深圳市3種不同林分丘陵林地土壤細菌群落特征

董志強,史正軍,謝惠春,曾 偉,馮世秀,鄧 麗

(1.青海師范大學生命科學學院,西寧 810008;2.深圳市中國科學院仙湖植物園/深圳市南亞熱帶植物多樣性重點實驗室,廣東 深圳 518004;3.廣東深圳城市森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站,廣東 深圳 518004)

【研究意義】土壤細菌是土壤生態(tài)系統(tǒng)的關鍵組成部分,在生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)重要地位。土壤細菌在土壤發(fā)育過程中起著物質循環(huán)、能量流動和信息傳遞等關鍵作用,且土壤細菌群落變化也是反映土壤發(fā)育程度和健康狀況的重要指標[1]。不同恢復模式不僅可以改變土壤細菌群落和多樣性,而且對土壤微環(huán)境也有重要影響[2]。本研究通過分析景觀林、人工林和次生林3種林分類型對土壤細菌群落的作用,研究不同植物類型與土壤細菌群落之間的關系?！厩叭搜芯窟M展】研究表明,不同植被會引起土壤微生物群落結構的不同[3]。不同植被凋落物的量、土壤酸堿度及不同植被區(qū)域土壤C、N和P含量也是影響土壤微生物群落的因素[4-5]。微生物是一種重要的環(huán)境因子,在改變土壤微環(huán)境中發(fā)揮重要作用。其存在會改變土壤中的微生態(tài)平衡,并促進植物的健康成長[6-7]?！颈狙芯壳腥朦c】1990年以來,深圳市積極推進“滅荒復綠”運動,大力發(fā)展馬占相思人工林,使其成為當?shù)氐闹匾坝^[8],為紀念香港回歸種植土沉香景觀林以及天然次生林3種林分類型,利用高通量測序技術檢測不同林分土壤細菌群落變化特征?！緮M解決的關鍵問題】從微觀角度探討3種林分土壤細菌群落特征,分析不同林分土壤細菌群落組成及多樣性的變化趨勢,為研究南亞熱帶不同植被恢復模式林分生態(tài)系統(tǒng)特征提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

深圳市屬于亞熱帶海洋性氣候,全市平均氣溫22.4～38.7 ℃,極端情況下低至0.2 ℃,無霜期355 d。雨量充沛,4—9月是雨季,降雨量達1933.3 mm。9塊林內含3塊沉香人工林(“97回歸林”)、3塊馬占相思人工林和3塊天然次生林。在海拔91～110 m的山谷和丘陵地帶,植被豐富,大部分都是由花崗巖構成的酸性赤紅壤。土沉香林(表示為“A”)林齡約25年,優(yōu)勢樹種為土沉香,平均胸徑15.6 cm,平均樹高8.2 m,郁閉度0.85;下層植被主要為蟛蜞菊(Pengqijudecoction),覆蓋度10%。馬占相思林(表示為“B”)林齡約35年,優(yōu)勢樹種為馬占相思,平均胸徑27.5 cm,平均樹高23.4 m,郁閉度0.85;下木主要為紫金牛(Ardisiajaponica);灌木主要為豺皮樟(Litsearotundifoliavaroblongifolia)與珊瑚樹(Viburnumodoratissimum),平均樹高2.5 m,蓋度為75%;草本主要為芒箕,蓋度為80%～90%。次生林(表示為“C”)林齡大概30年,優(yōu)勢樹種為黃牛木(Cratoxylumcochinchinense)與栲樹(Castanopsisfargesii),平均胸徑14.1 cm,平均樹高11.5 m,郁閉度0.95;下木主要為紫金牛,平均樹高1.5 m;灌木主要為珊瑚樹,平均樹高3.8 m,蓋度15%;草本主要為苔草(Carexleucochlora)、芒箕(Dicranopterisdichoyoma)、鐵線蕨(Adiantumcapillus-veneris),蓋度5%。

1.2 樣地選擇和樣品采集

各林分固定樣地規(guī)格為20 m×20 m,內設5 m×5 m共3塊小樣方。同林分各樣地間距約50 m。本研究在每塊樣地的3塊小樣方中心區(qū)域進行取樣,記為該固定樣地的3次重復。為減小每種林分樣地之間的影響,樣地與樣地之間設置50 m過渡帶。取土之前先從土壤表層剝離出0～10 cm層的凋落物,并從中取出5個,均勻混合,最終獲得27個土壤樣品。將這些樣品帶回實驗室,其中一部分經(jīng)過風干處理,篩選出2 mm顆粒,用于土壤理化性質檢測,另一部分則保存-80 ℃超低溫冰箱中,以備后續(xù)測定土壤細菌多樣性。

