藏北退化高寒草原土壤细菌和真菌多样性分析

2018-09-28荣新山何敏王从彦李彦戴志聪梁止水万凌云郜志勇姜坤伍丙德张璐周嘉伟

生态环境学报 2018年9期

荣新山，何敏，王从彦*，李彦，戴志聪，梁止水，万凌云，郜志勇，姜坤，伍丙德，张璐，周嘉伟

1. 江苏大学环境与安全工程学院/环境健康与生态安全研究院，江苏镇江 212013；2. 东南大学土木工程学院江苏南京 210096；3. 青海碧城生态环境科技有限公司, 青海西宁 810001

草原生态系统是全球面积最大的陆地生态系统，约占全球陆地面积的1/2，在全球生态系统稳定方面扮演着极其重要的角色（Reeder et al.，2002）。藏北高原拥有辽阔的天然草地资源，各类天然草地面积达4.8×106hm2，占羌塘高原（即藏北高原）土地面积的 81%和西藏自治区天然草地面积的59%，为西藏自治区的主要牧区（胡自治，2000）。然而，由于青藏高原高寒地区的气候和地理位置具有特殊性，形成高寒草原独有的生态特性，即结构简单、修复能力差、稳定性弱，且易受外界因素干扰（白玛玉珍，2016）。其中，高寒草原是青藏高原17种草地类型中面积最大的草地类型，但也是生态环境最为敏感和脆弱的亚类（曹樱子等，2012）。因此，在人类因素（如过度放牧、围栏定居、城镇道路建设和野生生物资源的乱挖滥采等）和自然因素（如病虫害、风蚀、水蚀、冻融、气候变化等）双重作用下，藏北高寒草地退化程度比较高，不仅严重影响当地社会、经济和环境健康与生态安全的可持续发展，而且对青藏高原以及全国的江河、气候、生态环境均有直接和间接的多重影响（邵伟等，2008；高清竹等，2010；赵贯锋等，2013）。

草原退化的重要标志之一是草原土壤质量退化，特别是土壤微生物多样性明显下降（邵伟等，2008；赵贯锋等，2013）。土壤微生物是生态系统能量流动和物质循环进程的主要参与者（Wang et al.，2017a，2017b）。作为生物圈与非生物圈物质与能量交换的重要枢纽（单文俊等，2016），土壤微生物对生态环境的微小变化非常敏感，可提前警示生态系统结构和功能的变化（Wang et al.，2017a）。其中，细菌和真菌共同组成超过90%的土壤微生物生物量（Rinnan et al.，2009）。因此，探究藏北退化高寒草原土壤细菌和真菌群落的多样性和结构组成对评价其生态系统结构和功能具有重要意义。

基于此，本研究运用宏基因组学方法，基于高通量测序技术，对藏北退化高寒草原土壤细菌和真菌多样性进行对比分析。

1 研究地区概况和研究方法

1.1 研究区概况

藏北那曲地区位于西藏自治区北部，总面积3.954×105km2，占西藏自治区总面积的32.82%，孕育了长江、怒江、澜沧江等多条大江大河及藏北高原的内流河与众多湖泊。年平均气温-2.9～3.4 ℃，年平均降水298.6～708.4 mm，年蒸发量高于1500 mm，年日照时数 2400～3200 h。自然条件具有冬季寒冷且多风沙、夏季温度不高但日温差大、高寒、少雨、干旱、缺氧和紫外线强等特点（高清竹等，2010；白玛玉珍，2016）。主体土壤类型为高山草甸土，植被类型主要属高寒草甸类型（赵玉红等，2012）。草原是该地区生态重要性最高、面积最大的生态系统（高清竹等，2010），但该地区未退化的草原面积占比已低于50%，其中轻度退化草原占比约30%，中度退化草原占比约15%，而重度或极重度退化草原占比约 10%，且草原退化速度每年达3%～5%（白玛玉珍，2016）。

