不同荒漠植物根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征

李欣玫,左易靈,薛子可,張琳琳,趙麗莉,賀學(xué)禮

河北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,保定 071002

安西極旱荒漠地區(qū)氣候條件惡劣,植物種類組成和群落結(jié)構(gòu)簡單。膜果麻黃(Ephedraprzewalskii)、紅砂(Reaumuriasongarica)、合頭草(Sympegmaregelii)、珍珠豬毛菜(Salsolapasserina)、泡泡刺(Nitrariasphaerocarpa)作為安西極旱荒漠的代表性植被,分別隸屬麻黃科、檉柳科、藜科和蒺藜科,其群落發(fā)育、分布及對土壤微環(huán)境的調(diào)控作用差異顯著。此外,膜果麻黃等5種植物均具有根系發(fā)達、耐旱、抗風(fēng)沙等特性,對極旱荒漠生態(tài)系統(tǒng)維持具有重要作用。

土壤微生物參與多種生化反應(yīng)過程,是有機物的主要分解者,在陸地生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)中扮演著重要角色,尤其對C、N循環(huán)過程具有重要意義[1- 2]。土壤微生物特性對土壤基質(zhì)變化敏感,其群落結(jié)構(gòu)組成和生物量等可以反映土壤肥力狀況,是重要的生物學(xué)指標[3- 4]。研究表明,土壤微生物與地表植被類型關(guān)系密切。畢江濤等[5]認為在一定空間尺度具有相似環(huán)境的條件下,隨著植物類型不同,土壤微生物活性和群落結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出一定的差異。Ushio等[6]研究認為,植物能夠通過根系分泌物等途徑向土壤輸入不同質(zhì)量的碳源,改變土壤環(huán)境,進而影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。目前,有關(guān)植被類型對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)影響的研究主要集中于濕地、森林、草地等生態(tài)系統(tǒng)[6- 8],對荒漠生境中不同植被下土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的研究甚少。

基于此,我們假設(shè)：極旱荒漠生境中,不同植被下土壤微生物群落結(jié)構(gòu)有顯著差異。因此,本試驗采用磷脂脂肪酸(PLFA)法結(jié)合Sherlock微生物鑒定系統(tǒng),研究膜果麻黃等5種極旱荒漠植物根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu),深入探討植物種類和土壤因子對微生物群落組成和生態(tài)分布的影響,以期為干旱風(fēng)沙區(qū)荒漠植被恢復(fù)和生態(tài)環(huán)境保護提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 樣地概況

研究區(qū)位于甘肅安西極旱荒漠國家級自然保護區(qū)(94°45′—97°00′E,39°52′—41°53′N),地處甘肅省瓜州縣境內(nèi)。該地區(qū)屬典型大陸性氣候,年均氣溫7.8—10℃,年均降雨量<52.0mm,季節(jié)分配不均,夏季降雨量占全年降雨的70%左右,年蒸發(fā)量2754.9—3420mm。土壤類型多為灰棕漠土,植被覆蓋度低,主要有紅砂、合頭草、珍珠豬毛菜、泡泡刺、膜果麻黃等(表1)。

表1 5種植物群落基本信息

1.2 樣品采集

于2015年7月在保護區(qū)選取上述5種典型植物群落,分別在每個植物群落按五點采樣法選取5株相隔200m左右、長勢相近的植株,去除土壤表面枯枝落葉層,在距植株主干0—30cm土層范圍內(nèi)采集根樣,自然抖落根樣根際土壤,混合均勻后裝入隔熱性能良好的自封袋帶回實驗室。土樣過2mm篩后,部分保存在-20℃冰箱用于土壤微生物PLFA測定,其余用于土壤理化性質(zhì)測定。

1.3 土壤因子測定

土壤pH用精密酸度計PHS- 3C測定；土壤有效磷用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法；全氮、氨氮、全磷用全自動化學(xué)分析儀Smartchem200測定；堿解氮用堿解擴散法；土壤有機碳用馬弗爐烘干法；按Wright[9]和Janos[10]等方法測定總球囊霉素和易提取球囊霉素；用改進的Brimner和Tabatabai[11]方法測定土壤酸性磷酸酶和堿性磷酸酶,其活性以1g土樣培養(yǎng)1h后酸性磷酸酶和堿性磷酸酶轉(zhuǎn)化對硝基苯磷酸二鈉(PNPP)的量表示。

