祁連山中部4種典型植被類型土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異

朱 平,陳仁升,宋耀選,韓春壇,劉光琇,陳 拓,張 威

1 中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所,中國(guó)科學(xué)院黑河上游生態(tài)水文試驗(yàn)研究站,蘭州 730000 2 中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所,蘭州 730000 3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049

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祁連山中部4種典型植被類型土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異

朱 平1,2,3,*,陳仁升1,2,宋耀選1,2,韓春壇1,2,劉光琇2,陳 拓2,張 威2

1 中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所,中國(guó)科學(xué)院黑河上游生態(tài)水文試驗(yàn)研究站,蘭州 730000 2 中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所,蘭州 730000 3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049

土壤微生物參與土壤生態(tài)過(guò)程,在土壤生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能中發(fā)揮著重要作用。2013年7月采集了祁連山中段4種典型植被群落(墊狀植被、高寒草甸、沼澤草甸和高寒灌叢)的表層土壤,分析了表層土壤微生物生物量碳氮和采用Illumina高通量測(cè)序技術(shù)研究了土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及多樣性,并結(jié)合土壤因子對(duì)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性進(jìn)行了相關(guān)性分析。結(jié)果表明：(1)土壤微生物生物量碳氮的大小排序?yàn)椋赫訚刹莸?高寒草甸>高寒灌叢>墊狀植被；(2)土壤細(xì)菌群落相對(duì)豐度在5%以上的優(yōu)勢(shì)類群是放線菌門、酸桿菌門、α-變形菌、厚壁菌門和芽單胞菌門5大門類；(3)沼澤草甸土壤細(xì)菌α多樣性(物種豐富度和系統(tǒng)發(fā)育多樣性)顯著高于其它3種植被類型(P<0.05),而墊狀植被土壤細(xì)菌α多樣性最低；(4)冗余分析和Pearson相關(guān)性分析表明,土壤pH、土壤含水量、土壤有機(jī)碳和總氮是土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和α多樣性的主要影響因子。研究結(jié)果可為祁連山高寒生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和保護(hù)提供理論依據(jù)。

土壤微生物量碳氮；祁連山；土壤細(xì)菌群落；Illumina高通量測(cè)序

土壤微生物參與土壤生態(tài)過(guò)程,在生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)中扮演著重要角色[1- 2],土壤微生物群落多樣性是生態(tài)系統(tǒng)研究的核心內(nèi)容之一[3]。長(zhǎng)期以來(lái),土壤微生物研究受技術(shù)手段的限制,無(wú)法真實(shí)地、更全面地反映土壤微生物群落多樣性[4]。新一代高通量測(cè)序技術(shù)在整體水平上破譯了土壤微生物群落結(jié)構(gòu),有成本低、通量和覆蓋深度高等特點(diǎn),將成為研究土壤微生物多樣性的常規(guī)手段[5]。因此,采用新一代高通量測(cè)序技術(shù),揭示土壤微生物群落變化規(guī)律及其與生境的相互關(guān)系,可為土壤生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)化管理和可持續(xù)利用提供理論基礎(chǔ),具有重要的研究意義[6]。

