賀蘭山不同海拔植被下土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征

馬進(jìn)鵬,龐丹波,陳 林,萬(wàn)紅云,陳高路,李學(xué)斌,*

1 寧夏大學(xué)西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 銀川 750021 2 寧夏大學(xué)西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 銀川 750021 3 寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 銀川 750021 4 寧夏大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，銀川 750021

土壤微生物作為生態(tài)系統(tǒng)中的分解者,是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成成分,在生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)、物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)等過(guò)程起著重要的作用,同時(shí)也與地上植被的多樣性有著密切的關(guān)系[1—2]；作為連接土壤植物之間的紐帶,微生物是生物地球化學(xué)循環(huán)的重要驅(qū)動(dòng)因素[3—4]。在森林生態(tài)系統(tǒng)中,土壤微生物的分布受空間因素的影響有較為明顯的差異。研究表明,土壤表層因其物種交互作用強(qiáng),資源豐富,是微生物群落最為豐富、群落特征最明顯的區(qū)域[5]。同時(shí),土壤微生物是生態(tài)系統(tǒng)功能的敏感指標(biāo),其組成和數(shù)量可以反映土壤的質(zhì)量,其多樣性及群落結(jié)構(gòu)可以有效反映土壤系統(tǒng)的穩(wěn)定,能很好地指示森林生態(tài)環(huán)境和系統(tǒng)功能的變化[6]。

早在2008年,Bryant等[7]研究,首次發(fā)現(xiàn)土壤酸桿菌多樣性隨海拔上升而線性減小,后續(xù)越來(lái)越多的學(xué)者研究土壤微生物隨海拔的分布格局[8—9]。近年來(lái),隨著土壤微生物測(cè)定技術(shù)的發(fā)展,土壤微生物隨海拔的分布格局研究不斷涌現(xiàn),研究焦點(diǎn)不斷創(chuàng)新,研究結(jié)果更加多樣[10]。在長(zhǎng)白山苔原帶,Shen等[11]研究發(fā)現(xiàn)土壤細(xì)菌豐富度隨海拔升高而降低；同時(shí),人類活動(dòng)也會(huì)影響土壤微生物隨海拔分布格局,張倩等[12]在云和梯田研究發(fā)現(xiàn)細(xì)菌多樣性在未受干擾的自然條件下隨海拔升高而減小,而在水稻土中隨海拔升高先升高后減小。在山地森林生態(tài)系統(tǒng)中海拔的變化對(duì)植被組成和土壤性質(zhì)的影響尤為明顯,而土壤又是微生物賴以生存的場(chǎng)所[13]。土壤微生物與氣候、植被類型及土壤性質(zhì)等密切相關(guān),而海拔變化往往在較短范圍內(nèi)引起溫度、降雨、植被類型和土壤性質(zhì)等生物和非生物因子的顯著變化,因此與海拔相關(guān)的環(huán)境條件強(qiáng)烈影響著土壤微生物的組成及群落結(jié)構(gòu)[3,14]。在全球變化的背景下,研究土壤微生物的群落隨海拔變化的特征,對(duì)于探索森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)對(duì)環(huán)境因子變化的響應(yīng)有著重要的作用[15]。

賀蘭山位于我國(guó)溫帶草原區(qū)和荒漠區(qū)的分界處,在地理位置上具有典型性,在植物區(qū)系和植被帶上具有過(guò)渡性,植被類型具有復(fù)雜多樣性,生態(tài)系統(tǒng)有較高的脆弱性[16]。賀蘭山植被類型具有明顯的垂直地帶性,隨海拔的升高,植被類型依次為荒漠化草原、山地疏林草原、山地針葉林和亞高山灌叢草甸或高山草甸。現(xiàn)今,賀蘭山植物多樣性的研究越來(lái)越受到重視,但是對(duì)其不同海拔梯度土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)和分布特征研究較少[16—17]。磷酸脂肪酸(PLFA)是磷脂的構(gòu)成成分,自然生理?xiàng)l件下相對(duì)恒定,在土壤中的多樣性和豐度可以表示特定生物類群的多樣性和豐度[18]。不同類群的微生物能通過(guò)不同的生化途徑合成不同的磷酸脂肪酸,部分磷酸脂肪酸可以作為分析微生物生物量和微生物群落結(jié)構(gòu)等變化的生物標(biāo)記[19—20]。本文采用PLFA圖譜法分析賀蘭山不同海拔梯度土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征,探討土壤微生物群落隨海拔的變化規(guī)律及影響因素,意在為賀蘭山荒漠-森林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

