黃春萍, 吳福忠, 張 健, 岳 楷, 張 川, 楊萬勤,*

1 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)林業(yè)研究所,林業(yè)生態(tài)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 611130 2 四川師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,成都 610068

高寒森林溪流是高山森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,不僅是眾多江河流域的水源源頭,也是陸地與水生生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)與能量源/匯動(dòng)態(tài)的重要紐帶,在自然環(huán)境演替、森林環(huán)境和物種分布格局中發(fā)揮著重要的作用[1-2]。溪流特有的時(shí)空變異,對鏈接物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的微生物將產(chǎn)生深刻影響,從而調(diào)控相關(guān)的關(guān)鍵生態(tài)學(xué)過程。隨著全球氣候的變化,長江流域高山森林生態(tài)系統(tǒng)的敏感性和脆弱性逐漸增加[3],伴隨著雪被的減少、冬季溫度的降低以及土壤凍結(jié)和凍融交替的增強(qiáng)[4],更容易受到氣候變化影響的高寒森林溪流環(huán)境中的微生物群落將受到深刻的影響。但是,這方面目前尚缺乏必要的關(guān)注。

不斷增加的研究表明,高寒森林陸地生態(tài)系統(tǒng)中具有豐富的微生物,各類群微生物對季節(jié)性凍融均具有積極的響應(yīng)。不但微生物數(shù)量和群落組成會發(fā)生變化[5],而且由于微生物形態(tài)、生長策略以及各自的生態(tài)位之間的較大差異,使得微生物各類群間對環(huán)境變化的耐受能力和養(yǎng)分動(dòng)態(tài)的響應(yīng)也存在不同,最終表現(xiàn)為冬季比生長季節(jié)具有更高的真菌/細(xì)菌比例[6-7]。與陸地生態(tài)系統(tǒng)相比,水生環(huán)境中的微生物數(shù)量、分布和活性不僅受到相似因子(如氣候和pH值等)的調(diào)控[8-9],而且還會受到溪流獨(dú)特環(huán)境因子的影響,比如相對穩(wěn)定的溫度、充足的水源、低氧和強(qiáng)烈的沖刷作用等[10-12]。然而,有關(guān)水生生態(tài)系統(tǒng)(如溪流)中微生物群落結(jié)構(gòu)和組成的研究報(bào)道較少,尤其是有關(guān)微生物群落在高寒森林陸地生態(tài)系統(tǒng)和水生態(tài)系統(tǒng)中的季節(jié)性變化異同鮮見報(bào)道。

川西高寒森林位于青藏高原東緣,是全球變化的敏感地帶,具有典型的季節(jié)性動(dòng)態(tài),環(huán)境條件隨冬季雪被的形成、覆蓋、消融及土壤的凍融循環(huán)過程而顯著改變,且在不同生境下差異明顯[2]。同時(shí),作為我國第二大林區(qū)的主體,在調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、涵養(yǎng)水源和生物多樣性保育等方面有著不可替代的作用和地位[6-7,13]。因此,本文以川西高寒森林為研究區(qū)域,結(jié)合同步溫度動(dòng)態(tài)和水環(huán)境特征監(jiān)測,對比研究了溪流(水體環(huán)境)和土壤(陸地環(huán)境)中微生物群落結(jié)構(gòu)的季節(jié)性變化動(dòng)態(tài)特征及其與溫度等環(huán)境因子之間的關(guān)系。本研究以期為進(jìn)一步認(rèn)識高寒森林土壤和水體生態(tài)過程及其季節(jié)轉(zhuǎn)換提供基礎(chǔ)資料和理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究在四川省理縣高山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站(102.53°—102.57°E,31.14°—31.19°N,海拔2458—4619 m)進(jìn)行。研究站地處青藏高原東緣與四川盆地的過渡帶,年平均氣溫3℃,溫度波動(dòng)范圍為-18—23℃,年降水量801—850 mm。研究區(qū)域的森林植被隨海拔由低到高依次為針闊混交林、高寒針葉林、高山灌叢和草甸。實(shí)驗(yàn)樣地位于海拔3580 m的典型高寒森林,喬木層主要為四川紅杉(Larixmastersiana)、方枝柏(Sabinasaltuaria)、岷江冷杉(Abiesfaxoniana)。林下灌叢主要為康定柳(Salixparaplesia)和高山杜鵑(Rhododendronlapponicum)、三顆針(Berberissargentiana)、扁刺薔薇(Rosaweginzowii)等,草本主要是高山冷蕨(Cystopterismontana)、莎草屬(Cyperusspp.)和苔草屬(Carexspp.)植物[2,14-15]。在研究區(qū)高寒森林典型林冠下選取3個(gè)25 m×25 m的樣方,每個(gè)樣方相距1 km左右。同時(shí),在鄰近林下樣地的區(qū)域分別選取3條典型的森林溪流。每條溪流長約為200 m, 寬30—160 cm。