1.4 土壤微生物磷脂脂肪酸測定

土壤微生物群落結(jié)構(gòu)根據(jù)Bossio等[12]的方法進行測定：將土壤提取液(氯仿∶甲醇∶磷酸緩沖液=1∶2∶0.8,v/v/v)加入到冷凍干燥土壤中提取脂類,利用硅膠柱(SPE-Si,500mg/6mL)進行分離純化,純化后的脂肪酸用KOH-甲醇溶液甲酯化,再加入甲酯化C19:0作為內(nèi)標,用美國Agilent 6890N型GC-MS分析儀結(jié)合Sherlock MIS4.5系統(tǒng)(Sherlock Microbial Identification System)完成檢測分析。單個 PLFA 含量用nmol/g表示,特征磷脂脂肪酸分類見表2。

表2 特征磷脂脂肪酸(PLFA)分類

1.5 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)取3個重復(fù)的平均值,用Excel 2010進行整理,利用SPSS 19.0生物統(tǒng)計軟件,對土壤因子和土壤微生物群落進行單因素方差分析,對土壤微生物PLFA進行主成分分析；用Amos Graphics 22.0構(gòu)建結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)確定土壤因子與土壤微生物群落的相關(guān)性,其擬合標準如下：2/df<2,P>0.05,RMSEA<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)

5種植物根際土壤pH均呈堿性；總球囊霉素在泡泡刺中顯著高于膜果麻黃、合頭草和珍珠豬毛菜；酸性磷酸酶在紅砂中顯著高于其他植物；堿性磷酸酶在紅砂和泡泡刺中有最大值；土壤有機碳在合頭草中最高,泡泡刺中最低,其他植物間無顯著差異；氨氮在不同植物間差異顯著；土壤有效磷、全磷、全氮、堿解氮、易提取球囊霉素在不同植物間均無顯著差異(表3)。

2.2 土壤微生物磷脂脂肪酸分析

本試驗選取大于0.01nmol/g的24種PLFA進行分析。主成分分析表明(圖1),與土壤微生物PLFA相關(guān)的3個主成分因子累積貢獻率達96.838%,分別可解釋變量方差的77.140%、12.617%和7.081%。不同植物在PC1、PC2和PC3上分布較散,說明不同植物土壤微生物PLFA組成差異顯著。由表4可知,膜果麻黃、紅砂和珍珠豬毛菜在3個主成分上得分無顯著差異,合頭草、泡泡刺分別在PC3和PC2上的得分顯著最高。

表3 不同植物根際土壤因子

不同字母表示不同植物群落間差異顯著(P<0.05)

表4 不同植物在PC1、PC2和PC3上得分

不同字母表示同一植物群落在不同主成分上得分差異顯著(P<0.05)

圖1 土壤微生物PLFA主成分分析Fig.1 Principal component analysis of soil microbial PLFA E：膜果麻黃Ephedra przewalskii；R：紅砂Reaumuria songarica；S：合頭草Sympegma regelii；N：泡泡刺Nitraria sphaerocarpa；Sa：珍珠豬毛菜 Salsola passerina

將PLFA單體與PC1、PC2和PC3進行相關(guān)性分析可知(表5),15:0 iso、15:0 anteiso、17:0 anteiso(指示革蘭氏陽性菌)；16:1 ω7c、17:1 ω8c、18:1 ω7c(指示革蘭氏陰性菌)；16:0 10-methyl、18:0 10-methyl(指示放線菌)是膜果麻黃根際土壤主要PLFAs。18:0 iso(指示革蘭氏陽性菌)；23:1 ω4c、20:4 ω6c(指示真核生物)；16:1 ω5c(指示AM真菌)是紅砂主要PLFAs,其中18:0 iso、23:1 ω4c僅在紅砂中存在。合頭草根際土壤PLFAs以18:1 ω7c 、19:0 cyclo ω7c(指示革蘭氏陰性菌)；16:0 10-methyl(指示放線菌)；16:3 ω6c、18:3 ω6c(指示真核生物)為主。18:2 ω6c(指示真菌)在泡泡刺中占主導(dǎo)地位。珍珠豬毛菜主要有15:0 iso、15:0 anteiso、17:0 iso、16:0 iso 、17：1 iso ω9c(指示革蘭氏陽性菌)；16:1 ω7c、17:1 ω8c、18:1 ω7c、19:0 cyclo ω7c(指示革蘭氏陰性菌)；16:0 10-methyl、18:0 10-methyl、18:1 ω7c 10-methyl(指示放線菌)；20:4 ω6c(指示真核生物)；16:1 ω5c(指示AM真菌)；18:2 ω6c(指示真菌),其中16:0 iso、17:1 iso ω9c和18:1 ω7c 10-methyl為珍珠豬毛菜特有?？梢?不同植物根際土壤微生物主要PLFA種類和組成差異顯著,但以表征革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌和放線菌的特征脂肪酸為主。

