珠江三角洲濱海濕地土壤微生物群落多樣性與養(yǎng)分的耦合關(guān)系

孟妍君, 秦 鵬

(1.桂林旅游學(xué)院, 廣西 桂林 541006; 2.桂林理工大學(xué) 博文管理學(xué)院, 廣西 桂林 541006)

從生態(tài)環(huán)境的角度來講，由于其構(gòu)成要素眾多且存在顯著的交互作用，因此其復(fù)雜性和多樣性尤為突出，對(duì)于陸地生態(tài)而言更是如此，由于其直接作為人類生存發(fā)展的載體，動(dòng)植物的生長(zhǎng)發(fā)育受其直接制約，因此其具有復(fù)雜性的同時(shí)更突顯了其重要性[1-2]。立足于陸地生態(tài)環(huán)境，其中關(guān)鍵的構(gòu)成部分離不開土壤和微生物，絕大多數(shù)植被的生長(zhǎng)發(fā)育離不開土壤，在物質(zhì)和能量交換過程中離不開微生物，從而形成了土壤—植物局地生態(tài)系統(tǒng)[3]。作為土壤生態(tài)的重要構(gòu)成部分，微生物對(duì)于凋落物的分解發(fā)揮著無可替代的效果，同時(shí)在酶的參與下進(jìn)一步提升了分解效果，二者是息息相關(guān)的，此外，環(huán)境因子也發(fā)揮著明顯的制約效應(yīng)[4-5]。離開了微生物，凋落物等腐殖質(zhì)的降解將無從談起，這在土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過程中尤為關(guān)鍵，直接制約著土壤肥力及活性，因此，在土壤質(zhì)量分析過程中微生物常常作為關(guān)鍵指標(biāo)加以分析。近些年來，微生物數(shù)量及分布特點(diǎn)等方面受到了大量學(xué)者的關(guān)注，并對(duì)此開展了長(zhǎng)期的實(shí)地研究，加之研究方法及研究技術(shù)的不斷改進(jìn)優(yōu)化，對(duì)其研究更為深入，尤其是其結(jié)構(gòu)及區(qū)系等方面，研究更為深入、多樣，其多樣性產(chǎn)生的影響進(jìn)一步探究，尤其是隨著分子研究水平的不斷提升，微生物多樣性等方面的分析更為深入[6-8]。目前來講，對(duì)于微生物多樣性研究，首先要探究其物種分布，此外還需要對(duì)其功能及遺傳方面加以探究，在此過程中常用的研究方法不僅包括碳素利用法[9-10]，還包括核酸分析法等多元化研究方法；有機(jī)質(zhì)分解在土壤養(yǎng)分積累的過程中尤為關(guān)鍵，尤其是凋落物的降解，不僅與植被生長(zhǎng)息息相關(guān)，同時(shí)與微生物活動(dòng)關(guān)系密切，凋落物降解依賴于微生物分解[11-12]，同時(shí)又為微生物新陳代謝提供能量支撐，因此來說，探究土壤與微生物及植被之間的關(guān)系具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

