不同荒漠植物根際土壤微生物群落結構特征

李欣玫,左易靈,薛子可,張琳琳,趙麗莉,賀學禮

河北大學生命科學學院,保定 071002

安西極旱荒漠地區氣候條件惡劣,植物種類組成和群落結構簡單。膜果麻黃(Ephedraprzewalskii)、紅砂(Reaumuriasongarica)、合頭草(Sympegmaregelii)、珍珠豬毛菜(Salsolapasserina)、泡泡刺(Nitrariasphaerocarpa)作為安西極旱荒漠的代表性植被,分別隸屬麻黃科、檉柳科、藜科和蒺藜科,其群落發育、分布及對土壤微環境的調控作用差異顯著。此外,膜果麻黃等5種植物均具有根系發達、耐旱、抗風沙等特性,對極旱荒漠生態系統維持具有重要作用。

土壤微生物參與多種生化反應過程,是有機物的主要分解者,在陸地生態系統養分循環中扮演著重要角色,尤其對C、N循環過程具有重要意義[1- 2]。土壤微生物特性對土壤基質變化敏感,其群落結構組成和生物量等可以反映土壤肥力狀況,是重要的生物學指標[3- 4]。研究表明,土壤微生物與地表植被類型關系密切。畢江濤等[5]認為在一定空間尺度具有相似環境的條件下,隨著植物類型不同,土壤微生物活性和群落結構表現出一定的差異。Ushio等[6]研究認為,植物能夠通過根系分泌物等途徑向土壤輸入不同質量的碳源,改變土壤環境,進而影響土壤微生物群落結構。目前,有關植被類型對土壤微生物群落結構影響的研究主要集中于濕地、森林、草地等生態系統[6- 8],對荒漠生境中不同植被下土壤微生物群落結構的研究甚少。

基于此,我們假設：極旱荒漠生境中,不同植被下土壤微生物群落結構有顯著差異。因此,本試驗采用磷脂脂肪酸(PLFA)法結合Sherlock微生物鑒定系統,研究膜果麻黃等5種極旱荒漠植物根際土壤微生物群落結構,深入探討植物種類和土壤因子對微生物群落組成和生態分布的影響,以期為干旱風沙區荒漠植被恢復和生態環境保護提供依據。

1 材料和方法

1.1 樣地概況

研究區位于甘肅安西極旱荒漠國家級自然保護區(94°45′—97°00′E,39°52′—41°53′N),地處甘肅省瓜州縣境內。該地區屬典型大陸性氣候,年均氣溫7.8—10℃,年均降雨量<52.0mm,季節分配不均,夏季降雨量占全年降雨的70%左右,年蒸發量2754.9—3420mm。土壤類型多為灰棕漠土,植被覆蓋度低,主要有紅砂、合頭草、珍珠豬毛菜、泡泡刺、膜果麻黃等(表1)。

表1 5種植物群落基本信息

1.2 樣品采集

于2015年7月在保護區選取上述5種典型植物群落,分別在每個植物群落按五點采樣法選取5株相隔200m左右、長勢相近的植株,去除土壤表面枯枝落葉層,在距植株主干0—30cm土層范圍內采集根樣,自然抖落根樣根際土壤,混合均勻后裝入隔熱性能良好的自封袋帶回實驗室。土樣過2mm篩后,部分保存在-20℃冰箱用于土壤微生物PLFA測定,其余用于土壤理化性質測定。

1.3 土壤因子測定

土壤pH用精密酸度計PHS- 3C測定；土壤有效磷用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法；全氮、氨氮、全磷用全自動化學分析儀Smartchem200測定；堿解氮用堿解擴散法；土壤有機碳用馬弗爐烘干法；按Wright[9]和Janos[10]等方法測定總球囊霉素和易提取球囊霉素；用改進的Brimner和Tabatabai[11]方法測定土壤酸性磷酸酶和堿性磷酸酶,其活性以1g土樣培養1h后酸性磷酸酶和堿性磷酸酶轉化對硝基苯磷酸二鈉(PNPP)的量表示。

