張廣帥,于秀波,張全軍,李　雅,劉　宇,段后浪

1 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,中國科學(xué)院生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點實驗室,北京　100101 2 中國科學(xué)院大學(xué),北京　100049

濕地是陸地生態(tài)系統(tǒng)和水域生態(tài)系統(tǒng)相互作用形成的自然綜合體和獨特生態(tài)系統(tǒng)類型,在維護(hù)區(qū)域生態(tài)平衡和生物多樣性保護(hù)等方面具有重要作用[1],故而被稱為“地球之腎”和“生態(tài)超市”[2]。由于濕地生態(tài)系統(tǒng)獨特的環(huán)境條件和豐富的物種多樣性,物質(zhì)交換和能量流動過程十分復(fù)雜,因而其生物地球化學(xué)過程相對于陸地生態(tài)系統(tǒng)更為復(fù)雜[3]。

土壤微生物是使土壤具有生命力的最主要成分,與土壤肥力和土壤健康水平密切相關(guān)[4]。濕地生態(tài)系統(tǒng)中,土壤微生物不僅在有機質(zhì)分解、腐殖質(zhì)合成以及物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量傳遞過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用[5,6],還控制著沼澤濕地類型的分異與演替和土壤碳庫的動態(tài)變化[7]。在洪泛平原濕地生態(tài)系統(tǒng)中,土壤微生物群落結(jié)構(gòu)對環(huán)境因子的變化尤其是土壤濕度、pH、質(zhì)地結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)元素的可利用程度響應(yīng)敏感[8]。水文情勢的變化是濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的主要控制因素[9],濕地水文狀態(tài)的改變不僅制約著土壤微生物的生理和功能代謝水平,還影響微生物功能群落的組成[10]。地下水位變化所引起的干濕交替環(huán)境通過其有氧和無氧環(huán)境的轉(zhuǎn)變?yōu)橥寥牢⑸锏娜郝浣M成形成了生理壓力[11]。微生物群落結(jié)構(gòu)沿地下水位梯度的分異與土壤水分、透氣性、有機養(yǎng)分和植被等因子的差異密切相關(guān)[12]。高地下水位梯度的濕潤條件下,細(xì)菌更具有生存優(yōu)勢[13]。

鄱陽湖是我國第一大淡水湖泊,受流域來水和長江水位共同作用,年內(nèi)洪枯水位可達(dá)12m,這種獨特的水文節(jié)律變化下形成了大面積干濕交替的洲灘濕地[14]。沿不同的高程梯度,地下水位變化呈明顯的空間地帶性分布,進(jìn)而在洲灘尺度上形成了不同的微地帶性環(huán)境。相關(guān)研究表明,水文情勢的變化對鄱陽湖植被群落分布、生物量積累和物種多樣性造成了不同程度的影響[15-16]。目前在鄱陽湖濕地的研究主要集中在水文過程與景觀變化[17-18]、土壤微生物與植被關(guān)系[19-20]等方面,這些研究對認(rèn)識鄱陽湖濕地的變化規(guī)律奠定了基礎(chǔ)。Coulis等[21]認(rèn)為短期內(nèi)生態(tài)環(huán)境因子的變化不會直接改變微生物的群落結(jié)構(gòu),只能改變微生物活性,枯水期內(nèi)洲灘尺度上不同地下水位環(huán)境梯度是否會引起土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化及其與微環(huán)境因子的相關(guān)性研究尚不足。本文以鄱陽湖典型碟形子湖白沙湖洲灘濕地為研究對象,研究比較不同地下水位梯度土壤濕地微生物生物量和群落結(jié)構(gòu)的分異特征,并對相關(guān)影響因素進(jìn)行分析,以期為深入了解枯水期鄱陽湖濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的維持機制及濕地生物地球化學(xué)循環(huán)過程,揭示土壤地下生物群系應(yīng)對枯水期環(huán)境變化的響應(yīng)策略提供科學(xué)依據(jù),進(jìn)而對鄱陽湖濕地生態(tài)系統(tǒng)的有效保護(hù)具有重要意義。

