西南喀斯特退化天坑負(fù)地形倒石坡的土壤微生物分布特征

江 聰,稅 偉, 簡(jiǎn)小枚,陳毅萍,郭平平

1 福州大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院, 福州 350116 2 福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院, 福州 350116 3 廈門(mén)大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院, 廈門(mén) 361102

喀斯特天坑(Tiankeng)是一種區(qū)別于常態(tài)喀斯特漏斗的獨(dú)特宏大地表負(fù)地形[1],其具有巨大容積、陡峭而圈閉的巖壁、深陷的井狀或桶狀輪廓等形態(tài)特征,是宏大且獨(dú)特的負(fù)地形世界奇觀(guān)。喀斯特天坑受坑壁圈閉化效應(yīng)和地形約束的影響,天坑內(nèi)部的水熱條件、氣候特征均與地表有異,由此造就了與外界環(huán)境相對(duì)獨(dú)立的內(nèi)部獨(dú)特生境[2]。中國(guó)是名副其實(shí)的“世界喀斯特天坑王國(guó)”,境內(nèi)共分布50余個(gè)天坑。全球已發(fā)現(xiàn)的3個(gè)特大型天坑均分布在中國(guó),并發(fā)現(xiàn)了許多頗具代表性的喀斯特天坑群,例如四川興文天坑群、重慶武隆天坑群、云南沾益天坑群、貴州羅甸天坑群等[3]?？λ固靥炜尤撼尸F(xiàn)出獨(dú)特的生境特征和生物多樣性分布格局,不僅具有物種多樣性保護(hù)庫(kù)功能,并且在全球氣候變化的大環(huán)境下,能成為區(qū)域小尺度上的生態(tài)避難所,其蘊(yùn)含的旅游美學(xué)價(jià)值和科研價(jià)值巨大[4]。

隨著對(duì)喀斯特天坑研究的深入,不斷有研究表明天坑具有植物種類(lèi)豐富、珍稀植物多樣等特點(diǎn)[5],印證了規(guī)模最為宏大、圈閉化程度最高的喀斯特天坑是一個(gè)重要的生物多樣性寶庫(kù)及物種多樣性保護(hù)庫(kù)。近年來(lái)針對(duì)天坑的研究主要集中在植物多樣性及群落結(jié)構(gòu)特征[6],如云南沾益大毛寺原生天坑坑底與坑邊緣的植物群落組成差異較大,坑底植物多樣性和豐富度更高[7]。廣西流星成熟天坑內(nèi)植物群落物種多樣性較高,資源生態(tài)位多樣[8]。四川興文天坑群中,退化程度較小的天坑植物群落物種最豐富[9]。但相關(guān)研究卻忽略了退化天坑土壤微生物群落的功能多樣性。退化天坑成為植物多樣性寶庫(kù),其中的土壤微生物群落功不可沒(méi),是天坑植物生態(tài)的中介與橋梁。同時(shí),生物多樣性涉及植物、動(dòng)物和土壤微生物及其生存環(huán)境,對(duì)喀斯特天坑生物多樣性的研究,土壤微生物群落多樣性也是必不可少的部分。土壤微生物是生態(tài)系統(tǒng)的最活躍的組成部分,它參與物質(zhì)循環(huán)、有機(jī)質(zhì)分解等生化過(guò)程,被譽(yù)為生物地球化學(xué)循環(huán)的引擎[10]。土壤微生物群落多樣性即土壤生態(tài)系統(tǒng)中微生物群落生態(tài)特征及微生物與環(huán)境間相互作用的多樣化程度[11]。土壤微生物群落多樣性包括組成多樣性、功能多樣性以及遺傳多樣性,其中土壤微生物群落功能多樣性是土壤微生物群落狀態(tài)與功能的指標(biāo),反映不同環(huán)境下土壤微生物群落的生態(tài)特征[12],與土壤功能[13]、植被發(fā)育[14]、生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)之間關(guān)系密切[15]?？λ固靥炜觾?nèi)部是一個(gè)相對(duì)封閉的環(huán)境,較坑外具有濕度大、溫度低和負(fù)氧離子濃度高的特點(diǎn),形成了獨(dú)特的小氣候,這為各種生態(tài)類(lèi)型動(dòng)物、植物以及微生物的繁衍生長(zhǎng)提供了異質(zhì)性的環(huán)境[16],明確天坑生境中土壤微生物群落的分布特征以及土壤生態(tài)功能具有重要意義。

