典型城鄉(xiāng)綠化樹種土壤微生物組成和多樣性的環(huán)境響應(yīng)差異

冉 堃,王澤錦,李 品

森林培育與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,干旱半干旱地區(qū)森林培育及生態(tài)系統(tǒng)研究國家林草局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,城市林業(yè)研究中心,北京林業(yè)大學(xué),北京 100083

改革開放以來的城市化帶來了經(jīng)濟(jì)上的蓬勃發(fā)展[1],并引起了人口流動(dòng)[2],二者在環(huán)境變化、人口再分布以及區(qū)域發(fā)展的影響不容忽視。一方面,在城鄉(xiāng)梯度的水平方向上形成了環(huán)境差異;另一方面,如“熱島效應(yīng)”“土壤污染”“大氣污染”等環(huán)境負(fù)荷問題也隨之而來,此類問題會(huì)導(dǎo)致環(huán)境條件退化、生物多樣性減少等嚴(yán)重的城市生態(tài)問題[3]。城市森林作為城市生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成成分,在緩解環(huán)境問題上有著關(guān)鍵作用[4],而土壤環(huán)境作為城市森林生長的“搖籃”,通過研究土壤生態(tài)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng),能夠探究出有益于城市森林生長發(fā)育的影響因素,進(jìn)而為緩解城市化環(huán)境問題提供科學(xué)有效的理論依據(jù)。

土壤生態(tài)系統(tǒng)中微生物群落的轉(zhuǎn)化速率是植物殘?bào)w的10倍[5],同時(shí)其生態(tài)生理特征對(duì)土壤養(yǎng)分、溫度以及濕度的響應(yīng)速度超過其它常規(guī)指標(biāo),如有機(jī)碳、全氮、全磷等[6],因此普遍認(rèn)為土壤微生物群落可以作為反映土壤環(huán)境變化的指標(biāo)。土壤微生物群落在分類上可以分為原核土壤微生物與真核土壤微生物,前者包括細(xì)菌、古菌和放線菌等,而后者包括真菌、藻類和原生動(dòng)物等[7]。在土壤原核微生物中,土壤細(xì)菌是豐富度、多樣性最高的一個(gè)類群[8],它們結(jié)構(gòu)簡單且適應(yīng)環(huán)境變化的能力較弱,因此一般通過改變自身的群體結(jié)構(gòu)來適應(yīng)新環(huán)境[9]。目前國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)土壤細(xì)菌極易受到環(huán)境因子的影響[10—14],但響應(yīng)結(jié)果并不一致,以土壤pH值為例,Tian等[15]發(fā)現(xiàn)土壤pH與土壤細(xì)菌群落無顯著相關(guān)關(guān)系,而周麗等[16]發(fā)現(xiàn)土壤pH顯著影響了研究區(qū)域中的土壤細(xì)菌種類。此外,氣候因子如溫度、濕度等[17]和生長在土壤上的植物群落多樣性以及植物種類[18]也會(huì)對(duì)土壤細(xì)菌群落產(chǎn)生顯著影響。

在土壤真核微生物中,土壤真菌作為另一重要的類群,在土壤養(yǎng)分的分解、轉(zhuǎn)化及循環(huán)等方面起著重要作用[19],同時(shí)還參與土壤有機(jī)質(zhì)礦化過程[20]。相比土壤細(xì)菌群落,真菌群落對(duì)于環(huán)境因子的適應(yīng)力較強(qiáng),因此能夠在一定程度上增強(qiáng)土壤的抗鹽堿能力與抗逆性,在維持土壤生態(tài)系統(tǒng)健康方面有著重要作用[21],同時(shí)一些土壤真菌可以與樹木根系形成良性共生關(guān)系,形成獨(dú)特的群落結(jié)構(gòu)與分布規(guī)律[22]。國內(nèi)外對(duì)于土壤真菌群落與環(huán)境因子的響應(yīng)主要集中在土壤因子方面。與細(xì)菌群落相似,大部分土壤理化性質(zhì)因子也會(huì)對(duì)真菌群落產(chǎn)生影響,如王峰等[23]發(fā)現(xiàn)土壤pH、土壤有機(jī)質(zhì)以及速效養(yǎng)分會(huì)對(duì)土壤真菌群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。但真菌群落在響應(yīng)上與細(xì)菌群落存在差異,如Han等[11]發(fā)現(xiàn)土壤細(xì)菌群落多樣性隨土壤可降解有機(jī)碳含量增加而減少,但土壤真菌群落表現(xiàn)為隨土壤可降解有機(jī)碳含量增加而增加。

