曲同寶，于 淼，朱 悅，楊 欣，楊智明

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130118； 2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，黑龍江 大慶 163319)

松嫩草地不同植物功能群土壤細(xì)菌的碳源利用

曲同寶1，于 淼1，朱 悅1，楊 欣1，楊智明2

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130118； 2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，黑龍江 大慶 163319)

基于Biolog-Eco技術(shù)，研究了長(zhǎng)期受放牧干擾的松嫩草地羊草(Leymuschinensis)、禾草、豆科植物和雜類草4類植物功能群土壤細(xì)菌碳源利用規(guī)律。結(jié)果表明，4類植物功能群土壤細(xì)菌碳源利用情況各不相同。其中，雜類草功能群土壤細(xì)菌代謝活性最高，其次是禾草功能群、羊草功能群，豆科植物功能群最低。4類植物功能群土壤細(xì)菌均對(duì)糖類和氨基酸這兩類碳源利用較好，對(duì)酚酸和胺類這兩類碳源利用情況較差。雜類草的Shannon-Wiener指數(shù)，Pielou均勻度指數(shù)以及Gini多樣性指數(shù)最高，而豆科的最低。冗余分析(RDA)表明，土壤中全氮和有機(jī)質(zhì)對(duì)雜類草及豆科植物功能群土壤細(xì)菌碳源利用情況影響較大，電導(dǎo)率、pH以及含水量則對(duì)羊草和禾草功能群土壤細(xì)菌碳源利用情況影響較大。

Biolog-Eco技術(shù)；植物功能群；土壤細(xì)菌；碳源利用

草原生態(tài)系統(tǒng)是最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)，土壤微生物作為土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化的重要參與者，構(gòu)成了草原生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[1]。在草地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤細(xì)菌是占土壤微生物比例最大且物種多樣性非常豐富的一個(gè)類群，在維持草地的穩(wěn)定性方面具有重要的生態(tài)功能[2-4]。土壤細(xì)菌多樣性不但受土壤理化性質(zhì)影響，而且也受地上植物群落結(jié)構(gòu)的影響[5-7]。草地不同植物群落因?yàn)榫哂刑囟ǖ墓δ芴卣?，以及?duì)環(huán)境變化和干擾的響應(yīng)相似而組成不同植物功能群，其特定的枯落物及植物根際分泌物影響土壤細(xì)菌多樣性[8-10]。所以，研究放牧草地土壤細(xì)菌多樣性與不同植物功能群之間的相互關(guān)系，對(duì)于促進(jìn)放牧草地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性具有積極作用。

松嫩草地位于我國(guó)東北中部，微地貌起伏，地下水位較高，土壤中積累大量鹽類，形成質(zhì)地粘重和鹽漬化土地，植被類型受草地各方面變化影響呈現(xiàn)多樣化[11-14]。目前，土壤細(xì)菌多樣性受不同植物功能群影響的研究已有報(bào)道[15]。但關(guān)于松嫩草地植物功能群與土壤細(xì)菌多樣性關(guān)系的研究還較少。且隨著各種變化條件的影響，植物功能群和土壤細(xì)菌相互間的作用也會(huì)隨之發(fā)生改變[16]。本研究利用Biolog-Eco技術(shù)，分析該放牧草地4個(gè)主要植物功能群土壤細(xì)菌對(duì)碳源的利用情況，探討土壤細(xì)菌多樣性與植物功能群的關(guān)系，以期對(duì)草原生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與治理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

野外試驗(yàn)地點(diǎn)位于松嫩草地的西南部，吉林省長(zhǎng)嶺縣種馬場(chǎng)，東北師范大學(xué)草地生態(tài)研究站(44°32′44″-44°32′58″ N，120°39′52″-123°40′17″ E)。在該草地，經(jīng)過多年放牧干擾處理，植物群落間形成鑲嵌分布的格局。有以純羊草(Leymuschinensis)組成的羊草功能群，以及蘆葦(Phragmitesaustralis)、虎尾草(Chlorisvirgata)和拂子茅(Calamagrostisepigeios)等組成的禾草功能群，紫花苜蓿(Medicagosativa)和黃花草木樨(Melilotusofficinalis)等組成的豆科植物功能群以及黃花蒿(Artemisiascoparia)等組成的雜類草功能群[16-19]。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 土壤樣品采集 土壤樣品于2014年8月上旬進(jìn)行采集。采用“五點(diǎn)混合法”取樣，土鉆直徑 2 cm，取樣深度 20 cm，取0-20 cm土壤， 3次重復(fù)。除去土樣中石塊及植物的殘余等雜物，5 點(diǎn)土樣混勻后，取200 g左右土壤裝入無(wú)菌塑料袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室并置于-20 ℃冰箱保存。