對(duì)于珠江三角洲濕地而言，其形成主要受制于珠江和海洋的交互效應(yīng)，是入?？诘貛У漠a(chǎn)物，由于其河口地質(zhì)構(gòu)造突出，受制于河口地帶水動(dòng)力作用等，形成了突出的河口三角洲地帶，呈現(xiàn)出明顯的濕地生態(tài)環(huán)境[13-15]，這也是當(dāng)?shù)剌^為獨(dú)特的地貌之一。隨著海平面的不斷上升，大量泥沙沉積于河口區(qū)域，從而不僅形成了濱海濕地，同時(shí)出現(xiàn)了大量的淺灘，出現(xiàn)了大量的顆粒沉積物，對(duì)于珠江三角洲生態(tài)產(chǎn)生了重要影響和變化，甚至出現(xiàn)了水下三角洲的獨(dú)特生態(tài)，其泥質(zhì)沉積體現(xiàn)象較為突出[16-17]。然而，從20世紀(jì)80年代開始，在工業(yè)化進(jìn)程的不斷發(fā)展過程中，珠江三角洲濕地生態(tài)發(fā)生了巨大變化，不僅濕地面積大幅下降，同時(shí)局地生態(tài)變化突出，呈現(xiàn)出明顯的退化現(xiàn)象，導(dǎo)致原有的濕地景觀衰退，還直接導(dǎo)致生物多樣性下降，破壞了其原有的生態(tài)平衡[18]。尤為突出的環(huán)境問題影響了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，對(duì)于濕地保護(hù)尤為不利，基于此，本研究從2015年開始進(jìn)行連續(xù)3 a的實(shí)地觀測(cè)研究分析，長(zhǎng)期觀測(cè)珠三角濱海濕地[互花米草(Spartinaalterniflora)濕地、堿蓬灘(Suaedaglauca)濕地、蘆葦(Phragmitescommunis)濕地、紅樹林(Rhizophoraapiculata)濕地]，探究該區(qū)域的土壤狀況及微生物特點(diǎn)，揭示養(yǎng)分和微生物之間的內(nèi)在關(guān)系，探究微生物群落分布特性，探尋其交互作用機(jī)理，從而為濕地保護(hù)提供有益參考和借鑒，為修復(fù)退化的濕地環(huán)境提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究選取珠江河口的淇澳島(113°36′40″—113°39′15″E，22°23′40″—22°27′38″N)，該區(qū)域面積約為24 km2，受地理位置制約而具有較為突出的亞熱帶海洋氣候特點(diǎn)，通過近些年來該地區(qū)的氣象資料分析得知，年均氣溫達(dá)到22℃，即使是氣溫最低1月，其月均溫度依然能達(dá)到15℃，其最低溫為2.4℃。受地理位置及水文特點(diǎn)的影響，其潮汐現(xiàn)象呈現(xiàn)出半日潮的特點(diǎn)，且具有不規(guī)則的變化特點(diǎn)，潮漲潮落的規(guī)律難以找尋，潮差變化較大，容易受枯水季的影響，潮差一般不超過2 m。通過對(duì)其氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得知，該區(qū)域受熱帶氣旋的影響較為常見，每年出現(xiàn)的次數(shù)甚至達(dá)到了12次，對(duì)于珠江口的影響較大。

1.2 樣品采集

2015年8月，在淇澳島選取蘆葦、紅樹林、互花米及堿蓬濕地，每種濕地選取3個(gè)重復(fù)樣地(每個(gè)樣地面積為50 m×50 m)，每個(gè)樣地長(zhǎng)期布設(shè)15個(gè)2 m×2 m的重復(fù)樣方，共計(jì)180個(gè)樣方，連續(xù)觀測(cè)3 a。連續(xù)3 a在每個(gè)樣方采集土壤混合樣品，采集深度為20 cm，采樣四點(diǎn)混合法采集約為2 kg新鮮土壤樣品，每年采集180個(gè)土壤樣品，3 a共計(jì)540個(gè)土壤樣品。取樣完成之后把樣品分為兩部分處理，一部分帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行風(fēng)干操作，并對(duì)其雜質(zhì)進(jìn)行去除之后來科學(xué)地測(cè)定其養(yǎng)分和有效養(yǎng)分含量，另一部分則在取樣現(xiàn)場(chǎng)過100目篩后保存在4℃保溫冰箱之中，并對(duì)其土壤中各種微生物量進(jìn)行測(cè)定[7-8]。

本研究過程中對(duì)土壤養(yǎng)分開展了一系列的測(cè)定，對(duì)有機(jī)碳、全氮及全鉀的測(cè)定分別采取氧化法、定氮法及光度計(jì)法，同時(shí)借助于烘干法來測(cè)定其含水量，要求溫度達(dá)到105℃，對(duì)于其pH值的測(cè)定則借助于電位法。

