閩江河口濕地植物多樣性與土壤養分和微生物因子關聯分析

郭 舜, 黃啟堂

(1.閩西職業技術學院, 福建 龍巖 364000; 2.福建農林大學 園林學院, 福州 350002)

生態系統是大氣、陸地、河流等成為尤為關鍵的組成部分，與此同時，草原、森林、江河湖泊等多種生態子系統也是其不可或缺的[1-2]，綜合來看，其多樣性生態特點尤為突出[3]，此外其更體現出突出的復雜性，鑒于其影響的環境因子具有多種多樣，其中難免產生交互效應，這種交互作用進一步增強了局地生態復雜性、多樣性并存的復雜生態局地環境[3-5]。立足于陸地生態這一研究視角，其不僅呈現出突出的重要性，更為關鍵的是體現著尤為突出的特殊性，究其原因在于其發揮著人類生產生活直接承載者的角色[6]，此外，更為數不勝數的動植物提供了良好的生長發育空間[7-8]，其重要性毋庸置疑。而其中多種生態子系統充斥其中[9-10]，其影響因素呈現多樣性、復雜性并行的特點，尤為關鍵的是土壤及微生物等。物種的多樣性受制于一系列影響因素的制約，鑒于其影響的環境因子具有多種多樣，其中難免產生交互效應，這種交互作用進一步增強了物種分布的復雜性、多樣性并存效果。為了對其進行具體的細化分析，在研究過程中不僅借助于豐度等α多樣性，還包括β多樣性。在研究過程中對豐富度的差異顯著性進行了分析，具體借助于Duncan多重比較分析的研究方法[11-12]。

在生態系統中，河流湖泊等水域扮演著不可或缺的角色，不僅在農業生產生活中發揮巨大作用，同時對于生態的影響至關重要，在促進局地生態平衡方面效果突出[12-13]，必須深度、多方面探究其地下水系統，對其補給、徑流的季節變化進行深入研究，從而才能合理利用水域資源[14]。而介于二者之間的還有濕地之一特殊局地生態，其由于分布的特殊性導致了與眾不同的生物多樣性特點，且體現出更為敏感的環境適應性，同時起著地球之腎的作用，無論是調節局地氣候，還是涵養水源等方面，均發揮著尤為突出的作用[15-16]，同時因其生物多樣性尤為特殊。對于濕地而言，其不僅分布著蘆葦等植被，更有大量的生物資源分布其中；從影響因素的角度來講，其深受水域及人為影響，尤其是近些年來外部環境的不斷變化[4]，加之人為活動的干預，導致其生物多樣性發生了明顯的改變。

閩江河口濕地不僅具有重要的航運、養殖等經濟效應，同時在涵養水源、調節局地環境等方面作用顯著，可以說其經濟價值和社會價值巨大；在其進入大量蓄水后，原有的生態環境發生巨大改變，原本的生態穩定性被改變，生態多樣性發生了很大變化，其生境穩定性被改變，相應地其植被分布特性也發生了明顯改變。隨著該區域開發力度的不斷加大，原有的濕地面積不斷降低，進而導致生物多樣性分布降低，土壤生產力下降，原有的生態分布特點被改變，不利于維持其局地生態平衡，植被的生長發育受到了明顯制約，該區域的生態環境亟需恢復。近些年來，該區域人口不斷上升，加之過度的開發利用，原有生態被改變，濕地的整體面積呈現明顯下降，濕地植被生長環境下降，對于生物多樣性群落分布產生了重要影響[17]。本研究基于2015—2019年對閩江河口不同濕地(香蒲群落、苔草群落、莎草群落和蘆葦群落)，研究濕地植物多樣性與土壤微生態環境因子關聯分析，為維持生物多樣性提供有益參考和借鑒，從而為該區域生態保護提供有益的參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 采樣方法