表5 不同植物單種特征PLFA與PC1、PC2和PC3的相關(guān)性分析

*P<0.05,**P<0.01; “—”表示在該植物中未檢出

2.3 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)分析

5種植物根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)差異顯著(表6),膜果麻黃、泡泡刺和珍珠豬毛菜中革蘭氏陰性菌顯著最高,革蘭氏陽性菌、放線菌和真核生物次之,AM真菌最低；紅砂中革蘭氏陰性菌顯著高于其他微生物；合頭草中AM真菌最高,真菌最低。不同植物,總PLFA、放線菌和真菌表現(xiàn)為珍珠豬毛菜>膜果麻黃>泡泡刺>紅砂>合頭草,革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌大小順序為膜果麻黃>珍珠豬毛菜>泡泡刺>紅砂>合頭草,AM真菌在合頭草中顯著最高。真菌/細菌在珍珠豬毛菜中顯著高于其他植物,其他植物間無顯著差異。

表6 不同植物土壤微生物PLFAs含量

不同大寫字母表示同一植物各微生物類群間差異顯著(P<0.05),不同小寫字母表示同一微生物在不同植物群落間差異顯著

2.4 土壤微生物群落與土壤因子相關(guān)性分析

相關(guān)性分析可知(表7),土壤pH與革蘭氏陰性菌顯著負相關(guān)；全氮與AM真菌顯著正相關(guān)；氨氮與革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌、放線菌和真菌顯著正相關(guān)；堿解氮與革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌和放線菌顯著負相關(guān)；酸性磷酸酶與革蘭氏陽性菌和放線菌顯著負相關(guān)；易提取球囊霉素與革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌和放線菌顯著正相關(guān);總球囊霉素與真菌顯著負相關(guān)。

*P<0.05,**P<0.01

2.5 植物種類和土壤因子對微生物群落的影響

根據(jù)相關(guān)系數(shù)構(gòu)建結(jié)構(gòu)方程模型(圖2),對植物、易提取球囊霉素、土壤pH、堿解氮與革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌、放線菌和AM真菌的相關(guān)關(guān)系進行量化(2=8.018,df=16,P=0.948,RMSEA=0,GFI=0.883)。結(jié)果表明,植物通過土壤pH、堿解氮對革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌和AM真菌產(chǎn)生間接影響但不顯著,易提取球囊霉素對放線菌有極顯著直接影響,堿解氮是革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌的主要影響因子。

圖2 土壤微生物群落與植物、土壤因子結(jié)構(gòu)方程模型分析Fig.2 Structural equation model about soil microbial communities, plants and soil factors 箭頭寬度表示影響程度,箭頭附近的數(shù)字代表標準化路徑系數(shù)(其中表示P<0.001,表示P<0.01,表示P<0.05)

3 討論和結(jié)論

3.1 討論

本試驗中5種植物根際土壤以表征革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌和放線菌的特征磷脂脂肪酸為主,其中表征革蘭氏陽性菌的18:0 iso、16:0iso和17:1 iso ω9c分別為紅砂、珍珠豬毛菜特有表征放線菌的18:1 ω7c 10-methyl僅在珍珠豬毛菜中存在,說明不同植物土壤微生物主要PLFA種類和組成差異顯著。Cao等[13]認為由于單種特征PLFA對土壤環(huán)境變化敏感,因此植物介導(dǎo)下土壤性質(zhì)的改變對土壤微生物PLFA有顯著影響。本試驗中,紅砂是典型泌鹽植物,可通過鹽分轉(zhuǎn)移在一定程度上降低土壤鹽分,而珍珠豬毛菜作為C4植物,其根系分泌物能夠改變土壤有機質(zhì),從而影響單種特征PLFA的分布。