1.2.2 土壤理化性質(zhì)的測(cè)定 土壤含水量采用烘干稱重法測(cè)定，pH采用 pH 計(jì)法測(cè)定，土壤電導(dǎo)率采用電導(dǎo)儀測(cè)定，土壤全氮含量采用凱氏定氮法測(cè)定，土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定[20-21]。

1.2.3 土壤細(xì)菌功能群多樣性測(cè)定 在10 g過2 mm篩的土壤中加入90 mL 0.85%的無(wú)菌NaCl溶液，在振蕩器上搖勻(5 min，180 r·min-1)，然后取混合液10 mL，加入90 mL無(wú)菌NaCl溶液，用振蕩器混勻(5 min，180 r·min-1)，再取混合液10 mL，重復(fù)上次操作，即按照10倍稀釋法配制成10-3倍土壤稀釋液。用移液槍向Eco微平板每孔中注入150 uL土壤稀釋液，確保每個(gè)微孔移入量相等，并避免土壤稀釋液從一個(gè)孔中濺入另一個(gè)孔中以及產(chǎn)生氣泡。把注入土壤稀釋液的微平板放置在26 ℃的培養(yǎng)箱中，培養(yǎng)10 d，每隔12 h用Biolog讀數(shù)儀讀數(shù)一次。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

1)土壤樣品數(shù)據(jù)的分類處理和繪圖采用Microsoft Excel 2003；方差分析用SPSS 17.0，對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)，采用LSD法和Duncan新復(fù)極差法檢驗(yàn)分析樣本間的差異顯著性。冗余分析(RDA)軟件采用Canoco for Windows 4.5。

2)微孔板的顏色變化采用單孔顏色平均值(average well color development，AWCD)來(lái)表示，小于0.06的值按零處理。

AWCD=∑(C590-C750)/31.

式中：C590表示單個(gè)孔在590 nm下的吸光度值減去對(duì)照孔的吸光度值，C750表示單個(gè)孔在750 nm下的吸光度值減去對(duì)照孔的吸光度值，31為Biolog-Eco微平板上的碳源種類數(shù)。

土壤細(xì)菌群落的多樣性采用以下指數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)：

1)Shannon-Wiener指數(shù)(H)=-∑(Pi×lnPi);

2)Pielou均勻度指數(shù)(E) =H/Hmax=H/lnS;

3)Gini多樣性指數(shù)(D) =1-∑Pi2。

式中：Pi=C590-C750/∑(C590-C750)，S為Eco 板中顏色發(fā)生變化的孔的數(shù)目[22]。

2 結(jié)果

2.1 土壤理化性質(zhì)

4類植物功能群土壤理化性質(zhì)有差異，其中全氮和有機(jī)質(zhì)存在顯著差異(P<0.05)(表1)。羊草功能群的土壤含水量和pH最高，禾草功能群次之，豆科植物功能群最低；禾草功能群土壤的電導(dǎo)率最高，雜類草功能群最低；雜類草功能群土壤的全氮和有機(jī)質(zhì)含量最高，禾草功能群最低。羊草、禾草、豆科植物和雜類草這4類植物功能群土壤理化性質(zhì)差異顯著(P<0.05)。

表1 土壤理化性質(zhì)Table 1 Physicochemical properties of soil

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。表2同。

Note： Different lower case letters indicate significant difference among the different plant functional groups at 0.05 level, the data are average value ± standard error. The same in Table 2.

2.2 土壤細(xì)菌的平均吸光度值

隨著培養(yǎng)時(shí)間增加，4類植物功能群土壤細(xì)菌的平均孔顏色變化率(AWCD)均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)(圖1)。培養(yǎng)前24 h，雜類草功能群AWCD變化不明顯，之后快速增長(zhǎng)，到144 h左右增長(zhǎng)開始趨于平緩。而其它3類功能群則是36 h前，AWCD變化不明顯，72到192 h之間，增長(zhǎng)迅速，192 h之后，增長(zhǎng)平緩。羊草、禾草和豆科植物功能群土壤細(xì)菌的AWCD增長(zhǎng)幅度小于雜類草功能群土壤細(xì)菌，說明3類碳源利用率不高，且增長(zhǎng)趨勢(shì)相近。雜類草功能群土壤細(xì)菌的AWCD增長(zhǎng)最快也最高，說明其碳源利用率最好。在這4類植物功能群土壤細(xì)菌樣品中，雜類草功能群土壤細(xì)菌的AWCD在總體上始終高于其它3類功能群土壤細(xì)菌的，說明其對(duì)碳源的利用效率最高；禾草功能群土壤細(xì)菌的AWCD稍高于羊草和豆科植物功能群的；羊草和豆科植物功能群土壤細(xì)菌的AWCD值始終接近，說明對(duì)碳源的利用情況相近。

