鄱陽湖典型濕地土壤微生物活性對季節性水位變化的響應

鄒　鋒,武鑫鵬, 張萬港, 馬燕天, 2, 劉亞軍, 吳　蘭, 2,*

1 南昌大學生命科學學院,南昌　330031 2 鄱陽湖環境與資源利用教育部重點實驗室,南昌　330031

鄱陽湖是我國最大的通江型淡水湖泊,受長江水位和江西省內五大水系的雙重影響,具有“高水是湖、低水似河”的獨特景觀[1]。鄱陽湖高變幅的水位波動造就了大面積的湖泊濕地,在維持鄱陽湖生態系統穩定過程中發揮著極其重要的作用[2]。近年來受氣候改變與人類活動的影響,鄱陽湖濕地面臨江湖關系改變、植被演替加快、枯水時間延長、生物多樣性下降等諸多不利因素的挑戰[3]。盡管眾多學者已經注意到這些問題,但現有的研究仍大多集中于植被沿水位分布情況、重金屬污染、溫室氣體排放以及水質污染分析等方面；而對微觀尺度上土壤微生物以及它對水文情勢的響應關系和響應機理的研究卻較少。

在濕地生態系統中土壤微生物不僅加速了植物凋落物和有機質的分解[4]、驅動著氮、磷等營養元素的循環轉化[5]、推動了化學能量和信息的流動[6]、同時還參與了污染物降解與環境修復等過程[7],對維持濕地生態系統平衡與穩態起著重要的作用[8]。對于湖泊濕地微生物的研究,土壤微生物活性指標往往比微生物群落結構指標能夠更加直觀地反應濕地生態功能,因而更加受到人們的重視。已有研究表明,土壤酶活、微生物生物量、基礎呼吸等活性指標能夠準確的反映出土壤中的物質代謝情況,并對各種環境擾動做出快速響應[9-10]。濕地環境條件的改變,如營養物含量、水深、pH、植被等都會影響到濕地微生物的結構和功能[11-14]。截至目前對于淡水湖泊濕地土壤微生物如何響應水位波動的規律并不清楚,而鄱陽湖天然濕地面臨的問題亟需我們徹底弄清這一規律,因此,深入分析鄱陽湖濕地土壤微生物對不同季節水位的響應關系顯得十分必要。

本研究以鄱陽湖濕地為研究對象,通過對不同季節土壤的物理化學參數、土壤酶活性、微生物生物量及基礎呼吸等微生物活性指標的研究,揭示不同高程濕地土壤微生物活性對季節性水位變化的響應過程和響應機制。本研究的結論可為鄱陽湖濕地的合理保護與科學管理提供微生物方面的視角,對鄱陽湖濕地土壤質量演變及評價、生態系統結構和功能穩定性的維持等方面也具有重要意義。

1　研究區域與研究方法

1.1　樣地介紹與樣品采集

研究地點位于鄱陽湖濕地國家自然保護區蚌湖(115°53′—116°01′E,29°08′—29°18′N)。受季節性水位波動的影響,區內洲灘濕地呈現典型的水陸交錯現象,濕地地上植被沿不同的高程呈現環帶狀分布,優勢植被帶垂直分布明顯(表1)。本研究由湖岸往湖心方向依次選取3個不同水位高程的樣帶依次編號為S1—S3,每個樣帶下設置間距為100 m的3個樣方,共設置1 m×1 m的樣方9個。首先對采樣點進行GPS定位和地上植被調查并記錄樣帶水淹情況,然后分別在2014年3月(未淹水)、6月(淹水時長：0、5、10 d)、10月(淹水時長：30、70、125 d)以及2015年1月(未淹水)進行采樣,代表春夏秋冬4個季節的樣品。清除地上枯落物后,以五點混合采樣法用土鉆采集表層土壤樣品(0—20 cm)。最終得到3個樣帶、4個季節一共36份樣品。將土壤樣品低溫運回去除根莖殘體及石塊后混勻分成3份。其中一份樣品保存于-80℃冰箱用作酶活性的測定；第二份暫儲存于4℃冷庫中用于測定土壤基礎呼吸及微生物生物量；最后一份樣品風干處理后過100目篩用于理化分析。

1.2　樣品分析及方法

1.2.1土壤理化性質

表1　研究區域基本概況

平均值±標準誤,同一列不同字母表示樣帶間差異顯著(P<0.05)

1.2.2微生物活性特征

土壤基礎呼吸(basal respiration,BR)采用密閉堿液吸收滴定法測定[19]。采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測定土壤微生物量碳(MBC)及微生物量氮(MBN)[20],換算系數K=0.45。代謝熵(qCO2) =BR/MBC。微生物碳熵(qMBC)%= MBC/TOC×100%；微生物氮熵(qMBN)%= MBN/ TN×100%。

