城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)的土壤微生物多樣性格局及其影響因素

高 燕, 王 嶸

（華東師范大學(xué) 浙江天童森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站, 浙江 寧波 315114）

0 引言

生物多樣性對(duì)人類可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要, 供給人類所需的各種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[1-2]. 微生物是地球生物多樣性最豐富的資源, 廣泛存在于各類基質(zhì)中, 如空氣、水和土壤等. 其中, 土壤微生物在碳、氮等元素的生物地球化學(xué)循環(huán)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[3-4]. 其通過不同途徑改變著土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性, 包括有機(jī)質(zhì)的分解與合成[5]、養(yǎng)分的釋放與固定[6]、污染物的降解[7]等, 主導(dǎo)和參與陸地生態(tài)系統(tǒng)的一系列重要生態(tài)過程[8-9]. 土壤微生物多樣性是維持生態(tài)系統(tǒng)功能, 提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要環(huán)節(jié),其多樣性喪失將對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的氣候調(diào)節(jié)[10]、養(yǎng)分循環(huán)及糧食生產(chǎn)[8]等服務(wù)功能產(chǎn)生負(fù)面影響[11-12].因此, 明確土壤微生物多樣性格局及其驅(qū)動(dòng)因素對(duì)維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要指示意義.

改革開放以來, 我國(guó)處在快速城市化發(fā)展階段. 據(jù)人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示, 至2018年我國(guó)城市人口占總?cè)丝诘谋壤秊?9.6%, 伴隨城市區(qū)域的不斷擴(kuò)張, 我國(guó)絕大多數(shù)人口將居住在城市中[13-14]. 城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)是城市邊緣區(qū)域, 是城市生態(tài)系統(tǒng)向農(nóng)村生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的過渡帶, 兼具兩者的景觀結(jié)構(gòu)[15], 既有大量的居民居住區(qū)和公園等城市景觀, 也有較大面積的農(nóng)業(yè)用地[16]. 城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)獨(dú)特的地理位置, 使該區(qū)域受城市擴(kuò)張影響劇烈, 土地利用格局高度復(fù)雜, 呈現(xiàn)出景觀異質(zhì)性和破碎化程度均高于城市和農(nóng)村生態(tài)系統(tǒng)[17-18]. 因此, 研究城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中生物多樣性的分布格局與維持機(jī)制對(duì)城市生態(tài)文明建設(shè)與人類福祉至關(guān)重要[19].

城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)的重要服務(wù)功能有為中心城區(qū)供應(yīng)蔬菜、糧食等食物資源, 作為中心城區(qū)的生態(tài)屏障等[20]. 土壤微生物多樣性是植物多樣性和生產(chǎn)力的重要驅(qū)動(dòng)因素, 土壤微生物會(huì)通過營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的礦化和競(jìng)爭(zhēng)等作用影響植物的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)和資源分配[21], 從而維持城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[22]. 因此, 全面地對(duì)土壤微生物類群開展研究可以掌握土壤微生物多樣性的整體格局, 為城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)的生物多樣性保護(hù)提供針對(duì)性建議.

土壤微生物多樣性的分布格局在大尺度上的分布規(guī)律已得到深入研究. 全球尺度上, 土壤真菌多樣性符合緯度地帶性分布, 土壤細(xì)菌多樣性在中緯度地區(qū)達(dá)到最高值, 在極地和赤道地區(qū)呈下降趨勢(shì)[23];大陸尺度上, 亞洲森林的土壤細(xì)菌多樣性分布格局與土壤酸堿度顯著相關(guān)[24]; 局域尺度上, 我國(guó)華北平原的土壤微生物多樣性分布格局主要受到地理距離的調(diào)控[25]. 城市生態(tài)系統(tǒng)中, 土壤微生物豐富度的分布格局與城市化程度呈正相關(guān)[26], 然而在城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)這樣的小尺度范圍內(nèi), 土壤微生物多樣性的分布格局尚不清晰.

為全面揭示城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)土壤微生物的多樣性分布格局及其影響因素, 本文以上海一城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)為研究對(duì)象, 揭示城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)常見土地利用類型中主要土壤微生物類群(土壤細(xì)菌和土壤真菌)的多樣性分布格局與潛在驅(qū)動(dòng)因素.