最近有研究結(jié)合植物群落多樣性、植物種類、氣候因子以及土壤理化性質(zhì)因子對(duì)土壤微生物群落進(jìn)行了綜合分析,發(fā)現(xiàn)這四類因子對(duì)微生物存在交叉影響。Schlatter等[24]發(fā)現(xiàn),不僅植物與土壤微生物之間存在相互作用,微生物之間也存在如競爭、拮抗等關(guān)系,且微生物之間的相互關(guān)系可以抑制多種植物病害,在Liu等[25]的研究中也得出了相似的結(jié)論。對(duì)于氣候因素,Sun等[14]認(rèn)為目前過于注重氣候因子對(duì)土壤細(xì)菌群落的影響而忽略了氣候因子對(duì)其他環(huán)境因子的影響力;他們發(fā)現(xiàn)土壤細(xì)菌群落對(duì)于各類環(huán)境因子并不總是顯著相關(guān)的,其中氣溫因子的解釋率最低,僅占1.6%—18%,而土壤理化性質(zhì)因子占4.2%—70.8%,植物因子占7.8%—20.6%。

城市化發(fā)展導(dǎo)致了城鄉(xiāng)環(huán)境差異與生態(tài)環(huán)境問題。城鄉(xiāng)環(huán)境差異表現(xiàn)在城鄉(xiāng)梯度上環(huán)境因子和植物具有顯著的差異。土壤環(huán)境是城市生態(tài)環(huán)境中重要的部分,其中土壤微生物會(huì)對(duì)土壤環(huán)境的變化產(chǎn)生響應(yīng),因此成為生態(tài)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。土壤微生物主要受到氣候因子、土壤因子和植物因子的影響,氣候因子主要包括年均溫與年降水量[14];土壤因子主要包括土壤pH值[26]、土壤有機(jī)碳[27]、土壤全氮[28]、土壤全磷[24]以及土壤含水量[29];植物因子主要包括植物種類以及植物多樣性[24]。在城鄉(xiāng)梯度的研究中,認(rèn)為從城區(qū)至遠(yuǎn)郊的建立的空間梯度與通過建立時(shí)間梯度來研究環(huán)境變化的影響具有相似性,因此可以用空間替代時(shí)間的方法研究城市化對(duì)城市森林生態(tài)系統(tǒng)的影響[30]。在研究土壤微生物上,以高通量測序技術(shù)中的操作分類單元(OTU)[15]或擴(kuò)增子序列變體(ASV)[31]表為主要指標(biāo)進(jìn)行,此技術(shù)能從某個(gè)特定環(huán)境內(nèi)的微生物群落進(jìn)行全面的鑒定分析,進(jìn)而精準(zhǔn)挖掘出關(guān)鍵因子。

本研究選取國槐(Styphnolobiumjaponicum(L.) Schott)林作為研究對(duì)象,在北京市設(shè)立城區(qū)-近郊-遠(yuǎn)郊城鄉(xiāng)梯度帶,分析土壤細(xì)菌與真菌群落是否在城鄉(xiāng)梯度上存在差異,探究影響土壤微生物群落變化的土壤和氣候因子。該研究可為緩解土壤環(huán)境壓力和建設(shè)可持續(xù)森林城市提供科學(xué)依據(jù)。本研究擬解決以下問題:(1)分析土壤細(xì)菌與真菌群落在城鄉(xiāng)梯度上的響應(yīng)差異;(2)探究出現(xiàn)響應(yīng)差異的影響因素。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究地區(qū)與研究方法

研究樣地選取北京市景山公園萬春亭為中心,并通過測定各樣地距離此中心的直線距離,以此距離為參考選取了七塊立地條件相似的森林公園為樣地,具體樣地信息如表1所示。在梯度設(shè)定方面參考了Fang等[32]的設(shè)定規(guī)則,即將樣地距離中心的直線距離在0—20km以內(nèi)歸為城區(qū)、20—40km歸為近郊、40km以上歸為遠(yuǎn)郊。七個(gè)樣地整體屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,溫暖濕潤,年平均氣溫介于8.76—12.49℃,年降水量介于479—595mm,海拔介于53—673m,土壤類型以褐土、棕壤為主,土壤pH介于6.85—8.50,土壤有機(jī)碳介于1.32—4.64g/kg,土壤全氮介于0.05—0.34g/kg,土壤全磷介于0.05—0.17g/kg。