本研究開始于2015年，并進行了連續5 a的觀測研究，這樣能夠獲取更為準確的原始研究數據，為后續數據分析奠定基礎，所選擇的濕地研究位于閩江河口，所選擇的濕地植被群落共4種(香蒲、莎草群落，還包括苔草、蘆葦)；每個群落選擇5塊長、寬均20 m的樣地，具體的采樣時間為8月份，在每個樣地通過五點混合法，將采樣均勻混合后一部分備用，剩余部分去雜質后風干，后20目過篩，選取其中50 g，磨細后過篩，然后聚乙烯袋保存，以備指標測定5 a共搜集土壤樣品300個。為降低誤差，進行3次重復[12]。

1.2 樣品測定

物種的多樣性受制于一系列影響因素的制約，鑒于其影響的環境因子具有多種多樣，其中難免產生交互效應，這種交互作用進一步增強了物種分布的復雜性、多樣性并存效果。為了對其進行具體的細化分析，在研究過程中不僅借助于豐度等α多樣性，還包括β多樣性。在研究過程中對豐富度的差異顯著性進行了分析，具體借助于Duncan多重比較分析的研究方法。

主要從以下方面對α多樣性加以分析[13]：

H=-∑(PilnPi)

JP=H/lnS

S=(N-1)/lnN

D=1-∑(Pi)2

式中：H表示Shannon-Wiener多樣性指數；S表示Margalef豐富度指數；D表示Simpson優勢度指數；JP表示McIntosh均勻度指數；Pi表示重要值；N表示物種數目

對于β多樣性分析借助于以下計算方法[14-15]：

Cody指數βc=(G+L)/2

式中：G和L分別表示兩個群落的物種數目。

Sorenson指數Cs=2j/(a+b)

式中：a和b分別表示兩個群落的物種數目；j表示共有物種數目。

1.3 土壤微生物群落功能多樣性

對于微生物分布而言，其影響因素復雜多樣，土壤、氣候等一系列影響因素對其施加復雜多變的制約，正是這一因素導致其群落分布也呈現突出的差異性，從而造就了不同的多樣性分布，即無論是均勻度還是豐度等方面其差異均較為突出。對于不同的微生物而言，其多樣性分布狀況[17]對有機質的分解速率等具有突出制約效應，形成了突出差異的碳源利用水平，為了探究其與土壤等方面的關系，常對其進行多樣性分布分析[18]。為了深入測定微生物多樣性，首先需要對所用數據溫育處理，并借助于Biolog-Eco進行，然后在NaCl溶液中加入土樣，要求其等同于十克烘干土樣，且濃度為0.14 mol/L，振蕩處理10 min后讀數，頻率為每12 h。待稀釋后再次培養，對其吸光值核算及記錄[18-19]。

通過對Biolog-Eco板碳源數量進行統計分析，其種類共計31種，為了對微生物的碳源利用狀況進行多角度分析，本研究在Biolog-Eco板的參與下進行有效的展開分析，具體來講主要借助于AWCD加以衡量。該值計算如下[20]：

AWCD=∑[(Ci-R)/31]

H=-∑Pi(lnPi)

Pi=(Ci-R)/∑(Ci-R)

Ds=1-∑Pi

式中：AWCD表示顏色平均變化率；Ci代表固定波段光密度值；R代表對照的光密度值；Pi為第i孔的相對吸光值。

本研究過程中對于光密度值的獲取建立在Biolog-Eco板培養的基礎上，要求時間持續96 h，從而獲取相應值；接下來借助于主成分法開展相應的分析，通過試驗得知，其主因子共2個，然后結合微生物狀況開展碳源利用水平。

統計分析：所有數據均為5 a的平均值±標準偏差，Excel 2007和SPSS 21.0進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 植物α多樣性變化

從圖1可知，閩江河口不同濕地植被多樣性指數差異均顯著(p<0.05)，Shannon-Wiener多樣性指數和Margalef豐富度指數大致表現為香蒲群落>苔草群落>莎草群落>蘆葦群落，其中苔草群落和莎草群落差異不顯著(p>0.05)；Simpson優勢度指數大致表現為蘆葦群落>苔草群落>莎草群落>香蒲群落，蘆葦群落和苔草群落差異不顯著(p>0.05)，莎草群落和香蒲群落差異不顯著(p>0.05)；McIntosh均勻度指數大致表現為莎草群落>苔草群落>蘆葦群落>香蒲群落，莎草群落和苔草群落差異不顯著(p>0.05)，蘆葦群落和香蒲群落差異不顯著(p>0.05)。整體來看，香蒲群落由于處于濕地和綠洲的交界處，因而具有更復雜的環境，其α多樣性分布水平最高，這主要在于其復雜的環境因子結構。