通過平板梯度稀釋法來測(cè)定土壤中各種微生物的數(shù)量。值得注意的是，高氏一號(hào)瓊脂培養(yǎng)基、馬丁氏培養(yǎng)基、牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基這3種培養(yǎng)基分別為放線菌、真菌以及細(xì)菌的培養(yǎng)基，這樣能夠獲得多次重復(fù)的菌落平均數(shù)，用其乘以相應(yīng)的稀釋倍數(shù)就得到了相應(yīng)的微生物菌落數(shù)。對(duì)于微生物量碳、氮及磷的測(cè)定借助于浸提法進(jìn)行。所有指標(biāo)測(cè)定均重復(fù)3次后取平均值。

1.3 土壤微生物群落功能多樣性

微生物對(duì)于凋落物的分解發(fā)揮著無可替代的效果，同時(shí)在酶的參與下進(jìn)一步提升了分解效果，二者是息息相關(guān)的，離開了微生物，凋落物等腐殖質(zhì)的降解將無從談起，這在土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過程中尤為關(guān)鍵，直接制約著土壤肥力及活性，因此，在土壤質(zhì)量分析過程中微生物常常作為關(guān)鍵指標(biāo)加以分析。本研究過程中對(duì)于微生物多樣性的測(cè)定主要立足于McIntosh，Shannon和Simpson等指數(shù)的角度[19]。

在微生物呼吸的測(cè)定過程中，主要借助于堿液吸收法，其與微生物量碳之間的比值即為代謝熵：qCO2=MR/MBC[19]。本研究對(duì)于水解酶進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)定，研究過程中借助于對(duì)硝基苯酚(pNP)法，對(duì)于微生物群落分布主要通過McIntosh，Simpson等多樣性指數(shù)進(jìn)行衡量，對(duì)于Simpson指數(shù)計(jì)算而言，首先對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行放大1 000倍的處理，這樣將不會(huì)出現(xiàn)負(fù)數(shù)的現(xiàn)象；對(duì)于微生物的碳源利用水平進(jìn)行衡量過程中主要借助于AWCD值衡量法[20]，即：

AWCD=∑[(Ci-R)/31]

(1)

H=-∑Pi(lnPi)

(2)

Pi=(Ci-Ri)/∑(Ci-Ri)

(3)

在開展指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析之前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的均值處理，并充分考慮標(biāo)準(zhǔn)誤差，然后借助于Excel 2010整理相關(guān)數(shù)據(jù)，并開展SPSS 21.0統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，尤其是相關(guān)分析及顯著性檢驗(yàn)等，并對(duì)不同的置信水平開展相應(yīng)檢驗(yàn)。在探究微生物和養(yǎng)分之間關(guān)系的過程中主要運(yùn)用了CANOCO 4.5，此外還對(duì)其與環(huán)境因子之間的關(guān)系進(jìn)行探討。

2 結(jié)果與分析

2.1 濱海濕地不同植物群落土壤養(yǎng)分

由圖1可知，濱海濕地不同植物群落土壤pH值變化范圍為7.13～7.56，基本表現(xiàn)為：互花米草濕地>堿蓬灘濕地>蘆葦濕地>紅樹林濕地，其中不同濕地植物群落土壤pH值差異均不顯著(p>0.05)；土壤有機(jī)碳變化范圍為9.63～13.98 g/kg，基本表現(xiàn)為：互花米草濕地<堿蓬灘濕地<蘆葦濕地<紅樹林濕地，其中蘆葦濕地和紅樹林濕地差異不顯著(p>0.05)，二者顯著高于互花米草濕地和堿蓬灘濕地(p<0.05)；土壤全氮變化范圍為0.91～1.18 g/kg，基本表現(xiàn)為：互花米草濕地<堿蓬灘濕地<蘆葦濕地<紅樹林濕地，其中不同濕地差異均顯著(p<0.05)；土壤全氮變化范圍為26.52～43.09 g/kg，基本表現(xiàn)為：互花米草濕地<堿蓬灘濕地<蘆葦濕地<紅樹林濕地，紅樹林濕地顯著高于其他濕地(p<0.05)。