1.2 樣品采集及理化特征檢測

基于前期相關(guān)研究,將一年劃分為5個(gè)關(guān)鍵時(shí)期,在2014年到2015年共兩年分10次采集樣品,即雪被形成初期I(Early stage of snow cover I,OF I)、雪被覆蓋期I(Peak of snow cover I,FP I)、雪被消融期I(Stage of snow thaw I,TP I)、生長季前期I(Early growth period I,EGP I)、生長季后期I(Later growth period I,LGP I)、雪被形成初期II(Early stage of snow cover II,OF II)、雪被覆蓋期II(Peak of snow cover II,FP II)、雪被消融期II(Stage of snow thaw II,TP II)、生長季前期II(Early growth period II,EGP II)和生長季后期II(Later growth period II,LGP II)。在各采樣點(diǎn)放置1個(gè)紐扣式溫度計(jì)(iButton DS1923-F5,Maxim/Dallas Semiconductor,Sunnyvale,USA),同步記錄采樣點(diǎn)環(huán)境溫度每兩小時(shí)變化情況(圖1)。

圖1 監(jiān)測樣地和大氣日平均溫度動(dòng)態(tài)(2013.11.13—2015.11.11)Fig.1 Dynamics of mean daily stream, soil and air temperature at each sample plot from 13 November, 2013 to 11 November, 2015

分別于每個(gè)時(shí)期末采集林下樣方有機(jī)層土壤,置滅菌的聚丙烯袋低溫帶回實(shí)驗(yàn)室,-80℃(Wizard2.0型熱板真空冷凍干燥機(jī) VirTis USA)冷凍干燥備用。用滅菌的安剖瓶采集表層10—20 cm的溪流水,低溫保存帶回實(shí)驗(yàn)室。在每次采樣時(shí)即時(shí)測定采樣點(diǎn)水樣pH值和流速。取各水樣用滅菌的0.22 μm的微孔濾膜過濾,濾液用于檢測水溶性有機(jī)碳和溶解氧等[2]。濾膜-80℃冷凍干燥備微生物多樣性檢測用。

1.3 微生物多樣性

凍干土壤和水樣濾膜樣品的基因組DNA均采用北京天恩澤基因科技有限公司的Soil DNA out試劑盒并按操作說明提取。提取得到的微生物DNA呈棕色、灰白色或褐色,且含有較多有機(jī)質(zhì)和腐殖酸。采用天根生化科技(北京)有限公司Universal DNA Purification Kit試劑盒純化所有的樣品DNA,純化步驟按試劑盒說明書進(jìn)行。采用338f：5′-(GC)-CCTACGGGAGGCAGCAG-3′ 和 518r：5′-ATTACCGCGGCTGCTGG-3′ 擴(kuò)增細(xì)菌16S rDNA[16]。反應(yīng)條件為：95℃ 預(yù)變性 3 min,95 ℃變性60 s,55 ℃退火50 s,72 ℃延伸60 s,35個(gè)循環(huán),最后72℃延伸10 min。采用U1：5′-(GC)-GTGAAATTGTTGAAAGGGAA-3′ 和U2：5′-GACTCCTTGGTCCGTGTT-3′ 擴(kuò)增真菌18S rDNA[17]。反應(yīng)條件為：95℃預(yù)變性3 min,95℃變性60 s,56 ℃退火30 s,72 ℃ 伸60 s,35個(gè)循環(huán),最后72 ℃延伸10 min。擴(kuò)增體系均為25 μL體系,包括Premix Ex Taq 12.5 μL,上、下游引物各1 μL,純化后的模板DNA(1—10 ng)1 μL,最后用ddH2O補(bǔ)足至25 μL。