1　材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

鄱陽湖地處江西北部,長江中下游,地理坐標(biāo)為115°49′—116°46′E,28°24′—29°46′N,南北相隔170km,東西最大跨度70km。鄱陽湖屬東亞季風(fēng)區(qū),為典型亞熱帶季風(fēng)氣候,夏季炎熱多雨,冬季低溫少雨,年平均降水量為1387—1795mm,年內(nèi)、年際變化較大。年降水量最大2452.8mm(1954年),最小1082.6mm(1978年),最大6個月降水量(3—8月)占全年降水量的74.4%。年平均蒸發(fā)量800—1200mm,約有一半集中在溫度最高的7—9月。多年平均氣溫17.6℃,最冷月(1月)平均氣溫5.1℃,最熱月(7月)平均氣溫29.5℃。受鄱陽湖水文節(jié)律季節(jié)性變化的影響,呈現(xiàn)出河、湖、灘交錯的濕地景觀格局。

研究試驗樣地位于江西南磯濕地國家級自然保護(hù)區(qū)內(nèi)的白沙湖,地處贛江三角洲前緣,屬典型的內(nèi)陸河口濕地區(qū)。白沙湖為典型的碟形湖泊,洲灘地勢平坦,受鄱陽湖季節(jié)性周期水文變化影響,4—9月份保護(hù)區(qū)除南山島和磯山島外,其余地方均被淹沒,白沙湖與大湖連通,10月份湖水逐漸消退,歸入碟形洼地,不同高程的洲灘相繼出露。白沙湖洲灘發(fā)育有大面積的草洲,優(yōu)勢植被為灰化苔草(Carexcinerascens)、南荻(Triarrhenalutarioriparia)、蘆葦(Phragmitesaustralis)、虉草(Phalarisarundinacea)等,其中灰化苔草分布最為廣泛,幾乎遍及整個濕地洲灘,蓋度在85%—100%。試驗樣地位置如圖1所示,面積為200m×300m, 樣地內(nèi)優(yōu)勢植被為灰化苔草,伴生種為南荻和蘆葦。從湖岸向湖心按照地下水位劃分為4個梯度(GT-A,GT-B,GT-C,GT-D),梯度帶之間相隔約100m。不同梯度帶灰化苔草生長態(tài)勢、土壤溫度及地下水位分異明顯(表1)。每個地下水位梯度帶內(nèi)根據(jù)微地形差異設(shè)置3—6個采樣點,同一梯度帶內(nèi)采樣點間隔50—80m,每個采樣點設(shè)置3個重復(fù)。每個采樣點處埋入細(xì)口徑(內(nèi)徑為2cm)PVC管(埋入地下約70cm)用于測定地下水位。

1.2　樣品采集與分析

2016年11月下旬,利用土鉆(內(nèi)徑5cm)對每個采樣點進(jìn)行五點混合取樣,采集0—20cm土壤樣品約500g裝入聚乙烯自封袋內(nèi),編號后置于保鮮盒運回實驗室進(jìn)行后續(xù)分析。土壤樣品運回實驗室后,挑揀出石塊等雜物后,每份樣品分為兩份,一份置于-20℃冷藏箱中用于測定土壤微生物磷脂脂肪酸(PLFA)測定,另一部分自然風(fēng)干后磨碎風(fēng)干,分別過20目和100目篩,用于土壤理化性質(zhì)的分析。

圖1　研究區(qū)地理位置與樣地設(shè)置Fig.1　Location of study area GT-A, GT-B, GT-C, GT-D 代表不同的地下水位梯度帶(從湖岸向湖心方向依次為A, B, C, D)

土壤理化性質(zhì)分析具體方法如下：土壤含水量采用烘干法測定,土壤顆粒組成采樣馬爾文激光粒度儀測定；土壤容重(BD)采用環(huán)刀法測定；土壤pH采用水土比2.5∶1 pH計測定；土壤有機碳(SOC)采用重鉻酸鉀外加熱法測定；土壤總氮(TN)采用半微量凱氏定氮法測定；土壤總磷(TP)采用鉬銻抗比色法測定。土壤微生物量碳(MBC)和微生物量氮(MBN)的測定采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法[22]。

表1　采樣點基本信息

*采樣點生物量為苔草生物量, GT-A, GT-B, GT-C, GT-D 代表不同的地下水位梯度帶(從湖岸向湖心方向依次為A, B, C, D)

