旅游干擾對廬山風景區(qū)微生物多樣性的影響

劉光榮

新鄉(xiāng)學院管理學院,河南新鄉(xiāng)453003

旅游干擾對廬山風景區(qū)微生物多樣性的影響

劉光榮

新鄉(xiāng)學院管理學院,河南新鄉(xiāng)453003

隨著旅游業(yè)的不斷發(fā)展，一些自然風景區(qū)越來越受人們的青睞，因此旅游區(qū)頻繁的人類活動對土壤微生物多樣性產(chǎn)生一定程度的影響。為了探討不同程度旅游干擾區(qū)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化，本研究以廬山這一典型的旅游風景區(qū)的原始森林區(qū)(A)、較少旅游干擾的次生林恢復區(qū)(B)以及旅游干擾區(qū)(C)土壤為研究對象，利用BIOLOG微平板法和磷脂脂肪酸甲酯法(FAMEs)系統(tǒng)研究比較了三種地域之間土壤微生物代謝和微生物碳、微生物群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性的差異。結(jié)果表明：原始森林區(qū)土壤微生物量碳、氮含量顯著高于次生恢復區(qū)和旅游干擾區(qū)，原始森林區(qū)土壤微生物活性＞次生恢復區(qū)＞旅游干擾區(qū)，三個地域間土壤微生物利用碳源類型也存在差異，原始森林區(qū)土壤微生物群落均勻度也顯著優(yōu)于其他兩地域；FAMEs分析表明，原始森林區(qū)土壤微生物磷酸脂肪酸生物標記的數(shù)量最高，功能性最強，且細菌、真菌特征脂肪酸相對含量也最高。群落穩(wěn)定性和功能多樣性依次是：原始森林區(qū)、次生林恢復區(qū)、旅游干擾區(qū)，這些都說明旅游干擾顯著減弱土壤微生物群落多樣性和功能性。

旅游干擾;土壤微生物群落多樣性;功能性;BIOLOG;FAMEs

土壤微生物是整個生態(tài)系統(tǒng)的重要部分，它積極參與生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動，在生物地化循環(huán)過程調(diào)控和生態(tài)系統(tǒng)功能維持方面起著關鍵作用[1-3]，直接或間接影響植物生長，促進植被的演替[4]。隨著人類生活水平的不斷提高，旅游文化的興起，人們熱衷于走向自然界，旅游風景區(qū)參觀人數(shù)日漸增多，這對自然風景區(qū)的生態(tài)環(huán)境也產(chǎn)生了一定的影響，土壤微生物作為土壤有機質(zhì)和土壤養(yǎng)分(C,N,P,S等)轉(zhuǎn)化和循環(huán)的重要組成部分[5]，也受到了干擾。

廬山被譽為世界地質(zhì)公園，有豐富的地質(zhì)資源和生物自然資源，廬山山地自然環(huán)境的復雜性，提供了保存植物的古老類型和引種新的植物種類的有利的環(huán)境，也因此現(xiàn)存許多未開發(fā)的原始森林。廬山旅游風景區(qū)以其自然地貌和人文資源每年吸引著大量游客前往。人們在游覽的同時或是開發(fā)的同時對廬山自然生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了影響，首當其沖的是來往的游人腳下的土壤中的微生物微生態(tài)環(huán)境。土壤微生物作為生命元素循環(huán)的驅(qū)動者，主導和參與地下生態(tài)系統(tǒng)中一系列重要生態(tài)過程，對土壤能否正常有序地執(zhí)行各項生態(tài)功能至關重要[6-9]。目前國內(nèi)外學者陸續(xù)開展了針對高原草甸等生態(tài)系統(tǒng)多樣性與穩(wěn)定性的研究工作[10-12]，但是旅游干擾對旅游區(qū)土壤微生物群落多樣性影響的研究還比較少。本研究系統(tǒng)探討了旅游干擾是如何影響旅游區(qū)土壤微生物多樣性、代謝及功能性，揭示生態(tài)環(huán)境的改變與土壤微生物群落的相關性，從而為旅游區(qū)的自然生境的管理做生物指示。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

廬山地處江西省九江市東南，北臨長江，東瀕潘陽湖，包括廬山風景區(qū)、九江及廬山南麓星子縣的大部，位于東經(jīng)115°52'～116°08'、北緯29°26'～29°41'之間，總面積約為800 km2。它具有亞熱帶中部過度到亞熱帶北部的特點，四季分明，具有鮮明的季風氣候特征，全年雨量豐沛，平均降雨量1833.6 mm，雨日年平均為167.7 d，每年7～9月，平均溫度16.9℃，最高只有30℃左右，最低-15.9℃。此外，廬山的植被資源非常豐富，以熱帶和亞熱帶植物為主，由于廬山自然風景區(qū)與日俱增的旅游人數(shù)，人為干擾較大，現(xiàn)狀植被屬于在自然恢復中的次生植被，但也有相當一部分的原始植被，呈現(xiàn)較為明顯的垂直分布特征。

