基于Biolog-ECO对三峡水库消落区优势植物根际微生物功能多样性的研究

张乐满，兰 波，许文锋，段晨辉，张丽红，刘英杰，刘正学*，王禄山

(1.重庆三峡学院 环境与化学工程学院，重庆 404100；2.山东大学 微生物技术国家重点实验室，山东 济南 250100)

三峡水库消落区植被生态修复一直是三峡库区生态环境建设与保护的重点、难点和热点[1-2]。在周期性“人工-自然”二元干扰作用下，水库消落区随着水位周期性波动而发生陆地生态系统与湿地生态系统的交替变化，由此导致的生态环境问题日益凸显[3-5]，主要表现为土壤理化性质恶化及植物、根际微生物等生物群落严重退化、呈逆向演替趋势，尤其是物种丰富度和多样性急剧下降，形成以苍耳(XanthiumsibiricumPatrin ex Widder)、狗牙根(Cynodondactylon(Linn.)Pers.)、牛鞭草(Hemarthriaaltissima(Poir.) Stapf et C.E.Hubb.)等草本植物为单优种群落的演替趋势[6]。植物根际微生物与植物“息息相关”，且与不同植物有高度耦合性[7]，它们能促进植物根系吸收水分和养分，在植物营养循环与养分获取中起关键作用[8]。有些根际微生物群落利用土壤碳源过程中会分泌激素直接刺激植物生长或者加速碳氮循环，促进植物养分吸收，改良土壤理化性质，提高植物抗逆性，因此植物健康和生长发育依赖于根际微生物的功能和性状[9-11]。研究不同优势植物根际微生物功能多样性可以了解不同微生物群落对碳源的利用差异，必要时可以通过增加有益微生物数量或者增加某些特定碳源的量等措施来特异性调控植物的生长，对消落区这样环境恶劣的区域实现生态系统恢复有重要作用。目前对于根际微生物功能多样性研究最简单有效的方法是Biolog-ECO 法，因为土壤微生物大多对主要由植物根际产生的D-葡萄糖胺酸、L-天门冬酰胺酸、L-苯基丙氨酸、L-精氨酸等碳源有利用偏好[12-13]。Biolog-ECO培养板上已经涵盖这些碳源，因此使用此培养板探究微生物的功能多样性比较可靠。其原理是微生物在利用碳源过程中产生的自由电子与四唑染料发生还原显色反应[14-15]，其颜色深浅可以反映微生物群落的代谢活性与功能多样性，此法现被广泛应用于土壤、水体等环境领域[16]。例如邓茹等[17]基于Biolog-ECO方法对雄安新区鲥鯸淀细菌群落结构与功能多样性进行了分析，发现不同微生物群落代谢作用的主要碳源类型为氨基酸类、聚合糖类和醇类，不同微生物群落差异主要体现在对氨基酸类和聚合糖类碳源的利用上；李慧等[18]基于Biolog-ECO方法对两类草原中5种不同植物根际土壤微生物群落特征进行了分析，发现不同植物根际土壤微生物对碳源的利用能力和偏好出现差异，碳源利用差异主要为氨基酸类和碳水化合物，如L-天门冬酰胺、r-羟基丁酸、L-丝氨酸和D-半乳糖醛酸等；刘云华等[19]利用Biolog-ECO技术研究了澄江县帽天山和蛟龙潭磷矿区修复后土壤微生物功能多样性，发现两地区微生物不仅对6类碳源的优先利用顺序不同，而且帽天山土壤微生物群落主要利用多聚物类、碳水化合物类、氨基酸类和胺类碳源，而蛟龙潭土壤微生物群落主要利用多聚物类、酚酸类、氨基酸类和胺类等。这些应用Biolog-ECO技术的研究大多集中在水体、草原、矿区等生态系统较为稳定的地带，但有关水库消落区这种生态系统脆弱区域却未有研究。三峡水库消落区范围非常广，土壤性质逐年恶化，植物丰富度和多样性急剧下降，生态系统破坏严重，生态治理迫在眉睫。本研究拟利用Biolog-ECO法对该区域优势植物根际微生物群落进行培养，从而探索几种优势植物根际土壤及对照土壤微生物群落代谢的功能多样性，并分析不同的土壤理化指标对微生物利用碳源的影响程度，以期为消落区土壤改良及退化生态系统修复做出贡献。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 研究区域概况 本研究以国家自然科学基金面上项目“三峡库区消落带种子库动态及多年生草本植物适应机制”建立的长江干流植被修复消落区万州谭绍试验与示范基地(N 30°43′3.80″～30°43′3.32″，E 108°25′39.85″～108°25′34.21″)为研究区域。重庆市万州区地处三峡库区腹心，因“万川毕汇”而得名。年降雨量1 200～1 400 mm，且雨季长、雨日多、降水比较丰富。气候四季分明，属于典型的中亚热带湿润季风气候。在此处开展消落带土壤微生物相关研究，具有一定的代表意义。

