文峪河上游河岸帶不同植被類型土壤nirS反硝化菌群結構及功能

韓曉麗,黃春國,張蕓香,郭晉平,*

1 山西農業大學,林學院,太谷 030801 2 北方功能油料樹種培育與研發山西省重點實驗室,太谷 030801 3 山西農業大學農學院,太谷 030801

河岸帶植物群落是介于河流生態系統和陸地生態系統之間的關鍵功能型森林群落系統,是二者之間進行物質循環、能量轉化和信息交換的重要過渡區域,在維持流域景觀穩定性和生態安全方面發揮著重要作用[1-3]。河岸帶植物群落演替過程,不僅受河岸帶高度復雜地形地貌等生境條件影響,還受到洪水引起的侵蝕和沉積的干擾[4],使得整個流域河岸帶植物群落類型呈現出明顯的演替差異。而處于不同演替階段的河岸帶植被類型,對整個流域生態系統發揮著獨特的水文功能和生態功能[5-6]。

為闡明文峪河上游河岸帶氮素濾除機制,特別是反硝化作用及其影響的環境因子間的作用關系。本文以該地區河岸帶不同演替階段的植被類型為研究對象,對土壤主要理化性質、反硝化菌群多樣性及群落組成和反硝化酶活性等進行分析,揭示不同植被類型土壤反硝化菌群多樣性及群落組成和反硝化酶活性變化規律,并解析差異變化與土壤主要理化性質的關聯性,闡明土壤反硝化菌群多樣性及群落組成與河岸帶植物群落演替的控制關系,為進一步研究該區域河岸帶氮素循環及水體污染防治提供重要參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

文峪河,屬于黃河支流汾河的支流,全長155 km,其上游段自發源地關帝山主峰孝文山南麓龐泉溝起始至文峪河水庫一段,稱中西河,位于呂梁山脈中段關帝山林區的龐泉溝國家級自然保護區內。該保護區位于山西省交城、文水、方山、婁煩等縣交界處,地理坐標為111°22′—111°33′ E,37°45′—37°55′ N,海拔1600—2831 m。氣候屬于受季風影響和控制的暖溫帶大陸性山地氣候,年平均氣溫4.2 ℃,年平均降雨量822.6 mm,主要集中在7—9月,占全年總量的83%以上。土壤類型從低海拔到高海拔(1650—2830 m)依次為山地褐土、山地淋溶褐土、山地棕壤和亞高山草甸土。區域內植物物種多樣性較高,有種子植物89科359屬809種[14]；其中河岸帶植被優勢植物有青杄 (Piceawilsonii)、白杄 (P.meyeri)、華北落葉松 (Larixprincipis-rupprechtii)、白樺 (Betulaplatyphylla)、山楊 (PopuluscathayanaRehd.)、沙棘 (Hippophaerhamnoides)、密齒柳 (SalixcharacterSchneid)等[4,15]。

1.2 試驗設計和采樣

根據已有的調查數據和圖面材料,結合實地踏查,于2016年在文峪河上游主河道及支流人為干擾較少的地段,選址設置8種具代表類型的河岸植被類型樣地,每種類型選取立地條件相似的3個樣地重復,每個樣地內設置3個樣方,喬木20 m×20 m,灌木10 m×10 m,草本2 m×2 m,樣方間距大于10 m,樣方內使用“S”型5點采樣法,清除土壤表層雜質后,采取0—15 cm(A層)和15—30 cm(B層)不同土層土樣,分別分層將5處土壤并混合為一個土樣。樣品放置于冰袋冷藏箱中運送回實驗室。實驗室內對土樣進行過篩(2 mm)并混勻,去除植物根系和石頭等雜質。再采用四分法將每個土樣分為兩份,一份室內風干用于測定土壤理化指標,一份保存于-70℃冰箱內用于土壤反硝化菌群多樣性及群落組成的測定。

