黃河三角洲原生演替中土壤微生物多樣性及其與土壤理化性質(zhì)關(guān)系.pdf

1、土壤微生物是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,在土壤的形成與發(fā)育、有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化、生態(tài)系統(tǒng)平衡、土壤環(huán)境凈化與生物修復(fù)等方面均起著重要的作用。微生物群落的多樣性水平與生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能密不可分,是維持土壤生產(chǎn)力的重要組分。它們對(duì)于環(huán)境變化十分敏感,其結(jié)構(gòu)和功能會(huì)隨著環(huán)境條件的改變而發(fā)生迅速改變。土壤微生物對(duì)環(huán)境的作用主要是通過群落代謝功能差異來實(shí)現(xiàn)的,微生物多樣性的變化能較早地反映土壤質(zhì)量的變化過程,是評(píng)價(jià)自然或人為干擾引起的土壤變化的重要指示

2、因子,因此明確不同環(huán)境中微生物群落的作用、深入了解其群落功能和結(jié)構(gòu)變化對(duì)于整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的研究具有重要意義。目前,該領(lǐng)域大多數(shù)研究主要集中在草原和森林生態(tài)系統(tǒng),在更多生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)過程中開展相關(guān)研究,有助于解決生態(tài)學(xué)領(lǐng)域長期存在的問題,揭示未來研究的新領(lǐng)域。
　　 濕地生態(tài)系統(tǒng),是水域和陸地系統(tǒng)交互接壤地帶的一種特殊類型的生態(tài)系統(tǒng)。其獨(dú)特的生態(tài)功能,主要包括養(yǎng)分循環(huán)、沙土沉積、污染物處理、水土流失控制等,對(duì)于預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)的景觀變化

3、具有重要作用。黃河三角洲濕地地處渤海西岸、渤海灣與萊州灣灣口,屬于典型的濱海河口濕地,具有中國暖溫帶地區(qū)最完整、最廣闊、最年輕的新生濕地生態(tài)系統(tǒng),是世界上生物多樣性最為豐富的地區(qū)之一。在這種海陸交互、物質(zhì)梯度變化的復(fù)雜特殊環(huán)境中,可能具有與陸相和海相因素都相關(guān)的微生物種群、群落以及功能和基因資源,這些微生物在維持濕地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、礦質(zhì)元素循環(huán)、降解污染物等方面起著重要的作用。
　　 本研究應(yīng)用時(shí)空替代法,在黃河三角洲黃河口自然

4、保護(hù)區(qū)內(nèi),選取一條能夠表征植被原生演替過程的典型濕地植物群落樣帶進(jìn)行研究。沿與海岸線垂直方向,順序?yàn)楣獍宓亍}地堿蓬Suaedasalsa(L.)Pall.群落(SS)→檉柳TamarixchinensisLour.群落(TC)→補(bǔ)血草Lioniumsienense(Girard.)O.Kuthze.群落(LS)→蘆葦Phragmitesaustralis(Cav.)Trin.exSteud.群落(PA)。分別于2008年4月、9月、2

5、009年9月進(jìn)行群落調(diào)查和土壤采集。通過測定土壤中水分(Moisturecontent)、pH值(pHH2o)、電導(dǎo)率(EC)、有機(jī)質(zhì)含量(SOM)、全氮含量(Nt),研究植被原生演替過程中春、秋季不同深度土壤理化性質(zhì)的變化規(guī)律。通過對(duì)于微生物群落的研究,主要包括:1)利用Biolog系統(tǒng)對(duì)土壤微生物群落水平的碳源利用功能進(jìn)行研究;2)利用靜態(tài)氣室法進(jìn)行土壤呼吸熵、微生物量碳計(jì)算;3)利用PLFA分析方法對(duì)土壤微生物群落水平的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研

6、究;4)利用高通量測定方法并結(jié)合數(shù)學(xué)公式擬合,對(duì)理論上微生物群落物種數(shù)量進(jìn)行估算、進(jìn)行遺傳多樣性指數(shù)計(jì)算以及優(yōu)勢菌群分析,揭示原生演替過程中,土壤微生物多樣性與土壤理化性質(zhì)之間的相互關(guān)系,以期為濕地生態(tài)系統(tǒng)的保育及恢復(fù)工作提供重要的理論依據(jù),同時(shí)也對(duì)改善濱海灘涂鹽堿土壤環(huán)境、開發(fā)濕地微生物資源具有一定的應(yīng)用價(jià)值。
　　 對(duì)于土壤理化性質(zhì)的研究表明,黃河三角洲濱海濕地春、秋季0～20cm(A層)和20～40cm(B層)土壤的電導(dǎo)率

