于少鵬,史傳奇,胡寶忠,丁俊男,孟 博,楊春雪

哈爾濱學(xué)院黑龍江省寒區(qū)濕地生態(tài)與環(huán)境研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 哈爾濱濕地研究院, 哈爾濱 150086

黑龍江省濕地類(lèi)型多樣,湖泊濕地面積為35.60萬(wàn)hm2,占全省濕地面積的6.92%。其中永久性咸水湖是湖泊濕地主要類(lèi)型之一,占全省湖泊濕地的36.94%[1]。主要分布于松嫩平原沉降盆地中心低洼處,如大慶、安達(dá)、肇源、杜爾伯特地區(qū)。萬(wàn)忠娟等[2]認(rèn)為鹽堿湖泊濕地是因地質(zhì)地貌、氣候、水文等自然因素及修路、堤防、水庫(kù)工程等人為干擾,導(dǎo)致低洼地排水不暢而形成。鹽堿濕地土壤養(yǎng)分含量低,透氣性差,植物、土壤微生物多樣性均不高[3-4],尤其是原生鹽堿土壤中,微生物群落多樣性低于次生鹽堿土壤和農(nóng)田土壤[3]。微生物參與土壤有機(jī)質(zhì)分解、養(yǎng)分礦化及土壤團(tuán)聚體形成,對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量具有指示作用[5-6]。其多樣性易受到pH值的影響[7- 8],鹽堿程度不同是造成微生物優(yōu)勢(shì)群落差異的原因之一[9],通常pH值升高抑制微生物生長(zhǎng),導(dǎo)致其群落多樣性下降[10-11]。此外,Yan等[12]提出土壤含水量對(duì)微生物的影響也十分顯著,含水量變化可改變氧氣含量,調(diào)節(jié)微生物種類(lèi)、活性及生長(zhǎng)。植物與微生物之間存在著密切的關(guān)系[13],不同土地利用方式植被類(lèi)型有所不同,進(jìn)而產(chǎn)生微生物群落及功能多樣性差異[14-15],特別是在鹽堿土壤中,兩者協(xié)同分布,共同進(jìn)化[16-17]。

古大湖濕地是松嫩平原湖泊濕地中永久性咸水湖的典型代表,周邊耕地、放養(yǎng)畜禽形成干擾,使土壤環(huán)境處于受威脅狀態(tài)。因此,本研究對(duì)4種不同生境類(lèi)型條件下的鹽堿土壤進(jìn)行采樣,分析土壤細(xì)菌和真菌的群落多樣性差異及其影響因素,為我國(guó)東北寒區(qū)鹽堿濕地生物多樣性現(xiàn)狀的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),并為其鹽堿濕地土壤保護(hù)與合理利用及退耕還濕工作提供參考依據(jù)和理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

古大湖國(guó)家濕地公園(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“古大湖濕地”)位于黑龍江省安達(dá)市境內(nèi),松嫩平原中部,地理坐標(biāo)為125°28′06′′—125°34′34′′ E,46°19′31′′—46°23′58′′ N,東至肇東市宣化鄉(xiāng)繁榮村行政邊界,西至青肯泡鄉(xiāng)和羊草鎮(zhèn)交匯處,北至青肯泡鄉(xiāng)東大山村,南與蓄水堤壩相鄰。東西長(zhǎng)8.0 km,南北寬8.2 km,總面積4850.1 hm2。氣候干旱,降雨稀少。濕地以鹽堿土壤為主,屬東北地區(qū)典型的內(nèi)陸平原湖泊-沼澤復(fù)合型濕地。包括古大湖大部分湖區(qū),以及草本沼澤和沼澤化草甸濕地,濕地率為99.1%。周邊分布人工林和小面積的耕地。

1.2 樣品采集

4種生境類(lèi)型樣品采集于2017年9月。原生土壤(Original soil,OS)、林地土壤(Woodland soil,WS)、耕地土壤(Cultivated land soil,CS)和湖岸土壤(Lakeshore soil,LS)樣品均取自于距地表0—20 cm處,各生境類(lèi)型條件下重復(fù)3次,每次取5個(gè)小樣點(diǎn)(2 m×2 m范圍內(nèi)于4個(gè)頂點(diǎn)及中心點(diǎn)取樣),去除石塊和植物根系等雜質(zhì),每份取200 g,將5份小樣點(diǎn)土壤充分混勻,取5 g裝入TinyGene生物科技(上海)公司土壤樣本活菌保存液中。依次做好標(biāo)記,所有土壤樣品低溫保存帶回實(shí)驗(yàn)室。分別記錄樣品采集地地理坐標(biāo)、海拔及主要植物種類(lèi)(表1)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1土壤微生物群落結(jié)構(gòu)測(cè)定

