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Composition and structural characteristics of soil microbial communities in Yancheng typical coastal wetlands

花匠小妙招
2024-11-23 22:26

摘要: 土壤微生物是生态系统维持正常结构与功能的重要组成部分, 为探究盐城滩涂典型湿地土壤微生物群落结构特征, 以江苏盐城滩涂互花米草、藨草、盐地碱蓬、芦苇及淤泥质光滩5种典型群落为对象, 采用16S rRNA高通量测序技术分析0-10 cm(表层)、10-30 cm(中层)、30-60 cm(深层)土壤微生物多样性及群落结构。结果表明: (1)几种植物群落间, 土壤微生物群落结构差异较大, 主要体现在细菌群落结构的差异性, 古菌群落结构差异相对较小。光滩与植物群落间, 在土壤细菌种类及相对丰度上差异相对较大, 互花米草群落与本土植物群落间, 在微生物群落的细菌种类组成上存在较大差异; 藨草群落土壤表层微生物群落结构与互花米草群落相似, 深层与盐地碱蓬、芦苇群落相似。(2)同一群落不同层次土壤微生物群落结构相似, 差异小于不同群落间土壤微生物群落的结构差异性; 不同群落对应层次间, 表深层土壤中五种群落土壤微生物多样性存在显著差异, 中层土壤中五种群落微生物多样性差异不显著。总体上, 植物群落类型对土壤微生物群落结构的影响大于土壤深度; 与本土植物群落相比, 互花米草群落土壤主要优势门微生物种类差异较小, 但部分优势门微生物相对丰度显著改变, 微生物群落功能群也存在一定差异。

Abstract: Soil microorganisms are important in maintaining the basic structure and function of ecosystems. To explore the characteristics of soil microbial community structures in Yancheng coastal wetlands, soil samples of mudflat and typical plant communities of Spartina alterniflora, Scirpus triqueter, Suaeda salsa, Phragmites australis were collected. In this study, 16S rRNA high-throughput sequencing technology was used to investigate the diversity and structure of soil microbial communities at the depth of 0-10 cm (surface layer), 10-30 cm (middle layer), and 30-60 cm (deep layer). The results indicated that: (1) there existed some differences in soil microbial composition among plant communities, especially for the structures of bacterial community. The differences between mudflat and plant communities in soil bacterial species composition and relative abundance, and the differences in bacterial species composition between soils of Spartina alterniflora community and those of native species, were much more. (2) The microbial community structures of different soil depths in the same community were similar, with differences less than among different communities. the significant soil microbial diversity differences existed in the five communities in surface-layer and deep-layer, but not in the middle-layer. Overall, plant species had greater effects on soil microbial community structure than soil depth. Compared with native plant communities, the species of soil microbial dominant phyla in Spartina alterniflora community had little difference, but the relative abundances of some dominant phyla changed significantly, with differences in the functional groups of microbial communities.

Key Words: coastal wetland soil microorganism high-throughput sequencing Spartina alterniflora

土壤微生物是土壤中一切肉眼看不见或看不清楚的微小生物的总称, 包括细菌、古菌、真菌、病毒、病原生物和显微藻类。作为生态系统的重要组成部分, 土壤微生物在全球生态系统地球化学循环中发挥着重要的作用[1]。土壤微生物对土壤微生态环境变化敏感, 一定程度上能够反映土壤的结构与功能, 是衡量土壤生态系统稳定性的重要指标之一[2]。微生物群落结构、空间分布及生物多样性受土壤营养、水分、盐度和植被等自然因子[3—4]及土地利用方式等人为因子的影响[5—6]。植被类型影响微生物群落组成[7], 植被通过凋落物及根系分泌物直接影响微生物的生命活动[8], 同时植被对土壤环境产生影响间接改变土壤微生物群落结构和多样性[9—10]。植被生长状况对微生物群落结构与多样性也有着显著影响, 植物生长旺盛期, 微生物代谢类群增多, 群落功能多样性增加[11]。