1.2樣地設置與樣品采集

于2013年6～9月期間，選取廬山風景區(qū)海拔400 m～800 m三個人為干擾遞增的區(qū)域：原始森林區(qū)(A)、次生植被恢復區(qū)(B)以及人為干擾較大的旅游區(qū)(C)，在每個區(qū)域隨機設置6塊樣地，每個樣地取約1 m2小樣方(如圖1)內(nèi)0～10 cm土層的土壤100 g，樣品袋保存并編號。實驗室中過2 mm網(wǎng)篩，一部分保存于4℃，另一部分自然風干，取一部分過80目篩網(wǎng)。

圖1　三個區(qū)域采樣地點分布Fig.1 Distribution of sampling positions in three different areas

1.3研究方法

土壤含水率(SM)采用120℃連續(xù)烘干24 h后前后重量差計算得出，采用環(huán)刀法取樣測定土壤容重，pH指采用酸度計測定，電導率(EC)用電導率儀(土：水為1:2.5)測定，有機碳(SOC)用重鉻酸鉀氧化加熱法測定，全氮(TN)用半微量凱氏定氮法測定，全磷(TP)用硫酸-高氯酸消煮法測定，全鉀(TK)用NaOH熔融火焰光度法測定[13]。

土壤微生物生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸浸提法，氯仿熏蒸和未熏蒸土壤用0.5 mol/L K2SO4溶液浸提，浸提液中有機碳含量采用Tekmar-Dohrmann公司UV-Persuate有機碳分析儀測定，轉(zhuǎn)換系數(shù)KC取0.45[14]，土壤微生物生物量氮(MBN)參照Brookes[15]方法測定，微生物熵(Microbial quptient)通常指微生物生物量碳占土壤有機碳的百分比。

土壤微生物群落功能通過BIOLOG法[16-19]測定微生物代謝能力，取10 g烘干土壤，加入90 mL無菌的0.145 mol·L-1NaCl溶液，搖床震蕩30 min，樣品稀釋1000倍，用BIOLOG排槍取100μL接種于ECO板上，初次讀書后，于25℃恒溫培養(yǎng)，每隔12 h于波長590 nm的BIOLOG儀器上讀數(shù)，共培養(yǎng)240 h[20]。微生物總體群落功能活性用平均顏色變化率AWCD值來表征。其中，pi為第i個有培養(yǎng)基的孔與對照組孔的光度值差和整個平板光密度總差的比值；Ci是每個有培養(yǎng)基孔的光密度值，R為對照組孔的光密度值，n為培養(yǎng)基數(shù)據(jù)(BIOLOG ECO Plate,n=31)。計算公式如下：

微生物群落功能多樣性采用Shannon-Wiener指數(shù)(H')和均勻度指數(shù)(E)來描述，計算公式如下：

主成分分析采用培養(yǎng)72 h后的光密度值，提取兩個主因子進而分析三種不同區(qū)域土壤利用碳源的結(jié)構(gòu)。

參考用磷酸脂肪酸甲酯法結(jié)合氣相色譜分析測定土壤微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性[21-24]。

1.4數(shù)據(jù)處理

采用SPSS16.0數(shù)據(jù)分析軟件進行數(shù)據(jù)處理，運用最小顯著差數(shù)法(LSD)進行顯著性分析。用OriginPro 8.0軟件作圖。

2　結(jié)果與分析

2.1不同區(qū)域土壤特性

當自然生態(tài)環(huán)境受到人為干擾時，干擾程度不同其土壤特性有所差異(如表1)。在旅游干擾區(qū)土壤PH、含水率、容重、有機碳含量、氮磷鉀等都顯著(P＜0.05)低于未被干擾的原始森林和次生恢復區(qū)土壤理化指標，土壤電導率大小(P＜0.05)依次是旅游干擾區(qū)＞次生恢復區(qū)＞原始森林區(qū)。說明在旅游干擾區(qū)土壤的特性因為人類頻繁活動而發(fā)生改變，含水率下降，養(yǎng)分減弱。

表1　廬山不同區(qū)域土壤理化性質(zhì)Table 1 Chemical and physical properties of soils in different areas of Lu Mountain