1 材料與方法

1.1 研究樣地與土樣采集

研究地點(diǎn)位于上海市松江區(qū)泖港鎮(zhèn)(121°12′ E ～ 121°28′ E, 30°94′ N ～ 30°96′ N), 屬于亞熱帶季風(fēng)氣候, 四季分明, 雨量充沛, 年平均氣溫15.4℃, 年均降水量1103.2 mm, 土壤類型為水系不同沉積母質(zhì)發(fā)育的水稻土和灰潮土. 上海市是我國(guó)城市化水平最高的城市, 城市化率已達(dá)到80%, 具有高不透水面積比例和高土地利用率的特點(diǎn)[27]. 松江區(qū)泖港鎮(zhèn)位于上海市的中心城區(qū)以外, 兼具居民居住區(qū)、坑塘水域等城市土地利用類型和耕地、倉(cāng)儲(chǔ)用地等農(nóng)村土地利用類型, 土地利用現(xiàn)狀呈現(xiàn)典型的城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)復(fù)雜的土地利用格局. 當(dāng)?shù)刂饕参锓N類包括杠板歸(Polygonum perfoliatum)、黃鵪菜(Youngia japonica)、葎草(Humulus scandens)、南苜蓿(Medicago polymorpha)、苦苣(Sonchus oleraceus)、蛇床(Cnidium monnieri)、菵草(Beckmannia syzigachne)、羊蹄酸模(Rumex japonicus)、野豌豆(Vicia sepium)和蘆葦(Phragmites australis), 均為本地常見草本植物.

研究選擇泖港鎮(zhèn)的耕地(Farm)、坑塘水域(Fish pond)、倉(cāng)儲(chǔ)用地(Granary)和居民居住區(qū)(Residence) 這4種常見的土地利用類型, 其中, 倉(cāng)儲(chǔ)用地的土地使用時(shí)長(zhǎng)超過20年. 分別設(shè)置5、6、6和6個(gè)采樣點(diǎn)作為統(tǒng)計(jì)學(xué)重復(fù), 共采集23份土壤樣品. 土壤樣品的采集選擇對(duì)角線法, 在去除地表凋落物后, 使用環(huán)刀法采集20 cm淺層土壤, 混合每個(gè)采樣點(diǎn)采集到的土壤樣品作為1份混合土壤樣品. 土壤樣品用干冰保存運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室, 在每份土壤樣品中選取部分土壤用于理化指標(biāo)的測(cè)定, 其余土壤置于超低溫冰箱(–80℃)保存, 用于分析土壤細(xì)菌和土壤真菌群落.

1.2 土壤理化指標(biāo)測(cè)定

1.2.1 土壤酸堿度測(cè)定

土壤酸堿度(土壤pH)選用電極法測(cè)定[28-29], 土壤懸濁液的水土比為2.5∶1, 采用便攜式pH計(jì)測(cè)定土壤酸堿度值.

1.2.2 土壤孔隙度測(cè)定

首先測(cè)定土壤容重和土壤比重, 然后根據(jù)上述兩項(xiàng)的數(shù)值計(jì)算土壤孔隙度[28-29]. 土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定[28-29]. 將裝有土壤樣品的環(huán)刀去除頂蓋, 放入烘箱, 在(105±2)℃下烘干至恒重, 并稱重. 土壤容重的計(jì)算公式為

式(1)中:dv為土壤容重(g/cm3),W為烘干后環(huán)刀重 + 干土重(g),W環(huán)為環(huán)刀重(g),V為環(huán)刀的體積(cm3).

土壤比重采用比重瓶法測(cè)定[28-29]. 將蒸餾水煮沸5 min, 除去水中的CO2, 冷卻至室溫后, 移入比重瓶中, 并用溫度計(jì)測(cè)定瓶?jī)?nèi)水溫. 然后倒出約一半的水量, 將10 g過篩烘干土樣經(jīng)干漏斗倒入比重瓶,樣品與水均勻混合后加熱比重瓶, 沸騰后保持加熱1 h. 加熱完成后取下比重瓶, 待比重瓶?jī)?nèi)液體澄清后, 稱重并測(cè)定瓶?jī)?nèi)水溫. 土壤比重的計(jì)算公式為

式(2)中:ds為土壤比重(g/cm3),dt為t℃時(shí)蒸餾水比重(g/cm3),M為烘干樣品重(g);M1為t℃時(shí)比重瓶重 + 水重(g).

