( 4 ) EmPCR 摇 EmPCR 产 物 使 用 Roche
emPCRAmp鄄Lib_L Kit制备。
(5)Roche Genome Sequencer FLX +上机测序摇
试剂使用 GS FLX+_ Sequencing Method Manual_XL
+ Kit
(6)测序结果分析 摇 将测序接头、barcode 和前
引物序列去除,对处理后的有效序列进行数据及长
度分布统计,对有效序列去杂得到的优质序列用于
后续分析研究。
2.4摇 数据处理
2.4.1摇 OTU聚类
摇 摇 OTU(Operational Taxonomic Units)是在系统发
生学或群体遗传学研究中,为了便于进行分析,人为
给某一个分类单元(品系,属,种、分组等)设置的同
一标志[21]。 利用 UCHIME对测序所得序列进行嵌合
体检验并去除嵌合体序列,用 mothur[22]对所得序列进
行分析,以 97%相似性为标准划分操作分类单元。
2.4.2摇 多样性指数分析
利用 mothur进行多样性指数分析。 计算群落丰
度的指数 Chao[23]和 Ace[24];计算群落多样性的指数
Shannon[25]指数和 Simpson[26]指数;群落均匀度指数
Pielou[27]指数;测序深度指数 Coverage[28]。
2.5摇 统计分析
利用 mothur 做 rarefaction 分析及分类学分析,
利用 R语言工具制作曲线图。
实验数据 ANOVA分析以及 Spearman 相关性分
析使用 SPSS软件,RDA(redundancy analysis)分析应
用 CANOCO 4.5软件完成。
3摇 结果与分析
3.1摇 土壤理化性质
不同样地土壤理化性质见表 2。 各样地土壤理
化性质指标差异显著。 样地土壤主要为酸性红壤,
因此 pH值较低,其中第 2 代杉木幼林的 pH 值最
低,平均值为 4.29。 第 1代杉木幼林的有机质含量、
全 N含量最高,平均值分别为 88.02 g / kg、3.56 g / kg。
第 1代杉木成熟林速效 N 含量最高,均值为 116.38
mg / kg。 第 1代杉木中龄林速效 K含量最高,均值为
96.62 mg / kg。 第 2代杉木幼林速效 P 含量最高,均
值为 1.85 mg / kg。
3.2摇 林下植被多样性
15块样地内的林下植被群落多样性指数、均匀
度指数见表 2。 黄丰桥林场杉木人工林林下植被主
要种类有杜茎山 (Maesa japonica)、格药柃 (Eurya
muricata)、博落回(Macleaya cordata)、钩藤(Uncaria
rhynchophylla)、湖南鳞毛蕨(Dryopteris subchampionii)、狗
脊蕨(Woodwardia japonica)等。 杉木幼林郁闭度小,
林下植被种类较多,生物多样性也较高。 由表 2 可
知,林下植被多样性指标在各处理之间差异显著,其
中第 1代杉木幼林 Shannon多样性指数达到 1.74。
8272 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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表
2摇
样
地
土
壤
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3.3摇 土壤真菌多样性
3.3.1摇 统计学分析
利用 454 测序方法,经优化后得到各样地土壤
样 品中微生物 1 8 S rRNA基因序列 94,922条 ,总
图 1摇 18s稀释性曲线
Fig.1摇 Rarefaction curves of 18s
碱基数 41381340 bp,平均长度为 436 bp,其中片段
长度大于 400 bp 的序列占序列总数的 71.73%。 优
化后,各样品中序列测序量在 5215—8353之间。
稀释性曲线 当遗传距离选择 0.03 时的物种稀
释性曲线如图 1。 土壤样品的稀释曲线虽仍处于上
升期但文库的覆盖率均已超过 0.85(表 3),因此本
次测序能代表土壤中真菌的真实情况。
3.3.2摇 土壤真菌群落结构分析
杉木人工林土壤真菌群落多样性分析见表 3。