1.1.2 土壤样品采集 经前期调研了解到研究区优势植物(狗牙根、牛鞭草、苍耳等)集中生长在168 m高程附近，因此在研究区根据实际情况选择合适的地方设置一条宽约20 m的纵向样带作为植物统计区域，在区域内168 m左右利用相邻格子法[20]选取12个1 m×1 m样方作为采土样方，然后用 Riley和 Barber 抖落法[21-22]在上述样方中进行优势植物根际土样采集。每个样方内采取五株同种植物根际土混合作为一种植物的根际土，最后将所有样方内的同种植物根际土混合作为某种优势植物的根际土，在同高程用五点取样法在每个样方中取少量土壤全部混合作为背景对照土样。将采集的所有土样去杂物后，分装入已灭菌的聚乙烯自封袋，贴标签，置低温样品保存箱，带回实验室-20 ℃ 冰箱保存备用。

1.1.3 主要试剂与仪器设备 氯化钠、七水硫酸亚铁、无水乙醇等常规药品。超净工作台(SW-CJ-1FD，苏州安泰空气技术有限公司)；恒温恒湿培养箱(HWS-150，上海森信实验仪器有限公司)；高速冷冻离心机(SF-TGL-18R，上海菲恰尔分析仪器有限公司)；酸度计(PHS-8B1000，山东东润仪表科技股份有限公司)；新世纪紫外可见分光光度计(T6，北京普析通用仪器有限责任公司)；瑞士多功能酶标仪(Tecan M200 PRO，北京世贸远东科学仪器有限公司)；Biolog-ECO培养板(北京智杰方远科技有限公司)。

1.2 方法

1.2.1 土壤理化性质测定 在超净工作台中将样品混合均匀，然后取出部分样品风干后分别用研钵磨碎过80目筛自封袋装好备用，各指标测定参考以下检测方法：①土壤pH的测定：电位法；②土壤含水率测定：烘干法；③土壤有机质的测定：重铬酸钾氧化法(GB9834-88)；④速效氮测定：碱解-扩散法(LY/T1229-1999)；⑤速效磷测定：碳酸氢钠法(LY/T1233-1999)；⑥速效钾测定：醋酸铵-火焰光度计法(LY/T1236-1999)；⑦全氮测定：半微量凯式定氮法(LY/T1228-1999)；⑧全磷测定：HCl4-H2SO4法(LY/T1232-1999)；⑨全钾测定：NaOH熔融法(GB9836-88)，火焰光度法。