祁連山為青藏高原東北緣西北―東南走向山系,位于青藏、蒙新、黃土三大高原交匯地帶,是我國(guó)西部生態(tài)安全屏障的重要組成部分[7- 9]。該地區(qū)日照時(shí)間長(zhǎng)、輻射強(qiáng)、高寒、缺氧等因素相互作用孕育了大量獨(dú)特的微生物資源[10]。祁連山不同植被的水文響應(yīng)[11- 12]、植被與土壤特性的關(guān)系[13- 14]、植被群落的演替過(guò)程[15- 16]的研究較多,但涉及到祁連山不同植被類型土壤微生物變化特征研究還較少。本研究在祁連山中部選取墊狀植被、高寒草甸、沼澤草甸和高寒灌叢4種典型植被類型為研究對(duì)象,采用HiSeq2500高通量測(cè)序的方法對(duì)其土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性進(jìn)行了研究,試圖回答如下兩個(gè)問(wèn)題：(1)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)在4種典型植被類型的差異？(2)調(diào)控4種植被類型土壤細(xì)菌群落和多樣性的土壤因子是什么？旨在初步揭示祁連山高寒生態(tài)系統(tǒng)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性在不同植被類型的差異及變化規(guī)律,為祁連山土壤環(huán)境檢測(cè)、高寒植被恢復(fù)和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展在微生物層面上提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青藏高原東北緣祁連山中部托勒南山葫蘆溝流域內(nèi)(38°12′—38°17N,99°50′—99°54E,陰坡),垂直景觀梯度分異明顯[17]。多年平均溫度為-3.1—3.6℃,年平均降水為430—650 mm,屬大陸性高寒山區(qū)氣候[18]。研究區(qū)內(nèi)主要的土壤類型為高山草甸土、高山灌叢草甸土、沼澤土和寒漠土。該地區(qū)僅有冷暖兩季,冷季漫長(zhǎng),暖季較短,植被生長(zhǎng)期短,生物生產(chǎn)力低。植被類型隨海拔由高到低依次為墊狀植被帶(3900—4200 m)、高山草甸帶(3700—3900 m)、沼澤草甸帶(3500—3700 m)、亞高山灌叢草甸帶(3200—3500 m),研究區(qū)3500—3700 m由于該海拔范圍內(nèi)地勢(shì)較為平坦,雨水在此匯集,排水不暢形成沼澤草甸。墊狀植被帶(cushion plants,CP)優(yōu)勢(shì)種為囊種草(Thylacospermumcaespitosum)、墊狀點(diǎn)地梅(Androsacetapete)和水母雪蓮(Saussureamedusa)；高寒草甸帶(alpine meadow,AM)優(yōu)勢(shì)種為小嵩草(Kobresiapygmaea)、矮嵩草(K.humilis)和藏嵩草(K.tibetica)；沼澤草甸帶(SM)優(yōu)勢(shì)種為藏嵩草(K.tibetica)、矮嵩草(K.humilis)和線葉嵩草(K.capillifolia),伴生種為早熟禾(Poaannua)和垂穗披堿草(Elymusnutans)；高寒灌叢帶(alpine shrub,AS)優(yōu)勢(shì)種為金露梅(Potentillafruticosa)和高山柳(Salixcupularis)。

1.2 樣地設(shè)置和取樣方法

研究區(qū)內(nèi)選擇上述4種不同海拔高度的植被群落為實(shí)驗(yàn)樣地,樣地概況參見朱平論文[19]。在大概1000 m海拔梯度范圍內(nèi),每隔大約300 m設(shè)置一個(gè)樣地,每個(gè)樣地分別設(shè)置3個(gè)20 m×20 m樣方為重復(fù),每個(gè)樣方間隔約100 m,在每個(gè)樣方內(nèi)用直徑4.5 cm土鉆S型采集5個(gè)表層20 cm深度的土樣,混合后約500 g分別裝入自封袋并做標(biāo)記。土樣挑除石塊、根系等雜物并保存在4 ℃的冰盒,帶回實(shí)驗(yàn)室后立即用新鮮土壤測(cè)定土壤微生物生物量碳和氮,然后將土樣分兩份：其中1份土樣風(fēng)干用于土壤理化性質(zhì)分析；另1份土樣實(shí)驗(yàn)室冰箱-20 ℃保存用于土壤DNA提取。采樣時(shí)間為2013年7月。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 土壤主要理化性質(zhì)和土壤微生物生物量碳、氮的測(cè)定

土壤pH采用電位法測(cè)定,水土比為2.5∶1；土壤含水量(soil moisture, SM)采用烘干法測(cè)定,將盛有新鮮土樣的鋁盒,置于105 ℃的恒溫干燥箱烘6—8 h,烘至恒重；土壤有機(jī)碳(SOC)采用重鉻酸鉀氧化外加熱法；總氮(TN)采用半微量凱氏法；總磷(TP)采用酸溶—鉬銻抗比色法,稱取風(fēng)干土樣,加高氯酸和氫氟酸加熱,土壤中含磷礦物及有機(jī)磷化合物全部轉(zhuǎn)化為正磷酸鹽進(jìn)入溶液,然后用鉬銻抗比色法測(cè)定[20]。土壤微生物生物量碳、氮(microbial biomass carbon,MBC；microbial biomass nitrogen,MBN)采用氯仿熏蒸培養(yǎng)法測(cè)定[21- 22]。