2.3 土壤細(xì)菌對(duì)不同碳源的利用

根據(jù)培養(yǎng)土壤細(xì)菌的Biolog-Eco微平板可知，其上共有31種碳源并分為六大類，分別為糖類、氨基酸類、羧酸類、多聚物類、酚酸類以及胺類。根據(jù)4類植物功能群土壤細(xì)菌在拐點(diǎn)時(shí)間對(duì)6類碳源利用情況繪制柱形圖可知(圖2),在對(duì)所有碳源利用情況中，雜類草功能群土壤細(xì)菌對(duì)所有碳源利用情況明顯高于其它3類。對(duì)糖類、氨基酸類和酚酸類碳源的利用情況來(lái)看，雜類草功能群最好，禾草功能群次之，羊草和豆科植物功能群利用情況相近且較低；在對(duì)羧酸類碳源的利用情況上，雜類草功能群最好，其次是禾草和羊草功能群，利用最低的是豆科植物功能群；對(duì)多聚物類碳源的利用情況是雜類草功能群最好，羊草和禾草功能群利用情況相近，僅低于雜類草功能群，豆科植物功能群最低；對(duì)胺類碳源的利用情況為雜類草功能群最高，豆科植物功能群次之，羊草和禾草功能群利用情況相近且較低。

圖1 土壤細(xì)菌AWCD變化曲線Fig.1 Curve of average well colour development(AWCD) of soil bacteria

圖2 土壤細(xì)菌對(duì)不同碳源的利用情況Fig.2 Average well colour development(AWCD) change with different carbon sources of soil bacteria

注：不同小寫字母表示同一碳源不同植物功能類群間差異顯著(P<0.05)。

Note: Different lower case letters indicate significant differences among diferent plant functional groups at the 0.05 level.

2.4 土壤細(xì)菌碳源利用多樣性指數(shù)

雜類草植物功能群的Shannon-Wiener指數(shù)，Pielou均勻度指數(shù)以及Gini多樣性指數(shù)均最高，說明其多樣性與均勻度最好(表2),其次為禾草功能群和羊草功能群，豆科植物功能群最低。方差分析結(jié)果表明，4類植物功能群土壤細(xì)菌的Shannon-wiener指數(shù)和Gini指數(shù)均差異顯著(P<0.05)；羊草和豆科類群間Pielou均勻度指數(shù)差異不顯著(P>0.05)，但顯著低于禾草和雜類草。

2.5 土壤細(xì)菌吸光度值與土壤理化指標(biāo)冗余分析

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析(DCA分析)后，確定對(duì)4類植物功能群土壤理化指標(biāo)和土壤細(xì)菌拐點(diǎn)192 h吸光度值做RDA分析。不同植物功能群土壤細(xì)菌拐點(diǎn)192 h時(shí)，31孔吸光度值數(shù)據(jù)與土壤各理化指標(biāo)如圖4所示。第1、2、3和4軸的解釋量分別為43.0%、11.3%、4.6%以及13.3%。其中，第一軸對(duì)土壤細(xì)菌功能群變量的解釋量最大。沿第一軸方向，5個(gè)理化指標(biāo)對(duì)不同植物功能群土壤細(xì)菌吸光度值的影響，即土壤細(xì)菌對(duì)碳源利用率的影響從大到小依次為全氮含量(r=0.31，P<0.01)，有機(jī)質(zhì)含量(r=0.27，P<0.01)，電導(dǎo)率(r=0.18，P<0.01)，pH(r=0.13，P<0.01)以及含水量(r=0.11，P<0.01)。影響4類植物功能群土壤細(xì)菌碳源利用的最主要因素為土壤的全氮和機(jī)質(zhì)。雜類草和豆科植物功能群土壤細(xì)菌碳源利用率與全氮和有機(jī)質(zhì)關(guān)系密切。隨著土壤中全氮的增加，對(duì)雜類草功能群土壤細(xì)菌碳源利用率的影響最大，其次是豆科植物功能群土壤細(xì)菌。有機(jī)質(zhì)的影響情況與全氮相同。羊草和禾草功能群土壤細(xì)菌碳源利用率與電導(dǎo)率、pH和含水量關(guān)系密切。隨著電導(dǎo)率的增加，對(duì)羊草功能群土壤細(xì)菌碳源利用影響最大，其次為禾草功能群土壤細(xì)菌。pH與含水量的影響情況相同。

