黄河三角洲盐地碱蓬-芦苇群落土壤粒径组成与细菌多样性

2021-03-05刘嘉元李德生

山东林业科技 2021年1期

梁楠，刘嘉元，丰玥，田静，李德生

（天津理工大学环境科学与安全工程学院，天津300384）

土壤微生物是土壤结构活跃成分之一，微生物代谢活动分泌的有机酸、团粒等利于土壤颗粒形成，改善土壤质量，从而使颗粒演变成能够生长植物的土壤[1]。土壤微生物结构特征是土壤质地状态和生态系统稳定性主要的评价因子[2]，土壤微生物多样性对环境的作用主要通过不同生物群落代谢功能的差异性实现[3]，作为分解者，微生物以重要的物质循环和能量流动作用在生态系统中，在维持生态系统的完整性和稳定性上具有非常重要的作用[4]。

黄河三角洲湿地生态系统超50%的土壤不同程度盐渍化[5]，植被类型单一，以盐地碱蓬、芦苇等盐生植物为优势物种。盐生植物根际的土壤微生物群落结构和功能基因丰度显著，且盐生植物能够增加微生物的活性，利于塑造微生物群落结构[6]。土壤微生物群落结构及种类检测的目前较方便高效的是高通量测序法[7-9]，Liu 等以Illumina-MiSeq 为平台，对黄河三角洲潮间带和潮上带生境盐地碱蓬根际和非根际土壤中的细菌多样性、结构、功能及其驱动因子进行了研究，结果表明，根系分泌物可能是环境变化下土壤细菌的主要驱动力，而植物生长代谢和/或其凋落物输入在同一生境中起主要作用[10]。刘芳等利用16S rDNA 克隆文库等技术的研究表明土壤上层和下层的土壤理化性质差异显著，导致细菌群落的多样性随深度增加而下降[11]。Canfora 等对半干旱地中海地区极端高盐度土壤微生物群落结构和生物多样性的研究发现，细菌群落随盐度梯度的增加而呈下降趋势[12]。

土壤粒径分布（PSD）可以表示土壤质地情况，它是颗粒团聚体成为土壤过程的重要指示指标[13]。研究表明，土壤颗粒组成不同会造成土壤微生物特征和数量的改变[14-16]。黄河三角洲湿地是由黄河泥沙淤积而成的新生湿地，其土壤粒径组成往往与元素的生物地球化学循环密切相关，但不同湿地植物如何影响土壤粒径组成，继而影响土壤细菌多样性尚不得而知。本研究试图通过对黄河三角洲不同植物根际与非根际土壤粒径组成和细菌多样性关系的研究，进一步探讨植物根际效应在新生湿地土壤结构及生物地球化学循环中的作用和机制。

1 材料与方法

1.1 研究地点概况

研究区域为山东省东营市黄河三角洲滨海湿地自然保护区（118°33′E-119°20′E，37°35′N-38°12′N）[17]，气候类型以暖温带大陆性季风气候为主，全年平均气温11.7～12.6℃，整年无霜期约为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]。土壤质地类型主要以滨海盐土为主[19]。

1.2 样品采集

土壤样品采集于2018年7月，在黄河三角洲湿地的盐地碱蓬和芦苇混生群落设置3 个采样点，每个采样点设置50 cm×50 cm 的样方，采样深度为0-20 cm，采用抖落法[20]采集植物根际土壤，非根际土壤参照陈悦[21]等的方法采集。采集后的土壤挑拣出石头、根系和土壤动物遗骸等杂物分为两份，一份用无菌自封袋包装后存于干冰桶，低温保存带回实验室于-80℃冰箱中存放备用，应用Illumina-MiSeq 测序技术进行生物信息测定；另一份用无菌自封袋储存，实验室自然风干，过2 mm 筛，通过激光粒度仪测定土壤粒径，土壤分级采用美国制分级标准（见表1）。

表1 美国土壤粒径分级标准[22]Table 1 American soil particle size classification standard

1.3 统计分析方法

利用Excel 2013 对数据进行整理求得重复试验的平均值，采用SPSS 22.0 对数据进行方差分析，采用Pearson 相关系数对数据之间的关系进行分析，使用Excel 完成制图。