1.3.2 土壤DNA提取和測(cè)序

采用PowerSoil DNA 提取試劑盒(MoBio Inc., USA),稱取0.3—0.5 g土壤樣品,按試劑盒規(guī)定的實(shí)驗(yàn)步驟提取土壤總DNA。利用引物515F(GTGCCAGCMGCCGCGGTAA)與806R(GGACTACHVGGGTWTCTAAT)擴(kuò)增其V4區(qū)基因片段。修飾后的引物含有不同的Barcode以區(qū)分不同樣品。PCR反應(yīng)體系為50 μL,其中含ddH2O23 μL,Premix Taq DNA聚合酶25 μL,DNA模板量1 μL(5—10 ng),正向引物0.5 μL(20 ng/μL),正向引物0.5 μL(20 ng/μL)。PCR擴(kuò)增反應(yīng)條件為：95 ℃,5 min；30×(94 ℃,45 s；56 ℃,45 s；72 ℃,45 s)；72 ℃,10 min。每個(gè)樣品重復(fù)擴(kuò)增3次。PCR擴(kuò)增以后,三管同一樣品合并,用GeneJET試劑盒(Thermo Scientific Inc., USA)純化,用NanoDrop 2000(Thermo Scientific Inc., USA)測(cè)定PCR產(chǎn)物濃度,樣品送至北京諾禾致源測(cè)序公司(Novegene, China)進(jìn)行高通量測(cè)序。

1.3.3 生物信息分析及數(shù)據(jù)處理

根據(jù)Barcode序列拆分各樣品數(shù)據(jù),然后截取Barcode和引物的序列使用FLASH[23]對(duì)進(jìn)行拼接；高通量序列數(shù)據(jù)使用QIIME[24]進(jìn)行數(shù)據(jù)處理：利用UPARSE[25]軟件對(duì)全部有效序列進(jìn)行聚類,默認(rèn)以97%序列相似度對(duì)序列聚類獲得OTUs(operational taxonomic units,操作分類單元)；從每個(gè)OTUs選取一個(gè)代表性序列,以Greengenes數(shù)據(jù)庫(kù)[26]為參考,使用RDP Classifier[27]對(duì)OUT進(jìn)行物種注釋,置信水平為80%；最后對(duì)樣品數(shù)據(jù)均一化處理,以樣品中數(shù)量最少的為標(biāo)準(zhǔn),統(tǒng)一抽取45160條有效序列來(lái)研究細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)。通過(guò)計(jì)算物種豐富度(OTUs)和系統(tǒng)發(fā)育多樣性Faith′s PD指數(shù)[28](Faith′s Phylogenetic diversity)來(lái)表示土壤細(xì)菌群落的α多樣性。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,采用SPSS 11.5和R軟件的數(shù)據(jù)包VEGAN進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素方差比較不同植被土壤理化性質(zhì)、優(yōu)勢(shì)細(xì)菌菌群和土壤細(xì)菌α多樣性指數(shù)的差異性。Pearson系數(shù)分析土壤因子和土壤細(xì)菌多樣性指數(shù)的相關(guān)性。利用R軟件的VEGAN數(shù)據(jù)包進(jìn)行微生物群落結(jié)構(gòu)的Mantel和CCA分析；顯著性水平設(shè)定為α=0.05。相關(guān)圖的制作在Origin 8.0中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)

研究區(qū)4種植被類型土壤pH在6—7之間,曾微酸性,土壤pH變異幅度較窄。沼澤草甸長(zhǎng)期處于積水狀態(tài),土壤含水量較高,植物有機(jī)殘?bào)w殘留在土壤中,厭氧的土壤環(huán)境抑制了好氧微生物的代謝活動(dòng),土壤有機(jī)碳不能完全分解,積累在土壤表層,沼澤草甸土壤有機(jī)碳含量高于其它植被類型。墊狀植被土壤總氮顯著低于其它3種植被類型(P<0.05),主要由于墊狀植被地表凋落物較少,草本覆蓋度低,土壤養(yǎng)分積累量低于其它3種植被類型(表1)。

表1 不同植被土壤理化參數(shù)

