鄱阳湖湿地不同植物群落土壤养分及微生物多样性研究

李秀清，李晓红

1. 西北大学城市与环境学院，陕西 西安 710127；2. 山东省环境保护科学研究设计院，山东 济南 250013

土壤是生态系统中的重要组成部分，作为一种重要的自然资源维持着陆地生态系统健康，在生态系统的物质循环和能量流动方面起着重要作用（朱永官等，2016；吴绍华等，2015；李小雁等，2016）。土壤养分在养分的分解和转化过程中起着主导作用，影响着土壤生态系统中能量流动和物质循环，并且能够反映出土壤质量及健康状况等。土壤养分影响着土壤的透水性、保墒性、缓冲性、耕性、通气状况和土壤温度等，其含量高低是表征土壤肥力高低的重要指标之一（杨宁等，2014；陈文静等，2017；徐蒋来等，2016）。土壤微生物参与土壤有机碳分解、腐殖质形成、土壤养分转化和循环等过程，土壤微生物群落结构组成及活性变化是衡量土壤质量、维持土壤肥

力和作物生产力的一个重要指标（杨宁等，2014；杨宁等，2015）。受技术和方法的限制，以往的研究多侧重于对植物微生物数量等的研究，而表现土壤微生物在组成和区系上的变化，还要结合土壤微生物多样性的研究（Vaksmaa et al.，2017；Chen et al.，2017；Tedersoo，2017）。近年来，生物化学及分子生物学等测试技术的进步，推动了土壤微生物多样性的研究。对土壤微生物多样性的研究主要是从物种、功能和遗传多样性 3个层面展开的，碳素利用法、磷脂脂肪酸（PLFA）分析法和核酸分析法是研究微生物多样性普遍采用的3种技术（吴林坤等，2014；LeBlanc et al.，2017）。其中，碳素利用法通常利用Biolog微平板来实现，其理论依据是Biolog代谢多样性类型的变化与群落组成。Biolog是对功能微生物群落变化较为敏感的指标，被广泛应用于评价土壤微生物群落的功能多样性，也可以用于估价土壤微生物群落代谢多样性和功能多样性的研究（赵亚丽等，2015；刘彩霞等，2015；Mossa et al.，2017）。

湿地是陆地和水生生态系统之间的过渡带，是具有独特水文、土壤、植被和生物特征的生态系统，它承担着碳、氮、磷的源、汇和转化器等多项重要生态功能（Lemetre et al.，2017；Morrissey et al.，2017）。湿地积累了大量的有机碳，是陆地生态系统重要的养分库，土壤养分直接参与土壤生物、化学转化，对平衡土壤碳库和保持土壤肥力具有重要意义（奚立平等，2016；青烨等，2015）。鄱阳湖是中国最大的淡水湖泊，是中国湿地生态系统中生物资源最丰富的地区，也是中国公布的首批国家重点湿地保护地之一，1992年被列入世界重要湿地名录，是具有国际性保护意义的淡水湿地，集饮用、灌溉、渔业、航运、纳污等多功能于一体，为各种水生植物和动物的生存提供了良好的环境条件，对中国长江流域洪水调蓄和生物多样性保护有着重要作用（惠淑荣等，2016）。目前，对鄱阳湖湿地的研究大多集中在植被方面，对于土壤微生物的研究报道较少，这使得开展鄱阳湖湿地土壤养分和微生物多样性的研究十分必要。为了研究鄱阳湖湿地土壤微生物群落变化特征，以鄱阳湖为研究湿地对象，分析鄱阳湖湿地不同植物群落土壤养分和土壤微生物多样性差异，旨在为鄱阳湖湿地不同植物群落的管理提供科学理论依据，为该流域的综合治理和生态环境的监测评估提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 采样点分布