1.2.2 Biolog-ECO培养板的接种 将保存于冰箱的土壤样品于25 ℃活化24 h，称取约10 g的新鲜土壤放入灭菌三角瓶中，加入90 mL灭菌生理盐水(0.85% NaCl)，用无菌棉花塞封口。放入摇床中震荡30 min后静置15 min，用移液枪吸取10 mL上清液，加入90 mL灭菌生理盐水，然后将土壤悬液逐步梯度稀释为10-3g/mL左右[23-24]。在超净工作台中用移液器取制备好的土壤悬液150 μL接种到Biolog-ECO板的各检测孔，盖好盖子，用橡皮筋固定后放入25 ℃培养箱中连续培养7 d。每隔24 h用酶标仪在590 nm和750 nm处测定各孔的吸光度值，为了减小背景值的干扰以两个波长下的差值作为测定数值进行计算[25-26]。

2 结果与分析

2.1 四种不同土壤理化分析

土壤理化性质对于植物和微生物的生存作用意义重大[33]，对准备的土样进行各指标测定后结果见表1。由表1和表2(全国第二次土壤污染普查分级标准)可知，四种土壤有机质含量在13～27 g/kg间，处于3级和4级；速效氮含量均小于60 mg/kg，处于6级；速效钾含量均小于50 mg/kg，处于4级和5级；速效磷含量均介于5～20 mg/kg之间，处于4级；全氮含量均小于0.75 g/kg，处于4级和5级；全钾含量均小于2.5 g/kg，处于6级；全磷含量均小于0.4 g/kg，处于5级和6级；pH在6.5～8.5之间，处于2级和3级。总体来说三峡水库消落区土壤呈中性或微碱性，土壤养分含量基本都在中等和匮乏之间(3～6级)，并不适宜普通植物生长。

表1 四种土样养分指标Table 1 Nutrient indexes of four soils

表2 土壤养分分级标准Table 2 Criteria for soil nutrient classification

2.2 土壤微生物利用碳源动力学分析

2.2.1 土壤微生物平均每孔颜色变化率(AWCD值)变化特征 平均每孔颜色变化率(average well color development，AWCD值)可以表征土壤微生物群落对不同碳源利用的整体情况，通过对消落区几种优势植物根际土壤中的微生物连续培养7 d后，发现四种不同土壤的AWCD值在前24 h增加比较缓慢，24～96 h快速增加，之后AWCD值缓慢增加然后逐渐稳定，表明微生物开始逐渐利用碳源并恢复生理活性，其活性增强后对碳源利用能力越来越强，之后对碳源的利用达到稳定状态。苍耳AWCD值一直保持最高；对照土壤AWCD值变化趋势与苍耳高度相似，但各个时期AWCD值均低于苍耳且高于另外两种植物；牛鞭草AWCD值在培养72 h内均略低于狗牙根，但狗牙根在72 h后略高于牛鞭草，这两种植物的根际土壤AWCD值在各个时期差异均为最小(图1)。经过分析，苍耳的根际土壤微生物对碳源的利用活性明显比其他三种植物高，在各时期与其他三种土壤中微生物均有极显著差异(P<0.01)，这可能是因为苍耳根际土壤中钾元素高于其他土壤并且根系相对粗壮发达，促进了植物的新陈代谢速度并加快了植物与微生物的互作[6]；对照土样微生物群落对碳源利用能力在各时期与其他土壤具有极显著差异(P<0.01)，但对碳源的利用强度与趋势都与苍耳相似，而狗牙根与牛鞭草在24、72及168 h时均无显著差异(P>0.05)，其他时期存在微小差异，这是因为狗牙根与牛鞭草根际土壤各养分指标较为相似以及这两种植物间存在较强的正关联性和较高的生态位重叠值[34]，因此其根际微生物群落结构与功能都较相似。所以从根际土壤微生物的碳源利用能力来看，苍耳作为消落区生态恢复的先锋种比牛鞭草和狗牙根更为适合。

图1 不同土壤的微生物对整体碳源利用变化趋势Fig.1 Change trend of overall carbon source utilization by microorganisms in different soilsCE：苍耳；CK：对照；NB：牛鞭草；GY：狗牙根。下图同CE:Xanthium sibiricum;CK:CK;NB:Hemarthria altissima;GY:Cynodon dactylon.Same below