同時,依據高潤梅[4]和吉久昌等[15]關于文峪河上游河岸林演替分析及群落類型研究結果,將本實驗8種植被類型歸類為6個演替階段,即：五花草甸(WH, Multi-flower meadow)屬于演替I階段、沙棘灌木林(HR, Hippophae shrub)和柳樹灌木林(SS, Salix shrub)群落類型屬于演替II階段、山楊林群落類型(PC, Poplar forest)和山楊白樺混交林(PQ, Poplar birch forest)屬于演替III階段、山楊白樺落葉松混交林(PQL, Poplar birch and larix forest)屬于演替IV階段、落葉松云杉混交林(LP, Larix and picea forest)屬于演替V階段、云杉林群落類型(PM, Picea forest)屬于演替VI階段。樣地基本概況見表1。

表1 文峪河上游河岸帶不同植被類型采樣地概況及優勢植物種

1.3 數據測定及分析

土壤反硝化菌群多樣性及群落組成采用第二代高通量測序平臺 (Illumina Miseq)進行測序分析。PCR擴增采用的是nirS基因引物：Cd3aF(5′-GTSAACGTSAAGGARACSGG-3′)和R3cd(5′-GASTTCGGRTGSGTCTTGA-3′)；擴增反應體系：2 μL的純化DNA,5 μL的Q5反應緩沖液(5×),5 μL的Q5高保真GC緩沖液(5×),0.25 μL的Q5高保真DNA聚合酶(5U/μL),2 μL的dNTPs液(2.5 mmol/L),上游引物和下游引物(10 μmol/L)各1 μL,8.75 μL的去離子水；擴增條件：98℃預變性2 min,98℃變性15 sec,55℃退火30 sec,72℃延伸30 sec,25個循環,最后72℃延伸5 min。運用uclust軟件對序列進行聚類,序列相似性定位0.97,操作分類單元被認為可能接近于屬。使用QIIME軟件和R語言軟件包(v3.6.1)進行反硝化菌群Alpha多樣性分析。

1.4 數據統計與分析

使用SPSS 20.0軟件對土壤理化性質、土壤反硝化酶活性和菌群多樣性及群落組成等數據進行雙因素方差分析和多重比較,以及Spearman相關性分析；使用R 3.6.1(vegan)軟件包對不同植被類型的土壤理化性質與反硝化菌群多樣性及群落組成進行冗余分析(RDA)。

2 結果與分析

2.1 不同植被類型及土層間土壤理化性質

不同植被類型土壤理化性質存在較大差異(表2),五花草甸(WH)型土壤pH顯著高于其他植被類型,土壤有機碳(SOC)、速效磷(AP)、土壤含水量(SM)和土壤全氮(TN)等卻較低；柳樹灌木林(SS)土壤全氮(TN)較高,而土壤pH值和銨態氮含量較低；山楊白樺混交林(PQ)土壤銨態氮較高；落葉松云杉混交林(LP)土壤有機碳(SOC)和土壤含水量(SM)較高；云杉林(PM)土壤速效磷(AP)和土壤含水量(SM)較高。同時,土壤理化性質在不同土層間差異顯著。0—15 cm土層土壤有機碳(SOC)含量、速效磷(AP)、土壤含水量(SM)、全氮(TN)和銨態氮顯著高于15—30 cm土壤層,但土壤pH顯著低于15—30 cm土壤。另外,土壤硝態氮受植被類型和土層相互作用的影響(圖1)。其中柳樹灌木林(SS)群落類型0—15 cm土層硝態氮含量顯著性高于其他植被類型的各個土層,山楊林(PC) 0—15 cm及15—30 cm土層、五花草甸(WH) 15—30 cm土層硝態氮含量較低,且相互之間差異不顯著。

表2 文峪河上游不同植被類型和土層土壤理化性質

植被類型×土層交互作用不顯著,但主因子作用均顯著。表中數值為平均值±標準差,同一列中不同字母表示彼此在P≤0.05 水平上差異顯著(Tukey 檢驗法)；小寫字母表示不同植被類型間差異顯著,大寫字母表示不同土層間差異顯著

