不同土地利用方式對(duì)三峽庫區(qū)消落帶土壤細(xì)菌和真菌多樣性的影響

秦 紅,李昌曉,任慶水

西南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶市三峽庫區(qū)植物生態(tài)與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400715

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不同土地利用方式對(duì)三峽庫區(qū)消落帶土壤細(xì)菌和真菌多樣性的影響

秦 紅,李昌曉*,任慶水

西南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶市三峽庫區(qū)植物生態(tài)與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400715

旨在為三峽消落帶選擇適合的生態(tài)恢復(fù)方式提供參考依據(jù)。以三峽庫區(qū)重慶忠縣汝溪河流域典型消落帶為研究區(qū)域,于2015年6月進(jìn)行原位取樣,利用末端限制性片段長度多態(tài)性(Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism,T-RFLP)方法,對(duì)消落帶的耕地、林地、棄耕地土壤細(xì)菌和真菌群落多樣性進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)：(1)除容重和密度外,不同用地類型對(duì)土壤各理化特性均產(chǎn)生顯著影響,林地的含水量、有機(jī)質(zhì)(OM)、全氮(TN)、全磷(TP)、速效氮(AN)、速效鉀(AK)、速效磷(AP)的含量顯著高于耕地和棄耕地(P<0.05)。(2)在三峽庫區(qū)消落帶不同土地利用方式下細(xì)菌和真菌多樣性均有顯著性差異。(3)耕地和林地的細(xì)菌多樣性無顯著性差異,均顯著高于棄耕地；不同用地方式中,土壤全磷(TP)和速效磷(AP)顯著影響細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)(P<0.05)。(4)真菌群落的Shannon-Weiner指數(shù)和辛普森指數(shù)在耕地中均為最低,但均勻度指數(shù)在3種用地類型之間沒有顯著性差異；在不同用地方式的土壤中,土壤有機(jī)質(zhì)(OM)、全氮(TN)含量和pH顯著影響真菌群落結(jié)構(gòu)(P<0.05)。結(jié)論：與棄耕地和耕地相比,林地可固持、滯留和保有更多的土壤養(yǎng)分,有較高的細(xì)菌多樣性和真菌多樣性。在三峽消落帶165—175 m海拔高程,林地為最適宜的用地方式,建議限制耕作,推廣人工生態(tài)修復(fù)林地建設(shè)。

三峽庫區(qū)；消落帶；土地利用方式；細(xì)菌和真菌多樣性

三峽大壩建成后,由于“冬蓄夏排”的水文調(diào)節(jié)方式,庫區(qū)形成了面積約為350 km2的消落帶。該區(qū)域是陸生環(huán)境和水生環(huán)境之間的過渡帶,具有過濾和緩沖的作用,在維護(hù)三峽水庫生態(tài)健康與生態(tài)安全方面具有極其特殊的地位[1]。研究表明,該地區(qū)是一個(gè)高度脆弱的生態(tài)系統(tǒng)[2],并且消落帶生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)隨著海拔高度的升高而增大[3]。消落帶現(xiàn)主要面臨著土壤侵蝕[4]、生物多樣性下降[5]、富營養(yǎng)化污染[6]等的生態(tài)問題。為保護(hù)其生態(tài)環(huán)境,提高消落帶的生物多樣性和抗侵蝕能力,政府在消落帶推行退耕政策以及人工植被修復(fù)措施[7],使消落帶產(chǎn)生大量的植被修復(fù)地。同時(shí),由于庫區(qū)人口密度大,人地矛盾尖銳,加之水文節(jié)律符合農(nóng)作物生長物候,居住于消落帶上部的村民仍在消落帶中進(jìn)行傳統(tǒng)農(nóng)事耕作,農(nóng)耕地依舊大量存在[8]。因此,三峽庫區(qū)消落帶當(dāng)前仍存在多種用地方式并存的格局。