鄱阳湖南矶湿地国家级自然保护区处于28°52′05″N－29°06′50″N，116°10′33″E－116°25′05″E。该保护区位于鄱阳湖南部，赣江三角洲前沿地带，在南昌市新建县界内，区内除南山岛和矶山岛（乡行政机构所在地，面积仅4 km2）外，其余为洲滩和水域，总面积约330 km2。该地区气候属亚热带湿润季风气候，多年平均气温17.6 ℃，全年1月份最冷，平均气温为5.1 ℃，7月份最热，平均气温29.5 ℃。多年平均降水量为 1450－1550 mm，年蒸发量为1599.6 mm。洲滩淹没时间视当年具体水文情势而定，一般在 3－5个月不等，非淹水时间长达 7－9个月。研究样地位于南矶山湿地自然保护区，保护区内湿地植被主要有湖滨高滩地中生性草甸、挺水植物、湿生植物和沉水植物4种典型植被。其中，高滩地植物区分布高程为18－19 m，平水年份不受水淹，以狗牙根（Cynodon dactylon）群落最为典型，分布于远湖心区，该区土壤为红色砂质土壤。挺水植物区分布高程在16－18 m，年平均出露天数为217－305 d，主要有芦苇（Phragmites australis）、南荻（Triarrhena lutarioriparia）、菰（Zizania latifolia）等优势群落，土壤以草甸土为主。湿生植物区分布高程为14－16 m，地势平缓，面积大，年平均出露天数为169－271 d，土壤为草甸土，典型群落类型有灰化苔草（Carex cinerascens）、水蓼（Polygonum hydropiper）等。沉水植物区分布高程在12 m以下，枯水季节水深大于 50 cm，优势群落类型为黑藻（Hydrilla verticillata）、苦草（Vallisneria natans）、茨藻（Najas marina）等群落，土壤为质地黏重的水成土。研究区湿地主要生境类型及其特征可见表1。

1.2 样品采集

于2014－2017年9月，在保护区内按照不同高程梯度分别选取 4个采样点，样方规格为 10 m×10 m，每个采样点设置5个重复，用土钻在每个样点分别取 0－20、20－40、40－60、60－80 cm土层土样，每个样方内采集5钻土混成一个单独样品，共采集 80个土壤样品，分别装入有编号的样品袋中。剔除凋落物和石砾，取部分土样装于自封袋中于4 ℃下冷藏保存，用于测定土壤微生物量，其余土样风干研磨过100目筛，测定土壤养分含量（包士旦，2006）。

土壤含水量采用恒重法测定；pH采用电位计法测定（水土比为2.5∶1）；地上和地下生物量烘干用进行称重；土壤有机碳（SOC）含量采用重铬酸钾氧化法测定；土壤总氮（STN）含量采用半微量凯式法测定；土壤全钾（STK）采用火焰分光光度计法测定（包士旦，2006）。

1.3 土壤微生物群落功能多样性

土壤微生物作为土壤肥力和活性保持的重要参与者，其多样性的测定常以 Shannon、McIntosh和Simpson指数进行测度。为了计算Simpson指数，将数据放大1000倍。在多样性分析过程中，要求测定条件无菌。称取 10 g干土，将 90 mL 0.145 mol·L-1NaCl溶液加入其中，振荡30 min后对样品进行稀释（1000倍），然后使用Biolog排枪吸取100 μL土壤溶液，用ECO板进行接种并初次读取吸光值，然后置于25 ℃下培养216 h，每隔12 h读数1次；使用0.85% NaCl无菌溶液对样品进行稀释，稀释后接种于Biolog-Eco板中，于25 ℃下培养，在此过程中每天读取吸光值（文东新等，2016）。

Biolog-Eco板中的碳源共有31种，以平均颜色变化率（AWCD）表征微生物对碳源的利用水平。AWCD值越大，说明土壤微生物对碳源的利用水平越高，且微生物具有较大的丰度，计算公式如下（张红等，2014）：

表1 鄱阳湖湿地不同植物群落采样点基本信息Table 1 Basic information of sampling sites of different plant community in the wetland of Poyang Lake