土壤微生物磷脂脂肪酸(PLFA)的分析測定參照Frosteg?rd 等[23]的KOH-甲醇溶液甲酯化方法進(jìn)行,以十九烷酸為內(nèi)標(biāo)采用GC-MS (TRACE GC Ultra ISQ) 測定,全自動進(jìn)樣裝置,檢測磷脂脂肪酸的方法為：進(jìn)樣口溫度280℃,分流比20∶1,柱溫箱程序升溫為70℃起始,保持1min,以20℃/min升溫至170℃,維持2min,再以5℃/min升溫至280℃,維持5min,最后以40℃/min升溫至3000℃,維持1.5min。

對不同地下水位條件下的土壤進(jìn)行PLFA 分析,共檢測出30種不同的脂肪酸。通常情況下每類特征標(biāo)記脂肪酸僅存在于特定的微生物類群內(nèi),且占有優(yōu)勢地位[24]。因此不同的特征標(biāo)記脂肪酸可以表征特定的生物類群。其中,i13:0, i14:0, i15:0, a15:0, i16:0, i17:0, a17:0, a16:0, i15:1 可以表征革蘭氏陽性細(xì)菌；12:0,14:1ω5c, 14:0, 16:1ω6c, 15:0, cy17:0, 16:1 2OH, i17:0 3OH, cy19:0 ω8c, i15:0 3OH, 16:1ω9c 可以表征革蘭氏陰性細(xì)菌；16:1ω5c,18:1ω9c,18:3ω6c(6,9,12)表征真菌；10Me17:0 和10Me 18:0 表征放線菌[25-27]。

1.3　數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 20.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析,采用單因素方差分析不同地下水位梯度環(huán)境下土壤理化性質(zhì)、微生物群落結(jié)構(gòu)的變化,多重比較方法選用Dunnett′s T3比較檢驗,采用雙變量皮爾遜相關(guān)分析研究區(qū)微生物群落結(jié)構(gòu)與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性；采用CANOCO(Canoco for Windows 5.0)軟件對不同地下水位環(huán)境梯度下不同采樣點土壤微生物特征PLFAs進(jìn)行主成分分析(PCA),對土壤理化性質(zhì)、土壤微生物群落結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系進(jìn)行冗余分析(RDA),RDA分析通過蒙特卡洛顯著性檢驗(Monte Carlo permutation text)(P=0.02)。

根據(jù)脂肪酸含量和種類計算微生物群落Shannon 多樣性指數(shù)(H′)、Pielou 均勻度指數(shù)(J)和 Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(D)來評價微生物多樣性特征[28-30],計算公式如下：

H′=-∑PilnPi

式中,Pi=Ni/N,Ni為 第i類脂肪酸量,N為試驗檢測出的總脂肪酸量,S為微生物群落中總脂肪酸的種類。

2　結(jié)果與分析

2.1　土壤屬性沿地下水位梯度的分異

地下水位對TN以外的土壤理化性質(zhì)影響顯著(表2；P< 0.05)。隨著地下水位的升高,土壤pH從4.62(GT-A)升至5.05(GT-D),增長幅度達(dá)9.3%(P< 0.05)；土壤含水量從30.8%(GT-A)增長到52.6%(GT-D),變幅達(dá)70.7%(P< 0.05)。GT-D的粘粒含量比GT-A、GT-B和GT-C分別降低了34.6%、31.2%、22.7%,粉粒含量分別降低了7.0%、4.6%和1.5%,而沙粒含量則增加了4.28、2.18和1.28倍(P< 0.05)。地下水位的升高促進(jìn)了土壤TOC 和TP的流失,相對GT-A,GT-D 的TOC 和TP含量顯著降低了53.5%和26.1%(P< 0.05)。不同地下水位梯度間,土壤TN差異性不顯著(P> 0.05),土壤碳氮比依次表現(xiàn)為GT-A(10.78)> GT-B(10.20)> GT-C(9.07)> GT-D(7.63)。

表2　不同地下水位梯度土壤理化性質(zhì)

不同小寫字母表示同行在不同地下水位梯度帶間在0.05水平上具有顯著差異

2.2　地下水位對土壤微生物量及其分配比例的影響

圖2　不同地下水位梯度土壤微生物MBC、MBN及其分配比例Fig.2　MBC, MBN, allocation ratio of MBC to SOC and allocation ration of MBN to TN of different ground water level gradient zonesMBC: 微生物量碳, Microbial biomass carbon；MBN：微生物量氮,Microbial biomass nitrogen； SOC：土壤有機碳,Soil organic carbon; TN: 土壤總氮, Total nitrogen