采用MIO-BIO PowerSoil DNA Isolation Kit分別對(duì)12個(gè)土壤樣品進(jìn)行DNA抽提。采用兩步PCR擴(kuò)增方法,第一步采用50 μL反應(yīng)體系：5 × Buffer 10 μL,dNTP(10 mmol/L)1 μL,Phusion超保真DNA聚合酶1 U,F/R特異引物(10 μmol/L)各1 μL(細(xì)菌16S V4-V5區(qū)片段擴(kuò)增采用特異引物515F 5′-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA- 3′,926R 5′-CCGTCAATTCMTTTGAGTTT- 3′；真菌ITS1片段擴(kuò)增采用特異引物ITS1 F 5′-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA- 3′,ITS1 R 5′-GCTGCGTTCTTCATCGATGC- 3′),DNA模板5- 50 ng,ddH2O補(bǔ)至50 μL。利用ABI 9700 PCR儀擴(kuò)增目的片段,程序?yàn)椋?4℃ 2 min；94℃ 30 s,56℃(細(xì)菌)/50℃(真菌)30 s,72℃ 30 s,共25(細(xì)菌)/33(真菌)個(gè)循環(huán)；72℃ 5 min,10℃保溫。將產(chǎn)物進(jìn)行膠回收后作為模板進(jìn)行第二步PCR擴(kuò)增,采用40 μL反應(yīng)體系：5×Buffer 8 μL,dNTP(10 mmol/L)1 μL,Phusion超保真DNA聚合酶0.8 U,F/R特異引物(10 μmol/L)各1 μL,DNA模板5 μL,dd H2O補(bǔ)至40 μL。PCR擴(kuò)增程序?yàn)椋?4℃ 2 min；94℃ 30 s,56℃ 30 s,72℃ 30 s,共8個(gè)循環(huán)；72℃ 5 min,10℃保溫。將第二步PCR產(chǎn)物用2%(質(zhì)量體積比)的瓊脂糖凝膠進(jìn)行電泳,采用AxyPrepDNA凝膠回收試劑盒進(jìn)行回收,FTC- 3000TMreal-time PCR儀進(jìn)行定量,均一化混勻后,NGS Illumina MiSeq 2×300 bp平臺(tái)高通量測(cè)序。

表1 古大湖濕地4種生境類(lèi)型鹽堿土壤樣品采樣信息

1.3.2土壤理化性質(zhì)測(cè)定

參考鮑士旦[18]土壤分析方法,對(duì)12個(gè)土壤樣品進(jìn)行理化性質(zhì)測(cè)定,每個(gè)樣品重復(fù)3次。土壤pH值采用pH儀(上海雷磁PHS- 3C)測(cè)定《NY/T1121.2—2006土壤檢測(cè)》；土壤含水量(Moisture,M)采用烘干法測(cè)定；土壤總有機(jī)碳(Total organic carbon,TOC)含量測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法《NY/T1121.6—2006土壤檢測(cè)》；土壤全氮(Total nitrogen,TN)含量測(cè)定采用半微量凱氏定氮法《NY/T53土壤全氮法(半微量開(kāi)氏法)》；土壤堿解氮(Alkali-hydrolyzable nitrogen,AN)含量測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法《堿解擴(kuò)散法LY/T 1229—1999》；土壤全磷(Total phosphorous,TP)含量測(cè)定采用HClO4-H2SO4法《NY/T88 土壤全磷測(cè)定法》；土壤有效磷(Available phosphorous,AP)含量測(cè)定采用鉬銻抗比色法《HJ704—2014碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法》；土壤速效鉀(Available potassium,AK)含量測(cè)定采用火焰光度計(jì)法《NY/T 889—2004 乙酸銨提取-火焰光度法》。