不同的土地利用方式不僅直接改變土壤的理化性質(zhì),還改變著生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,不合理的土地利用方式給土地生態(tài)環(huán)境帶來風(fēng)險(xiǎn)。土壤生態(tài)系統(tǒng)除含土壤顆粒和土壤養(yǎng)分外,微生物也占有重要地位,它能夠調(diào)節(jié)土壤營養(yǎng)物質(zhì)生物地球化學(xué)循環(huán)[9],影響地表植被生長[10]和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定[11]等。微生物生理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,生活史較短,容易受環(huán)境條件的影響而發(fā)生變異,所以土壤微生物的多樣性及變異性常常用于預(yù)測(cè)土壤養(yǎng)分和環(huán)境質(zhì)量的變化[12]。在陸生系統(tǒng)中,生產(chǎn)者提供有機(jī)物質(zhì)和代謝物作為細(xì)菌和真菌的營養(yǎng)來源；相反,細(xì)菌和真菌將有機(jī)分子分解為簡(jiǎn)單的無機(jī)物,這些無機(jī)物又是生產(chǎn)者的營養(yǎng)源。細(xì)菌作為微生物中含量最多、豐富度最高的類群[13],在土壤生態(tài)過程中有著不可或缺的地位。真菌是土壤生態(tài)系統(tǒng)中重要分解者,可分解植物殘?bào)w及纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等難分解化合物,并在分解過程中釋放營養(yǎng)用于植被生長,在生態(tài)系統(tǒng)中同樣占有重要地位。土壤中細(xì)菌和真菌多樣性的變化會(huì)影響土壤生態(tài)過程,例如養(yǎng)分循環(huán)[14- 15]和氣體釋放[16]等。研究發(fā)現(xiàn),細(xì)菌和真菌的多樣性受自然因素和人為因素影響,包括植被[17]、pH值[18]、土壤質(zhì)地[19]、土地利用方式[20]土壤養(yǎng)分[21]等。現(xiàn)有關(guān)消落帶土地利用方式對(duì)土壤的研究多集中于土壤養(yǎng)分、土壤理化特性的影響等方面[22- 23],而對(duì)土壤微生物結(jié)構(gòu)和功能多樣性方面的研究相對(duì)較少。消落帶土地利用方式對(duì)土壤微生物多樣性的影響還不明確。本研究旨在探索不同土地利用方式對(duì)土壤微生物特性的影響,為制定合理的土地利用方式,提高三峽消落帶土壤質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)消落帶土壤的可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地點(diǎn)與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)域位于三峽庫區(qū)重慶忠縣石寶鎮(zhèn)的汝溪河流域消落帶。忠縣石寶鎮(zhèn)位于重慶市中部(108°08′03″—108°08′21″E,30°24′16″—30°24′56″N),距離忠縣縣城32 km,位于忠縣、石柱、萬州三縣(區(qū))交界處。該地區(qū)為亞熱帶東南季風(fēng)氣候,四季分明。雨量充沛,年平均降雨量1172 mm,雨季多在5—8月,年平均氣溫19.2℃。地帶性森林植被為亞熱帶常綠闊葉林,消落帶原生植被破壞殆盡,現(xiàn)有植被以草本為主；土壤主要為中性紫色土,土層厚度變異很大,水土流失、崩塌現(xiàn)象較嚴(yán)重[24]。為進(jìn)行三峽庫區(qū)消落帶的生態(tài)植被恢復(fù)與重建,2012年3月在該地區(qū)消落帶165—175 m海拔區(qū)間按1 m×1 m的株行距栽種了柳樹(Salixmatsudana)、落羽杉(Taxodiumdistichum)和池杉(Taxodiumascendens)的護(hù)岸林。苗木栽種的岸坡樣地土壤均為紫色土,平均坡度為26°。

1.2 樣地設(shè)置和樣品采集

在坡度相似、坡向一致、接受光照輻射強(qiáng)度大致相同、土壤預(yù)熱條件基本一致的消落帶區(qū)域內(nèi),2015年6月,通過實(shí)地踏查,選定人工生態(tài)修復(fù)林地、自然恢復(fù)的棄耕地與仍在繼續(xù)耕種的農(nóng)耕地開展實(shí)驗(yàn)研究。其中,棄耕地由三峽工程動(dòng)工前的部分耕地停耕后轉(zhuǎn)變而來。