土壤微生物群落组成与结构特征的变化, 也对群落生态过程与生态系统功能有显著影响。相关研究发现, 互花米草(Spartina alterniflora)入侵闽江河口湿地后, 土壤微生物量增加, 但微生物群落多样性与蔗糖酶、过氧化氢酶等酶活性下降, 红树林湿地土壤质量退化[12]。在长江河口湿地, 互花米草入侵增加了土壤含水率和微生物的量, 导致CH4排放量显著增加[13]。互花米草入侵对湿地碳氮磷循环过程也产生了重要影响[14], 互花米草入侵促进了苏北潮滩湿地土壤总氮、总磷及有机碳的累积[15—16], 改变了湿地生态系统的结构和功能。

盐城滩涂湿地是我国面积最大的淤泥质滨海滩涂湿地, 是东亚-澳大利西亚候鸟迁徙路线上鸟类的重要停歇地、越冬地。滩涂湿地植被沿高程总体呈现带状分布, 原生植被主要为芦苇(Phragmites australis)群落、盐地碱蓬(Suaeda salsa)群落、藨草(Scirpus triqueter)群落等, 蕴含着丰富的生物资源, 具有重要的生态服务价值[17]。但近年来, 互花米草群落已逐渐成为江苏滨海滩涂湿地的优势植物群落, 其对土壤微生物的组成与结构特征也有显著影响[18—19]。研究不同群落土壤微生物的组成与结构特征, 特别是互花米草等外来入侵植物群落与本土植物群落土壤微生物组成特征的差异性, 对评估互花米草入侵的生态效应、修复与保护滩涂湿地生态系统及其生态功能等有重要意义。

基于显微镜技术、无菌操作技术和纯培养技术传统的微生物研究方法, 存在依赖于培养方法的局限性, 只能达到一般性的描述微生物表型特征的水平。目前土壤微生物群落结构和多样性常用的四种分析方法是生物标志物法、脂肪酸甲基脂分析法、核酸测定法及碳素利用法[20]。其中, 16S rRNA扩增子测序技术不依赖于纯培养, 直接对土壤环境内微生物的研究分析, 已成为研究环境样本中微生物群落组成结构的重要手段[21]。

本文应用16S rRNA扩增子测序技术, 对盐城滨海滩涂五种典型群落土壤的细菌、古菌群落组成与结构特征进行了研究, 期以探究土壤微生物组成特征与植被类型、土壤层次等的对应关系, 比较不同植物群落的土壤微生物群落物种组成与结构的差异性, 分析互花米草生态入侵对湿地土壤微生物群落组成与结构特征的影响。

1 材料与方法1.1 研究地概况

研究区域为江苏盐城湿地珍禽国家级自然保护区(119°53′—121°18′E, 32°48′—34°29′N)核心区。保护区地处北亚热带与暖温带的过渡地带, 季风气候显著, 年平均气温介于13.7—14.8℃, 年降水量900—1100 mm, 滩涂湿地面积45.33×104 hm2, 是典型的潮滩湿地生态系统。

研究地由海向陆依次分布有淤泥质光滩、互花米草群落、藨草群落、盐地碱蓬群落、芦苇群落(图 1), 区域内人类活动干扰小, 生态序列完整, 具有典型性与代表性。

图 1 研究区域采样点示意图Fig. 1 Diagram of sampling points in the study area

1.2 样品采集

2020年8月, 在盐城保护区核心区的淤泥质光滩(MF)、互花米草群落(SA)、藨草群落(ST)、盐地碱蓬群落(SS)、芦苇群落(PA)的典型地段分别设置采样点, 每个样点设1 m×1 m的样方4个, 调查样地植物群落特征(表 1)；完成地上调查后, 在每个样方内用混合采样法分别采集0—10 cm(表层)、10—30 cm(中层)、30—60 cm(深层)的土样, 保存于装有干冰的保温箱中, 用于土壤微生物群落分析。同时采集0—10 cm常规土壤样品, 环刀法测定土壤容重, 烘干法测定土壤含水量, 土壤盐度用DDS-307电导率仪测定电导率(土水比1∶5), 按照公式换算为土壤盐度[22], 采用重铬酸钾容量法-外加热法测定土壤总有机碳, 流动分析仪测定土壤总氮, 碱熔-钼锑抗分光光度法测定土壤总磷。

