黃河三角洲鹽生植被演替對土*壤真菌碳源代謝多樣性的影響

王娟娟 王 倩 姜愛霞 裴 振 王曉鳳 郭篤發

（山東師范大學地理與環境學院，濟南 250000）

微生物在土壤中的結構與功能是生態研究廣泛關注的熱點。目前，對土壤微生物的研究主要集中在土壤微生物群落結構和分布特征［1］、酶活性和土壤微生物數量變化［2］、人為干擾下土壤微生物的變化情況及群落演替和土壤微生物之間的關系［3-4］。此外，土壤微生物多樣性在維持土壤質量和生態系統穩定方面的作用也日益引起人們的重視［5］。真菌作為土壤微生物區系的重要組分，在土壤中的養分循環、提高和保持土壤肥力、改善土壤結構等方面發揮著重要作用［6］。其作為土壤中的分解者，能夠有效分解各類大分子物質及難分解凋落物，有利于促進植物對營養元素的吸收，是生態系統健康的指示物［7-9］。獲取真菌多樣性信息對于明確不同環境中真菌群落的作用、深入了解生態系統的內部結構和功能變化有重要意義。

近年來，越來越多的研究者采用不同方法對土壤中微生物多樣性進行分析。其中，Biolog微平板法無需分離純種微生物，通過微生物對碳源的利用能力反映微生物群落的總體代謝特征，成為研究微生物功能多樣性的主流方法之一［10］。相關研究多集中在農田［11］、林地［12］、草原［13］、污染土壤［14］、廢水處理過程中［15］的微生物碳源代謝特征分析，而利用Biolog-FF板對土壤中真菌碳源代謝多樣性的研究相對較少，尤其是鹽漬土壤環境下真菌的碳源代謝多樣性與植物群落演替的關系尚不明確。

黃河三角洲地處海陸交接處，隨距海遠近、成土年齡、鹽漬化程度的不同，形成了以裸地為起點的強度、中度、輕度不同耐鹽程度的植被演替系列。本研究采用Biolog-FF微平板法，結合土壤理化性質進行分析，對不同鹽生植被群落下土壤真菌碳源代謝水平和真菌功能多樣性指數進行研究，來探尋土壤真菌碳源代謝水平隨鹽生植被演替的變化規律，為鹽生植被演替提供重要的參考依據，從而為黃河三角洲生態恢復和利用提供理論支持和技術支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究地點位于山東省東營市黃河入海口，地理位置為東經118°44′14.1″—118°55′10.3″，北緯37°26′16.7″—37°32′41.4″，屬于暖溫帶半濕潤地區，大陸性季風氣候。日照豐沛，年均氣溫12.5 ℃，降水量時空分布不均，年均降水量555.9 mm，70%的降水集中在夏季7、8月份，年均蒸發量是降水量的3.22倍［16］。土壤類型主要為潮土和鹽土，土壤質地主要為輕壤土和中壤土。

1.2 樣品采集與分析

通過對黃河三角洲多次實地考察，按照鹽生植被自然演替順序，在研究區內沿東西向路線，橫跨現代三角洲和近代三角洲，選擇濱海灘涂（裸地），強耐鹽植物群落（檉柳(Tamarix chinensis)群落、馬絆草(Angiospermae)群落），輕度耐鹽植物群落（羅布麻(A.venetum)群落、白茅(Imperata)群落），每個植被類型選擇3個樣地，共15個樣地采集土壤樣品。采集每個樣品時在采樣點周圍標出50 cm × 50 cm的區域，在植株附近10 cm內分0～20 cm、20～40 cm兩層用土鉆鉆取采樣，采用對角線五點采樣法，每個樣地內采集5個土樣，充分混勻，除去較大的根系等雜物，分成兩份，每份約200 g。一份封于滅菌袋中，4 ℃保存，用于酶活性和土壤理化性質分析；另一份放入超低溫冷凍機中，-80 ℃保存，用于土壤真菌功能多樣性研究。

土壤全氮(TN)測定采用元素分析儀，堿解氮(AN)測定采用堿解擴散法，有效磷(AP)測定采用Olsen法，土壤有機質(SOM)測定采用低溫外加熱重鉻酸鉀氧化-比色法，土壤粒徑分析參考Kettler等［17］的方法。