圖1 文峪河上游河岸不同植被類型和土層土壤硝態氮含量Fig.1 Soil nitrate content in different riparian vegetations and soil layers of upper Wenyuhe watershed 植被類型×土層交互作用顯著(P≤0.05). 圖中誤差線為標準差,每個柱上方字母表示彼此在P ≤0.05 水平上差異顯著(Tukey 檢驗法);WH：五花草甸Multi-flower meadow；HR：沙棘灌木林Hippophae shrub；SS：柳樹灌木林Salix shrub； PC：山楊林Poplar forest；PQ：山楊白樺林Poplar birch forest； PQL：山楊白樺落葉松林Poplar birch and larix forest； LP：落葉松云杉林Larix and picea forest；PM：云杉林 Picea forest

2.2 不同植被類型及土層間土壤反硝化菌群多樣性及反硝化酶活性

土壤反硝化菌群多樣性受植被類型和土層相互作用的影響(圖2)。沙棘灌木林(HR)15—30 cm土層反硝化菌群多樣性Chao1指數顯著高于其他植被類型各土層,山楊白樺落葉松林 (PQL)15—30 cm土層Chao1指數最低；云杉林(PM) 0—15 cm土層、山楊白樺落葉松林(PQL) 0—15 cm土層和五花草甸(WH)15—30 cm土層Shannon指數最高,山楊白樺落葉松林(PQL)15—30 cm土層最低,且差異顯著。結合植被類型演替分析,土壤反硝化菌群多樣性指數變化大致呈“W”型趨勢,即五花草甸(WH)(演替I期)、山楊白樺林(PQ)(演替III期)和云杉林(PM)(演替VI期)土壤反硝化菌群多樣性較高。

圖2 文峪河上游河岸不同植被類型和土層土壤中反硝化菌群多樣性Fig.2 Soil denitrifying bacterial diversity in different riparian vegetations and soil layers of upper Wenyuhe watershed 植被類型×土層交互作用顯著(P≤0.05). 圖中誤差線為標準差,每個柱上方字母表示彼此在P≤0.05 水平上差異顯著(Tukey 檢驗法)

土壤反硝化酶活性是反映土壤反硝化功能重要指標。由圖3可知,土壤反硝化酶活性受植被類型和土層相互作用的影響,演替II階段,沙棘灌木林(HR)和柳樹灌木林(SS) 0—15 cm土層土壤反硝化酶活性最高,其15—30 cm土層土壤反硝化酶活性次之,且二者之間差異不顯著。即與其他植被類型相比,沙棘灌木林(HR)和柳樹灌木林(SS)土壤反硝化功能較強。結合植被類型演替分析,土壤反硝化酶活性變化呈倒“V”型趨勢,即演替II期的沙棘灌木林(HR)和柳樹灌木林(SS)土壤反硝化酶活性較強。

圖3 文峪河上游河岸不同植被類型和土層土壤反硝化酶活性Fig.3 Denitrifying enzyme activity in different riparian vegetation and soil layers of upper Wenyuhe watershed植被類型×土層交互作用顯著(P≤0.05). 圖中誤差線為標準差,每個柱上方字母表示彼此在 P≤0.05 水平上差異顯著(Tukey 檢驗法)