注：不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)，下同。

2.2 植物β多樣性

對于物種的變動分析主要通過Cody指數進行衡量，這樣能夠對物種的替代進行測量，從而分析該區域環境對物種的影響效果，當外部環境發生較大變化的情況下，原有物種生長所處的水熱、土壤等外部條件被改變，其原有生存條件發生巨大改變，從而發生不斷的物種交替。不同區域生物群落分布的共有種越少，說明其具有較高的β多樣性，這說明該區域物種發生了明顯的物種替代。該指標能夠對物種的群落分布結構加以反映，從圖2可以看出，Cody指數大致表現為香蒲群落>蘆葦群落>苔草群落>莎草群落，不同植物群落差異均顯著(p<0.05)；Sorenson指數大致表現為苔草群落>蘆葦群落>莎草群落>香蒲群落，苔草群落和蘆葦群落差異不顯著(p>0.05)。

圖2 β多樣性變化

2.3 不同濕地植被土壤養分

不同植物群落土壤pH值大致表現為莎草群落>苔草群落>蘆葦群落>香蒲群落，香蒲群落顯著低于其他植物群落(p<0.05)；有機碳含量大致表現為香蒲群落>苔草群落>莎草群落>蘆葦群落，莎草群落和蘆葦群落差異不顯著(p>0.05)；土壤全氮含量大致表現為香蒲群落>蘆葦群落>苔草群落>莎草群落，蘆葦群落和苔草群落差異不顯著(p>0.05)；土壤全磷含量不同植物差異均不顯著(p>0.05)(圖3)。

注：不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)，下同。

2.4 不同濕地植物群落土壤微生物群落代謝平均顏色變化率

微生物群落功能多樣性能夠反映土壤中微生物的生態功能，與土壤微生物群落的生態功能更具相關性。平均顏色變化率(AWCD)是判斷土壤微生物群落利用碳源能力的重要指標之一，代表土壤微生物的代謝活性。濕地不同植物群落土壤開始培養后每隔24 h測定AWCD值，得到AWCD隨時間的動態變化圖(圖4)，由圖可知，隨著培養時間的延長，濕地不同植物群落土壤微生物碳源利用總體上呈逐漸增加的趨勢，培養起始的24 h內AWCD變化不明顯，互花米草濕地、堿蓬灘濕地、蘆葦濕地、紅樹林濕地土壤微生物碳源利用在培養24～72 h內AWCD快速增長，此時微生物活性旺盛，72 h后增長緩慢，192 h后急劇增長；在培養48 h以前，濕地不同植物群落土壤微生物碳源利用基本相一致，在48 h以后，相同時間土壤微生物碳源利用大致表現為蘆葦群落>香蒲群落>苔草群落>莎草群落，局部有所波動。

圖4 不同濕地植物群落土壤微生物群落代謝平均顏色變化率

2.5 不同濕地植物群落土壤微生物對碳源利用強度

土壤微生物多樣性反映了群落總體的變化，但未能反映微生物群落代謝的詳細信息。根據濕地不同植物群落土壤微生物碳源利用情況，綜合考慮其變化趨勢，選取光密度增加較快的120 h的AWCD值進行土壤微生物群落代謝多樣性的分析，按化學基團的性質將ECO板上的31種碳源分成6類：氨基酸類、碳水化合物類、羧酸類、聚合物、胺類、酚酸類，6類碳源均呈現出隨著培養時間的延長，微生物利用碳源的量逐漸增加的趨勢。將每類碳源的AWCD取平均值。土壤微生物對不同種類碳源的利用強度存在較大差異。不同植物群落土壤微生物對6種不同碳源的利用率表現大致相同，即香蒲群落>蘆葦群落>苔草群落>莎草群落，其中對酚酸類物質利用率差異不顯著(p>0.05)，對氨基酸類利用率變化范圍為0.51～0.81，對碳水化合物類利用率變化范圍為0.79～1.46，對羧酸類利用率變化范圍為1.02～1.51，對聚合物類利用率變化范圍為0.65～0.99，對胺類利用率變化范圍為0.17～0.37，對酚酸類利用率變化范圍為0.61～0.71。總體而言，碳水化合物和羧酸類碳源是不同植物群落土壤微生物的主要碳源，其次為氨基酸類、酚酸類和聚合物類，胺類碳源的利用率最小(表1)。