表1 樣地概括

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與野外采樣

于2021年7月,在7個(gè)公園樣地中選取胸徑和樹高接近的國槐(Styphnolobiumjaponicum(L.) Schott)林,用土鉆法在3個(gè)10m×10m的樣方中隨機(jī)鉆4鉆土(10cm鉆),土壤深度為0cm—10cm,4鉆土混合成1個(gè)樣。去除石頭、根系等雜物,過直徑2mm土壤篩,并分為三份:一份保存于超低溫冰箱中(-80℃),用于后續(xù)土壤細(xì)菌和真菌群落的擴(kuò)增工作和高通量測序;一份保存于4℃冰箱,用于測定土壤pH;另一部分樣品放于常溫下通風(fēng)晾干,隨后使用工具將其碾碎,并使其通過100目土壤篩,以備進(jìn)行土壤有機(jī)碳、全氮和全磷的測定。

1.3 土壤理化性質(zhì)測定

土壤pH(土液比1∶2.5)采用pH計(jì)測定;土壤有機(jī)碳(TOC)采用重鉻酸鉀容量-外加熱法測定,全氮(TN)含量采用半微量凱氏定氮法測定,全磷(TP)采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測定。其中年均溫(MAT)與年降水(MAP)數(shù)據(jù)來自于網(wǎng)站(http://worldclim.org)[33],記錄了從1970至2020年的年均溫與年降水?dāng)?shù)值。

1.4 土壤微生物高通量測序

土壤微生物群落組成和多樣性利用MoBio PowerSoil DNA提取試劑盒(MoBio,卡爾斯巴德,加利福尼亞州,美國)提取DNA,用于提取的土壤總DNA的樣品用量為0.5g。對(duì)于土壤細(xì)菌群落,使用338F/806F引物組來擴(kuò)增16SrRNA基因(338F,ACTCCTACGGGAGGCAGCAG,806R,GGACTACNVGGGTWTCTAAT),每個(gè)樣品重復(fù)擴(kuò)增3次;對(duì)于土壤真菌群落,使用ITS1F/ITS2R引物對(duì)擴(kuò)增rRNA基因ITS1F區(qū)(ITS1F, CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA,ITS2R,GCTGCGTTCTTCATCGATGC)。所有的PCR反應(yīng)均在20μL反應(yīng)體系中進(jìn)行,包括5μm的正引物與反引物各0.8μL、10μg的模板DNA以及20μL的H2O。熱循環(huán)是指首先在95℃的溫度下進(jìn)行30s的循環(huán),之后以55℃的退火溫度進(jìn)行30s的循環(huán),再在以72℃的溫度進(jìn)行45s的循環(huán),最后以72℃進(jìn)行10min的處理,待溫度達(dá)到10℃后停止處理。數(shù)據(jù)已經(jīng)以登記號(hào)PRJNA893845保存在國家生物技術(shù)信息中心(NCBI)序列閱讀檔案(SRA)中。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

測序數(shù)據(jù)用 QIIME分析平臺(tái)進(jìn)行分析。并在 97%的相似度水平上進(jìn)行了物種多樣性和系統(tǒng)發(fā)育多樣性(PD)分析。物種多樣性主要使用操作分類單元(簡稱OTUs)來描述。選擇差異顯著法(HSD)檢驗(yàn)法分析國槐根際土壤細(xì)菌和真菌群落組成、物種多樣性和系統(tǒng)發(fā)育多樣性在不同城市化公園之間的差異,采用Pearson相關(guān)系數(shù)對(duì)土壤細(xì)菌和真菌群落組成和多樣性與土壤理化性質(zhì)因子以及氣候因子進(jìn)行相關(guān)性分析,使用非度量多維尺度分析(NMDS)分析來檢測兩個(gè)微生物群落的結(jié)構(gòu)是否能夠在城鄉(xiāng)梯度上區(qū)分開。在R i386 3.1.1軟件中利用Vegan包使用Mantel分析計(jì)算土壤細(xì)菌和真菌群落與土壤理化性質(zhì)因子以及氣候因子的相關(guān)性,再使用決策曲線分析(DCA)決策曲線分析法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測,根據(jù)曲線結(jié)果選擇冗雜分析(RDA)或典范對(duì)應(yīng)分析(CCA)方法分析土壤理化性質(zhì)因子與氣候因子對(duì)土壤細(xì)菌、真菌群落的解釋力。