1.4 數(shù)據(jù)處理

測(cè)序分別得到12個(gè)土壤細(xì)菌、真菌樣品的PE reads,根據(jù)Barcode區(qū)分每個(gè)樣品后,對(duì)序列進(jìn)行質(zhì)控和過(guò)濾,刪去長(zhǎng)度小于200 bp的序列。去除Barcode和引物序列,獲得土壤細(xì)菌和真菌有效序列,根據(jù)overlap關(guān)系進(jìn)行序列拼接,再次將拼接后的序列進(jìn)行質(zhì)控和過(guò)濾,最終得到細(xì)菌、真菌優(yōu)化序列。在97%相似度水平下將優(yōu)化序列聚類(lèi)為用于物種分類(lèi)的操作分類(lèi)單位(Operational taxonomic units,OTU),統(tǒng)計(jì)各土壤樣品中每個(gè)OTU的相對(duì)豐度信息,利用Office Excel 2010繪制門(mén)和屬水平的群落結(jié)構(gòu)柱狀圖。利用Mothur v 1.39.5軟件分析各樣品微生物群落多樣性,包括Ace指數(shù)、Chao 1指數(shù)、Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù),并利用SPSS 17.0進(jìn)行Duncan多重比較,分別分析4種生境類(lèi)型各指數(shù)間差異顯著性。利用R軟件中vegan程序包,在OTU水平上計(jì)算12個(gè)樣品之間的Bray-cutis距離(Bray-cutis dissimilarity, dBCD),pheatmap程序包進(jìn)行作圖,分析4種生境類(lèi)型土壤樣品間微生物群落差異性。利用SPSS 17.0進(jìn)行Duncan多重比較,分析4種生境類(lèi)型各項(xiàng)土壤理化指標(biāo)間差異顯著性。利用Canoco for Windows 4.5對(duì)12個(gè)樣品的OTU相對(duì)豐度矩陣做去趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析(Detrended correspondence analysis,DCA),根據(jù)結(jié)果中梯度長(zhǎng)度在第一軸上的值,選擇典范對(duì)應(yīng)分析(Canonical correspondence analysis,CCA)或冗余分析(Redundancy analysis,RDA),分析土壤理化指標(biāo)對(duì)細(xì)菌、真菌群落多樣性的影響,土壤理化指標(biāo)解釋量顯著性檢驗(yàn)利用Monte Carlo置換檢驗(yàn)方法,置換次數(shù)為999。并利用CanoDraw for windows 進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤微生物樣品測(cè)序結(jié)果

在97%的序列相似度水平上,通過(guò)對(duì)序列進(jìn)行質(zhì)控和過(guò)濾,共獲得細(xì)菌、真菌OTU數(shù)分別為2971個(gè)、934個(gè),細(xì)菌種數(shù)大于真菌。由圖1可知,絕大多數(shù)樣品的稀疏曲線(xiàn)趨于平緩,如LS細(xì)菌、LS真菌、CS真菌樣品,即再增大測(cè)序深度也不會(huì)增加新的OTU數(shù)量,說(shuō)明該樣品的OTU覆蓋度已達(dá)到飽和,能夠反映古大湖濕地鹽堿土壤微生物群落結(jié)構(gòu)組成。而CS細(xì)菌、WS真菌樣品等的稀疏曲線(xiàn)仍有上升趨勢(shì),尚未達(dá)到飽和狀態(tài),說(shuō)明隨著測(cè)序深度的增加可能會(huì)發(fā)現(xiàn)新的細(xì)菌和真菌類(lèi)群。同時(shí)可知,CS樣品中產(chǎn)生的細(xì)菌和真菌OTU數(shù)目均相對(duì)較多。

圖1 古大湖濕地鹽堿土壤細(xì)菌和真菌樣品在97%水平上的稀疏曲線(xiàn)Fig.1 Rarefaction curves of saline soil bacterial and fungal samples in Gudahu wetland at cutoff level of 97%OS: 原生土壤Original soil; WS: 林地土壤Woodland soil; CS: 耕地土壤Cultivated land soil; LS: 湖岸土壤Lakeshore soil; OTU: 操作分類(lèi)單位Operational taxonomic units