最后, 通過式(3)計(jì)算土壤孔隙度,

式(3)中:Pt為土壤總孔隙度.

1.2.3 土壤含水率測(cè)定

土壤含水率采用烘干法測(cè)定[28-29]. 稱取土壤鮮樣10 g, 置于已知重量的鋁盒中, 放入烘箱, 在105 ～110℃下烘干至恒重, 取出后放入干燥器冷卻. 冷卻后取出鋁盒, 蓋好盒蓋, 稱重. 土壤含水率的計(jì)算公式為

式 (4) 中:W′為含水率,m0為鋁盒重(g),m1為鋁盒重 + 濕樣重(g),m2為鋁盒重 + 烘干樣品重(g).

1.3 環(huán)境微生物多樣性

1.3.1 環(huán)境微生物DNA提取

土壤基因組DNA使用FastDNARSPIN Kit for Soil (MpBiochemial, USA)試劑盒提取, 用NanoDrop2000檢測(cè)土壤基因組DNA純度和濃度. 1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)土壤基因組DNA完整性.

1.3.2 環(huán)境微生物多樣性檢測(cè)

通過檢測(cè)16S rRNA和ITS基因的序列變異及豐度信息, 明確土壤樣本中土壤細(xì)菌和土壤真菌的多樣性信息. 以純化后的DNA為模板分別對(duì)土壤細(xì)菌16S rRNA基因的V3、V4區(qū)域和土壤真菌ITS基因的ITS1區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)增. 16S rRNA基因的擴(kuò)增引物序列為338F (5’-ACTCCTACGGGAGG CAGCAG-3’), 806R (5’-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3’).ITS基因 的 擴(kuò)增引 物序列 為ITS1F(5’-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA-3’), ITS2R (5’-GCTGCGTTCTTCATCGATGC-3’). PCR反應(yīng)條件: 95℃預(yù)變性3 min; 29 ～ 35個(gè)循環(huán); 循環(huán)包括95℃變性30 s, 53 ～ 55℃復(fù)性30 s, 72℃延伸45 s; 最后72℃延伸5 min. 使用AxyPrep DNA Gel Extraction Kit (Axygen Biosciences, Union City,CA, USA)純化回收產(chǎn)物, 用2%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)PCR產(chǎn)物, 并用Quantus Fluorometer(Promega, USA)檢測(cè)定量回收產(chǎn)物. 使用NEXTFLEX Rapid DNA-Seq Kit構(gòu)建測(cè)序文庫(kù), 采用MiSeq PE300高通量測(cè)序平臺(tái)(Illumina, USA)進(jìn)行測(cè)序.

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1 土壤理化指標(biāo)分析

首先檢驗(yàn)所有土壤理化指標(biāo)的多重共線性, 采用方差膨脹因子分析(variance inflation factor,VIF, 表示為V) 對(duì)某一因子和其余因子進(jìn)行回歸, 得到R2值, 并使用R version 4.1.0分析軟件car version 3.0-11包中的vif函數(shù)計(jì)算V值[30].V值越大, 相關(guān)性越強(qiáng), 當(dāng)V> 8時(shí)判定該因子共線性強(qiáng),需剔除該因子, 最終保留低相關(guān)性的因子以增強(qiáng)整體解釋能力. 繼續(xù)計(jì)算并檢驗(yàn)土壤理化指標(biāo)在各土地利用類型間的差異情況, 采用的分析方法是最小顯著差數(shù)(least significant difference, LSD)檢驗(yàn)法,調(diào)用R version 4.1.0分析軟件中的agricolae1.3-5完成上述分析[31].

1.4.2 高通量測(cè)序數(shù)據(jù)質(zhì)控與土壤微生物鑒定

使用軟件Trimmomatic version 0.40[32]對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)控, 過濾reads尾部質(zhì)量值20以下的堿基, 設(shè)置窗口為50 bp, 若窗口內(nèi)的平均質(zhì)量值低于20, 即從窗口開始截去后端堿基, 過濾質(zhì)控后50 bp以下的reads, 并去除含N堿基的reads. 采用軟件FLASH version 1.2.11 (https://ccb.jhu.edu/software/FLASH/index.shtml)完成拼接, 設(shè)置最小overlap長(zhǎng)度為10 bp, 根據(jù)PE reads之間的overlap關(guān)系將成對(duì)reads拼接成一條序列. 拼接序列的overlap區(qū)允許的最大錯(cuò)配率為0.2, 篩除不符合的序列. 根據(jù)序列首尾兩端的barcode和引物區(qū)分樣品, 調(diào)整序列方向, barcode允許的錯(cuò)配數(shù)為0, 最大引物錯(cuò)配數(shù)為2, 獲取有效數(shù)據(jù).