CP：墊狀植被 cushion plants；AM：高寒草甸 alpine meadow；SM：沼澤草甸 swamp meadow；AS：高寒灌叢 alpine shrub;同行不同小寫字母表示不同植被類型間存在差異(P<0.05)

2.2 土壤微生物生物量碳、氮變化特征

如圖1所示,在研究區(qū)4種植被類型土壤微生物生物量碳的大小順序?yàn)椋赫訚刹莸?高寒草甸>高寒灌叢>墊狀植被。沼澤草甸的平均微生物生物量碳為1537.7 mg/kg,分別為高寒草甸、高寒灌叢和墊狀植被的2.23、4.45倍和6.48倍。沼澤草甸的平均微生物生物量碳含量顯著大于高寒草甸、高寒灌叢和墊狀植被(P<0.05)；高寒草甸的平均微生物生物量碳含量顯著大于高寒灌叢和墊狀植被(P<0.05)；高寒灌叢和墊狀植被的平均土壤微生物生物量碳含量差異不顯著(P>0.05)。研究區(qū)4種植被類型土壤微生物生物量氮與土壤微生物生物量碳的變化規(guī)律基本一致。

圖1 土壤微生物生物量碳氮Fig.1 Soil microbial biomass carbon and nitrogen of four representative vegetation typesCP：墊狀植被 cushion plants；AM：高寒草甸 alpine meadow；SM：沼澤草甸 swamp meadow；AS：高寒灌叢 alpine shrub；不同小寫字母表示不同植被類型間存在差異(P<0.05)

2.3 土壤細(xì)菌群落優(yōu)勢(shì)菌群差異

高通量測(cè)序結(jié)果顯示所有樣品一共獲得713386條有效序列,其中最少序列為54161條,最多序列為67678條(平均序列條數(shù)是59449條)。這些序列的99.1%可以分類到不同的細(xì)菌門類,0.9%與數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)分類到古菌門類。圖2可以看出祁連山中部4種典型植被類型土壤細(xì)菌優(yōu)勢(shì)門類為放線菌門(Actinobacteria)(23.10%),酸桿菌門(Acidobacteria)(18.90%)、α-變形菌門(Alphaproteobacteria)(10.59%)、厚壁菌門(Firmicutes)(8.13%)和芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)(6.12%),它們的平均相對(duì)豐度大于5%,占了總序列的63%以上；而γ-變形菌門(Gammaproteobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)、疣微菌門(Verrucomicrobia)、β-變形菌門(Betaproteobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、δ-變形菌門(Deltaproteobacteria)、浮霉菌門(Planctomycetes)、硝化螺旋菌門(Nitrospirae)的平均相對(duì)豐度大于1%但低于5%。此外還發(fā)現(xiàn)了相對(duì)豐度小于1%的其它41個(gè)稀有門類,它們占到總序列的不到5.4%。

圖 2 土壤細(xì)菌優(yōu)勢(shì)門類的相對(duì)豐度Fig.2 The relative abundance of dominant bacterial phylum in soil separated according to four representative vegetation types

本研究通過(guò)測(cè)序了解了祁連山中部4種典型植被類型土壤細(xì)菌的優(yōu)勢(shì)菌群,并對(duì)相對(duì)豐度大于5%的細(xì)菌門類進(jìn)行分析,圖3可以看出墊狀植被土壤中放線菌門的相對(duì)豐度顯著高于其他3種植被類型(P<0.05)；而沼澤草甸土壤中α-變形菌門的相對(duì)豐度顯著高于其它3種植被類型(P<0.05),芽單胞菌門的相對(duì)豐度顯著低于其它3種植被類型(P<0.05)。

圖3 5個(gè)土壤優(yōu)勢(shì)細(xì)菌菌群相對(duì)豐度的差異Fig.3 The relative abundance of five soil dominant bacterial phylum of four representative vegetation types

2.4 土壤理化性質(zhì)與土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的相關(guān)性

土壤可以提供細(xì)菌群落生長(zhǎng)繁殖的微環(huán)境,而不同的植被類型通過(guò)改變土壤的微環(huán)境間接影響了土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的組成。土壤理化性質(zhì)和細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的相關(guān)性采用Mantel檢驗(yàn)方法(Mantel tests)分析,從表2可以看出土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與土壤pH、土壤含水量、土壤有機(jī)碳和總氮呈現(xiàn)顯著相關(guān)(P<0.05)。