公式中，Ci为第i孔的吸光值，R为对照孔的吸光值。对(Ci-R)＜0的孔，计算中记为 0，即(Ci-R)≥0。

式中，H为物种丰富度指数；Pi为第i孔的相对吸光值与所有整个微平板的相对吸光值总和的比值。

式中，S为碳源利用丰富度指数；N为被利用碳源的总数，当吸光值≥0.25时，N为所有微孔的总和。

式中，Ds为优势度指数。培养96 h后能够得到相应的光密度值，对之进行主成分分析，提取得到2个主因子，进一步对微生物对碳源的利用水平加以分析。

运用Excel 2003和SPSS 13.00软件对数据进行分析，采用单因素方差分析（One-way ANOVA）结合LSD法（P＜0.05）进行差异显著性分析，主成分法分析土壤微生物群落碳源利用类型；采用Pearson相关系数确定各个指标之间的相关性。

2 结果与分析

2.1 鄱阳湖湿地不同植物群落土壤养分

鄱阳湖湿地不同植物群落土壤养分由湖滨高滩地到沉水植物区，土壤养分呈增加趋势，均表现为沉水植物区＞湿生植物区＞挺水植物区＞湖滨高滩地（图1）；土壤有机碳表现为沉水植物区＞湿生植物区＞挺水植物区＞湖滨高滩地，其中沉水植物区和湿生植物区差异不显著（P＞0.05），二者显著高于湖滨高滩地（P＜0.05）；土壤全氮表现为沉水植物区＞湿生植物区＞挺水植物区＞湖滨高滩地，挺水植物区和湖滨高滩地差异不显著（P＞0.05），显著低于沉水植物区和湿生植物区；沉水植物区土壤全钾和湿生植物区差异不显著（P＞0.05），但均显著高于挺水植物区和湖滨高滩地（P＜0.05）；土壤 pH与土壤养分呈相反的变化趋势，表现为沉水植物区＜湿生植物区＜挺水植物区＜湖滨高滩地，不同区域土壤pH差异均显著（P＜0.05）。

2.2 鄱阳湖湿地不同植物群落土壤微生物群落代谢平均颜色变化率

图1 鄱阳湖湿地不同植物群落土壤养分Fig. 1 Variation of soil nutrients of different plant community in the wetland of Poyang Lake

图2 鄱阳湖湿地不同植物群落土壤微生物群落代谢平均颜色变化率Fig. 2 Average well color development of different plant community in the wetland of Poyang Lake

微生物群落功能多样性能够反映土壤中微生物的生态功能，与土壤微生物群落的生态功能更具相关性。平均颜色变化率（AWCD）是判断土壤微生物群落利用碳源能力的重要指标之一，代表土壤微生物的代谢活性。鄱阳湖湿地不同植物群落土壤开始培养后每隔24 h测定AWCD值，得到AWCD随时间的动态变化图（图 2），由图可知，随着培养时间的延长，鄱阳湖湿地不同植物群落土壤微生物碳源利用总体上呈逐渐增加的趋势，培养起始的24 h内AWCD变化不明显，沉水植物区、湿生植物区土壤微生物碳源利用在培养 24－72 h内AWCD快速增长，此时微生物活性较强，72 h后增长缓慢，192 h后急剧增长；挺水植物区和湖滨高滩地土壤微生物碳源利用在培养72 h后急剧增长，且增长幅度逐渐变大；在培养48 h以前，鄱阳湖湿地不同植物群落土壤微生物碳源利用基本一致，在48 h以后，相同时间土壤微生物碳源利用大致表现为沉水植物区＞湿生植物区＞挺水植物区＞湖滨高滩地，局部有所波动。