注：不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)，下同。

2.2 濱海濕地不同植物群落土壤微生物數(shù)量

由圖2可知，濱海濕地不同植物群落土壤細(xì)菌數(shù)量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，占微生物總數(shù)的70%左右，其次是放線菌，真菌最少。土壤微生物總數(shù)變化范圍為(2.03～2.81)×107cfu/g，基本表現(xiàn)為：互花米草濕地<堿蓬灘濕地<蘆葦濕地<紅樹林濕地，其中不同濕地土壤微生物總數(shù)差異均顯著(p<0.05)；土壤細(xì)菌數(shù)目變化范圍為(1.23～1.57)×107cfu/g，基本表現(xiàn)為：互花米草濕地<堿蓬灘濕地<蘆葦濕地<紅樹林濕地，其中蘆葦濕地和紅樹林濕地差異不顯著(p>0.05)，互花米草濕地顯著低于其他濕地(p<0.05)；放線菌數(shù)目變化范圍為(3.1～6.1)×106cfu/g，基本表現(xiàn)為：互花米草濕地<堿蓬灘濕地<蘆葦濕地<紅樹林濕地，其中不同濕地放線菌數(shù)目差異均顯著(p<0.05)；真菌數(shù)目變化范圍為(4.5～8.4)×105cfu/g，基本表現(xiàn)為：互花米草濕地<堿蓬灘濕地<蘆葦濕地<紅樹林濕地，其中不同濕地真菌數(shù)目差異均顯著(p<0.05)。綜合分析可知，微生物總數(shù)、細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量最大值出現(xiàn)在紅樹林濕地，最小值出現(xiàn)在互花米草濕地。

2.3 濱海濕地不同植物群落土壤微生物量

由圖3可知，濱海濕地不同植物群落土壤微生物量存在一定差異，土壤微生物量碳變化范圍為124～169 mg/kg，基本表現(xiàn)為互花米草濕地<堿蓬灘濕地<蘆葦濕地<紅樹林濕地，其中不同濕地差異均顯著(p<0.05)；土壤微生物量氮變化范圍為68～92 mg/kg，基本表現(xiàn)為互花米草濕地<堿蓬灘濕地<蘆葦濕地<紅樹林濕地，其中不同濕地差異均顯著(p<0.05)；微生物量磷變化范圍為13～16 mg/kg，基本表現(xiàn)為互花米草濕地<堿蓬灘濕地<蘆葦濕地<紅樹林濕地，其中不同濕地差異均不顯著(p>0.05)。

2.4 濱海濕地不同植物群落土壤微生物群落多樣性

由圖4可知，濱海濕地不同植物群落土壤微生物群落功能多樣性指數(shù)存在一定差異，土壤微生物物種豐富度指數(shù)(H)變化范圍為1.63～3.35，基本表現(xiàn)為互花米草濕地<堿蓬灘濕地<蘆葦濕地<紅樹林濕地，其中不同濕地差異均顯著(p<0.05)；土壤微生物均勻度指數(shù)(E)變化范圍為0.24～0.75，基本表現(xiàn)為互花米草濕地<堿蓬灘濕地<蘆葦濕地<紅樹林濕地，其中互花米草濕地和堿蓬灘濕地差異均不顯著(p>0.05)；優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(Ds)變化范圍變化范圍為0.686～0.701，基本表現(xiàn)為互花米草濕地<堿蓬灘濕地<蘆葦濕地<紅樹林濕地，其中不同濕地差異均不顯著(p>0.05)；碳源利用豐富度指數(shù)(S)變化范圍為7.15～16.79，基本表現(xiàn)為互花米草濕地<堿蓬灘濕地<蘆葦濕地<紅樹林濕地，其中不同濕地差異均顯著(p<0.05)。

圖2 濱海濕地不同植物群落土壤微生物數(shù)量的變化

圖3 濱海濕地不同植物群落土壤微生物量的變化

2.5 土壤微生物及其與土壤養(yǎng)分之間的耦合關(guān)系

由表1可知，土壤微生物群落功能的變化與土壤養(yǎng)分的變化呈正比例關(guān)系。與土壤pH值之間的關(guān)系為負(fù)相關(guān)。土壤微生物碳源利用豐富度指數(shù)(S)、均勻度指數(shù)(E)和物種豐富度指數(shù)(H)土壤養(yǎng)分各指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)，均高于優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(Ds)。概而言之，土壤養(yǎng)分、土壤pH值和微生物群落功能多樣性之間，是相互依賴和影響的，土壤養(yǎng)分的貢獻(xiàn)程度較高，土壤pH值的貢獻(xiàn)程度較低。由以上推斷可知，濱海濕地不同植物群落土壤微生物群落多樣性會(huì)存在較大差異。

