鳥島濕地土壤產(chǎn)甲烷菌群落對(duì)不同降水梯度的響應(yīng)

王 霞，陳克龍，杜巖功，章 妮，車子涵，暴 涵，王恒生

（1.青海師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 青海 西寧 810008；2.青海省自然地理與環(huán)境過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 青海 西寧 810008；3.青海師范大學(xué)青藏高原地表過程與生態(tài)保育教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 青海 西寧 810008；4.青海青海湖濕地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站,青海 西寧 810008；5.高原科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展研究院, 青海 西寧 810008；6.中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所,青海 西寧 810000；7.合肥師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院, 安徽 合肥 230000）

青藏高原平均海拔超過4 000 m，是氣候變化的敏感區(qū)域，在水源供應(yīng)、氣候調(diào)節(jié)、生物多樣性保護(hù)等諸多方面承擔(dān)著生態(tài)安全屏障的重要作用[1]。其濕地總面積約為11.56 × 104km2[2]，占中國(guó)濕地總面積的30%[3]。近幾十年來(lái)，青藏高原溫度明顯升高，年降水量也在以每10 年10.2 mm 的增速上升[4]。氣候變暖加之降水格局的改變，從一定程度上提高了濕地植物的固碳能力，但也促進(jìn)了溫室氣體的排放，從而進(jìn)一步影響濕地生態(tài)系統(tǒng)的碳源匯功能[5]。甲烷(methane，CH4) 是第二大溫室氣體，百年尺度內(nèi)溫室效應(yīng)是CO2的28 倍[6]。CH4的產(chǎn)生與消耗是陸地碳循環(huán)過程的重要環(huán)節(jié)，其減排機(jī)制是當(dāng)前科學(xué)研究的難點(diǎn)與熱點(diǎn)任務(wù)[7]。自然濕地是目前已知的最大天然CH4排放源，貢獻(xiàn)了所有天然CH4排放源的70%[8]。降水變化直接影響土壤養(yǎng)分有效性[9]和生物化學(xué)循環(huán)過程[10]，可能導(dǎo)致表層及地下水位的波動(dòng)，引起濕地的退化、擴(kuò)張、消亡或新生[11]，進(jìn)而對(duì)CH4的產(chǎn)生與消耗造成較大的影響。已有研究發(fā)現(xiàn)，持續(xù)干旱導(dǎo)致CH4排放量減少，而降水增加則可以促進(jìn)碳固存，增加CH4排放量[12]。

土壤產(chǎn)甲烷菌是CH4產(chǎn)生與濕地碳循環(huán)過程的重要功能菌群，其種類、豐度與CH4通量密切相關(guān)，通過能量代謝過程產(chǎn)生大量CH4[13-15]，在濕地生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)中發(fā)揮著重要作用[16]。此外，產(chǎn)甲烷菌對(duì)環(huán)境變化的反饋明顯，其群落組成及多樣性可用于預(yù)測(cè)土壤環(huán)境的演化過程[17]。降水通過改變土壤含水量來(lái)影響產(chǎn)甲烷菌活性與群落結(jié)構(gòu)、微量氣體產(chǎn)量、底物可用性、碳氮循環(huán)速率等，從而對(duì)土壤中CH4產(chǎn)生的速率造成影響[18-19]。青海湖鳥島地處青藏高原東北部，是國(guó)際水鳥繁殖和遷徙的重要節(jié)點(diǎn)，在阻止荒漠化蔓延、維護(hù)生態(tài)安全等方面發(fā)揮著重要作用[20]。降水格局的改變，導(dǎo)致青海湖面積持續(xù)擴(kuò)大，鳥島區(qū)域的蛋島、鸕鶿島完全被湖水包圍，進(jìn)而導(dǎo)致鳥島區(qū)域濕地生境發(fā)生變化[20]。目前，有關(guān)我國(guó)青海湖鳥島區(qū)域濕地生境的研究相對(duì)較少，降水變化下鳥島土壤產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)、多樣性以及如何影響濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能，都有待進(jìn)一步研究。因此，本研究采用高通量測(cè)序技術(shù)，探討降水變化對(duì)鳥島土壤產(chǎn)甲烷菌多樣性及群落結(jié)構(gòu)的影響，以期為更深入地認(rèn)識(shí)鳥島CH4產(chǎn)生機(jī)制及其在濕地碳循環(huán)中發(fā)揮的作用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于青海省海北藏族自治州剛察縣的青海湖濕地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站——鳥島站，地理位置為99°54′ E，37°04′ N，海拔3 194～3 226 m，屬湖濱濕地[21]。氣候類型為高原半干旱高寒氣候，降水少、大風(fēng)多、太陽(yáng)輻射強(qiáng)、溫度日較差顯著[22]。年平均氣溫為-0.7 ℃，極端氣溫最高為28 ℃，最低為-31 ℃；年均降水量為322.7 mm，主要集中在6 月－8 月，低于年蒸發(fā)量[22]。土壤類型為干潤(rùn)砂質(zhì)新成土[23]，草地植被以青甘韭(Allium przewalskianum)、披針葉黃華(Thermopsis lanceolala)、賴草(Leymus secalinus)、藏龍蒿(Artemisia waltonii)、早熟禾(Poa annua)為主。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