由表 3可知,第 1代杉木幼林 OUT 最多,为 1592,第
1代杉木成熟林 OUT 最少为 738。 第 1 代杉木幼林
的真菌物种总数相对最多,Chao 指数为 2925,其后
依次为 FMC>SYC>FRC>TYC。 5 种样地的 Shannon
指数平均值由高到低依次为 FYC>TYC>SYC>FRC>
FMC,Simpson 指数平均值由低到高依次为 TYC <
FYC菌多样性较为丰富。 Coverage 指数显示第 1 代杉木
中龄林取样深度最佳。
表 3摇 土壤真菌群落多样性分析(遗传距离 3%)
Table 3摇 Soil fungal communitu diversity analyse (3% genetic distance)
样地
Plot
序列数
Reads
指数 Index
OUT Ace Chao Coverage Shannon Simpson
FYC1 6285 1325 3497(3287,3729) 2669(2420,2975) 0.8821 5.17(5.11,5.24) 0.0561(0.052,0.0602)
FYC2 6433 1409 4119(3866,4397) 2895(2633,3212) 0.871133 5.43(5.38,5.49) 0.0315(0.0291,0.034)
FYC3 8121 1592 4809(4541,5100) 3211(2939,3537) 0.88696 5.43(5.38,5.48) 0.0309(0.0289,0.0329)
FMC1 7065 1153 4150(3881,4446) 2508(2246,2833) 0.901628 4.44(4.38,4.51) 0.0962(0.0911,0.1014)
FMC2 6360 1030 3044(2835,3276) 2148(1917,2439) 0.907075 4.4(4.33,4.46) 0.1045(0.0985,0.1105)
FMC3 6227 1020 3658(3401,3942) 2460(2158,2841) 0.899791 4.48(4.41,4.55) 0.0842(0.0793,0.0891)
FRC1 6943 1309 4413(4138,4715) 2844(2562,3189) 0.887369 4.87(4.81,4.94) 0.0752(0.0705,0.0798)
FRC2 5625 1099 3892(3624,4188) 2533(2249,2887) 0.879111 4.78(4.71,4.84) 0.0617(0.0574,0.0659)
FRC3 5715 738 2230(2054,2429) 1547(1355,1799) 0.924759 3.91(3.84,3.97) 0.0859(0.0816,0.0901)
SYC1 5916 1086 3226(3005,3472) 2138(1930,2397) 0.894185 4.84(4.78,4.91) 0.0619(0.0575,0.0662)
SYC2 5880 1124 3585(3348,3847) 2221(2008,2485) 0.888946 4.92(4.86,4.99) 0.0521(0.0486,0.0556)
SYC3 6148 1159 4001(3739,4290) 2740(2425,3132) 0.886792 4.89(4.82,4.95) 0.0634(0.0592,0.0677)
TYC1 5866 1146 3502(3271,3759) 2240(2030,2500) 0.887146 5.26(5.21,5.32) 0.0293(0.0269,0.0316)
TYC2 5067 1142 3679(3439,3945) 2446(2191,2762) 0.866588 5.42(5.36,5.48) 0.0249(0.0227,0.0271)
TYC3 4941 1049 3230(3005,3480) 2202(1969,2493) 0.874317 5.15(5.09,5.21) 0.0339(0.0311,0.0366)
摇 摇 样地土壤中真核生物 OUT为 8170个,分属于真
核生物的 33个门,其中真菌为 2122,占所有真核生
