黃河三角洲鹽地堿蓬-蘆葦群落土壤粒徑組成與細菌多樣性

梁 楠，劉嘉元，豐 玥，田 靜，李德生

（天津理工大學環境科學與安全工程學院，天津300384）

土壤微生物是土壤結構活躍成分之一，微生物代謝活動分泌的有機酸、團粒等利于土壤顆粒形成，改善土壤質量，從而使顆粒演變成能夠生長植物的土壤[1]。土壤微生物結構特征是土壤質地狀態和生態系統穩定性主要的評價因子[2]，土壤微生物多樣性對環境的作用主要通過不同生物群落代謝功能的差異性實現[3]，作為分解者，微生物以重要的物質循環和能量流動作用在生態系統中，在維持生態系統的完整性和穩定性上具有非常重要的作用[4]。

黃河三角洲濕地生態系統超50%的土壤不同程度鹽漬化[5]，植被類型單一，以鹽地堿蓬、蘆葦等鹽生植物為優勢物種。鹽生植物根際的土壤微生物群落結構和功能基因豐度顯著，且鹽生植物能夠增加微生物的活性，利于塑造微生物群落結構[6]。土壤微生物群落結構及種類檢測的目前較方便高效的是高通量測序法[7-9]，Liu 等以Illumina-MiSeq 為平臺，對黃河三角洲潮間帶和潮上帶生境鹽地堿蓬根際和非根際土壤中的細菌多樣性、結構、功能及其驅動因子進行了研究，結果表明，根系分泌物可能是環境變化下土壤細菌的主要驅動力，而植物生長代謝和/或其凋落物輸入在同一生境中起主要作用[10]。劉芳等利用16S rDNA 克隆文庫等技術的研究表明土壤上層和下層的土壤理化性質差異顯著，導致細菌群落的多樣性隨深度增加而下降[11]。Canfora 等對半干旱地中海地區極端高鹽度土壤微生物群落結構和生物多樣性的研究發現，細菌群落隨鹽度梯度的增加而呈下降趨勢[12]。

土壤粒徑分布（PSD）可以表示土壤質地情況，它是顆粒團聚體成為土壤過程的重要指示指標[13]。研究表明，土壤顆粒組成不同會造成土壤微生物特征和數量的改變[14-16]。黃河三角洲濕地是由黃河泥沙淤積而成的新生濕地，其土壤粒徑組成往往與元素的生物地球化學循環密切相關，但不同濕地植物如何影響土壤粒徑組成，繼而影響土壤細菌多樣性尚不得而知。本研究試圖通過對黃河三角洲不同植物根際與非根際土壤粒徑組成和細菌多樣性關系的研究，進一步探討植物根際效應在新生濕地土壤結構及生物地球化學循環中的作用和機制。

1 材料與方法

1.1 研究地點概況

研究區域為山東省東營市黃河三角洲濱海濕地自然保護區（118°33′E-119°20′E，37°35′N-38°12′N）[17]，氣候類型以暖溫帶大陸性季風氣候為主，全年平均氣溫11.7～12.6℃，整年無霜期約為211 d，夏季是降雨高潮期，全年平均降水量530-630 mm，70%的降雨集中在7-8月份[18]。土壤質地類型主要以濱海鹽土為主[19]。

1.2 樣品采集

土壤樣品采集于2018年7月，在黃河三角洲濕地的鹽地堿蓬和蘆葦混生群落設置3 個采樣點，每個采樣點設置50 cm×50 cm 的樣方，采樣深度為0-20 cm，采用抖落法[20]采集植物根際土壤，非根際土壤參照陳悅[21]等的方法采集。采集后的土壤挑揀出石頭、根系和土壤動物遺骸等雜物分為兩份，一份用無菌自封袋包裝后存于干冰桶，低溫保存帶回實驗室于-80℃冰箱中存放備用，應用Illumina-MiSeq 測序技術進行生物信息測定；另一份用無菌自封袋儲存，實驗室自然風干，過2 mm 篩，通過激光粒度儀測定土壤粒徑，土壤分級采用美國制分級標準（見表1）。

表1 美國土壤粒徑分級標準[22]Table 1 American soil particle size classification standard

1.3 統計分析方法

利用Excel 2013 對數據進行整理求得重復試驗的平均值，采用SPSS 22.0 對數據進行方差分析，采用Pearson 相關系數對數據之間的關系進行分析，使用Excel 完成制圖。

2 結果與分析

2.1 混生植物群落不同植物土壤粒徑組成特征

黃河三角洲鹽地堿蓬和蘆葦混生群落的根際和非根際土壤粒徑分布的相對體積百分比見表2。鹽地堿蓬和蘆葦混生群落的土壤顆粒主要是粉粒（Silt）、砂粒（Sand），顆粒占比最大的體積位于20 μm～200 μm 之間，且鹽地堿蓬根際和非根際土壤的顆粒占比最大的體積高于蘆葦。對鹽地堿蓬和蘆葦根際和非根際土壤的顆粒占比體積進行方差分析，兩兩比較（LSD）結果顯示（表2）：鹽地堿蓬和蘆葦的根際和非根際土壤Silt 和Sand 顆粒占比體積之間存在顯著差異，根際土壤的Silt 顆粒占比體積顯著高于非根際土壤，而非根際土壤的Sand 顆粒占比體積顯著高于根際土壤，對于Clay 顆粒占比體積，蘆葦非根際土壤顯著高于根際，鹽地堿蓬的根際土壤反而高于非根際。說明鹽地堿蓬和蘆葦的根際土壤平均比非根際土壤顆粒更細。顆粒越細的土壤質地越緊密，有機質越不容易流失，從而促進養分的累積。