7、均表現(xiàn)為光板地＞堿蓬群落＞檉柳群落＞補(bǔ)血草群落＞蘆葦群落,即隨著植物群落演替的進(jìn)行而降低,該指標(biāo)能夠在一定程度上反映植物群落的不同原生演替階段。同其他濱海濕地研究相比,黃河三角洲土壤的營養(yǎng)元素含量處于較低水平,這可能與該區(qū)域成土?xí)r間短、新生土壤的持養(yǎng)能力差等原因相關(guān)。土壤碳氮比(C/N)屬中等變異程度,在秋季植被演替中期相對(duì)較高,較寬的碳氮比反映了演替過程中海、陸相各因素變化的快速性、復(fù)雜性。Spearman相關(guān)分析表明植物群落多樣性指

8、數(shù)與土壤電導(dǎo)率存在負(fù)相關(guān)關(guān)系,而與有機(jī)質(zhì)含量、全氮呈正相關(guān)關(guān)系。通過分析可知,隨著植被的演替進(jìn)程,植物的枯落物開始?xì)w還土壤,土壤有機(jī)質(zhì)增加而鹽分減低,土壤性質(zhì)得到了改善,而土壤性質(zhì)的改變又會(huì)進(jìn)一步影響植物群落的類型。因此,演替過程是植被和土壤環(huán)境相互作用的過程,即植物對(duì)土壤狀況不斷適應(yīng)和改造、不同植物種類相互競爭資源或取替的過程。
　　 對(duì)于微生物的功能多樣性的研究表明,隨植被演替進(jìn)行,微生物也表現(xiàn)出了相應(yīng)的、有規(guī)律的變化。土壤

9、微生物生物量碳(Cmic)、基礎(chǔ)呼吸(BAS)以及AWCD值均表現(xiàn)出增大的趨勢,從整體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,生物量逐漸增大。從不同深度來看,除秋季B層土壤樣品的微生物群落AWCD值高于A層外,其他B層土壤微生物群落的特征指標(biāo)(AWCD、BAS、Cmic、Cmic/Corg均不高于A層,表明土壤微生物的數(shù)量和活性隨著深度的增加而降低,代謝活動(dòng)發(fā)生了明顯的變化。從多樣性指數(shù)角度看,春、秋季B層土壤的H'Biol

10、og均無顯著性差異,春季光板地土壤微生物Gini均勻度指數(shù)明顯大于其他各植物群落,秋季不同植被的土壤微生物Gini指數(shù)并沒有明顯的變化趨勢。結(jié)合以上兩點(diǎn),說明不同植被或者不同深度的土壤環(huán)境主要影響了微生物生物量、利用碳源的能力和代謝活動(dòng),而對(duì)微生物多樣性指數(shù)的影響卻不明顯。
　　 對(duì)于微生物的結(jié)構(gòu)多樣性的研究表明,隨植被演替進(jìn)行,春季土壤中不同深度細(xì)菌、真菌總量均表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢,而秋季不同深度土壤中細(xì)菌、真菌總量卻基本

11、是逐漸增大的趨勢。細(xì)菌、真菌含量最高峰出現(xiàn)在秋季蘆葦群落A層土壤中。植物根際土壤中分布的革蘭氏陰性菌要比革蘭氏陽性菌多,革蘭氏陽性菌(GP)/革蘭氏陰性菌(GN)、細(xì)菌(Bac)/真菌(Fungi)的比值在各演替階段并沒有表現(xiàn)出明顯的變化趨勢。從不同深度的土壤環(huán)境來看,春季B層土壤中的細(xì)菌或真菌含量均高于A層土壤,尤其是演替初期B層土壤中真菌含量要遠(yuǎn)高于A層土壤,而秋季多數(shù)B層土壤中的細(xì)菌或真菌含量均低于A層土壤,說明細(xì)菌或真菌總量并不

12、都是隨深度的增加而降低。
　　 對(duì)于微生物的遺傳多樣性的研究表明,研究區(qū)域內(nèi)各種典型植被下的土壤中理論上的細(xì)菌種類約為3861～5437。高通量測序所得57,684條序列分屬于細(xì)菌的20個(gè)門,主要包括Proteobacteria(變形菌門)、Bacteroidetes(擬桿菌門)、Firmicutes(厚壁菌門)、Actinobacteria(放線菌門)、Acidobacteria(酸桿菌門)、Chloroflexi(綠彎菌門)