使用軟件UPARSE version7.1 (http://drive5.com/uparse), 以97%相似性序列聚為OTUs的原則對(duì)OTUs進(jìn)行聚類并剔除嵌合體. 通過軟件RDP classifier version 2.11 (https://sourceforge.net/projects/rdp-classifier)對(duì)每條序列進(jìn)行物種分類注釋, 設(shè)置比對(duì)閾值為70%, 在各分類學(xué)水平上統(tǒng)計(jì)每個(gè)樣品的群落組成信息, 完成物種注釋分析.

1.4.3 土壤微生物的群落組成分析

分別在門、綱、目、科和屬的分類學(xué)水平上, 剔除已完成物種注釋的微生物未命名(norank,AKYG587, JG30-KF-CM45)或沒有分類信息(unclassified)的微生物, 僅保留分類信息完整且科學(xué)命名的微生物. 檢驗(yàn)不同土地利用類型間土壤細(xì)菌和土壤真菌OTUs數(shù)目的差異選擇Wilcoxon秩和檢驗(yàn)法, 并采用錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)率(false discovery rate)校正檢驗(yàn)結(jié)果, 用Q值表示組間差異的顯著度. 該分析使用R version 4.1.0分析軟件中的wilcox.test和p.adjust函數(shù)完成. 通過Shannon多樣性指數(shù)繪制稀釋曲線, 以該指數(shù)伴隨著隨機(jī)抽取序列數(shù)增加而變化的情況判斷測(cè)序數(shù)據(jù)量是否充分. 采用軟件USEARCH version 7.0 (http://www.drive5.com/usearch)中的alpha_div_rare命令計(jì)算得到數(shù)值, 并通過R version 4.1.0分析軟件的amplicon version 1.11.1分析包中alpha_rare_curve函數(shù)繪制稀釋曲線[33]. 土壤細(xì)菌和土壤真菌的群落組成根據(jù)篩選后的物種注釋信息選擇門和屬兩個(gè)分類學(xué)水平上的微生物信息, 使用R version 4.1.0分析軟件中的amplicon version 1.11.1分析包繪制堆疊柱狀圖[33], 反映不同土地利用類型中土壤細(xì)菌和土壤真菌的群落組成信息和各微生物類群的相對(duì)多度情況.

1.4.4 土壤微生物α多樣性分析

選擇Chao1、Shannon和Coverage指數(shù)表征土壤細(xì)菌和土壤真菌的α多樣性. 調(diào)用R version 4.1.0分析軟件vegan version 2.5-7包計(jì)算各多樣性指數(shù)并使用amplicon version 1.11.1包的alpha_boxplot函數(shù)繪制箱型圖[33-34]. 土壤細(xì)菌和土壤真菌α多樣性指數(shù)的土地利用類型間差異選擇Wilcoxon秩和檢驗(yàn)法, 計(jì)算錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)率以校正檢驗(yàn)結(jié)果, 組間差異的顯著度用Q值表示. 采用R version 4.1.0分析軟件中的wilcox.test和p.adjust函數(shù)完成Wilcoxon秩和檢驗(yàn)與錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)率分析.