2.2.2 土壤微生物的不同碳源变化特征 根据 Biolog-ECO培养板化学基团的性质，可将ECO 板上31 种外加碳源分成碳水化合物类、羧酸类、氨基酸类、多聚物类、酚酸类和胺类六大类(表3)[28]，然后将0～168 h的不同根际土壤的AWCD值进行处理后绘图(图2)。从图2中可以了解到六大类碳源的利用率均随培养时间的延长而逐渐增强，不同植物的根际土壤微生物对六大类碳源的利用情况有显著差异(P<0.05)。从整体来看，培养至96 h时各植物根际土壤对不同碳源利用活性均基本稳定，用此时的碳源利用数据进行差异显著性分析比较有代表性[35]。从培养开始至结束时，四种植物根际土壤微生物群落对碳水化合物、多聚物、酚酸和胺类碳源的利用程度均有极显著差异(P<0.01)。不同的是对于碳水化合物类碳源，从培养开始至结束苍耳根际土壤和对照土壤AWCD值都明显高于另外两种根际土壤且利用趋势最相似；对于多聚物类碳源而言，刚开始其他三种植物根际土壤AWCD值相差不大并明显低于苍耳，之后其AWCD值逐渐产生差异但始终低于苍耳，最终对照土壤与苍耳根际土壤较为接近，牛鞭草和狗牙根根际土壤较为接近；起初四种土壤对于酚酸类碳源利用的AWCD值均较低且相差不大，之后随着培养时间延长，苍耳AWCD值一直快速增长并明显高于另外三种土壤，基本趋于稳定后苍耳与牛鞭草根际土壤AWCD值最高。起初四种土壤对胺类碳源利用AWCD值均快速增长，之后除牛鞭草外其他三种土壤增长幅度明显减小，最终苍耳与牛鞭草根际土壤AWCD值最为接近，狗牙根根际土壤和对照土壤差异最小。四种土壤中微生物群落对氨基酸和羧酸类碳源从培养开始至96 h期间利用程度均有显著差异(P<0.05)，之后差异不显著(P>0.05)。它们对碳源的利用强度及趋势有所不同：苍耳对氨基酸类碳源利用AWCD值明显高于其他三种土壤，但另外三者AWCD值全程差异不大；前96 h四种土壤对于羧酸类碳源利用AWCD值差异明显，之后差异逐渐减小，并且对照土壤与苍耳根际土壤微生物对碳源总体利用趋势相似。综合分析可知，四种土壤中的微生物群落对于六大类碳源的利用顺序及强度均有明显差异。不同土壤中微生物群落对氨基酸、羧酸类碳源的平均利用活性无显著差异(P>0.05)，但是对于碳水化合物、酚酸类、多聚物类以及胺类四种碳源利用均存在极显著差异(P<0.01)，而这些差异应该是不同土壤中微生物群落存在功能差异的关键原因，今后可以在消落区或类似地方选择适当的先锋种后，通过控制土壤碳源的含量进行植被恢复。

表3 Biolog-ECO微孔板碳源类型Table 3 Carbon source types of Biolog-ECO microplates

图2 土壤微生物不同碳源变化特征Fig.2 Variation Characteristics of soil microbial carbon sources*表示对四种土壤中微生物培养期间对该碳源利用差异显著，**表示差异极显著，无*表示差异不显著* means that there was a significant difference in the utilization of this carbon source during the culture of microorganisms in four kinds of soil,**means that the difference is extremely significant,and no * means that the difference is not significant