細(xì)菌16S rDNA 和真菌 18S rDNA 擴(kuò)增產(chǎn)物純化回收后分別進(jìn)行變性梯度凝膠電泳(Denaturing gradient gel electrophoresis,DGGE)分析。條件為：8%聚丙烯酰胺凝膠,變性劑濃度為30%—60%。80 V恒壓和60 ℃恒溫下持續(xù)電泳16 h。電泳結(jié)束后,采用銀染法對DGGE凝膠進(jìn)行染色[18],然后采用Bio-rad GelDoc XR System凝膠成像系統(tǒng)拍照。選擇凝膠上的差異條帶及共性條帶進(jìn)行切膠回收和擴(kuò)增,擴(kuò)增產(chǎn)物純化后,連接到pMD19-T載體(TaKaRa),再轉(zhuǎn)入大腸桿菌感受態(tài)細(xì)胞DH5α在培養(yǎng)皿中進(jìn)行培養(yǎng),進(jìn)行藍(lán)白斑篩選,將獲得陽性克隆進(jìn)行測序。

同時(shí),選擇測序后的陽性克隆并提取質(zhì)粒供qPCR反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線使用,質(zhì)粒濃度采用ScanDrop100超微量核酸蛋白測定儀(Analytik Jena,德國)測定,然后分別進(jìn)行10倍梯度系列稀釋以作為定量PCR擴(kuò)增的標(biāo)準(zhǔn)品在Mini-Opticon Real-Time system (Bio-Rad, USA)上進(jìn)行擴(kuò)增,根據(jù)所得標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算得出樣品中的基因拷貝數(shù),最后以每克樣品(干重)或每毫升水中的基因拷貝數(shù)為單位進(jìn)行分析。PCR反應(yīng)效率和標(biāo)準(zhǔn)曲線的相關(guān)系數(shù)分別為：細(xì)菌107.5%和r2= 0.998,真菌98.3% 和r2= 0.997。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

DGGE圖譜采用Bio-Rad Quantity One軟件處理,樣品中條帶的位置和灰度分別類比于物種的種類和數(shù)量,對圖譜中的主要條帶進(jìn)行灰度分析后,采用Canoco 4.5對分析得到的灰度值矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行PCA分析。選擇Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)表征群落結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

實(shí)時(shí)熒光定量PCR擴(kuò)增得到的不同微生物基因拷貝數(shù)經(jīng)過Ln對數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA),多重比較采用最小顯著差異法(LSD)。微生物基因豐度與環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系采用Pearson法分析。數(shù)據(jù)整理、計(jì)算與作圖均采用Microsoft Excel 2013軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 微生物rDNA豐度分析

熒光定量PCR結(jié)果顯示,溪流和森林土壤中凍融季節(jié)和生長季節(jié)均檢測到細(xì)菌 16S rDNA和真菌 18S rDNA且均表現(xiàn)出相應(yīng)的季節(jié)性變化規(guī)律。在不同關(guān)鍵時(shí)期相同環(huán)境中的細(xì)菌16S rDNA豐度均顯著高于真菌18S rDNA豐度(P< 0.05)(圖2)。