1.4 土壤微生物磷脂脂肪酸測定

土壤微生物群落結構根據Bossio等[12]的方法進行測定：將土壤提取液(氯仿∶甲醇∶磷酸緩沖液=1∶2∶0.8,v/v/v)加入到冷凍干燥土壤中提取脂類,利用硅膠柱(SPE-Si,500mg/6mL)進行分離純化,純化后的脂肪酸用KOH-甲醇溶液甲酯化,再加入甲酯化C19:0作為內標,用美國Agilent 6890N型GC-MS分析儀結合Sherlock MIS4.5系統(Sherlock Microbial Identification System)完成檢測分析。單個 PLFA 含量用nmol/g表示,特征磷脂脂肪酸分類見表2。

表2 特征磷脂脂肪酸(PLFA)分類

1.5 數據分析

所有數據取3個重復的平均值,用Excel 2010進行整理,利用SPSS 19.0生物統計軟件,對土壤因子和土壤微生物群落進行單因素方差分析,對土壤微生物PLFA進行主成分分析；用Amos Graphics 22.0構建結構方程模型(SEM)確定土壤因子與土壤微生物群落的相關性,其擬合標準如下：2/df<2,P>0.05,RMSEA<0.05。

2 結果與分析

2.1 土壤理化性質

5種植物根際土壤pH均呈堿性；總球囊霉素在泡泡刺中顯著高于膜果麻黃、合頭草和珍珠豬毛菜；酸性磷酸酶在紅砂中顯著高于其他植物；堿性磷酸酶在紅砂和泡泡刺中有最大值；土壤有機碳在合頭草中最高,泡泡刺中最低,其他植物間無顯著差異；氨氮在不同植物間差異顯著；土壤有效磷、全磷、全氮、堿解氮、易提取球囊霉素在不同植物間均無顯著差異(表3)。

2.2 土壤微生物磷脂脂肪酸分析

本試驗選取大于0.01nmol/g的24種PLFA進行分析。主成分分析表明(圖1),與土壤微生物PLFA相關的3個主成分因子累積貢獻率達96.838%,分別可解釋變量方差的77.140%、12.617%和7.081%。不同植物在PC1、PC2和PC3上分布較散,說明不同植物土壤微生物PLFA組成差異顯著。由表4可知,膜果麻黃、紅砂和珍珠豬毛菜在3個主成分上得分無顯著差異,合頭草、泡泡刺分別在PC3和PC2上的得分顯著最高。

表3 不同植物根際土壤因子

不同字母表示不同植物群落間差異顯著(P<0.05)

表4 不同植物在PC1、PC2和PC3上得分

不同字母表示同一植物群落在不同主成分上得分差異顯著(P<0.05)

圖1 土壤微生物PLFA主成分分析Fig.1 Principal component analysis of soil microbial PLFA E：膜果麻黃Ephedra przewalskii；R：紅砂Reaumuria songarica；S：合頭草Sympegma regelii；N：泡泡刺Nitraria sphaerocarpa；Sa：珍珠豬毛菜 Salsola passerina

將PLFA單體與PC1、PC2和PC3進行相關性分析可知(表5),15:0 iso、15:0 anteiso、17:0 anteiso(指示革蘭氏陽性菌)；16:1 ω7c、17:1 ω8c、18:1 ω7c(指示革蘭氏陰性菌)；16:0 10-methyl、18:0 10-methyl(指示放線菌)是膜果麻黃根際土壤主要PLFAs。18:0 iso(指示革蘭氏陽性菌)；23:1 ω4c、20:4 ω6c(指示真核生物)；16:1 ω5c(指示AM真菌)是紅砂主要PLFAs,其中18:0 iso、23:1 ω4c僅在紅砂中存在。合頭草根際土壤PLFAs以18:1 ω7c 、19:0 cyclo ω7c(指示革蘭氏陰性菌)；16:0 10-methyl(指示放線菌)；16:3 ω6c、18:3 ω6c(指示真核生物)為主。18:2 ω6c(指示真菌)在泡泡刺中占主導地位。珍珠豬毛菜主要有15:0 iso、15:0 anteiso、17:0 iso、16:0 iso 、17：1 iso ω9c(指示革蘭氏陽性菌)；16:1 ω7c、17:1 ω8c、18:1 ω7c、19:0 cyclo ω7c(指示革蘭氏陰性菌)；16:0 10-methyl、18:0 10-methyl、18:1 ω7c 10-methyl(指示放線菌)；20:4 ω6c(指示真核生物)；16:1 ω5c(指示AM真菌)；18:2 ω6c(指示真菌),其中16:0 iso、17:1 iso ω9c和18:1 ω7c 10-methyl為珍珠豬毛菜特有。可見,不同植物根際土壤微生物主要PLFA種類和組成差異顯著,但以表征革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌和放線菌的特征脂肪酸為主。