試驗(yàn)樣地設(shè)在鳥島站樣地東北部(36.98° N，99.87° E)，選擇地勢(shì)平坦、植被均勻的地段(40 m ×40 m)作為試驗(yàn)場(chǎng)地[24]，設(shè)置自然對(duì)照(Nck)、增雨25%處理(NZa)、增雨50%處理(NZb)、減雨25%處理(NJa)、減雨50% 處理(NJb) 共5 個(gè)降水處理梯度，每種處理設(shè)置3 次重復(fù)，布局為完全隨機(jī)分布。樣地于2018 年6 月開始運(yùn)行，降水裝置[25](圖1)通過改變透明U 型塑料板的數(shù)量來(lái)達(dá)到不同的減雨水平，同時(shí)將截留的雨水收集到臥箱內(nèi)，采用滴管將臥箱內(nèi)收集的雨水滴灌至增雨小區(qū)內(nèi)達(dá)到相應(yīng)的增雨水平。為防止地表徑流，每個(gè)降水小區(qū)周圍布設(shè)20 cm 的防徑流帶，并將鐵皮深埋于地下25 cm。

圖1 青海湖鳥島降水裝置Figure 1 Precipitation device used on Bird Island in Qinghai Lake

本研究選擇在2020 年生長(zhǎng)季初期(6 月上旬)，進(jìn)行土壤樣品的采集與處理。利用土鉆(直徑為4.5 cm)在每個(gè)處理樣方按照五點(diǎn)取樣法收集0－10 cm 土壤樣品。每個(gè)處理采集的土壤樣品經(jīng)過人工挑出石塊、植物根系、凋落物后，混勻過2 mm篩。篩分后的土壤樣品裝入10 mL 的EP 管保存，分別標(biāo)記為Nck1、Nck2、Nck3、NZa1、NZa2、NZa3、NZb1、NZb2、NZb3、NJa1、NJa2、NJa3、NJb1、NJb2、NJb3，置于液氮罐中，用于土壤產(chǎn)甲烷菌的高通量測(cè)序。

1.3 土壤DNA 提取與高通量測(cè)序

參照制造商的使用說明，利用Powersoil DNA Isolation Kit 試劑盒進(jìn)行土壤樣品DNA 的提取。通過NanoDrop 2000 分光光度計(jì)測(cè)量OD (光密度)值，并計(jì)算260 nm/280 nm 和260 nm/230 nm 吸光度比率以評(píng)估提取DNA 的濃度和純度[26]。使用凝膠電泳(1%瓊脂糖)檢測(cè)DNA 的提取質(zhì)量，將質(zhì)檢合格的DNA于-80 ℃保存待用[27]。