根據(jù)試驗(yàn)地實(shí)際情況、植被類型和受干擾情況,選擇每種用地類型各3個(gè),共9個(gè)樣地,所有樣地盡量保持在同一海拔高度。其中耕地作物為芝麻(SesamumindicumL.),行距平均在20 cm左右,受人為松土、施肥、清除雜草等管理活動(dòng)影響嚴(yán)重。棄耕地的優(yōu)勢(shì)物種為狗牙根(Cynodondactylon(L.) Pers)、狼把草(BidenstripartitaL.),總蓋度約為80%。林地以落羽杉、柳樹和池杉為優(yōu)勢(shì)種,總蓋度約為93%。

在每個(gè)樣地內(nèi)隨機(jī)設(shè)3條樣帶,避免堆肥料地和田埂、溝邊等特殊地形部位。樣帶中按S形5點(diǎn)取樣,在樣點(diǎn)清理地被物后,采取0—20 cm的土壤,5點(diǎn)土壤等質(zhì)量混合,利用四分法保留土壤樣品。其中1 kg土壤室溫風(fēng)干,用于土壤理化性質(zhì)分析。20 g混合土樣裝入無菌的自封袋,低溫運(yùn)輸,-80℃保存,用于土壤微生物多樣性分析。

1.3 土壤理化性質(zhì)測(cè)定

土壤含水量采用烘干法測(cè)定,土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定,土壤密度采用比重瓶法測(cè)定,土壤總孔隙度采用計(jì)算法測(cè)定。土壤pH值測(cè)定采用IQ150土壤原位pH計(jì)(IQ Scientific Instruments, Inc., San Diego, CA,USA)原位測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)(OM)采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定；土壤全氮(TN)含量采用元素分析儀(Elementar Vario EL, Germany)測(cè)定；土壤堿解氮(AN)含量采用堿解-擴(kuò)散法測(cè)定；全鉀(TK)、速效鉀(AK)含量采用原子吸收光譜儀(AA800, PE Inc., USA)測(cè)定；土壤全磷(TP)、速效磷(AP)含量采用鉬銻抗比色法測(cè)定[25]。

1.4 土壤微生物多樣性測(cè)定

土壤微生物多樣性測(cè)定方法為限制性末端長度多態(tài)性[26]。具體測(cè)定步驟如下：

1.4.1 DNA提取

用Ultra CleanTMSoil Isolation DNA Kit (MOBIO,USA)提取土壤中的總DNA,用1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)所提DNA片段,并用 UV spectrophotometer (SMA1000, Meriton) 測(cè)定DNA 的濃度。

1.4.2 PCR擴(kuò)增

細(xì)菌的擴(kuò)增引物為63F(5′-CAGGCCTAACACATGCAAGTC- 3′)/ 1389R(5′- ACGGGCGGTGTGTACAAG- 3′),正向引物5′端用6-FAM進(jìn)行熒光標(biāo)記。真菌的擴(kuò)增引物為ITS1-F(5′-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA- 3′)/ITS4(5′-TCCTCCGCTTATTGATAGC- 3′),正向引物5′端用6-FAM進(jìn)行熒光標(biāo)記。本實(shí)驗(yàn)的所用引物由深圳華大基因公司合成并標(biāo)記。

細(xì)菌50 μL的PCR反應(yīng)體系組成25 μL 2×Taq Master Mix,2μL DNA 模板,63F/ 1389R (10μmol /L) 各0.5μL,ddH2O 補(bǔ)水至50μL。PCR 反應(yīng)條件95℃,5 min。30個(gè)循環(huán)為: 94℃,1 min；56℃,1 min；72℃,2 min；最后72℃保溫10 min。真菌50 μL的PCR反應(yīng)體系組成如下：25μL 2×Taq Master Mix,2μL DNA 模板,ITS1-F 和ITS4 (10 μmol /L) 各1μL,ddH2O 補(bǔ)水至50μL。PCR反應(yīng)條件如下：95℃,5 min。30個(gè)循環(huán)為: 94℃,1min；56℃,1min；72℃,2min；最后72℃保溫10min。每個(gè)樣品重復(fù)2管。