表5 不同植物單種特征PLFA與PC1、PC2和PC3的相關性分析

*P<0.05,**P<0.01; “—”表示在該植物中未檢出

2.3 土壤微生物群落結構分析

5種植物根際土壤微生物群落結構差異顯著(表6),膜果麻黃、泡泡刺和珍珠豬毛菜中革蘭氏陰性菌顯著最高,革蘭氏陽性菌、放線菌和真核生物次之,AM真菌最低；紅砂中革蘭氏陰性菌顯著高于其他微生物；合頭草中AM真菌最高,真菌最低。不同植物,總PLFA、放線菌和真菌表現為珍珠豬毛菜>膜果麻黃>泡泡刺>紅砂>合頭草,革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌大小順序為膜果麻黃>珍珠豬毛菜>泡泡刺>紅砂>合頭草,AM真菌在合頭草中顯著最高。真菌/細菌在珍珠豬毛菜中顯著高于其他植物,其他植物間無顯著差異。

表6 不同植物土壤微生物PLFAs含量

不同大寫字母表示同一植物各微生物類群間差異顯著(P<0.05),不同小寫字母表示同一微生物在不同植物群落間差異顯著

2.4 土壤微生物群落與土壤因子相關性分析

相關性分析可知(表7),土壤pH與革蘭氏陰性菌顯著負相關；全氮與AM真菌顯著正相關；氨氮與革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌、放線菌和真菌顯著正相關；堿解氮與革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌和放線菌顯著負相關；酸性磷酸酶與革蘭氏陽性菌和放線菌顯著負相關；易提取球囊霉素與革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌和放線菌顯著正相關;總球囊霉素與真菌顯著負相關。

*P<0.05,**P<0.01

2.5 植物種類和土壤因子對微生物群落的影響

根據相關系數構建結構方程模型(圖2),對植物、易提取球囊霉素、土壤pH、堿解氮與革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌、放線菌和AM真菌的相關關系進行量化(2=8.018,df=16,P=0.948,RMSEA=0,GFI=0.883)。結果表明,植物通過土壤pH、堿解氮對革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌和AM真菌產生間接影響但不顯著,易提取球囊霉素對放線菌有極顯著直接影響,堿解氮是革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌的主要影響因子。

圖2 土壤微生物群落與植物、土壤因子結構方程模型分析Fig.2 Structural equation model about soil microbial communities, plants and soil factors 箭頭寬度表示影響程度,箭頭附近的數字代表標準化路徑系數(其中表示P<0.001,表示P<0.01,表示P<0.05)

3 討論和結論

3.1 討論

本試驗中5種植物根際土壤以表征革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌和放線菌的特征磷脂脂肪酸為主,其中表征革蘭氏陽性菌的18:0 iso、16:0iso和17:1 iso ω9c分別為紅砂、珍珠豬毛菜特有表征放線菌的18:1 ω7c 10-methyl僅在珍珠豬毛菜中存在,說明不同植物土壤微生物主要PLFA種類和組成差異顯著。Cao等[13]認為由于單種特征PLFA對土壤環境變化敏感,因此植物介導下土壤性質的改變對土壤微生物PLFA有顯著影響。本試驗中,紅砂是典型泌鹽植物,可通過鹽分轉移在一定程度上降低土壤鹽分,而珍珠豬毛菜作為C4植物,其根系分泌物能夠改變土壤有機質,從而影響單種特征PLFA的分布。

