黃土高原草地次生演替過程中微生物群落對植物群落的響應

白麗，范席德，王潔瑩，趙發(fā)珠，薛科社

西北大學/陜西省地表系統(tǒng)與環(huán)境承載力重點實驗室，陜西 西安 710127； 西北大學城市與環(huán)境學院，陜西 西安 710127

撂荒地植被演替屬次生演替，是群落內部關系與外界環(huán)境中各種生態(tài)因子綜合作用的結果（王興等，2014）。近年來，關于演替動力學的研究一直是植物群落生態(tài)學的核心主題（Zhou et al.，2017）。據報道（Zak et al.，2003；胡嬋娟等，2012），植被作為研究次生演替動力學的重要組成部分，是生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)和能量流動的中樞，而微生物作為地球生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的組成部分，是生物地球化學循環(huán)的主要參與者和重要驅動者，在評價生態(tài)系統(tǒng)、維護生態(tài)平衡方面起著舉足輕重的作用。大量的研究表明，次生演替不可避免地會引起地上植物群落（León et al.，2016；Sun et al.，2017）和地下微生物群落（王艷云等，2016；陳孟立等，2018；Ren et al.，2017；Smith et al.，2015）的變化，這種變化可能對陸地生態(tài)系統(tǒng)乃至全球變化有著重要影響。因此，了解植被和微生物在次生演替過程中的動態(tài)變化可為陸地生態(tài)系統(tǒng)的恢復提供一定的啟示（Smith et al.，2015）。

近年來，關于次生演替對植物群落和微生物群落的動態(tài)變化已有廣泛報道，越來越多的學者開始將研究的熱點轉移到次生演替過程中植物群落和微生物群落之間的相互作用（Zhang et al.，2009；Tscherko et al.，2004；Han et al.，2007；Lozano et al.，2014）。例如：有研究指出，演替過程中植物多樣性和豐富度的增加促使微生物多樣性顯著增加（Schlatter et al.，2016；He et al.，2008），并且植物均勻度可以通過調節(jié)植物物種豐富度從而對微生物群落產生影響（Lamb et al.，2011）。然而，也有一些研究指出，演替過程中植物多樣性與微生物群落之間沒有直接的相關性（Millard et al.，2010；Han et al.，2007；李毳等，2018）；且植物物種豐富度對微生物生物量和多樣性具有負面影響。可以看出，植物群落與微生物群落之間存在著復雜的關系，二者之間的相互作用常常出現不一致的研究結果，表明植物群落與微生物群落之間的相互作用依然存在很大的不確定性。這種不確定性對于我們了解植被-土壤系統(tǒng)物質循環(huán)、能量流動和信息傳遞有著極大的阻礙作用。因此，進行演替過程中植物群落與微生物群落之間的相互作用研究顯得尤為重要和迫切。

黃土丘陵區(qū)是中國嚴重的水土流失區(qū)之一，草地次生演替是防止該區(qū)水土流失和恢復該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的重要管理措施之一。目前，由農田轉化為森林的植被次生演替在國內外已經得到了廣泛研究，而關于農田轉化為草地的相關研究卻相對匱乏，這在很大程度上限制了我們對次生演替后植物群落與微生物群落動態(tài)變化的全面認識。此外，最近有研究表明，草原系統(tǒng)土壤碳儲量和生物多樣性均高于森林系統(tǒng)（Zhao et al.，2014；Li et al.，2012）。因此，本研究主要針對黃土高原撂荒若干年后的草地，研究黃土高原草地次生演替20 a、30 a和40 a植物群落和微生物群落特性的動態(tài)變化。主要研究目的為：（1）明確草地次生演替過程中植物群落和微生物群落的動態(tài)變化；（2）揭示植物群落和微生物群落在早期次生演替過程中的相互作用。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省安塞縣紙坊溝流域（109°26′～109°28′E，36°74′～37°77′N）。該區(qū)屬于典型的黃土丘陵溝壑區(qū)，具有典型的溫帶大陸性半干旱氣候。海拔高度為1087.3～1290.8 m，年均溫為8.8 ℃，年均降雨量為510 mm左右，大部分降水主要集中在7—9月，占全年降雨量約60%（Zhang et al.，2016）。土壤類型為易受侵蝕的黃綿土（表1）。研究區(qū)植物群落的主要物種有鐵桿蒿（Artemisia sacrorum）、杠柳（Periploca sepium）、蘆葦（Ditch reed）、隱子草（Cleistogenes squarrosa）、苔草（Carex）和大針茅（Stipa grandis）。