表1 不同濕地植物群落土壤微生物對碳源利用強度

2.6 不同濕地植物群落土壤微生物群落多樣性

微生物群落多樣性指數可用來指示土壤微生物群落利用碳源的程度，根據培養第96小時的AWCD值計算土壤微生物群落的物種豐富度指數(H)、均勻度指數(E)、優勢度指數(Ds)和碳源利用豐富度指數(S)。由圖5可知，不同植物群落土壤微生物群落功能多樣性指數存在一定差異，土壤微生物物種豐富度指數(H)、均勻度指數(E)和碳源利用豐富度指數(S)表現出一致的變化規律，而優勢度指數(Ds)在不同植物群落之間差異并不顯著(p>0.05)。

圖5 不同濕地植物群落土壤微生物群落多樣性

2.7 不同植物群落土壤養分、微生物多樣性與植被多樣性相關性

對不同植物群落土壤養分、微生物多樣性與植被多樣性進行相關性分析可知(表2)，不同群落Simpson指數與pH值呈極顯著負相關(p<0.01)，與有機碳和均勻度指數呈顯著負相關(p<0.05)。McIntosh指數與pH值呈顯著負相關(p<0.05)，與SOC和STN呈顯著正相關(p<0.05)。總的來看，植被α多樣性與pH值呈顯著正相關(p<0.05)，與養分和微生物多樣性呈顯著負相關(p<0.05)。

表2 不同植物群落土壤養分、微生物多樣性與植被多樣性相關性

3 討 論

對于濕地生態而言，其中多種生態子系統充斥其中，其影響因素呈現多樣性、復雜性并行的特點，尤為關鍵的是土壤及微生物等，受制于微生物分布數量和群落特點，其對碳源的利用水平也呈現較為突出的差異[19]，為了探究這一差異，通常使用豐度等多樣性指數加以研究。對于濕地植被群落分布而言，其影響因素不僅呈現突出的多樣性，并在此基礎上凸顯復雜性，其中尤為突出的是微生物以及酶，在微生物的普遍參與下[20]，大量的有機質能夠得以有效降解，而在酶這一關鍵角色的參與作用下，形成高效的養分轉化，進而促進濕地植被多樣性分布[21]。通過連續5 a的觀測分析不難發現，立足于α多樣性的角度來說，在Shannon，Margalef豐度方面，雖然植被具有明顯的不同，導致其出現較為突出的差異，但是整體而言，其明顯呈現較為接近的變化特點，即均在年份不斷增加的情況下呈現上升態勢，且最高的是香蒲，其次是苔草，而蘆葦最低；對于Simpson，McIntosh均勻度方面，則與豐度呈現較大的不同，其具有最高指數的是蘆葦，其次苔草，而香蒲最低；對于香蒲而言，由于其分布于獨特的綠洲邊緣，其生長環境更為獨特、復雜，因此其多樣性分布呈現明顯的不同，具有更高水平的α多樣性。立足于β多樣性這一角度，在時間不斷增加的情況下，Cody指數呈現較為突出的上升態勢，且最高的是香蒲，其次是苔草，而蘆葦最低；對于Sorenson指數來講恰好相反。綜合來看，對于閩江河口濕地來講，其植被多樣性分布呈現整體的上升態勢，尤其是蘆葦群落，具有較穩定的生態群落分布；從Sorenson指數的角度來講，該指數的下降說明物種不斷增多，這主要受制于自然環境及人為因素。對于土壤有機碳及全氮而言，雖然植被群落分布出現大幅差異，但是其分異趨勢相差并不明顯，總有機碳含量對于全氮施加重要影響，有機碳含量直接受制于有機質分解和利用狀況，這將受到腐殖質及微生物分解的制約，對于蘆葦而言，其具有較為發達的根系，能夠有效利用土壤有機碳，從而形成較高水平的有機碳含量。