2.3 不同植被類型及土層間土壤反硝化菌群落組成及優勢菌群

土壤反硝化菌群落組成及優勢菌群受植被類型和土層相互作用影響。由圖4可知,門水平上,土壤反硝化菌群落組成主要包括了變形菌門(Proteobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)、放線菌門(Actinobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)和浮霉菌門(Planctomycetes)。其中,變形菌門(Proteobacteria)在柳樹灌木林0—15 cm土層(SSA)土壤中相對豐度最高,屬于優勢菌群,厚壁菌門(Firmicutes)是五花草甸0—15 cm土層(WHA)優勢菌群,放線菌門(Actinobacteria)在沙棘灌木林0—15 cm土層(HRA)和柳樹灌木林0—15 cm土層(SSA)屬于優勢菌群,綠彎菌門(Chloroflexi)是山楊白樺落葉松林混交林0—15 cm土層(PQLA)優勢菌群；而浮霉菌門(Planctomycetes)僅在落葉松云杉混交林15—30 cm土層(LPB)和云杉林15—30 cm土層(PMB)土壤中有分布,且二者之間差異不顯著。同時,柳樹灌木林15—30 cm土層(SSB)和云杉林15—30 cm土層(PMB)土壤反硝化菌群落組成較豐富,均含有四種不同門的反硝化菌群。其中,柳樹灌木林15—30 cm土層(SSB)除變形菌門(Proteobacteria)為優勢菌群外,仍含有少量的厚壁菌門(Firmicutes)、放線菌門(Actinobacteria)和綠彎菌門(Chloroflexi)；云杉林15—30 cm土層(PMB)土壤中優勢菌群為變形桿菌門(Proteobacteria)和厚壁菌門(Firmicutes)；而演替III期山楊林(PC)和山楊白樺混交林(PQ)土壤中反硝化菌群落組成較稀少,僅含有變形桿菌門(Proteobacteria)和厚壁菌門(Firmicutes)；云杉林0—15 cm土層(PMA)僅有變形桿菌門(Proteobacteria)和綠彎菌門(Chloroflexi)。

圖4 文峪河上游河岸不同植被類型土壤nirS 型反硝化菌群相對豐度組成(門水平)Fig.4 Composition and abundance of nirS denitrifiers at phylum level of different riparian vegetations of upper Wenyuhe watershed柱內字母分別表示同一反硝化細菌門在不同植被類型及土層樣本間相對豐度在 P≤0.05 水平上差異顯著(Tukey 檢驗法)；橫坐標標簽后加A表示0—15 cm土層；加B表示15—30 cm土層

在屬水平上,對相對豐度前10的屬進行分析可知(表3)：五花草甸土壤中芽孢桿菌屬(Bacillus)在0—15 cm土層相對豐度含量較高,貪銅菌屬(Cupriavidus)在15—30 cm土層較高；沙棘灌木林中固氮菌屬(Azoarcus)和硫針菌屬(Sulfuritalea)在0—15 cm土層中相對豐度較高,紅長命菌屬(Rubrivivax)在15—30 cm土層中相對豐度較高；柳樹灌木林0—15 cm土層(SSA)中羅河桿菌屬(Rhodanobacter)較高；山楊白樺混交林土壤中固氮螺菌屬(Azospirillum)和多形菌屬(Polymorphum)在0—15 cm土層相對豐度較高,假單孢菌屬(Pseudomonas)在15—30 cm土層含量較高；落葉松云杉混交林土壤中紅長命菌屬(Rubrivivax)在0—15 cm土層中含量較高,固氮螺菌屬(Azospira)在15—30 cm土層中相對豐度較高；云杉林土壤中貪銅菌屬(Cupriavidus)在15—30 cm土層中相對豐度較高。

表3 文峪河上游河岸不同植被類型和土層土壤中反硝化菌的相對豐度差異(屬水平)

Table 3 Abundance of soil denitrifying bacterial (nirS) at genus leve as influenced by vegetation types and soil layers in upper Wenyuhe watershed (2-way ANOVA)