1.3 土壤真菌碳源代謝水平測定

采用Biolog-FF微平板法對不同鹽生植被下土壤真菌的碳源代謝活性進行分析。將每個植被下3個樣地土壤設置為3次重復實驗。每個樣地各稱取10 g土壤樣品于高壓滅菌錐形瓶中，向瓶中加入90 mL 0.85%無菌NaCl溶液，用封口膜封口后放入振蕩器，以250 r·min-1轉速振蕩30 min，然后將土壤溶液稀釋至10-2，取150 μL稀釋液于Biolog-FF微平板孔中，并將其置于26 ℃恒溫箱中黑暗培養，每隔24 h用Biolog讀數儀讀取490 nm波長的光密度值，培養時間為24 h。

1.4 數據處理

采用每孔平均吸光值（Average well color development，AWCD值）來表征真菌群落功能代謝能力，計算表達式：

式中，Ci為各反應孔在490 nm下的光密度值；R為FF板對照孔A1的吸光值，N為培養基碳源的種類，碳源種類數為95。Ci－R的值小于0的孔在計算中均記為0，即Ci－R的值均為大于等于0的數。

土壤真菌功能多樣性計算公式如下：

豐富度指數（S）為每孔中（C－R）的值大于0.25的孔數；

土壤真菌的AWCD值、多樣性指數和穩定性指標的顯著性檢驗采用單因素方差分析（one-way ANOVA）和最小顯著性差異分析（LSD）；用Person相關系數分析真菌多樣性指標與土壤理化性質相關性；主成分分析采用SPSS22.0軟件完成；冗余分析采用Canoco5.0軟件。

2 結 果

2.1 不同鹽生植被下土壤的理化性質

據表1可知，0～20 cm土層與20～40 cm土層中，馬絆草、白茅、羅布麻群落覆被下土壤質地均與裸地和檉柳群落覆被下具有顯著差異（P＜0.05），其中馬絆草、白茅、羅布麻群落覆被下砂粒含量顯著低于裸地和檉柳群落，檉柳群落覆被下砂粒含量最高，0～20 cm土層為50.86%，20～40 cm土層為39.64%，均顯著高于裸地；馬絆草、白茅、羅布麻群落覆被下粉粒含量顯著高于裸地和檉柳群落，檉柳群落下粉粒含量為最低，其中，0～20 cm土層為45.10%，顯著低于其余四種樣地，20～40 cm土層為55.67%，與裸地差異不顯著；五種群落覆被下黏粒含量無顯著差異（P＞0.05）；同一植物群落覆被下不同土層間土壤質地無顯著差異（P＞0.05）。 0～20 cm土層中，白茅群落覆被下土壤含水率高達20.9%，顯著高于其他樣地（P＜0.05）；20～40 cm中，檉柳群落覆被下土壤含水率為7.86%，顯著低于其他樣地；同一樣地中20～40 cm土層土壤含水率低于0～20 cm土層，但差異不顯著（P＞0.05）。土壤溫度在各樣地中差異不顯著，在0～20 cm土層中，土壤溫度范圍為21.50～31.88℃，裸地最高，白茅群落覆被下最低；20～40 cm土層中溫度范圍為22.88～27.33℃，馬絆草覆被下最高，白茅覆被下最低。

表1 黃河三角洲鹽生植被演替過程中土壤理化性質的比較Table 1 Soil physicochemical properties relative to halophytic vegetation in succession in the Yellow River Delta

在0～20 cm、20～40 cm土層，馬絆草群落、白茅群落、羅布麻群落覆被下SOM均顯著高于裸地和檉柳群落，其中，檉柳覆被下SOM含量最低，甚至低于裸地，0～20 cm土層含量為0.35 g·kg-1，與裸地差異不顯著（P＞0.05），在20～40 cm土層含量為0.27 g·kg-1，與裸地差異顯著（P＜0.05）。裸地土壤TN含量在0～20 cm、20～40 cm土層中均為最低，分別為0.24 g·kg-1、0.15 g·kg-1，顯著低于其他四種植物樣地（P＜0.05），白茅群落覆被下TN含量最高，0～20 cm土層為0.71 g·kg-1，20～40 cm土層為0.55 g·kg-1，同一植物群落覆被下不同土層間TN差異不顯著。四種耐鹽植物群落覆被下AN含量較裸地相比均顯著提高（P＜0.05），而同一植物群落覆被下不同土層間AN差異不顯著。相反，AP含量顯著降低（P＜0.05）且同一植物群落覆被下不同土層間具有顯著差異（P＜0.05）。本研究采用電導率（EC）表征土壤含鹽量，檉柳、馬絆草、白茅、羅布麻群落EC較裸地顯著下降（P＜0.05），0～20 cm土層的降幅分別為80.40%、65.97%、71.39%、68.00%，20～40 cm土層的降幅分別為86.21%、68.46%、78.76%、78.17%，差異顯著（P＜0.05）。相同樣地不同深度土層SOM、TN、AN、AP、EC含量總體表現為0～20 cm＞20～40 cm，即土層加深，養分含量降低，含鹽量降低。

