鄱陽湖典型濕地土壤微生物活性對季節(jié)性水位變化的響應(yīng)

鄒　鋒,武鑫鵬, 張萬港, 馬燕天, 2, 劉亞軍, 吳　蘭, 2,*

1 南昌大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,南昌　330031 2 鄱陽湖環(huán)境與資源利用教育部重點實驗室,南昌　330031

鄱陽湖是我國最大的通江型淡水湖泊,受長江水位和江西省內(nèi)五大水系的雙重影響,具有“高水是湖、低水似河”的獨特景觀[1]。鄱陽湖高變幅的水位波動造就了大面積的湖泊濕地,在維持鄱陽湖生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定過程中發(fā)揮著極其重要的作用[2]。近年來受氣候改變與人類活動的影響,鄱陽湖濕地面臨江湖關(guān)系改變、植被演替加快、枯水時間延長、生物多樣性下降等諸多不利因素的挑戰(zhàn)[3]。盡管眾多學(xué)者已經(jīng)注意到這些問題,但現(xiàn)有的研究仍大多集中于植被沿水位分布情況、重金屬污染、溫室氣體排放以及水質(zhì)污染分析等方面；而對微觀尺度上土壤微生物以及它對水文情勢的響應(yīng)關(guān)系和響應(yīng)機(jī)理的研究卻較少。

在濕地生態(tài)系統(tǒng)中土壤微生物不僅加速了植物凋落物和有機(jī)質(zhì)的分解[4]、驅(qū)動著氮、磷等營養(yǎng)元素的循環(huán)轉(zhuǎn)化[5]、推動了化學(xué)能量和信息的流動[6]、同時還參與了污染物降解與環(huán)境修復(fù)等過程[7],對維持濕地生態(tài)系統(tǒng)平衡與穩(wěn)態(tài)起著重要的作用[8]。對于湖泊濕地微生物的研究,土壤微生物活性指標(biāo)往往比微生物群落結(jié)構(gòu)指標(biāo)能夠更加直觀地反應(yīng)濕地生態(tài)功能,因而更加受到人們的重視。已有研究表明,土壤酶活、微生物生物量、基礎(chǔ)呼吸等活性指標(biāo)能夠準(zhǔn)確的反映出土壤中的物質(zhì)代謝情況,并對各種環(huán)境擾動做出快速響應(yīng)[9-10]。濕地環(huán)境條件的改變,如營養(yǎng)物含量、水深、pH、植被等都會影響到濕地微生物的結(jié)構(gòu)和功能[11-14]。截至目前對于淡水湖泊濕地土壤微生物如何響應(yīng)水位波動的規(guī)律并不清楚,而鄱陽湖天然濕地面臨的問題亟需我們徹底弄清這一規(guī)律,因此,深入分析鄱陽湖濕地土壤微生物對不同季節(jié)水位的響應(yīng)關(guān)系顯得十分必要。

本研究以鄱陽湖濕地為研究對象,通過對不同季節(jié)土壤的物理化學(xué)參數(shù)、土壤酶活性、微生物生物量及基礎(chǔ)呼吸等微生物活性指標(biāo)的研究,揭示不同高程濕地土壤微生物活性對季節(jié)性水位變化的響應(yīng)過程和響應(yīng)機(jī)制。本研究的結(jié)論可為鄱陽湖濕地的合理保護(hù)與科學(xué)管理提供微生物方面的視角,對鄱陽湖濕地土壤質(zhì)量演變及評價、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定性的維持等方面也具有重要意義。