1.2 樣品采集和分析

于2016年9月，采用時空替代法（Zhang et al.，2016），選取坡向、坡度、海拔高度基本一致的撂荒地作為對照（CK），以自然演替20 a、30 a和40 a的草地作為實驗樣地，樣地基本信息見表2。每個演替年限設置3個重復樣方，采用樣方法在每個樣方中隨機選取6個小樣方（1 m×1 m）進行植物性狀調查，包括植物覆蓋度、高度、頻度和優(yōu)勢種，對地上部分進行修剪和干燥，獲取地上生物量并分析生物量碳。按照Zhang et al.（2016）等文獻中描述的方法計算植物多樣性、豐富度和均勻度。用直徑為5 cm的土鉆在每個樣方沿S型分別采集表層0～20 cm的土壤樣品10個，之后混合為1個土壤樣品，過2 mm篩，去除根系和凋落物殘體，然后將一部分樣品立即運輸到實驗室并保存在-80 ℃冰箱用于DNA分析；另一部分樣品風干處理后用于土壤理化性質測定。

1.3 土壤基本理化性質分析

有機碳、總氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、pH和容重參照鮑士旦（2000）中的方法進行分析測定。

1.4 土壤DNA提取，PCR擴增和高通量測序

采用Omega DNA試劑盒從0.5 g新鮮土壤中提取微生物DNA，使用分光光度計測量總DNA的濃度。使用細菌通用引物 515F（5'-GTGCCAGCMGCCGCGG-3'）和 907R（5'-CCGTCAATTCMTTTRAGTTT-3'）進行 16S rRNA的PCR擴增（Ren et al.，2017）。使用真菌的通用引物 FR1（5'-AICCATTCAATCGGTAIT-3'）和FF390.1（5'-CGWTAACGAACGAGACCT-3'）進行18S rRNA的PCR擴增（Cassman et al.，2016）。細菌擴增液的成分組成（Ren et al.，2017）：1.25 μL模板DNA（10.0 ng），0.4 μL雙鏈體，0.4 μL Taq聚合酶。PCR循環(huán)參數為：95 ℃，5 min；95 ℃，30 s；55 ℃，30 s；72 ℃，60 s；72 ℃，10 min。真菌擴增液的成分組成（王艷云等，2016）：1.5 μL模板 DNA（10.0 ng），1.0 μL 引物（50 μmol·L-1），5 μL 10×PCR buffer，0.5 μL dNTP（10 mmol·L-1），0．5 μL Taq聚合酶。PCR循環(huán)參數為：95 ℃，3 min；95 ℃，30 s；55 ℃，30 s；72 ℃，30 s；72 ℃，5 min。每個樣品擴增3份，然后將對應的擴增產物混合，最后將每個樣品等量PCR產物放入管中，送至上海生物研究所于 Illumina MiSeq平臺下使用 USEARCH v5.2.32進行測序分析。去除序列中的嵌合體，通過Blast比對數據庫對處理后的序列進行物種分類；將相似性大于 97%的序列歸為同一種操作分類單元（OTU）（王艷云等，2016）。最后，將完整的數據集發(fā)送到國家生物技術信息中心（NCBI）的序列儲存（SRA）數據庫，序列號為SUB4145523。

表1 樣地土壤基本理化性質（0～20 cm）Table1 Soil physicochemical properties of plots (0～20 cm)

表2 樣地植被與地理信息概況Table 2 Status of vegetation and geographical information

1.5 數據統(tǒng)計分析

采用單因素方差分析（SPSS）分析植物群落多樣性、豐富度、均勻度、覆蓋度、生物量和生物量碳（P＜0.001）的差異顯著性。采用RDA對植物群落和微生物群落的相關特性進行分析（Canoco 4.5），采用NMDS對微生物β多樣性進行分析。文中圖示均用Origin 8.5制圖。

2 結果分析

2.1 草地演替對植物群落的影響

隨著草地次生演替的進行，不同演替階段植物群落表現出不同的演替趨勢（表3）。草地演替20～30年期間，植物覆蓋度、豐富度、多樣性、均勻度和生物量碳分別增加了2.44%、9.86%、6.86%、5.17%和9.01%，植物生物量基本保持不變；演替30～40 a期間，植物覆蓋度、豐富度、多樣性、均勻度、生物量和生物量碳分別增加了43.64%、28.53%、6.12%、4.92%、54.55%和 2.16%。植物覆蓋度、豐富度、多樣性、均勻度、生物量和生物量碳含量在草地演替40 a分別是草地演替20 a的47.13%、41.20%、13.40%、10.34%、54.55%和 11.85%。植物群落在整個演替過程中與植被進展演替方向保持一致，均呈顯著增加的趨勢（P＜0.001）。