2 结果与分析

2.1 混生植物群落不同植物土壤粒径组成特征

黄河三角洲盐地碱蓬和芦苇混生群落的根际和非根际土壤粒径分布的相对体积百分比见表2。盐地碱蓬和芦苇混生群落的土壤颗粒主要是粉粒（Silt）、砂粒（Sand），颗粒占比最大的体积位于20 μm～200 μm 之间，且盐地碱蓬根际和非根际土壤的颗粒占比最大的体积高于芦苇。对盐地碱蓬和芦苇根际和非根际土壤的颗粒占比体积进行方差分析，两两比较（LSD）结果显示（表2）：盐地碱蓬和芦苇的根际和非根际土壤Silt 和Sand 颗粒占比体积之间存在显著差异，根际土壤的Silt 颗粒占比体积显著高于非根际土壤，而非根际土壤的Sand 颗粒占比体积显著高于根际土壤，对于Clay 颗粒占比体积，芦苇非根际土壤显著高于根际，盐地碱蓬的根际土壤反而高于非根际。说明盐地碱蓬和芦苇的根际土壤平均比非根际土壤颗粒更细。颗粒越细的土壤质地越紧密，有机质越不容易流失，从而促进养分的累积。

表2 土壤粒径分布特征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样性特征

黄河三角洲湿地保护区混生植物群落不同植物根际和非根际土壤微生物细菌门的水平上排名前15的门如图1，分别属于Chlamydiae（衣原体门）、SBR1093、Nitrospirae（硝化螺旋菌门）、Firmicutes（厚壁菌门）、Deinococcus-Thermus（异常球菌-栖热菌门）、Parcubacteria、Cyanobacteria（蓝藻菌门）、Proteobacteria（变形菌门）、Planctomycetes（浮霉菌门）、Actinobacteria（放线菌门）、Chloroflexi（绿弯菌门）、Bacteroidetes（拟杆菌门）、Gemmatimonadetes（芽单胞菌门）、Acidobacteria（酸杆菌门）、Saccharibacteria。

图1 不同植物土壤样品中微生物细菌门组成Figure 1 Composition of microbial bacteria in different plant soil samples

将测定的4 种土壤中占比大于10%的细菌门作为不同样本的优势群落。盐地碱蓬根际土壤有变形菌门（52.22%），放线菌门（11.2%），绿弯菌门（11.06%）；盐地碱蓬非根际土壤有变形菌门（44.04%），放线菌门（14.36%），绿弯菌门（10.35%）；芦苇根际土壤有变形菌门（45.37%），绿弯菌门（14.68%）；芦苇非根际土壤有变形菌门（43.71%），拟杆菌门（18.03%）。变形菌门是主要优势菌种类群。

用Alpha Diversity（物种多样性分析）分析不同植物生境土壤微生物细菌物种数量和结构，能够直接体现出测定样品中的微生物群落结构、丰度和多样性等。黄河三角洲湿地保护区不同植物下土壤微生物的多样性分析结果（见表3）显示：ACE 指数：盐地碱蓬非根际>盐地碱蓬根际>芦苇根际>芦苇非根际；Shannon 指数：芦苇根际>盐地碱蓬非根际>盐地碱蓬根际>芦苇非根际；Chao1 指数：盐地碱蓬非根际>盐地碱蓬根际>芦苇根际>芦苇非根际。说明盐地碱蓬非根际土壤较其他细菌物种数目丰富，微生物多样性高且分配均匀，且芦苇非根际土壤的细菌多样性和丰度显著低于盐地碱蓬根际、非根际和芦苇根际土壤，盐地碱蓬根际、非根际和芦苇根际土壤之间的细菌多样性和丰富度之间无显著差异。

表3 不同植物土壤细菌的多样性指数Table 3 Bacteria diversity index of different plant soil

2.3 混生植物群落不同植物土壤粒径与微生物多样性的关系

对土壤粒径与土壤微生物多样性进行Pearson相关分析（见表4）。土壤微生物多样性Chao1 指数、ACE 指数和Shannon 指数之间呈极显著正相关（r=0.993、0.838、0.825）；土壤粉粒（Silt）、砂粒（Sand）与Shannon 指数分别呈显著正、负相关；土壤粉粒（Silt）、砂粒（Sand）与粘粒（Clay）分别呈显著负、正相关；砂粒（Sand）与粉粒（Silt）呈极显著负相关（r=-0.999）。土壤粘粒（Clay）含量少，粉粒（Silt）含量多时土壤的含水率低，土壤通气性得到改善，土壤微生物迅速繁殖，促使微生物数量急剧增大，微生物多样性也相应提高。而砂粒（Sand）由于粒径较大，无法吸附有机质，土壤养分不容易积累导致土壤中的凋落物和腐殖质减少，进而使土壤微生物的数量和多样性减少[23]。