2.2 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)組成分析

2.2.1細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成

依據(jù)12個(gè)土壤樣品細(xì)菌門(mén)水平分布柱狀圖(圖2),共得到17個(gè)細(xì)菌類(lèi)群(不包括相對(duì)豐度小于0.5%的類(lèi)群),相對(duì)豐度值最高的為變形菌門(mén)(Proteobacteria),在4種生境類(lèi)型中的平均值分別為26.97%(OS)、25.66%(WS)、31.56%(CS)和59.63%(LS),其中LS3中相對(duì)豐度高達(dá)69.36%。其余前幾個(gè)細(xì)菌門(mén)的相對(duì)豐度值由高至低依次為酸桿菌門(mén)(Acidobacteria)、放線(xiàn)菌門(mén)(Actinobacteria)、芽單胞菌門(mén)(Gemmatimonadetes)、綠彎菌門(mén)(Chloroflexi)等。

在細(xì)菌屬分類(lèi)水平上共得到57個(gè)類(lèi)群(不包括相對(duì)豐度小于0.5%的類(lèi)群,圖2),變形菌門(mén)的未分類(lèi)細(xì)菌屬相對(duì)豐度值最高,除LS相對(duì)較低外,其余3種生境類(lèi)型條件下相對(duì)豐度值均高于70%,OS1中相對(duì)豐度值高達(dá)87.37%。LS中除變形菌門(mén)的未分類(lèi)細(xì)菌屬之外,鞘氨醇單胞菌屬(Sphingomonas)、Aliihoeflea、鹽單胞菌屬(Halomonas)和海洋桿菌屬(Pelagibacterium)分別占總量的23.15%、30.21%、15.73%和17.86%。

圖2 古大湖濕地鹽堿土壤細(xì)菌門(mén)和屬群落結(jié)構(gòu)組成Fig.2 Saline soil bacterial phylum and genus community structure composition of Gudahu wetland

2.2.2真菌群落結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)真菌門(mén)水平分布柱狀圖(圖3),共得到8個(gè)真菌類(lèi)群(不包括相對(duì)豐度小于0.5%的類(lèi)群),其中子囊菌門(mén)(Ascomycota)相對(duì)豐度值最高,在OS1、OS2、CS和LS中相對(duì)豐度值均高于45%,LS3中達(dá)到76.42%。其次為擔(dān)子菌門(mén)(Basidiomycota),OS3和WS中的相對(duì)豐度值均大于85%,WS2中高達(dá)92.88%。其余真菌類(lèi)群相對(duì)豐度值較低,同時(shí)具有未分類(lèi)真菌門(mén)存在。

在真菌屬水平柱狀圖上可以看出(圖3),共得到85個(gè)真菌類(lèi)群(不包括相對(duì)豐度小于0.5%的類(lèi)群),以子囊菌門(mén)的未分類(lèi)真菌屬相對(duì)豐度值最高,集中表現(xiàn)在OS1、CS和LS中,其值均接近50%。WS2和WS3中相對(duì)豐度值較高的是擔(dān)子菌門(mén)的滑銹傘屬(Hebeloma),其值分別為91.53%、82.78%,同門(mén)的絲膜菌屬(Cortinarius)在WS1中相對(duì)豐度值為85.97%,OS3中同門(mén)的鬼傘屬(Coprinopsis)相對(duì)豐度值達(dá)81.17%,但這3個(gè)屬在其余樣品中比例均極低。

2.3 土壤微生物群落多樣性指數(shù)分析

由表2可知,土壤細(xì)菌豐富度與多樣性指數(shù)均與OTU數(shù)目變化一致,其中CS細(xì)菌群落的平均Chao 1指數(shù)(1858.438)、平均Ace指數(shù)(1824.495)、平均Shannon指數(shù)(6.372)及平均Simpson指數(shù)(0.9957)數(shù)值相對(duì)最高。方差分析結(jié)果表明,平均Chao 1指數(shù)和平均Ace指數(shù)中,CS與WS的差異不顯著,但與OS差異達(dá)到極顯著,且OS與LS差異同樣達(dá)到極顯著,說(shuō)明其CS與WS豐富度接近,大于OS和LS,而LS最低。平均Shannon指數(shù)中,CS與WS差異不顯著,與OS差異顯著,只與LS達(dá)到差異極顯著,CS與LS平均Simpson指數(shù)差異達(dá)到顯著,說(shuō)明LS的多樣性最低。