利用R語(yǔ)言bioENV篩選出最能體現(xiàn)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化的4個(gè)土壤因子,研究結(jié)果與Mantel tests方法一致,將經(jīng)過(guò)篩選的土壤理化因子與細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行典范對(duì)應(yīng)分析(canonical correspondence analysis,圖4),CCA二維排序圖可以直觀地給出研究對(duì)象與環(huán)境變量之間的關(guān)系,排序軸與箭頭連線夾角表示環(huán)境因子與排序軸的相關(guān)性,夾角越小表明關(guān)系越密切,而箭頭連線表示環(huán)境因子與研究對(duì)象相關(guān)程度的大小,連線越短,相關(guān)性越小,反之越大[29]。蒙特卡羅檢驗(yàn)(Monte Carlo test)發(fā)現(xiàn),第一軸與全部軸均呈極顯著差異(P<0.01),故CCA分析排序結(jié)果可信。在土壤pH、含水量、有機(jī)碳和總氮中,土壤pH和含水量對(duì)表層土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)具有較大影響(P=0.001和P=0.003)。同時(shí)不同植被類型土壤細(xì)菌群落發(fā)生明顯分異,墊狀植被土壤細(xì)菌群落主要處于土壤pH較高區(qū)域,而沼澤草甸土壤細(xì)菌群落主要聚類于土壤含水量較高的區(qū)域,4種植被群落土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)較為分散。

表2 土壤理化性質(zhì)與細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的相關(guān)性

圖4 土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與理化性質(zhì)的CCA分析 Fig.4 Canonical correspondence analysis (CCA) of the soil bacterial communities and associated soil propertiesSm：土壤含水量 Soil moisture；SOC：土壤有機(jī)碳 Soil organic carbon；TN：總氮 Total nitrogen

2.5 土壤細(xì)菌的多樣性及其與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

由圖5可知,4種植被類型土壤細(xì)菌物種豐富度變化范圍為(3253±112)—(3910±92),系統(tǒng)發(fā)育多樣性變化范圍為(240.9±7.1)—(283.8±5.7)。墊狀植被土壤細(xì)菌物種豐富度和系統(tǒng)發(fā)育多樣性值最低,而沼澤草甸土壤細(xì)菌物種豐富度和系統(tǒng)發(fā)育多樣性值最高。沼澤草甸土壤細(xì)菌物種豐富度和系統(tǒng)發(fā)育多樣性顯著高于其它3種植被類型(P<0.05)；而墊狀植被土壤細(xì)菌物種豐富度和系統(tǒng)發(fā)育多樣性顯著低于其它3種植被類型(P<0.05)。為探討土壤細(xì)菌α多樣性與土壤因子的關(guān)系,對(duì)土壤細(xì)菌α多樣性(物種豐富度和系統(tǒng)發(fā)育多樣性)與土壤pH、含水量、有機(jī)碳等6個(gè)土壤因子做相關(guān)性分析。表3表明土壤含水量、土壤有機(jī)碳和總氮與細(xì)菌物種豐富度和系統(tǒng)發(fā)育多樣性有極強(qiáng)的相關(guān)性(P<0.01)。土壤pH與細(xì)菌物種豐富度和系統(tǒng)發(fā)育多樣性負(fù)相關(guān),其相關(guān)系數(shù)分別為-0.688和-0.676。其它土壤因子與細(xì)菌物種豐富度和系統(tǒng)發(fā)育多樣性未達(dá)顯著性水平(P>0.05)。