圖2 溪流和森林土壤微生物rDNA豐度Fig.2 Abundance of stream water and forest soil microbiology rDNA OF I：雪被形成初期I Early stage of snow cover；FP I：雪被覆蓋期I Peak of snow cover I；TP I：雪被消融期I Stage of snow thaw I；EGP I：生長季前期I Early growth period I；LGP I：生長季后期I Later growth period I；OF II：雪被形成初期II Early stage of snow cover II；FP II：雪被覆蓋期II Peak of snow cover II；TP II：雪被消融期II Stage of snow thaw II；EGP II：生長季前期II Early growth period II；LGP II：生長季后期II Later growth period II； 不同小寫字母表示差異達(dá)0.05水平

溪流和森林土壤中細(xì)菌16S rDNA 豐度隨時(shí)間的變化波動(dòng)不大,但是表現(xiàn)出不同的季節(jié)性變化規(guī)律。全年溪流中16S rDNA 豐度在生長季節(jié)前期顯著性高于其它時(shí)期(P<0.05),雪被消融期顯著性最低(P<0.05)；而森林土壤16S rDAN 豐度在雪被覆蓋期比生長季節(jié)高,但無顯著性差異(P>0.05)。溪流和森林土壤中真菌18S rDNA 豐度隨時(shí)間的變化與細(xì)菌16S rDNA 相似,但波動(dòng)均不大。全年溪流中18S rDNA 豐度在生長季節(jié)前期較高,但無顯著性差異(P>0.05),雪被消融期最低,也無顯著性差異(P>0.05)；森林土壤18S rDNA 豐度在雪被覆蓋期比生長季節(jié)高,無顯著性差異(P>0.05)。

不同生境或者季節(jié)性變化的不同時(shí)期,真菌/細(xì)菌的比例會受到深刻影響(圖3),真菌/細(xì)菌比例在溪流環(huán)境中和森林土壤中的季節(jié)性變化特征相似,表現(xiàn)為冬季高于生長季節(jié)。但森林土壤真菌/細(xì)菌比在各個(gè)時(shí)期是溪流真菌/細(xì)菌比的約5—6倍。

圖3 溪流和森林土壤真菌 18S rDNA / 細(xì)菌 16S rDNA比例Fig.3 The radio of fungal 18S rDNA / bacterial 16S rDNA in the stream water and forest soil

2.2 微生物 PCR-DGGE 指紋圖譜分析

為了達(dá)到對結(jié)果的最佳分析,采用Quantity one 軟件對 DGGE 圖譜進(jìn)行定量分析后,將DGGE圖轉(zhuǎn)化為更直觀的Compare lane images,即DGGE指紋圖譜(圖4)。從圖中可以看出微生物的類群、相對數(shù)量及其動(dòng)態(tài)過程在不同環(huán)境的同一關(guān)鍵時(shí)期或者相同環(huán)境的不同關(guān)鍵時(shí)期均存在明顯差異,溪流水環(huán)境和森林土壤中各個(gè)時(shí)期均具有豐富的細(xì)菌多樣性和真菌多樣性。

為了進(jìn)一步理解這種差異,對溪流和森林土壤細(xì)菌和真菌隨季節(jié)性變化的不同關(guān)鍵時(shí)期的群落組成分別進(jìn)行了主成分分析(圖5)。分析顯示,溪流中,雪被形成初期的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與雪被覆蓋期相似；并與雪被消融期和生長季節(jié)(包括生長季前期和后期)分別具有明顯的差異,而雪被消融期和生長季節(jié)之間也具有較大的差異。森林土壤中,不同關(guān)鍵時(shí)期細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)之間的差異與溪流中的比較結(jié)果相似。另一方面,溪流中,凍融時(shí)期的真菌群落具有相似的結(jié)構(gòu),而與生長季前期和后期具有明顯的差異。同時(shí),森林土壤中,生長季前期和雪被消融期的真菌群落結(jié)構(gòu)與生長季后期、雪被形成初期及雪被覆蓋期具有明顯差異(圖5)。