賀蘭山位于銀川平原和阿拉善高原之間(地處38°27′—39°30′N,105°41′—106°41′E之間),山體弧立,成南北走向,主峰海拔3556m。賀蘭山西邊和北邊為阿拉善戈壁荒漠,東北為寧夏平原。賀蘭山處于典型大陸性氣候區(qū)域范圍內(nèi),具有山地氣候特征。氣候變化大,年均氣溫-0.8℃,年均降雨量420mm,年均蒸發(fā)量2000mm,賀蘭山降雨量有明顯的垂直分布規(guī)律,平均每上升100m,降雨量增加13.2mm,其降水主要集中在6—8月份,占全年降水量的60%—80%[17,21]。

1.2 樣品采集

在賀蘭山東坡1300—2300m海拔范圍內(nèi)物種豐富度最高,林型變化較大,因此沿海拔高度選取以短花針茅為建群種的荒漠草原、以蒙古扁桃為建群種的山地旱生灌叢、以油松為建群種的溫性針葉林,以油松、杜松、山楊為優(yōu)勢(shì)種的針闊葉混交林,以青海云杉為建群種的寒溫性針葉林等5種代表性的典型植被帶,在每個(gè)植被帶內(nèi)按等高線設(shè)置3個(gè)取樣點(diǎn)(樣地基本情況見(jiàn)參考文獻(xiàn)[22]),每個(gè)取樣點(diǎn)去除地表的枯落物和腐殖質(zhì)或剝離表土后用直徑4cm的土壤取樣器采用五點(diǎn)取樣法取0—10cm的土樣5個(gè),混合后作為該取樣點(diǎn)的土壤樣品并用自封袋密封之后放入冰盒帶回實(shí)驗(yàn)室。去除植物根系和石塊,過(guò)2mm篩后分成兩份,一份自然風(fēng)干進(jìn)行土壤理化性質(zhì)測(cè)定,另一份放入-80℃冰箱進(jìn)行土壤微生物測(cè)定。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1土壤理化性質(zhì)測(cè)定

采用pH計(jì)測(cè)定土壤pH(水土比2.5∶1)；土壤容重采用烘干法；土壤含水量用環(huán)刀法測(cè)定；土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定；土壤全氮采用凱氏定氮法；全磷采用HClO4-濃H2SO4外加熱消煮法、分光光度法[23]。

1.3.2土壤微生物群落結(jié)構(gòu)測(cè)定

土壤微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性采用磷酸脂肪酸法(PLFA)[24],采用修正的Bligh-Dyer方法進(jìn)行脂類提取和磷脂脂肪酸分析：土樣用體積比為1:2:0.8的氯仿:甲醇:檸檬酸緩沖液振蕩提取總脂類,然后經(jīng)SPE硅膠柱分離得到磷脂脂肪酸,將得到的磷脂脂肪酸進(jìn)行堿性甲醇化,用Agilent 6890N氣相色譜儀分析PLFA的成分,內(nèi)標(biāo)為正十九烷酸甲酯(19:0)[25]。本研究選取了8種指標(biāo),其中表征的磷酸脂肪酸如下：非特異性細(xì)菌(12:0,14:0,15:0,16:0,17:0,18:0,19:0,20:0,24:0)；革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌(a12:0,i13:0,a13:0,i14:0,a14:0,i15:0,a15:0,i16:0,a16:0,i17:0,a17:0,i17:1ω9c)；革蘭氏陰性細(xì)菌(16:1ω7c DMA,17:1ω8c,17:0cycloω7c,19:0cycloω7c,22:1ω9c)；真菌(18:2ω6c)；放線菌(10Me16:0,10Me17:0,10Me18:1ω7c,10Me17:1ω7c)；原生動(dòng)物(20:4ω6c,20:5ω3c)；16:1ω5c,18:1ω9c)。因?yàn)?6:1ω5c在G-和AMF(叢枝菌根真菌)中同時(shí)存在[26],18:1ω9c在G-和真菌中同時(shí)存在[27],且所占比重較大,同時(shí),16:1ω5c是表征AMF的一個(gè)重要磷酸脂肪酸,18:1ω9c是表征真菌的重要脂肪酸,所以選取16:1ω5c和18:1ω9c作為獨(dú)立的指標(biāo)來(lái)表征微生物的數(shù)量。另外我們用磷酸脂肪酸的相對(duì)豐度分析反映微生物群落組成[28]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用SPSS25.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,選擇單因素方差分析(ANOVA)和最小差異性顯著(LSD)進(jìn)行差異性顯著檢驗(yàn),用Origin2019制圖；采用Canoco5進(jìn)行主成分分析(PCA)和冗余分析(RDA)。