1.4.3 PCR產(chǎn)物純化、酶切及 T-RFLP

擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)1% 瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),按照PCR產(chǎn)物純化試劑盒(TIANGEN,China)說明書進(jìn)行PCR產(chǎn)物純化,-20℃保存?zhèn)溆谩?/p>

純化產(chǎn)物用限制性內(nèi)切酶HhaI/MspI消化,反應(yīng)體系: 10×Buffer 2 μL,HhaI/MspI (10 U/μL) 1μL,DNA 400 ng,ddH2O補(bǔ)足至30 μL。將酶切樣品置于37 ℃水浴中溫育3 h,酶切完畢后65 ℃水浴10 min 終止反應(yīng)。每個(gè)樣品按上述同樣條件各重復(fù)3次。酶切產(chǎn)物送至上海Invitrogen生命技術(shù)公司(Life Technologies)進(jìn)行基因掃描,得到T-RFLP圖譜。

1.4.4 T-RFLP 分析

在限制性片段(Terminal Restriction Fragment, T-RF)的選擇中,刪除引物峰小于50 bp和熒光值小于50RFU的T-RFs,并去除OTU(Operational Taxonomic Unit)豐度<1%的T-RFs,T-RFs 片段大小±1 bp被認(rèn)為是同一個(gè)OTU[27- 28]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

以T-RFLP圖譜中T-RF為一個(gè)OTU,以該T-RF的相對(duì)峰面積作為對(duì)應(yīng)的OTU的豐度并計(jì)算以下多樣性指數(shù)：

Shannon-Wiener指數(shù)(H)

Simpson指數(shù)(D)

均勻度指數(shù)(E)

E=H/lnS

式中,Pi為某個(gè)峰的峰高占總峰高的比例；S代表物種豐度，即圖譜中T-RF的總數(shù)。

采用單因素方差分析(One-way ANOVA) 分析不同用地類型對(duì)土壤性質(zhì)和微生物多樣性的影響,并用Duncan 檢驗(yàn)法檢驗(yàn)每個(gè)指標(biāo)在不同用地類型間的差異顯著性(α=0.05)。利用Canoco 4.5軟件進(jìn)行冗余分析(Redundancy Analysis,RDA),通過蒙特卡羅置換檢驗(yàn)(Monte-Carlo permutation test)分析環(huán)境變量對(duì)土壤細(xì)菌與真菌群落變異解釋度的顯著性(α=0.05)。用Origin 8.5和Cano Draw for Windows 4.5軟件制圖。

2 結(jié)果分析

2.1 不同土地利用方式下消落帶土壤的理化性狀

由表1的數(shù)據(jù)可知,除了容重和密度在各用地方式之間沒有顯著性差異外,其余各理化指標(biāo)在不同土地利用方式之間有顯著性差異(P<0.05)。其中,林地的含水量顯著高于耕地和棄耕地；耕地的總孔隙度和pH值均顯著高于林地和棄耕地。林地的有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、速效鉀和速效磷的含量高于耕地和棄耕地,但全鉀含量低于耕地和棄耕地,且均達(dá)顯著差異。同時(shí),林地和耕地的全磷含量顯著高于棄耕地。

表1 不同土地利用類型樣地中土壤理化性質(zhì)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)

多重均值比較采用Duncan 檢驗(yàn)法; 同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)