2.2 草地演替對微生物群落的影響

2.2.1 草地演替對微生物群落多樣性的影響

隨著草地次生演替的進行，微生物多樣性整體呈現出增加的趨勢（圖1，圖2）。細菌多樣性在草地演替20 a、30 a和40 a分別比撂荒地顯著增加1.77%、4.17%和4.01%（P＜0.01），在演替20～30 a這一階段增長最快，至演替30 a達到最大，之后出現緩慢下降；真菌多樣性與細菌多樣性的演替趨勢略有不同，與撂荒地相比，真菌多樣性在草地演替20 a、30 a和40 a后分別增加了13.79%、23.79%和26.21%，在整個次生演替過程中呈持續(xù)增長狀態(tài)，但不同演替年限間沒有表現出顯著性差異。

圖1 演替對土壤微生物香農多樣性的影響Fig. 1 Impact of succession on shannon diversity of soil microbial

2.2.2 草地演替對微生物群落組成的影響

草地次生演替過程中同樣伴隨著微生物群落組成的變化（圖3），如相對豐度＞1%的優(yōu)勢細菌門如下：放線菌（Actinobacteria）（34.8%）、變形菌（Proteobacteria）（26.0%）、酸桿菌（Acidobacteria）（15.0%）、綠彎菌（Chloroflexi）（7.5%）、芽單胞菌（Gemmatimonadetes）（8.7%）、硝化螺旋菌（Nitrospirae）（1.6%）、擬桿菌（Bacteroidetes）（2.1%）、疣微菌（Verrucomicrobia）（1.1%）和浮霉菌（Planctomycetes）（1.0%）。其中，放線菌和綠彎菌的相對豐度隨草地演替的進行而顯著下降，變形菌、酸桿菌、芽單胞菌、硝化螺旋菌、擬桿菌和浮霉菌的相對豐度隨草地演替的進行而顯著增加（P＜0.05），疣微菌隨演替進行整體呈增加的趨勢，但不顯著（表 4）。相對豐度＞1%的優(yōu)勢真菌門如下：子囊菌（Ascomycota）（67.19%）、擔子菌（Basidiomycota）（16.23%）和接合菌（Zygomycota）（10.43%）。其中，子囊菌和接合菌的相對豐度隨演替進行呈增加趨勢，擔子菌的相對豐度隨演替進行呈下降趨勢，但都不顯著（表5）。

表3 不同演替階段植物群落特征Table 3 Characteristics of plant communities at different successional sites

圖2 草地演替過程中土壤微生物群落比較基于Bray-Curtis差異的NMDS圖（A：細菌；B：真菌）Fig. 2 Soil microbial community comparisons by NMDS plots based on Bray-Curtis dissimilarity during succession (A: Bacteria; B: Fungi)

圖3 土壤微生物群落在門水平上的相對豐度（A：細菌；B：真菌）Fig 3 Relative abundance of the soil microbial communities at the phylum level (A:Bacteria; B:Fungi)

表4 根據RDP分類研究草地土壤中細菌優(yōu)勢菌群的相對豐度，用廣義線性模型評價土地利用對細菌相對豐度的影響Table 4 Relative abundances of dominant bacterial Phylum groups according to the RDP Classifier in soils of studied grassland stands, and effect of land use on relative abundance evaluated by generalized linear model (GLM)

2.3 植物群落和微生物群落之間的關系

基于Pearson相關性分析探討植物群落與微生物群落多樣性的關系（表6），土壤細菌多樣性在演替過程中與植物特性（覆蓋度、豐富度、均勻度、多樣性、生物量和生物量碳）呈顯著正相關（P＜0.05），土壤真菌多樣性與植被特性在演替過程中有相同的變化規(guī)律（P＜0.05）。RDA分析表明（圖4），細菌門類水平中除綠彎菌、擬桿菌和疣微菌菌門相對豐度與植被特性沒有呈現出顯著相關性之外，其余6個細菌菌門相對豐度與植被特性中的植物覆蓋度、生物量、豐富度、多樣性、均勻度和生物量碳均呈顯著相關（P＜0.05）。其中，放線菌與植被特性呈顯著負相關，變形菌、酸桿菌、芽單胞菌、硝化螺旋菌和浮霉菌與植被特性呈顯著正相關；真菌門類水平中擔子菌與植物特性呈顯著負相關（P＜0.05），子囊菌和接合菌與植被特性無顯著相關性。