表2 土壤粒徑分布特征Table 2 Particle size distribution characteristics in soils

2.2 混生植物群落不同植物土壤微生物多樣性特征

黃河三角洲濕地保護區混生植物群落不同植物根際和非根際土壤微生物細菌門的水平上排名前15的門如圖1，分別屬于Chlamydiae（衣原體門）、SBR1093、Nitrospirae（硝化螺旋菌門）、Firmicutes（厚壁菌門）、Deinococcus-Thermus（異常球菌-棲熱菌門）、Parcubacteria、Cyanobacteria（藍藻菌門）、Proteobacteria（變形菌門）、Planctomycetes（浮霉菌門）、Actinobacteria（放線菌門）、Chloroflexi（綠彎菌門）、Bacteroidetes（擬桿菌門）、Gemmatimonadetes（芽單胞菌門）、Acidobacteria（酸桿菌門）、Saccharibacteria。

圖1 不同植物土壤樣品中微生物細菌門組成Figure 1 Composition of microbial bacteria in different plant soil samples

將測定的4 種土壤中占比大于10%的細菌門作為不同樣本的優勢群落。鹽地堿蓬根際土壤有變形菌門（52.22%），放線菌門（11.2%），綠彎菌門（11.06%）；鹽地堿蓬非根際土壤有變形菌門（44.04%），放線菌門（14.36%），綠彎菌門（10.35%）；蘆葦根際土壤有變形菌門（45.37%），綠彎菌門（14.68%）；蘆葦非根際土壤有變形菌門（43.71%），擬桿菌門（18.03%）。變形菌門是主要優勢菌種類群。

用Alpha Diversity（物種多樣性分析）分析不同植物生境土壤微生物細菌物種數量和結構，能夠直接體現出測定樣品中的微生物群落結構、豐度和多樣性等。黃河三角洲濕地保護區不同植物下土壤微生物的多樣性分析結果（見表3）顯示：ACE 指數：鹽地堿蓬非根際>鹽地堿蓬根際>蘆葦根際>蘆葦非根際；Shannon 指數：蘆葦根際>鹽地堿蓬非根際>鹽地堿蓬根際>蘆葦非根際；Chao1 指數：鹽地堿蓬非根際>鹽地堿蓬根際>蘆葦根際>蘆葦非根際。說明鹽地堿蓬非根際土壤較其他細菌物種數目豐富，微生物多樣性高且分配均勻，且蘆葦非根際土壤的細菌多樣性和豐度顯著低于鹽地堿蓬根際、非根際和蘆葦根際土壤，鹽地堿蓬根際、非根際和蘆葦根際土壤之間的細菌多樣性和豐富度之間無顯著差異。

表3 不同植物土壤細菌的多樣性指數Table 3 Bacteria diversity index of different plant soil

2.3 混生植物群落不同植物土壤粒徑與微生物多樣性的關系

對土壤粒徑與土壤微生物多樣性進行Pearson相關分析（見表4）。土壤微生物多樣性Chao1 指數、ACE 指數和Shannon 指數之間呈極顯著正相關（r=0.993、0.838、0.825）；土壤粉粒（Silt）、砂粒（Sand）與Shannon 指數分別呈顯著正、負相關；土壤粉粒（Silt）、砂粒（Sand）與粘粒（Clay）分別呈顯著負、正相關；砂粒（Sand）與粉粒（Silt）呈極顯著負相關（r=-0.999）。土壤粘粒（Clay）含量少，粉粒（Silt）含量多時土壤的含水率低，土壤通氣性得到改善，土壤微生物迅速繁殖，促使微生物數量急劇增大，微生物多樣性也相應提高。而砂粒（Sand）由于粒徑較大，無法吸附有機質，土壤養分不容易積累導致土壤中的凋落物和腐殖質減少，進而使土壤微生物的數量和多樣性減少[23]。

表4 土壤粒徑與土壤微生物多樣性的相關分析Table 4 Correlation analysis of soil particle size and soil microbial diversity

3 結論

黃河三角洲濕地土壤以粉粒和砂粒為主，且變形菌門是主要優勢菌群。蘆葦的土壤細菌根際效應更顯著，但其非根際土壤中細菌的多樣性指數顯著小于鹽地堿蓬，這與土壤粒徑組成密切相關，粉粒占比越高，土壤細菌群落越豐富，且均勻程度也越高。該結論為黃河三角洲濱海濕地生態恢復及鹽堿地生物改良提供了理論依據和數據支持。