本研究對(duì)象——巴家陷塘天坑屬于退化天坑。在所有天坑類(lèi)型中,退化天坑分布最多。退化天坑是指天坑其四周的崖壁退化崩塌形成倒石坡,在此之上樹(shù)木掩映塊石堆積體后形成天坑植物群落的一種天坑類(lèi)型[17],具有可進(jìn)入性強(qiáng),受人為干擾較大,與外界環(huán)境聯(lián)系更為緊密等特點(diǎn),因此退化天坑的生物多樣性更加豐富,表現(xiàn)出多元化的生態(tài)類(lèi)型[18][19]。前期的研究發(fā)現(xiàn),退化天坑中倒石坡由于擁有良好的土壤資源和較少的外界干擾,形成了植物物種豐富和多樣性較高的空間格局[20]。不同于以往的研究均針對(duì)于正地形坡面[15,20-21],退化天坑倒石坡是一種負(fù)地形坡面,作為連接天坑內(nèi)外的過(guò)渡帶,具有異于地表的氣候條件(溫度、降水等)、土壤特性(pH、含水量、碳氮比等)等環(huán)境梯度,以及植被覆蓋的差異,這些因素都是土壤微生物多樣性和空間分布的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子[22]。在退化天坑中選擇探究倒石坡土壤微生物多樣性更具代表性。

因此,本研究利用Biolog微平板技術(shù)探究喀斯特退化天坑倒石坡不同坡位的土壤微生物群落功能多樣性,明確倒石坡上土壤微生物群落分布特征,了解喀斯特天坑的土壤功能、植被覆蓋以及生態(tài)過(guò)程,揭示倒石坡在退化天坑生物多樣性保護(hù)中的價(jià)值,并為退化天坑的生態(tài)恢復(fù)和生物多樣性保育提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

沾益天坑群位于云南曲靖市沾益海峰自然保護(hù)區(qū)內(nèi)(圖1),地處滇東高原北部,具有原生和退化天坑完美共存,集中成群分布等特點(diǎn)。地理位置介于103°29′—103°39′E,25°35′—25°57′N(xiāo)之間。海峰自然保護(hù)區(qū)是云南省緯度和海拔最低,結(jié)構(gòu)完整、功能齊全的區(qū)域。天坑群所在區(qū)域氣候特征為典型的亞熱帶高原季風(fēng)氣候類(lèi)型,其氣候特點(diǎn)為干濕季分明﹑年溫差小﹑日溫差大。平均氣溫13.8—14℃,太陽(yáng)輻射能年總量為123.8 kcal/cm2,年降雨量1073.5—1089.7 mm左右。年平均風(fēng)速為2.7 m/s,風(fēng)向以西南風(fēng)為主。天坑群區(qū)域的土壤處于云南土壤的紅土壤水平帶,加之該區(qū)域內(nèi)獨(dú)特的氣候類(lèi)型共同為生物多樣性形成奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

項(xiàng)目Project輕度退化 Light-degraded中度退化 Moderate-degraded重度退化 Heavy-degraded極重度退化 Extremely heavy-degraded深寬比 The ratio of depth to width(0.45,1] (0.35,0.45] (0.1,0.35] (0,0.1] 坑壁面積破損度Pit wall area damage degree 0—20% 21%—50% 51%—80% >81% 倒石坡面數(shù) Talus slope surface number<1 1—2 3 >4 (坡面環(huán)狀分布) 圈閉程度Trap degree 好 較好 較差 差 坑口形態(tài)Pit morphology近似橢圓形 不規(guī)則橢圓形 不規(guī)則多邊形 近似大型退化漏斗