2 結(jié)果與分析

2.1 城鄉(xiāng)梯度下土壤理化性質(zhì)分布特征及其相關(guān)性

如表1所示,土壤pH、TOC和TN在城鄉(xiāng)梯度上存在顯著差異。其中,土壤pH在昌平南口公園(NP)點(diǎn)最高,鷲峰森林公園(JP)點(diǎn)最低。TOC在城鄉(xiāng)梯度上呈現(xiàn)城區(qū)>近郊>遠(yuǎn)郊的趨勢,具體表現(xiàn)為北京大業(yè)大學(xué)(BFU)、燕山公園(YP)與八達(dá)嶺森林公園(BP)三處樣地的遞減趨勢;TN在城鄉(xiāng)梯度上呈現(xiàn)城區(qū)>近郊>遠(yuǎn)郊的趨勢,在近郊的YP有短暫的回升,隨后再次降低;TP在城鄉(xiāng)梯度上無顯著差異。

2.2 城鄉(xiāng)梯度下土壤細(xì)菌與真菌群落組成特征

如圖1所示,樣地土壤細(xì)菌群落組成主要有41大類群,其中放線菌(Actinobacteriota)(28.46%)、α變形菌(Alphaproteobacteria)(14.64%)、酸桿菌(Acidobacteriota)(11.99%)、綠彎菌(Chloroflexi)(7.16%)、γ變形菌(Gammaproteobacteria)(6.04%)等5大門類是主要的類群,相對(duì)豐度均在5%以上,占據(jù)了超過85%的總序列數(shù)。此外,擬桿菌(Bacteroidota)(2.37%)、粘球菌(Myxococcota)(1.87%)、芽單胞菌(Gemmatimonadota)(1.65%)、厚壁菌(Firmicutes)(1.21%)等4大門類相對(duì)豐度比較低,占據(jù)了大約7.10%的總序列數(shù),另外還有32個(gè)稀有細(xì)菌門類被檢測到。樣地土壤真菌群落組成主要有16大類,其中子囊菌(Ascomycota)(70.16%)、未分類真菌(Fungi)(9.33%)、擔(dān)子菌(Basidiomycota)(9.20%)、被孢霉菌(Mortierellomycota)(6.48%)等4大門類是主要的類群,相對(duì)豐度均在5%以上,占據(jù)了超過85%的總序列數(shù)。此外,除羅澤真菌(Rozellomycota)(3.68%)門類的相對(duì)豐度在1%—5%之間,其余10門類的相對(duì)豐度均在1%以下,處于比較低的水平。

圖1 城鄉(xiāng)梯度下各樣地土壤細(xì)菌與真菌主要門類的相對(duì)豐度

2.3 城鄉(xiāng)梯度下土壤細(xì)菌與真菌群落主要門類相對(duì)豐度分布特征

如表2所示,城鄉(xiāng)梯度下十類土壤細(xì)菌主要門類的相對(duì)豐度共有五類存在顯著差異,分別是放線菌、γ變形菌、擬桿菌、粘球菌與厚壁菌。NMDS分析結(jié)果表明(圖2),7個(gè)樣點(diǎn)的土壤細(xì)菌群落在近郊樣地不能完全分開,而土壤真菌群落可以完全分開。