2.2土壤微生物量

氯仿熏蒸浸提法測定三個旅游干擾區(qū)土壤微生物碳氮含量(如表2所示)，隨著旅游干擾程度的增強，土壤微生物碳(MBC)和氮(MBN)量逐漸減少，原始森林未受旅游干擾區(qū)最大MBC和MBN分別為301.56 mg·kg-1和24.27 mg·kg-1，而在旅游干擾去區(qū)最大MBC和MBN分別為244.71 mg·kg-1和14.66 mg·kg-1，顯著(P＜0.05)低于原始森林區(qū)。土壤中細菌、真菌、放線菌、革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌等主要微生物量也是旅游干擾區(qū)顯著低于原始森林區(qū)和次生林恢復區(qū)。

表2　土壤微生物碳氮Table 2 Carbon and Nitrogen of soil microorganism

2.3微生物代謝多樣性類型

碳源平均顏色變化率AWCD值表示微生物利用單一碳源的能力，可作為微生物群落整體活性的一個重要指標。如圖2所示，在培養(yǎng)的240 h內(nèi)，隨著培養(yǎng)時間的延長，微生物的代謝活性前36 h緩慢上升，后急速上升，最后趨于平緩。在不同的旅游區(qū)內(nèi)，旅游干擾區(qū)土壤微生物活性顯著(P＜0.05)低于原始森林區(qū)和次生恢復區(qū)土壤微生物活性，以培養(yǎng)時間72 h為例(AWCD值接近0.5)，微生物代謝活性大小為原始森林區(qū)＞次生恢復區(qū)＞旅游干擾區(qū)。

分別測定各旅游區(qū)土壤微生物對不同碳源利用，如圖3所示，糖類，氨基酸和脂肪酸AWCD值最大(在1.7～1.8之間)，而代謝中間物AWCD為1.5～1.6，說明各旅游區(qū)土壤微生物對糖類、氨基酸類和脂肪酸類碳源利用程度較高，對代謝中間產(chǎn)物碳源利用率較低，并且土壤微生物對四種碳源利用程度大小為：原始森林區(qū)＞次生恢復區(qū)＞旅游干擾區(qū)。

圖2　廬山不同區(qū)域微生物群落代謝活性Fig.2 Microbial activity of different areas in Lu Mountain soils

圖3　三種區(qū)域土壤對不同碳源利用的平均顏色變化率Fig.3 AWCD for different carbon sources utilized by microbe of soils in three areas

2.4碳源利用類型的主成分分析

對三個旅游區(qū)土樣微生物培養(yǎng)72 h后，BIOLOG測定結(jié)果分析，提取兩個主成分做載荷圖，如圖4所示，原始森林區(qū)土壤微生物群落投影點最為集中，表現(xiàn)出低水平穩(wěn)態(tài)的微生物群落結(jié)構(gòu)，次生恢復區(qū)次之，旅游干擾區(qū)土壤微生物群落投影點較為彌散，微生物群落呈現(xiàn)多元化。

圖4　不同區(qū)域采樣點培養(yǎng)72 h后土壤碳源利用的主成分分析Fig.4 Principal component analysis of carbon utilization profiles in different areas at 72 hours incubation

2.5微生物群落結(jié)構(gòu)及功能多樣性分析

磷酸脂肪酸生物標記的總含量能夠基本反映出微生物總的含量[25]，分別測定原始森林區(qū)(A)、次生恢復區(qū)(B)和旅游干擾區(qū)(C)土壤磷酸脂肪酸總含量，如圖5所示，旅游干擾程度越大土壤中磷酸脂肪酸含量越低，微生物量也低。如圖6所示，以土壤中細菌、真菌的生物量以及細菌/真菌比值變化分析不同旅游干擾區(qū)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)差異，發(fā)現(xiàn)土壤中優(yōu)勢微生物為細菌，且原始森林區(qū)、次生恢復區(qū)及旅游干擾區(qū)細菌和真菌存在差異，原始森林區(qū)＞次生恢復區(qū)＞旅游干擾區(qū)。多樣性指數(shù)可用于評價不同土壤的微生物群落多樣性，多樣性指數(shù)值高則表明土壤有高的微生物群落多樣性[26]，對三種區(qū)域土壤微生物多樣性指數(shù)進行分析(如圖7所示)，不同干擾下土壤微生物Shannon-Wiener指數(shù)存在顯著差異，基本上旅游干擾區(qū)微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性要大于原始森林區(qū)和次生恢復區(qū)，土壤微生物均勻度比較：原始森林區(qū)＜次生恢復區(qū)＜旅游干擾區(qū)，三者土壤微生物功能性多樣性也具有差異，原始森林區(qū)土壤微生物功能性強于后兩者。