物 OUT 的 26%。 其中真菌界主要包括子囊菌门
(Ascomycota)、球囊菌门 ( Glomeromycota)、壶菌门
(Chytridiomycota)、担子菌门( Basidiomycota)、芽枝
霉门 ( Blastocladiomycota),分别占真菌总 OTU 的
45%、12%、7%、7%、1%(图 2)。
杉木人工林中土壤真菌主要为球囊菌门
(Glomeromycota)、粪壳菌纲( Sordariomycetes)、霉菌
纲(Mucoromycotina)、锤舌菌纲(Leotiomycetes)、座囊
0372 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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图 2摇 真菌分布比例图
Fig.2摇 Pie chart of fungi taxonomical distribution
*分类地位未确定真菌 unclassified_Fungi、no_rank_Fungi;子囊菌门
Ascomycota;球囊菌门 Glomeromycota;壶菌门 Chytridiomycota;担
子菌门 Basidiomycota;芽枝霉门 Blastocladiomycota
菌纲(Dothideomycetes)、爪甲团囊菌目(Onygenales)、块
菌科(Tuberaceae) (图 3)。 粪壳菌纲真菌为杉木人
工林土壤中的优势种群,其次为霉菌纲、锤舌菌纲、
座囊菌纲。 不同样地中这 7 类真菌的分布存在差
异。 第 1代杉木幼林和中龄林中粪壳菌纲真菌相对
含量最高分别为 39%和 42%;第 1 代杉木成熟林中
霉菌纲相对含量最高为 34%;第 2 代杉木幼林中锤
舌菌纲真菌相对含量最高为 24%;第 3 代杉木幼林
中爪甲团囊菌目真菌相对含量达到 48%;块菌科真
菌只存在于第 2代杉木幼林和第 3代杉木幼林中。
不同发育阶段的杉木人工林的真菌群落分布差
异不大,都以粪壳菌纲、霉菌纲和爪甲团囊菌目真菌
为主。 而不同栽培代数的杉木幼林真菌群落分布差
异较大,第 1代杉木幼林以粪壳菌纲、霉菌纲和爪甲
团囊菌目真菌为主,第 2 代杉木幼林真菌分布较为
平均,第 3代杉木幼林土壤真菌以粪壳菌纲、锤舌菌
纲和爪甲团囊菌目为主。
图 3摇 土壤真核生物群落结构相对丰度
Fig.3摇 Relative abundances of eukaryote community in soil
3.4摇 土壤真菌遗传多样性与理化性质、植被群落的
相关性
自然界中可以影响土壤真菌群落多样性的因素
很多,如植被类型、土壤结构、化学组成、气候变化
等[29鄄30],同时土壤真菌在土壤中的分布及活跃程度
对营养物质转化、土壤物理结构形成和土壤肥力增
加都具有一定影响[31]。
对杉木人工林土壤主要的 7 大真菌群落及环境
因子进行 RDA 分析,第 1 轴可以解释所有信息的
65.5%,第 2轴可解释 19.3%(图 4)。 由 RDA排序图
可知, 土壤的含水量、有机质、速效磷、速效钾对这 7
种真菌的分布作用较大。 其中含水量作用最大,它
与爪甲团囊菌目、锤舌菌纲、粪壳菌纲、霉菌纲真菌
呈正相关,与座囊菌纲、块菌科、球囊菌门真菌负
1372摇 10期 摇 摇 摇 何苑皞摇 等:杉木人工林土壤真菌遗传多样性 摇
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相关。
图 4摇 土壤主要真菌群落与环境解释变量的 RDA排序图
Fig.4 摇 The ordination diagram of RDA with soil dominant
fungi communities and explanatory variables
*pH, OM, TN, AN, AK, AP, MC, Vshannon, Vsimpson, Vjsw
分别代表土壤的 pH,有机质,全氮,速效氮,速效钾,速效磷,含
水量,林下植被 Shannon 指数, Simpson 指数, Pielou 指数;
Onygenal, Sordario, Mucoromy, Glomerom, Leotiomy, Tuberace,