土壤生物量碳氮在不同地下水位梯度間表現(xiàn)為在GT-A、GT-B和GT-C之間差異不顯著(圖2),GT-D顯著高于其他3個梯度(P< 0.05)。GT-D的微生物量碳氮分別比GT-A增長了2.8倍和4.3倍。微生物商是指土壤微生物量碳和土壤有機碳含量的百分比(MBC/SOC)。隨著地下水位梯度的升高,微生物商逐漸升高,在GT-A、GT-B和GT-C之間變化不顯著,相對GT-C,GT-D的微生物商升高了2.6倍。土壤微生物量氮的分配比例(MBN/TN)在不同地下水位梯度間的變化趨勢與微生物商一致,GT-D 土壤微生物量氮的分配比例是GT-C的3.95倍。

2.3　地下水位對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

不同地下水位土壤微生物類群差異性顯著(圖3)。GT-D顯著增強了微生物總PLFAs,細(xì)菌PLFA和放線菌PLFA的含量(P< 0.05),與GT-A相比,增長幅度分別為106.8%、117.2%、74.9%,其中革蘭氏陽性細(xì)菌和革蘭氏陰性細(xì)菌分別增長了107.9%和207.2%。真菌PLFA隨著地下水位的升高呈現(xiàn)出低-高-低-高的波動性變化。由GT-A到GT-D,細(xì)菌PLFA占總PLFAs的比重分別為79.5%、80.9%、78.3%、83.5%,真菌PLFA占總PLFAs的比重分別為12.9%、12.9%、11.3%、8.0%,放線菌PLFA占總PLFA的比重分別為5.8%、6.2%、7.8%、4.9%。不同地下水位梯度樣點土壤微生物PLFA數(shù)據(jù)PCA分析表明,沿著第1、第2主排序軸(PC1),采樣點產(chǎn)生了明顯的空間分離,GT-D和GT-A、GT-B、GT-C沿第1主排序軸能明顯分開；而GT-A、GT-B、GTC之間則沿第2主排序軸明顯分開(圖4)。PC1和PC2分別解釋了空間分異的76.7%和13.6%,累積貢獻(xiàn)率達(dá)90.3%。在所有特征PLFA中,對第1主成分起主要作用的是i13:0、i15:0、i17:0 3OH、i15:0 3OH、a16:0; 而18:3ω6c、10Me 17:0 對第2主成分貢獻(xiàn)較大。

圖3　不同地下水位梯度土壤的總PLFA,細(xì)菌,真菌,放線菌,革蘭氏陽性細(xì)菌,革蘭氏陰性細(xì)菌Fig.3　The amount of soil PLFAs (total PLFAs, total bacteria, gram-positive bacteria, gram-negative bacteria, Actinomycetes and Fungi of different ground water level gradient zones不同小寫字母表示在0.05水平上具有顯著差異

圖4　PLFA 指紋圖譜主成分分析(A)土壤微生物群落,(B)磷脂脂肪酸Fig.4　Principle component analysis of PLFA profiles from soil microbial communities,(A)soil microbial community structure, (B) phospholipid fatty acids contributing to soil microbial community ordination pattern

在地下水位梯度升高的過程中,真菌/細(xì)菌(F/B)由0.26(GT-A)降至0.11(GT-D),壓力響應(yīng)指數(shù)即支鏈反異構(gòu)飽和脂肪酸與支鏈異構(gòu)飽和脂肪酸的比值(SA/SI)由0.47(GT-A)升至0.79(GT-D)。4個地下水位梯度帶中,GT-D均具有最低的革蘭氏陽性細(xì)菌/革蘭氏陰性細(xì)菌(G(+)/G(-))和單一不飽和脂肪酸/支鏈脂肪酸(M/B)(表3；P< 0.05)。

表3不同地下水位梯度土壤微生物群落對環(huán)境的響應(yīng)特征指數(shù)

Table3Fungal∶BacterialPLFAS(F/B),Gram+∶Gram-PLFAs(G+/G-),Themonounsaturated∶BranchedPLFAs(M/B),Sumofanteiso∶SumofisobranchedPLFAs(SA/SI)ofdifferentgroundwaterlevelgradients

梯度帶GradientzonesG(+)/G(-)F/BM/BSA/SIGT-A2．12±0．22b0．17±0．02b0．26±0．02b0．47±0．05a GT-B2．06±0．26b0．16±0．02b0．30±0．06b0．53±0．08a GT-C2．36±0．69b0．14±0．03b0．18±0．06a0．53±0．08a GT-D1．45±0．11a0．10±0．02a0．11±0．02a0．79±0．11b

