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黄河三角洲原生演替中土壤微生物多样性及其与土壤理化性质关系

余悦  
【摘要】:土壤微生物是陆地生态系统的重要组成部分,在土壤的形成与发育、有机质转化、生态系统平衡、土壤环境净化与生物修复等方面均起着重要的作用。微生物群落的多样性水平与生态系统的结构、功能密不可分,是维持土壤生产力的重要组分。它们对于环境变化十分敏感,其结构和功能会随着环境条件的改变而发生迅速改变。土壤微生物对环境的作用主要是通过群落代谢功能差异来实现的,微生物多样性的变化能较早地反映土壤质量的变化过程,是评价自然或人为干扰引起的土壤变化的重要指示因子,因此明确不同环境中微生物群落的作用、深入了解其群落功能和结构变化对于整个生态系统的研究具有重要意义。目前,该领域大多数研究主要集中在草原和森林生态系统,在更多生态系统和生态过程中开展相关研究,有助于解决生态学领域长期存在的问题,揭示未来研究的新领域。 湿地生态系统,是水域和陆地系统交互接壤地带的一种特殊类型的生态系统。其独特的生态功能,主要包括养分循环、沙土沉积、污染物处理、水土流失控制等,对于预测生态系统的景观变化具有重要作用。黄河三角洲湿地地处渤海西岸、渤海湾与莱州湾湾口,属于典型的滨海河口湿地,具有中国暖温带地区最完整、最广阔、最年轻的新生湿地生态系统,是世界上生物多样性最为丰富的地区之一在这种海陆交互、物质梯度变化的复杂特殊环境中,可能具有与陆相和海相因素都相关的微生物种群、群落以及功能和基因资源,这些微生物在维持湿地生态系统稳定性、矿质元素循环、降解污染物等方面起着重要的作用。 本研究应用时空替代法,在黄河三角洲黄河口自然保护区内,选取一条能够表征植被原生演替过程的典型湿地植物群落样带进行研究。沿与海岸线垂直方向,顺序为光板地→盐地碱蓬Suaeda salsa(L.) Pall群落(SS)→柽柳Tamarix chinensis Lour群落(TC)→补血草Lionium sienense(Girard.) O.Kuthze群落(LS)→芦苇Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steud群落(PA)。分别于2008年4月、9月、2009年9月进行群落调查和土壤采集。通过测定土壤中水分(Moisture content)、pH值(pHH2O)、电导率(EC)、有机质含量(SOM)、全氮含量(Nt),研究植被原生演替过程中春、秋季不同深度土壤理化性质的变化规律。通过对于微生物群落的研究,主要包括:1)利用Biolog系统对土壤微生物群落水平的碳源利用功能进行研究;2)利用静态气室法进行土壤呼吸熵、微生物量碳计算;3)利用PLFA分析方法对土壤微生物群落水平的结构进行研究;4)利用高通量测定方法并结合数学公式拟合,对理论上微生物群落物种数量进行估算、进行遗传多样性指数计算以及优势菌群分析,揭示原生演替过程中,土壤微生物多样性与土壤理化性质之间的相互关系,以期为湿地生态系统的保育及恢复工作提供重要的理论依据,同时也对改善滨海滩涂盐碱土壤环境、开发湿地微生物资源具有一定的应用价值。 对于土壤理化性质的研究表明,黄河三角洲滨海湿地春、秋季0-20cm(A层)和20-40cm(B层)土壤的电导率均表现为光板地碱蓬群落柽柳群落补血草群落芦苇群落,即随着植物群落演替的进行而降低,该指标能够在一定程度上反映植物群落的不同原生演替阶段。同其他滨海湿地研究相比,黄河三角洲土壤的营养元素含量处于较低水平,这可能与该区域成土时间短、新生土壤的持养能力差等原因相关。土壤碳氮比(C/N)属中等变异程度,在秋季植被演替中期相对较高,较宽的碳氮比反映了演替过程中海、陆相各因素变化的快速性、复杂性。Spearman相关分析表明植物群落多样性指数与土壤电导率存在负相关关系,而与有机质含量、全氮呈正相关关系。通过分析可知,随着植被的演替进程,植物的枯落物开始归还土壤,土壤有机质增加而盐分减低,土壤性质得到了改善,而土壤性质的改变又会进一步影响植物群落的类型。因此,演替过程是植被和土壤环境相互作用的过程,即植物对土壤状况不断适应和改造、不同植物种类相互竞争资源或取替的过程。 对于微生物的功能多样性的研究表明,随植被演替进行,微生物也表现出了相应的、有规律的变化。土壤微生物生物量碳(Cmic)、基础呼吸(BAS)以及AWCD值均表现出增大的趋势,从整体上反映了微生物群落利用土壤中不同碳源的能力逐步提高,生物量逐渐增大。从不同深度来看,除秋季B层土壤样品的微生物群落AWCD值高于A层外,其他B层土壤微生物群落的特征指标(AWCD、BAS、 Cmic、Cmic/Corg均不高于A层,表明土壤微生物的数量和活性随着深度的增加而降低,代谢活动发生了明显的变化。从多样性指数角度看,春、秋季B层土壤的H'Biolog均无显著性差异,春季光板地土壤微生物Gini均匀度指数明显大于其他各植物群落,秋季不同植被的土壤微生物Gini指数并没有明显的变化趋势。结合以上两点,说明不同植被或者不同深度的土壤环境主要影响了微生物生物量、利用碳源的能力和代谢活动,而对微生物多样性指数的影响却不明显。 