使用正向引物5′-GGTGGTGTMGGATTCACACA RTAYGCWACAGC-3′和反向引物5′-TTCATTGCRT AGTTWGGRTAGTT-3′擴(kuò)增產(chǎn)甲烷菌mcrA 基因序列[28]。PCR 擴(kuò)增由ABI GeneAmp? 9700 進(jìn)行，在95 ℃預(yù)變性5 min 后，在95 ℃ 30 s、55 ℃ 30 s、72 ℃ 45 s進(jìn)行30 個(gè)循環(huán)的PCR 反應(yīng)，最后在72 ℃延伸10 min，獲得的PCR 產(chǎn)物于10 ℃環(huán)境保存[29]。對(duì)PCR 產(chǎn)物進(jìn)行純化回收、檢測(cè)定量，完成文庫(kù)構(gòu)建[30]。文庫(kù)質(zhì)檢合格的擴(kuò)增產(chǎn)物使用Illumina PE 150 平臺(tái)進(jìn)行測(cè)序。

測(cè)序數(shù)據(jù)上傳至NCBI 數(shù)據(jù)庫(kù)，登錄號(hào)為SRR22075793、SRR22075794、SRR22075795、SRR22 075796、SRR22075797、SRR22075798、SRR22075799、SRR22075800、SRR22075801、SRR22075802、SRR22 075803、SRR22075804、SRR22075805、SRR22075806、SRR22075807。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用軟件FLASH v1.2.7、Trimmomatic v0.33 和UCHIME v4.2 對(duì)原始測(cè)序序列進(jìn)行拼接、質(zhì)控過濾和去除嵌合體后，得到高質(zhì)量序列[30]。利用UCLUST序列比對(duì)工具，將高質(zhì)量序列聚類得到操作分類單元(operational taxonomic units, OTU)數(shù)目以及韋恩圖。在不同水平上對(duì)OTU 序列進(jìn)行物種注釋，得到相應(yīng)的物種豐度表，使用R for Windows v4.0.3 中的ggplot 2 包繪制屬分類水平下產(chǎn)甲烷菌群落的相對(duì)豐度圖。運(yùn)用Mothur v1.45.3 軟件做稀釋性分析，同時(shí)進(jìn)行Observe OTUs 指數(shù)、Chao1 指數(shù)、Shannon-Wiener 指數(shù)、Simpson 指數(shù)等α 多樣性指數(shù)的計(jì)算分析，采用SPSS 21.0 進(jìn)行ANOVA 方差分析檢驗(yàn)樣品的群落多樣性指數(shù)的顯著性。使用Qiime 軟件計(jì)算Unifrac 距離，R 包繪制PCoA 圖，利用SPSS 21.0 進(jìn)行ANOSIM分析來(lái)檢驗(yàn)微生物群落組間差異是否顯著。利用Galaxy 平臺(tái)[31]對(duì)不同水平菌群進(jìn)行線性判別分析(linear discriminant analysis effect size, LEfSe)以尋找降水處理與自然狀態(tài)土壤中具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異的Biomaker[32]。

2 結(jié)果

2.1 鳥島土壤產(chǎn)甲烷菌OTU 分布

利用mcrA 擴(kuò)增子測(cè)序技術(shù)對(duì)Nck、NJa、NJb、NZa、NZb 土壤產(chǎn)甲烷菌群落進(jìn)行檢測(cè)，通過與Silva 數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)，將高質(zhì)量測(cè)序序列基于97%的相似性閾值下進(jìn)行聚類操作[33]，共得到1 475 個(gè)可操作分類單元(OTU)。不同處理間土壤樣品的OTU數(shù)目存在差異(圖2)，Nck、NJa、NJb、NZa、NZb 分別含1 305、1 311、1 321、1 329 和1 316 個(gè)OTU，5 組樣本共有的OTU 有1 144 個(gè)，而Nck、NJa、NJb、NZa、NZb 特有OTU 數(shù)分別為11、13、18、25、21 個(gè)。

圖2 不同降水梯度下鳥島土壤產(chǎn)甲烷菌群落韋恩圖Figure 2 Venn diagram of methanogenic community in Bird Island soil under different precipitation gradients