1.3 土壤化學性質分析方法

重鉻酸鉀氧化-外加熱法確定土壤有機質,鉬銻抗比色法測定速效磷,凱氏定氮法測出全氮,火焰光度法測出全鉀,NaOH堿溶-鉬銻抗比色法測出全磷,NH4Ac浸提-火焰光度法測定速效鉀,水解性氮通過堿解擴散法測定,酸堿度通過電位法(土地比為1∶2.5)和電導法(土地比為1∶5)確定[9]。

1.4 土壤DNA提取

采用E.Z.N.A.提取試劑盒(D4015,Omega,Inc.,USA),根據(jù)其產品標簽的指示,從中抽取出微生物的DNA樣本,利用NanoDrop ND-1000分光光度計(Thermo Fisher Scientific,Waltham,MA,USA)或者0.8%瓊脂糖凝膠電泳,對獲得的DNA數(shù)量及其質量作出準確檢驗。為了更深入地研究樣本,需將其放置在-80 ℃低溫條件下。

表1 3種不同恢復模式林分土壤基本化學性質

1.5 基因擴增與測序

聚合酶鏈式反應(PCR)引物序列為341F(5′-CCTACGGGNGGCWGCAG-3′)和805R(5′-GACTACHVGGGTATCTAATCC-3′)。在測定土壤細菌V3～V4區(qū)域時,采用PCR反應體系,其中包括DNA 50 ng、PCR預混物12.5 μL、正反向引物各2.5 μL和dd H2O 25 μL。擴展過程分別為:98 ℃預變性30 s,98 ℃改變10 s,54 ℃退火30 s,72 ℃延長45 s,35個周期,最后延長10 min。高通量測序委托廣州普樂倍康生物科技有限公司完成。

1.6 數(shù)據(jù)處理及作圖

采用Microsoft Excel 2013對數(shù)據(jù)進行整理,采用SPSS 26.0進行方差分析比較不同林分土壤化學性質差異性,通過RDA冗余分析探討土壤化學指標與土壤細菌群落之間的關系,并利用R語言中ggplot2包進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同恢復模式林分土壤化學性質基本特征

由表1可知,經(jīng)過25～30年的恢復期后,3種林分土壤化學性質表現(xiàn)出一定差異。其中闊葉次生林有機質平均含量為105.2 g/kg,顯著高于土沉香林(73.7 g/kg),而土沉香林和馬占香思林之間、闊葉次生林和馬占相思林之間土壤有機質平均含量無顯著差異(P>0.05,下同),土壤全氮和水解性氮表現(xiàn)為闊葉次生林和馬占相思林之間無顯著差異,但均顯著高于土沉香林(P<0.05,下同);而土壤全磷和有效磷平均含量則相反,表現(xiàn)為土沉香林最高。土壤全鉀平均含量表現(xiàn)為闊葉次生林最高,其它2個林分差異不顯著,但速效鉀含量則表現(xiàn)為土沉香林顯著高于其它2個林分。3種恢復模式林分之間土壤pH呈顯著差異。其中,土沉香林土壤pH平均值為6.25,而馬占相思林和闊葉次生林土壤pH分別為4.0和4.61。土壤電導率表現(xiàn)為闊葉次生林最低,土沉香林和馬占相思林土壤電導率未表現(xiàn)出顯著差異。

2.2 不同恢復模式林分土壤細菌群落多樣性

2.2.1 阿爾法(Alpha)多樣性分析 韋恩圖可以揭示3種林分細菌群落門水平下共有和特有的菌群。本研究選取豐度>1%的菌群,從門分類水平上進行分析,共鑒定出44個門,其中馬占相思林和次生林各有一個獨有菌群,土沉香林土壤門水平細菌群落有9個特有的細菌群落(圖1)。

由圖2可知,在3種不同林分中, 次生林土壤細菌群落 Chao1指數(shù)高于土沉香林與馬占相思林土壤細菌群落Chao1指數(shù),但三者不存在顯著差異。土沉香林土壤細菌群落Shannon指數(shù)與馬占相思林土壤以及次生林土壤細菌群落Shannon指數(shù)均存在顯著差異,而馬占相思林土壤細菌群落Shannon指數(shù)與天然次生林土壤細菌群落Shannon指數(shù)無顯著差異。說明土沉香林土壤細菌群落數(shù)量在門水平上結構更為復雜。