總體而言，隨鹽生植被從裸地-強耐鹽植物群落-輕度耐鹽植物群落正向演替過程中，土壤鹽化程度逐漸降低，土壤理化性質發生顯著變化，土壤質量呈現改善趨勢。

2.2 不同鹽生植被下土壤真菌碳源代謝水平的動態變化

不同樣地不同深度土層AWCD值變化如圖1，結果表明：0～20 cm和20～40 cm的土樣中土壤真菌利用單一碳源的AWCD值均隨時間的延長而增大，在24 h以內各樣地AWCD全部低于0.1，真菌利用碳源的能力較低。這是因為接種培養后，土壤真菌需要24 h的滯后期以適應Biolog微平板的環境。

由圖1可見，不同樣地土壤真菌對碳源利用程度存在一定差異，4種耐鹽植物群落覆被下真菌碳源利用程度均高于裸地。具體表現為：0～20 cm土層為白茅＞羅布麻＞檉柳＞馬絆草＞裸地，即強耐鹽植物群落下土壤真菌AWCD值顯著高于裸地（P＜0.05），輕度耐鹽植物群落高于強耐鹽植物群落，羅布麻群落作為輕度耐鹽性植物群落，其AWCD值與強耐鹽性植物群落尤其是檉柳群落的差異不顯著（P＞0.05）。20～40 cm土層則為白茅＞馬絆草＞檉柳＞羅布麻＞裸地，羅布麻群落真菌碳源利用能力低于強耐鹽植物群落，這可能與不同植物、不同土壤環境下根際分泌物的成分和數量對土壤中真菌的影響作用有關。白茅群落真菌碳源利用能力在0～20、20～40 cm土層均為最高，裸地最低。同一樣地不同土層中，白茅和馬絆草群落表現為0～20 cm＜20～40 cm，而檉柳和羅布麻群落則表現為0～20 cm＞20～40 cm，裸地的碳源利用能力相似。

圖1 土壤真菌平均吸光值變化Fig. 1 Change in average well color development (AWCD) of fungi

2.3 不同鹽生植被下土壤真菌多樣性

土壤真菌多樣性指數可詳盡反映真菌群落物種組成和個體數量分布情況，反映真菌功能多樣性的不同側面［18-19］，從表2可以看出，4種耐鹽植物群落下0～20和20～40 cm土壤真菌群落的香農-威爾指數H、豐富度指數S、辛普森指數D均高于裸地。0～20 cm土層中，3種指數均表現為白茅＞羅布麻＞檉柳＞馬絆草＞裸地，即輕度耐鹽植物群落＞強耐鹽植物群落＞裸地，且差異顯著（P＜0.05）；而20～40 cm土層則表現為馬絆草＞白茅＞檉柳＞羅布麻＞裸地，作為輕度耐鹽植物的馬絆草群落，其3種多樣性指數值均最高，且與其他樣地差異顯著（P＜0.05）。以上說明隨鹽生植被正向演替，改善了土壤中真菌群落的多樣性和豐富度，提高了群落中常見物種的優勢度。同一樣地不同土層中，除馬絆草群落，其余樣地的3種指數均表現為0～20 cm＞20～40 cm。

由相關分析（表3）可知，0～20 cm土層中，AWCD值與全氮、堿解氮和過氧化氫酶活性呈現顯著正相關（P＜0.05），香農-威爾指數H與土壤鹽度呈現顯著負相關（P＜0.05），與有機質含量呈現顯著正相關（P＜0.05），豐富度指數S與全氮、堿解氮、有機質及過氧化氫酶活性呈現顯著正相關（P＜0.05），且這三種多樣性指數均與磷酸酶呈現顯著正相關（P＜0.05）。辛普森指數D與土壤含鹽量呈現極顯著負相關（P＜0.01）。20～40 cm土層中，AWCD值、香農-威爾指數H和豐富度指數S與有機質含量以及磷酸酶呈現顯著正相關（P＜0.05），與過氧化氫酶呈現極顯著正相關（P＜0.01），此外，香農-威爾指數H和辛普森指數D與土壤含鹽量呈現顯著負相關（P＜0.05），與全氮和堿解氮含量呈現顯著正相關（P＜0.05）。兩土層中有效磷和脲酶均與AWCD值及各多樣性指數無顯著相關關系。土壤鹽度、全氮、堿解氮、磷酸酶和過氧化氫酶是影響土壤真菌群落功能多樣性的重要環境因子，說明鹽生植被演替改變了土壤理化性質與微生物生物量，進而影響真菌的功能多樣性。