2.3 鄱阳湖湿地不同植物群落土壤微生物对碳源利用强度

土壤微生物多样性反映了群落总体的变化，但未能反映微生物群落代谢的详细信息。根据鄱阳湖湿地不同植物群落土壤微生物碳源利用情况，综合考虑其变化趋势，选取光密度增加较快的120 h的AWCD值进行土壤微生物群落代谢多样性的分析，按化学基团的性质将ECO板上的31种碳源分成6类：氨基酸类、碳水化合物类、羧酸类、聚合物、胺类、酚酸类，6类碳源均呈现出随培养时间的延长，微生物利用碳源的量逐渐增加的趋势。取每类碳源的AWCD平均值进行分析，由表2可知，土壤微生物对不同种类碳源的利用强度存在较大差异。鄱阳湖湿地不同植物群落土壤微生物对6种不同碳源的利用率表现大致相同，即沉水植物区＞湿生植物区＞挺水植物区＞湖滨高滩地，沉水植物区利用率最高，湖滨高滩地利用率最低。鄱阳湖湿地不同植物群落对氨基酸类利用率变化范围为 0.52－0.79，对碳水化合物类利用率变化范围为 0.85－1.59，对羧酸类利用率变化范围为 1.06－1.42，对聚合物类利用率变化范围为 0.78－1.15，对胺类利用率变化范围为 0.19－0.38，对碳水化合物类利用率变化范围为 0.63－0.72。总体而言，碳水化合物和羧酸类碳源是鄱阳湖湿地不同植物群落土壤微生物的主要碳源，其次为氨基酸类、酚酸类和聚合物类，胺类碳源的利用率最小。

2.4 鄱阳湖湿地不同植物群落土壤微生物群落多样性

微生物群落多样性指数可用来指示土壤微生物群落利用碳源的程度，根据培养第 96小时的AWCD值计算土壤微生物群落的物种丰富度指数（H）、均匀度指数（E）、优势度指数（Ds）和碳源利用丰富度指数（S）。结果表明，鄱阳湖湿地不同植物群落土壤微生物群落功能多样性指数（除优势度指数）存在一定差异（图 3），鄱阳湖湿地不同植物群落土壤微生物物种丰富度指数（H）变化范围为1.52－3.25，表现为沉水植物区＞湿生植物区＞挺水植物区＞湖滨高滩地，不同区域物种丰富度指数（H）差异均显著（P＜0.05）；均匀度指数（E）变化范围为0.256－0.879，表现为沉水植物区＞湿生植物区＞挺水植物区＞湖滨高滩地，其中沉水植物区和湿生植物区差异不显著（P＞0.05），显著高于挺水植物区和湖滨高滩地（P＜0.05）；优势度指数（Ds）变化范围为 0.698－0.716，其中鄱阳湖湿地不同植物群落土壤微生物优势度指数（Ds）差异均不显著（P＞0.05）；碳源利用丰富度指数（S）变化范围为6.32－21.37，表现为沉水植物区＞湿生植物区＞挺水植物区＞湖滨高滩地，其中沉水植物区和湿生植物区差异不显著（P＞0.05），显著高于挺水植物区和湖滨高滩地（P＜0.05）。

2.5 土壤微生物群落碳源利用类型的主成分分析

主成分分析是处理数据降维的一种方法，能够通过线性变换从多个变量中选出较少个数重要变量。为了进一步了解鄱阳湖湿地不同植物群落根区土壤微生物群落功能的差异，对 31种碳源的利用情况进行了主成分分析（PCA），采用培养第 120小时的数据进行分析，提取出4个主成分（表3），主成分1、主成分2分别能解释变量方差的63.152%和 15.174%，前 3个主成分累积贡献率达到92.997%，因此第一主成分、第二主成分和第三主成分为所要解释的主成分。由表4可知，与第一主成分具有较高相关性的碳源有 23种，其中，羧酸类化合物有5种，多聚化合物有3种，碳水化合物有7种，芳香化合物1种，氨基酸3种，胺类化合物2种；第二主成分利用碳水化合物4种，氨基酸1种，共5种碳源；与第三主成分具有较高相关性的碳源仅有2种，碳水化合物1种，氨基酸1种；在主成分分离中起主要贡献作用的是胺类和氨基酸类碳源。

表3 主成分方差分解Table 3 Principal component variance decomposition

表2 鄱阳湖湿地不同植物群落土壤微生物对碳源利用强度Table 2 Soil microorganism utilization intensity of carbon source of different plant community in the wetland of Poyang Lake

图3 鄱阳湖湿地不同植物群落土壤微生物群落多样性Fig. 3 Soil microbial community diversity of different plant community in the wetland of Poyang Lake