圖2 土壤細(xì)菌、真菌群落的非度量多維尺度分析結(jié)果

表2 土壤細(xì)菌主要門類沿城鄉(xiāng)梯度的相對(duì)豐度

放線菌的相對(duì)豐度在城鄉(xiāng)梯度上的趨勢表現(xiàn)為隨著距離中心的直線距離增加(表2),相對(duì)豐度先降低后增加,到達(dá)一定距離(30km)后回升到一定水平保持不變;γ變形菌的相對(duì)豐度在城鄉(xiāng)梯度上表現(xiàn)為城區(qū)>遠(yuǎn)郊>近郊,在城區(qū)的奧林匹克森林公園(OP)與近郊的龍?zhí)豆珗@(YP)處出現(xiàn)顯著差異;擬桿菌的相對(duì)豐度在城鄉(xiāng)梯度上整體表現(xiàn)為城區(qū)<近郊<遠(yuǎn)郊,在城區(qū)的OP出現(xiàn)最高值,LP出現(xiàn)最低值。粘球菌的相對(duì)豐度在城鄉(xiāng)梯度上近郊<城區(qū)<遠(yuǎn)郊,其主要差異出現(xiàn)在近郊的YP與遠(yuǎn)郊的BP中;厚壁菌的相對(duì)豐度在城鄉(xiāng)梯度上表現(xiàn)為城區(qū)>近郊>遠(yuǎn)郊,在城區(qū)的LP出現(xiàn)最高值。

如表3所示,城鄉(xiāng)梯度下五類土壤真菌主要門類的相對(duì)豐度共有三類存在差異性,分別是未分類真菌、擔(dān)子菌與羅澤真菌。未分類真菌的相對(duì)豐度在城鄉(xiāng)梯度上表現(xiàn)為近郊>城區(qū)>遠(yuǎn)郊,在城區(qū)中的OP與LP出現(xiàn)顯著差異;擔(dān)子菌的相對(duì)豐度在城鄉(xiāng)梯度上整體表現(xiàn)為遠(yuǎn)郊>城區(qū)≈近郊,在距離中心最近的BFU與距離最遠(yuǎn)的BP產(chǎn)生了顯著差異;羅澤真菌的相對(duì)豐度在城鄉(xiāng)梯度上表現(xiàn)為城區(qū)>近郊>遠(yuǎn)郊,其中城區(qū)的LP顯著高于其他樣地。

表3 土壤真菌主要門類沿城鄉(xiāng)梯度的相對(duì)豐度

2.4 城鄉(xiāng)梯度下土壤細(xì)菌與真菌群落多樣性特征

如表4所示, 細(xì)菌與真菌群落的OTUs在城鄉(xiāng)梯度上均存在差異。對(duì)于土壤細(xì)菌群落,OTUs表現(xiàn)為遠(yuǎn)郊>近郊≈城區(qū),具體表現(xiàn)為隨著距離中心的距離達(dá)到一定數(shù)值(30km)后,距離越遠(yuǎn),其OTUs數(shù)值越高;對(duì)于土壤真菌群落,OTUs在7個(gè)樣地存在顯著差異。細(xì)菌和真菌群落的PD與Shannon指數(shù)在城鄉(xiāng)梯度上的變化趨勢與OTUs的趨勢相似。

表4 各樣地土壤細(xì)菌、真菌群落物種多樣性、系統(tǒng)發(fā)育多樣性和香農(nóng)指數(shù)

2.5 土壤細(xì)菌、真菌群落與環(huán)境因子的相關(guān)性及響應(yīng)關(guān)系

Mantel分析結(jié)果表明(表5),土壤因子(土壤pH、TOC、TP和TN)和氣候因子(MAT和MAP)對(duì)土壤細(xì)菌與真菌群落均產(chǎn)生顯著影響。典范對(duì)應(yīng)分析結(jié)果表明(圖3),TN是土壤細(xì)菌與真菌群落最主要的影響因子。

圖3 土壤細(xì)菌、真菌群落分布的冗雜分析/典范對(duì)應(yīng)分析結(jié)果

表5 基于Mantel檢驗(yàn)土壤細(xì)菌和真菌群落組成與土壤、氣候因子的相關(guān)性

土壤細(xì)菌和真菌群落主要門類的相對(duì)豐度、α多樣性與環(huán)境因子的相關(guān)性熱圖表明(圖4),放線菌與土壤pH顯著相關(guān);與TOC顯著相關(guān)的有α變形菌、γ變形菌、芽單胞菌、厚壁菌、子囊菌、擔(dān)子菌、被孢霉菌以及真菌群落α指數(shù);與TN顯著相關(guān)的有放線菌、α變形菌、γ變形菌、芽單胞菌、厚壁菌、子囊菌、擔(dān)子菌以及真菌群落α指數(shù);與TP顯著相關(guān)的有擔(dān)子菌;與MAT顯著相關(guān)的有α變形菌、γ變形菌、擬桿菌、未分類真菌、真菌群落α指數(shù);與MAP顯著相關(guān)的有粘球菌、擔(dān)子菌、羅澤真菌以及真菌群落α指數(shù)。