對于氮而言，其一方面來源與枯枝落葉等腐殖質，另一方面來自于生物固氮；對于氮輸出而言，其一方面是植被的吸收利用所致，另一方面是硝化及反硝化作用下導致氮輸出[19]。對于土壤pH來講，不同的植被形成了不同的pH值，其值最高的是莎草，其次是苔草，而香蒲最低；對于有機碳來講，含量最高的屬于香蒲群落，其次是苔草，而含量最低的是蘆葦，而全氮含量剛好與之相反。對于全磷含量而言，其基本相差不大。對于香蒲而言，土壤具有更好的含水量，長時間的水質影響之下，其土壤表層并不厚，且其有機質含量并不高，因此其在氮素利用方面并不強。

對于濕地植被群落分布而言，其影響因素不僅呈現突出的多樣性，并在此基礎上凸顯復雜性，其中尤為突出的是微生物以及酶，在微生物的普遍參與下，大量的有機質能夠得以有效降解，而在酶這一關鍵角色的參與作用下，形成高效的養分轉化，進而促進濕地植被多樣性分布。為了對微生物的碳源利用狀況進行多角度分析，本研究在Biolog-Eco板的參與下進行有效的展開分析，具體來講主要借助于AWCD加以衡量，該值越高說明其具有更高水平的碳源利用能力。通過連續5 a的濕地觀測分析得知，受不同植被分布影響，其微生物分布及活性也并不相同，無論是豐度H、均勻度E，還是碳源利用豐度S來說，雖然植被具有明顯的不同，導致其出現較為突出的差異，但是整體而言，其明顯呈現較為接近的變化特點，即指數最高的是蘆葦[21]，其次是香蒲，而莎草最低；而對于優勢度指數Ds來講，不同植被間的差異并未達到顯著水平[22]。

為了探究閩江河口濕地微生物與植被之間的復雜關系，本研究開展了相關分析，從多樣性的角度來看，二者具有緊密關系，這說明微生物新陳代謝等活動能夠顯著地制約著植被分布多樣性，反過來植被狀況也能夠對微生物狀況產生制約，二者相輔相成。為了探究不同影響因素的交互作用，本研究開展了冗余分析，對于河口水質而言，其不僅受到植被及微生物的單個因素制約，同時受制于二者的交互作用影響，且交互作用產生的影響更強。綜合來講，多種環境因子及微生物等制約著閩江河口濕地植被分布，土壤環境的保持離不開微生物，二者是相輔相成的，為了有效保護閩江河口濕地，一方面需要注重植被保護，另一方面需要充分利用微生物和土壤質量的協調。

4 結 論

(1) Shannon-Wiener多樣性指數和Margalef豐富度指數大致表現為香蒲群落>苔草群落>莎草群落>蘆葦群落，香蒲群落由于處于濕地和綠洲的交界處，因而具有更復雜的環境，其α多樣性分布水平最高，這主要在于其復雜的環境因子結構。

(2) 土壤pH基本表現為：土壤pH值大致表現為莎草群落>苔草群落>蘆葦群落>香蒲群落，有機碳和全氮含量大致表現為香蒲群落>苔草群落>莎草群落>蘆葦群落，土壤全磷含量不同植物差異均不顯著(p>0.05)。

(3) 不同植物群落土壤微生物碳源利用(AWCD)總體上呈逐漸增加的趨勢，在培養24～72 h內AWCD快速增長，72 h后增長緩慢，192 h后急劇增長；碳水化合物和羧酸類碳源是濕地不同植物群落土壤微生物的主要碳源，其次為氨基酸類、酚酸類和聚合物類，胺類碳源的利用率最小。

(4) 土壤微生物群落多樣性基本表現為蘆葦群落>香蒲群落>苔草群落>莎草群落，相關性分析顯示，土壤養分和pH與植被多樣性密切相關，其中pH對植被多樣性貢獻為負，土壤養分對植被多樣性貢獻為正，是濕地不同植物群落多樣性差異的重要影響因素。