3 討論

祁連山高寒生態(tài)系統(tǒng)是全球變化的敏感區(qū)域,其微生物組成和功能影響生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化的方向和進(jìn)程[10]。土壤微生物生物量雖然約占不到土壤有機(jī)質(zhì)的5%,卻是植物可利用養(yǎng)分的重要來(lái)源,能靈敏的反映環(huán)境因子的變化[30- 31]。沼澤草甸平均微生物生物量碳氮大于高寒草甸、高寒灌叢和墊狀植被。這可能與沼澤草甸土壤水分含量較高有關(guān),而土壤水分是調(diào)節(jié)高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物物質(zhì)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵因子[32]。同時(shí)土壤微生物量碳又與土壤有機(jī)質(zhì)密切相關(guān)[33],本研究中,土壤有機(jī)碳含量的大小排列順序?yàn)檎訚刹莸?高寒草甸>高寒灌叢>墊狀植被,與土壤微生物生物量碳氮排序一致。王啟蘭等[32]對(duì)藏嵩草草甸、小嵩草草甸、矮嵩草草甸、禾草草甸、雜類草草甸及金露梅灌叢土壤微生物數(shù)量和生物量研究發(fā)現(xiàn)沼澤化藏嵩草草甸表層土壤細(xì)菌數(shù)量和微生物生物量碳最高,與本研究結(jié)果基本一致。這說(shuō)明不同植物群落歸還土壤植物殘?bào)w數(shù)量和質(zhì)量的不同,可能是造成土壤微生物生物量碳氮差異的主要原因[34]。

圖5 4種植被類型土壤細(xì)菌物種豐富度和系統(tǒng)發(fā)育多樣性指數(shù)Fig.5 Soil bacterial OTUs phylotypes richness and phylogenetic diversity of four representative vegetation types

變量Variables物種豐富度OTUs系統(tǒng)發(fā)育多樣性Phylogeneticdiversity變量Variables物種豐富度OTUs系統(tǒng)發(fā)育多樣性PhylogeneticdiversitypH-0.688*-0.676*土壤含水量Soilmoisture0.875**0.900**土壤有機(jī)碳Soilorganiccarbon0.773**0.721**總氮Totalnitrogen0.804**0.786**總磷Totalphosphorus0.1570.135碳氮比Ratioofcarbon:nitrogen0.4470.387

**P<0.01；*P<0.05

土壤細(xì)菌是土壤微生物的重要組成部分,絕大多數(shù)土壤優(yōu)勢(shì)細(xì)菌種類基本相同,主要包括10個(gè)左右的細(xì)菌類群[35- 36]。Chu等[37]在青藏高原西北部研究表層土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)放線菌門、α-變形菌門、酸桿菌門、綠彎菌門和芽單胞菌門5大門類為研究區(qū)的優(yōu)勢(shì)類群。厚壁菌門、γ-變形菌門、β-變形菌門、δ-變形菌門、擬桿菌門、浮霉菌門6大門類為平均相對(duì)豐度小于5%大于1%的細(xì)菌門類,與本研究基本一致。而Yuan等[38]在念青唐古拉南面沿海拔梯度取樣研究高山草原土壤細(xì)菌群落發(fā)現(xiàn)酸桿菌門、變形菌門、芽單胞菌門為研究范圍內(nèi)最主要的3個(gè)細(xì)菌門類。Zhang等[39]在青藏高原北麓河流域分析草甸、草原和荒漠草原土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異發(fā)現(xiàn)主要優(yōu)勢(shì)菌群為變形菌門、放線菌門、酸桿菌門、擬桿菌門4個(gè)門類。這可能當(dāng)?shù)氐臍夂?、水文、土壤、植被條件不同有關(guān),似乎沒(méi)有兩種土壤包含完全一致的微生物群落結(jié)構(gòu)。研究區(qū)4種植被土壤細(xì)菌優(yōu)勢(shì)菌群,與其它研究相比厚壁菌門相對(duì)豐度較高,這可能與厚壁菌門更能適應(yīng)祁連山干冷的土壤環(huán)境和利用有限的土壤養(yǎng)分有關(guān)[40]。芽單胞菌門在沼澤草甸相當(dāng)豐度顯著低于墊狀植被和高寒灌叢,DeBruyn等[41]發(fā)現(xiàn)芽單胞菌門更適合在土壤含水量較低的環(huán)境下生存。墊狀植被土壤放線菌門相對(duì)豐度顯著高于其它3個(gè)植被類型,放線菌最適生長(zhǎng)環(huán)境土壤pH值偏堿性,而墊狀植被土壤pH相對(duì)其它3種植被類型更高些而含水量又低于其它3種植被類型,土壤環(huán)境更適宜放線菌的生長(zhǎng)。