1　研究區(qū)域與研究方法

1.1　樣地介紹與樣品采集

研究地點位于鄱陽湖濕地國家自然保護(hù)區(qū)蚌湖(115°53′—116°01′E,29°08′—29°18′N)。受季節(jié)性水位波動的影響,區(qū)內(nèi)洲灘濕地呈現(xiàn)典型的水陸交錯現(xiàn)象,濕地地上植被沿不同的高程呈現(xiàn)環(huán)帶狀分布,優(yōu)勢植被帶垂直分布明顯(表1)。本研究由湖岸往湖心方向依次選取3個不同水位高程的樣帶依次編號為S1—S3,每個樣帶下設(shè)置間距為100 m的3個樣方,共設(shè)置1 m×1 m的樣方9個。首先對采樣點進(jìn)行GPS定位和地上植被調(diào)查并記錄樣帶水淹情況,然后分別在2014年3月(未淹水)、6月(淹水時長：0、5、10 d)、10月(淹水時長：30、70、125 d)以及2015年1月(未淹水)進(jìn)行采樣,代表春夏秋冬4個季節(jié)的樣品。清除地上枯落物后,以五點混合采樣法用土鉆采集表層土壤樣品(0—20 cm)。最終得到3個樣帶、4個季節(jié)一共36份樣品。將土壤樣品低溫運回去除根莖殘體及石塊后混勻分成3份。其中一份樣品保存于-80℃冰箱用作酶活性的測定；第二份暫儲存于4℃冷庫中用于測定土壤基礎(chǔ)呼吸及微生物生物量；最后一份樣品風(fēng)干處理后過100目篩用于理化分析。

1.2　樣品分析及方法

1.2.1土壤理化性質(zhì)

表1　研究區(qū)域基本概況

平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,同一列不同字母表示樣帶間差異顯著(P<0.05)

1.2.2微生物活性特征

土壤基礎(chǔ)呼吸(basal respiration,BR)采用密閉堿液吸收滴定法測定[19]。采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測定土壤微生物量碳(MBC)及微生物量氮(MBN)[20],換算系數(shù)K=0.45。代謝熵(qCO2) =BR/MBC。微生物碳熵(qMBC)%= MBC/TOC×100%；微生物氮熵(qMBN)%= MBN/ TN×100%。

土壤酶活方面,β-葡萄糖苷酶(Bglu)、β-木糖苷酶(Bxyl)、N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)、磷酸酶(Phos)4種水解酶的活性運用微孔板熒光法測定[21]。2種氧化酶——酚氧化酶(Phox)和過氧化氫酶(Pero)分別以左旋多巴(DOPA)和加DOPA的過氧化氫(H2O2)作為底物,用比色法測定[22]。

1.2.3數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013和SPSS 20.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計整理與制圖。采用單因素方差分析(ANOVA,Tukey test)對土壤理化參數(shù)和微生物特征進(jìn)行多重檢驗；使用雙因素方差分析(Two-way ANOVA)進(jìn)行樣帶和季節(jié)對基本理化參數(shù)和微生物特征影響的統(tǒng)計分析；土壤理化和微生物活性特征間相關(guān)性分析則采用Pearson檢驗法。應(yīng)用Canoco 5.0分別對土壤理化、微生物活性進(jìn)行主成分分析(PCA)。

2　結(jié)果與分析

2.1　土壤基本理化因子比較

土壤是微生物賴以生存的基礎(chǔ),土壤環(huán)境決定了微生物的生存狀況。土壤理化指標(biāo)對不同季節(jié)和不同高程都有明顯的響應(yīng)。如表2所示SWC在32.60%—64.53%之間,夏季和秋季SWC顯著高于其他季節(jié)(P<0.05)；土壤pH春冬季總體顯著高于夏季(P<0.05),高程越低的樣帶土壤平均含水量和pH也越高。在土壤養(yǎng)分元素中,僅從季節(jié)層面整體來看,TOC和C∶N在秋季總體較高,而TP夏季含量顯著高于其他季節(jié)(P<0.05),AFDM冬季含量最高(P<0.05)；在不同高程整體差異方面,TOC、TN、C∶N 以及AFDM也都有S2高于S1和S3的現(xiàn)象(P<0.05)。另外,值得注意的是高程最低的S3樣帶春季TOC和C∶N均為年內(nèi)最低(P<0.05)(表2)。

表2　土壤理化性質(zhì)與營養(yǎng)元素含量

平均值±標(biāo)準(zhǔn)差;大寫字母表示樣帶內(nèi)部季節(jié)間差異顯著(P<0.05)；小寫字母表示同一季節(jié)樣帶間差異顯著(P<0.05);SWC：soil water content；pH：pH value；AFDM：ash free dry mass；TOC：total organic carbon；TN：total nitrogen；TP：total phosphorus；C∶N：TOC/ TN