Dothideo分别代表爪甲团囊菌目,粪壳菌纲,霉菌纲,球囊菌门,
锤舌菌纲,块菌科,座囊菌纲真菌
摇 摇 由表 4 可看出,土壤真菌群落多样性与土壤理
化性质、林下植被的具有一定的相关性。 土壤真菌
群落 shannon 指数与林下植被 shannon 指数、pielou
指数、pH值以及土壤全 N 显著正相关,与真菌群落
simpson指数及林下植被 simpson 指数显著负相关。
真菌群落 simpson指数与林下植被 simpson指数显著
正相关,与土壤真菌 shannon 多样性指数、林下植被
shannon指数、pielou 指数、土壤全 N 以及含水量显
著负相关。 土壤真菌 Chao 指数与土壤真菌 shannon
指数、土壤全 N含量显著正相关。
4摇 讨论
4.1摇 土壤理化性质及林下植被
土壤作为植物和微生物等生存的载体,其理化
性质、林下植被等会直接或间接的影响植物和微生
物的生长繁殖。
表 4摇 土壤真菌遗传多样性与林下植被、土壤性质的相关性
Table 4摇 Correlation analysis of soil fungal diversity, underground vegetation and physico鄄chemistry characteristics
Shannon Simpson Chao
Shannon鄄
植物
Shannon鄄
Vegetation
Simpson鄄
植物
Simpson鄄
Vegetation
Pielou鄄植物
Pielou鄄
Vegetation
pH
有机质
Organic
matter
全 N
Total N
速效 N
Available N
速效 K
Available K
速效 P
Available P
含水量
Moisture
content
Shannon 1.000
Simpson -0.882** 1.000
Chao 0.517* -0.179 1.000
Shannon鄄V 0.791** -0.728** 0.188 1.000
Simpson鄄V -0.856** 0.736** -0.236 -0.819** 1.000
Pielou鄄V 0.842** -0.768** 0.431 0.869** -0.762** 1.000
pH 0.525* -0.327 0.432 0.506 -0.489 0.440 1.000
有机质 0.454 -0.357 0.446 0.620* -0.329 0.564* 0.729** 1.000
全 N 0.661** -0.519* 0.585* 0.588* -0.496 0.609* 0.826** 0.739** 1.000
速效 N -0.406 0.154 -0.289 -0.379 0.625* -0.336 -0.764** -0.282 -0.533* 1.000
速效 K -0.027 0.266 0.207 -0.206 -0.229 -0.188 0.304 -0.200 0.082 -0.750** 1.000
速效 P 0.130 0.182 0.346 0.198 -0.236 0.109 -0.125 -0.004 -0.136 -0.100 0.257 1.000
含水量 0.361 -0.531* 0.143 0.318 -0.057 0.419 0.089 0.446 0.326 0.400 -0.782** -0.450 1.000
摇 摇 **在置信度(双测)为 0.01 时,相关性是显著的; *在置信度(双测)为 0.05 时,相关性是显著的
摇 摇 土壤含水量是对地表生态过程有着重要影响的
生态因子。 土壤含水量对陆地表面大气环流、陆地
与大气间的热量平衡和土壤温度均产生显著的影
响。 本研究中所取土样为 0—10 cm,属于土壤水分
速变层,该层由于受林地林分郁闭度,光、温、风等气
象,地被物分布等因子影响大,土壤与大气间的水分
交换强度大,地表蒸发快,因此该层的含水量相对不
稳定。 第 1代杉木不同林龄阶段中成熟林的含水量
大于幼林大于中龄林,主要是由于成熟林的林分结
构较为合理,郁闭度较高,林下植被发育较为完善,
因此土壤的水分涵养功能较好。 幼林的含水量大于
中龄林的原因为杉木幼林还未郁闭,林下植被较为