土壤真菌豐富度及多樣性比較結(jié)果可知(表2),CS樣品的平均Chao 1指數(shù)(317.963)、平均Ace指數(shù)(319.676)、平均Shannon指數(shù)(4.324)及平均Simpson指數(shù)(0.9737)的值最高。方差分析結(jié)果表明,CS平均Chao 1指數(shù)與其他3種生境類(lèi)型達(dá)到顯著差異,與WS達(dá)到極顯著差異；CS平均Ace指數(shù)與其余3種生境類(lèi)型的差異達(dá)到極顯著,而3者的兩個(gè)平均指數(shù)差異不顯著,說(shuō)明CS豐富度最高。CS平均Shannon指數(shù)與LS接近,與OS、WS差異極顯著,而WS顯著低于OS。平均Simpson指數(shù)中,WS最低,與OS差異顯著,而與CS、LS達(dá)到極顯著差異。說(shuō)明CS與LS真菌群落多樣性接近,且相對(duì)較高,其次為OS,而WS真菌多樣性最低。

圖3 古大湖濕地鹽堿土壤真菌門(mén)和屬群落結(jié)構(gòu)組成Fig.3 Saline soil fungal phylum and genus community structure composition of Gudahu wetland

表2 古大湖濕地12個(gè)鹽堿土壤樣品微生物豐富度和群落多樣性指數(shù)

2.4 土壤微生物群落多樣性差異分析

基于Bray-cutis距離(表3),在OTU水平上利用物種有無(wú)及其相對(duì)豐度信息進(jìn)行4種生境類(lèi)型土壤樣品微生物群落多樣性相似性分析,藍(lán)色越深代表差異性越小,相似性越大,而紅色越深表示差異性越大,相似性越小。如圖4中,OS與其余3種生境類(lèi)型的土壤細(xì)菌群落多樣性具有差異(dBCD> 0.7),甚至OS1與LS幾乎沒(méi)有相似性(dBCD> 0.9),而相比之下,CS與WS最近(dBCD< 0.6)?？梢钥闯?不同生境類(lèi)型土壤細(xì)菌群落多樣性具有一定的差異。在同一生境類(lèi)型條件下,不同采樣點(diǎn)間具有相似性,特別是在WS中較為顯著(dBCD< 0.25)。

表3 古大湖濕地12個(gè)鹽堿土壤樣品微生物OTU水平Bray-cutis距離矩陣

如圖4,各生境類(lèi)型間土壤真菌群落多樣性的相似性均較小,同一生境類(lèi)型條件下不同采樣點(diǎn)間也存在一定的差異。WS2與WS3具有較高的相似性(dBCD= 0.162),最先被分出,說(shuō)明兩者在物種組成及相對(duì)豐度上與其余生境類(lèi)型間存在較大差異。WS1與WS2、WS3具有差異性(dBCD> 0.95),處于不同分支。相比之下,CS與LS關(guān)系最近,但兩者相似度并不高(dBCD接近0.8)。因此,生境類(lèi)型和采樣點(diǎn)差異對(duì)真菌群落多樣性均具有較大的影響。

圖4 古大湖濕地鹽堿土壤細(xì)菌與真菌群落多樣性差異分析熱圖Fig.4 Difference analysis heatmap of saline soil bacteria and fungi community diversity of Gudahu wetland

2.5 土壤環(huán)境因子及其對(duì)微生物群落多樣性的影響分析

2.5.1土壤理化指標(biāo)測(cè)定結(jié)果

古大湖濕地以鹽堿土壤為主,4種生境類(lèi)型條件下(表4),OS的pH值最高,與其余3種生境類(lèi)型土壤達(dá)到極顯著差異。OS與CS含水量接近,均低于LS,而相比之下,WS在秋季含水量最低。CS的土壤養(yǎng)分含量中,除AN與OS、TP與WS的接近之外(差異不顯著),TOC((32.97±3.03) g/kg)、TN((4.06±0.24) g/kg)、AP((80.39±1.68) mg/kg)及AK((333.32±27.26) mg/kg)含量均最高,具有極顯著差異,而LS中的6項(xiàng)土壤養(yǎng)分含量均處于較低水平。

表4 古大湖濕地4種生境類(lèi)型土壤樣品理化指標(biāo)