表2 不同覆被類型下土壤真菌功能多樣性指數Table 2 Functional diversity indices of soil microbial communities relative to halophytic vegetation

表3 平均吸光值、土壤真菌多樣性指數與土壤理化性質相關性Table 3 Correlation coefficient of average well color development and diversity indices of fungi communities with soil physicochemical properties

2.4 不同鹽生植被群落下土壤真菌碳源代謝特征

主成分累計方差貢獻率一般要求達到85%［20］，對Biolog-FF微平板上95種碳源的代謝情況進行主成分分析。提取主成分要求相對應特征值大于1，據此原則提取前3個主成分，累計貢獻率可達88.62%，其中PC1軸貢獻率為52.18%，PC2軸貢獻率為19.28%，真菌碳源代謝主成分分析結果如圖2所示。結果表明，不同鹽生植被下土壤真菌PC值出現了明顯的分布差異，大體可以分為三大類：0～20 cm土層下的白茅群落、羅布麻群落及20～40 cm土層下的白茅群落、馬絆草群落均分布在PC1軸正方向，PC2軸正方向；0～20 cm土層下的裸地群落、馬絆草群落均分布在PC1軸負方向，PC2軸負方向；其余群落均分布在PC1軸負方向，PC2軸正方向。各樣地在0～20與20～40 cm土層下利用的碳源發生較好分離，說明土層加深明顯改變了真菌群落的碳源利用能力。

不同土層下土壤真菌碳源代謝利用種類也會發生差異。總體而言，糖類、醇類和酸類是控制土壤真菌碳源代謝發生差異的主要碳源。其中，0～20 cm土層利用的主要碳源種類有纖維醇、鳥氨酸、D-甘露醇等44種，而在20～40 cm的土層中，利用的主要碳源有D-山梨醇、丙三醇、L-天冬氨酸等39種。

圖2 土壤真菌碳源代謝特征分析Fig. 2 Analysis of carbon source metabolism characteristic of soil fungi

2.5 土壤理化性質對真菌功能多樣性的影響

為探討環境因子對土壤真菌代謝特征的影響，選擇冗余分析（RDA）對環境梯度進行直接排序。Axis1與Axis2的累積解釋變量在0～20、20～40 cm土層分別達96.58%、97.22%，說明土壤理化性質對土壤真菌的代謝特征有較大影響。其中，在0～20 cm土層，Axis1與TN、AN、SOM、磷酸酶、脲酶、過氧化氫酶呈正相關，與EC、AP呈負相關，Axis2與AN、EC、SOM、AP、脲酶呈正相關，與TN、磷酸酶、過氧化氫酶呈負相關，TN、磷酸酶和過氧化氫酶對真菌碳源代謝特征影響高于其他理化性質。在20～40 cm土層Axis1與TN、AN、SOM、磷酸酶、脲酶、過氧化氫酶呈正相關，與EC、AP呈負相關，Axis2與磷酸酶、脲酶呈正相關，與TN、AN、EC、SOM、AP、過氧化氫酶呈負相關，SOM、AP、過氧化氫酶對真菌的代謝特征高于其他理化性質。

圖3 土壤理化性質對真菌功能多樣性的影響Fig. 3 Analysis of the influence of soil physicochemical properties on soil fungus community