13、、Verrucomicrobia(疣微菌門),所占比例分別為40.45、23.54、9.01、8.31、1.74、1.60、0.21％,其中屬于Proteobacteria、Bacteroidetes、Firmicutes、Actinobacteria門的序列總和占全部序列的81％。對(duì)各門、綱、目、科、屬相對(duì)含量的分布研究表明不同演替階段的主要微生物群落結(jié)構(gòu)不同。光板地的代表微生物種類包括Firmicutes(厚壁菌門)的Halobac

14、illus(嗜熱枯草芽孢桿菌屬)和Bacillus(枯草芽孢桿菌屬)屬等,測序所得Bacillus屬中的70.39％,HaloBacillus屬中的98.65％為光板地所有,同時(shí)光板地的Firmicutes門占該樣地所有序列的26.17％,這與微生物所在的鹽生環(huán)境是相適應(yīng)的。與光板地的情況顯著不同,演替末期土壤微生物的種類主要包括:Gammaprotecobacteria綱的Lysobacter屬;Actinobacteria門的Art

15、hrobacter屬;Bacteroidetes門的Flavobacteria綱。這些微生物主要降解纖維素,甚至許多難降解的芳香族化合物,因此大多存在于植物種類相對(duì)多樣的演替末期土壤中。以革蘭氏陰性菌,好氧菌,不產(chǎn)生孢子的Pseudomonas屬為代表的微生物類群在各植被類型下土壤中所含比例相似,這與其代謝類型多樣、適應(yīng)能力強(qiáng)密不可分。
　　 本研究利用微生物群落水平生理圖譜(CLPPs)、磷脂脂肪酸圖譜(PLFAs)和高通量測

16、序(Pyrosequencing)方法進(jìn)行研究,分別反映了微生物群落不同方面的特征。利用Biolog系統(tǒng)得到了土壤微生物碳源利用方式差異,該方法側(cè)重對(duì)微生物群落的生理狀態(tài)進(jìn)行研究。多元統(tǒng)計(jì)分析表明植被和土壤理化指標(biāo)對(duì)于微生物群落的變化有顯著性影響,反映了隨著原生演替進(jìn)行濕地植被對(duì)于土壤微生物在有機(jī)物分解過程中生理狀態(tài)的影響。植被改變而引起的土壤中凋落物質(zhì)和量的變化是微生物群落改變的主要驅(qū)動(dòng)力。微生物主要以植物殘?bào)w為營養(yǎng)源,隨著植物群落演

17、替的進(jìn)行,持續(xù)的脫鹽堿使得土壤有機(jī)質(zhì)更加豐富,變得更適宜微生物群落的分解活動(dòng),微生物群落數(shù)量和活性的提高又進(jìn)一步增強(qiáng)了濕地生態(tài)系統(tǒng)中植被與土壤間的穩(wěn)定性。另外一方面,植物的根系作用也可能是直接或間接造成微生物群落改變的原因。
　　 利用PLFAs分析得到的是土壤微生物結(jié)構(gòu)差異,該方法側(cè)重對(duì)微生物群落的組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,初步揭示了春、秋季黃河三角洲濕地典型植被的不同深度土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)特征和差異。由于受到標(biāo)記物的限制,基于磷

18、脂脂肪酸水平分析得到的結(jié)果不夠精細(xì),進(jìn)而我們采用高通量測序分析的方法獲得了較為全面的信息。由高通量測序所得序列信息計(jì)算得到的多樣性指數(shù)ACE、Chao、H’Pyrosequencing和DS'Pyroseuencing變化趨勢同植被演替進(jìn)程并不一致,這一點(diǎn)在CLPPs分析所得結(jié)果中也有所體現(xiàn),用表示微生物群落功能多樣性指標(biāo)計(jì)算得到的微生物多樣性指數(shù)在各個(gè)植被演替階段沒有表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。就DS,Pyrosequencing看,與光板

19、地相比,當(dāng)植被演替到達(dá)末期時(shí),微生物群落的異質(zhì)性得到了較大的提高,說明植被演替過程中土壤微生物群落異質(zhì)性的提高可能與H'vegeration的增大相關(guān)。通過對(duì)微生物群落功能和結(jié)構(gòu)多樣性的研究得知,植物的凋落物和根系分泌物為土壤微生物提供無機(jī)碳和資源;分解者降解有機(jī)物和某些生物多聚物(如淀粉、果膠、蛋白質(zhì)等),并將其歸還至土壤中,這些營養(yǎng)元素又將間接調(diào)控植物生長和群落組成,植被通過土壤環(huán)境與微生物之間建立起密切聯(lián)系?？梢?利用多種反映微生