2.6 土壤养分与微生物多样性之间相关性

土壤养分为土壤微生物的重要碳源和氮源，为探讨土壤养分与土壤微生物群落多样性之间的关系，进行了土壤养分与微生物群落多样性之间的相关性分析（表 5）。结果表明，土壤微生物群落功能多样性各指标与土壤pH之间存在负相关关系，与土壤养分等均呈正相关关系，其中，土壤微生物群落功能多样性各指标均与土壤养分呈正相关；物种丰富度指数（H）、均匀度指数（E）和碳源利用丰富度指数（S）与土壤养分各指标的相关系数绝对值均高于优势度指数（Ds），说明土壤养分对土壤微生物群落优势度指数的影响作用较小。由此可知，土壤养分和土壤pH与微生物群落功能多样性密切相关，其中土壤pH对土壤微生物群落功能多样性贡献为负，土壤养分对土壤微生物群落功能多样性贡献为正，这是造成鄱阳湖湿地不同植物群落土壤微生物群落多样性差异的重要原因，其中有机碳和全氮是土壤微生物的主要养分来源。

3 讨论

平均颜色变化率（AWCD）是反映土壤微生物活性，即利用单一碳源能力的一个重要指标，在一定程度上反映了土壤中微生物种群的数量和结构特征。AWCD值越大，表明细菌密度越大、活性越高；反之，细菌密度越小、活性越低（Yuan et al.，2017；Lange et al.，2015）。分析鄱阳湖湿地不同植物群落土壤微生物群落的代谢活性发现，不同植物群落土壤微生物活性呈现一致的变化趋势，在整个培养过程中，沉水植物区和湿生植物区土壤微生物对 Biolog-ECO板中碳源的代谢能力明显高于挺水植物区和湖滨高滩地，分析其可能的原因是：挺水植物区和湖滨高滩地土壤中存在着与Biolog-ECO板中碳源物质高度协调的微生物（其养分含量较高），能充分利用板中的碳源，供微生物利用的碳源种类和数量逐渐增加，微生物的数量也随之不断增加。土壤微生物活性与植被属性有一定关系，沉水植物区土壤微生物群落代谢活性最高，这与前人的研究结果一致（谭宏伟等，2014；高明霞等，2015）。原因在于沉水植物区植物生长旺盛，植物残体和根系分泌物数量都很多，导致进入土壤的新鲜有机物质显著增加，这大大刺激了土壤微生物的生长和繁殖，从而显著提高代谢活性（Zhalnina et al.，2015）。对于湖滨高滩地，土壤水分含量较低，根系需从土壤中吸收大量的养分，进而减少了对土壤微生物养分的供应，这一方面使微生物的繁殖受到一定的影响（Quadros et al.，2016；Siles et al.，2016），另一方面使微生物的代谢活性也有所降低。与湖滨高滩地相比，沉水植物区是自然植被条件下长期自然选择的结果，形成了较和谐、平衡的微生态环境，而且人为干扰少，植被种类丰富，每年产生大量凋落物，丰富了微生物所需的营养物质来源，因而其土壤微生物活性明显高于湖滨高滩地。可见，地上部植被归还土壤的有机物的数量可能是土壤微生物群落代谢活性的影响因素之一，其土壤微生物群落代谢活性较低，碳源利用能力相对较弱（邢鹏飞等，2016；朱平等，2015）。本研究中土壤微生物对不同种类碳源的利用强度存在较大差异，沉水植物区土壤微生物群落对6类碳源的利用率最高，湖滨高滩地最低，主要是由于沉水区植物种类丰富，水量充足，有利于微生物的大量繁殖，与此同时，其较高的养分含量也促进了土壤微生物多样性的增加。总体而言，碳水化合物和羧酸类碳源是不同植物群落土壤微生物的主要碳源，其次为氨基酸类、酚酸类和聚合物类，胺类碳源的利用率最小。

表4 31种碳源的主成分载荷因子Table 4 Principal component load factors of 31 carbon sources

表5 土壤养分与微生物多样性之间相关性Table 5 Correlation between soil nutrients and microbial diversity