2372 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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丰富,提高了土壤的涵水能力。
土壤有机质是最为重要的土壤质量构成因素,
这是因为土壤有机质是森林生态系统中树木速效养
分的来源,它对团聚体构成有作用,同时还可保持土
壤水分。 本研究中有机质有随栽培代数增加而减少
的趋势,这与杨玉盛等[32鄄33]的研究结果相一致。 在
杉木发育过程中随着郁闭度、光照以及凋落物的变
化等,土壤有机质也处于变化之中。 值得注意的是
本研究中第 3代杉木幼林有机质含量高于第 2 代杉
木幼林,这可能是由于本研究的样地在栽种第 3 代
杉木幼林前种植过马尾松,但 2008 年南方冰冻灾害
之后马尾松幼林成片死亡,撂荒 1a 后才开始种植杉
木。 因此,第 3 代杉木幼林土壤经过了一定的改良
与修复,使其土壤环境得到改善,有机质含量提高。
同理,样地的全 N、速效 N的变化趋势也是由于此原
因。 不同栽培代数的杉木幼林样地土壤速效 P 和速
效 K的变化趋势与其他因素不一致,可能的原因是
土壤钾是影响了磷素有效性,或者是随着栽培代数
的增加土壤中菌根含量减少,使得速效 P 的含量
降低。
本研究中不同林龄阶段土壤中的有机物含量、
全 N、速效 N、速效 P 的变化趋势呈现高-低-高的趋
势,与胡慧蓉等[34]的研究不一致。 主要是由于幼林
林下植被丰富、林木未郁闭、阳光充足、土壤环境较
好,因此以上各指标值处于高峰,而成熟林已郁闭,
林下处于温凉潮湿状态,形成了较为稳定的森林生
态系统,同时枯落物也较多,因此土壤环境得到了改
善,各指标数值有所提高。
林下植被发育有利于林地土壤肥力维护与提
高,杉木人工林由于受土壤肥力、林木郁闭度、自然
整枝、间伐、化感作用等的影响,林下植被也存在差
异。 从植被组成看,幼林主要是喜阳的草本和灌木,
中龄林主要是草本植物,但到了成熟林,主要以喜阴
的植物为主,灌木植被也生长较好,形成了有乔灌草
结构的林分。 本研究土壤的理化性质随林龄的不同
存在高鄄低鄄高的趋势,这与杉木人工林林下植被的变
化相关,即幼林的林下植被丰富,中龄林林下植被较
少,而成熟林的林下植被得到恢复,这与焦如珍
等[35]的研究结果“杉木林下植被发育是杉木人工林
从中龄林到成熟林土壤肥力得到恢复和提高的重要
因素之一冶相一致。
4.2摇 土壤真菌群落结构
土壤中的真菌对生态系统的结构和功能具有重
要影响。 它具有十分重要的生态功能如分解者,植
物共生生物以及病原菌。 但是许多真菌的生活史未
知以及不可培养性,使得土壤真菌的重要性被低
估[36]。 第 2代测序技术克服了这些缺点,使得我们
可以研究土壤真菌的多样性以及不同真菌群落的相
互作用[37鄄41]。 本研究利用第 2代测序技术以及传统
的分类学方法,更准确的探讨了土壤真菌的生态学
特征。
本研究在分析不同栽培代数杉木人工林土壤真
菌时发现,第 1 代和第 3 代杉木人工林生物多样性
较高,第二代多样性最低。 杨玉盛[42]等研究发现随
着杉木连栽代数的增加(21代、3代),土壤微生物总
数下降,土壤微生物各主要生理类群数量明显减少。
这两种研究结果的差异与土壤理化性质的研究结果
相一致,即经过栽种马尾松及撂荒,土壤状况得到了
改善,因此,第 3 代杉木林的土壤真菌多样性反而
升高。
不同栽培代数及不同林龄阶段的真菌群落多样
性分析显示,在遗传距离为 3%时,不同栽培代
数杉木幼林土壤微生物群落的 ace 指数、chao
指数以及多样性指数均大于中龄林和成熟林。 这主
要是由于杉木幼林未郁闭,林间光线充足,林下植被
较为丰富,土壤真菌的数量及多样性也随之增加。
本论文的数据显示杉木人工林土壤真菌中子囊
菌门的真菌居多。 子囊菌门真菌大多数为腐生菌,
对降解土壤有机质具有重要作用。 子囊菌在群落演
替中主要处于演替的前期。 首先细菌、接合菌和子
囊菌等先驱微生物入侵枯枝落叶,接着草本对策的
腐朽菌开始出现,然后竞争对策或忍耐对策的木腐
菌取代腐朽菌,最后使枯枝落叶分解。 因此一些研
究认为子囊菌和担子菌是土壤中主要的真菌分解
者[43],另一些研究则认为担子菌分解木质纤维素的
能力更强[44]。
4.3摇 土壤真菌遗传多样性与林下植被及土壤理化