2.2 鳥島土壤產(chǎn)甲烷菌群落α 多樣性

對(duì)土壤樣品中產(chǎn)甲烷菌的序列信息進(jìn)行隨機(jī)抽樣，用抽取的序列數(shù)與物種多樣性來(lái)構(gòu)建稀釋性曲線(圖3A)，從而說明樣品測(cè)序量的準(zhǔn)確性與合理性。稀釋性曲線隨樣品數(shù)目的增加逐漸趨于平坦，再增加測(cè)序量也不會(huì)明顯改變樣本的多樣性指標(biāo)，表明樣品序列充分，可以反映樣本中絕大部分的產(chǎn)甲烷菌多樣性信息，足以進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)分析[34]。

圖3 鳥島土壤產(chǎn)甲烷菌稀釋性曲線(A)及α 多樣性指數(shù)(B)Figure 3 Dilution curve (A) and alpha diversity index (B) of methanogens in Bird Island soil

α 多樣性是反映微生物群落豐富度和均勻度的綜合指標(biāo)(圖3B)。本研究采用Observe OTUs 指數(shù)和Chao1 指數(shù)來(lái)表征樣品中微生物的豐富度，采用Shanno-Wiener 指數(shù)和Simpson 指數(shù)表征微生物的多樣性。結(jié)果顯示，產(chǎn)甲烷菌群落的豐富度指數(shù)表現(xiàn)為NZb > NZa > Nck > NJa > NJb，多樣性指數(shù)表現(xiàn)為NJa > NJb > Nck > NZb > NZa，表明降水變化對(duì)鳥島土壤產(chǎn)甲烷菌群落的α 多樣性具有一定程度的影響，但其影響未達(dá)到顯著水平(P> 0.05)。

2.3 鳥島土壤產(chǎn)甲烷菌群落β 多樣性

在群落生態(tài)學(xué)中，β 多樣性是反映樣本間差異的指標(biāo)。本研究以檢測(cè)到的所有屬水平的產(chǎn)甲烷菌為指標(biāo)，通過主坐標(biāo)分析法(PCoA)對(duì)鳥島土壤產(chǎn)甲烷菌群落進(jìn)行分析(圖4)。鳥島土壤產(chǎn)甲烷菌PCoA1 的解釋度為27%，PCoA2 的解釋度為14%，總解釋度達(dá)到41%。5 個(gè)分組中，NJb 和NZb 的樣點(diǎn)與其余3 個(gè)組的距離較遠(yuǎn)，表明減雨50%處理和增雨50%處理對(duì)土壤產(chǎn)甲烷菌群落的影響可能更為顯著。為進(jìn)一步判斷分組有效性，使用R 語(yǔ)言進(jìn)行ANOSIM 分析，P= 0.02，說明不同分組之間差異顯著(P< 0.05)，達(dá)到預(yù)期分組目標(biāo)。

圖4 鳥島土壤產(chǎn)甲烷菌群落PERMANOVA 和PCoA 分析Figure 4 PERMANOVA and PCoA analysis of soil methanogens on Bird Island

2.4 鳥島土壤產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)組成

在門分類水平上，鳥島土壤產(chǎn)甲烷菌群落均為廣古菌門(Euryarchaeota，100%)。目分類水平上，甲烷微菌目(Methanomicrobiales)的相對(duì)豐度最高，為63.82%～65.74%； 其次是甲烷八疊球菌目(Methanosarcinales)，相對(duì)豐度為15.29%～16.04%；甲烷桿菌目(Methanobacteriales)，相對(duì)豐度為10.46%～11.01%；第七產(chǎn)甲烷古菌目(Methanomassiliicoccales)[35]，相對(duì)豐度為5.80%～6.22%；甲烷胞菌目(Methanocellales)，相對(duì)豐度為0.50%～0.61%；另有相對(duì)豐度為2.21%～2.40%的未分類菌群。

