圖們江下游濕地土壤微生物特征研究

田 瑋，朱衛(wèi)紅,2，秦 雷,2，楊 亮,2，鄭 燕，裴洪淑

(1.延邊大學(xué) 理學(xué)院，吉林 延吉 133002；2.長白山生物資源與功能分子教育部重點實驗室， 吉林 延吉 133002)

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圖們江下游濕地土壤微生物特征研究

田 瑋1，朱衛(wèi)紅1,2，秦 雷1,2，楊 亮1,2，鄭 燕1，裴洪淑1

(1.延邊大學(xué) 理學(xué)院，吉林 延吉 133002；2.長白山生物資源與功能分子教育部重點實驗室， 吉林 延吉 133002)

選取了圖們江下游典型沼澤、河流與湖泊濕地，以優(yōu)勢植被群落下土壤為研究對象，采用磷脂脂肪酸法測定了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：湖泊濕地中3種植被群落下土壤革蘭氏陽性菌、細(xì)菌、真菌、放線菌含量差異顯著，沼澤濕地與河流濕地中土壤真菌和放線菌含量無顯著差異，其他微生物類群則表現(xiàn)出不同的變化特征。研究區(qū)濕地土壤細(xì)菌占總PLFA含量的90%以上，而放線菌占2%～4%，真菌占1%～7%。通過對9種植被群落下土壤微生物群落進(jìn)行聚類分析，距離5～10與10～15時，分別將種植被群落下土壤微生物分為4組與6組，表明同種類型濕地下的微生物群落也會出現(xiàn)較大差異。

濕地；植被；土壤微生物；濕地類型

1　引言

植物與土壤微生物作用是陸地生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，它們之間的相互作用是生態(tài)系統(tǒng)地上、地下結(jié)合的重要紐帶[1]，所以濕地植被與土壤微生物的研究也越來越受國內(nèi)外學(xué)者的重視。目前，濕地土壤微生物的研究主要集中在濕地植被與土壤微生物關(guān)系[2]、植被入侵與濕地土壤微生物的關(guān)系[3]、恢復(fù)濕地過程中濕地植被與土壤微生物特征[4]、濕地植被演替過程中濕地土壤微生物[5]等方面的研究，但是探究濕地類型與植被群落對濕地土壤微生物作用的相關(guān)研究很少。濕地類型是不同水文地貌條件綜合作用形成的，水文地貌特征差異導(dǎo)致濕地不同的發(fā)育特征，所以不同類型濕地環(huán)境也決定著其相應(yīng)的微生物群落。近些年來，由于人口增長及農(nóng)業(yè)化的發(fā)展，濕地面臨著嚴(yán)重威脅，濕地生態(tài)系統(tǒng)功能退化已經(jīng)成為了世界范圍的問題，微生物在維持濕地土壤功能方面起重要作用，所以加強濕地微生物研究，對濕地生態(tài)系統(tǒng)功能維持具有重要作用。研究以圖們江下游濕地土壤微生物為研究對象，探討濕地類型、植被群落與土壤微生物群落結(jié)構(gòu)之間關(guān)系，為該濕地土壤微生物的深入研究提供一定研究基礎(chǔ)。

2　材料與方法

2.1研究區(qū)

研究區(qū)位于吉林省東南部，是中國、朝鮮、俄羅斯靠近日本海的三國交界地帶，行政區(qū)上，圖們江下游是琿春市的范圍，地理坐標(biāo)為東經(jīng)129°52′00″～131°18′30″、北緯42°25′20″～43°30′18″。該地區(qū)氣候?qū)儆诮Ｖ袦貛ШＱ笮约撅L(fēng)氣候區(qū)，由于靠近日本海，受海洋性氣候的影響，與同緯度地區(qū)相比，冬暖夏涼，降水量較多，年平均降水量618.1 mm，年平均氣溫5.6 ℃。圖們江下游濕地發(fā)達(dá)，類型多樣，分布著河流型、沼澤型、湖泊型及人工濕地，具有較高的生產(chǎn)力和豐富的生物多樣性[6]。