2.3 土壤微生物多样性指数比较分析

从图3可知，四种土壤中微生物的各指数均在96 h之后逐渐趋于稳定，本研究选用各指数在96 h的数据进行差异显著性分析。①丰富度指数S：分析发现狗牙根和牛鞭草差异不显著(P>0.05),其余组合均差异极显著(P<0.01)，说明狗牙根和牛鞭草根际土壤微生物种类相对其他两种较为相似，苍耳根际微生物种类最为丰富，而`对照土壤中微生物种类数量介于苍耳和另外两种植物根际土壤之间。②Pielou均匀度指数E：分析发现狗牙根和牛鞭草根际土均匀度差异不显著(P>0.05)，其余两两之间差异均显著(P<0.05)。说明四种土壤中微生物对所有碳源基质的平均活性水平有不同程度的差异，狗牙根和牛鞭草根际土壤中微生物利用所有碳源基质的平均活性水平较为接近且略高于苍耳和对照。③Shannon-Wiener指数H：经分析后发现狗牙根和牛鞭草根际土壤Shannon指数差异不显著(P>0.05)，其余组合均差异显著，其中苍耳根际土壤与其他三种土壤之间差异极显著(P<0.01)，说明狗牙根和牛鞭草根际土壤中微生物的数量与分布情况较为相似，苍耳根际土壤与对照土壤中微生物数量相对较多且分布较为均匀。④Simpson指数D：分析发现狗牙根和牛鞭草根际土壤数值差异最小，验证结果为不显著(P>0.05),其他组合差异均显著(P<0.05),尤其苍耳与狗牙根、牛鞭草这两种根际土壤之间差异极显著(P<0.01)。苍耳根际微生物富集度较高且优势微生物相对较多，对照土壤次之，狗牙根和牛鞭草根际土壤中微生物富集度较低且优势微生物数量偏少。

图3 各指数随培养时间变化图Fig.3 Variation of each index with culture time

综合分析后可知，苍耳根际土壤微生物数量较多且较集中，对碳源利用能力较强；对照土壤中微生物数量、富集程度、对碳源利用能力均略低于苍耳；牛鞭草和狗牙根根际土壤各指标都比较接近，说明二者根际微生物数量、种类及分布均较为接近，这可能与其在消落区多“伴生”[36]有关。

2.4 土壤微生物群落功能多样性主成分分析

为了进一步了解土壤微生物群落对各种碳源的具体利用情况，用96 h的数据进行了主成分分析(PCA)。此处共提取了两个主成分(PC1、PC2)，总解释度达到63.1%(PC1为50%，PC2为13.1%)。从图4可以了解到，不同的根际土壤在31种碳源构建的主成分体系中存在明显的空间分布差异：各类碳源均分布在一、二象限，苍耳根际土壤代表点位于第一象限，对照土壤位于第四象限，牛鞭草根际土壤位于第二象限，狗牙根根际土壤位于第三象限。其中牛鞭草与狗牙根根际土壤代表点之间的距离相对较近，说明这四种不同的根际土壤微生物群落对碳源利用能力虽存在差异，但狗牙根和牛鞭草根际土壤微生物对碳源利用能力相对较近，这与上述多样性指数分析结果一致。坐标系中对第一轴投射最大的为6 号(D-纤维二糖)、7号(α-D-乳糖)碳源，均为含苯环的芳香族化合物；对第二轴投射最大的是21号(衣康酸)、26号(L-苯基丙氨酸)碳源。