植被類型Vegetation types優勢種屬 Dominant genera假單胞菌屬Pseudomonas固氮螺菌屬Azospirillum固氮螺菌屬Azospira紅長命菌屬Rubrivivax羅河桿菌屬Rhodanobacter五花草甸 0—15 cm (WHA)0.14d0.31b0.02fgh0.01j 0.09d沙棘灌木林 0—15 cm (HRA)0.02h0.12e0.10d0.09cd0.05ef柳樹灌木林 0—15 cm (SSA)0.14d0.02gh 0.19c0.12ab0.21a山楊林 0—15 cm (PCA)0.32b0.18d0.01fgh0.08def0.04gh山楊白樺混交林 0—15 cm (PQA)0.06fg0.33a 0.07de0.03i 0.05fg山楊白樺落葉松混交林 0—15 cm (PQLA)0.18c0.00h 0.00h0.09de0.00i落葉松云杉混交林 0—15 cm (LPA)0.04gh0.02g 0.24b 0.13a0.14b云杉林 0—15 cm (PMA)0.07f0.05f0.01fgh0.06gh0.05ef 五花草甸 15—30 cm (WHB)0.09e0.13e 0.05efg0.05h 0.09d沙棘灌木林 15—30 cm (HRB)0.07f0.02g0.05ef0.14a0.03h 柳樹灌木林 15—30 cm (SSB)0.13d0.02g 0.26b0.11bc 0.06e 山楊林 15—30 cm (PCB)0.05fg0.28c0.02fgh0.06h0.12c山楊白樺混交林 15—30 cm (PQB)0.38a0.17d0.04efgh 0.03ij 0.03gh 山楊白樺落葉松混交林 15—30 cm (PQLB)0.10e0.12e 0.01gh0.01j 0.01i落葉松云杉混交林 15—30 cm (LPB)0.05fg0.01gh 0.35a 0.08efg0.08d云杉林 15—30 cm (PMB)0.06fg0.12e0.01fgh0.07fgh 0.03h植被類型Vegetation types固氮弧菌屬Azoarcus硫針菌屬Sulfuritalea多形菌屬Polymorphum貪銅菌屬Cupriavidus芽孢桿菌屬Bacillus五花草甸 0—15 cm (WHA)0.08cd0.02efgh0.01gh0.03bcd 0.08a 沙棘灌木林 0—15 cm (HRA)0.17a0.18a 0.00h 0.03bc 0.02de 柳樹灌木林 0—15 cm (SSA)0.09bc 0.07c0.01gh0.01e0.00gh山楊林 0—15 cm (PCA)0.01h0.02fgh 0.02fg0.02de0.03cd 山楊白樺混交林 0—15 cm (PQA)0.03f0.03ef0.08a 0.02cde0.04b山楊白樺落葉松混交林 0—15 cm (PQLA)0.01h0.01hi0.05cd0.01e0.01f落葉松云杉混交林 0—15 cm (LPA)0.09b 0.03efg 0.02g 0.02bcde0.01fg 云杉林 0—15 cm (PMA)0.01h0.03e0.06b 0.03b0.00h 五花草甸 15—30 cm (WHB)0.09bc 0.06cd0.02fg0.06a0.02def沙棘灌木林 15—30 cm (HRB)0.04e0.11b0.03ef0.03bcd0.02ef柳樹灌木林 15—30 cm (SSB)0.10b0.10b0.01gh0.01de0.00h山楊林 15—30 cm (PCB)0.01gh0.02gh 0.04de0.02bcde0.04b 山楊白樺混交林 15—30 cm (PQB)0.02fg0.01hi 0.04de0.01e 0.02ef山楊白樺落葉松混交林 15—30 cm (PQLB)0.01h0.00i 0.02g 0.02bcde 0.01f落葉松云杉混交林 15—30 cm (LPB)0.07d0.05d0.02g0.02bcde0.00h 云杉林 15—30 cm (PMB)0.01gh 0.01hi0.06bc 0.07a0.04bc

同一列均值后不同字母表明在P≤0.05 水平上差異顯著(Tukey 檢驗法)

在屬水平上,對不同植被類型土層間土壤反硝化菌群落組成相似度進行聚類樹和熱圖分析可知(圖5)：16個樣本聚類為四大類群。其中,柳樹灌木林15—30 cm土層(SSB)與落葉松云杉林0—15 cm土層(LPA)、云杉林0—15 cm土層(PMA)與山楊白樺落葉松混交林0—15 cm土層(PQLA)土壤反硝化菌群落組成相似度較高；山楊白樺混交林15—30 cm土層(PQB)和山楊林0—15 cm土層(PCA),五花草甸0—15 cm土層(WHA)和山楊林15—30 cm土層(PCB)土壤反硝化菌群落組成較為相似；沙棘灌木林15—30 cm土層(HRB)和山楊白樺落葉松混交林15—30 cm土層(PQLB)土壤反硝化菌群落組成極為相似；而山楊白樺林0—15 cm土層(PQA)土壤反硝化菌群落組成與其他樣本相比差異較大。同時,將相對豐度前50的屬聚類為5大類群,分別歸屬于變形菌門(Proteobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)、放線菌門(Actinobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)和浮霉菌門(Planctomycetes)等5個門。