在屬水平上(圖5)，主要微生物菌屬(相對(duì)豐度 >0.1%)，依次為甲烷絲菌屬(Methanothrix)，相對(duì)豐度為14.13%～14.85%；甲烷桿菌屬(Methanobacterium)，相對(duì)豐度為10.14%～10.61%；Methanomassiliicoccus屬，相對(duì)豐度為4.21%～4.54%；Candidatus Methanogranum屬，相對(duì)豐度為1.50%～1.70%；甲烷八疊球菌屬(Methanosarcina)，相對(duì)豐度為0.78%～0.81%；甲酸甲烷規(guī)則菌屬(Methanoregula)[36]，相對(duì)豐度為0.67%～0.73%；甲烷胞菌屬(Methanocella)，相對(duì)豐度為0.39%～0.49%；甲烷泡菌屬(Methanofollis)，相對(duì)豐度為0.12%～0.14%；Methermicoccus屬，相對(duì)豐度為0.10%～0.14%。

圖5 鳥島土壤樣品屬水平產(chǎn)甲烷菌群落組成Figure 5 Community composition of methanogens at the genus level in Bird Island soil samples

2.5 鳥島土壤產(chǎn)甲烷菌菌群LEfSe 分析

通過對(duì)5 種生境中不同水平產(chǎn)甲烷菌菌群進(jìn)行LEfSe 分析，可以找到組間具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異的Biomarker[32]。共鑒定出31 個(gè)差異菌群(圖6)，目水平差異菌群為甲烷胞菌目，科水平差異菌群為甲烷胞菌科(Methanocellaceae)、甲烷螺菌科(Methanospirillaceae)、Candidatus Methanoperedenaceae 科，其余均為屬水平及種水平菌群。屬水平差異菌群數(shù)為10 個(gè)，相對(duì)豐度大于1% 的有Methanomassiliicoccus屬、Candidatus Methanogranum屬；種水平差異菌群數(shù)為17 個(gè)，相對(duì)豐度大于1%的Methanomassiliicoccus屬未分類種和Candidatus Methanogranum屬未分類種。在NZa、NZb、NJa、NJb 等降水處理下，相對(duì)豐度變化最顯著的產(chǎn)甲烷菌菌屬分別為甲烷螺菌屬(Methanospirillum)、Methanomassiliicoccus屬、Candidatus Methanogranum屬、Methanosphaerula屬。

圖6 鳥島土壤產(chǎn)甲烷菌LEfSe 分析Figure 6 LEfSe analysis of soil methanogens from Bird Island

2.6 鳥島土壤產(chǎn)甲烷菌群落FAPROTAX 功能

將鳥島土壤產(chǎn)甲烷菌群落與FAPROTAX 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，共鑒定出11 個(gè)功能基團(tuán)(圖7)，主要包括甲烷生成(methanogenesis)、氫營(yíng)養(yǎng)型甲烷化(hydrogenotrophic methanogenesis)、通過CO2與H2還原產(chǎn)生甲烷(methanogenesis by CO2reduction with H2)、暗氫氧化(dark hydrogen oxidation)、化能異養(yǎng)(chemoheterotrophy)、通過氫還原甲基化合物生成甲烷(methanogenesis by reduction of methyl compounds with H2)、甲基營(yíng)養(yǎng)(methylotrophy) 等功能基團(tuán)。上述功能基團(tuán)占所測(cè)全部功能基團(tuán)的75%以上，表明大部分鳥島土壤產(chǎn)甲烷菌的代謝類型可能是以CO2/H2為底物的氫營(yíng)養(yǎng)型。

圖7 鳥島土壤產(chǎn)甲烷菌功能預(yù)測(cè)Figure 7 Lefse analysis of soil methanogens from Bird Island