圖4 土壤細(xì)菌、真菌群落主要門類相對(duì)豐度、α多樣性與環(huán)境因子的相關(guān)性熱圖

3 討論

3.1 城鄉(xiāng)梯度下土壤細(xì)菌主要門類的分布特征

從土壤細(xì)菌主要門類的相對(duì)豐度來看,前五類主要門類分別是放線菌(Actinobacteriota)(28.46%)、α變形菌(Alphaproteobacteria)(14.64%)、酸桿菌(Acidobacteriota)(11.99%)、綠彎菌(Chloroflexi)(7.16%)、γ變形菌(Gammaproteobacteria)(6.04%)。這與前人研究相似[15,18,28]。Tian等[15]發(fā)現(xiàn)土壤細(xì)菌的主要種類為變形菌與酸桿菌,Hou等[18]發(fā)現(xiàn)土壤細(xì)菌的主要種類為變形菌與綠彎菌。在這些土壤細(xì)菌主要門類中,放線菌、γ變形菌、擬桿菌、粘球菌與厚壁菌在城鄉(xiāng)梯度上存在顯著差異。

放線菌是一類具有重要生物活性的功能性微生物,其主要功能為產(chǎn)生種類繁雜和富含生物活性的次級(jí)代謝產(chǎn)物,能生成各種酶和有機(jī)酸等,有助于分解有機(jī)物和礦物質(zhì),同時(shí)具有良好的抗菌活性和耐鹽堿作用[34—35],因此能夠改良土壤環(huán)境,在營養(yǎng)類型菌落中被認(rèn)為屬于富營養(yǎng)菌[36]。本研究發(fā)現(xiàn)放線菌在城區(qū)BFU、OP以及LP樣地存在顯著差異,并且受到土壤pH和TN的顯著影響。

變形菌被認(rèn)為在抑制病原菌與脅迫耐受性方面起著關(guān)鍵作用[37]。 Cao等[38]表明變形菌對(duì)環(huán)境的適應(yīng)力強(qiáng),且變形菌屬于富營養(yǎng)菌[15]。γ變形菌作為變形菌門中的一類菌群,由于大量植物根基促生菌都屬于γ變形菌,因此γ變形菌可以抵抗土壤病原體[31]。本研究發(fā)現(xiàn)γ變形菌的相對(duì)豐度在城鄉(xiāng)梯度上存在顯著差異:在城區(qū)OP與近郊YP存在顯著差異,且OP顯著高于YP,同時(shí)OP樣地的土壤pH和養(yǎng)分指標(biāo)也均高于YP樣地,這與以往研究不一致[18]。Hou等[18]發(fā)現(xiàn)變形菌與TOC、TN、TP均為顯著正相關(guān)、與土壤pH呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。本研究發(fā)現(xiàn)γ變形菌與TOC和TN呈顯著負(fù)相關(guān),這與變形菌的富營養(yǎng)性不符合?？赡艿慕忉尀?一方面,由于變形菌的強(qiáng)適應(yīng)力,使得相對(duì)低養(yǎng)分環(huán)境對(duì)于γ變形菌造成的環(huán)境脅迫力降低;另一方面,在公園管理措施上,OP的人為管理水平高于YP,即使在養(yǎng)分條件劣于YP的情況下,依然出現(xiàn)了OP高于YP的情況。

擬桿菌是土壤環(huán)境中養(yǎng)分周轉(zhuǎn)與氮循環(huán)的重要菌類,同時(shí)參與纖維素的降解過程[3]。在細(xì)菌特性上擬桿菌與變形菌相似,對(duì)于病原菌和環(huán)境脅迫有著良好耐受[37]。在養(yǎng)分需求方面,擬桿菌也屬于富營養(yǎng)菌[15]。本研究發(fā)現(xiàn)擬桿菌與環(huán)境因子之間也無顯著相關(guān)關(guān)系,這與Hou等[18]發(fā)現(xiàn)擬桿菌與TOC、TN和TP存在顯著正相關(guān)而與土壤pH存在顯著負(fù)相關(guān)的結(jié)論不一致?？赡艿脑蚺c變形菌相似,即城鄉(xiāng)間不同人為管理方式改變了環(huán)境因子對(duì)此類有著強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)力細(xì)菌的影響力。