圖5 文峪河上游河岸不同植被類型和土層土壤中反硝化菌優勢屬聚類熱圖Fig.5 Heat map and cluster of dominant denitrifiers at genus level in different riparian vegetation and soil layers of upper Wenyuhe watershed Nevskia 涅瓦河菌屬；Bacillus 芽孢桿菌屬；Psychrobacter 冷桿菌屬；Lactococcus 乳酸球菌屬；Arthrobacter 節桿菌屬；Pseudomonas 假單胞菌屬；Kineococcus 動球菌屬；Conexibacter 康奈斯氏桿菌屬； Pseudonocardia 假諾卡氏菌屬；Microlunatus 小月菌屬；Sphingomonas 鞘脂單胞菌屬；Brevundimonas短波單胞菌屬；Micrococcus 微球菌屬；Acinetobacter 不動桿菌屬；Propionibacterium 丙酸菌屬；Burkholderia 伯克氏菌屬； Rhodococcus 紅球菌屬；Microbacterium 微桿菌屬；Pedomicrobium 土微菌屬；Hyphomicrobium 生絲微菌屬；Afifella 假紅單胞桿菌屬；Geobacter 地桿菌屬；Candidatus.Rhabdochlamydia 棍衣原體屬；Nitrospira 硝化螺菌屬；Candidatus.Nitrosophaera 亞硝化螺菌屬；Opitutus豐佑菌屬；Couchioplanes 科氏游動菌屬；Pilimelia 發仙菌屬；Devosia 德沃斯氏菌屬；Flavobacterium 黃桿菌屬；Mycobacterium 分枝桿菌屬；Planctomyces 浮霉狀菌屬；Steroidobacter 類固醇桿菌屬；Pirellula 小梨形菌屬；Lysobacter 溶桿菌屬；Rubrivivax 紅長命菌屬；Gemmata 出牙菌屬；Mesorhizobium 中慢生根瘤菌屬；Phenylobacterium 苯基桿菌屬；Rhizobium 根瘤菌屬；Rhodoplanes 紅游動菌屬 PQ：山楊白樺林Poplar birch forest；PM：云杉林 Picea forest ；WH：五花草甸 Multi-flower meadow；HR：沙棘灌木林 Hippophae shrub；PQL：山楊白樺落葉松林 Poplar birch and larix forest；PC：山楊林 Poplar forest； LP：落葉松云杉林 Larix and picea forest；SS：柳樹灌木林 Salix shrub；后加A表示0—15 cm土層；后加B表示15—30 cm土層

2.4 不同植被類型土壤反硝化菌群落特征與土壤理化因子相關性

對不同植被類型土壤反硝化酶活性、菌群多樣性及優勢菌群與土壤理化性質相關性分析(表4)表明:土壤有機碳(SOC)、速效磷(AP)和土壤含水量(SM)屬于關鍵性土壤環境因子；土壤反硝化酶活性(DEA)與土壤硝態氮呈顯著正相關(r=0.29,P≤0.05)；土壤反硝化菌群多樣性與銨態氮顯著正相關(r=0.36,P≤0.05),而與其余理化因子相關性不強。同時,門水平上,土壤反硝化菌群落組成與土壤pH、土壤有機碳(SOC)和硝態氮呈顯著相關；變形桿菌門(Proteobacteria)與硝態氮呈極顯著正相關關系(r=0.46,P≤0.01)；厚壁菌門(Firmicutes)與土壤pH呈顯著正相關(r=0.3,P≤0.05),而與土壤有機碳(SOC)(r=-0.32,P≤0.05)和硝態氮(r=-0.37,P≤0.01)呈極顯著負相關關系；放線菌門(Actinobacteria)與硝態氮呈極顯著正相關(r=0.47,P≤0.01)；綠彎菌門(Chloroflexi)與土壤有機碳(SOC)呈極顯著正相關(r=0.47,P≤0.01)。