1.4.5 土壤微生物β多樣性分析

使用Bary-curtis距離表征β多樣性, 使用R version 4.1.0分析軟件中vegan2.5-7包的vegdist函數(shù)計(jì)算該指數(shù)的距離矩陣, 調(diào)用ape5.5包中的pcoa函數(shù)完成主坐標(biāo)分析, 并用ggplot包完成繪圖, 呈現(xiàn)土壤細(xì)菌和土壤真菌的β多樣性分布格局[34-35]. 選擇置換多因素方差分析(permutational multivariate analysis of variance, PERMANOVA)確定對(duì)土壤細(xì)菌和土壤真菌β多樣性分布格局解釋度最高的變量(土地利用類型與土壤理化指標(biāo)), 使用R version 4.1.0分析軟件中vegan version 2.5-7包的pairwise.adonis函數(shù)計(jì)算各變量的解釋度[34]. 為了進(jìn)一步明確對(duì)各分組間差異貢獻(xiàn)最大的微生物, 選擇多級(jí)物種判別分析(linear discriminant analysis effect size, LEfSe), 通過Kruskal-Wallis秩和檢驗(yàn)定位到不同土地利用類型間豐度差異顯著的微生物, 再利用線性判別分析(linear discriminant analysis, LDA, 表示為A)評(píng)估土地利用類型間顯著差異的微生物對(duì)土地利用類型間差異的貢獻(xiàn)度.該分析使用的是Python中的LEfSe包, 選擇門和屬兩個(gè)分類學(xué)水平, 與土壤細(xì)菌和土壤真菌的群落組成分析相對(duì)應(yīng)[36]. 此外, 采用vegan2.5-7包的anosim函數(shù)檢驗(yàn)不同土地利用類型間土壤細(xì)菌和土壤真菌群落組成的差異[34].

1.4.6 土壤理化環(huán)境對(duì)土壤微生物多樣性和群落組成影響的分析

使用回歸分析探究影響土壤細(xì)菌和土壤真菌α多樣性分布格局的驅(qū)動(dòng)因素, 調(diào)用lm函數(shù)檢驗(yàn)土壤細(xì)菌和土壤真菌的α多樣性與上述各土壤理化環(huán)境指標(biāo)之間的相關(guān)性. 土壤細(xì)菌和土壤真菌β多樣性分布格局的驅(qū)動(dòng)因素分析選擇冗余分析(redundancy analysis, RDA)或典范對(duì)應(yīng)分析(canonical correlation analysis, CCA). 模型的選擇參照去趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析(detrended correspondence analysis,DCA)的結(jié)果, 如果lengths of gradient的第一軸大于等于3.5選擇典范對(duì)應(yīng)分析, 否則選擇冗余分析.使用vegan version 2.5-7包的decorana函數(shù)選擇模型, rda和cca函數(shù)分別實(shí)現(xiàn)冗余分析和典范對(duì)應(yīng)分析[33]. 調(diào)用cor函數(shù)分別計(jì)算優(yōu)勢(shì)土壤細(xì)菌和優(yōu)勢(shì)土壤真菌與土壤理化環(huán)境指標(biāo)之間的斯皮爾曼相關(guān)系數(shù), 使用pheatmap1.0.12包的pheatmap函數(shù)繪制熱圖[37]. 上述分析均使用R version 4.1.0分析軟件完成.

2 結(jié)果

2.1 不同土地利用類型的土壤理化性質(zhì)

方差膨脹因子分析結(jié)果顯示, 本研究的土壤理化指標(biāo)土壤酸堿度(V= 1.12)、土壤孔隙度(V=2.78)和土壤含水率(V= 2.78)之間不存在多重共線性, 3種土壤理化指標(biāo)都應(yīng)保留以繼續(xù)分析. 研究區(qū)域4種土地利用類型的土壤為中性和弱堿性土壤 (表1). 其中, 耕地的土壤孔隙度和土壤含水率在4種土地利用類型中均為最高, 顯著高于坑塘水域、倉(cāng)儲(chǔ)用地和居民居住區(qū).

表1 不同土地利用類型的土壤理化性質(zhì)Tab. 1 Soil environmental factors of different land use types

2.2 測(cè)序數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與物種鑒定

測(cè)序質(zhì)控結(jié)果表明, 4種土地利用類型23個(gè)樣本中共獲得100萬(wàn)條長(zhǎng)度為421 ～ 460 bp的16S rRNA序列和160萬(wàn)條長(zhǎng)度為201 ～ 360 bp的ITSrRNA序列, 用于分析土壤細(xì)菌和土壤真菌的多樣性格局. 根據(jù)97%的序列相似性共鑒定出632種土壤細(xì)菌OTUs和593種土壤真菌OTUs. 研究區(qū)域中多度最高的土壤細(xì)菌OTUs來自Pseudarthrobacter, 多度最高的土壤真菌OTUs來自被孢霉屬(Mortierella). 4種土地利用類型中分別有446 ～ 530種土壤細(xì)菌OTUs和267 ～ 331種土壤真菌OTUs. 其中, 耕地的細(xì)菌OTUs最多, 真菌OTUs最少; 居民居住區(qū)的真菌OTUs最多, 細(xì)菌OTUs最少. 土壤細(xì)菌和土壤真菌的OTUs數(shù)量在不同土地利用類型間無顯著差異(Q> 0.05). Rarefaction分析結(jié)果表明, 各樣品稀釋曲線的末端均趨于平坦, 說明數(shù)據(jù)采集充分, 能夠準(zhǔn)確反映各樣品中土壤細(xì)菌和土壤真菌的群落組成信息(圖1).