5種植物根際土壤微生物群落結構差異顯著。有些研究認為,這可能與植物根系分泌物有關,植物不同,根系分泌物物理化學性狀不同,從而對土壤微生物產生不同的刺激作用[5]。總PLFA、放線菌、真菌、革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌變化趨勢基本一致,表現為珍珠豬毛菜>膜果麻黃>泡泡刺>紅砂>合頭草,說明珍珠豬毛菜根際土壤環境更有利于微生物生長。珍珠豬毛菜是C4植物,土壤有機質含量高于C3植物[2],加之真菌、革蘭氏陽性菌對木質素等物質的分解[17],能進一步改善珍珠豬毛菜根際土壤環境,使其土壤微生物含量更高。Aguilera等[18]研究表明,隨著土壤可利用性養分增加,土壤微生物豐度也隨之提高。膜果麻黃為超旱生常綠灌木、植株較高且具有軸根型根系,而紅砂、合頭草屬小灌木、植株矮小,因此向土壤輸入的養分可能遠低于膜果麻黃,導致其根際土壤微生物含量顯著最低。AM真菌在合頭草中最高,膜果麻黃中最低,可能與AM真菌生長特性有關。AM真菌作為植物共生真菌,其發生和分布往往依賴于植物根系[19]且對土壤鹽堿度變化敏感[20]。合頭草根系發達、側根眾多,能為AM真菌的侵染和共生提供支持；而膜果麻黃在水平方向上的聚鹽性可能會抑制某些AM真菌生長,導致其根際土壤AM真菌含量顯著降低。真菌/細菌作為表征土壤有機質的指標[21],在珍珠豬毛菜中顯著高于其他植物,從側面反映了珍珠豬毛菜根際土壤質量相對最高。

作為植物與土壤環境之間溝通的橋梁,土壤微生物群落結構必然受到植物和土壤因子的直接影響。本試驗中,與植物相比,土壤因子對土壤微生物群落的影響更為顯著,其中易提取球囊霉素和堿解氮是主要影響因子,這可能與樣地生態環境有關。安西極旱荒漠干旱少雨且在7月份溫度達全年最高值,土壤微生物活性明顯降低,植物凋落物和根系分泌物分解受到抑制,加上降水量低、淋溶作用減弱,導致植物分解產生的營養物質對土壤微生物無顯著影響[22]。球囊霉素是AM真菌分泌產生的一類具有一定黏附力的糖蛋白,隨菌絲壁和孢子降解釋放到土壤中,是土壤有機碳庫的重要組成部分,且其黏附力有利于土壤團聚體形成,從而提高土壤通氣性[23],為放線菌提供適宜的生長環境。堿解氮對革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌有顯著負影響,可能與不同碳氮比對細菌的影響有關。氮素作為細菌細胞的重要成分,其含量越高,細菌自身合成作用越強,所需能量越多,但荒漠土壤有機碳含量較低,無法滿足細菌物質合成對能量的需求。此外,氮素含量過高導致土壤積累大量銨鹽,使得土壤pH升高,不利于有機物分解,從而抑制細菌生長。

3.2 結論

5種荒漠植物根際土壤微生物群落結構差異顯著,并與植物群落和土壤因子密切相關,但土壤因子對土壤微生物影響更為顯著,其中易提取球囊霉素和堿解氮是主要影響因子。這不僅有助于進一步揭示荒漠植物、土壤因子與土壤微生物群落的相互關系,同時對利用生物技術進行荒漠植被恢復具有重要意義。

致謝：河北大學生命科學院侯力峰、成斌、郭清華和孫茜同學幫助采集野外樣品，甘肅安西極旱荒漠國家級自然保護區和甘肅民勤連古城國家級自然保護區為野外采樣工作提供便利，特此致謝。

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