土壤DOC、DON占TOC、TN的比例范圍分別為0.17%—0.50%和0.22%—1.16%(表3)。在整體季節(jié)層面,DOC/TOC和DON/TN的比例夏季顯著高于其他季節(jié)(P<0.05)；隨著樣帶高程的降低,兩者的分配比例也整體逐漸下降。

表3　土壤速效、溶解性物質(zhì)含量

2.2　土壤微生物量碳氮與基礎(chǔ)呼吸

土壤基礎(chǔ)呼吸、微生物量和微生物熵值都是土壤質(zhì)量的敏感性指標(biāo)[23]。在總體季節(jié)上,除MBN外,MBC、qMBC、qMBN等指標(biāo)大致都有夏季和冬季相對較高、春秋季較低的趨勢,而qCO2卻剛好相反；BR強(qiáng)度在春季顯著高于其他季節(jié)(P<0.05)。在不同高程樣帶間,S2樣帶土壤微生物量、微生物呼吸及微生物熵值都高于S1和S3。值得注意的是,春季高程最低的S3樣帶MBC、MBN和BR都相對較低(表4)。

表4　微生物量碳氮和基礎(chǔ)呼吸在各季節(jié)及樣帶中的分布

平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤;大寫字母表示樣帶內(nèi)部季節(jié)間差異顯著(P<0.05)；小寫字母表示同一季節(jié)樣帶間差異顯著(P<0.05);BR：microbial basal respiration；MBC：microbial biomass carbon；MBN：microbial biomass nitrogen；qCO2： microbial Metabolic quotient；qMBC：ratio of MBC to TOC；qMBN：ratio of MBN to TN

2.3　土壤酶活性

4種土壤水解酶中,除Bxyl外,其余3種酶活性在總體季節(jié)變化中均呈現(xiàn)出夏季或冬季較高、秋季顯著最低的動態(tài)變化(P<0.05)。秋季3個高程樣帶均處于淹水環(huán)境,2種氧化酶Phox和Pero秋季活性顯著高于其他季節(jié)(P<0.05)。而在總體樣帶高程間,除Bglu外,其他3種水解酶活性在樣帶間都有S2>S1>S3的排序。另外,春季和冬季S2樣帶4種水解酶和2種氧化酶的活性均顯著高于S1和S3(P<0.05)(圖1)。

圖1　土壤胞外酶活性Fig.1　Soil extracellular enzyme activities 大寫字母表示樣帶內(nèi)部季節(jié)間差異顯著(P<0.05)；小寫字母表示同一季節(jié)樣帶間差異顯著(P<0.05);由湖岸往湖心方向依次選取3個不同水位高程的樣帶依次編號為S1—S3

2.4　微生物活性與環(huán)境變量之間的關(guān)系

圖2　土壤理化因子(a)及微生物活性特征(b)主成分分析Fig.2　Principal component analysis of soil environmental factors(a) and microbial activity characteristics(b)Bglu：β-葡萄糖苷酶,β-glucosidase；Bxyl：β-木糖苷酶,β-xylanase；NAG：N-乙酰氨基葡萄糖苷酶,N-acetylglucosaminidase；Phos：磷酸酶,phosphatase；Phox：酚氧化酶,phenoxidase；Pero：過氧化氫酶,peroxidase;BR：microbial basal respiration；MBC：microbial biomass carbon；MBN：microbial biomass nitrogen；qCO2： microbial Metabolic quotient；qMBC：ratio of MBC to TOC；qMBN：ratio of MBN to TN;SWC：soil water content；pH：pH value；AFDM：ash free dry mass；TOC：total organic carbon；TN：total nitrogen；TP：total phosphorus；C∶N：TOC/ TN

3　討論

3.1　土壤理化因子對季節(jié)性水位變化的響應(yīng)

表5　土壤微生物活性特征與理化因子相關(guān)性分析

*顯著相關(guān)(P<0.05)；**極顯著相關(guān)(P<0.01)；ns相關(guān)性不顯著；樣品總數(shù)n=36;Bglu：β-葡萄糖苷酶,β-glucosidase；Bxyl：β-木糖苷酶,β-xylanase；NAG：N-乙酰氨基葡萄糖苷酶,N-acetylglucosaminidase；Phos：磷酸酶,phosphatase；Phox：酚氧化酶,phenoxidase；Pero：過氧化氫酶,peroxidase