性质关系
理论上,土壤性质的改变将直接影响土壤微生
物群落的变化。 前人研究也证明了土壤真菌和细菌
的群落结构的改变与土壤性质如土壤结构[45],pH
值[16,46]以及土壤有效 N 含量[45]等的变化相关。 真
3372摇 10期 摇 摇 摇 何苑皞摇 等:杉木人工林土壤真菌遗传多样性 摇
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菌和细菌生理结构及生态学上的差异可能导致他们
的生物地理学性质受不同土壤因素的影响[47]。 一
些真菌对植被类型的敏感性度高于细菌,如与植物
共生的菌根真菌[48],降解植物残体木质素的担子
菌[49]。 此外,真菌和细菌的碳元素利用类型也不
同,因此碳库的改变对真菌和细菌的影响也不相
同[50鄄51]。 因此,本研究选择真菌作为研究对象。
研究发现土壤真菌的遗传多样性与杉木的林下
植被多样性显著相关。 土壤中的真菌在控制生态系
统的碳氮循环中起到了关键的作用,并且他们可能
是联系植物多样性和生态系统功能之间的关键。 林
下植被凋落物被土壤中的腐生微生物分解,给土壤
中提供更多的养分,这些养分又给真菌的生长繁殖
提供营养,营养元素在真菌与林下植被之间形成循
环。 许多研究显示,在真菌分解实验中枯枝落叶具
有增效作用[52鄄53],因此林下植被的多样性变化趋势
与土壤真菌多样性的变化趋势相同,植被对土壤真
菌遗传多样性有显著的作用[54]。
土壤 pH值是影响微生物群落的最重要的因素
之一。 pH值影响着众多的非生物因素,如碳的利用
率、氮的利用率以及金属可溶性等。 同时,在森林和
农田土壤中,pH 值还控制真菌和细菌的生物数量。
本研究中土壤 pH 值与土壤真菌群落 shannon 多样
性指数呈现正相关性,这从一个方面反映了真菌对
于酸性土壤的偏好[55]。
真菌在氮素循环中具有重要的作用,如蛋白质
水解、磷的活化以及分解自由生活的腐生营养者及
菌根。 本研究中杉木土壤中的全 N与真菌多样性以
及 chao指数呈正相关,反映了不同的 N 浓度下,真
菌的群落具有一定的差异性并且全 N与真菌物种总
数具有一定的关联性。 相关研究表明,氮素的添加
(以铵态氮)影响了微生物氮循环过程,如硝化作用
和固氮,导致云杉林土壤中真菌生物量的增加[56]以
及松树林、干草草地中真菌群落组成的变化[57-58]。
高氮浓度促进细菌分解作用,而低氮浓度促进真菌
的分解作用。
5摇 结论
(1)不同栽培代数及发育阶段的杉木人工林土
壤理化性质及林下植被多样性均有显著差异。 第 1
代杉木林的有机质、全 N、速效 N、速效 K 含量高于
第 2代和第 3代杉木林,而速效 P 和含水量低于其
他样地,总体而言第 1 代杉木林土壤理化性质优于
第 2代和第 3代杉木林。 杉木幼林林下植被多样性
高于中龄林和成熟林。
(2)第 1代杉木幼林土壤真菌多样性最为丰富,
其 ace 指数、chao 及群落遗传多样性指数均大于其
余样地。 通过不同样地真菌群落分析发现,粪壳菌
纲真菌为杉木人工林土壤中的优势种群,其次为霉
菌纲、锤舌菌纲、座囊菌纲。 不同栽培代数杉木人工
林的真菌群落存在差异,其中块菌科为第 2代和第 3
代杉木林特有真菌,而不同发育阶段的杉木人工林
的真菌群落差异不明显。
(3)杉木人工林土壤 7 种主要真菌群落受含水
量、有机质、速效磷、速效钾影响较大,受林下植被的
影响较小。 土壤真菌群落遗传多样性指数与林下植
被多样性、土壤全 N 显著相关,其 Chao 指数、
shannon指数、simpson指数都受到全 N的影响。
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6372 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
促进生态学研究深入发展袁为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务尧为国民经济建设和发展服务遥
叶生态学报曳主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果遥 特别欢
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