研究區(qū)4種植被類型土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和α多樣性與土壤pH、土壤含水量、土壤有機(jī)碳和全氮顯著相關(guān)(P<0.05)。土壤pH是影響土壤細(xì)菌群落分布最主要影響因子。Rousk等[42]對(duì)具有pH梯度的農(nóng)田土壤180m距離(小尺度)內(nèi)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性采用454高通量測(cè)序分析,結(jié)果表明土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成和多樣性與土壤pH密切相關(guān)。Fierer等[43]利用末端限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性分析了美洲大陸從北到南土壤細(xì)菌群落多樣性和生物地理分布模式,發(fā)現(xiàn)土壤細(xì)菌群落豐富度和多樣性與土壤pH相關(guān)。Lauber等[44]對(duì)其研究進(jìn)行補(bǔ)充,利用454高通測(cè)序發(fā)現(xiàn)土壤pH是土壤細(xì)菌群落空間變異的驅(qū)動(dòng)因素。Shen等[45]在長(zhǎng)白山研究6種典型植被類型,采用高通量技術(shù)研究土壤細(xì)菌群落組成和多樣性隨海拔的分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn)土壤pH是驅(qū)動(dòng)土壤細(xì)菌分布的影響因子,與本研究結(jié)論一致。同時(shí)土壤含水量、有機(jī)碳和全氮也是土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性的主要影響因子。Zhang等[39]采用高通量測(cè)序分析發(fā)現(xiàn)土壤含水量和碳氮比是影響土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的主要因素。Shen等[46]在高寒苔原小尺度海拔梯度研究發(fā)現(xiàn)土壤碳和氮是影響土壤細(xì)菌海拔梯度分布的關(guān)鍵環(huán)境因素,并強(qiáng)調(diào)土壤含水量與土壤細(xì)菌豐富度和多樣性密切相關(guān)。而Chu等[37]在對(duì)青藏高原西北部大尺度研究表層和亞表層土壤細(xì)菌群落分布時(shí)發(fā)現(xiàn)總碳和碳氮比是青藏高原微生物生物地理分布的主要影響因子。植被類型可能通過(guò)凋落物和根際分泌物影響了土壤微環(huán)境間接地改變了土壤細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)和多樣性。高寒草甸具有密實(shí)的根系,土壤有機(jī)碳含量較高；而墊狀植被草本覆蓋度低,土壤有機(jī)碳和總氮含量低,土壤微環(huán)境的營(yíng)養(yǎng)差異可能改變本研究區(qū)4種植被類型土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性。當(dāng)土壤微生物有適宜的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、土壤pH和良好的水熱條件,有利于土壤微生物的生長(zhǎng)和繁殖。Shi等[47]在北極苔原4種植被類型研究發(fā)現(xiàn)土壤細(xì)菌群落組成與土壤pH和含水量密切相關(guān),而當(dāng)土壤pH和含水量相似時(shí),土壤氮的組分可能是細(xì)菌結(jié)構(gòu)的重要影響因子。

青藏高原是世界上海拔最高、最獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng),墊狀植被、高寒草甸、沼澤草甸和高寒灌叢為該地區(qū)具有區(qū)域代表性的植被類型,研究區(qū)土壤具有較高的有機(jī)碳含量[48],土壤微生物是生物地球化學(xué)循環(huán)的驅(qū)動(dòng)者,對(duì)氣候響應(yīng)與反饋將影響高寒生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定[10],本研究利用Illumina高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)祁連山中部4種植被類型土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性進(jìn)行了研究,得到了一些初步的結(jié)論。未來(lái)的研究還應(yīng)圍繞不同季節(jié)土壤細(xì)菌群落組成和功能以及更大取樣尺度的研究等方面展開,以期待更深入地理解高寒生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)組成及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)。

4 結(jié)論

綜上所述,高寒祁連山托勒南山陰坡研究區(qū)內(nèi)4種植被類型,沼澤草甸土壤微生物生物量碳氮最高；土壤細(xì)菌最主要的5個(gè)優(yōu)勢(shì)門類為放線菌門、酸桿菌門、α-變形菌門、厚壁菌門和芽單胞菌門；土壤pH、土壤含水量、土壤有機(jī)碳和總氮是影響4種植被類型土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和α多樣性的主要因素。