表4 文峪河上游河岸土壤反硝化酶活性、菌群多樣性及優勢菌群與土壤理化性質相關系數

*：在P≤0.05水平上差異顯著,**：在P≤0.01水平上差異顯著(Tukey 檢驗法)

圖6 文峪河上游河岸不同植被類型和土層土壤理化性質、反硝化菌群多樣性及優勢菌屬的冗余分析Fig.6 RDA analysis of soil properties, denitrifiers diversiy and dominant taxas at genus level in different vegetation types and soil layers of upper Wenyuhe watershed 實心圓代表土壤理化因子；空心圓代表反硝化菌多樣性指數；三角形代表處理方式；菱形代表反硝化菌優勢屬；SOC：土壤有機碳 Soil organic carbon；SM：土壤含水量 Soil moisture；AP：速效磷 Available phosphorus；TN：總氮Total nitrogen；DEA：土壤反硝化酶活性 Denitrifying enzyme acivity；Pseudomonas 假單胞菌屬；Azpspria 固氮螺菌屬；Azpsprillum 固氮螺菌屬；Rubrivivax 紅長命菌屬；Rhodanobacter 羅河桿菌屬；Azoarcus 固氮弧菌屬；Sulfuritalea 硫針菌屬；Polymorphum 多形菌屬；Cupriavidus 貪銅菌屬；Bacillus 芽孢桿菌屬；Paracoccus副球菌屬；Magnetospirillum 趨磁螺菌屬； Thauera 陶厄氏菌屬；Dinoroseobacter迪諾氏桿菌屬；Herbaspirillum 草螺菌屬；Ralstonia 勞爾氏菌屬；Bordetella博德特氏菌屬；Ideonella 艾德昂菌屬

通過冗余分析可知(圖6)：土層深度與土壤總有機碳(SOC)、有效磷(AP)、土壤含水量(SM)、土壤總氮(TN)、土壤銨態氮和硝態氮含量呈極顯著負相關關系,而與土壤pH值呈顯著正相關關系；不同植物植被類型之間的土壤總有機碳(TOC)、有效磷(AP)、土壤含水量(SM)等土壤理化因子有明顯的差異。紅長命菌屬(Rubrivivax)、固氮螺菌屬(Azospira)、硫針菌屬(Sulfuritalea)、羅河桿菌屬(Rhodanobacter)、艾德昂菌屬(Ideonella)、草螺菌屬(Herbaspirillum)和固氮弧菌屬(Azoarcus)等屬受土壤硝態氮含量的影響較為顯著,且對土壤反硝化酶活性的貢獻值較大；貪銅菌屬(Cupriavidus)、副球菌屬(Paracoccus)、磁螺菌屬(Magnetospirillum)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、固氮螺菌屬(Azospirillum)、假單孢菌屬(Pseudomonas)、陶厄氏菌屬(Thauera)和迪諾氏桿菌屬(Dinoroseobacter)等屬受土層深度和土壤pH土壤值影響較為明顯,對土壤反硝化菌群多樣性貢獻值較大；Pseudogulbenkiania屬、博德特氏菌屬(Bordetella)、多形菌屬(Polymorphum)、勞爾氏菌屬(Ralstonia)和Aromatoleum等屬受植被類型差異影響較大。

3 討論

目前,對文峪河上游河岸帶植物群落類型及生態適應性[15]、演替分析與預測[4]以及群落環境梯度格局和演替過程[22]等方面研究較為深入,而對不同植被類型及土層土壤微生物多樣性及功能等研究甚少。本研究對文峪河上游河岸帶不同植被類型及土層土壤反硝化菌群多樣性及群落組成和土壤反硝化酶活性進行了研究。結果表明：文峪河上游河岸帶植被類型土壤反硝化菌群多樣性及群落組成和土壤反硝化酶活性,不僅受地表植被類型差異的影響,還受土壤土層間環境因子差異的影響,二者之間存在互作效應。