图4 土壤微生物群落对不同碳源利用率主成分分析Fig.4 Principal component analysis of soil microbial community to different carbon sources utilization rateAll：所有碳源。图中编号1～31代表31种不同的碳源.1：丙酮酸甲酯；2：吐温-40；3：吐温-80；4：α-环式糊精；5：肝糖；6：D-纤维二糖；7：α-D-乳糖；8：β-甲基-D-葡萄糖苷；9：D-木糖/戊醛糖；10：i-赤藓糖醇；11：D-甘露醇；12：N-乙酰-D-葡萄糖氨；13：D-葡糖胺酸；14：I-磷酸葡萄糖；15：D,L-α-磷酸甘油；16：D-半乳糖酸γ-内酯；17：D-半乳糖醛酸；18：2-羟基苯甲酸；19：4-羟基苯甲酸；20：γ-羟丁酸；21：衣康酸；22：α-丁酮酸；23：D-苹果酸；24：L-精氨酸；25：L-天门冬酰胺；26：L-苯基丙氨酸；27：L-丝氨酸；28：L-苏氨酸；29：甘氨酰-L-谷氨酸；30：苯乙胺；31：腐胺。图5同All:All kinds of carbon sources.Numbers 1-31：in the figure above represent 31 different carbon sources.1：Methyl pyruvate；2：Tween-40；3：Tween-80；4：α-cyclodextrin；5：Glucose；6：D-fibrodiose；7：α-D-lactose；8：β-methyl-D-glucoside；9：D-xylose/valalose；10：i-ermositol；11：D-mannitol；12：N-acetyl-D-glucosamine；13：D-glucosamine；14：Glucose i-phosphate；15：D,glycerol of L-α-phosphate；16：D-galactoic acid γ-lactone；17：D-galacturonic acid；18：2-hydroxybenzoic acid；19：4-hydroxybenzoic acid；20：γ-hydroxybutyric acid；21：Iaconic acid；22：α-butanone acid；23：D-malic acid ；24：L-arginine；25：L-asparagine；26：L-phenylalanine；27：L-serine；28：L-threonine；29：Glutamyl-L-Glutamate：30：Phenylethylamine；31：Puturamine.Same as figure 5

通过表4可知：31种碳源均与PC1呈正相关，特别是其中的β-甲基-D-葡萄糖苷、D-纤维二糖、α-D-乳糖、i-赤藓糖醇、D-木糖、丙酮酸甲酯、α-环式糊精、肝糖、吐温-80等碳源与PC1相关系数均达到0.85以上，其中属于碳水化合物类的5种，多聚物类的3种，羧酸类的1种，PC1可能代表各类土壤中的微生物群落对碳源利用的差异程度，而这些微生物也更倾向于利用糖的衍生物或含苯环的芳香族化合物；有14种碳源与PC2成正相关，其中L-苯基丙氨酸、衣康酸及腐胺三种碳源与PC2相关系数达到0.6以上，它们分别属于氨基酸类、羧酸类和胺类，因此推测PC2可能代表了不同土壤样品中微生物群落利用碳源的相似程度。综合来说，PC1可代表不同土壤中微生物群落对碳源利用的差异性，因此对β-甲基-D-葡萄糖苷、D-纤维二糖、α-D-乳糖、i-赤藓糖醇、D-木糖、丙酮酸甲酯、α-环式糊精、肝糖、吐温-80等碳源利用能力强弱应该是不同根际土壤微生物群落产生功能差异性的主要原因。

表4 31种碳源与2个主成分间的相关系数Table 4 Correlation coefficients between 31 carbon sources and two principal components

2.5 土壤微生物群落功能与理化因子冗余分析

为了进一步了解各土壤理化指标对微生物群落代谢的影响程度，对微生物群落功能与环境因子(土壤理化性质)进行了冗余分析(图5)后发现：对微生物代谢功能多样性影响最大的环境因子为pH、速效钾、速效氮和有机质(P<0.01)。相对于对照土中微生物群落而言，几种优势植物的代谢活性与特定土壤养分关系更加密切(或者说对这些养分有更明显的富集作用)。例如pH、速效钾、速效氮和有机质这几种环境因子对苍耳根际微生物代谢影响最大(P<0.05)，而全钾、全氮、全磷含量对于牛鞭草和狗牙根根际微生物代谢能力影响最大(P<0.05)。