表2 土壤細(xì)菌碳源利用多樣性指數(shù)Table 2 Diversity index of carbon source metabolism of soil bacteria

圖3 土壤細(xì)菌31孔吸光度值與土壤理化性質(zhì)冗余分析Fig.3 Redundancy analysis on the 31 hole absorbance value of soil bacteria and physicochemical properties of soil(RDA)

3 討論

Biolog 技術(shù)是目前已知的研究微生物群落功能變化很有效的方法，主要通過土壤微生物對(duì)多種碳源底物的不同利用來(lái)分析評(píng)價(jià)其生理代謝特征，反應(yīng)其功能多樣性變化[22-26]。通常情況下，對(duì)Biolog-Eco微平板連續(xù)培養(yǎng)10 d，讀取10 d內(nèi)的吸光度值并計(jì)算AWCD，即平均孔顏色變化率進(jìn)行分析[27-29]。前人研究表明，AWCD隨時(shí)間變化呈現(xiàn)出常規(guī)生長(zhǎng)曲線，包括變化前期，指數(shù)變化期和穩(wěn)定期[30-32]。本研究中松嫩草地4類植物功能群的土壤細(xì)菌碳源利用情況的變化曲線符合這一規(guī)律。

4類植物功能群土壤細(xì)菌對(duì)碳源利用情況分析表明，放牧草地4類植物功能群各自影響的土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及功能等各個(gè)方面不同，導(dǎo)致4類功能群土壤細(xì)菌對(duì)多種單一碳源的利用情況不同。通過AWCD隨時(shí)間變化曲線可以看出，4類植物功能群土壤細(xì)菌群落的對(duì)碳源利用的速度及最終的利用程度各不相同。AWCD越高，表明土壤細(xì)菌代謝活性及對(duì)碳源利用情況越好[33]。其中，雜類草功能群土壤細(xì)菌對(duì)碳源的利用情況最好，說明其土壤細(xì)菌的活性最好；其次是禾草功能群，羊草和豆科植物功能群土壤細(xì)菌碳源利用情況較差。這與2011年對(duì)松嫩草地4類植物功能群土壤細(xì)菌對(duì)碳源利用情況的研究分析結(jié)果不同[16]?？赡芘c研究樣地經(jīng)過4年放牧有關(guān)，或隨時(shí)間變化，草地的生態(tài)，環(huán)境等的多方面變化有關(guān)。不同植物功能群土壤中碳源的數(shù)量和質(zhì)量不同，導(dǎo)致土壤細(xì)菌對(duì)各碳源利用情況不同，從而使細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和活性發(fā)生改變[34]。 研究表明，植物種類越多，土壤細(xì)菌群落的活性及其多樣性越高，土壤細(xì)菌的生物量及豐富度也會(huì)隨植物多樣性的增加而增加[35]。對(duì)6類碳源的利用情況來(lái)看，雜類草功能群土壤細(xì)菌對(duì)糖類、氨基酸和多聚物這3類碳源能利用較好，而對(duì)羧酸、酚酸和胺類的利用率較低，但從總體上利用情況明顯好于其它3類功能群。4類植物功能群土壤細(xì)菌對(duì)糖類和氨基酸的利用情況明顯高于其它碳源種類，說明利用這兩類碳源的土壤細(xì)菌最多，且這些土壤細(xì)菌的生理代謝活動(dòng)最強(qiáng)。不同植物功能群下碳源種類、數(shù)量不同，土壤細(xì)菌能利用的能源和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)也不同[36]。

對(duì)多樣性指數(shù)分析表明，雜類草功能群土壤細(xì)菌豐富度和均勻度最高，進(jìn)一步反映出雜類草功能群土壤細(xì)菌群落的代謝功能多樣性更好。多樣性指數(shù)可以反映群落內(nèi)物種總數(shù)和物種相對(duì)多度并進(jìn)一步反映土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和功能等特征[37-39]。多樣性指數(shù)高的植物功能群向土壤提供碳源的數(shù)量和質(zhì)量也高[40]。RDA分析表明，影響4類植物功能群土壤細(xì)菌碳源利用最主要因素為土壤的全氮及有機(jī)質(zhì)含量。雜類草功能群與土壤中有機(jī)質(zhì)與全氮含量關(guān)系密切，土壤細(xì)菌碳源利用率和細(xì)菌的代謝活動(dòng)比其它3類植物功能群強(qiáng)。從中可以看出，不同植物功能群的土壤營(yíng)養(yǎng)因素不同，而土壤營(yíng)養(yǎng)又是限制土壤細(xì)菌的主要原因，土壤細(xì)菌多樣性低歸根結(jié)底是土壤貧瘠所造成的。土壤營(yíng)養(yǎng)限制了土壤細(xì)菌且土壤理化性質(zhì)會(huì)受年份變化和植被類型的影響。不同植物功能群對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量等理化性質(zhì)有影響，導(dǎo)致土壤生境發(fā)生改變，從而影響土壤細(xì)菌的分布、活動(dòng)以及多樣性等方面[41-43]。