2 結(jié)果分析

2.1 不同海拔梯度對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

隨海拔的變化(如圖1),土壤養(yǎng)分在不同海拔之間存在顯著差異(P<0.05),隨海拔的升高土壤有機(jī)碳、土壤全氮含量顯著增加,土壤全磷含量變化隨海拔升高先升高再降低再升高,在海拔2139m處最小,海拔1650m和海拔2438m處高于其他海拔；土壤化學(xué)計(jì)量比在不同海拔之間也存在差異(P<0.05),C/N在海拔2139m處最高,N/P、C/P在海拔2249m處較高；土壤理化指標(biāo)在不同海拔之間存在顯著差異(P<0.05),土壤pH隨海拔的升高而降低,土壤容重隨海拔升高顯著降低,土壤含水量隨著海拔升高而增加。土壤理化各指標(biāo)的最大值和最小值均不出現(xiàn)在同一海拔高度。

圖1 不同海拔梯度土壤理化性質(zhì)Fig.1 Physical and chemical properties of soil at different altitudes 不同小寫字母表示不同海拔間的差異顯著(P<0.05)

2.2 不同海拔梯度對(duì)土壤微生物的影響

2.2.1不同海拔梯度對(duì)土壤微生物群落組成的影響

隨海拔的變化,特征土壤微生物含量在不同的海拔之間存在差異(如表1)。其中細(xì)菌、真菌、放線菌、革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌、革蘭氏陰性細(xì)菌均表現(xiàn)出在海拔2139m處含量最高,在海拔1380m處含量最低,而原生動(dòng)物則在海拔1650m處含量最高。不同海拔梯度土壤微生物總量整體表現(xiàn)為,海拔2139m>2438m>1650m>2249m>1380m。

不同海拔下土壤微生物真菌/細(xì)菌,革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌G+/革蘭氏陰性細(xì)菌G-存在差異(如圖2)。其中真菌/細(xì)菌在海拔2139m處最高,在海拔1380m處最低；而G+/G-則在海拔1380和1650m處最高,在海拔2139m處最低。真菌/細(xì)菌隨著海拔升高先升高后下降,而G+/G-隨著海拔升高先下降后升高。

2.2.2不同海拔梯度對(duì)土壤微生物群落豐度的影響

隨海拔的變化,土壤微生物群落豐度在不同海拔之間存在差異(如圖3)。非特異性細(xì)菌和真菌在不同海拔的相對(duì)豐度存在顯著差異(P<0.05),非特異性細(xì)菌在海拔1650m處豐度要高于其他海拔,真菌(18:2ω6c)在海拔2139m處豐度最高。革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌豐度在不同海拔之間無(wú)顯著差異(P<0.05),在海拔1380m和海拔2249m處豐度最高,在海拔2139m處豐度最低；而革蘭氏陰性細(xì)菌在不同海拔之間存在差異(P<0.05),在海拔2139m和海拔2438m處的豐度要高于其他海拔。18:1ω9c在不同海拔之間無(wú)顯著差異(P<0.05),但相比而言,在海拔2139m處的豐度要高于其他海拔。16:1ω5c在不同海拔之間存在顯著差異(P<0.05),在海拔1380m和海拔2438m處的豐度顯著低于其他海拔。放線菌和原生動(dòng)物在不同海拔之間無(wú)顯著差異(P<0.05),但相比而言,在海拔1380m處放線菌的豐度高于其他海拔,在海拔1650m處原生動(dòng)物的豐度高于其他海拔。總體而言,革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌和放線菌豐度隨著海拔升高先下降后升高；非特異性細(xì)菌、真菌和16:1ω5c隨著海拔升高先升高后下降。

表1 不同海拔梯度特征土壤微生物的含量

圖2 不同海拔下真菌/細(xì)菌、G+/G-Fig.2 Fungi/bacteria、G+/G- at different altitudes不同小寫字母表示不同海拔之間的差異顯著(P<0.05)

圖3 不同海拔梯度不同微生物類群的相對(duì)豐度Fig.3 Relative abundance of different microbial groups at different altitude gradients不同小寫字母表示不同海拔間的差異顯著(P<0.05)

圖4 土壤微生物群落相對(duì)豐度的主成分分析Fig.4 Principal component analysis of relative abundance of soil microbial community