2.5.2土壤理化指標(biāo)與微生物群落多樣性關(guān)系分析

依據(jù)細(xì)菌、真菌樣品OTU相對(duì)豐度矩陣,得到DCA結(jié)果中梯度長(zhǎng)度在第一軸上的值分別為3.858和6.798,本研究中均選擇CCA。圖5中土壤細(xì)菌群落多樣性與8項(xiàng)理化指標(biāo)相關(guān)性分析,第一、二排序軸分別解釋總物種變量的28.1%、21.6%,pH值(P< 0.01)與第一排序軸成正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.7518,解釋總理化指標(biāo)的27.93%,對(duì)OS細(xì)菌群落多樣性的影響程度最高。M(P< 0.01)與第二排序軸相關(guān)系數(shù)為0.7977,LS細(xì)菌群落多樣性受M的影響程度最大。其余6個(gè)理化指標(biāo)主要影響CS、WS細(xì)菌群落多樣性,而兩者樣品分布集中,即受各理化指標(biāo)影響程度相當(dāng)。各土壤理化指標(biāo)的影響程度均達(dá)到極顯著水平(P< 0.01),表明古大湖濕地鹽堿土壤細(xì)菌多樣性對(duì)土壤環(huán)境因子敏感。

圖5 古大湖濕地鹽堿土壤理化指標(biāo)和細(xì)菌與真菌群落多樣性的典范對(duì)應(yīng)分析Fig.5 CCA between saline soil physicochemical indexes and bacterial/fungal community diversity of Gudahu wetland

圖5中土壤真菌群落多樣性與理化指標(biāo)的相關(guān)性分析,第一、二排序軸的解釋量均較低,僅占總物種變量的15.4%、13.8%。同一生境類(lèi)型的不同樣品在第一排序軸上分布接近,但第二排序軸上分布散亂,在一定程度上反映出古大湖鹽堿土壤真菌群落多樣性在不同采樣點(diǎn)間差異較大。8個(gè)土壤理化指標(biāo)中,pH值(P< 0.01)、M(P< 0.05)分別可以解釋總環(huán)境變量的18.07%和17.97%,與第一排序軸均成負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為-0.5487和-0.5320。pH值對(duì)OS真菌群落多樣性影響最大,而M對(duì)LS、CS及OS真菌群落多樣性均有影響,影響程度大于WS。其余理化指標(biāo)對(duì)真菌群落多樣性的影響不顯著(P> 0.05),說(shuō)明古大湖鹽堿土壤真菌群落多樣性對(duì)土壤環(huán)境因子敏感程度低。

3 討論

3.1 古大湖濕地鹽堿土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征

鹽堿土壤微生物中細(xì)菌的種類(lèi)及數(shù)量上常處于絕對(duì)優(yōu)勢(shì)[19],且細(xì)菌的生長(zhǎng)和繁殖能力常優(yōu)于真菌[20]。同樣,在古大湖濕地鹽堿土壤中細(xì)菌種數(shù)大于真菌。古大湖濕地鹽堿土壤細(xì)菌組成包括變形菌門(mén)、酸桿菌門(mén)、放線(xiàn)菌門(mén)等,原生土壤中芽單胞菌門(mén)占有一定的比例,但與其他濕地土壤常見(jiàn)細(xì)菌門(mén)水平組成的報(bào)道[3, 21-23]差異不大,說(shuō)明古大湖濕地土壤細(xì)菌特有性程度低。變形菌門(mén)在不同環(huán)境中廣泛分布,適應(yīng)能力強(qiáng)[24-25],同樣廣泛存在于以鹽堿土壤為主的古大湖濕地中。該門(mén)的鞘氨醇單胞菌屬具有去除難降解污染物的能力[26],Aliihoeflea可去除水體砷污染[27],鹽單胞菌屬和海洋桿菌屬同樣見(jiàn)于水體中,均具有重要的生態(tài)功能[28-29],在古大湖湖岸土壤中多見(jiàn),具有深入研究的必要。酸桿菌門(mén)在自然環(huán)境中同樣十分常見(jiàn),但多難以培養(yǎng),可以降解植物纖維素等大分子聚合物[30]。本研究發(fā)現(xiàn)酸桿菌門(mén)主要存在于林地土壤中,可能與木本植物落葉中含大量纖維素有關(guān)。