表6 微生物多樣性與植物特性的皮爾森相關系數Table 6 Pearson correlation coefficients between the microbial diversity and the plant traits

3 討論

3.1 草地演替對植物群落的影響

次生演替是地表同一地段各種不同植物群落按時間順序分布和替代的過程（梁健，2011）。本研究表明，在整個演替過程中，植物群落物種豐富度、均勻度、覆蓋度、多樣性、生物量和生物量碳均隨演替的進行而顯著增加（P＜0.001），表明次生演替是影響植物群落特性的主要因素之一（Chabrerie et al.，2003；劉勇，2010）。大多數研究表明，植物豐富度和多樣性隨演替的推進呈增長趨勢（胡嬋娟等，2012；王興等，2014），與本研究結果相一致；然而，劉勇（2010；2007）研究發(fā)現隨著植被正向演替的進行，植物群落豐富度和多樣性明顯下降，這可能是因為在群落演替過程中群落內部存在著激烈的生態(tài)位競爭。此外，Sun et al.（2017）研究發(fā)現，草本植物多樣性呈現出駝峰狀演替形式，這可能與研究區(qū)生境的高度異質性有關（Ruprecht，2005）。總之，次生演替是植物群落對起始階段異化的過程，不但體現在物種的競爭上，也體現在環(huán)境條件的改變上，使生境更適合于演替后來種（黃懿梅，2008）。對次生演替過程中草地植物群落的動態(tài)變化進行分析有助于維護和管理生態(tài)系統(tǒng)。

表5 根據RDP分類研究草地土壤中真菌優(yōu)勢菌群的相對豐度，用廣義線性模型評價土地利用對真菌相對豐度的影響Table 5 Relative abundances of dominant fungal Phylum groups according to the RDP Classifier in soils of studied grassland stands, and effect of land use on relative abundance evaluated by generalized linear model (GLM)

圖4 微生物群落組成與植物性狀之間關系的冗余分析（RDA）圖Fig. 4 Ordination plots of the results from the redundancy analysis to identify the relationships between the abundance of microbial taxa and plant traits

3.2 草地演替對微生物群落的影響

3.2.1 草地演替對微生物群落多樣性的影響

次生演替不僅會引起植物群落特性的變化，同時還伴隨著微生物群落特性的變化（王靜婭等，2016；陳孟立等，2018）。本研究表明，微生物多樣性整體隨演替時間的增加而增加，這可能是由于演替改善了土壤環(huán)境，為微生物的生長提供營養(yǎng)物質，增加了微生物群落的可變性（何尋陽等，2009）；而且，在演替初期真菌多樣性的增幅高于細菌多樣性的增幅，這可能與細菌內部的遺傳均一性和真菌內部的遺傳變異性有關（Chabrerie et al.，2003）。值得注意的是，我們發(fā)現隨著演替的進行微生物多樣性雖然呈現出增長的趨勢，但增長速率逐漸變緩，這是由于隨著演替的進行，草地逐漸趨于成熟階段，而微生物對外界環(huán)境變化較敏感（Moghimian et al.，2017；陳孟立等，2018；楊文航等，2017），在一定程度上可以用來指示次生演替的早期動態(tài)變化過程（胡嬋娟等，2012；Zhang et al.，2009）。