2.2 不同土地利用方式下土壤細(xì)菌多樣性

根據(jù)T-RFLP圖譜中的OTU的數(shù)量,相對(duì)豐度分別計(jì)算了不同土地利用方式下土壤的細(xì)菌多樣性(圖1)：Shannon-Weiner指數(shù)、Simpson指數(shù)和均勻度指數(shù)。圖1表明,在不同的土地利用方式下土壤細(xì)菌多樣性之間存在著顯著性差異。HhaI和MspI酶切結(jié)果相似,在不同用地方式下土壤細(xì)菌的Shannon-Weiner指數(shù)、Simpson指數(shù)和均勻度指數(shù)均表現(xiàn)為耕地和林地之間無顯著性差異,但林地和耕地的細(xì)菌多樣性指數(shù)均顯著高于棄耕地。

圖1 不同用地方式土壤細(xì)菌群落多樣性指數(shù)分析Fig.1 Analysis of bacterial diversity in different land use type digested by HhaI and MspI

2.3 環(huán)境變量對(duì)于細(xì)菌多樣性的貢獻(xiàn)

RDA分析(圖2)從整體上反映了不同土地利用方式下土壤細(xì)菌多樣性與12 種環(huán)境因子量之間的關(guān)系。圖中箭頭連線與排序軸夾角的大小表示因子與排序軸相關(guān)性大小,夾角越小說明關(guān)系越密切,箭頭所處的象限表示環(huán)境因子與排序軸之間的正、負(fù)相關(guān)性。結(jié)果顯示,在HhaI酶切下,第1序軸解釋了所有信息的89.0%,第2序軸解釋了所有信息的10.5%,前兩軸可以解釋99.5%(圖2a)。經(jīng)過蒙特卡羅檢驗(yàn)顯示TP(F=11.0,P=0.012)對(duì)細(xì)菌群多樣性的影響達(dá)到顯著水平(P<0.05)。在MspI酶切下,第1序軸解釋了所有信息的97.5%,第2序軸解釋了所有信息的1.9%,前兩軸可以解釋99.4%(圖2b)。經(jīng)過蒙特卡羅檢驗(yàn),TP(F=24.26,P=0.004)和AP(F=22.78,P=0.008)對(duì)細(xì)菌群落多樣性的影響達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

圖2 環(huán)境因素對(duì)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征影響的冗余分析Fig.2 Redundancy analysis (RDA) of soil bacterial community structure and environmental factors

2.4 不同土地利用方式下土壤真菌多樣性

根據(jù)T-RFLP圖譜中的OTU的數(shù)量,相對(duì)豐度分別計(jì)算了不同土地利用方式下真菌多樣性(圖3)：Shannon-Weiner指數(shù)、Simpson指數(shù)和均勻度指數(shù)。不同土地利用方式下土壤真菌多樣性之間存在著顯著性差異。HhaI酶切結(jié)果顯示,棄耕地的真菌群落Shannon-Weiner指數(shù)和Simpson指數(shù)均顯著高于耕地,林地、耕地和棄耕地的真菌均勻度指數(shù)沒有顯著差異。MspI酶切結(jié)果顯示,林地和棄耕地真菌的Shannon-Weiner指數(shù)之間沒有顯著性差異,且均顯著高于耕地；林地、耕地和棄耕地的真菌Simpson指數(shù)和均勻度指數(shù)沒有顯著差異。

圖3 不同用地方式土壤真菌群落多樣性指數(shù)分析Fig.3 Analysis of fungal diversity in different land use type digested by HhaI and MspI

2.5 環(huán)境變量對(duì)于真菌多樣性的貢獻(xiàn)

圖4從整體上反映了不同土地利用方式下土壤真菌多樣性與12種環(huán)境因子量之間的關(guān)系。RDA分析顯示,在HhaI酶切下,第1序軸解釋了所有信息的85.1%,第2序軸解釋了所有信息的14.8%,前兩軸可以解釋99.9%(圖4a)。經(jīng)過蒙特卡羅檢驗(yàn)顯示pH(F=9.47,P=0.012)、OM(F=6.62,P=0.038)和TP(F=5.21,P=0.032)對(duì)真菌群落多樣性的影響達(dá)到顯著水平(P<0.05)。在MspI酶切下,第1序軸解釋了所有信息的63.7%,第2序軸解釋了所有信息的34.2%,前兩軸可以解釋97.9%(圖4b)。經(jīng)過蒙特卡羅檢驗(yàn),pH(F=7.92,P=0.006)、OM(F=8.09,P=0.002)和TN(F=7.85,P=0.004)對(duì)真菌群落多樣性的影響達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