從DGGE凝膠中切割分離了優(yōu)勢條帶和大部分可見條帶,測序分析結(jié)果表明：溪流中的細(xì)菌類群以紅球菌屬(Rhodococcussp.)為主(條帶S16a,S16b,S16c,S16d,S16e和S16g)(圖4),占所測序條帶的約50%。溪流中的細(xì)菌類群在各個(gè)時(shí)期相對穩(wěn)定,盡管數(shù)量上紅球菌屬較多,但是在各個(gè)時(shí)期均穩(wěn)定且也占據(jù)優(yōu)勢地位的是以條帶S16f為代表的菌群,序列比對結(jié)果顯示其同源性最高的為不可培養(yǎng)細(xì)菌,且同源性僅94%,與其同源性最近的已鑒定物種為Jatrophihabitanssp. I14A-00812(登錄號：KR184262.1)。與溪流相比,森林土壤細(xì)菌類群則以芽孢桿菌屬(Bacillussp.)比例相對較高(條帶F16a,F16b,F16c,F16d,F16e和F16f)(圖4),占所測序條帶的約30%,溪流水環(huán)境中的優(yōu)勢細(xì)菌紅球菌在森林土壤中僅少量檢測到(條帶F16g,F16h和F16i)。溪流中的真菌類群以曲霉屬(Aspergillussp.)(條帶S18a,S18b和S18c)和空團(tuán)菌屬(Cenococcumsp.)(條帶S18d和S18e)為主(圖4),其中空團(tuán)菌屬在各個(gè)時(shí)期均占據(jù)優(yōu)勢地位,且空團(tuán)菌屬的其中一個(gè)類群(條帶S18e)在溪流各個(gè)時(shí)期所占比例均較高。與溪流相比,森林土壤的真菌類群更加豐富,格孢菌屬(Pleosporalessp.)(條帶F18a,F18d和F18e)、曲霉屬(條帶F18f和F18h)和其他一些子囊菌門(Ascomycota)的類群(條帶F18b,F18c和F18g)在各個(gè)時(shí)期穩(wěn)定存在并占據(jù)優(yōu)勢地位(圖4)。

選擇Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)來表征溪流和森林土壤微生物群落結(jié)構(gòu)狀態(tài),無論是細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)還是真菌群落結(jié)構(gòu)均表現(xiàn)出其獨(dú)特的季節(jié)性變化特征,且兩年的特征相似,見表1。溪流細(xì)菌多樣性指數(shù)在各個(gè)關(guān)鍵時(shí)期均較森林土壤低,而兩個(gè)環(huán)境均表現(xiàn)出相似的季節(jié)性變化特征,從雪被形成初期到雪被覆蓋期逐漸降低,進(jìn)入生長季節(jié)后又逐漸增加。溪流真菌多樣性指數(shù)在各個(gè)關(guān)鍵時(shí)期也較森林土壤低,但是季節(jié)性變化特征不同。溪流真菌多樣性指數(shù)從雪被形成初期開始降低,而從雪被消融期到生長季節(jié)開始升高,在生長季前期達(dá)到全年最高。而森林土壤真菌多樣性指數(shù)則表現(xiàn)出較小的波動(dòng),從雪被形成初期開始降低,而從雪被覆蓋期到雪被消融期開始升高,并達(dá)到全年最高,進(jìn)入生長季節(jié)又開始降低。

2.3 微生物豐度與環(huán)境因子的相關(guān)性

采用SPSS 17.0軟件對溪流和森林土壤中的微生物豐度與相應(yīng)的環(huán)境因子進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析,結(jié)果見表2。溪流細(xì)菌豐度與正積溫(P= 0.634)、溶解氧(P= 0.473)和水溶性有機(jī)碳(P= 0.621)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與pH值(P= -0.442)呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；溪流中真菌豐度僅與水溶性有機(jī)碳(P= 0.390)呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。另一方面,森林土壤細(xì)菌豐度與日均溫(P= -0.489)和正積溫(P=-0.409)呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),真菌豐度則與水溶性有機(jī)碳(P= -0.471)呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。