在松嫩草地有限的資源中，土壤細(xì)菌根據(jù)自身對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等資源的需要不斷進(jìn)行著競(jìng)爭(zhēng)和淘汰，使其在群落數(shù)量、質(zhì)量和功能性等方面發(fā)生變化，而土壤細(xì)菌的這些變化也能夠影響植物功能群及其多樣性。草地植物無(wú)論是本身的生長(zhǎng)發(fā)育、枯落物或根系分泌物等，都對(duì)土壤細(xì)菌產(chǎn)生一定影響[44-46]。綜上所述，植物功能群和土壤細(xì)菌之間有相互作用，植物各方面因素會(huì)對(duì)土壤細(xì)菌多樣性產(chǎn)生一定的影響[16,47-48]。但同時(shí)，草地生態(tài)環(huán)境、氣候變化，土壤物理?xiàng)l件和人為因素等一系列變化條件也會(huì)對(duì)土壤細(xì)菌多樣性產(chǎn)生影響[18]。因此，關(guān)于對(duì)土壤細(xì)菌多樣性影響的研究還需我們進(jìn)一步探討和完善。

4 結(jié)論

4類植物功能群土壤細(xì)菌碳源利用情況各不相同，說明不同植物功能群下土壤細(xì)菌代謝強(qiáng)度有差異。植物功能群土壤細(xì)菌群落多樣性越高，土壤細(xì)菌碳源利用情況越好，且不同土壤理化性質(zhì)對(duì)4類植物功能群土壤細(xì)菌碳源利用情況影響不同。4類植物功能群土壤細(xì)菌均對(duì)糖類和氨基酸這兩類碳源有較好的利用，對(duì)酚酸和胺類這兩類碳源的利用較差。

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(責(zé)任編輯 茍燕妮)

Utilization of carbon sources by soil bacteria in different plant functional groups in the Songnen Steppe

Qu Tong-bao1, Yu Miao1, Zhu Yue1, Yang Xin1, Yang Zhi-ming2

(1.Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China;2.Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China)

Biolog EcoPlates were used to analyse carbon source utilization by soil bacteria in different plant functional groups (Leymuschinensis, grass, legume, and forb) in the Songnen steppe. The results showed there were differences in carbon source utilization and bacterial metabolic activity among the four plant functional groups. Carbon source utilization of the soil bacteria community was the highest in the forb group, followed by grass andL.chinensisgroups, and was lowest in the legume group. Carbohydrate and amino acids were used the most by soil bacteria in the four plants functional groups; however, phenolic acids and amines were poorly used in all plant functional groups. The Shannon-Wiener index, Pielou index, and the Gini index were the highest in the forb group and the lowest in the legume group. Redundancy analysis (RDA) showed that total N and organic matter were the major factors affecting carbon source utilization by soil bacteria in the forb and legume functional groups, and electrical conductivity, pH value, and moisture content were the major factors in theL.chinensisand grass groups.

Biolog-Eco; plant functional groups; soil bacteria; carbon source utilization

Yang Zhi-ming E-mail：35538867@qq.com

2016-02-21接受日期：2016-04-05

國(guó)家自然科學(xué)基金目(31201839)；中國(guó)博士后科學(xué)基金第四十九批面上資助項(xiàng)目(20110491286)

曲同寶(1970-)，男，吉林永吉人，副教授，博士，研究方向?yàn)橹参锷鷳B(tài)學(xué)。E-mail：419730800@qq.com

楊智明(1979-)，男，寧夏固原人，副教授，博士，研究方向?yàn)椴莸厣鷳B(tài)與管理。E-mail：35538867@qq.com

10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0074

S812;S154.38+1

A

1001-0629(2016)12-2398-09*

曲同寶,于淼,朱悅,楊欣,楊智明.松嫩草地不同植物功能群土壤細(xì)菌的碳源利用.草業(yè)科學(xué),2016,33(12)：2398-2406.

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