1.2 土壤样品采集

取样地位于那曲地区申扎县约10 km的藏北退化高寒草原（30°55′～30°56′N，88°37′～88°38′E）。采用五点混合取样法采集土壤样品，取样深度为0～10 cm，3次重复。首先，随机选取5个10 m×10 m的样区，将每一样区平均分为九格，然后在中间一格以及任意周边两格采集3份土壤样品，而后将每一样区采集的3份土壤样品进行均匀化处理后形成一份总的土壤样品。本试验共收集5份土壤样品。去除土壤样品中的根系、碎石等杂物后将土壤样品装入灭菌的封口聚乙烯袋中，带回实验室，于-20 ℃保存，以进行后续处理。

1.3 土壤化学成分组成和土壤粒径分布分析

土壤化学成分组成委托玄武岩纤维生产及应用技术国家地方联合工程研究中心进行分析，分析方法为全谱直读等离子光谱分析法。土壤粒径分布采用筛分法进行分析。

1.4 土壤细菌和真菌多样性分析

土壤细菌和真菌多样性委托北京百迈客生物科技有限公司以高通量测序技术进行测定分析，并进一步利用高通量测序技术对土壤细菌（16S rDNA V3和 V4 区域）（Hugerth et al.，2014）和真菌（ITS1区域）（Shi et al.，2014）群落结构进行对比分析。

1.5 数据处理

运用IBM SPSS Statistics（version 22.0；IBM Corp.，Armonk，NY，U.S.A.）进行数据统计分析，其中数据指标间的差异水平采用One-way ANOVA分析（3组及以上数据指标间的差异水平采用Student-Newman-Keuls test多重比较进行分析），显著性水平均设置为0.05。

2 结果与分析

2.1 土壤化学成分组成和土壤粒径分布

藏北退化高寒草原土壤化学成分组成以 SiO2为主，占比为63.5%（图1）。

图1 土壤化学成分组成Fig. 1 Soil chemical composition

藏北退化高寒草原土壤颗粒粒径分布介于10～0.1 mm之间，其中介于5～1 mm之间土壤颗粒占比为51%（图2）。

2.2 土壤细菌和真菌多样性分析

藏北退化高寒草原土壤中，细菌的多样性（以Shannon’s diversity index表征）、丰富度（以OTU richness表征）和相对丰度（以 ACE index(Abundance-based coverage estimator)和Chao1 index表征）均显著高于真菌（P＜0.0001；图3）。

在门分类级别，放线菌门（Actinobacteria）、变形菌门（Proteobacteria）和酸杆菌门（Acidobacteria）是相对丰度最高的3类土壤细菌种类（P＜0.05），占比分别为44.9%、16.4%和14.5%（图4a）；而子囊菌门（Ascomycota）、其他类（Other）和担子菌门（Basidiomycota）是相对丰度最高的 3类土壤真菌种类（P＜0.05），占比分别为71.5%、14.3%和8.3%（图4b）。

图2 土壤颗粒级配曲线示意图Fig. 2 Diagram of soil particle grading curven=3

3 讨论

由于严酷的水热条件、强烈的风化和微弱的生物作用等，藏北高寒草原形成了具有原始性和粗骨性等诸多特点的高山草原土（董玉祥，2001），而这些土壤是在疏松的残坡积物、洪积物、冲洪积物、湖积物和冰积物等沉积物基础上形成的，含沙量比较丰富，物理性沙砾含量高达 70.44%（董玉祥，2001）。本研究结果也表明，SiO2是藏北退化高寒草原土壤的主要化学组成成分，且土壤颗粒粒径分布介于10～0.1 mm之间，其中介于5～1 mm之间的土壤颗粒占比高达51%。因此，在藏北特殊的高寒自然条件下，土壤矿物风化程度低、粗骨性强、石砾含量高（范宇等，2006）。

图3 土壤细菌和真菌α多样性差异比较Fig. 3 Differences in the alpha diversity of soil bacterial and fungal communities

图4 土壤细菌（A）和真菌（B）群落在门分类级别上的相对丰度差异比较Fig. 4 Differences in the relative abundance of soil bacterial (Subgraph A) and fungal (Subgraph B) community proportions at the phylum level