对于微生物的结构多样性的研究表明,随植被演替进行,春季土壤中不同深度细菌、真菌总量均表现出先减小后增大的趋势,而秋季不同深度土壤中细菌、真菌总量却基本是逐渐增大的趋势。细菌、真菌含量最高峰出现在秋季芦苇群落A层土壤中。植物根际土壤中分布的革兰氏阴性菌要比革兰氏阳性菌多,革兰氏阳性菌(GP)/革兰氏阴性菌(GN)、细菌(Bac)/真菌(Fungi)的比值在各演替阶段并没有表现出明显的变化趋势。从不同深度的土壤环境来看,春季B层土壤中的细菌或真菌含量均高于A层土壤,尤其是演替初期B层土壤中真菌含量要远高于A层土壤,而秋季多数B层土壤中的细菌或真菌含量均低于A层土壤,说明细菌或真菌总量并不都是随深度的增加而降低。 对于微生物的遗传多样性的研究表明,研究区域内各种典型植被下的土壤中理论上的细菌种类约为3861~5437。高通量测序所得57,684条序列分属于细菌的20个门,主要包括Proteobacteria (变形菌门)、Bacteroidetes(拟杆菌门)、Firmicutes(厚壁菌门)、Actinobacteria(放线菌门)、Acidobacteria(酸杆菌门)、Chloroflexi(绿弯菌门)、Verrucomicrobia (疣微菌门),所占比例分别为40.45、23.54、9.01、8,31、1.74、1.60、0.21%,其中属于Proteobacteria、Bacteroidetes、Firmicutes、 Actinobacteria门的序列总和占全部序列的81%。对各门、纲、目、科、属相对含量的分布研究表明不同演替阶段的主要微生物群落结构不同。光板地的代表微生物种类包括Firmicutes(厚壁菌门)的Halobacillus(嗜热枯草芽孢杆菌属)和Bacillus(枯草芽孢杆菌属)属等,测序所得Bacillus属中的70.39%,HaloBacillus属中的98.65%为光板地所有,同时光板地的Firmicutes门占该样地所有序列的26.17%,这与微生物所在的盐生环境是相适应的。与光板地的情况显著不同,演替末期土壤微生物的种类主要包括:Gammaprotecobacteria纲的Lysobacter属; Actinobacteria门的Arthrobacter属;Bacteroidetes门的Flavobacteria纲。这些微生物主要降解纤维素,甚至许多难降解的芳香族化合物,因此大多存在于植物种类相对多样的演替末期土壤中。以革兰氏阴性菌,好氧菌,不产生孢子的Pseudomonas属为代表的微生物类群在各植被类型下土壤中所含比例相似,这与其代谢类型多样、适应能力强密不可分。 本研究利用微生物群落水平生理图谱(CLPPs)、磷脂脂肪酸图谱(PLFAs)和高通量测序(Pyrosequencing)方法进行研究,分别反映了微生物群落不同方面的特征。利用Biolog系统得到了土壤微生物碳源利用方式差异,该方法侧重对微生物群落的生理状态进行研究。多元统计分析表明植被和土壤理化指标对于微生物群落的变化有显著性影响,反映了随着原生演替进行湿地植被对于土壤微生物在有机物分解过程中生理状态的影响。植被改变而引起的土壤中凋落物质和量的变化是微生物群落改变的主要驱动力。微生物主要以植物残体为营养源,随着植物群落演替的进行,持续的脱盐碱使得土壤有机质更加丰富,变得更适宜微生物群落的分解活动,微生物群落数量和活性的提高又进一步增强了湿地生态系统中植被与土壤间的稳定性。另外一方面,植物的根系作用也可能是直接或间接造成微生物群落改变的原因。 利用PLFAs分析得到的是土壤微生物结构差异,该方法侧重对微生物群落的组成和结构进行研究,初步揭示了春、秋季黄河三角洲湿地典型植被的不同深度土壤微生物群落的结构特征和差异。由于受到标记物的限制,基于磷脂脂肪酸水平分析得到的结果不够精细,进而我们采用高通量测序分析的方法获得了较为全面的信息。由高通量测序所得序列信息计算得到的多样性指数ACE、Chao、 H'Pyrosequencing和DS' Pyrosequencing变化趋势同植被演替进程并不一致,这一点在CLPPs分析所得结果中也有所体现,用表示微生物群落功能多样性指标计算得到的微生物多样性指数在各个植被演替阶段没有表现出明显的变化规律。就DS' Pyrosequencing看,与光板地相比,当植被演替到达末期时,微生物群落的异质性得到了较大的提高,说明植被演替过程中土壤微生物群落异质性的提高可能与H'vegetation的增大相关。通过对微生物群落功能和结构多样性的研究得知,植物的凋落物和根系分泌物为土壤微生物提供无机碳和资源;分解者降解有机物和某些生物多聚物(如淀粉、果胶、蛋白质等),并将其归还至土壤中,这些营养元素又将间接调控植物生长和群落组成,植被通过土壤环境与微生物之间建立起密切联系。可见,利用多种反映微生物群落不同侧面的方法进行综合研究,能够起到互相印证和补充的作用,可以将微生物群落变化特征和影响因素阐述得更加全面、准确。


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