粘球菌作為一類對(duì)土壤養(yǎng)分需求較高的菌群,在營養(yǎng)豐富的條件下會(huì)表現(xiàn)出掠奪性,推測它屬于一類富營養(yǎng)菌。在表2中,粘球菌的相對(duì)豐度表現(xiàn)為遠(yuǎn)郊BP顯著高于其他樣地,尤其高于近郊的NP與YP樣地。結(jié)合樣地養(yǎng)分表現(xiàn)為BP≈NP

厚壁菌在土壤細(xì)菌群落中屬于厭氧菌,可在物料降解中產(chǎn)生對(duì)病原微生物有毒的有機(jī)酸,有利于土壤健康,在養(yǎng)分充足的情況下會(huì)形成良性循環(huán),因此認(rèn)為此細(xì)菌屬于富營養(yǎng)菌[39]。同時(shí),厚壁菌在營養(yǎng)相對(duì)貧乏的環(huán)境中也具有較高的豐度,因此厚壁菌同時(shí)具備較強(qiáng)的抗逆性[40]。本研究發(fā)現(xiàn)厚壁菌與TOC和TN呈顯著負(fù)相關(guān),與土壤pH無顯著關(guān)系,這與Hou等[18]發(fā)現(xiàn)厚壁菌與土壤pH呈顯著正相關(guān)的結(jié)論不一致?？赡艿慕忉尀?本實(shí)驗(yàn)中LP的土壤pH僅低于NP,之所以土壤pH未與厚壁菌的相對(duì)豐度呈顯著相關(guān),可能與因子的變動(dòng)幅度過小有關(guān),這在Du等[12]中也出現(xiàn)了相似的結(jié)果。

本研究發(fā)現(xiàn)細(xì)菌群落α多樣性指數(shù)受環(huán)境因子影響較小,并且土壤細(xì)菌群落在距離中心達(dá)到一定距離(30km)時(shí),細(xì)菌群落多樣性顯著上升,這與劉柱等[41]的研究結(jié)果相似,認(rèn)為土壤細(xì)菌群落在特定區(qū)域的群落組成受到特定環(huán)境因子的調(diào)控,此特定環(huán)境因子可能與土壤容重[42]、細(xì)菌之間的拮抗作用[43]以及植物分泌物[24]等因子有關(guān)。此外,土壤養(yǎng)分在土壤環(huán)境中存在多種形態(tài),其不同菌落對(duì)于此類養(yǎng)分也有著不同的偏好[28],可在之后的研究中著重考慮這方面。本研究發(fā)現(xiàn)七個(gè)樣地的細(xì)菌群落大部分可在一定程度上完全分開,僅有近郊樣地(YP、JP以及NP)有一定重合,表明近郊存在環(huán)境重合性,側(cè)面反映出城市化導(dǎo)致環(huán)境變化對(duì)于細(xì)菌群落有著顯著影響。另外, CCA結(jié)果中橫軸解釋度為33.69%,縱軸解釋度為26.43%,其中TN的線最長,表明TN是影響土壤細(xì)菌群落的關(guān)鍵因子。

3.2 城鄉(xiāng)梯度下土壤真菌主要門類的分布特征

在土壤真菌主要門類的相對(duì)豐度中,前五類主要門類分別是子囊菌(Ascomycota)(70.16%)、未分類真菌(Fungi)(9.33%)、擔(dān)子菌(Basidiomycota)(9.20%)、被孢霉菌(Mortierellomycota)(6.48%)與羅澤真菌(Rozellomycota)(3.68%)。這樣的主要門類相對(duì)豐度與前人研究結(jié)論相似[13,21,44]。在這些主要門類中,未分類真菌、擔(dān)子菌與羅澤真菌在城鄉(xiāng)梯度上存在顯著差異。