圖4 溪流和森林土壤微生物DGGE 指紋圖譜Fig.4 DGGE profile of the microbial community in the stream water and forest soil

圖5 溪流和森林土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的PCA分析Fig.5 The PCA analysis of the microbial community in the stream water and forest soil

3 討論

微生物是生態(tài)系統(tǒng)的重要生命體,參與生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)與能量轉(zhuǎn)換,在不同的生態(tài)系統(tǒng)中維持著相應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)功能及其穩(wěn)定性[5,19]。研究通過以土壤(陸地環(huán)境)作為對比,研究了高寒森林溪流(水體環(huán)境)中微生物群落結(jié)構(gòu)的季節(jié)性變化動(dòng)態(tài)特征及其與環(huán)境因子之間的關(guān)系。

與前期在該區(qū)域的研究結(jié)果一致[6-7,20],季節(jié)性凍融直接影響林下土壤微生物群落結(jié)構(gòu),表現(xiàn)出冬季比生長季節(jié)更高的微生物豐度和多樣性。但是越來越多關(guān)于水生環(huán)境中微生物群落結(jié)構(gòu)的研究表明區(qū)域性環(huán)境因子具有更顯著的作用[21]。流動(dòng)水環(huán)境相對土壤的強(qiáng)烈沖刷作用,直接影響其中水體生物的活動(dòng)[10]。與此同時(shí),高寒森林水生環(huán)境還普遍存在微環(huán)境氣候、水流、水溫、凍融等控制了水-氣界面微環(huán)境特征[22-23],而且雪被形成、覆蓋和消融以及土壤凍融過程也會直接改變森林溪流水體環(huán)境[14],這些都會對水體中微生物群落產(chǎn)生深刻的影響。本研究顯示,空間差異性大且營養(yǎng)物質(zhì)相對低的溪流中,微生物豐度和多樣性指數(shù)相對較低,其中細(xì)菌豐度在不同時(shí)期表現(xiàn)出顯著差異(P<0.05)。盡管溪流溫度波動(dòng)較土壤溫度波動(dòng)小,但是溫度也能支配微生物的數(shù)量、分布和活性[10-11,24]。本研究發(fā)現(xiàn)細(xì)菌豐度波動(dòng)在溪流中比在土壤中大,而真菌豐度波動(dòng)在溪流和土壤中相差不大。這也說明了在不同生境中溫度及其波動(dòng)范圍可能引起微生物類群的不同響應(yīng),反映了細(xì)菌比真菌更易受到溫度影響的特點(diǎn)[25],尤其是在冷水水域[10]。

表1 溪流和森林土壤微生物群落Shannon-Wiener 指數(shù)Table 1 Shannon-wiener diversity indexes of microbial community in the stream water and forest soil

OF I：雪被形成初期I Early stage of snow cover；FP I：雪被覆蓋期I Peak of snow cover I；TP I：雪被消融期I Stage of snow thaw I；EGP I：生長季前期I Early growth period I；LGP I：生長季后期I Later growth period I；OF II：雪被形成初期II Early stage of snow cover II；FP II：雪被覆蓋期II Peak of snow cover II；TP II：雪被消融期II Stage of snow thaw II；EGP II：生長季前期II Early growth period II；LGP II：生長季后期II Later growth period II

表2 微生物多樣性與環(huán)境因子之間的Pearson相關(guān)性分析Table 2 Pearson′s correlation analyses between microbial diversity and environmental variables in the stream and the forest soil

* 表示顯著相關(guān) (P< 0.05), **, 表示極顯著相關(guān) (P< 0.01);a因?yàn)橄鞯蚵淙~中負(fù)積溫在各個(gè)時(shí)期均為0,因此變量為常量,無法計(jì)算