图5 微生物群落功能与环境因子冗余分析Fig.5 Redundancy analysis of microbial community function and environmental factorsCE：苍耳；CK：对照；NB：牛鞭草；GY：狗牙根；AN：速效氮；TN：全氮；AK：速效钾；TK：全钾；AP：速效磷；TP：全磷；OM：有机质。上图中编号1～31代表31种不同的碳源，各编号对应碳源同图4CE:Xanthium sibiricum;CK:CK;NB:Hemarthria altissima;GY:Cynodon dactylon;AN:available nitrogen;TN:total nitrogen;AK:available potassium;TK:total potassium;AP:available phosphorus;TP:total phosphorus;OM:organic matter.Numbers 1-31 in the figure above represent 31 different carbon sources.The corresponding carbon source of each number is the same as figure 4

3 讨 论

三峡水库消落区是一类特殊的湿地生态系统，属于典型的生态过渡带。该地的植被对过滤泥沙、保持水土、稳定河岸系统、保护河流水质和生物多样性等方面有着重要的生态功能，但是消落区土壤性质逐渐恶化，导致植物种类更加趋于“单一化”。目前恢复此区域植被生态一般的做法是种植适宜植物、寻找合适的植物配置模式或改良土壤养分促进植物生长等[2]。本研究通过测定优势植物根际土壤的理化性质和分析这些植物根际微生物功能多样性来探究苍耳、牛鞭草、狗牙根这三种优势植物的根际微生物群落功能的异同以及最能影响微生物群落功能的理化指标，希望能为三峡水库消落区退化生态系统的修复提供参考。

本研究发现三峡水库消落区土壤并不算肥沃，总体土壤养分含量在贫乏至中等之间(3～6级)，除了苍耳、牛鞭草、狗牙根的根际土壤以及对照根际土壤的速效氮和速效磷差异均不显著外，其他指标均差异显著，说明不同的根际土壤理化性质区别较大。其中苍耳根际土壤速效氮含量、速效钾含量、有机质含量、pH值均最高，全氮、全钾、速效磷都最低；狗牙根和牛鞭草根际土壤全氮含量最高，有机质含量最低；对照土壤速效磷含量最高，速效氮和全磷含量最低。几种优势植物根际土壤氮元素含量均明显高于对照，可能是这些优势植物富集氮元素的能力较强。苍耳土壤养分较不均衡，可能是其土壤微生物群落特异性活化了土壤中的有机和无机养分[37]；牛鞭草与狗牙根根际土壤养分含量较为均衡并且这二者大部分养分都无显著差异(P>0.05)，可能狗牙根和牛鞭草的生理学特性较为相似，或是其土壤微生物群落对土壤作用也较为相似。

这样的土壤类型较为考验植物的生存能力，因此对三峡水库消落区进行植被生态系统修复时，除了要先选择狗牙根、牛鞭草或苍耳这样生存能力较强的物种作为先锋种，同时还要进行土壤改良以及从根际微生物与特定植物之间的功能关系等方面考量。根际土壤微生物是土壤生态系统的重要组成部分，其功能多样性是维持土壤生态系统稳定的重要指标，对植物生长、土壤肥力、物质循环和能量转化等具有不可或缺的作用，因此使用应用较为普遍的Biolog-ECO技术对这几种优势植物根际土壤中的微生物群落进行培养。从不同土壤微生物、不同时间对碳源的利用情况来看，培养至96 h的微生物对碳源利用活性基本稳定，这与王雪梅等[12]的研究相似。以此时的数据进行碳源动力学分析、多样性指数分析以及碳源利用主成分分析后了解到这四种土壤中的微生物对于氨基酸、羧酸类碳源的平均利用活性均相差并不显著(P>0.05)，但是对碳水化合物、酚酸类、多聚物类以及胺类四种碳源利用程度存在着极显著差异(P<0.01)，特别是对其中的β-甲基-D-葡萄糖苷、D-纤维二糖、α-D-乳糖、i-赤藓糖醇、D-木糖、丙酮酸甲酯、α-环式糊精、肝糖、吐温-80等糖的衍生物或含苯环的芳香族化合物碳源利用差异极显著，这应该是四种土壤中微生物群落功能存在差异的关键原因。