2.2樣品采集

該研究野外調(diào)查于2014年8月，選擇該地區(qū)典型的沼澤、湖泊和河流型濕地。為了探究植被群落與濕地土壤微生物關(guān)系，以單一優(yōu)勢濕地植被群落下的土壤微生物為研究對象，根據(jù)濕地類型植被群落分布特點，每種類型濕地中選取3種優(yōu)勢植被群落，每種群落范圍應(yīng)大于2m×10m，并對采樣環(huán)境進(jìn)行記錄。沼澤濕地中水文過程影響均質(zhì)，選取了長芒稗(Echinochloa caudata)、小葉章(Calamagrostis angustifolia)與灰脈苔草(Carex appendiculata)。湖泊濕地受季節(jié)性水文過程影響嚴(yán)重，沿水文梯度依次選取了長芒稗(Echinochloa caudata)、蘆葦(Phragmites australis)與小葉章(Calamagrostis angustifolia)群落。河流濕地中水文過程影響均質(zhì)，選取了菰(Zizania latigolia)、灰脈苔草(Carex appendiculata)與大穗苔草(Carex rhynchophysa)。

土壤樣本采集：在每種植被帶中隨機選擇3處1 m×1 m樣方(間隔控制2～3 m)，并用土鉆在每個樣方隨機采集5鉆0～10 cm土層的土壤。除去土壤樣品中的殘根，將3處的土壤混合均勻，過2 mm篩，放入冰盒，帶回實驗室放入-80 ℃冰箱保存，用于土壤微生物群落測定。

2.3土壤PLFA測定

土壤微生物群落測定采用磷脂脂肪酸的方法[7,8]。提取步驟為:①稱取4 g凍干土，分別加入8 mL氯仿，16 mL甲醇，6.4 mL檸檬酸緩沖液，避光震蕩2.5 h,在25 ℃,4000 r/min離心10 min,轉(zhuǎn)移上清液，再向土壤中加入相同體積的氯仿、甲醇和檸檬酸緩沖液，震蕩1h,離心，合并2次上清液，氮氣吹干。②采用5 mL(至少分5次)甲醇轉(zhuǎn)移提取物，并過硅膠柱，洗脫液依次8 mL氯仿，16 mL丙酮，8 mL甲醇。③收集甲醇相，吹干，用1 mL甲醇，甲苯(1∶1),1 mL 0.2M KOH甲醇溶液混勻后，2 mL去離子水和0.3 mL 1M HAC,2 mL正己烷進(jìn)行酯化，2500 r/min離心，轉(zhuǎn)移正己烷相，重復(fù)去離子水、冰醋酸及正己烷步驟，轉(zhuǎn)移全部正己烷，氮氣吹干，-20 ℃避光保存。④GC分析前，加入適量(300μL)正己烷溶解，加50μL 160μg/mL 19:0 甲基酯坐內(nèi)標(biāo),并取 50μL 19:0 脂肪酸甲酯+150μL 37 component FAMEs定量標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)移到GC瓶中，最終，調(diào)節(jié)色譜儀條件進(jìn)行測定，檢驗土壤微生物物種的磷脂脂肪酸的標(biāo)志物[9]。

表1　土壤微生物物種的磷脂脂肪酸標(biāo)志物

2.4數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007數(shù)據(jù)處理。SPSS18.0軟件進(jìn)行聚類分析，按照土壤微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)分類，探究微生物群落、濕地植被與濕地類型間的關(guān)系。

3　結(jié)果與分析

3.1濕地土壤微生物群落特征

如圖1所示，沼澤濕地中，3種植被群落下土壤總PLFA含量在115～160 μmol/g，其中小葉章明顯大于長芒稗與灰脈苔草群落。細(xì)菌含量在90～95 μmol/g，與總PLFA含量變化特征相同。革蘭氏陽性菌含量在50～60 μmol/g，且無顯著差異。革蘭氏陰性菌含量在30～60 μmol/g，其中小葉章明顯大于長芒稗與灰脈苔草群落。放線菌含量在4～5 μmol/g，且無顯著差異，而真菌含量在1～5 μmol/g，其中長芒稗和小葉章群落明顯大于灰脈苔草群落。