圖1 稀釋曲線圖Fig. 1 Rarefaction curve

門水平上, 4種土地利用類型中土壤細(xì)菌和土壤真菌的優(yōu)勢(shì)類群相同, 為變形菌門(Proteobacteria,占比39.40% ～ 53.62%)和子囊菌門(Ascomycota, 占比77.61% ～ 95.82%). 但優(yōu)勢(shì)類群的相對(duì)多度在不同土地利用類型間存在顯著差異, 變形菌門的相對(duì)多度在耕地中最高且與居民居住區(qū)存在差異顯著(p= 0.045). 屬水平上, 各土地利用類型的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌屬為Pseudarthrobacter和Gaiella, 但相對(duì)多度在土地利用類型間差異顯著.Pseudarthrobacter的相對(duì)多度在坑塘水域和居民居住區(qū)之間差異顯著(p= 0.02). 此外, 倉(cāng)儲(chǔ)用地中Gaiella的相對(duì)多度分別與坑塘水域(p= 0.036)和居民居住區(qū)(p=0.022)達(dá)到顯著差異. 而優(yōu)勢(shì)土壤真菌屬主要為各土地利用類型的特有優(yōu)勢(shì)真菌屬 (圖2).

圖2 不同土地利用類型中土壤微生物的群落組成Fig. 2 Community composition of soil microbes across different land use types

2.3 不同土地利用類型中土壤微生物的α多樣性

4種土地利用類型中, 土壤細(xì)菌的Chao1指數(shù)為317 ～ 374, Coverage指數(shù)為0.937 ～ 0.949,Shannon指數(shù)為4.41 ～ 4.71; 該指數(shù)最高的是坑塘水域, 最低的是耕地; 土壤細(xì)菌的豐富度、覆蓋度和α多樣性在4種土地利用類型間無顯著差異(圖3(a)、(c)、(e)). 土壤真菌的Chao1指數(shù)為107 ～157; Coverage指數(shù)在4種土地利用類型中均達(dá)到0.99以上(0.992 ～ 0.995), Shannon指數(shù)為1.99 ～2.60, 該指數(shù)最高的是倉(cāng)儲(chǔ)用地, 最低的是坑塘水域; 土壤真菌的豐富度、覆蓋度和α多樣性在4種土地利用類型間無顯著差異(圖3(b)、(d)、(f)).

圖3 不同土地利用類型中土壤微生物的α多樣性圖Fig. 3 α Diversity of soil microbes across different land use types

2.4 不同土地利用類型中土壤微生物的β多樣性

基于Bary-curtis距離算法的主坐標(biāo)分析結(jié)果顯示, 研究區(qū)域的土壤細(xì)菌和土壤真菌分別聚成了兩類(圖4). PERMANOVA結(jié)果顯示, 土地利用類型與土壤理化指標(biāo)相比, 對(duì)土壤細(xì)菌和土壤真菌β多樣性格局的解釋度更高(表2). 通過基于相同距離算法的相似性分析(analysis of similarities,ANOSIM), 計(jì)算4種土地利用類型間的微生物群落結(jié)構(gòu)差異. 結(jié)果表明, 坑塘水域與耕地、倉(cāng)儲(chǔ)用地、居民居住區(qū)這3種土地利用類型的土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異顯著(p< 0.05), 此外, 居民居住區(qū)與耕地、倉(cāng)儲(chǔ)用地這兩種土地利用類型的土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異顯著(p< 0.05) (表3). 土壤真菌的群落結(jié)構(gòu)差異在4種土地利用類型間表現(xiàn)為坑塘水域與耕地、倉(cāng)儲(chǔ)用地、居民居住區(qū)這3種土地利用類型差異顯著(p< 0.05), 倉(cāng)儲(chǔ)用地與居民居住區(qū)之間差異顯著(p< 0.05) (表3).