土壤酶活方面,β-葡萄糖苷酶(Bglu)、β-木糖苷酶(Bxyl)、N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)、磷酸酶(Phos)4種水解酶的活性運用微孔板熒光法測定[21]。2種氧化酶——酚氧化酶(Phox)和過氧化氫酶(Pero)分別以左旋多巴(DOPA)和加DOPA的過氧化氫(H2O2)作為底物,用比色法測定[22]。

1.2.3數據處理

采用Excel 2013和SPSS 20.0軟件對數據進行統計整理與制圖。采用單因素方差分析(ANOVA,Tukey test)對土壤理化參數和微生物特征進行多重檢驗；使用雙因素方差分析(Two-way ANOVA)進行樣帶和季節對基本理化參數和微生物特征影響的統計分析；土壤理化和微生物活性特征間相關性分析則采用Pearson檢驗法。應用Canoco 5.0分別對土壤理化、微生物活性進行主成分分析(PCA)。

2　結果與分析

2.1　土壤基本理化因子比較

土壤是微生物賴以生存的基礎,土壤環境決定了微生物的生存狀況。土壤理化指標對不同季節和不同高程都有明顯的響應。如表2所示SWC在32.60%—64.53%之間,夏季和秋季SWC顯著高于其他季節(P<0.05)；土壤pH春冬季總體顯著高于夏季(P<0.05),高程越低的樣帶土壤平均含水量和pH也越高。在土壤養分元素中,僅從季節層面整體來看,TOC和C∶N在秋季總體較高,而TP夏季含量顯著高于其他季節(P<0.05),AFDM冬季含量最高(P<0.05)；在不同高程整體差異方面,TOC、TN、C∶N 以及AFDM也都有S2高于S1和S3的現象(P<0.05)。另外,值得注意的是高程最低的S3樣帶春季TOC和C∶N均為年內最低(P<0.05)(表2)。

表2　土壤理化性質與營養元素含量

平均值±標準差;大寫字母表示樣帶內部季節間差異顯著(P<0.05)；小寫字母表示同一季節樣帶間差異顯著(P<0.05);SWC：soil water content；pH：pH value；AFDM：ash free dry mass；TOC：total organic carbon；TN：total nitrogen；TP：total phosphorus；C∶N：TOC/ TN

土壤DOC、DON占TOC、TN的比例范圍分別為0.17%—0.50%和0.22%—1.16%(表3)。在整體季節層面,DOC/TOC和DON/TN的比例夏季顯著高于其他季節(P<0.05)；隨著樣帶高程的降低,兩者的分配比例也整體逐漸下降。

表3　土壤速效、溶解性物質含量

2.2　土壤微生物量碳氮與基礎呼吸

土壤基礎呼吸、微生物量和微生物熵值都是土壤質量的敏感性指標[23]。在總體季節上,除MBN外,MBC、qMBC、qMBN等指標大致都有夏季和冬季相對較高、春秋季較低的趨勢,而qCO2卻剛好相反；BR強度在春季顯著高于其他季節(P<0.05)。在不同高程樣帶間,S2樣帶土壤微生物量、微生物呼吸及微生物熵值都高于S1和S3。值得注意的是,春季高程最低的S3樣帶MBC、MBN和BR都相對較低(表4)。

表4　微生物量碳氮和基礎呼吸在各季節及樣帶中的分布

平均值±標準誤;大寫字母表示樣帶內部季節間差異顯著(P<0.05)；小寫字母表示同一季節樣帶間差異顯著(P<0.05);BR：microbial basal respiration；MBC：microbial biomass carbon；MBN：microbial biomass nitrogen；qCO2： microbial Metabolic quotient；qMBC：ratio of MBC to TOC；qMBN：ratio of MBN to TN

2.3　土壤酶活性

4種土壤水解酶中,除Bxyl外,其余3種酶活性在總體季節變化中均呈現出夏季或冬季較高、秋季顯著最低的動態變化(P<0.05)。秋季3個高程樣帶均處于淹水環境,2種氧化酶Phox和Pero秋季活性顯著高于其他季節(P<0.05)。而在總體樣帶高程間,除Bglu外,其他3種水解酶活性在樣帶間都有S2>S1>S3的排序。另外,春季和冬季S2樣帶4種水解酶和2種氧化酶的活性均顯著高于S1和S3(P<0.05)(圖1)。

圖1　土壤胞外酶活性Fig.1　Soil extracellular enzyme activities 大寫字母表示樣帶內部季節間差異顯著(P<0.05)；小寫字母表示同一季節樣帶間差異顯著(P<0.05);由湖岸往湖心方向依次選取3個不同水位高程的樣帶依次編號為S1—S3