湖泊濕地中，三種植被群落下土壤總PLFA在70～190 μmol/g，其中蘆葦群落最高，小葉章群落次之，長芒稗群落最低。細(xì)菌含量在90～95 μmol/g，與總PLFA量變化特征相同。革蘭氏陽性菌含量在20～50 μmol/g，其中蘆葦群落最高，小葉章群落次之，長芒稗群落最低，而革蘭氏陰性菌含量在20～60 μmol/g，其中蘆葦和小葉章群落明顯高于長芒稗群落。放線菌含量在2～7 μmol/g，且在蘆葦中最多，小葉章群落次之，長芒稗群落最低，真菌群落呈現(xiàn)相同變化特征。

河流濕地中，3種植被群落下土壤總PLFA在70～120 μmol/g，其中菰群落最高，大穗苔草次之，灰脈苔草最低。細(xì)菌含量在90～95 μmol/g，與總PLFA量變化特征相同。土壤革蘭氏陽性菌含量在30～50 μmol/g，菰群落明顯高于灰脈苔草和大穗苔草群落。而革蘭氏陰性菌含量在20～40 μmol/g，菰群落明顯高于灰脈苔草和大穗苔草群落。放線菌含量在2～4 μmol/g，且無顯著差異，真菌含量在3～6 μmol/g，且無顯著差異。

總體上，表現(xiàn)出湖泊濕地中3種植被群落下土壤革蘭氏陽性菌、細(xì)菌、真菌、放線菌含量差異顯著。沼澤濕地與河流濕地中，真菌和放線菌含量無顯著差異。

3.2濕地土壤微生物結(jié)構(gòu)特征

如圖2(A)所示，沼澤濕地中，細(xì)菌占92%～96%，放線菌占3%左右，而真菌占1%～5%。湖泊濕地中，細(xì)菌占92%～95%，放線菌占2%～4%左右，而真菌占2%～4%。河流濕地中，細(xì)菌占90%～93%，放線菌占3%～4%左右，而真菌占4%～6%。

如圖2(B)所示,沼澤濕地中，革蘭氏陽性菌占細(xì)菌總量的40%～50%，革蘭氏陰性菌占30%～40%。湖泊濕地中，革蘭氏陽性菌占細(xì)菌總量的35%～45%，革蘭氏陰性菌占30%～40%。河流濕地中，革蘭氏陽性菌占細(xì)菌總量的45%～50%，革蘭氏陰性菌占30%～40%。

注:不同字母表示同類微生物間差異性顯著；ZZ，沼澤濕地：HP,湖泊濕地;HL,河流濕地;ZZ1,長芒稗群落;ZZ2,小葉章;ZZ3, 灰脈苔草群落;HP1, 長芒稗群落;HP2, 蘆葦群落;HP3,小葉章群落;HL1, 菰群落; HL2, 灰脈苔草群落; HL3,大穗苔草群落

圖1土壤微生物群落特征

圖2　土壤微生物結(jié)構(gòu)特征

總體上，細(xì)菌占總PLFA含量的90%以上，而放線菌占%2～4%，真菌占1%～7%，而革蘭氏陽性菌占細(xì)菌總量的35%～50%，革蘭氏陰性菌占30%～50%。

3.3濕地土壤微生物群落、濕地植被與濕地類型關(guān)系

基于3種類型濕地中9種植被群落下土壤微生物的標(biāo)志物脂肪進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析，結(jié)果如圖3所示：總體上，距離越小，微生物群落間差異性越明顯。距離10～15之間，將9種植被群落下的土壤微生物分為4組，表明沼澤濕地不同植被群落下土壤微生物群落相似度高(ZZ1、ZZ2與ZZ3一組)，而河流與湖泊濕地中不同植被土壤微群落具有一定的差異性(HP1、HP2與HL1;HL2、HL3與HP3)。距離5～10之間，將9種植被群落下土壤微生物分為6組，即使在同種濕地類型下的微生物群落，也會表現(xiàn)出較大差異。不同類型濕地中的同種植被群落土壤微生物結(jié)構(gòu)具有一定差異性，如ZZ2(小葉章群落)與HP3(小葉章群落)，ZZ1(長芒稗群落)與HP1(長芒稗群落)。

注:不同字母表示同類微生物間差異性顯著；ZZ，沼澤濕地：HP,湖泊濕地;HL,河流濕地;ZZ1,長芒稗群落;ZZ2,小葉章;ZZ3, 灰脈苔草群落;HP1, 長芒稗群落;HP2, 蘆葦群落;HP3,小葉章群落;HL1, 菰群落; HL2, 灰脈苔草群落; HL3,大穗苔草群落