3 討論

3.1 降水變化下鳥島土壤的CH4 產(chǎn)生途徑

許多研究表明，自然濕地土壤產(chǎn)甲烷菌的優(yōu)勢(shì)目為甲烷微菌目、甲烷八疊球菌目和甲烷桿菌目[37-40]，本研究中，鳥島5 種降水處理土壤中這3 類優(yōu)勢(shì)菌目的占比均達(dá)到產(chǎn)甲烷菌總豐度的90%以上，與前人的研究結(jié)果相一致。自然界中CH4的生成主要包括氫營(yíng)養(yǎng)、乙酸營(yíng)養(yǎng)、甲基營(yíng)養(yǎng)3 種途徑，其中以CO2/H2為底物的氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)CH4途徑廣泛存在于自然環(huán)境中，除少量產(chǎn)甲烷菌無(wú)法利用氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)CH4途徑外，絕大部分產(chǎn)甲烷菌可以利用該途徑生成CH4[41]。本研究中檢測(cè)到的3 類優(yōu)勢(shì)菌目中大部分產(chǎn)甲烷菌屬為氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌，這與FAPROTAX數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)鑒定出的結(jié)果相一致，推測(cè)鳥島土壤CH4產(chǎn)生途徑主要為CO2+ 4H2→CH4+ 2H2O。乙酸營(yíng)養(yǎng)途徑是通過產(chǎn)甲烷菌裂解乙酸，將羧基氧化為CO2，甲基還原為CH4。自然環(huán)境中約70% 的生物產(chǎn)CH4來(lái)自于乙酸營(yíng)養(yǎng)途徑，但只有甲烷八疊球菌屬和甲烷絲菌屬可以通過該途徑生成CH4[42]，它們的相對(duì)豐度在本研究中經(jīng)過不同降水處理后并未產(chǎn)生顯著性變化。甲基營(yíng)養(yǎng)途徑有兩種代謝模式，一種是H2依賴型，它利用H2為電子供體，將甲基還原為CH4[43-44]；另一種是嚴(yán)格的甲基營(yíng)養(yǎng)型，通過氧化甲基化合物生成CO2和還原當(dāng)量，再進(jìn)一步將甲基化合物中的甲基基團(tuán)還原為CH4，這也是大部分甲基營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌所采用的產(chǎn)CH4途徑[45]。自然環(huán)境中只有甲烷八疊球菌目和甲烷球形菌屬(Methanosphaera)可以通過甲基營(yíng)養(yǎng)途徑生成CH4[42]，它們的相對(duì)豐度在本研究中經(jīng)過不同降水處理后并未產(chǎn)生顯著性變化。綜上所述，鳥島土壤CH4產(chǎn)生途徑未在降水變化下出現(xiàn)明顯改變，產(chǎn)甲烷菌在鳥島自然土壤和降水處理土壤中主導(dǎo)的產(chǎn)CH4途徑均為氫營(yíng)養(yǎng)型途徑。

3.2 降水變化對(duì)鳥島土壤產(chǎn)甲烷菌群落多樣性的影響

降水變化對(duì)土壤產(chǎn)甲烷菌的影響主要是通過引起土壤理化性質(zhì)和植物生長(zhǎng)發(fā)育過程的改變來(lái)影響產(chǎn)甲烷菌的多樣性及其群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。研究表明，高降水量區(qū)域的土壤微生物具有較高的群落多樣性[46]，而本研究與Dijkstra 等[47]的研究區(qū)年降水量均小于400 mm，這導(dǎo)致微生物受到水分限制而生長(zhǎng)緩慢。本研究對(duì)鳥島土壤進(jìn)行增雨25%、增雨50%處理后，土壤水分狀況得到改善，缺氧區(qū)域有所增加，所以土壤產(chǎn)甲烷菌的豐富度指數(shù)升高。同時(shí)，部分產(chǎn)甲烷菌由于無(wú)法適應(yīng)土壤中的水勢(shì)變化而死亡，從而導(dǎo)致產(chǎn)甲烷菌的多樣性指數(shù)下降。楊陽(yáng)等[24]研究表明，減雨降低了土壤全碳含量、全氮含量以及銨態(tài)氮含量，由此推測(cè)，減雨25%、減雨50%處理可能會(huì)降低土壤碳氮含量以及植物凈初級(jí)生產(chǎn)力、抑制產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致產(chǎn)甲烷菌豐富度指數(shù)下降。此外，減雨處理會(huì)降低土壤水分含量、增加氧氣含量，這可能會(huì)導(dǎo)致革蘭氏陰性菌死亡而促進(jìn)適應(yīng)能力更強(qiáng)的革蘭氏陽(yáng)性菌的生長(zhǎng)繁殖，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)甲烷菌的多樣性指數(shù)升高[48]。整體而言，降水變化對(duì)鳥島土壤產(chǎn)甲烷菌群落的α 多樣性具有一定程度的影響，但其影響未達(dá)到顯著性水平(P> 0.05)，這與王楠楠等[49]、王譽(yù)陶等[50]的研究結(jié)果相一致，可能是由于土壤中的產(chǎn)甲烷菌對(duì)不同降水處理下的土壤環(huán)境和植物變化產(chǎn)生了一定的適應(yīng)能力。