不同小寫字母表示同列不同行在0.05水平上具有顯著差異;F/B：真菌與細(xì)菌的比值,the ratio of fungi to bacterial; M/B：單一不飽和脂肪酸與支鏈脂肪酸的比值,the ratio of monounsaturated fatty acid to branched-chain fatty acid； SA/SI：支鏈反異構(gòu)飽和脂肪酸與支鏈異構(gòu)飽和脂肪酸的比值,the ratio of branched anti-isomeric saturated fatty acids to branched chain isomeric saturated fatty acids

不同地下水位梯度濕地土壤微生物群落的多樣性分析表明, Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)和Pielou 均勻度指數(shù)(J)的最低值出現(xiàn)在GT-D,而最高值出現(xiàn)在GT-B。Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(D)則與之相反(圖5；P< 0.05),表明地下水位梯度的升高降低了土壤微生物結(jié)構(gòu)多樣性,而促進(jìn)了優(yōu)勢種群的分布。

圖5　不同地下水位梯度土壤微生物群落Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′),Pielou 均勻度指數(shù)(J)和Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(D)Fig.5　Shannon-Wiener diversity index, Pielou evenness index and Simpson dominance index of soil microbial communities under different ground water level gradient zones不同小寫字母表示在0.05水平上具有顯著差異

2.4　土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與土壤屬性的關(guān)系

相關(guān)分析表明(表4),濕地土壤化學(xué)性質(zhì)中,pH與G(+)、G(-)、細(xì)菌、放線菌、總PLFAs和優(yōu)勢度指數(shù)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),而與多樣性指數(shù)和優(yōu)勢度指數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。TOC與多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)而與優(yōu)勢度指數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。C∶N與G(-)、放線菌和優(yōu)勢度指數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),而與多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。濕地土壤物理結(jié)構(gòu)中,容重粘粒和粉粒與微生物群落結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出相同的關(guān)系,即與真菌以外的微生物群落和優(yōu)勢度指數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),而與多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),土壤沙粒含量則表現(xiàn)出相反的趨勢(P<0.01)。MBC 與G(+)、G(-)、 細(xì)菌、放線菌和總PLFA均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與優(yōu)勢度指數(shù)呈顯著正相關(guān)(P<0.05),而與多樣性指數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),MBN則與G(+)、G(-)、細(xì)菌、總PLFA和優(yōu)勢度指數(shù)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與放線菌呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與多樣性指數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)(P< 0.01)。

表4　微生物群落結(jié)構(gòu)與土壤環(huán)境因子間的相關(guān)性分析

** 表示在0.01水平上具有極顯著相關(guān)性；*表示在0.05水平上具有顯著相關(guān)性

土壤微生物商和土壤環(huán)境因子間具有顯著的線性關(guān)系(圖6),MBC/SOC 在研究區(qū)范圍內(nèi)隨著pH和土壤含水量的增大而增大,隨著容重和粘粒含量的增大而減小。但是與pH、容重和粘粒含量相比,MBC/SOC與含水量間的回歸擬合效果明顯較差(R2=0.20,P=0.03)。MBC/SOC對pH變化的響應(yīng)最敏感(R2=0.72,P<0.001),其次為粘粒含量。

圖6　土壤微生物商與土壤環(huán)境因子的關(guān)系Fig.6　Relationship between microbial quotient and soil environmental factors