1.2 樣地調(diào)查

本文選取沾益天坑群中的巴家陷塘為研究對(duì)象,巴家陷塘坑底海拔為2013.5 m,長(zhǎng)徑達(dá)240.0 m,短徑為197.7 m,從坑口到坑底的距離達(dá)70 m,深寬比為0.353,坑壁破損度小于20%。根據(jù)退化天坑的深寬比、坑壁破損度及坑口等外觀(guān)形態(tài)方面設(shè)置評(píng)價(jià)參數(shù)(表1)[23],將其劃分為中度退化天坑。巴家陷塘退化天坑主要在坑南側(cè)形成倒石坡,坑底沒(méi)有喬灌木遮擋,光照充足,主要生長(zhǎng)著黃龍尾Agrimoniapilosavar.nepalensis、藎草Arthraxonhispidus、龍芽草Agrimoniapilosa等陽(yáng)生型植物。到坑緣由于喬灌木的蔭蔽環(huán)境影響,植物逐漸過(guò)渡到一把傘南星Arisaemaerubescens、川西鱗毛蕨Dryopterisrosthornii等陰生植物?？悠聞t主要為森林群落,優(yōu)勢(shì)喬灌層主要有云南松Pinusyunnanensis、栓皮櫟Quercusvariabilis、油杉Keteleeriafortunei、清香木Pistaciaweinmanniifolia等,坑坡的草本層主要是一 把 傘 南 星Arisaemaerubescens、紫莖澤蘭Eupatoriumadenophorum、川西鱗毛蕨Dryopterisrosthornii、半夏Pinelliaternata等?？涌诓荼緦又饕獮橐话褌隳闲茿risaemaerubescens、板凳果Pachysandraaxillaris等。各坡位樣地信息如表2所示,坑坡樣方設(shè)置如圖2所示。在巴家陷塘南側(cè)布設(shè)樣線(xiàn),起于坑口,止于坑底,分為坑口、坑坡(上坡位、中坡位和下坡位)和坑底5個(gè)坡位。每個(gè)坡位布設(shè)5個(gè)1 m×1 m草本樣方,記錄物種名,測(cè)定各物種的株樹(shù)、蓋度等指標(biāo)?？悠轮饕獮樯秩郝?故每個(gè)坡位再設(shè)置1個(gè)20 m×20 m木本樣方,記錄物種名,測(cè)定各物種的株樹(shù)、蓋度等指標(biāo)。利用手持GPS記錄樣地的經(jīng)緯度、海拔、坡位等地理位置信息。樣地土壤環(huán)境因子主要采用土壤溫濕度測(cè)定儀、土壤原位pH 測(cè)定儀及土壤電導(dǎo)率測(cè)定儀采集。每個(gè)草本樣方內(nèi)采一個(gè)土樣,將5個(gè)樣方內(nèi)土樣合并為一個(gè)樣品,過(guò)2 mm篩,放置在冰盒中冷藏帶回實(shí)驗(yàn)室,做土壤微生物群落功能多樣性測(cè)試。

表2 巴家陷塘坡位樣地基本信息

圖2 巴家陷塘退化天坑坡位梯度上樣方設(shè)置Fig.2 Plant community survey at slope gradient in Bajiaxiantang

1.3 植物α、β多樣性指數(shù)

1.3.1α多樣性指數(shù)

α多樣性指數(shù)選擇Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(C)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)、Margalef豐富度指數(shù)(D)、Pielou均勻度指數(shù)(J)進(jìn)行分析,計(jì)算公式如下：

Shannon-Wiener指數(shù)：

(1)

(2)

Margalef指數(shù)：D=(S-1)/lnN

(3)

(4)

式中,S為調(diào)查的物種總數(shù)；Ni為樣方中物種i的個(gè)體數(shù),N表示樣方中所有物種的個(gè)體總數(shù),Pi表示樣方中物種i的個(gè)體數(shù)占所有物種個(gè)體總數(shù)的比例,即Pi=Ni/N。

1.3.2β多樣性指數(shù)

β多樣性也稱(chēng)為生境間的多樣性,是沿環(huán)境梯度不同生境群落之間物種組成的相異性[24]。β多樣性的測(cè)度方法分采用二元數(shù)據(jù)測(cè)度法,選擇Whittaker指數(shù)、Cody指數(shù)、Routledge指數(shù)、Whilson-Shmida指數(shù)進(jìn)行分析。

(5)

(6)

(7)

(8)

式中,S為調(diào)查的物種總數(shù),ma為各樣方中物種平均數(shù)；g(H)是沿生境梯度H增加的物種數(shù)目,l(H)是沿生境梯度H失去的物種數(shù)目,即在上一個(gè)梯度中存在而在下一個(gè)梯度中沒(méi)有的物種數(shù)目；r為分布重疊的物種數(shù)。

1.4 土壤微生物群落功能多樣性測(cè)定

土壤微生物群落功能多樣性采用Biolog微平板技術(shù)進(jìn)行測(cè)定。Biolog微平板每孔的單一碳源的利用率可了解微生物的動(dòng)態(tài),每塊平板共96微孔,3組重復(fù),每組包含31種不同碳源和1個(gè)空白。在一定溫度下恒溫培養(yǎng),土壤微生物代謝碳源產(chǎn)生的電子,可使微孔內(nèi)的染料變成紫色。每孔顏色變化程度可以反映土壤微生物對(duì)不同碳源的代謝能力高低。