3 討 論

3.1 鹽生植被演替對土壤真菌群落碳源代謝活性的影響

研究結果顯示，在鹽生植被正向演替過程中，0～20與20～40 cm土層土壤真菌的AWCD值和各多樣性指數的變化規律基本一致，均表現為輕度耐鹽植物群落＞強耐鹽植物群落＞裸地，說明土壤真菌的代謝活性和功能多樣性均有一定的提高，這與周鳳等［21］的研究結果相近。主成分分析表明糖類、醇類和酸類是控制碳源代謝利用發生差異的主要碳源。有研究發現，微生物碳源利用能力增強可以反映相應微生物種群數量的增加［22］。王艷云等［23］研究發現，隨鹽生植被正向演替，土壤中真菌豐富度逐漸增加，且不同演替階段真菌群落結構組成差異較大。真菌群落結構的差異改變了其代謝功能，從而對生態系統進程產生一定影響［24］。微生物碳源代謝差異與地上植被類型更替關系密切，地上植被更替使土壤中凋落物和根系分泌物產生變化，從而引起土壤中微生物群落組成的改變，進而影響其代謝功能［25］。在鹽生植被正向演替的過程中，由于根系間的交錯疊加作用，根系分泌物更加豐富，使根系土壤中的維生素、碳水化合物、氨基酸和有機酸等物質更加豐富，為根際真菌的生存和繁衍提供了所需能源和營養物質，且在鹽生植被正向演替過程中，不同植物會產生不同的根系特異分泌物，從而形成與之相適應的根際真菌群落，提高土壤真菌的整體代謝活性，促進了土壤真菌群落結構多樣化的形成。根際是根系分泌物和土壤生物之間形成的獨特群落環境。根系分泌物發生微小改變能夠導致根際微生物區系發生極大改變，它是聯系植物和根際微生物的重要環境因子［26］。納小凡等［27］的研究也證明植物根與土壤微生物之間存在相互選擇和作用。除馬絆草群落外，其他樣地真菌代謝功能均有隨土層加深而降低的趨勢，張志政等［28］發現，土壤微生物數量隨土壤深度的增加而顯著減少。另一重要原因是表層土壤較深層土壤有更豐富的凋落物和根系分泌物為微生物提供養分，有利于微生物的生長［29］。由于植株根系代謝為根際微生物提供較多的碳源，使得根際土壤微生物數量以及多樣性均高于非根際，根系調整自身分泌物的組成和數量來積極響應土壤環境的變化［30］，隨著土層加深，土壤環境發生改變，根系分泌物的組成和數量隨之改變，從而影響真菌的數量和代謝功能。

3.2 鹽生植被演替中土壤理化性質變化對真菌群落碳源代謝活性的影響

隨鹽生植被正向演替，地上植物的種類不斷增加，對土壤理化性質產生重要影響，而微生物代謝功能的變化與地上植被演替過程中土壤理化性質關系密切［31］。土壤水分、有機質、堿解氮、有效磷等因子是影響土壤微生物群落組成的重要環境因子，這些因子的改變能夠影響微生物生存的微環境，進而影響微生物的種類、活性及分布［32-33］。由圖3可知，不同土層下土壤理化性質對真菌碳源代謝活性影響基本一致，土壤含鹽量和有效磷含量均與真菌碳源代謝活性呈現負相關，而其他理化性質則與真菌碳源代謝活性呈正相關，電導率、全氮、堿解氮和有機質是控制土壤真菌碳源代謝的主要因素。有研究指出，隨著土壤含鹽量的增加，土壤微生物數量呈明顯的下降趨勢［34］。由于土壤鹽分不僅能夠影響土壤對CO2的釋放，同時也能顯著抑制土壤微生物活性，造成微生物種類和數量減少，因此，土壤鹽分含量越高，土壤微生物碳源代謝能力越弱［35-36］。Muhammad等［37］認為，土壤鹽堿化程度的降低會促進微生物對有機質的分解作用。隨著鹽生植被的正向演替，土壤含鹽量不斷降低，而全氮、堿解氮和有機質的含量不斷升高，土壤環境不斷優化，進而使土壤真菌群落結構朝著更加穩定的方向發展。研究發現，隨土層加深，土壤理化性質均發生改變，植物根系分布逐漸減少，土壤水、氣、熱等生態因子逐漸限制土壤微生物正常活動，使其代謝功能逐漸降低［38-39］。

4 結 論

隨鹽生植被正向演替，土壤鹽化程度逐漸降低，土壤質量不斷改善，土壤真菌群落結構朝著更加穩定的方向發展。隨著鹽生植被在“裸地-強耐鹽性植物-輕度耐鹽性植物”的演替過程中，土壤真菌AWCD值顯著提高（P＜0.05），白茅群落的真菌代謝活性在兩個土層中均最高。土壤真菌群落的香農-威爾指數H、豐富度指數S、辛普森指數D表現為輕度耐鹽性植物＞強耐鹽性植物＞裸地，且差異顯著；除馬絆草群落，其余樣地的三種指數值表現為0～20 cm大于20～40 cm土層。電導率、全氮、堿解氮和有機質是控制土壤真菌碳源代謝的主要因素。土壤鹽度對真菌生長具有顯著抑制作用。不同土層下土壤真菌碳源利用種類也會發生差異，而糖類、醇類和酸類是控制土壤真菌碳源代謝發生差異的主要碳源。