表 1 采样点基本信息Table 1 Basic information of the sampling points

样地类型
Sample types 植物特征
Plant characteristics 土壤理化性质
Physical and chemical properties of soil 地上生物量/(g/m2) 平均株高/m 盖度/% 容重/(g/m3) 含水量/% 盐度/‰ 总有机碳/(g/kg) 总氮/(g/kg) 总磷/(g/kg) MF — — — 1.37±0.10a 30.20±2.22c 4.40±0.50b 1.73±0.19d 0.28±0.05d 0.69±0.05a SA 1280.81±15.80 1.75±0.11 100 1.43±0.09a 31.52±0.57b 2.04±0.21c 7.11±0.63a 0.52±0.06b 0.69±0.01a ST 34.16±6.60 0.67±0.06 30 1.27±0.04a 36.70±1.23a 3.91±0.86b 5.34±0.94b 0.66±0.04a 0.63±0.05ab SS 215.30±12.90 0.32±0.03 40 1.36±0.04a 27.36±1.98c 8.02±1.66a 3.49±0.50c 0.28±0.07c 0.60±0.02b PA 754.04±24.48 1.05±0.31 100 1.32±0.12a 38.33±3.69d 2.30±0.87c 5.49±0.75b 0.33±0.06c 0.57±0.02cMF：淤泥质光滩Mudflat；SA：互花米草群落Spartina alterniflora；ST：藨草群落Scirpus triqueter；SS：盐地碱蓬群落Suaeda salsa；PA：芦苇群落Phragmites australis；不同小写字母表示同一列不同群落间土壤理化性质差异显著(P＜0.05)

1.3 土壤微生物测序

本文采用16S rRNA扩增子测序技术对土壤样本进行分析。使用试剂盒(Magnetic Soil And Stool DNA Kit)提取土壤样本基因组DNA, 利用琼脂糖凝胶电泳检测DNA的纯度和浓度, 取适量的样本DNA于离心管中, 使用无菌水稀释样本至1 ng/μL。以稀释后的基因组DNA为模板, 利用使用带Barcode的特异引物341F(CCTAYGGGRBGCASCAG)和806R(GGACTACNNGGGTATCTAAT)对16S rRNA基因的V3—V4区进行PCR扩增。根据PCR产物浓度进行等量混样, 充分混匀后使用2%的琼脂糖凝胶电泳检测PCR产物, 对目的条带使用QIAGEN公司提供的胶回收试剂盒回收产物。使用TruSeq® DNA PCR-Free Sample Preparation Kit建库试剂盒进行文库构建, 构建好的文库经过Qubit和qPCR定量, 文库合格后, 使用NovaSeq6000进行上机测序。

对测序得到样本数据的Reads进行拼接得到原始数据, 经Tags过滤、去除嵌合体序列后, 得到有效数据。对所有样本的有效数据进行OTUs聚类和物种分类分析, 测序及物种注释工作委托诺禾致源生物科技有限公司完成。

1.4 数据处理与分析

均匀度(Shannon)、Simpson多样性指数是估算样品中微生物多样性的指数, 群落多样性越高, 物种分布越均匀, 指数值越大。OTU数目指数(ACE、Chao1)在生态学中被用来估算物种总数, 可以评估样品中微生物群落的丰富度。系统发育多样性指数(PD whole tree)指数反映群落内物种的亲缘关系, 指数越大说明物种对进化历史保存的差异越大。

使用Qiime 1.9.1计算物种数目(Observed species)、Chao1, Shannon, Simpson, ACE, PD whole tree指数, 测序深度指数(Goods coverage), 利用SPSS 20.0进行单因素方差分析, 利用Python语言根据FAPROTAX数据库进行微生物群落功能预测, 利用R语言完成OTU主坐标分析(PCoA)、主成分分析(PCA), 利用Origin 2019完成作图。

2 结果与分析2.1 土壤微生物群落组成特征

对五种湿地土壤进行高通量测序, 平均每个样品测得91197条tags, 经过质控平均得到83488条有效数据, 质控有效数据量达64734条, 质控有效率达71.29%。以97%的一致性将序列聚类成为OTUs, 共得到22305个OTUs, 然后对OTUs序列进行物种注释。各样本的文库覆盖率均在0.978以上, 测序结果能够很好地反映土壤中微生物群落的真实情况。