稱(chēng)取10.0 g鮮土放入三角瓶中,加入90 mL滅菌的生理鹽水(0.85% NaCl,W/V),用無(wú)菌棉花塞封口。震蕩30 min后,靜置15 min,用移液槍吸取10 mL上清液,加入90 mL滅菌生理鹽水。按逐步稀釋法,將土壤懸液稀釋為10-3g/mL。在超凈工作臺(tái)中用移液器將制備好的土壤懸液接種到Biolog微平板的各孔中,每孔150 μL,放入25℃的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)7 d。每隔24 h用Biolog微生物自動(dòng)鑒定系統(tǒng)(MicroStationTM System,美國(guó)Biolog公司)在590 nm下測(cè)定各孔的吸光值,完成數(shù)據(jù)的采集和儲(chǔ)存。

1.5 數(shù)據(jù)分析

1.5.1平均顏色變化率(Average well Color Development,AWCD)

式中,Ai為反應(yīng)孔在590 nm處的吸光值,AA1為控制孔在590 nm處的吸光值。若Ai-AA1值為負(fù)值結(jié)果取零。

1.5.2群落功能多樣性

微生物群落功能多樣性常通過(guò)各種多樣性指數(shù)來(lái)反應(yīng),本研究采用的多樣性指數(shù)如表3所示。

表3 土壤微生物群落多樣性指數(shù)

所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用單因素方差分析,結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)表示。土壤微生物群落培養(yǎng)到144 h的AWCD值趨于穩(wěn)定,故采用144 h的AWCD值計(jì)算群落多樣性指數(shù)和主成分分析。利用SPSS 22.0和Origin 9.0進(jìn)行主成分分析,使用Excel 2007和Origin 9.0組圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物群落的物種多樣性

多樣性指數(shù)是反映群落物種多樣化或異質(zhì)性程度的指標(biāo)。如圖3所示,草本層植物多樣性在坑坡上表現(xiàn)為中坡位的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)最大,但不同坡位間差異不顯著?？拥椎腟impson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和Margalef豐富度指數(shù)均顯著高于坑口,Margalef豐富度指數(shù)在上、中、下坑坡間差異不顯著。各坡位上的Pielou均勻度指數(shù)差異不明顯。分析坑坡上的木本層植物多樣性(圖4),上、中、下坡位的木本植物多樣性差異顯著,且下坡位最大。綜合分析以上指數(shù)發(fā)現(xiàn),坑內(nèi)外草本植物分異特征較明顯,而坑坡作為坑底與坑口的過(guò)渡地帶,草本層植物與坑底和坑口差異不大,但坑坡的木本層植物差異顯著。

圖3 坡位梯度上草本層植物α多樣性指數(shù)Fig.3 Herb-layer plant α diversity index on slope gradient

圖4 坡位梯度上木本層植物α多樣性指數(shù)Fig.4 Woody-layer plant α diversity index on slope gradient 不同字母表示不同坡位間差異顯著(P<0.05)；相同字母表示差異不顯著(P>0.05)

β多樣性用于表示沿環(huán)境梯度不同生境間物種組成的差異性,是植物種類(lèi)對(duì)環(huán)境異質(zhì)性的響應(yīng)[25]。β多樣性越大,表明不同生境間的差異越大。從圖5可以看出,從坑口到坑底,各β多樣性指數(shù)大致呈逐漸增大的趨勢(shì),這表明沿著坑坡的環(huán)境梯度,共有種的數(shù)量逐漸減少,植物種類(lèi)差異越來(lái)越大。且Whittaker指數(shù)、Cody指數(shù)、Routledge指數(shù)及Whilson-Shmida指數(shù)均表現(xiàn)為下坡位與坑底的差異最大。綜合可知,退化天坑倒石坡的下坡位生境類(lèi)型最多樣,能量物質(zhì)交換頻繁。而其它坡位的β多樣性指數(shù)相比較低,植物群落結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。

圖5 坑坡梯度上植物β多樣性指數(shù)Fig.5 Plant β diversity index on slope gradient1為坑口樣地,2為上坡位樣地,3為中坡位樣地,4為下坡位樣地,5為坑底樣地