相关研究表明，青藏高原高寒草原土壤细菌的数量显著高于真菌（彭岳林等，2007）；同时，土壤细菌的多样性也显著高于真菌（牛磊等，2015）。本研究结果表明，藏北退化高寒草原土壤细菌的多样性、丰富度和相对丰度均显著高于真菌。细菌的α多样性显著高于真菌的主要原因可能是由于细菌是土壤中数量最多的微生物种类（Wang et al.，2016），而真菌更易受到植物有机质输入的影响（Wang et al.，2018a；Delgado-Baquerizo et al.，2018），且藏北退化高寒草原的植被稀少、植被生产力低下，植物有机质输入量明显偏低。因此，土壤真菌的多样性显著低于细菌。细菌的α多样性显著高于真菌的第二个原因可能是在轻度退化草地中，一定程度的土壤风化导致土壤生态微环境发生一定程度的改变，进而促进土壤细菌的繁殖和活动，从而使土壤细菌数量明显上升（彭岳林等，2007）。一般情况下，植被的种类和丰富度越高，土壤微生物的多样性也越高（Wang et al.，2015，2018a）。但是，由于严酷的水热条件、强烈的风化、过度放牧等诸多因素的综合作用，藏北高寒草原退化程度较严重，导致植被较单一。所以，藏北退化高寒草原土壤微生物的多样性明显低于其他植被类型的（Wang et al.，2018a，2018b）。同时，藏北高寒草原的低降雨量和高蒸发量等独特特点也是导致其土壤微生物多样性明显偏低的主因之一，因为干旱导致土壤微生物的多样性指数显著降低（Guenet et al.，2012；Maestre et al.，2015）。此外，真菌/细菌比是评价土壤肥力和健康程度的重要指标之一（Wang et al.，2016；Kumar et al.，2017），且土壤真菌/细菌比越高代表土壤肥力越高、土壤生态系统稳定程度也越高（de Vries et al.，2006）。本研究结果显示，真菌的多样性、丰富度和相对丰度均显著小于细菌。通过对细菌和真菌多样性、丰富度和相对丰度进行计算，得出真菌/细菌比仅分别为0.725、0.260和0.258，比值偏低。这表明，藏北高寒草原土壤肥力已比较低下，且生态系统已退化，而干旱的环境条件也是造成真菌细菌比低下的重要因素之一（Guenet et al.，2012），且真菌比细菌对干旱更为敏感（Gordon et al.，2008）。

放线菌门和酸杆菌门是高寒区域土壤细菌群落的优势门类，如北极苔原永久冻土（Wilhelm et al.，2011）、南极 Lake Zub附近土壤（Shivaji et al.，2004）、加拿大高纬度北极苔原（Neufeld et al.，2004）、阿尔卑斯山地苔原（Zinger et al.，2009）、青藏高原草地（陈伟等，2011）和青藏高原的Chaka湖、Athalassohaline湖（Jiang et al.，2006）以及其他20个湖泊（Xiong et al.，2012）。本研究结果与上述研究结果基本一致，且与其他类型的陆地生态系统相类似（Barnard et al.，2013）。此外，部分研究结果显示：放线菌门的相对丰度在干旱地区相对较高（Maestre et al.，2015；Wang et al.，2015），而本研究中，放线菌门是土壤细菌群落相对丰度最高的，这也印证了藏北高寒草原的退化。

土壤真菌群落的优势门类主要为子囊菌门及担子菌门（Maestre et al.，2015；Ren et al.，2018）。在高寒区域的相关研究结果也验证了这一点，如科罗拉多高山苔原（Schadt et al.，2003），而本研究结果也得到与之一致的结论。这表明藏北高寒草原的微生物组成与其他类型的生态系统具有很大的相似性。因此，若加以环境保护与生态恢复，藏北高寒草原有望形成良好循环的生态系统，若再任之持续退化，一旦植被与土壤微生物之间的互作反馈关系被彻底破坏，很可能形成不可逆的生态破坏。