圖4 不同土地利用類型中土壤微生物的主坐標(biāo)分析Fig. 4 Principal coordinate analysis of soil microbes across different land use types

表2 置換多因素方差分析結(jié)果表Tab. 2 Permutational multivariate analysis of variance

表3 相似性分析結(jié)果表Tab. 3 Analysis of similarities (ANOSIM)

多級(jí)物種差異判別分析結(jié)果顯示, 對(duì)4種土地利用類型間差異貢獻(xiàn)最大的土壤細(xì)菌和土壤真菌為各土地利用類型中的優(yōu)勢(shì)土壤細(xì)菌和優(yōu)勢(shì)土壤真菌, 屬水平上, 對(duì)耕地中土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)最大的是地桿菌屬(Geobacter,A= 4.60), 對(duì)坑塘水域中土壤細(xì)菌和土壤真菌群落結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)最大的分別是Gaiella(A= 4.37)和腐質(zhì)霉屬(Humicola,A= 4.85), 倉(cāng)儲(chǔ)用地中對(duì)土壤細(xì)菌和土壤真菌群落結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)最大的分別是硫桿菌屬(Thiobcaillus,A= 4.38)和柄孢殼屬(Zopfiella,A= 5.03), 居民居住區(qū)中對(duì)土壤細(xì)菌和土壤真菌群落結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)最大的分別是Dongia(A= 4.32)和頭梗霉屬(Cephaliophora,A= 4.88).

2.5 土壤理化環(huán)境對(duì)土壤微生物群落組成和多樣性的影響

通過相關(guān)性分析明確影響土壤細(xì)菌和土壤真菌群落組成的環(huán)境因素, 發(fā)現(xiàn)土壤細(xì)菌和土壤真菌的群落組成差異格局與土壤含水率、土壤孔隙度和土壤酸堿度顯著相關(guān)(圖5). 回歸分析的結(jié)果發(fā)現(xiàn),土壤酸堿度(細(xì)菌R2= 0.0006,p= 0.92; 真菌R2= 0.066,p= 0.24)、土壤孔隙度(細(xì)菌R2= 0.005,p= 0.76; 真菌R2= 0.031,p= 0.42)和土壤含水率(細(xì)菌R2= 0.094,p= 0.17; 真菌R2= 0.114,p=0.12)與土壤細(xì)菌和土壤真菌α多樣性格局的相關(guān)性不顯著. 冗余分析和典范對(duì)應(yīng)分析結(jié)果顯示, 土壤細(xì)菌和土壤真菌的β多樣性格局與土壤酸堿度、土壤孔隙度和土壤含水率顯著相關(guān) (圖6).

圖5 不同土地利用類型中的優(yōu)勢(shì)土壤微生物類群與土壤理化指標(biāo)的相關(guān)性分析Fig. 5 Correlation analysis between soil dominant microbes and soil environmental factors across different land types

圖6 不同用地類型中土壤微生物β多樣性與土壤理化指標(biāo)的相關(guān)性分析Fig. 6 Correlation analysis between soil microbial β diversity and soil environmental factors across different land types

3 討論

研究區(qū)域土壤細(xì)菌和土壤真菌的群落組成在門水平上表現(xiàn)為: 不同土地利用類型的優(yōu)勢(shì)門相同,但相對(duì)多度差異顯著; 屬水平上優(yōu)勢(shì)土壤真菌主要是各土地利用類型的特有優(yōu)勢(shì)真菌屬, 土壤細(xì)菌的群落組成格局與門水平一致. 該區(qū)域土壤細(xì)菌和土壤真菌的β多樣性格局在土地利用類型間呈現(xiàn)顯

著差異格局. 此外, 土壤細(xì)菌和土壤真菌的土地利用類型間差異格局主要由各土地利用類型中的優(yōu)勢(shì)土壤細(xì)菌和優(yōu)勢(shì)土壤真菌貢獻(xiàn). 基于對(duì)上述群落組成格局和多樣性格局驅(qū)動(dòng)因素的探索, 本研究聚焦于土壤理化指標(biāo), 發(fā)現(xiàn)該區(qū)域土壤細(xì)菌和土壤真菌的β多樣性格局和群落組成格局與土壤理化指標(biāo)(土壤酸堿度、土壤孔隙度和土壤含水率)顯著相關(guān).