圖4 環(huán)境因素對(duì)土壤真菌群落結(jié)構(gòu)特征影響的冗余分析Fig.4 Redundancy analysis (RDA) of soil fungal community structure and environmental factors○代表耕地,△代表林地,◇代表?xiàng)壐?/p>

3 討論

土壤是由氣相、液相和固相三相合一的生物賴以生存的重要載體,其成分的改變會(huì)顯著改變微生物的生境。在三峽庫區(qū)消落帶,不同的土地利用方式在一定程度上造成了土壤理化性質(zhì)的差異。消落帶土壤在水淹和水體沖刷下,表層土壤被侵蝕和剝離,土壤遭到嚴(yán)重侵蝕。研究發(fā)現(xiàn),在消落帶植被恢復(fù)過程中,人工恢復(fù)林草的水土保持能力高于自然恢復(fù)的棄耕地[29- 30],所以在消落帶林地的土壤含水量顯著高于棄耕地。耕地中人為翻動(dòng)使得土壤的總孔隙度高于林地和棄耕地,并且容重低于林地和棄耕地。

土壤微生物群落的定性和定量變化是監(jiān)測(cè)土壤質(zhì)量短期和長期變化的敏感指標(biāo)[31]。微生物多樣性指數(shù)是評(píng)價(jià)不同土壤微生物群落多樣性的有效方法,多樣性指數(shù)越高表明微生物群落多樣性越高。探究消落帶土壤中微生物的多樣性有利于進(jìn)一步了解土壤微生物的結(jié)構(gòu)和功能,從而反映出消落帶土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。

在三峽消落帶不同土地利用方式下土壤細(xì)菌多樣性有顯著差異,棄耕地細(xì)菌多樣性值最低,此結(jié)果與秦紅靈[32]的研究結(jié)果(農(nóng)田土壤的細(xì)菌多樣性顯著高于棄耕地)一致。在本研究中,全磷和速效磷的含量是影響細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的重要因素,與Wakelina[33]和Grayston[34]的研究相類似。土地利用方式?jīng)Q定地表的植被型和土壤的管理方式,進(jìn)而影響到土壤養(yǎng)分[35- 36]。土壤養(yǎng)分的變化勢(shì)必會(huì)影響到微生物群落結(jié)構(gòu),而不同程度的養(yǎng)分添加會(huì)增加微生物群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性[37]。細(xì)菌是土壤中多樣性最豐富的微生物類群[38],對(duì)環(huán)境的變異極其敏感。細(xì)菌細(xì)胞壁含有大量磷壁酸,特別在革蘭氏陽性菌中,細(xì)胞壁中磷壁酸的含量約占細(xì)胞干重的50%[39]。在本研究中林地和耕地的全磷和速效磷含量均顯著高于棄耕地,原因可能是林地冠層對(duì)于雨水的攔截使得地表徑流變小,土壤表層有機(jī)質(zhì)以及礦質(zhì)營養(yǎng)得以保留,流失較少,使得林地土壤養(yǎng)分含量均顯著高于棄耕地；而耕地后期人為施肥,使得土壤中營養(yǎng)得以補(bǔ)償[40]；但是棄耕地水淹和干旱交替脅迫的同時(shí)沒有外來營養(yǎng)的補(bǔ)充,植被的生長又吸收了土壤中吸附的磷元素,最終導(dǎo)致土壤中全磷和速效磷的含量均較低。土壤磷不僅是土壤細(xì)菌群落的能源之一,同時(shí)也是植物生長的重要資源[41]。雖然三峽消落帶的特殊生境使得土壤對(duì)磷的吸附量增加[42],但土壤磷主要來源于土壤母質(zhì),其來源單一,加之在三峽庫區(qū)消落帶植被生長盛期,不同土地利用方式下土壤中的磷可能在植物-土壤-微生物系統(tǒng)中重新分配,使得磷含量成為影響土壤細(xì)菌群落變異的重要因子之一[43]。