分析盐城滩涂湿地土壤微生物OTUs分布情况(图 2、图 3)发现, 淤泥质光滩和藨草群落土壤深层特有微生物种数量最多；芦苇群落三个层次中土壤表层特有微生物种数量最多, 深层最少；互花米草和盐地碱蓬群落表现为土壤表层特有微生物种数量最多, 中层特有微生物的种类数量最少。五种类型群落总体而言土壤OTUs数量表现为淤泥质光滩特有OTUs种类最多, 表层土壤中藨草群落特有OTUs数量最少, 盐地碱蓬群落次之, 中层土壤盐地碱蓬群落特有OTUs数量最少, 深层土壤中芦苇群落特有OTUs数量最少, 盐地碱蓬群落次之, 在土壤3个层次中, 盐地碱蓬特有OTUs种类数量均处于较低水平。

图 2 不同土壤层次微生物OTUs分布Fig. 2 The distribution of microbial OTUs in different soil layers MF：淤泥质光滩Mudflat；SA：互花米草群落Spartina alterniflora；ST：藨草群落Scirpus triqueter；SS：盐地碱蓬群落Suaeda salsa；PA：芦苇群落Phragmites australis

图 3 不同群落微生物OTUs分布Fig. 3 The distribution of microbial OTUs in different communities

在界水平上, 古菌相对丰度变化范围为1.20%—7.68%(图 4)。互花米草群落古菌相对丰度表现为深层土壤最高(3.65%)、中层土壤最低(2.57%), 其余群落表现为中层土壤古菌相对丰度最高, 各层次古菌相对丰度差异不显著。盐城滨海湿地中古菌相对丰度表现为盐地碱蓬群落>芦苇群落>互花米草群落>藨草群落>淤泥质光滩, 盐地碱蓬群落中古菌比例显著高于其他群落。

图 4 土壤细菌及古菌组成及门水平物种组成Fig. 4 Composition of soil bacteria and archaea and phylum level species composition 组别中1：0—10 cm土层；2：10—30 cm土层；3：30—60 cm土层

不同群落土壤微生物在门分类水平上相对丰度排名前十的物种种类基本一致(图 4), 优势细菌门主要有变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidota)、绿弯菌门(Chloroflexi)等, 优势古菌门主要包括泉古菌门(Crenarchaeota)和纳古菌门(Nanoarchaeota)。变形菌门的相对丰度最高(23%—41%), 在互花米草群落中变形菌门相对丰度显著高于其他类型群落。古菌中的泉古菌门和纳古菌门相对丰度高, 且在盐地碱蓬群落中的相对丰度显著高于其他类型群落。弯曲杆菌(Campilobacterota)、拟杆菌门、脱硫菌门(Desulfobacterota)在淤泥质光滩相对丰度最高, 酸杆菌门、绿弯菌门在盐地碱蓬群落相对丰度最高, 在互花米草和淤泥质光滩的相对丰度显著低于其他群落, MBNT15在藨草群落相对丰度最高。

基于FAPROTAX功能预测结果(图 5)发现, 无氧光自养含硫氧化、暗硫化氧化、硝化作用、好氧氨氧化、硝酸盐还原等作用主要集中于互花米草群落；氮呼吸、硝酸盐呼吸、硫化物呼吸、硫酸盐呼吸等作用主要集中于芦苇群落；亚硫酸盐呼吸作用主要集中于淤泥质光滩；光养、光能自养、光合异养等作用主要集中于盐地碱蓬群落；碳氢化合物降解、芳香族化合物降解、尿素分解、芳烃降解、发酵作用等主要集中于藨草群落。在PCA分析中, 淤泥质光滩和互花米草群落距离更为接近, 微生物群落功能相似, 本土植被藨草、盐地碱蓬、芦苇群落的微生物群落功能相似。

图 5 FAPROTAX功能预测热图及不同群落功能多样性的主成分分析Fig. 5 Functional prediction of FAPROTAX and PCA analysis of the functional diversity in different communities