丰富度指数和多样性指数可以反映土壤微生物群落利用碳源类型的差异。Shannon多样性指数表示在颜色变化率一致的情况下，整个生态系统土壤微生物群落利用碳源的种类数，即功能多样性，反映土壤微生物群落物种变化度和差异度，指数值越大表示微生物能够利用的碳源种类越多（陆晓菊等，2015；戴雅婷等，2016）。Mc-Intosh指数反映群落的物种均一性，一般物种数（能被利用的碳源数）越多，某些优势明显的（碳源利用强度大）物种群落的McIntosh指数值越大。Simpson指数可从反映出土壤微生物群落中最常见物种的碳源嗜好。Shannon均匀度指数是通过Shannon多样性指数计算出来的均度，包含两个因素：其一是种类数目，即丰富度；其二是种类中个体分布的均匀性。种类数目越多，多样性越大；同样，种类之间个体分配的均匀性增加也会使多样性提高（Yuan et al.，2017；Lange et al.，2015）。根据培养第 96小时时的 AWCD值计算土壤微生物群落的 Simpson指数、Shannon-Wiener指数、丰富度指数和 McIntosh指数。Shannon-Wiener指数反映了微生物群落物种变化度和差异度，较高的Shannon-Wiener指数代表微生物种类多且分布均匀，草本Shannon-Wiener指数最高，表明沉水植物区土壤微生物群落种类最多且较均匀，并且不同植物群落土壤微生物群落功能多样性指数差异较大。

碳源利用类型的主成分分析结果表明：不同植物群落土壤微生物群落代谢功能多样性有显著差异，受影响最大的碳源主要是羧酸类和聚合物类，而这些碳源与根系分泌物关系密切，说明羧酸类和聚合物类的根系分泌物对微生物群落功能有较大影响（Mendes et al.，2015；Sengupta et al.，2015）。而根系分泌物起到了直接或间接的作用，这些物质对微生物和植株具有自毒作用而导致其积累。土壤养分为土壤微生物的重要碳源和氮源，为探讨土壤养分与土壤微生物群落多样性之间的关系，进行了土壤养分与微生物群落多样性相关性分析（表5）。结果表明，土壤微生物群落功能多样性各指标与土壤pH之间存在负相关关系，与土壤养分等均呈正相关关系，其中，土壤微生物群落功能多样性各指标均与土壤有效养分呈极显著正相关（P＜0.01）。由此可见，土壤养分和土壤pH与微生物群落功能多样性密切相关，其中土壤pH对土壤微生物群落功能多样性贡献为负，土壤养分对土壤微生物群落功能多样性贡献为正，是不同植物群落土壤微生物群落多样性差异的主要影响因子。

4 结论

鄱阳湖湿地不同植物群落土壤养分和有效养分基本表现为沉水植物区＞湿生植物区＞挺水植物区＞湖滨高滩地。鄱阳湖湿地不同植物群落土壤微生物群落代谢平均颜色变化率（AWCD）随培养时间延长而逐渐增加，土壤微生物群落代谢活性表现为沉水植物区＞湿生植物区＞挺水植物区＞湖滨高滩地。土壤微生物对不同种类碳源的利用强度存在较大差异，碳水化合物和羧酸类碳源是鄱阳湖湿地不同植物群落土壤微生物的主要碳源，其次为氨基酸类、酚酸类和聚合物类，胺类碳源的利用率最小。土壤微生物群落的物种丰富度指数（H）、均匀度指数（E）、优势度指数（Ds）和碳源利用丰富度指数（S）均以沉水植物区为最高，湖滨高滩地最低。主成分分析结果表明，对碳源利用起主要贡献作用的是胺类和氨基酸类碳源；土壤微生物多样性指数与土养分之间呈正相关，与pH呈负相关，而土壤全碳和全氮含量对土壤微生物多样性贡献较大，这是造成土壤微生物群落功能多样性差异的主要原因。物种丰富度指数（H）、均匀度指数（E）和碳源利用丰富度指数（S）与土壤养分各指标的相关系数绝对值均高于优势度指数（Ds），说明了土壤养分对土壤微生物群落优势度指数的影响作用较小。

综上所述，土壤本底因子、植物种类组成和覆盖度均影响土壤微生物活性和群落功能多样性，深入研究这些因素对土壤健康、生物肥力培育及土壤可持续利用具有重要的理论和实践意义。