真菌是一個(gè)生態(tài)幅度較廣的菌群[44- 45],影響其多樣性的因素多為土壤的管理方式[46]和營養(yǎng)水平[47- 48]。本研究中耕地的真菌多樣性最低,與E. Gomez[49]的結(jié)果一致。RDA分析顯示,pH、有機(jī)質(zhì)和全氮的含量對(duì)真菌群落結(jié)構(gòu)的影響達(dá)到顯著水平(P<0.05)。有研究表明,真菌在酸性環(huán)境中提高對(duì)水分的利用率,從而促進(jìn)自身的生長[50- 51]。本研究中,林地和棄耕地土壤pH為中性,耕地土壤pH顯著高于林地和棄耕地,呈堿性,不利于真菌的生長[43]。同時(shí)真菌多以菌絲的形態(tài)生長和繁衍,土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性顯的尤為重要[52]。與林地和棄耕地相比較,耕地傳統(tǒng)的農(nóng)事耕作破壞大團(tuán)聚體,使得土壤機(jī)械結(jié)構(gòu)變動(dòng)較大,不利于真菌菌絲的延伸[53]。林地和棄耕地較耕地而言人為干擾相對(duì)較少,土壤機(jī)械結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定,有利于土壤形成大的團(tuán)聚體和有機(jī)物被固定于土壤中[46],有利于增加土壤微生物生物量并保持微生物多樣性[49]。有機(jī)質(zhì)和全氮是真菌重要的碳和氮源,林地和棄耕地枯枝落葉比較豐富,含有多種枯枝落葉所形成的有機(jī)質(zhì),可以促進(jìn)真菌的生長[54]；其林冠層和高的植被覆蓋度可有效減少徑流,使得表層的養(yǎng)分含量得以保留[55]；而耕地中人為活動(dòng)和地表徑流加速了土壤中有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)元素的流失[56],有機(jī)質(zhì)和全氮的含量成為消落帶中真菌生長和繁衍的限制性因子。

微生物多樣性降低或喪失直接影響微生物的生態(tài)服務(wù)功能和整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)[57]。消落帶耕地雖然土壤養(yǎng)分得到補(bǔ)充,細(xì)菌的多樣性與林地之間沒有顯著差異,但是其真菌多樣性降低；同時(shí)長時(shí)間的耕作會(huì)威脅到土壤質(zhì)量[58],因而消落帶內(nèi)不宜耕作,應(yīng)當(dāng)限制開墾。三峽消落帶實(shí)行生態(tài)修復(fù)后,棄耕地大量產(chǎn)生；但消落帶水淹-干旱的特殊生境,使棄耕地土壤的養(yǎng)分含量較低,不利于細(xì)菌的生長和繁衍。在三峽消落帶人工生態(tài)修復(fù)林地的土壤養(yǎng)分含量、細(xì)菌多樣性和真菌多樣性均優(yōu)于耕地和棄耕地,有利于維持土壤生態(tài)系統(tǒng)的功能,因此,林地是消落帶最為適宜的用地方式。

4 結(jié)論

在三峽庫區(qū)消落帶不同土地利用方式下土壤細(xì)菌和真菌多樣性有顯著性差異。林地和耕地的細(xì)菌多樣性無顯著性差異,且均高于棄耕地；在不同用地方式下,土壤全磷和速效磷的含量顯著影響細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)(P<0.05)。真菌群落的Shannon-Weiner指數(shù)和Simpson指數(shù)在耕地中均為最低,但均勻度指數(shù)在3種用地類型之間沒有顯著性差異；在不同用地方式的土壤中,土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量和pH顯著影響真菌群落結(jié)構(gòu)(P<0.05)。與棄耕地和耕地相比,林地可穩(wěn)定消落帶土壤環(huán)境,固持、滯留和保淹有更多的N、P、K等養(yǎng)分,減少其直接進(jìn)入水體的量,因而有助于水庫水質(zhì)的保護(hù)；同時(shí)林地可提高微生物多樣性,對(duì)土壤的生態(tài)恢復(fù)發(fā)揮了重要作用。建議在消落帶165—175 m海拔高程內(nèi),應(yīng)限制耕作,推廣人工生態(tài)修復(fù)林地建設(shè)。