對所有地下水位帶濕地土壤微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行冗余分析發(fā)現(xiàn),前2個排序軸累積貢獻(xiàn)值為94.8%,其中第1排序軸解釋了82.9%的變異(圖7)。在所有土壤環(huán)境因子中,Monte Carlo 檢驗表明,土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與 pH(F=17.3,P=0.002),土壤含水量(F=3.8,P=0.04),和 C∶N(F=2.7,P=0.05)顯著相關(guān)。pH和土壤含水量與第1軸呈顯著正相關(guān),而C∶N與第1軸呈顯著負(fù)相關(guān)。通過單個PLFA與環(huán)境因子相關(guān)性排序可知,革蘭氏陰性細(xì)菌PLFA標(biāo)記(i15:0 3OH、i17:0 3OH、15:1ω6c、15:0、cy17:0)和革蘭氏陽性細(xì)菌PLFA標(biāo)記(i13:0、i14:0、a16:0)與土壤含水量呈顯著正相關(guān),即這些PLFAs的相對豐度值隨著土壤含水量的升高而升高。真菌特征PLFA(18:3ω6c和18:1ω9c)與C∶N呈顯著正相關(guān)。革蘭氏陽性細(xì)菌PLFA標(biāo)記(i15:0、14:0)、革蘭氏陰性細(xì)菌PLFA標(biāo)記(14:1ω5c)和真菌PLFA標(biāo)記(16:1ω5c)與pH呈顯著正相關(guān)。革蘭氏陽性細(xì)菌PLFA標(biāo)記(a17:0)、革蘭氏陰性細(xì)菌PLFA標(biāo)記(12:0)與沙粒含量呈顯著正相關(guān)。放線菌PLFA標(biāo)記(10Me18:0、10Me16:0)與各土壤環(huán)境因子相關(guān)性均不顯著。

圖7　土壤微生物優(yōu)勢群落與環(huán)境因子的RDA排序Fig.7　Redundancy analysis (RDA) of the microbial distribution patterns constrained by soil physicochemical properties along ground water level gradients

3　討論

水文條件是濕地形成和發(fā)育的驅(qū)動因子。當(dāng)水淹沒洲灘土壤時,進(jìn)入土壤的氧氣減少,起分解作用的好氧微生物活動減弱,有機質(zhì)分解速率低,土壤有機碳以積累為主[31]。而在濕地土壤干濕交替地條件下,會引起土壤收縮和膨脹,使土壤團(tuán)聚體中有機質(zhì)暴露,對土壤微生物代謝具有激發(fā)效應(yīng),促進(jìn)有機質(zhì)的分解[32]。本研究發(fā)現(xiàn)不同地下水位梯度間土壤理化性質(zhì)差異明顯,濕地土壤機械組成的分異主要是因為水體波動過程中的沖刷和篩選作用導(dǎo)致細(xì)粒物質(zhì)被水流帶走而使得比重較大的粗顆粒物積累下來[33]。此外,地下水位波動引起的干濕交替過程會引起土壤膠體的形態(tài)變化,破壞土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)。土壤pH, 顆粒組成和容重的變化使原來不能被分解的有機質(zhì)因團(tuán)聚體的崩潰而加速分解,所以土壤有機碳的含量顯著降低[34]。張全軍等[35]研究發(fā)現(xiàn)高蓋度、長勢旺盛的苔草群落有利于養(yǎng)分保留和有機碳的固持,由于靠近水體的梯度帶苔草蓋度、株高、生物量等生物性狀顯著低于其他梯度,故而不利于土壤有機碳的積累。土壤全磷含量主要受成土母質(zhì)、氣候環(huán)境條件影響,受植物群落影響不大[36],高地下水位梯度土壤磷含量顯著降低主要是因為可溶性磷酸鹽被淋溶分解[37],而研究表明可溶性有機碳中的芳香類物質(zhì)能夠保護(hù)土壤粘粒抵抗外界的侵蝕[38],進(jìn)而又促進(jìn)了粘粒含量的減少。

土壤微生物量可以反映土壤同化和礦化能力的大小,是土壤活性大小的標(biāo)志[21]。本研究中靠近水體的高地下水位梯度具有最高的生物量碳氮,可能是因為pH和土壤含水量綜合作用的結(jié)果。枯水季節(jié)期間,洲灘土壤含水量在30%—55%之間,土壤含水量的升高有利于微生物活性的增強。由于枯水期洲灘土壤pH在4.5—5.5之間,高地下水位梯度pH和微生物量碳氮均高于其他梯度,說明研究區(qū)土壤微生物更喜歡弱酸性的環(huán)境。

濕地土壤地下水位改變了土壤微生物群落組成。隨著地下水位梯度空間位置的升高,PLFA總量、細(xì)菌群落、放線菌群落的PLFA含量顯著增加,最高值均出現(xiàn)在地下水位梯度最高的GT-D。Mentzer等研究發(fā)現(xiàn)濕地水文情勢的變化能夠促進(jìn)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的持久性變化[39]。濕地水文波動是影響土壤氧氣濃度的驅(qū)動型因素,但是在枯水季節(jié),好氧環(huán)境和厭氧環(huán)境會根據(jù)降水或湖泊水位變化同時出現(xiàn)在高程梯度較低的區(qū)域[40],因此在高程低,靠近水體的地帶,水位會在地面表層上下波動,進(jìn)而導(dǎo)致干濕交替過程。本研究中的結(jié)果表明高地下水位區(qū)域頻繁的干濕交替能夠促進(jìn)細(xì)菌和放線菌群落的豐度,與Foulquier等的研究結(jié)果一致[41]。真菌群落對酸性的耐受程度高于細(xì)菌[42],因此本研究中真菌群落并沒有隨pH產(chǎn)生明顯變化。