子囊菌與擔(dān)子菌作為典型的陸生型真菌,更適應(yīng)土壤含水量較低及通氣條件好的環(huán)境[21],同時(shí)均屬于腐生營養(yǎng)型菌,在植物纖維和木質(zhì)素等難以降解的有機(jī)質(zhì)方面承擔(dān)主要分解角色。早期貧瘠土壤中的真菌群落一般以子囊菌為主,而在后期演替的土壤環(huán)境中則以擔(dān)子菌為主[45]。本研究發(fā)現(xiàn)子囊菌的相對(duì)豐度在城鄉(xiāng)梯度上無顯著差異,但以高占比占據(jù)了約70%的真菌群落,推測子囊菌相比擔(dān)子菌其環(huán)境耐受力更強(qiáng)。在城鄉(xiāng)梯度上存在顯著差異的擔(dān)子菌相對(duì)豐度與TOC、TN以及TP均呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān),而無顯著差異的子囊菌相對(duì)豐度與TOC、TN呈極顯著正相關(guān),同時(shí)土壤真菌群落α多樣性指數(shù)也與TOC、TN呈極顯著負(fù)相關(guān),因此可推測出:(1)由于子囊菌屬于營養(yǎng)型菌,因此與TOC、TN等土壤養(yǎng)分因子呈極顯著正相關(guān),若此時(shí)土壤環(huán)境養(yǎng)分充足,菌落對(duì)于養(yǎng)分的需求相對(duì)會(huì)降低,因而可確定此時(shí)的土壤環(huán)境屬于貧瘠前期;(2)擔(dān)子菌作為與子囊菌同類型的營養(yǎng)菌,其養(yǎng)分相關(guān)性與子囊菌相反,這是因?yàn)閾?dān)子菌有著降解頑固有機(jī)質(zhì)的功能[45],因此會(huì)與TOC呈顯著負(fù)相關(guān),而TN的顯著相關(guān)結(jié)果與前人研究成果相同[21],結(jié)合子囊菌與TOC和TN的相關(guān)關(guān)系,表明TOC與TN是顯著影響本研究中真菌群落結(jié)構(gòu)分布差異的關(guān)鍵因子;(3)占比極高的子囊菌與TOC與TN呈極顯著正相關(guān),而真菌群落多樣性與TOC、TN呈極顯著負(fù)相關(guān),表明占比較小的其余真菌與TOC、TN呈極顯著負(fù)相關(guān)的偏向程度較大,因此可能有其他因子,如真菌與植物形成的共生關(guān)系[22]以及植物凋落物影響[21]等影響真菌群落,這些方面有待后續(xù)研究。在真菌群落α多樣性指數(shù)中,OTUs和PD指數(shù)均與TOC、TN呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,結(jié)合真菌群落在城鄉(xiāng)梯度上表現(xiàn)為近郊>城區(qū)>遠(yuǎn)郊,同時(shí)NMDS結(jié)果表明每個(gè)樣地的真菌群落均能完全分開,因此可推測城市化導(dǎo)致的環(huán)境差異對(duì)真菌群落的影響與細(xì)菌具有明顯差異。

3.3 城鄉(xiāng)梯度下土壤細(xì)菌、真菌群落分布特征對(duì)比

與真菌群落相比,細(xì)菌群落在城鄉(xiāng)梯度上存在顯著差異的菌落數(shù)量多于真菌群落;細(xì)菌群落與土壤pH、TOC、TN以及MAT有著顯著相關(guān)性,而真菌群落與TOC、TN、TP以及MAP存在顯著相關(guān)性;細(xì)菌群落α多樣性指數(shù)在遠(yuǎn)郊處多樣性顯著上升,而真菌群落α多樣性指數(shù)在近郊處多樣性最高;細(xì)菌群落在近郊不能完全分開,而真菌群落可以完全分開。因此可推測出城鄉(xiāng)梯度下的土壤細(xì)菌群落更容易受到環(huán)境因子的影響。

4 結(jié)論

(1)土壤細(xì)菌群落與真菌群落在城鄉(xiāng)梯度上存在顯著差異;

(2)土壤pH、TOC、TN、TP、MAT以及MAP對(duì)于土壤細(xì)菌與真菌群落均有顯著影響。其中土壤細(xì)菌群落分布的環(huán)境因子包括土壤pH、土壤有機(jī)碳、土壤全氮以及年均溫,而影響土壤真菌群落分布的環(huán)境因子包括土壤有機(jī)碳、土壤全氮、土壤全磷以及年降水;

(3)土壤細(xì)菌群落在城鄉(xiāng)梯度上不能完全區(qū)分開,在近郊處出現(xiàn)群落組成重合,而土壤真菌群落可以完全區(qū)分開;

(4)土壤細(xì)菌群落相比真菌群落更容易受到環(huán)境因子的影響。