5種植物根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)差異顯著。有些研究認為,這可能與植物根系分泌物有關(guān),植物不同,根系分泌物物理化學(xué)性狀不同,從而對土壤微生物產(chǎn)生不同的刺激作用[5]?？侾LFA、放線菌、真菌、革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌變化趨勢基本一致,表現(xiàn)為珍珠豬毛菜>膜果麻黃>泡泡刺>紅砂>合頭草,說明珍珠豬毛菜根際土壤環(huán)境更有利于微生物生長。珍珠豬毛菜是C4植物,土壤有機質(zhì)含量高于C3植物[2],加之真菌、革蘭氏陽性菌對木質(zhì)素等物質(zhì)的分解[17],能進一步改善珍珠豬毛菜根際土壤環(huán)境,使其土壤微生物含量更高。Aguilera等[18]研究表明,隨著土壤可利用性養(yǎng)分增加,土壤微生物豐度也隨之提高。膜果麻黃為超旱生常綠灌木、植株較高且具有軸根型根系,而紅砂、合頭草屬小灌木、植株矮小,因此向土壤輸入的養(yǎng)分可能遠低于膜果麻黃,導(dǎo)致其根際土壤微生物含量顯著最低。AM真菌在合頭草中最高,膜果麻黃中最低,可能與AM真菌生長特性有關(guān)。AM真菌作為植物共生真菌,其發(fā)生和分布往往依賴于植物根系[19]且對土壤鹽堿度變化敏感[20]。合頭草根系發(fā)達、側(cè)根眾多,能為AM真菌的侵染和共生提供支持；而膜果麻黃在水平方向上的聚鹽性可能會抑制某些AM真菌生長,導(dǎo)致其根際土壤AM真菌含量顯著降低。真菌/細菌作為表征土壤有機質(zhì)的指標[21],在珍珠豬毛菜中顯著高于其他植物,從側(cè)面反映了珍珠豬毛菜根際土壤質(zhì)量相對最高。

作為植物與土壤環(huán)境之間溝通的橋梁,土壤微生物群落結(jié)構(gòu)必然受到植物和土壤因子的直接影響。本試驗中,與植物相比,土壤因子對土壤微生物群落的影響更為顯著,其中易提取球囊霉素和堿解氮是主要影響因子,這可能與樣地生態(tài)環(huán)境有關(guān)。安西極旱荒漠干旱少雨且在7月份溫度達全年最高值,土壤微生物活性明顯降低,植物凋落物和根系分泌物分解受到抑制,加上降水量低、淋溶作用減弱,導(dǎo)致植物分解產(chǎn)生的營養(yǎng)物質(zhì)對土壤微生物無顯著影響[22]。球囊霉素是AM真菌分泌產(chǎn)生的一類具有一定黏附力的糖蛋白,隨菌絲壁和孢子降解釋放到土壤中,是土壤有機碳庫的重要組成部分,且其黏附力有利于土壤團聚體形成,從而提高土壤通氣性[23],為放線菌提供適宜的生長環(huán)境。堿解氮對革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌有顯著負影響,可能與不同碳氮比對細菌的影響有關(guān)。氮素作為細菌細胞的重要成分,其含量越高,細菌自身合成作用越強,所需能量越多,但荒漠土壤有機碳含量較低,無法滿足細菌物質(zhì)合成對能量的需求。此外,氮素含量過高導(dǎo)致土壤積累大量銨鹽,使得土壤pH升高,不利于有機物分解,從而抑制細菌生長。

3.2 結(jié)論

5種荒漠植物根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)差異顯著,并與植物群落和土壤因子密切相關(guān),但土壤因子對土壤微生物影響更為顯著,其中易提取球囊霉素和堿解氮是主要影響因子。這不僅有助于進一步揭示荒漠植物、土壤因子與土壤微生物群落的相互關(guān)系,同時對利用生物技術(shù)進行荒漠植被恢復(fù)具有重要意義。

致謝：河北大學(xué)生命科學(xué)院侯力峰、成斌、郭清華和孫茜同學(xué)幫助采集野外樣品，甘肅安西極旱荒漠國家級自然保護區(qū)和甘肅民勤連古城國家級自然保護區(qū)為野外采樣工作提供便利，特此致謝。

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