由于土壤微生物量碳氮的周轉(zhuǎn)快,所以它們的分配比例越大,土壤有機碳等的周轉(zhuǎn)速率就越大[43]?？拷w高地下水位梯度帶土壤微生物商和微生物量氮分配比例最高,說明土壤有機碳氮周轉(zhuǎn)最快,這也解釋了土壤有機碳在此梯度帶含量低的原因。微生物商與土壤含水量之間的相關(guān)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于pH、容重和粘粒含量。研究表明,短時期的淹水對土壤有機碳的周轉(zhuǎn)速率影響不明顯[43],說明地下水位梯度對微生物商的影響主要是通過土壤pH和土壤質(zhì)地的作用。

相關(guān)分析和RDA分析都表明,在地下水位梯度空間分異過程中,pH、土壤含水量和土壤機械組成是影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的主要環(huán)境因素。因為土壤pH會對微生物吸附、胞外酶的分泌以及養(yǎng)分利用產(chǎn)生不同的作用,故而其對微生物群落結(jié)構(gòu)的影響機制比較復(fù)雜。一般來說,細(xì)菌和放線菌適合生長在微堿性或弱酸性環(huán)境下,而真菌則適合生長在酸性條件下[44]。因此細(xì)菌和放線菌的PLFA含量與土壤pH呈極顯著正相關(guān),而隨著pH的升高,真菌所占的比重逐漸降低。土壤機械組成對微生物群落結(jié)構(gòu)的直接影響主要是因為土壤微生物主要存在于土壤顆粒的空隙或表面。研究發(fā)現(xiàn),細(xì)菌主要存在于0.5—5μm的空隙中,而放線菌也適合生存在相對較大的空隙中[45],土壤容重隨著土壤孔隙度的增大而減小,而本研究中細(xì)菌和放線菌的含量與土壤容重具有顯著的負(fù)相關(guān)性,可能是因為在濕地環(huán)境中土壤顆?？障兜脑龃笥欣诩?xì)菌和放線菌的存活。Cook等發(fā)現(xiàn),土壤微生物群落中細(xì)菌在高水位條件下活性高而真菌則在低水位條件下活性較高[46]。無論是在陸地生態(tài)系統(tǒng)還是在濕地生態(tài)系統(tǒng)土壤水分都是土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的重要控制因素。濕地土壤地下水位的抬升,最直接的影響就是使土壤含水量升高。土壤碳氮比可以反映微生物生長是碳限制還是氮限制,同時也是影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的重要因子。碳氮比越小說明碳的可利用程度越低,由于真菌需要有機殘體作為生命活動的載體,與外源有機碳輸入和土壤有機質(zhì)積累關(guān)系密切[47],所以本研究中細(xì)菌和放線菌群落對碳限制所帶來的環(huán)境壓力耐受性顯著高于真菌群落,有機碳可利用程度的降低所帶來的負(fù)面效應(yīng)并沒有影響pH升高所帶來的正面效應(yīng)。在濕地土壤環(huán)境下,地下水位的空間變化不僅關(guān)系到土壤水分條件和氧氣濃度的變化,而且還反映了土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分的可利用性,因此對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)影響復(fù)雜。土壤微生物群落的多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)均隨著地下水位梯度升高而降低,說明地下水位梯度所綜合表征的土壤環(huán)境梯度的變化對土壤微生物具有明顯的篩選作用,不同的濕地微生態(tài)環(huán)境塑造了不同的微生物群落,這種微生物群落結(jié)構(gòu)的變化可能是濕地枯水季節(jié)地下水位短期分異的結(jié)果[21]。