對(duì)不同海拔的微生物相對(duì)豐度進(jìn)行主成分分析,結(jié)果見(jiàn)圖4。根據(jù)土壤微生物相對(duì)豐度二維排序圖,4個(gè)軸對(duì)微生物相對(duì)豐度差異的總解釋高達(dá)95.46%,第1排序軸貢獻(xiàn)率為52.76%,第2排序軸貢獻(xiàn)率為28.72%,前兩個(gè)軸累計(jì)貢獻(xiàn)率為81.48%,對(duì)微生物相對(duì)豐度的差異解釋能力強(qiáng)。與第1排序軸相關(guān)性較強(qiáng)的微生物為G+、G-、真菌和18:1ω9c,相比之下,16:1ω5c的相關(guān)性較弱。與第2排序軸相關(guān)性較強(qiáng)的微生物為放線菌、原生動(dòng)物和非特異性細(xì)菌。海拔取樣點(diǎn)距離的大小表示樣點(diǎn)間微生物群落結(jié)構(gòu)的相似程度,距離越近則相似程度越高,可以看到,海拔1380m和海拔2139m處微生物群落結(jié)構(gòu)異質(zhì)性相比海拔1380m與其他海拔之間要高,而海拔2249m、2438m和海拔1650m處土壤微生物群落結(jié)構(gòu)相似性較高。

2.3 土壤微生物群落特征與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

圖5 不同海拔土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與土壤因子冗余分析Fig.5 Analysis of soil microbial community structure and soil factor redundancy at different altitudes

對(duì)不同海拔土壤微生物群落組成與土壤因子進(jìn)行冗余分析(RDA)(圖5),各因子的解釋量和顯著性檢驗(yàn)結(jié)果(表2)。RDA軸1和軸2共同解釋變量的81.81%,分析可知,土壤微生物群落結(jié)構(gòu)組成與土壤理化性質(zhì)之間相關(guān)性較好。真菌與G-、非特異性細(xì)菌正相關(guān),與G+、放線菌和原生動(dòng)物負(fù)相關(guān)；G+與原生動(dòng)物正相關(guān),與其他微生物負(fù)相關(guān)；G-與放線菌正相關(guān),與原生動(dòng)物負(fù)相關(guān),與非特異性細(xì)菌相關(guān)性小；作為AMF的特征脂肪酸16:1ω5c,其與真菌、G-及非特異性細(xì)菌正相關(guān),與原生動(dòng)物的相關(guān)性小,與放線菌和G+負(fù)相關(guān)。土壤容重和pH與排序軸1和2呈正相關(guān)；土壤含水量、土壤有機(jī)碳、土壤全氮及化學(xué)計(jì)量比與排序軸1和2呈負(fù)相關(guān)；土壤全磷與排序軸1呈正相關(guān),與排序軸2呈負(fù)相關(guān)。海拔的變化引起土壤環(huán)境因子的變化,在土壤微生物群落組成中,真菌、非特異性細(xì)菌及16:1ω5c受土壤環(huán)境因子的影響較大,海拔的變化主要影響了真菌、非特異性細(xì)菌、16:1ω5c、G+的相對(duì)豐度,其與真菌、非特異性細(xì)菌、16:1ω5c、G-及18:1ω9c呈正相關(guān),與原生動(dòng)物的相關(guān)性較小,與放線菌和G+呈負(fù)相關(guān)。

表2 環(huán)境因子對(duì)土壤微生物的解釋量和顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

3 討論

森林生態(tài)系統(tǒng)中,土壤微生物與植物關(guān)系縝密,植物的根系分泌物及形成的凋落物會(huì)直接或間接地影響土壤微生物,而微生物參與土壤養(yǎng)分循環(huán)從而影響植物的生長(zhǎng)[29]。海拔的變化會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)影響氣候環(huán)境因子的改變,土壤微生物作為土壤生態(tài)系統(tǒng)中的敏感指標(biāo)會(huì)對(duì)環(huán)境的改變產(chǎn)生劇烈的響應(yīng)[30]。研究賀蘭山不同海拔下土壤微生物含量可以看出,細(xì)菌含量最高,接下來(lái)是放線菌,其次是真菌,原生動(dòng)物的含量最低；同時(shí)海拔2139m處微生物的含量高于其他海拔,土壤微生物的含量整體呈先增加后減小的趨勢(shì),這與谷曉楠等[31]研究長(zhǎng)白山土壤微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)隨著海拔的升高土壤微生物含量呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢(shì)相同。與吳則焰等[32]研究武夷山不同海拔下土壤微生物隨著海拔的升高微生物的種類和含量逐漸下降的結(jié)果不同；孟苗婧等[33]研究發(fā)現(xiàn)在鳳陽(yáng)山針闊混交林地土壤微生物含量在不同海拔有所不同,由此可見(jiàn)在不同的研究區(qū)域土壤微生物含量隨海拔變化有所不同。有研究發(fā)現(xiàn)較高的植物群落多樣性伴隨有較高的土壤微生物多樣性[34]。賀蘭山海拔2139—2438m處分布大部分闊葉樹(shù)種,其豐富的凋落物可以為微生物提供大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),這是該海拔土壤微生物含量較大的原因之一。