研究表明(表2)，不同濕地4個(gè)特征值的累積方差貢獻(xiàn)率分別為70.23%，75.15%，72.27%，73.09%，基本能反映出大部分的變量信息，由此建立兩兩之間的4對(duì)典型變量的構(gòu)成(表3)，由于第1，2對(duì)典型變量相關(guān)系數(shù)大，第3，4對(duì)典型變量的影響較小，因此，只取第一、二對(duì)典型變量進(jìn)行分析。

互花米草濕地，土壤微生物特征和土壤養(yǎng)分的第一、二對(duì)典型相關(guān)系數(shù)分別為0.992和0.856，表明土壤養(yǎng)分的第一、二對(duì)變量對(duì)土壤微生物第一、二對(duì)變量的影響較大(表3)；堿蓬灘濕地，0.987**和0.814**(p<0.01)，表明土壤養(yǎng)分的第一、二對(duì)變量對(duì)土壤微生物第一、二對(duì)變量的影響較大；蘆葦濕地，0.956**和0.809**(p<0.01)，表明土壤養(yǎng)分的第一、二對(duì)變量對(duì)土壤微生物的第一、二對(duì)變量的影響較大；紅樹林濕地，0.986**和0.814**(p<0.01)，表明土壤養(yǎng)分的第一、二對(duì)變量對(duì)土壤微生物第一、二對(duì)變量的貢獻(xiàn)較大。

圖4 濱海濕地不同植物群落土壤微生物群落多樣性

表1 土壤養(yǎng)分與微生物多樣性之間相關(guān)性(n=540)

3 討 論

對(duì)于陸地生態(tài)系統(tǒng)，土壤微生物在物質(zhì)和能量交換過程中起著重要的調(diào)節(jié)作用；土壤微生物也常常用于衡量土壤質(zhì)量，一方面微生物活動(dòng)改變著土壤理化特性，另一方面土壤環(huán)境為微生物活動(dòng)創(chuàng)造更為適宜的新陳代謝環(huán)境，二者具有明顯的相互促進(jìn)性[21]。

表2 土壤微生物與土壤養(yǎng)分典范相關(guān)分析的卡方檢驗(yàn)