真菌/細(xì)菌(F/B)常被用來衡量微生物群落對環(huán)境變化的響應(yīng)程度,進(jìn)而能夠反映土壤微生物的生理狀態(tài),比如有機質(zhì)的分解[47]。與其他地下水位梯度帶相比,GT-D具有最低的F/B,說明高地下水位梯度碳的積累效率較慢[48],與微生物商所表現(xiàn)的結(jié)果一致。Gordon等[49]研究發(fā)現(xiàn)在干濕交替環(huán)境中F/B并未發(fā)生明顯變化,間接指示pH可能是影響F/B變化的主要環(huán)境因子。單一不飽和脂肪酸/支鏈脂肪酸(M/B)可以用來指示厭氧與好氧微生物的比例[50]。本研究中GT-C和GT-D的M/B顯著低于GT-A和GT-B,說明隨著地下水位的升高,厭氧微生物的比重在逐漸增多,而好氧微生物比重的增長速度低于厭氧微生物,這與土壤含水量的變化是一致的。支鏈反異構(gòu)飽和脂肪酸/支鏈異構(gòu)飽和脂肪酸(SA/SI)能夠反映微生物群落環(huán)境壓力的變化,一般隨著溫度的降低和有機碳可利用程度的增加而升高[51-52]。由于pH的升高和土壤顆粒的變化促進(jìn)了土壤有機質(zhì)的分解和微生物的代謝強度,并且隨著地下水位的升高,土壤溫度降低,所以本研究中SA/SI 隨地下水位呈顯著增大趨勢。

鄱陽湖濕地不同地下水位環(huán)境梯度間土壤微生物群落結(jié)構(gòu)存在較大差異,由于本研究實驗樣地區(qū)域為單一灰化苔草群落,所以土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的分異主要是由于地下水位變化及其所驅(qū)動的土壤理化性質(zhì)的改變所引起的。本研究則發(fā)現(xiàn),在枯水期濕地洲灘出露階段,鄱陽湖濕地短時期內(nèi)所表現(xiàn)出的不同的地下水位環(huán)境梯度空間異質(zhì)性既改變了微生物活性又同時顯著改變了土壤微生物群落結(jié)構(gòu),進(jìn)而有可能對有機質(zhì)分解、土壤呼吸等濕地生態(tài)過程產(chǎn)生不同影響,同時靠近水體、地下水位相對較高的環(huán)境梯度帶土壤碳氮周轉(zhuǎn)速率快,是濕地生物地球化學(xué)循環(huán)的熱點區(qū)域。

4　結(jié)論

(1)地下水位是濕地洲灘微地形、高程和水文情勢綜合作用的結(jié)果。地下水位的升高顯著改變了土壤化學(xué)性質(zhì)和物理結(jié)構(gòu)。隨著地下水位梯度帶從最低到最高,土壤pH從4.62升至5.05,沙粒含量增加了4.28倍,而有機碳、粘粒和粉粒含量分別降低了53.5%、34.6% 和 7.0%。

(2)濕地地下水位改變驅(qū)動下土壤環(huán)境因子的變化進(jìn)一步改變了濕地土壤微生物量碳氮和土壤碳氮周轉(zhuǎn)速率。與地下水位最低的梯度帶(GT-A)相比,當(dāng)平均地下水位在地表上下波動時(GT-D),微生物量碳氮分別增長了2.82和4.30倍,微生物商提高了5.77倍,微生物量氮分配比例提高了7.15倍。

(3)濕地地下水位梯度驅(qū)動下濕地微環(huán)境的變化短期內(nèi)改變了土壤微生物群落結(jié)構(gòu),與地下水位最低的梯度(GT-A)相比,干濕交替環(huán)境(GT-D)下,微生物總PLFAs,細(xì)菌PLFA和放線菌PLFA的含量分別增長了106.79%、117.24%、74.89%,隨著地下水位升高,真菌PLFA比重逐漸降低而厭氧微生物比重增多。

(4)濕地地下水位梯度的升高增加了土壤微生物群落的環(huán)境壓力,進(jìn)而降低了土壤微生物群落多樣性。高地下水位梯度(GT-D)具有最低的F/B(0.11)和最高的SA/SI(0.79)。不同地下水位環(huán)境梯度土壤微生物的多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)表現(xiàn)為GT(A)> GT(B)> GT(C)> GT(D),而優(yōu)勢度指數(shù)則與之相反。

(5)在濕地地下水位變化過程中,影響土壤有機碳周轉(zhuǎn)的主要土壤環(huán)境因子為pH和土壤質(zhì)地,而影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵限制性因子為pH,土壤含水量,沙粒含量和C∶N。