3.2　微生物活性特征對季節(jié)性水位變化的響應(yīng)

土壤水分含量是影響MBC、MBN的顯著因素[32]。秋季長時間的水淹降低了土壤微生物量,這也與萬忠梅等人的結(jié)果相一致[13]。影響微生物活性的因素都可能會間接影響到基礎(chǔ)呼吸的強(qiáng)度[33],春季干旱土壤受降雨作用再濕潤后引起的“birch效應(yīng)”也可能是春季呼吸作用增強(qiáng)的原因之一[34],夏季和秋季淹水不利于好養(yǎng)微生物的代謝使得BR相對較低,冬季低溫和缺水條件也可以顯著降低呼吸作用的進(jìn)行[35]。由此可見過高和過低的水分都不利于土壤微生物的呼吸作用[20](表4)。qCO2將微生物可礦化碳和MBC結(jié)合在一起,當(dāng)土壤受到脅迫時qCO2將變大,此時微生物需要付出更多的能量來抵御不良環(huán)境[20]；本研究中經(jīng)歷了長時間干旱的春季和淹水脅迫的秋季qCO2都較高。秋季長時間淹水條件降低了3個樣帶的qMBC和 qMBN,表明長期淹水環(huán)境抑制了物質(zhì)循環(huán)的速率(表4)。

表6　土壤理化因子與微生物活性特征方差分析

3.3　不同高程和植被對于土壤理化及微生物特征的影響

盡管本實驗結(jié)果表明濕地土壤理化性質(zhì)和微生物功能活性主要受到季節(jié)性水位變化的影響,但不同高程的樣帶間也存在一定的差異。而造成這種差異的根本原因同樣是水位變化,鄱陽湖年內(nèi)季節(jié)水位平均變幅超過10 m,本研究中3個樣帶天然高程差僅在2—3 m間,故而季節(jié)性水位波動的幅度大于樣帶高程差異。本實驗中S2樣帶土壤表現(xiàn)出整體營養(yǎng)元素含量高于其他兩個樣帶的規(guī)律,這與樣帶高程變化趨勢不一致。吳建東[39]和謝東明[40]等人對蚌湖優(yōu)勢植被群落的研究也發(fā)現(xiàn)了相似的現(xiàn)象,可能原因為南荻群落地上生物量高于狗牙根和苔草群落,植物枯落分解后可為土壤提供更多的養(yǎng)分[41-42]。另外,鄱陽湖近年來枯水期提前、枯水時間延長,地勢較高的樣帶水淹不足、水分缺乏且生境逐步趨于草甸化,這可能也是高程最高的S1樣帶枯水期土壤養(yǎng)分低于S2的原因之一[43]。PCA結(jié)果也表明淹水使得樣帶土壤理化和微生物趨于相同,而長期干旱則產(chǎn)生較大分異。

本研究中微生物活性特征在水位高程上都有S2樣帶活性高于S1和S3的現(xiàn)象。前人的研究結(jié)果也表明營養(yǎng)物的差異顯著影響著微生物的活性[11,33]。濕地不同高程樣帶的營養(yǎng)物主要來源于地上植被分解與植物根系分泌,較高的凋落物和碳氮水平可刺激微生物的活動并激發(fā)分解纖維素、木質(zhì)素等酶的活性[44]；另外,養(yǎng)分的供應(yīng)差別也影響著分泌酶的微生物的種類進(jìn)而影響酶的活性[45],較高的酶活性也可以控制更多的養(yǎng)分釋放和加快微生物的生長[37]。因此S2樣帶微生物特征活性較高可能是由土壤營養(yǎng)物質(zhì)較豐富而引起的,表3相關(guān)性分析也進(jìn)一步證明營養(yǎng)資源對微生物功能活性的顯著影響。

4　結(jié)論

本實驗的主要結(jié)論如下：

(2)不同高程樣帶間存在的水位差異和植被類型的不同,導(dǎo)致南荻樣帶中土壤營養(yǎng)元素含量和微生物活性顯著高于狗牙根及苔草樣帶。