土壤中反硝化菌群落數量及優勢菌群會對土壤反硝化作用產生重要影響[32],在反硝化作用中發揮重要功能的微生物多屬于異養、兼性厭氧細菌,如變形菌門(Proteobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、厚壁菌門(Firmicutes)和放線菌門(Actinobacteria)等[33]。本研究結果表明：在文峪河上游河岸帶不同植被類型土壤中,共有5個反硝化菌優勢種群,即變形菌門(Proteobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)、放線菌門(Actinobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)和浮霉菌門(Planctomycetes)。其中變形菌門(Proteobacteria)相對豐度最高,且在不同植被類型土壤中反硝化細菌群落組成大致相似,這與戴雅婷等[34]和牛曉燕等[35]研究結論相一致。另外,厚壁菌門(Firmicutes)屬于五花草甸(WH)的優勢菌群,放線菌門(Actinobacteria)屬于沙棘灌木林(HR)和柳樹灌木林(SSA)優勢菌群,而浮霉菌門(Planctomycetes)僅在落葉松云杉混交林(LP)和云杉林(PM)土壤中被發現,表明處于不同演替階段的植被類型土壤中存在各自獨特的優勢細菌類群[36]。

對不同植被類型土壤理化性質和優勢菌群相關性分析和冗余分析得出：在門水平上,土壤反硝化菌群落組成及相對豐度與土壤pH、土壤有機碳(SOC)和硝態氮含量相關性顯著,這說明這三個土壤理化性質影響影響土壤反硝化細菌優勢類群相對豐度含量和群落組成。在屬水平上,不同樣本土壤反硝化細菌群落組成差異顯著(表3),如在五花草甸(WH)土壤中芽孢桿菌屬(Bacillus)和貪銅菌屬(Cupriavidus)屬于明顯優勢菌屬,而在云杉林(PM)土壤中勞爾氏菌屬(Ralstonia)、Aromatoleum屬、貪銅菌屬(Cupriavidus)屬于明顯優勢菌屬；同時,我們發現不同優勢菌屬在各樣本中相對豐度差異顯著,如假單孢菌屬(Pseudomonas)在山楊白樺混交林(PQ)15—30 cm土層中相對豐度明顯高于其他植被類型土層。這一研究結果充分表明,文峪河上游河岸帶不同植被類型土壤中反硝化細菌優勢菌群結構及組成因植被類群的不同而呈現出明顯差異,這與柳春林等[37]研究結果相一致。

4 結論

結合植被類型演替分析得出,文峪河上游河岸帶不同植被類型土壤反硝化菌群落結構和功能具有顯著差異。土壤反硝化菌群多樣性指數變化大致呈“W”型,即在演替初期五花草甸(WH)、演替中期山楊白樺林(PQ)和演替頂級云杉林(PM)土壤中反硝化菌群多樣性較高；而土壤反硝化酶活性變化大致呈倒“V”型,即演替前中期沙棘灌木林(HR)和柳樹灌木林(SS)土壤中反硝化酶活性及反硝化功能最強；不同土層間土壤反硝化菌群落結構和功能也存在顯著差異,即0—15 cm土層土壤反硝化菌群多樣性和反硝化酶活性顯著高于15—30 cm土層。

文峪河上游河岸帶植被類型土壤反硝化菌優勢菌群主要隸屬于變形菌門(Proteobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)、放線菌門(Actinobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)和浮霉菌門(Planctomycetes)。不同植被類型不同土層土壤中反硝化細菌群落結構及組成差異顯著,如浮霉菌門(Planctomycetes)僅在落葉松云杉混交林(LP)和云杉林(PM)15—30 cm土層中分布,有明顯的特異性。表明植被類型和土層深度對土壤反硝化細菌群落結構及組成產生重要影響；而且土壤理化性質和優勢菌群之間存在顯著相關性,其中土壤pH、土壤有機碳、土壤銨態氮和硝態氮含量等環境因子是影響土壤反硝化細菌群落結構及組成的關鍵因子。