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關系.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、有機質轉化、生態(tài)系統(tǒng)平衡、土壤環(huán)境凈化與生物修復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)的結構、功能密不可分,是維持土壤生產(chǎn)力的重要組分。它們對于環(huán)境變化十分敏感,其結構和功能會隨著環(huán)境條件的改變而發(fā)生迅速改變。土壤微生物對環(huán)境的作用主要是通過群落代謝功能差異來實現(xiàn)的,微生物多樣性的變化能較早地反映土壤質量的變化過程,是評價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構變化對于整個生態(tài)系統(tǒng)的研究具有重要意義。目前,該領域大多數(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)過程中開展相關研究,有助于解決生態(tài)學領域長期存在的問題,揭示未來研究的新領域。
　　 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,對于預測生態(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、物質梯度變化的復雜特殊環(huán)境中,可能具有與陸相和海相因素都相關的微生物種群、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、礦質元素循環(huán)、降解污染物等方面起著重要的作用。
　　 本研究應用時空替代法,在黃河三角洲黃河口自然

4、保護區(qū)內,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行研究。沿與海岸線垂直方向,順序為光板地→鹽地堿蓬Suaedasalsa(L.)Pall.群落(SS)→檉柳TamarixchinensisLour.群落(TC)→補血草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月進行群落調查和土壤采集。通過測定土壤中水分(Moisturecontent)、pH值(pHH2o)、電導率(EC)、有機質含量(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的變化規(guī)律。通過對于微生物群落的研究,主要包括:1)利用Biolog系統(tǒng)對土壤微生物群落水平的碳源利用功能進行研究;2)利用靜態(tài)氣室法進行土壤呼吸熵、微生物量碳計算;3)利用PLFA分析方法對土壤微生物群落水平的結構進行研

6、究;4)利用高通量測定方法并結合數(shù)學公式擬合,對理論上微生物群落物種數(shù)量進行估算、進行遺傳多樣性指數(shù)計算以及優(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之間的相互關系,以期為濕地生態(tài)系統(tǒng)的保育及恢復工作提供重要的理論依據(jù),同時也對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用價值。
　　 對于土壤理化性質的研究表明,黃河三角洲濱海濕地春、秋季0～20cm(A層)和20～40cm(B層)土壤的電導率

7、均表現(xiàn)為光板地＞堿蓬群落＞檉柳群落＞補血草群落＞蘆葦群落,即隨著植物群落演替的進行而降低,該指標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)域成土時間短、新生土壤的持養(yǎng)能力差等原因相關。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、復雜性。Spearman相關分析表明植物群落多樣性指

8、數(shù)與土壤電導率存在負相關關系,而與有機質含量、全氮呈正相關關系。通過分析可知,隨著植被的演替進程,植物的枯落物開始歸還土壤,土壤有機質增加而鹽分減低,土壤性質得到了改善,而土壤性質的改變又會進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,即植物對土壤狀況不斷適應和改造、不同植物種類相互競爭資源或取替的過程。
　　 對于微生物的功能多樣性的研究表明,隨植被演替進行,微生物也表現(xiàn)出了相應的、有規(guī)律的變化。土壤

9、微生物生物量碳(Cmic)、基礎呼吸(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(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。結合以上兩點,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,而對微生物多樣性指數(shù)的影響卻不明顯。
　　 對于微生物的結構多樣性的研究表明,隨植被演替進行,春季土壤中不同深度細菌、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菌、真菌總量卻基本

11、是逐漸增大的趨勢。細菌、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高于A層土壤,而秋季多數(shù)B層土壤中的細菌或真菌含量均低于A層土壤,說明細菌或真菌總量并不

12、都是隨深度的增加而降低。
　　 對于微生物的遺傳多樣性的研究表明,研究區(qū)域內各種典型植被下的土壤中理論上的細菌種類約為3861～5437。高通量測序所得57,684條序列分屬于細菌的20個門,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％。對各門、綱、目、科、屬相對含量的分布研究表明不同演替階段的主要微生物群落結構不同。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、適應能力強密不可分。
　　 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,該方法側重對微生物群落的生理狀態(tài)進行研究。多元統(tǒng)計分析表明植被和土壤理化指標對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行濕地植被對于土壤微生物在有機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和量的變化是微生物群落改變的主要驅動力。微生物主要以植物殘體為營養(yǎng)源,隨著植物群落演

17、替的進行,持續(xù)的脫鹽堿使得土壤有機質更加豐富,變得更適宜微生物群落的分解活動,微生物群落數(shù)量和活性的提高又進一步增強了濕地生態(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構差異,該方法側重對微生物群落的組成和結構進行研究,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構特征和差異。由于受到標記物的限制,基于磷

18、脂脂肪酸水平分析得到的結果不夠精細,進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程并不一致,這一點在CLPPs分析所得結果中也有所體現(xiàn),用表示微生物群落功能多樣性指標計算得到的微生物多樣性指數(shù)在各個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,當植被演替到達末期時,微生物群落的異質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性的提高可能與H'vegeration的增大相關。通過對微生物群落功能和結構多樣性的研究得知,植物的凋落物和根系分泌物為土壤微生物提供無機碳和資源;分解者降解有機物和某些生物多聚物(如淀粉、果膠、蛋白質等),并將其歸還至土壤中,這些營養(yǎng)元素又將間接調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