2.2 土壤微生物群落代謝活性

土壤微生物群落的代謝活性及對(duì)單一碳源利用能力可通過(guò)平均顏色變化率(AWCD)來(lái)表征,其值也在一定程度上反應(yīng)了土壤微生物群落的數(shù)量及結(jié)構(gòu)特征。由圖6可以看出,在0—24 h內(nèi),微生物群落利用對(duì)碳源的利用率低,故AWCD值較低。隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加,AWCD值不斷上升,且在24 h后不同坡位的AWCD值出現(xiàn)不同的增長(zhǎng)趨勢(shì),24—72 h時(shí)間段里不同坡位土壤微生物的AWCD值呈現(xiàn)出交替上升,72 h后各坡位土壤微生物的AWCD值出現(xiàn)分化,大體上呈現(xiàn)出下坡位>坑底>中坡位>上坡位>坑口。結(jié)果表明坑底和下坡位的土壤微生物群落代謝活性相對(duì)較高。

圖6 不同坡位土壤微生物群落平均顏色變化率(AWCD)隨時(shí)間變化Fig.6 AWCD of different slope soil microbial community with time gone

2.3 土壤微生物群落對(duì)碳源利用強(qiáng)度

Biolog微平板的碳源包括糖類(lèi)、羧酸類(lèi)、氨基酸類(lèi)、酚酸類(lèi)、聚合物類(lèi)和胺類(lèi)。通過(guò)不同坡位土壤微生物群落對(duì)6類(lèi)碳源的利用程度分析(圖7)可知,不同坡位土壤微生物利用碳源的程度存在差異,大體上呈現(xiàn)出從坑底到坑口利用程度逐漸降低的趨勢(shì),利用率較大的碳源為糖類(lèi)和氨基酸類(lèi),酚酸類(lèi)和聚合物類(lèi)利用率較低。說(shuō)明糖類(lèi)和氨基酸類(lèi)碳源是倒石坡上土壤微生物群落利用的主要碳源。

圖7 不同坡位土壤微生物群落對(duì)6種碳源的利用程度Fig.7 The utilization degree of soil microbial community on 6 carbon sources in different slope soil不同字母表示不同坡位間差異顯著(P<0.05)；相同字母表示差異不顯著(P>0.05)

2.4 土壤微生物群落代謝多樣性類(lèi)型

圖8 土壤微生物群落主成分分析 Fig.8 Principal component analysis (PCA) of soil microbial community

不同坡位的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性能通過(guò)對(duì)不同碳源的利用差異來(lái)體現(xiàn)。采用144 h的AWCD值,對(duì)不同坡位土壤微生物群落利用單一碳源特征進(jìn)行主成分分析。獲得兩個(gè)與土壤微生物群落多樣性相關(guān)的主成分,分別為PC1(31.9%)和PC2(28.7%),兩者累計(jì)貢獻(xiàn)率為60.6%,由于其他成分貢獻(xiàn)率更小,故只采用PC1和PC2來(lái)表征土壤微生物群落碳源代謝特征。由圖8可知,不同坡位土壤微生物群落在PC軸上出現(xiàn)分布差異。不同坡位土壤微生物群落的碳源利用有明顯的分異效果,這表明坡位不同對(duì)土壤微生物群落的碳源利用有較大的影響。整體上下坡位在PC1和PC2正半軸的載荷值最高,這說(shuō)明坑底的土壤微生物群落基礎(chǔ)代謝活性高于其他坡位。此外,將主成分PC1和PC2的得分系數(shù)與31種單一碳源做相關(guān)性分析,其中與PC1相關(guān)的碳源有14種,主要是糖類(lèi)(D-半乳糖酸γ-內(nèi)酯﹑D, L-α-磷酸甘油)和羧酸類(lèi)(丙酮酸甲酯﹑D-半乳糖醛酸﹑α-丁酮酸),與PC2相關(guān)的碳源有12種,其中糖類(lèi)(D-木糖/戊醛糖﹑N-乙酰-D葡萄糖氨),氨基酸類(lèi)(L-苯丙氨酸﹑L-絲氨酸)和聚合物類(lèi)(α-環(huán)式糊精﹑肝糖)對(duì)PC2貢獻(xiàn)較大。由此可以看出，在倒石坡上糖類(lèi)和羧酸類(lèi)碳源更能引起土壤微生物群落功能變化。同時(shí)也說(shuō)明倒石坡的土壤環(huán)境為土壤微生物提供了充足的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì),且碳水化合物類(lèi)物質(zhì)豐富。