2.2 土壤微生物群落多样性分析

基于测序结果, 分别计算不同群落土壤微生物多样性指数(表 2)。由Shannon、Simpson指数可以看出表层土壤中芦苇、互花米草群落的微生物多样性显著高于其他类型群落；中层土壤各群落微生物多样性差异不显著；深层土壤中, 互花米草群落微生物多样性最低。淤泥质光滩、藨草以及盐地碱蓬群落土壤深层微生物多样性显著高于表层微生物多样性, 而互花米草及芦苇群落土壤微生物多样性表现为表层最高。

表 2 土壤微生物多样性指数Table 2 Diversity Indexes of soil microorganisms

组别
Group 物种数目
Observed species Shannon指数
Shannon index Simpson指数
Simpson index Chao1指数
Chao1 index ACE指数
ACE index PD whole tree指数
PD whole tree index 测序深度
Goods coverage 表层 MF1 4523Aa 9.588BCb 0.992Bb 5180.496Aa 5309.926ABa 314.216ABb 0.978 Surface layer SA1 4347ABa 9.965ABa 0.996Aa 5134.69ABa 5290.54ABa 309.325ABa 0.978 ST1 3380Bb 9.162Cb 0.993Ba 3884.666Cb 4003.661Cb 255.94Cb 0.984 SS1 3860Ba 9.393Ca 0.992Bb 4406.524BCa 4535.826BCa 287.065BCa 0.982 PA1 4649Aa 10.2Aa 0.997Aa 5307.777Aa 5422.237Aa 334.404Aa 0.979 中层 MF2 4452Aa 9.648Aab 0.993Aab 5068.503Aa 5189.714Aa 316.983Aab 0.979 Middle layer SA2 3730Aa 8.911Aa 0.981Aa 4309.529Aa 4444.865Aa 284.181Aa 0.982 ST2 3895Aab 9.549Aab 0.994Aa 4465.734Aab 4591.2Aab 291.193Aab 0.982 SS2 3721Aa 9.346Aa 0.994Aab 4245.186Aa 4392.509Aa 279.616Aa 0.982 PA2 4145Aa 9.619Aab 0.994Ab 4753.864Aa 4887.325Aa 316.717Aa 0.980 深层 MF3 4718Aa 9.875Aa 0.994Aa 5287.162Aa 5429.106Aa 346.786Aa 0.979 Deep layer SA3 4047Ba 9.414Ba 0.992Ba 4667.271Ba 4808.736Ba 297.972Ba 0.980 ST3 4312ABa 9.863Aa 0.996Aa 4954.993ABa 5071.314ABa 301.047Ba 0.980 SS3 3962Ba 9.485Ba 0.995Aa 4562.006Ba 4723.71Ba 298.526Ba 0.980 PA3 4001Ba 9.562ABb 0.994Ab 4594.606Ba 4724.803Ba 300.528Ba 0.981组别中1：0—10 cm土层；2：10—30 cm土层；3：30—60 cm土层；同列中不同大写字母表示同一层次不同植物群落间差异显著(P＜0.05), 不同小写字母表示同一群落不同层次间差异显著(P＜0.05)

淤泥质光滩、盐地碱蓬群落微生物丰富度表现为深层>表层>中层, 互花米草及芦苇群落表现为表层土壤微生物丰富度最高, 除藨草群落土壤深层微生物丰富度显著高于表层外, 其余群落不同层次土壤微生物丰富度差异不显著。表层土壤中微生物丰富度表现为芦苇>淤泥质光滩>互花米草>盐地碱蓬>藨草；中层土壤中淤泥质光滩>芦苇>藨草>互花米草>盐地碱蓬, 各类型群落间差异不显著；深层土壤中淤泥质光滩>藨草>互花米草>芦苇>盐地碱蓬, 淤泥质光滩与藨草群落差异性不显著, 显著高于其他类型群落。

PD whole tree指数表现为淤泥质光滩、藨草群落深层显著高于表层, 其余群落不同层次间差异不显著。表层土壤中芦苇群落PD whole tree指数最大, 藨草最低；中层土壤各类群落差异不显著；深层土壤中淤泥质光滩该指数显著大于其他群落。