3.1 土地利用類型對(duì)土壤微生物多樣性分布格局和群落組成格局的影響

本文聚類所得的土壤細(xì)菌OTUs數(shù)目比土壤真菌OTUs多, 與已發(fā)表研究結(jié)論相似[37]; 且相對(duì)多度最高的土壤細(xì)菌和土壤真菌類群與我國(guó)北京市的研究工作結(jié)論一致, 分別是變形菌門和子囊菌門[38].城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)土壤細(xì)菌和土壤真菌的多樣性分布格局與已有研究結(jié)論一致, 上述兩類微生物的α多樣性格局均不受土地利用類型顯著影響; 而β多樣性在不同土地利用類型間呈現(xiàn)顯著差異格局[27,39]. 造成上述格局的原因可能是各土地利用類型中的土壤基底相同, 故可容納的微生物物種數(shù)相似, 而由于土壤細(xì)菌和土壤真菌對(duì)干擾的響應(yīng)較為敏感, 且上海市城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)人類活動(dòng)強(qiáng)度高[40], 可能會(huì)導(dǎo)致不同土地利用類型中微生物的β多樣性差異較大.

土壤基底相同的土地利用類型可容納相似物種數(shù)的微生物, 但各土地利用類型中的微生物結(jié)構(gòu)差異顯著, 該差異格局在不同分類學(xué)水平上差異表達(dá). 門水平上, 各土地利用類型的優(yōu)勢(shì)土壤細(xì)菌和優(yōu)勢(shì)土壤真菌組成相同, 相對(duì)多度呈現(xiàn)的土地利用類型間顯著差異格局與已發(fā)表研究觀點(diǎn)一致, 土地利用類型或土地管理方式的不同會(huì)影響土壤微生物的相對(duì)多度[41]; 屬水平上, 優(yōu)勢(shì)土壤真菌為各土地利用類型的特有優(yōu)勢(shì)真菌屬, 說明該分類學(xué)水平上的土壤真菌更敏感, 可能對(duì)干擾環(huán)境具有更好的指示意義[42].

3.2 土壤理化環(huán)境對(duì)土壤微生物多樣性分布格局和群落組成格局的影響

本文發(fā)現(xiàn)土壤細(xì)菌和土壤真菌的β多樣性格局與土壤酸堿度、土壤孔隙度和土壤含水率顯著相關(guān), 與多項(xiàng)已發(fā)表研究結(jié)論相似[43-44]. 此外, 有研究表明土壤細(xì)菌對(duì)土壤酸堿度高度敏感[45-46], 但本文未表現(xiàn)出相似格局. 其原因可能是在研究尺度上土壤基底相同, 土壤酸堿度差異不大(pH值為7.1 ～8.0). 本文的空間尺度上, 土壤理化環(huán)境沒有顯著影響土壤細(xì)菌和土壤真菌的α多樣性格局. 因此, 可能需要更多地考慮空間尺度上的生物因素或時(shí)間尺度等[47]. 土壤細(xì)菌和土壤真菌的群落物種組成與土壤理化環(huán)境顯著相關(guān), 可能是因?yàn)槲⑸飳?duì)土壤理化環(huán)境具有較高的敏感度.

3.3 總結(jié)與展望

農(nóng)業(yè)活動(dòng)和城市建設(shè)產(chǎn)生的土地利用是改變土壤微生物多樣性的主要因素[48-49]. 區(qū)域規(guī)劃和建設(shè)活動(dòng)中, 可以從土地利用類型的角度切入保護(hù)城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)土壤微生物多樣性, 對(duì)被高強(qiáng)度人為干擾的土壤生境采取措施, 尤其是農(nóng)業(yè)用地, 維持土壤健康, 保障糧食安全, 構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的土壤生態(tài)系統(tǒng). 對(duì)城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)不同土地利用類型土壤微生物多樣性的保護(hù)工作, 還需要充分考慮土壤酸堿度、土壤孔隙度和土壤含水率的影響, 它們會(huì)顯著影響土壤微生物的多樣性分布格局和群落組成格局. 相對(duì)于污染指標(biāo), 這類基礎(chǔ)指標(biāo)在城鄉(xiāng)建設(shè)中往往很容易被忽略, 在污染防控的同時(shí)需要關(guān)注與土壤環(huán)境相關(guān)的非污染指標(biāo), 保護(hù)地下生物多樣性, 維持土壤生態(tài)系統(tǒng)的功能與服務(wù).