2.2.2 貝塔(Beta)多樣性分析 通過坐標中上的點,分析不同樣本群落組成,反應樣本之間的差異和距離,基于 Bray-Curtis 對其進行 PCoA 分析(主坐標分析),反映樣本間的差異和距離因素。由圖3可知,在土壤微生物群落中主成分1(PCoA1)的貢獻率為26.21%,主成分2(PCoA2)的貢獻率為14.1%。土沉香林與馬占相思林橢圓沒有存在交集,表示兩種土壤中細菌組成成分不相似;次生林橢圓幾乎與土沉香林和馬占相思林重疊,表明該地區(qū)土壤細菌群落與其余二者中土壤細菌群落結構組成相似。

圖1 門水平上3種林分細菌群落

圖2 α多樣性指數(shù)

2.3 不同恢復模式土壤細菌群落組成

在分析土壤細菌群落組成時,過濾掉相對豐度0.001%的群落,保留在各組樣品群落出現(xiàn)頻率為70%以上的菌群,對檢測出對各個水平前10的群落進行分析。由圖4可知,土沉香林土壤細菌群落在門水平分別為變形菌門(Proteobacteria,34.64%)、酸桿菌門(Acidobacteria,25.92%)、放線菌門(Actinobacteria,9.03%)、綠彎菌門(Chloroflexi,5.27%)、疣微菌門(Verrucomicrobia,3.97%)、浮霉菌門(Planctomycetes,3.82%)等。馬占相思林土壤細菌群落中酸桿菌門(Acidobacteria,37.32%)為優(yōu)勢菌群,其次為變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)以及WPS和疣微菌門(Verrucomicrobia)等。次生林土壤細菌群落在門水平優(yōu)勢菌群分別為酸桿菌門(Acidobacteria,41.37%)、變形菌門(Proteobacteria,28.78%)、放線菌門(Actinobacteria,8.9%)、綠彎菌門(Chloroflexi,4.26%)、疣微菌門(Verrucomicrobia,4.04%)等。

2.4 土壤細菌群落與環(huán)境因子冗余分析

通過RDA冗余分析發(fā)現(xiàn),3種林分土壤細菌群落組成與土壤環(huán)境因子之間存在顯著關聯(lián),第一排序軸的特征值高達32.63%,第二排序軸的特征值達7.75%,前兩軸的累計解釋變量占總特征值的40.38%。RDA冗余分析可以很好地反映土壤細菌群落與環(huán)境因子直接關系的相關性。研究表明,土沉香林的樣本點分布十分稀疏,表明不同林分的土壤細菌群落結構存在顯著差異,且這種差異受土壤理化特征的顯著影響。馬占相思林的樣本點密集,說明不同樣地土壤細菌群落結構基本相似且受土壤理化性質影響較小。研究發(fā)現(xiàn),形菌群和浮霉菌群與速效鉀、有效磷及全磷呈顯著正相關。酸桿菌門與土壤pH、有效磷和速效鉀呈極顯著負相關;綠彎菌門與有機質和全氮之間呈顯著負相關。

3 討 論

3.1 不同恢復模式林分土壤細菌群落組成

不同植被類型會影響土壤細菌群落類型和組成,細菌作為植物與土壤之間的媒介,使其互相適應,共同生長發(fā)育[3]。本研究發(fā)現(xiàn),酸桿菌門、變形菌門及放線菌門是本研究區(qū)域的主要優(yōu)勢菌群。與楊虎等[9]對寧夏南部生態(tài)移民遷出區(qū)土壤微生物組成的研究結果類似,不同恢復模式下的細菌相對豐度并不一樣,說明不同植被類型對土壤中細菌數(shù)量有一定影響。其原因可能是不同恢復模式土壤養(yǎng)分不同,因此會形成不同的微生物群落且微生物量也不同[10]。土沉香林土壤pH 6.25,表明該林地土壤屬于弱酸性,酸桿菌門為主要優(yōu)勢菌群。這與鄭威等[11]的研究結果一致。高溫土壤環(huán)境利于放線菌門的生長發(fā)育[12],本研究采樣時間為夏季,土壤養(yǎng)分豐富,為土壤中放線菌門提供適合生長發(fā)育的水熱條件。變形菌門在土壤中最活躍且最豐富,在3種林分土壤中,土沉香林土壤變形菌門相對豐度高于其余2種林分,可能是由于土沉香林土壤為其提供一個適合變形菌門的生長環(huán)境。馬占相思林土壤放線菌群相對豐度比其余2種林分高,可能是由于馬占相思林植被生長在較為空曠的山地,樹與樹之間的距離較遠,郁閉度較低,導致陽光直射在土壤表層,形成高溫干旱的環(huán)境。綠彎菌門屬于自養(yǎng)型細菌,可以生活在各種復雜的環(huán)境中,這可能是導致土壤中綠彎菌門豐度高的原因之一,也有可能是因為土壤基底性質對土壤細菌群落結構的影響較大,從而導致該地區(qū)土壤中綠彎菌門數(shù)量遠遠大于其余2種土壤[13]。