圖5　不同旅游干擾區(qū)土壤微生物PLFA總含量變化Fig.5 Changes of the total PLFA in different areas

圖6　不同旅游干擾區(qū)土壤細菌、真菌及細菌/真菌特征性磷酸脂肪酸標記含量的變化Fig.6 Changes of PLFAmarker of bacteria,fungi and bacteria/fungi in different areas

圖7　不同旅游干擾區(qū)域土壤微生物香農(nóng)維納指數(shù)和均勻度指數(shù)Fig.7 The shannon wiener index and evenness index of soil microbial in different tourism disturbance areas

3　討論

研究微生物群落對不同碳源利用能力的差異，可深人了解微生物群落的功能變化，而土壤中微生物生物量是反映土壤肥力、土壤健康狀況和人類活動影響的一個穩(wěn)定的、可靠的生態(tài)學指標[14,27]。本研究BIOLOG數(shù)據(jù)表明各植被帶土壤微生物群落利用單一碳源的能力不同，原始森林區(qū)土壤微生物利用單一碳源能力最強，土壤微生物群落代謝活性最強，其功能性也越強。而旅游干擾大的區(qū)域，其AWCD值最小，土壤微生物代謝活性最弱，原始森林區(qū)經(jīng)過長年的自然演替，未受到外界人為的干擾，土壤中微生物較穩(wěn)定，代謝強，反之，旅游干擾區(qū)長期受人類頻繁活動的干擾，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，群落代謝活性減弱。目前應用較廣的豐富度Shannon指數(shù)和均勻度等參數(shù)，基本能代表土壤微生物群落多樣性的特征[28]。原始森林區(qū)、次生恢復區(qū)和旅游干擾區(qū)之間土壤微生物多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)存在一定的差異，人為干擾到帶來外源微生物、污染物等使得該區(qū)域土壤微生物種型豐富度增加，多樣性較其他兩區(qū)域豐富，而旅游干擾雖然使得土壤微生物多樣性增加，但是卻顯著影響了各區(qū)域土壤微生物功能性，原始森林區(qū)土壤微生物功能性要較旅游干擾區(qū)和次生恢復區(qū)強，土壤微生物群落功能多樣性是反映該土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指示因子。

此外，生物多樣性的影響因素很多，如土壤有機質(zhì)、質(zhì)地、溫度、水分和通氣性等[29]，本研究中細菌生物量和真菌生物量均和各功能多樣性指數(shù)存在顯著相關性(P＜0.05)，而放線菌對代謝功能多樣性的貢獻較小。磷酸脂肪酸生物標記的測定也發(fā)現(xiàn)各旅游區(qū)土壤中所含磷酸脂肪酸種類和數(shù)量各不相同，其中旅游干擾嚴重區(qū)磷酸脂肪酸含量最低，原始森林區(qū)最高。這可能與周圍環(huán)境自身演替和土壤微生物自身進化有關，然而想要進一步了解在旅游干擾下土壤微生物多樣性和其功能性的關系，還需要更多更有力的數(shù)據(jù)支持。

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Impacts of Tourist Disturbance on Microbial Diversity in Lu Mountain Scenic Area

LIU Guang-rong
School of Management,Xinxiang University,Xinxiang 453003,China

There is more and more people to be enjoyed to a natural landscape areas with the development of tourism,so frequent tourists action take some effects on microbial in soil in scenic areas.In order to explore the ecological effect of tourist disturbance on the tourism development in primeval forest,secondary recovery area and tourist disturbance area soil, this paper took some methods of BIOLOG and FAMEs to comparate and analyze the population diversity difference among microbial metabolism,carbon and nitrogen,microbial community structure and diversity of function.Results showed that the carbon and nitrogen content in the primeval forest was significantly higher than that in the secondary recovery area and tourist disturbance area.Microbial activity in them fell in turn,and there was difference in carbon source among them.The community evenness in original forest was better than the others.Phosphate fatty acid content and the function of microbial were the highest in three areas using the FAMEs,so did the bacteria and fungi.Community stability and function diversity were decreasing in three areas.These explain that tourism disturbance significantly decreased the microbial community diversity in soil and its function.

Tourist disturbance;microbial community diversity;function;BIOLOG;FAMEs

Q149

A

1000-2324(2015)02-0274-06

2013-05-11

2013-06-23

劉光榮(1979-),女,河南淇縣人,碩士,講師.研究方向旅游企業(yè)管理.E-mail:liugr8575@163.com