综上, 淤泥质光滩、藨草、盐地碱蓬群落深层多样性最高, 互花米草、芦苇群落表层多样性最高。土壤表层芦苇群落多样性最高, 淤泥质光滩、互花米草群落其次, 中层及深层土壤中淤泥质光滩多样性最高。五种群落中, 互花米草群落土壤微生物多样性指数在三个层次间差异不显著, 其余群落土壤微生物多样性指数在表深层间存在显著差异。

2.3 土壤微生物群落组成特征的主坐标分析

为了更直观的显示不同群落中土壤微生物的相似性及差异性, 基于Unweighted Unifrac、Weighted Unifrac距离对土壤微生物群落、细菌群落、古菌群落进行PCoA分析(图 6)。Unweighted Unifrac基于物种之间的进化关系, 只考虑序列是否在群落中出现进行距离矩阵的计算, 而Weighted Unifrac将序列的丰度纳入考虑, 能够区分物种丰度的差别, PCoA分析图中样本点距离越接近, 微生物群落结构越相似。

图 6 不同群落不同层次土壤微生物OTU水平的主坐标分析Fig. 6 PCoA analysis (OTU level) of soil microorganisms at different levels of different communities

根据Unweighted Unifrac分析结果(图 6), 总体来看, 盐地碱蓬与芦苇群落的土壤微生物群落结构相似, 二者占据PCoA右下角, 与光滩、互花米草群落相隔一定距离呈现三角状分布, 土壤微生物群落结构差异较大, 这四种群落土壤三个层次的样本点距离接近, 微生物群落结构相似。而藨草群落土壤表层样本点与互花米草群落距离接近, 深层样本点与盐地碱蓬及芦苇群落距离接近, 中层样本点贯穿表深层。在土壤微生物中占比大的土壤细菌分布情况与总体情况相似, 各群落古菌群距离相对接近, 群落间古菌群落结构相近。

根据Weighted Unifrac分析结果(图 6), 总体而言表现为光滩土壤微生物群落结构与其余四种群落土壤微生物群落的差异性大。对群落土壤细菌的分析中, 光滩独自占据一点, 与其余群落土壤细菌结构存在一定差异, 本土植被藨草、盐地碱蓬、芦苇群落各样点聚为一群, 互花米草群落样本点靠近本土植物群落群, 与本土植物群落土壤细菌群落结构相似。土壤古菌群表现为所有群落距离均接近, 差异较小。

综上, Unweighted Unifrac分析结果与Weighted Unifrac分析结果中, 光滩与4种植物群落的细菌群落结构均存在差异, 植被覆盖与否是土壤微生物群落结构产生差异性主要驱动力之一, 与细菌特有种的出现有关, 同时影响了细菌群落优势种的相对丰度, 而四种植物群落细菌群落结构的差异主要在不考虑物种丰度的分析结果中体现, 植被种类的不同主要作用于细菌特有种的出现, 从而导致群落土壤细菌群落结构的差异, 对微生物群落优势种相对丰度的影响较小。

3 讨论3.1 不同植物群落土壤微生物群落结构及多样性的差异

在一定空间尺度的相似环境条件下, 不同植被覆盖类型初步决定了微生物群落的组成[23]。植被凋落物及其根系分泌物的特性不同, 对土壤微生物的作用不同[24—25], 土壤微生物群落组成及结构存在差异。在黄河三角洲滨海湿地的研究发现, 裸地、芦苇、柽柳和碱蓬等不同植被覆盖区域下土壤微生物丰度及多样性存在差异[4]。李秋霞等[26]在盐城大丰滨海滩涂的研究发现各湿地细菌群落微生物多样性指数表现为芦苇湿地>盐地碱蓬湿地>互花米草湿地>原始光滩地。

本研究结果发现光滩与植物群落土壤微生物群落结构差异较大, 主要体现在土壤细菌种类及丰度的差异。不同类型植物群落土壤古菌群落结构相似, 在相对丰度上存在差异, 互花米草作为外来物种, 与本土植被盐地碱蓬、芦苇的土壤微生物群落结构存在差异, 主要体现在细菌种类的不同。此外, 藨草群落土壤表层微生物群落结构与互花米草群落相似, 深层与盐地碱蓬、芦苇群落相似。藨草作为本土植被, 原有土壤环境及微生物群落与盐地碱蓬、芦苇群落相似, 互花米草入侵后, 藨草斑块四周湿地被互花米草覆盖, 群落表层土壤环境与互花米草土壤环境类似, 二者土壤微生物群落结构相似。