鹽堿土壤條件不利于真菌生長(zhǎng)[10],相比于前人報(bào)道[20, 31-32]的非鹽堿土壤真菌種類(lèi)數(shù)量,本研究原生土壤中從總體上偏低。古大湖濕地鹽堿土壤真菌門(mén)水平種類(lèi)組成與其他鹽堿濕地[33-34]相近,特有性程度低。真菌可參與分解纖維素、樹(shù)膠、木質(zhì)素及多糖和蛋白質(zhì)等有機(jī)物,在腐殖質(zhì)的形成過(guò)程中發(fā)揮重要的作用[35],提高鹽堿土壤的質(zhì)量[36]。絕大多數(shù)已知真菌屬于子囊菌門(mén)與擔(dān)子菌門(mén),兩者關(guān)系密切,前者中未分類(lèi)物種數(shù)量非常多[37]。在本研究中,土壤真菌在屬水平上存在未分類(lèi)類(lèi)群,絕大多數(shù)屬于子囊菌門(mén),說(shuō)明古大湖濕地鹽堿土壤中具有發(fā)掘真菌新種的潛力。擔(dān)子菌門(mén)的鬼傘屬為大型真菌,多數(shù)種具有食用、藥用價(jià)值[38],偶見(jiàn)于古大湖濕地原生土壤中,而滑銹傘屬、絲膜菌屬多出現(xiàn)在林地土壤中,可與木本植物形成共生菌根,增強(qiáng)木本植物抗性[39-40]。紀(jì)垚等[41]研究表明不同植被恢復(fù)方式和同一恢復(fù)方式條件下土壤真菌種類(lèi)差異不大,但數(shù)量上具有差異性。本研究結(jié)果同樣表明,在考慮相對(duì)豐度時(shí),真菌群落多樣性在不同生境類(lèi)型及同一生境不同采樣點(diǎn)間均具有差異,在一定程度上反映出土壤真菌種類(lèi)集中于幾個(gè)大類(lèi)群,但相對(duì)豐度上受生境類(lèi)型的影響較大。

3.2 古大湖濕地鹽堿土壤微生物群落多樣性

土壤微生物群落多樣性常受季節(jié)變化的影響[22, 24],季節(jié)變化引起土壤鹽分及水質(zhì)改變,進(jìn)而影響到微生物活性,使其群落多樣性發(fā)生動(dòng)態(tài)變化[42]。張巍和馮玉杰[10]認(rèn)為松嫩平原土壤微生物群落多樣性一般在8月達(dá)到最大值。邵璐和姜華[33]提出秋季溫度、水分等良好的氣候條件下適宜真菌的生長(zhǎng)發(fā)育,但在不同季節(jié)優(yōu)勢(shì)群落一般是穩(wěn)定的。本實(shí)驗(yàn)對(duì)秋季土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及多樣性進(jìn)行了分析,對(duì)于不同時(shí)期的比較還有待于進(jìn)一步研究。

植物與土壤環(huán)境因子相互作用,影響土壤微生物群落多樣性[14, 35],其中pH值對(duì)土壤微生物種類(lèi)及數(shù)量影響程度最為顯著[3-4,17],具有最佳的指示作用[8, 43],在以鹽堿土壤為主的古大湖濕地4種生境類(lèi)型中表現(xiàn)更為明顯。原生土壤pH值高于其他3種生境類(lèi)型,達(dá)到極顯著水平,主要分布?jí)A蓬、堿蒿、堿地膚等耐鹽堿植物,伴生物種稀少,細(xì)菌群落相對(duì)獨(dú)立,多樣性偏低。除原生土壤外,其他3種生境類(lèi)型土壤均在不同時(shí)期、不同程度上受到人為干擾。耕地土壤受耕種、施肥等影響,pH值、含水量及土壤養(yǎng)分含量均適宜作物生長(zhǎng),同時(shí)微生物群落豐富度及多樣性隨之增高。古大湖湖岸利用湖底泥沙修筑堤壩,導(dǎo)致湖岸土壤呈砂質(zhì),植被種類(lèi)較單一,細(xì)菌豐富度及多樣性均最低。此外,土壤含水量過(guò)高或過(guò)低均不利用細(xì)菌生長(zhǎng)[12, 44],湖岸土壤受季節(jié)性的水位變化影響,導(dǎo)致細(xì)菌多樣性進(jìn)一步降低。古大湖濕地土壤細(xì)菌對(duì)土壤理化指標(biāo)敏感,湖岸土壤養(yǎng)分含量低,不利于細(xì)菌生存,而林地土壤理化指標(biāo)與耕地土壤的接近,兩者細(xì)菌群落多樣性差異不顯著。