2.4　微生物活性與環境變量之間的關系

圖2　土壤理化因子(a)及微生物活性特征(b)主成分分析Fig.2　Principal component analysis of soil environmental factors(a) and microbial activity characteristics(b)Bglu：β-葡萄糖苷酶,β-glucosidase；Bxyl：β-木糖苷酶,β-xylanase；NAG：N-乙酰氨基葡萄糖苷酶,N-acetylglucosaminidase；Phos：磷酸酶,phosphatase；Phox：酚氧化酶,phenoxidase；Pero：過氧化氫酶,peroxidase;BR：microbial basal respiration；MBC：microbial biomass carbon；MBN：microbial biomass nitrogen；qCO2： microbial Metabolic quotient；qMBC：ratio of MBC to TOC；qMBN：ratio of MBN to TN;SWC：soil water content；pH：pH value；AFDM：ash free dry mass；TOC：total organic carbon；TN：total nitrogen；TP：total phosphorus；C∶N：TOC/ TN

3　討論

3.1　土壤理化因子對季節性水位變化的響應

表5　土壤微生物活性特征與理化因子相關性分析

*顯著相關(P<0.05)；**極顯著相關(P<0.01)；ns相關性不顯著；樣品總數n=36;Bglu：β-葡萄糖苷酶,β-glucosidase；Bxyl：β-木糖苷酶,β-xylanase；NAG：N-乙酰氨基葡萄糖苷酶,N-acetylglucosaminidase；Phos：磷酸酶,phosphatase；Phox：酚氧化酶,phenoxidase；Pero：過氧化氫酶,peroxidase

3.2　微生物活性特征對季節性水位變化的響應

土壤水分含量是影響MBC、MBN的顯著因素[32]。秋季長時間的水淹降低了土壤微生物量,這也與萬忠梅等人的結果相一致[13]。影響微生物活性的因素都可能會間接影響到基礎呼吸的強度[33],春季干旱土壤受降雨作用再濕潤后引起的“birch效應”也可能是春季呼吸作用增強的原因之一[34],夏季和秋季淹水不利于好養微生物的代謝使得BR相對較低,冬季低溫和缺水條件也可以顯著降低呼吸作用的進行[35]。由此可見過高和過低的水分都不利于土壤微生物的呼吸作用[20](表4)。qCO2將微生物可礦化碳和MBC結合在一起,當土壤受到脅迫時qCO2將變大,此時微生物需要付出更多的能量來抵御不良環境[20]；本研究中經歷了長時間干旱的春季和淹水脅迫的秋季qCO2都較高。秋季長時間淹水條件降低了3個樣帶的qMBC和 qMBN,表明長期淹水環境抑制了物質循環的速率(表4)。

表6　土壤理化因子與微生物活性特征方差分析

3.3　不同高程和植被對于土壤理化及微生物特征的影響

盡管本實驗結果表明濕地土壤理化性質和微生物功能活性主要受到季節性水位變化的影響,但不同高程的樣帶間也存在一定的差異。而造成這種差異的根本原因同樣是水位變化,鄱陽湖年內季節水位平均變幅超過10 m,本研究中3個樣帶天然高程差僅在2—3 m間,故而季節性水位波動的幅度大于樣帶高程差異。本實驗中S2樣帶土壤表現出整體營養元素含量高于其他兩個樣帶的規律,這與樣帶高程變化趨勢不一致。吳建東[39]和謝東明[40]等人對蚌湖優勢植被群落的研究也發現了相似的現象,可能原因為南荻群落地上生物量高于狗牙根和苔草群落,植物枯落分解后可為土壤提供更多的養分[41-42]。另外,鄱陽湖近年來枯水期提前、枯水時間延長,地勢較高的樣帶水淹不足、水分缺乏且生境逐步趨于草甸化,這可能也是高程最高的S1樣帶枯水期土壤養分低于S2的原因之一[43]。PCA結果也表明淹水使得樣帶土壤理化和微生物趨于相同,而長期干旱則產生較大分異。

本研究中微生物活性特征在水位高程上都有S2樣帶活性高于S1和S3的現象。前人的研究結果也表明營養物的差異顯著影響著微生物的活性[11,33]。濕地不同高程樣帶的營養物主要來源于地上植被分解與植物根系分泌,較高的凋落物和碳氮水平可刺激微生物的活動并激發分解纖維素、木質素等酶的活性[44]；另外,養分的供應差別也影響著分泌酶的微生物的種類進而影響酶的活性[45],較高的酶活性也可以控制更多的養分釋放和加快微生物的生長[37]。因此S2樣帶微生物特征活性較高可能是由土壤營養物質較豐富而引起的,表3相關性分析也進一步證明營養資源對微生物功能活性的顯著影響。

4　結論

本實驗的主要結論如下：

(2)不同高程樣帶間存在的水位差異和植被類型的不同,導致南荻樣帶中土壤營養元素含量和微生物活性顯著高于狗牙根及苔草樣帶。