圖3微生物群落結(jié)構(gòu)聚類分析

4　結(jié)論與討論

研究發(fā)現(xiàn)，湖泊濕地中3種植被群落下土壤革蘭氏陽性菌、細(xì)菌、真菌、放線菌含量差異顯著，而在湖泊與沼澤濕地中的3種群落植被下，土壤真菌和放線菌含量無顯著差異，而其他微生物類群表現(xiàn)出不同的變化特征。研究的3種類型濕地，沼澤濕地與河流濕地中的植被群落區(qū)水文過程的影響比較均質(zhì)，而湖泊濕地中植被群落區(qū)受季節(jié)水文過程干擾明顯，所以湖泊濕地呈現(xiàn)出的微生物群落特征與季節(jié)性的水文過程干擾密切相關(guān)，同時也可能是濕地植被差異引起的微生物群落特征變化，Mitchell (2012)基于土壤化學(xué)性質(zhì)探究植被群落組成和對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響，表明化學(xué)性質(zhì)可以解釋古細(xì)菌，細(xì)菌，真菌結(jié)構(gòu)[10]，所以很有可能是植物與水文過程作用于土壤理化性質(zhì)，從而影響微生物群落結(jié)構(gòu)。

如圖3所示，即使在同種濕地類型下的微生物群落，也會表現(xiàn)出較大差異?？赡苁怯捎跐竦厮倪^程差異引起的，因為濕地是水文過程和地貌條件長期綜合作用的結(jié)果[11]，水分輸入與輸出的動態(tài)平衡為濕地創(chuàng)造了有別于陸地和水體生態(tài)系統(tǒng)的獨特物理化學(xué)條件[12]，表現(xiàn)為濕地周期性淹水后，土壤氧化還原電位下降、土壤氧含量下降。同時，水位波動通過改變土壤通氣性,影響土壤呼吸[13]，不同類型濕地土壤性質(zhì)具有一定的差異性，并且不是均質(zhì)的，所以同種類型濕地中土壤微生物群落也存在異質(zhì)性。雖然有研究表明優(yōu)勢植被是影響土壤微生物的主要因素，在濕地中，植被并不是唯一影響因素，Yang(2010)在研究蘆葦群落中水位對微生物活性的影響中發(fā)現(xiàn)，水位是影響微生物活性的主要因素[14]。

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Research on Wetland Soil Microbial Characteristic in Downtream of Tumen River

Tian Wei,Zhu Weihong, Qin Lei, Yang Liang, Zheng Yan, Pei Hongshu

(1.GeographyDepartmentofSciences,YanbianUniversity,Yanji,Jinlin133002,China；2.KeyLaboratoryofNaturalResourcesofChangbaiMountain&FunctionalMolecules,YanbianUniversity,Yanji,Jinlin133002,China)

Based on the method of phospholipid fatty acid, we measured the soil microbial community structure under dominant vegetation community of typical marsh, riverine and lacustrine in the downstream of the Tumen River .The results showed that the contents of soil gram positive bacteria, bacteria, fungi and actinomycetes were significantly different in three plant communities of lacustrine, and the contents of soil fungi and actinomycetes were no significant difference in the marsh and riverine wetlands, the other microbial taxa showed different characteristics. The soil bacteria accounted for more than 90% of total PLFA content in this area, while actinomycetes accounted for 2～4%, fungi accounted for 1～7%. By the method of cluster analysis of soil microbial communities in nine plant communities, when the distance is between 5 and 10,they were divided into six groups, and when the distance is between 10 and 15, they were divided into four groups, so it showed that the microbial community was different in the same type of wetland.

wetland; vegetation; soil microorganism; Wetland types

2016-07-01

國家自然科學(xué)基金(編號：41361015)；延邊大學(xué)自然科學(xué)基金項目(編號：2001319)

田瑋(1990—)，女，延邊大學(xué)理學(xué)院碩士研究生。

裴洪淑(1978—)，女，講師，博士，主要從事濕地生態(tài)與生物多樣性相關(guān)的科研與教學(xué)工作。

S153.6

A

1674-9944(2016)16-0169-02