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Soil bacterial community composition and diversity of four representative vegetation types in the middle section of the Qilian Mountains, China

ZHU Ping1,2,3,*, CHEN Rensheng1,2, SONG Yaoxuan1,2, HAN Chuntan1,2, LIU Guangxiu2, CHEN Tuo2, ZHANG Wei2

1QilianAlpineEcology&HydrologyResearchStation,ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China2ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China3UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Soil microbial communities are a key driver in biogeochemical cycling and play an important role in ecosystem carbon and nitrogen cycling. However, microbial responses to climate change remain poorly understood. Mountain slopes provide a natural laboratory for studies of soil microbial diversity and biogeography. Understanding patterns of soil microbial composition, the distribution along elevational gradients and the factors driving such patterns is indispensable to achieve a comprehensive understanding of the response of ecosystems to global climate change. The Qilian Mountains on the northeastern Qinghai-Tibetan Plateau (QTP) represent one of the main areas of alpine mountains in China. In addition, the mountains are located at the juncture of three climate regions of western China (monsoon, arid and QTP climates). The study area, located in the mid part of the Qilian Mountains, is one of the regions with continuous alpine meadow soil distribution in the world. Soil samples were collected from the shady slope of Qilian Mountains. Topographic and climatic variations result in the vertical zonation of major vegetation types. In this study, we selected four elevation gradients, representing four typical vegetation types based on their elevation. The elevations 3200—3500 m are alpine shrub, dominated byPotentillafruticosaandSalixcupularis. The elevations 3500—3700 m are swamp meadow, dominated byKobresiahumilisandK.capillifolia. The elevations 3700—3900 m are alpine meadow, dominated byK.tibetica,K.humilisandK.pygmaea. The elevations 3900—4200 m are cushion plants, dominated byThylacospermumcaespitosumandAndrosacetapeteandSaussureamedusa. Between 3300 and 4200 m, we sampled across the four vegetation types described above at elevation intervals of 300 m. At each elevation, soil samples were collected from three plots (20 m × 20 m) as three independent replicates. In each plot, soil samples of the surface layer (0—20 cm) were collected at five random points and bulked together as a single sample. High-throughput sequencing is revolutionizing microbial ecology studies, because it can obtain the classification information for soil bacteria more accurately than previous methods. In July 2013, we investigated soil bacterial diversity under the four typical vegetation types along a 3300—4200 m elevation gradient using Illumina high-throughput sequencing. We found that the soil microbial biomass carbon and nitrogen varied in the order: swamp meadow > alpine meadow > alpine shrub > cushion plants. In addition, across all soil samples, we obtained 713,386 quality sequences with 54161—67678 sequences per sample (mean 59449). The dominant phyla across all the soils were Actinobacteria (23.10%), Acidobacteria (18.90%), Alphaproteobacteria (10.59%), Firmicutes (8.13%), and Gemmatimonadetes (6.12%), accounting for more than 63% of the bacterial sequences from each of the soils. Finally, soil pH, moisture, soil organic carbon and total nitrogen were correlated with the bacterial community composition (Mantel tests) and bacterial alpha diversity (operational taxonomic units and phylogenetic diversity). The results of the canonical correspondence and Pearson correlation analysis showed that soil pH, moisture, soil organic carbon and total nitrogen were the main factors that significantly affected the soil bacterial community composition and alpha diversity in these four vegetation types. This research provides a scientific basis for the ecosystem stability and protection of the Qilian Mountains. Further work is needed to understand the underlying mechanisms and ecological processes behind soil microbial composition and diversity.

soil microbial biomass carbon and nitrogen; Qilian Mountains; soil bacterial community; Illumina high-throughput sequencing

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃“973”項(xiàng)目(2013CBA01806);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(91225302)

2016- 02- 29; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2017- 02- 17

10.5846/stxb201602290348

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhuping@lzb.ac.cn

朱平,陳仁升,宋耀選,韓春壇,劉光琇,陳拓,張威.祁連山中部4種典型植被類型土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(10):3505- 3514.

Zhu P, Chen R S, Song Y X, Han C T, Liu G X, Chen T, Zhang W.Soil bacterial community composition and diversity of four representative vegetation types in the middle section of the Qilian Mountains, China.Acta Ecologica Sinica,2017,37(10):3505- 3514.