真菌和細(xì)菌代謝底物有所不同,真菌抵抗環(huán)境脅迫的能力比細(xì)菌更強(qiáng)[45]。本研究中發(fā)現(xiàn)土壤真菌多樣性只受到pH值和含水量的顯著影響,且含水量對(duì)湖岸土壤真菌群落多樣性影響最大,適宜的土壤含水量有利于提高真菌群落多樣性,過(guò)高或過(guò)低的含水量均會(huì)影響真菌的生存和繁殖[46-47]。因此,在土壤養(yǎng)分含量對(duì)真菌群落多樣性影響不顯著的情況下,相比于原生土壤過(guò)高的pH值和林地土壤秋季過(guò)低的含水量,湖岸土壤真菌群落多樣性較高。此外,林地土壤真菌群落組成過(guò)于單一,均勻度差導(dǎo)致其真菌群落多樣性低于原生土壤。

3.3 古大湖濕地退耕還濕植被修復(fù)

鹽堿土壤處于脆弱的生態(tài)狀況下,極易進(jìn)一步退化[10]。植被恢復(fù)既可改良鹽堿土壤[48],也可改善已退化濕地的土壤環(huán)境,提高植物和土壤微生物的多樣性[23]。在古大湖國(guó)家濕地公園周邊耕地實(shí)施退耕還濕過(guò)程中,既要考慮土壤理化性質(zhì),同時(shí)也要參考土壤微生物群落結(jié)構(gòu)差異,這對(duì)于選用何種植被進(jìn)行退耕還濕工作具有重要的指導(dǎo)意義。通過(guò)對(duì)4種生境類(lèi)型土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及多樣性的研究可知,耕地土壤與林地土壤的細(xì)菌群落相近,與湖岸土壤的真菌群落相近,但與原生土壤細(xì)菌及真菌群落均有差異。林地植被能夠提高微生物多樣性和土壤肥力[8, 49-50],恢復(fù)土壤生態(tài)。因此在保護(hù)古大湖濕地生物多樣性的前提下,且考慮湖岸植被對(duì)水需求量大的限制因素,建議優(yōu)先增加林地面積,以防止退耕后的土壤逐漸退化。

4 結(jié)論

黑龍江省古大湖濕地原生土壤、林地土壤、耕地土壤及湖岸土壤中,細(xì)菌群落包括變形菌門(mén)、酸桿菌門(mén)、放線(xiàn)菌門(mén)等,真菌群落由子囊菌門(mén)、擔(dān)子菌門(mén)等組成。耕地土壤與林地土壤中細(xì)菌群落多樣性較高,其次為原生土壤,湖岸土壤的最低。耕地土壤與湖岸土壤真菌群落多樣性較高,原生土壤的偏低,林地土壤中的最低。同一生境類(lèi)型條件下細(xì)菌群落多樣性具有相似性,而真菌存在一定的差異；不同生境類(lèi)型條件下細(xì)菌、真菌的相似性均較低。其中原生土壤細(xì)菌群落多樣性與其余3種生境類(lèi)型的差異較大,而林地土壤真菌群落多樣性具有一定的特殊性。耕地土壤細(xì)菌群落多樣性和林地土壤的接近,但其真菌的與湖岸土壤更相近。pH值、含水量對(duì)土壤細(xì)菌、真菌均有顯著的影響,土壤細(xì)菌群落多樣性對(duì)土壤環(huán)境因子非常敏感,而真菌對(duì)土壤環(huán)境因子敏感程度低。本文揭示了古大湖濕地鹽堿土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及多樣性在不同生境類(lèi)型條件下的差異,為古大湖濕地鹽堿土壤保護(hù)與合理利用提供參考依據(jù),并為其退耕還濕工作提供理論指導(dǎo)。