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Effects of different land use patterns on soil bacterial and fungal biodiversity in the hydro-fluctuation zone of the Three Gorges Reservoir region

QIN Hong,LI Changxiao*, REN Qingshui

KeyLaboratoryofEco-EnvironmentsinThreeGorgesReservoirRegion(MinistryofEducation),ChongqingKeyLaboratoryofPlantEcologyandResourcesinThreeGorgesReservoirRegion,schoolofLifeSciences,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China

The goal of this study was to provide references for the environmental management of the Three Gorges Reservoir. To study the effect of different land use patterns on soil microorganism biodiversity in the hydro-fluctuation zone of the Three Gorges Reservoir. Surface soil samples were collected from the woodland, abandoned farmland, and farmland in June 2015 to determine the bacterial and fungal community biodiversity using the terminal-restriction fragment length polymorphism (T-RFLP) and soil chemical properties in the hydro-fluctuation zone of the Ruxi River basin, in Zhongxian County, Chongqing. Soil chemical properties were also investigated. Results showed that (1) the land use patterns significantly affected soil physicochemical properties, excluding bulk weight and density. Other soil physicochemical properties, such as soil moisture, content of soil organic matter, total nitrogen, total phosphorus, available nitrogen, available potassium, and available phosphorus, in the woodland were significantly higher than those of the other two types of land use (P<0.05); (2) there were significant differences among land use patterns in bacterial and fungal biodiversity; (3) the bacterial diversity index of the woodland was not significantly different from farmland, whereas both of them were significantly higher than abandoned farmland. Redundancy analysis and the Monte-Carlo test revealed that total phosphorus and available phosphorus showed a critical influence on bacterial diversity (P<0.05); and (4) the Shannon-Wiener index and the Simpson index of fungal community for the woodland and abandoned farmland were significantly higher than those of farmland, whereas there was not significant difference in richness index among the three types. Redundancy analysis and the Monte-Carlo test revealed that pH, organic matter, and total nitrogen played a critical roles in influencing fungal community diversity (P<0.05). Conclusion: compared to farmland and abandoned farmland, woodland can retain more soil nutrients, and improve soil bacterial, and fungal biodiversity, suggesting that the artificially regenerated woodland is the most appropriate land use type in the altitude of 165 m to 175 m in the hydro-fluctuation zone of the Three Gorges Reservoir. Those studies also propose that farming should be limited and the construction of artificially regenerated woodland in the hydro-fluctuation zone of the Three Gorges Reservoir region should be promoted.

The Three Gorges Reservoir Area; hydro-fluctuation zone; different land use patterns; bacterial and fungal diversity

重慶市林業(yè)重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(渝林科研2016-8，2015-6)；國家國際科技合作專項(xiàng)(2015DFA90900)；中央財(cái)政林業(yè)科技推廣示范項(xiàng)目(渝林科推[2014- 10])；重慶市研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CYS2015068)

2016- 03- 03; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2017- 02- 17

10.5846/stxb201603030374

*通訊作者Corresponding author.E-mail: lichangx@swu.edu.cn

秦紅,李昌曉,任慶水.不同土地利用方式對(duì)三峽庫區(qū)消落帶土壤細(xì)菌和真菌多樣性的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(10):3494- 3504.

Qin H,Li C X, Ren Q S.Effects of different land use patterns on soil bacterial and fungal biodiversity in the hydro-fluctuation zone of the Three Gorges Reservoir region.Acta Ecologica Sinica,2017,37(10):3494- 3504.