3.3 降水變化下鳥島土壤產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)變化

Wang 等[51]的研究表明，微生物豐度和群落結(jié)構(gòu)與降水變化有關(guān)。本研究對(duì)不同降水梯度的產(chǎn)甲烷菌菌群進(jìn)行LEfSe 分析，共鑒定出31 個(gè)差異菌群，屬水平差異菌群數(shù)為10 個(gè)，在增雨25%、增雨50%、減雨25%、減雨50% 等降水處理下，相對(duì)豐度變化最顯著的產(chǎn)甲烷菌菌屬分別為甲烷螺菌屬(Methanospirillum) 、Methanomassiliicoccus屬、Candidatus Methanogranum屬、Methanosphaerula屬，說明上述菌屬可作為不同降水水平下鳥島土壤產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)變化的指示物種。有研究表明，甲烷螺菌屬是氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌，細(xì)胞染色為革蘭氏陰性，其對(duì)增雨25%較為敏感可能是由于產(chǎn)甲烷菌屬于嚴(yán)格厭氧菌，降水增加導(dǎo)致土壤含水率升高，厭氧程度增大，提高了菌群活性，因此甲烷螺菌屬的相對(duì)豐度增加[52-53]。Methanomassiliicoccus屬和Candidatus Methanogranum屬同為第七產(chǎn)甲烷古菌目下的菌屬，缺少將CO2還原為甲基輔酶M 的完整路徑，需額外添加H2才能生長(zhǎng)，兩者對(duì)降水變化的敏感程度可能是由于土壤養(yǎng)分有效性存在差異[54]。Methanosphaerula屬也是氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌，細(xì)胞染色為革蘭氏陽(yáng)性，可能是由于其細(xì)胞壁較厚，對(duì)環(huán)境變化的調(diào)整適應(yīng)力強(qiáng)，更能適應(yīng)干旱環(huán)境，因此在減雨50% 處理下相對(duì)豐度顯著增加[55]?？傮w而言，增雨處理增加了產(chǎn)甲烷菌的相對(duì)豐度，減雨處理降低了菌群的相對(duì)豐度，這一結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了鳥島土壤產(chǎn)甲烷菌群落的豐度和群落結(jié)構(gòu)受降水變化的影響。

4 結(jié)論

青海湖鳥島土壤產(chǎn)甲烷菌群落特征對(duì)不同降水梯度的響應(yīng)研究表明：1)鳥島土壤產(chǎn)甲烷菌群落的優(yōu)勢(shì)菌目為甲烷微菌目、甲烷八疊球菌目和甲烷桿菌目；2)不同降水梯度下的鳥島土壤均以氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌占優(yōu)勢(shì)地位，由此推測(cè)產(chǎn)甲烷菌在鳥島土壤中主導(dǎo)的產(chǎn)CH4途徑為氫營(yíng)養(yǎng)型；3)降水變化對(duì)土壤產(chǎn)甲烷菌群落多樣性的影響不顯著(P> 0.05)；4)鳥島土壤產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)對(duì)降水變化的響應(yīng)較為敏感，尤以增雨50% 處理下差異菌群數(shù)量最多。研究鳥島湖濱濕地土壤產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)、多樣性并進(jìn)行差異分析和功能預(yù)測(cè)是了解CH4產(chǎn)生機(jī)制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為進(jìn)一步研究降水變化背景下高寒濕地碳循環(huán)提供了數(shù)據(jù)支撐和參考依據(jù)。