真菌和細(xì)菌是土壤中兩種重要的微生物種類,真菌/細(xì)菌可以表征兩個(gè)種群相對(duì)豐度的變化狀況,比值越高說(shuō)明生態(tài)系統(tǒng)越穩(wěn)定,研究發(fā)現(xiàn)真菌和細(xì)菌在海拔2139m處的含量高于其他海拔,這與劉秉儒等[17]在賀蘭山研究發(fā)現(xiàn)海拔1900—2100m處真菌含量最高的結(jié)果一致,說(shuō)明該海拔的溫度、水分、有機(jī)質(zhì)等條件更適合真菌生長(zhǎng)。G+和G-的含量隨海拔的變化與其他微生物含量變化類似,研究發(fā)現(xiàn)G+/G-在海拔2139m和2249m處最小,而G+/G-可以指示土壤營(yíng)養(yǎng)狀況,比值越大則營(yíng)養(yǎng)脅迫越強(qiáng)烈[31],可見(jiàn)在海拔2139m處土壤肥力較好,這與該海拔下豐富的物種多樣性密切相關(guān),所產(chǎn)生的凋落物為微生物提供高營(yíng)養(yǎng)、易分解的底物,促進(jìn)了細(xì)菌的繁殖。8種微生物指標(biāo)的相對(duì)豐度分析結(jié)果表明,不同海拔梯度土壤微生物的相對(duì)豐度存在差異,在海拔2139m處相對(duì)豐度最大,由于該海拔有著較高的生物多樣性,這也符合山地生態(tài)學(xué)中的“中部膨脹”理論,在山地低海拔地區(qū)受水分的限制,高海拔地區(qū)受熱量限制,而中部區(qū)域生產(chǎn)力大,物種多樣性高[35]。革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌在海拔1380m處豐度最大,革蘭氏陰性細(xì)菌在海拔2249m處豐度最大,這說(shuō)明革蘭氏陰性細(xì)菌更適合高海拔環(huán)境生存[36]。放線菌一定程度上會(huì)促進(jìn)土壤有機(jī)物的分解,改善土壤結(jié)構(gòu),同時(shí)放線菌在農(nóng)業(yè)、工業(yè)和醫(yī)藥等領(lǐng)域有重要價(jià)值,與人類生活密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)放線菌豐度最大值出現(xiàn)在海拔1380m處,這與朱文杰等[37]對(duì)太白山北坡土壤放線菌垂直分布的研究發(fā)現(xiàn)在海拔800—1845m范圍內(nèi),土壤放線菌最高含量出現(xiàn)在1845m的結(jié)果有所差異,在賀蘭山海拔1380m處人類的生產(chǎn)和活動(dòng)可能是造成這種現(xiàn)象的原因之一。

山地森林生態(tài)系統(tǒng)中,海拔的變化造成物種豐富度的不同及土壤性質(zhì)的差異,對(duì)微生物群落產(chǎn)生影響[38]。RDA分析結(jié)果表明,賀蘭山海拔和C/N對(duì)土壤微生物影響顯著。有研究認(rèn)為土壤養(yǎng)分含量是影響土壤微生物群落的重要因素,土壤的N、P含量一定程度上影響土壤細(xì)菌群落多樣性[39]；有研究表明土壤的物理性質(zhì)對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)作用顯著,良好的物理性質(zhì)一定程度上增加了土壤微生物豐富度[40]；也有研究發(fā)現(xiàn)溫度是影響不同海拔土壤微生物群落結(jié)構(gòu)差異的主要因素[41]。由此可見(jiàn),海拔引起環(huán)境因子的改變不同程度的影響著土壤微生物,土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)及多樣性乃是多因素的綜合結(jié)果。

4 結(jié)論

土壤有機(jī)碳和土壤全氮隨海拔的升高而增加,土壤全磷隨海拔變化不明顯；土壤含水量隨海拔的升高而增加,土壤容重隨海拔升高而降低,土壤pH隨海拔變化不明顯。

海拔是影響微生物分布的重要因素,特征微生物的含量和相對(duì)豐度隨海拔的升高先升高后降低,在海拔2139m處達(dá)到最大值,符合山地生態(tài)學(xué)中的“中部膨脹”理論。