基于上述结果, 淤泥质光滩与植物群落土壤微生物群落差异显著, 差异大于不同植物群落间土壤微生物群落组成结构的差异；只考虑物种有无时, 互花米草群落土壤微生物群落在组成特征上, 虽与藨草群落的表层土壤微生物群落相近, 但与淤泥质光滩、盐地碱蓬与芦苇群落显著不同, 形成彼此间差异最大的三个类群, 表明互花米草群落显著改变了土壤微生物群落物种组成与结构, 可能对群落生态功能、底栖生物多样性等产生影响, 有必要对互花米草入侵对群落功能、代谢等的影响及其作用机制等进一步研究。

3.2 不同土壤层次土壤微生物结构及多样性特征

相关研究发现, 土壤微生物群落多样性还会受到土壤深度的影响。左平等[27]在盐城国家级自然保护区核心区对土壤微生物功能多样性的研究发现芦苇滩和互花米草滩微生物的活性和多样性最高, 其次为青蛤滩和泥螺滩, 碱蓬滩的数值最低, 并且发现亚表层土壤中微生物活性高于表层土壤。有研究发现微生物活性与土壤层含水量正相关[28], 左平等认为微生物的多样性和活性显著正相关, 表层土壤在退潮后遭曝晒, 土壤水分降低, 植被稀疏的碱蓬滩受到曝晒的影响更为明显, 从而导致了微生物群落活性和多样性的差异[27]。刘芳等的研究发现, 土壤细菌和古菌结构呈现出规律的层状分布, 细菌和古菌群落的种类和多样性都存在着较大的差异, 不同层次土壤在氧气供给、土壤理化性质及植物根系作用等方面差异显著, 导致了微生物群落结构的差异性[29]。

本研究中淤泥质光滩、藨草及盐地碱蓬群落表现为土壤深层微生物群落多样性最高, 而互花米草及芦苇群落的土壤表层微生物群落多样性最高, 互花米草群落土壤三个层次间微生物群落多样性差异不显著, 其余群落土壤表深层部分微生物群落多样性指数存在显著差异。同一植物群落的不同土壤层次间, 微生物群落差异相对较小, 三个层次土壤的优势种群种类没有发生显著变化。一般地, 优势微生物分布广泛, 扩散能力强[30], 不同层次土壤距离接近, 扩散限制低, 有利于优势菌群在垂直剖面上形成相似性, 而根系条件及动物扰动等不同, 层次间存在一定的环境异质性, 维持了层次间不同的土壤微生物群落组成及多样性。刘芳等[29]的研究中土壤深度达到285 cm, 与本研究相比, 不同层次土壤异质性更显著, 土壤微生物群落结构呈现层状分布规律。

综合比较发现, 不同土壤深度下微生物群落结构和多样性的差异小于植被类型不同导致的土壤微生物群落结构和多样性的差异。不同群落水文条件及植物根系生物量的分布特征应是影响不同植物群落对应的土壤生物群落组成与结构特征差异的重要原因。植被对土壤微生物结构具有主动选择性, 通过根际活动及凋落物输入等改变土壤环境, 影响微生物类群丰度或多样性, 部分不利于植物生长的微生物种类减少甚至消失, 形成有利于自身生长的微生物群落结构, 导致不同植物群落土壤微生物群落组成结构与多样性产生差异, 可能导致微生物群落功能产生差异。这对于揭示互花米草生物多样性效应, 提高对本土底栖生物生物多样性支持及生境修复等, 提供一定参考。

3.3 互花米草群落对土壤微生物群落组成与结构特征的影响

有研究发现, 互花米草入侵后的土壤, 其pH、氮、磷含量等因素与微生物群落结构相关的性质与本土植被存在差异[31—32], 互花米草群落地上部分密度大, 根系发达, 对土壤微生物群落结构有着显著影响[33], Lin等在鳝鱼滩湿地的研究发现, 与本土植被芦苇和秋茄相比, 互花米草对湿地细菌群落结构的影响更大[34]。九段沙湿地中互花米草群落土壤酸杆菌门相对丰度显著高于海三棱藨草群落, 绿弯菌门相对丰度显著降低[35]。郑洁等[12]在闽江河口湿地的研究发现, 与被入侵的红树林土壤相比, 互花米草群落土壤中革兰氏阳性细菌、真菌含量显著提高, 革兰氏阴性细菌、放线菌含量降低。