已有研究表明微生物的生長與可溶性有機(jī)碳密切相關(guān)[26]。季節(jié)性變化過程中,隨著冬季凍融循環(huán)溫度降低,溪流水中可溶性有機(jī)碳濃度降低,微生物豐度隨之降低；而隨著生長季節(jié)的到來,溫度升高,可溶性有機(jī)碳濃度升高,微生物豐度也升高。這與大量水生生境中有關(guān)微生物生物量或豐度變化的研究結(jié)果一致。相關(guān)性分析也表明細(xì)菌和真菌豐度與可溶性有機(jī)碳存在極顯著或顯著的正相關(guān)性(表2,P< 0.01或P< 0.05)。同時(shí),細(xì)菌和真菌形態(tài)、生長策略以及生態(tài)位的差異可能導(dǎo)致了細(xì)菌和真菌對養(yǎng)分動(dòng)態(tài)的響應(yīng)存在差異,這些差異將引起其群落結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化差異,再加上真菌較細(xì)菌更可能具有更高的碳固定能力[27],因此無論水生環(huán)境還是陸生環(huán)境冬季較生長季節(jié)高的真菌/細(xì)菌比例對冬季生態(tài)系統(tǒng)碳氮周轉(zhuǎn)具有非常重要的意義。

除了溫度和可溶性有機(jī)碳,pH值、光照和水流,以及溶解氧等其他營養(yǎng)物質(zhì)都會深刻影響溪流水環(huán)境中的微生物活性、群落結(jié)構(gòu)及其組成[8-10]。本研究通過分析優(yōu)勢類群發(fā)現(xiàn),紅球菌屬在溪流環(huán)境中占顯著的優(yōu)勢地位,隨著季節(jié)性變化,溪水中含氧量發(fā)生改變,好氣性的紅球菌類群及其相對的比例在含氧量高的生長季節(jié)更高,并且各個(gè)時(shí)期變化較大。而森林土壤中,紅球菌屬的種類和數(shù)量均較溪流中低,這可能是由于森林土壤更容易受到季節(jié)性變化的深刻影響,而導(dǎo)致更耐極端環(huán)境的芽孢桿菌迅速占據(jù)優(yōu)勢地位,這一特點(diǎn)尤其表現(xiàn)在土壤凍融循環(huán)頻繁,溫度較低的冬季。另一方面,分析真菌優(yōu)勢類群結(jié)果表明,與真菌類群豐富的森林土壤相比,溪流真菌優(yōu)勢類群明顯較少。相對于細(xì)菌,真菌途徑為慢周轉(zhuǎn)方式,偏好低營養(yǎng)和難分解的高碳氮比的有機(jī)物,底物循環(huán)時(shí)間相對較長[28-29],因此,溪流中真菌群落結(jié)構(gòu)相比細(xì)菌或者土壤中的真菌更容易受到營養(yǎng)物質(zhì)相對貧瘠的溪流區(qū)域性環(huán)境因子的深刻影響,因此也表現(xiàn)出全年較大的多樣性指數(shù)波動(dòng)。

4 結(jié)論

高寒森林溪流微生物豐度和多樣性均較低,并表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化特征,且冬季較生長季節(jié)具有更高的真菌/細(xì)菌比,細(xì)菌和真菌優(yōu)勢類群的比例均隨季節(jié)性變化發(fā)生改變。季節(jié)性變化和冬季凍融循環(huán)對溪流環(huán)境中的微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性均產(chǎn)生不同程度的影響,期間,溫度、pH、水溶性有機(jī)碳和溶解氧等環(huán)境因子對微生物結(jié)構(gòu)和多樣性變化具有重要作用。本研究為深入研究高寒森林水體和土壤生態(tài)過程及其季節(jié)轉(zhuǎn)換提供了一定的基礎(chǔ)資料和理論依據(jù)。

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