对微生物群落功能与环境因子(土壤理化性质)进行冗余分析(RDA)后发现，对微生物代谢功能多样性影响最大的环境因子为pH、速效钾、速效氮和有机质(P<0.01)。其中有机质影响最大，应该是有机质本身含有大量的碳元素，对于各类碳源的合成贡献巨大。相对于对照土壤中微生物群落而言，三种优势植物的代谢活性与特定土壤养分关系更加密切(或者说对这些养分有更明显的富集作用)。例如pH、速效钾、速效氮和有机质这几种环境因子对苍耳根际微生物代谢影响最大，这与邰凤姣等[38]对苍耳与土壤养分关系的研究结果相符；而全钾、全氮、全磷含量对于牛鞭草和狗牙根根际微生物代谢能力影响最大。因此后期在其他消落区地带及类似区域可以通过调控特定碳源的量或特定土壤养分对消落区某些植物进行针对性恢复。本研究主要针对消落区淹水前土壤微生物功能多样性及其与土壤理化性质之间的关联关系进行了探究，而消落区特殊的“周期性淹水”会对植物种类、土壤性质及土壤微生物造成较大影响，因此后期会进行淹水后优势植物根际微生物结构与功能多样性的探究，为消落区生态恢复提供参考。

通过在有代表性的研究区进行苍耳、狗牙根、牛鞭草三种植物根际土壤以及对照土壤的采集，测定其理化性质的同时用Biolog-ECO培养板对土样中微生物群落进行培养，然后从土壤微生物利用碳源动力学、微生物多样性指数及微生物群落功能多样性等多角度进行了分析，得出以下结论：①研究区四种不同土壤有机质含量均处于中等程度；速效氮含量均小于60 mg/kg，处于贫乏等级；速效钾含量均小于50 mg/kg，处于贫乏等级；速效磷含量介于5～20 mg/kg之间，处于中等程度；全氮含量小于0.75 g/kg、全钾含量小于2.5 g/kg、全磷含量小于0.75 g/kg，三者均处于贫乏等级。总体来说消落区土壤养分含量较低，这样的土壤较为考验植物的生存能力。②经过土壤微生物多样性指数比较及碳源动力学分析可知，苍耳根际微生物数量较多且较集中，对碳源利用能力较强，对照土壤中微生物数量、富集程度、对碳源利用能力均略低于苍耳根际土壤，狗牙根和牛鞭草根际土壤中微生物数量相对较少，分布较为离散，对碳源利用能力也相对较低。这四种土壤中的微生物对于氨基酸、羧酸类碳源的平均利用活性均相差不大(P>0.05)，但是对于碳水化合物、酚酸类、多聚物类以及胺类四种碳源利用程度存在着极显著差异(P<0.01)，这应该是四种土壤中微生物群落功能存在差异的关键原因。③土壤微生物群落功能多样性主成分分析表明，PC1代表了微生物群落对碳源利用的差异程度，而β-甲基-D-葡萄糖苷、D-纤维二糖、α-D-乳糖、i-赤藓糖醇、D-木糖、丙酮酸甲酯、α-环式糊精、肝糖、吐温-80这些碳源与PC1有较高正相关性，对这些碳源的利用能力强弱可能是不同根际土壤微生物群落产生功能差异性的重要原因。④对微生物群落利用碳源的情况与理化指标进行冗余分析后发现，三种优势植物的根际土壤微生物群落功能与土壤养分的相关性比对照与土壤养分的相关性更强。后期可以在其他消落区地带通过调控某种土壤养分的量对植物进行针对性恢复，比如可以适当增加土壤中全氮和全磷含量促进狗牙根和牛鞭草根际土壤微生物的代谢能力来促进狗牙根和牛鞭草生长，或者适当增加有机质、速效氮含量促进苍耳根际土壤微生物代谢来促进苍耳生长等。