圖4 門水平土壤細菌群落分布A(土沉香林)、B(馬占相思林)和C(次生林)

A.土沉香林;B.馬占相思林;C.次生林;V1.Others; V7.Acidobacteria; V8.Actinobacteria; V15.Chloroflexi; V26.Gemmatimonadetes;V33.Planctomycetes;V34.Proteobacteria; V41.Verrucomicrobia; V42.WPS-2; SOM.有機質;TK.全鉀; NN.水解性氮; TN.全氮;TP.全磷;AK.速效鉀; AP.有效磷; EC.電導率;pH.酸堿度。

3.2 不同恢復模式土壤理化性質與土壤細菌群落的關系

土壤理化性質影響土壤細菌群落組成結構及多樣性。反之,土壤細菌群落又能有效改變土壤的肥力特征,并且能夠有效降低土壤中的有害元素[14]。RDA冗余分析發(fā)現(xiàn),酸桿菌門與土壤pH、有效磷和速效鉀呈極顯著負相關,酸桿菌屬于寡營養(yǎng),在嗜酸環(huán)境生長,植被根系交錯盤踞在土壤中,分泌出大量有機酸,為酸桿菌群提供適合生長發(fā)育的環(huán)境[15-16]。變形菌群和浮霉菌群與速效鉀、有效磷及全磷呈顯著正相關,這與杜昊楠等[17]研究結果相似。

4 結 論

不同林分土壤中,變形菌門、放線菌門和酸桿菌門為土壤細菌的優(yōu)勢菌群但相對豐度不同。不同林分土壤細菌群落多樣性有差異,通過α多樣性分析,次生林土壤細菌群落 Chao1 指數(shù)最高,但3種林分土壤細菌群落Chao1指數(shù)無顯著差異(P>0.05)。土沉香林土壤細菌群落Shannon 指數(shù)均顯著高于馬占相思林與次生林(P<0.05),說明土沉香林土壤中細菌群落種類多于其余兩種林分類型。β多樣性分析顯示,土沉香林土壤細菌群落與馬占相思林土壤細菌群落有差異。變形菌群和浮霉菌群與速效鉀、有效磷及全磷呈顯著正相關。酸桿菌門與土壤pH、有效磷和速效鉀呈極顯著負相關。

土壤特性與土壤細菌群落之間互惠共生,相互適應生長,不同恢復模式下的措施不僅在宏觀上改變了不同植被類型與土壤之間的關系,而且從微觀上也改變了土壤內微環(huán)境,從而改變土壤細菌群落結構及其組成成分。不同恢復模式下的土壤細菌群落優(yōu)勢種基本相同,但其余細菌豐度均不相同,土壤細菌各個群落的功能各不相同,參與土壤內環(huán)境能量流動與物質運輸?shù)然顒釉蕉?該土壤細菌群落的相對豐度也越高。本研究不僅可以了解不同恢復模式下土壤細菌群落的組成和差異,也可以了解土壤中細菌群落對土壤環(huán)境變化的適應情況。本研究利用不同植被對土壤環(huán)境進行改變,從而為后續(xù)選取合適的恢復模式提供理論依據(jù)。目前,經(jīng)過人工恢復綠植后的人工林土壤退化嚴重、生長力低下,且不同恢復方式下的植被具備的環(huán)境條件也不一樣,生長發(fā)育節(jié)律也有差異,后續(xù)研究中,在不同時間(比如一年四季土壤的理化性質和土壤細菌群落的動態(tài)變化特征)進行研究,通過更長的時間恢復,來判斷人工恢復的模式是否優(yōu)于自然條件恢復模式,因此,通過了解不同恢復方式措施下的林分土壤中細菌差異以及功能顯得尤為重要。