本研究中, 互花米草群落土壤微生物群落古菌比例显著低于盐地碱蓬群落, 与其余群落差异不显著；在门水平上互花米草群落与其余群落优势门种类一致, 部分优势门微生物的相对丰度存在差异, 其中变形菌门相对丰度显著高于其他群落, 酸杆菌门和绿弯菌门相对丰度显著低于本土植物群落, 高于淤泥质光滩。互花米草群落土壤微生物群落在结构组成上与藨草群落表层土壤微生物群落相似, 与淤泥质光滩土壤微生物群落结构差异较大, 但在功能类群上, 互花米草群落与淤泥质光滩微生物群落功能更相似, 而三种本土植物群落在土壤微生物群落功能上更相似。总体上, 互花米草的生态入侵对土壤主要优势门微生物种类影响较小, 但部分优势门微生物相对丰度显著改变, 在功能群上与本土植被存在较大差异。

研究地土壤微生物群落结构特征与植物群落空间分布序列呈现对应关系, 显示土壤微生物与地上植被联系紧密。一般地, 植物分泌物、根际活动以及水文条件的不同, 其土壤条件存在显著差异, 应是导致植物群落间土壤微生物群落物种组成与结构差异的重要原因。本研究中, 不同群落土壤理化性质存在显著差异, 其中互花米草群落地上生物量大, 根系发达, 土壤有机碳含量显著高于其余群落, 总氮含量仅低于藨草群落, 总磷含量与淤泥质光滩、藨草群落相对一致, 显著高于盐地碱蓬和芦苇群落(表 1), 与群落土壤微生物组成与结构特征具一定的对应性。

有研究认为互花米草能够影响土壤碳、氮、磷等的循环, 改变部分有利于自身生长的微生物类群含量, 迅速扩张实现入侵[12], 但土壤微生物是否促进互花米草入侵, 仍需进一步研究；而基于土壤微生物功能特征类群的生物多样性分析, 对理解不同群落生态功能特征, 特别是互花米草入侵的生态功能效应, 研发互花米草群落的生态修复技术等, 可提供必要的理论参考, 如土壤生态功能修复的土壤微生物途径的探索等。

4 结论

本文以盐城滩涂五种典型类型湿地为研究对象, 通过16S rRNA扩增子测序技术测定0—10 cm、10—30 cm、30—60 cm深度土壤微生物群落的组成与结构特征, 对不同群落土壤微物生物多样性的差异性进行了研究, 主要研究结果有：

(1) 植被类型影响土壤微生物群落结构及多样性。植物群落土壤微生物群落结构存在差异, 主要体现在细菌群落的不同, 土壤古菌群落结构差异较小。有无植被覆盖间土壤微生物群落结构差异较大, 光滩与植被覆盖湿地土壤细菌种类及相对丰度上均存在差异。表层土壤中芦苇群落微生物多样性最高, 中层土壤中五种群落差异不显著, 深层土壤中淤泥质光滩微生物多样性最高。

(2) 土壤层次对土壤微生物群落结构及多样性影响较小。同一群落, 不同层次土壤微生物群落结构相似, 淤泥质光滩、藨草及盐地碱蓬群落土壤深层微生物群落多样性最高, 而互花米草及芦苇群落土壤表层的微生物群落多样性最高。土壤层次对土壤微生物群落结构及多样性影响小于不同植物群落类型的影响。

(3) 互花米草入侵影响土壤微生物群落结构, 土壤主要优势门微生物种类未改变, 部分优势门微生物相对丰度显著改变, 变形菌门相对丰度显著高于其他群落, 酸杆菌门和绿弯菌门相对丰度显著低于本土植物群落, 高于淤泥质光滩。互花米草作为外来物种, 土壤微生物群落结构与淤泥质光滩、盐地碱蓬和芦苇群落有显著差异, 在功能类群上, 与本土植物群落微生物群落也存在差异。

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