2.5 土壤微生物群落功能多樣性

目前群落多樣性指數(shù)常用Simpson指數(shù)(D)、Shannon-Wiener指數(shù)(H)和McIntosh指數(shù)(U)來(lái)表征,是研究常見(jiàn)物種優(yōu)勢(shì)度,群落豐富度及均勻度的綜合指標(biāo)[26]。結(jié)果如表4所示,下坡位的Shannon-Wiener指數(shù)最高,不同坡位間差異顯著(P<0.05),表明下坡位的土壤微生物群落種類(lèi)多,分布均勻。其次Simpson指數(shù)在坑底和下坡位略高于其他坡位,除坑口和上坡位差異不顯著外,其余坡位均差異顯著(P<0.05),說(shuō)明在坑底和下坡位的土壤微生物群落優(yōu)勢(shì)種群長(zhǎng)勢(shì)良好,數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)明顯。最后的McIntosh指數(shù)在各坡位差異顯著(P<0.05),下坡位最大,其次坑底,表明下坡位的土壤微生物種類(lèi)豐富,且均勻度高。綜上可知在退化天坑的倒石坡上,不同坡位的土壤微生物群落功能多樣性存在差異,相比而言坑底和下坡位的多樣性更高,具有更高的土壤微生物種群生態(tài)位。

表4 土壤微生物群落多樣性指數(shù)

數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示,不同字母表示不同坡位間差異顯著(P<0.05)；相同字母表示差異不顯著(P>0.05)

3 討論

3.1 負(fù)地形倒石坡環(huán)境梯度對(duì)土壤微生物多樣性的影響

生物多樣性沿環(huán)境梯度的變化是近年來(lái)生物多樣性研究的重要問(wèn)題,環(huán)境梯度是影響物種多樣性分布格局的決定性因素之一,亦是生物多樣性分布格局研究的重要方面[27]。本研究通過(guò)β多樣性指數(shù)比較發(fā)現(xiàn),從坑口到坑底各β多樣性指數(shù)逐漸增大,各坡位間物種組成差異大,這說(shuō)明天坑作為一種獨(dú)特的地理生境,坑內(nèi)外生境具有明顯的分異特點(diǎn),坑坡上不同坡位的生境也存在差異,其中下坡位和坑底的差異最大,下坡位生境異質(zhì)性明顯。不同生境具有差異性的土壤環(huán)境、溫度和水分等非生物環(huán)境,這些都會(huì)影響土壤微生物群落多樣性[28]。首先坡位是重要的地形因子,不同坡位的生境直接影響著土壤微生物群落。研究表明坡面表層的土壤微生物量和養(yǎng)分會(huì)由于地表徑流和淋溶作用而表現(xiàn)出明顯的“洼積效應(yīng)”,即隨坡位的上升,土壤微生物量和土壤養(yǎng)分會(huì)逐漸降低[29]?？λ固赝嘶炜拥牡故缕旅?坡上部土壤細(xì)粒由于侵蝕、重力等作用搬運(yùn)到坡下部,因此土壤匯聚效應(yīng)使坡下部的土壤較厚,有機(jī)質(zhì)含量高。而土壤顆粒越細(xì)﹑有機(jī)質(zhì)含量越高,土壤微生物群落結(jié)構(gòu)就會(huì)越復(fù)雜,多樣性也越高[30]。本研究發(fā)現(xiàn)土壤微生物群落功能多樣性也表現(xiàn)為下坡位>中坡位>上坡位,有明顯的“洼積效應(yīng)”。這與黃土高原丘陵溝壑區(qū)坡面[15]和紫色土區(qū)坡耕地坡面[31]的土壤微生物群落多樣性和數(shù)量分布規(guī)律一致。

其次坡位會(huì)引起土壤水分的變化,這也是導(dǎo)致多樣性波動(dòng)的重要因素。Gordon等[32]和Xiang等[33]的研究一致認(rèn)為,較高的土壤水分可提高土壤微生物活性。樣地調(diào)查土壤含水量發(fā)現(xiàn),坑內(nèi)土壤含水量顯著高于坑口(P<0.05)?？涌跒榈湫偷目λ固氐刭|(zhì)環(huán)境,石漠化嚴(yán)重,保水性差,造成土壤有機(jī)質(zhì)流失,影響土壤微生物生存環(huán)境,因而坑口的土壤微生物群落多樣性較低。而喀斯特漏斗地形底部可聚集大量的水分,坑坡(沖溝)也具有較強(qiáng)的匯水功能,良好的土壤條件使土壤微生物群落多樣性更高。