3.2.2 草地演替對微生物群落組成的影響

為了更好地了解微生物群落在次生演替過程中的變化，針對微生物分類群在門類水平上的變化開展了進一步的研究。研究發(fā)現，除疣微菌之外，細菌中大多數菌門與植被恢復年限呈顯著相關（P＜0.05），這可能是由于細菌屬r對策物種（Zhou et al.，2017），具有生長速率快、周轉率高的特點。同時研究表明，放線菌和綠彎菌在演替初期含量高于演替后期，一方面是由于放線菌和綠彎菌能夠抵抗惡劣的生存環(huán)境，在養(yǎng)分貧瘠的土壤中具有較強的適應能力（Delgado-Baquerizo et al.，2016）；另一方面是由于它們能夠較好地控制裸地土壤，促使其含量在演替初期較高（Suela et al.，2013）。變形菌隨演替逐漸增加，這是由于變形菌屬共營養(yǎng)菌，是恢復土壤養(yǎng)分的功能菌（Zhang et al.，2016；Zhou et al.，2017）。真菌的物種組成在不同演替階段沒有表現出顯著相關性，這可能是由于真菌屬 k對策物種（Zhou et al.，2017），具有生長速率慢、周轉率低的特點。子囊菌和擔子菌作為真菌群落的優(yōu)勢菌群，在演替過程中具有不同的演替趨勢，子囊菌相對豐度隨演替的進行逐漸增加，擔子菌相對豐度的演替趨勢與之相反。這可能是由于子囊菌和擔子菌都是土壤有機質的主要分解者（王艷云等，2016），在一定程度上處于競爭關系，而子囊菌的基因替代速率顯著快于擔子菌，使得子囊菌較擔子菌具有更快的進化速率，在競爭中處于優(yōu)勢（王海英等，2010）。總之，次生演替可以通過資源和棲息地的變化來影響微生物生長的微環(huán)境，從而改變微生物群落的多樣性和組成（胡嬋娟等，2012；Zhao et al.，2014）。

3.3 草地演替過程中植物群落與微生物群落間的響應

植被通過提供碳化合物影響土壤微生物群落的結構和功能，從而影響地上和地下生態(tài)系統(tǒng)的生物地球化學循環(huán)（Fujimoto et al.，2004；Chen，2016）。研究發(fā)現，隨著草地演替的進行，土壤微生物多樣性與植物群落特性均呈顯著正相關（P＜0.05），土壤微生物中絕大多數為異養(yǎng)型，表明植物群落是微生物賴以生存的營養(yǎng)物質和能量來源，可以通過增加食物資源的種類和數量來提高微生物多樣性（He et al.，2008；王靜婭等，2016；張薇等，2005）。植物覆蓋度、豐富度和多樣性可以通過提高生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產力來加快植物生物量的周轉速率及增加根系分泌物的種類，從而為微生物的生長提供較高的動力（王靜婭等，2016；Lamb et al.，2011；Bartelt-Ryser et al.，2005；Haichar et al.，2014），增加微生物群落的可變性。植物群落不僅對微生物多樣性具有顯著影響，而且對微生物群落組成也有很大的影響（何尋陽等，2009）。本研究表明，植物群落特性與微生物群落組成呈顯著相關。其中，放線菌和擔子菌與植物特性呈顯著負相關（P＜0.05），變形菌、酸桿菌、芽單胞菌、硝化螺旋菌和浮霉菌與植物特性呈顯著正相關（P＜0.05）。劉興等（2015）研究發(fā)現，變形菌和浮霉菌在植物群落演替后豐富度逐漸增加，Ren et al.（2016；2017）也觀察到造林后硝化螺旋菌的豐富度顯著增加，擔子菌相對豐度逐漸下降，與本研究結果相一致。由此表明，植物群落與微生物群落組成之間密切相關，植物群落可以通過提供可溶性有機碳快速改變微生物群落的組成（劉興等，2015）。更重要的是，Tscherko et al.（2004）和 Cassman et al.（2016）研究發(fā)現，在草地次生演替過程中，土壤微生物不僅受地上植被的制約，而且一定程度上還受到土壤養(yǎng)分的影響。土壤微生物群落通過控制有機質的分解和養(yǎng)分循環(huán)，進而影響地上植物群落的生長和組成，植被與微生物的相互作用決定了生態(tài)系統(tǒng)的恢復過程（Han et al.，2007；丁晶等，2017）。未來我們將會增加對土壤質地和養(yǎng)分的調查，以更好地詮釋次生演替過程中微生物的動態(tài)變化。

4 結論

綜上所述，在草地次生演替過程中，植物群落覆蓋度、豐富度、均勻度、多樣性、生物量和生物量碳均呈不斷增加的趨勢，尤其是覆蓋度、豐富度、多樣性和生物量表現最為顯著，演替40 a分別比演替20 a增加了47.13%、41.20%、13.40%、和54.55%。微生物多樣性在整個次生演替過程中呈持續(xù)增長狀態(tài)，細菌多樣性在演替20 a、30 a和40 a分別比撂荒地顯著增加了1.77%、4.17%和4.01%；真菌多樣性在演替20 a、30 a和40 a分別比撂荒地增加了13.79%、23.79%和 26.21%。本研究發(fā)現，在演替過程中，植物群落與微生物群落密切相關，為陸地生態(tài)系統(tǒng)地上植物群落和地下微生物群落建立了重要的聯系，有助于維護和管理生態(tài)系統(tǒng)。