表3 土壤微生物與土壤養(yǎng)分的前兩對(duì)典型變量的構(gòu)成

通過本試驗(yàn)連續(xù)3年的觀測(cè)研究得知，雖然土壤的有機(jī)碳、全氮及全鉀存在較大的差異，但是其整體變化規(guī)律較為接近，其中分布含量最高的是紅樹林濕地，其次是堿蓬灘、蘆葦濕地，而最低的是互花米草濕地，對(duì)于微生物菌群而言，數(shù)量方面難以匹敵的依然是細(xì)菌，其占比高達(dá)70%，而真菌數(shù)量最不占據(jù)優(yōu)勢(shì)；從其數(shù)量分布方面來講，其規(guī)律性較為明顯，數(shù)量最高的濕地依然是紅樹林，而數(shù)量最少的濕地依然是互花米草區(qū)域，對(duì)于不同濕地而言，其微生物數(shù)量呈現(xiàn)較大差異，且這種差異具有顯著性，達(dá)到了0.05的顯著性檢驗(yàn)水平。對(duì)于紅樹林濕地區(qū)域而言，大量的枯枝落葉等凋落物形成了大量的腐殖質(zhì)來源，在微生物作用下，其被分解為有機(jī)質(zhì)，為土壤養(yǎng)分的積累奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)，凋落物能夠有效促進(jìn)土壤水分的保持，利于涵養(yǎng)降雨等水分，從而在促進(jìn)林木生長(zhǎng)的同時(shí)提升微生物新陳代謝的條件。此外，對(duì)于紅樹林區(qū)域而言，其具有更適宜微生物活動(dòng)的表土結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的分解效率，加速了能量轉(zhuǎn)換。通過相關(guān)性分析得知，微生物數(shù)量及其生物量受到土壤養(yǎng)分的顯著制約，二者正向變化關(guān)系尤為突出，且其協(xié)調(diào)發(fā)展效應(yīng)較強(qiáng)，具有較強(qiáng)的互補(bǔ)性[15]。微生物活動(dòng)離不開必要的養(yǎng)分支撐，相反，凋落物等有機(jī)質(zhì)的分解離不開微生物，從而促進(jìn)養(yǎng)分積累，二者關(guān)系尤為密切，對(duì)于不同濕地而言，雖然其碳、氮含量存在較大差異，但是其含量的提升將會(huì)促進(jìn)微生物量碳及氮的聚集。通過研究對(duì)比分析得知，對(duì)于微生物量而言，其與養(yǎng)分的關(guān)系密切，作為養(yǎng)分的核心來源之一，有機(jī)質(zhì)含量起著關(guān)鍵作用；綜合來看，對(duì)于濱海濕地而言，雖然群落分布有所差異，但是微生物和養(yǎng)分之間的關(guān)系具有不可分割性，微生物的新陳代謝等活動(dòng)利于養(yǎng)分的積累[22-23]，對(duì)于有機(jī)質(zhì)的降解效應(yīng)尤為關(guān)鍵，二者具有較強(qiáng)的協(xié)同發(fā)展效應(yīng)。

在土壤有機(jī)碳中，微生物量碳的含量一般不超過5%，對(duì)于全氮而言，微生物量氮的占比一般在6%左右，有些學(xué)者認(rèn)為這并不是普遍現(xiàn)象，碳、氮含量的變化具有不確定性，也不是土壤的固化特點(diǎn)[22-23]。通過連續(xù)3年的觀測(cè)分析得知，對(duì)于微生物量碳、氮、磷而言，雖然在不同濕地區(qū)域來說，其含量存在較大差異，但是其依然具有一定的規(guī)律性，其中含量最高的是紅樹林濕地，其次蘆葦濕地區(qū)域，而互米花草濕地的含量最低，除了微生物量磷之外，碳、氮含量均呈現(xiàn)了顯著性差異。對(duì)于濱海濕地而言，微生物不同菌群在數(shù)量方面的差異較大，且其變化特點(diǎn)與總微生物數(shù)量基本接近，相比而言，細(xì)菌更具有數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)。不同的濕地區(qū)域，其不僅具有差異較大的土壤結(jié)構(gòu)，其土壤肥力及活性方面也會(huì)出現(xiàn)較大差異，加之土壤通透性的差異，其將會(huì)對(duì)微生物活動(dòng)產(chǎn)生顯著的制約，對(duì)于紅樹林區(qū)域而言，其不僅具有多樣性的植被分布，同時(shí)生物量突出，受凋落物影響，其水源涵養(yǎng)能力得以有效提升，土壤養(yǎng)分狀況相對(duì)較好，加之河水沖擊形成了養(yǎng)分集聚，對(duì)于提升該區(qū)域的養(yǎng)分水平效果顯著，受此影響，微生物活動(dòng)進(jìn)一步加強(qiáng)，對(duì)于有機(jī)質(zhì)降解效果更好。雖然菌群的數(shù)量存在較大差異，但是不同的菌群對(duì)于環(huán)境的酸堿性喜好并不相同，對(duì)于真菌而言，其更適宜于在酸性條件下生長(zhǎng)[24]，而對(duì)于其他兩種菌群而言，則更喜好中性環(huán)境。

綜合來看，微生物活動(dòng)改變著土壤理化特性，另一方面土壤環(huán)境為微生物活動(dòng)創(chuàng)造更為適宜的新陳代謝環(huán)境，二者具有明顯的相互促進(jìn)性，在濕地生態(tài)保護(hù)過程中要充分注重微生物和養(yǎng)分的協(xié)調(diào)，合理控制氮、磷等含量，發(fā)揮微生物效應(yīng)。