最后土壤的管理方式也會(huì)通過(guò)改變土壤理化性質(zhì)而影響土壤微生物群落多樣性。走訪(fǎng)調(diào)查了解到巴家陷塘在70年代以前坑底曾進(jìn)行農(nóng)耕活動(dòng),建國(guó)之后處于停耕狀態(tài),有一定的自然恢復(fù),但同時(shí)存在適度放牧等人為干擾,羊等牲畜主要集中在坑底和下坡位處覓食。根據(jù)“中度干擾理論”,適度放牧干擾下,植物根系發(fā)育良好且分泌物較為豐富,改善土壤條件,利于微生物的生存和繁殖,從而使得下坡位和坑底具有較高的土壤微生物群落多樣性[34]。

3.2 負(fù)地形倒石坡植被對(duì)土壤微生物多樣性的影響

植被群落狀態(tài)是土壤微生物群落功能多樣性的主導(dǎo)因素之一,坡面不同坡位的水熱組合會(huì)影響植被覆蓋差異,同時(shí)影響土壤性質(zhì),使得地表群落和地下系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)[35]。生態(tài)系統(tǒng)中的植物群落可通過(guò)影響土壤的碳氮含量﹑含水量﹑通氣性及pH值等來(lái)影響土壤微生物群落多樣性[36],地表植物多樣性高有利于土壤微生物群落代謝及多樣性形成。Waid等[37]認(rèn)為土壤微生物群落多樣性變化與植被類(lèi)型﹑數(shù)量及化學(xué)組成有密切關(guān)系。周桔等[38]研究發(fā)現(xiàn)地上植被多樣性與土壤微生物群落多樣性呈顯著正相關(guān)。本研究通過(guò)對(duì)比草本層植物多樣性指數(shù)發(fā)現(xiàn),坑底的Simpson指數(shù)和Margalef指數(shù)均顯著高于坑口(P<0.05)?？涌谥参锶郝涫墉h(huán)境的影響,植被覆蓋率及多樣性較低。而土壤微生物群落多樣性也顯示坑底土壤微生物群落對(duì)碳源利用程度較高,多樣性指數(shù)均表現(xiàn)為坑底顯著高于坑口(P<0.05),表明坑底土壤微生物群落種類(lèi)多且均勻。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)巴家陷塘中度退化天坑倒石坡的土壤微生物群落研究發(fā)現(xiàn),坑底和坑口的土壤微生物群落功能多樣性存在明顯差異,坑底土壤微生物群落的碳源代謝能力和功能多樣性指數(shù)(Shannon指數(shù)﹑Simpson指數(shù)﹑McIntosh指數(shù))均高于坑口?？悠伦鳛檫B接坑內(nèi)外的過(guò)渡帶,其土壤微生物群落多樣性與坑底、坑口具有相異的特點(diǎn),下坡位土壤微生物群落功能多樣性略高于坑底,顯著高于中坡位,在坡面上呈現(xiàn)出下坡位>中坡位>上坡位的趨勢(shì)。下坡位的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,生物多樣性較豐富,異質(zhì)性較高,并且受到天坑環(huán)境資源調(diào)控,其土壤養(yǎng)分及持水性能優(yōu)于其他樣地,能為土壤微生物群落提供更多的生態(tài)位。因此未來(lái)在退化天坑封山育林的保護(hù)中,更應(yīng)重視倒石坡的生物多樣性及物種保護(hù)的重要性。

本研究采用的Biolog微平板技術(shù)工作效率高,操作簡(jiǎn)單,被廣泛應(yīng)用于土壤微生物群落功能多樣性研究。但該技術(shù)具有一定的局限性,只能反映能利用Biolog微平板中碳源的微生物。今后研究需采用高通量測(cè)序技術(shù)﹑磷脂脂肪酸(PLFA)、土壤蛋白質(zhì)組學(xué)等方法,對(duì)比天坑內(nèi)外土壤微生物群落差異,深入探究土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及功能多樣性,特別與土壤營(yíng)養(yǎng)循環(huán)相關(guān)的功能微生物群落多樣性,這將有利于喀斯特天坑作為生物多樣性寶庫(kù)的進(jìn)一步探索。