上海市两种经典城市滨河生态廊道土壤微生物群落特征及影响因子研究

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随着城市化进程的加快,人类对土地利用的改变已成为一种不可逆转的趋势,人类活动对城市生态系统的影响不言而喻。为了保护城市生态系统的生物多样性、提升城市景观,许多大城市以生态廊道的形式建立起城市自然景观的构架,其连接破碎化的绿地斑块,有助于斑块间物质和能量的交换,维持物种的多样性,还会深刻影响和丰富人的精神文化体验,而城市滨河生态廊道就是其中重要的一种形式。上海市河网密集,促成了城市滨河丰富的生态廊道;同样,人工建设的城市生态廊道的数量也非常庞大的。对上海生态廊道进行研究发展,能更好的保护上海城市的生态安全和城市生物多样性,促进上海生态之城的建设。为此,本项目以上海市城市滨河生态廊道为研究对象,在分析20年来上海市城市生态廊道景观格局及其演变趋势的基础上,选取了上海市中最为常见的两种滨河廊道结构类型(即水泥质水陆界面廊道与土质水陆界面廊道)进行对比,探讨不同结构性质的滨河生态廊道对土壤理化性质、微生物结构、组成、多样性及其功能等的影响。研究表明:(1)不同类型滨河生态廊道土壤理化存在显著差异。各点位上的土壤容重变幅为0.18-0.61g/cm3,含水量变幅为14%-290%,所有点位的土壤均呈现碱性。通过方差分析,土质水陆界面廊道显著降低了土壤容重、p H值、增加了土壤的含水量。土壤养分上,土壤铵氮、硝氮、有机碳和总氮的变幅分别为0.02-78.01mg/kg、0.92-17.45mg/kg、0.51-14.26g/kg、3.56-228.79g/kg,土质水陆界面廊道有更高的土壤有机碳(SOC)和总氮(TN)。对于同类型廊道空间上的对比。土壤含水量随着土层深度和离岸距离增加而降低,p H值则有相反的增加趋势,SOC、TN等土壤养分同样是表层土壤显著高于深层土壤。在离岸距离上,土质水陆界面廊道接近水陆界面的点位(20cm、1m)含水量和碳氮等营养物质更丰富,水泥质水陆界面廊道点位几乎不受离岸距离的影响。(2)两种类型滨河生态廊道的细菌群落组成和结构存在显著差异。无论从门水平还是更细分的目水平来看,两种类型廊道差异显著,例如从门水平:其中Proteobacteria是占比最高细菌门类,土质水陆界面廊道(尤其是近水陆界面的点位)其丰度较高,而Actinobacteria、Acidobacteria两类细菌在水泥质水陆界面廊道上的丰度较高一些。Chloroflexi,Planctomycetes这两类细菌则几乎不受这两种不同类型廊道结构影响。PCo A以及RDA分析中也显示两种廊道细菌群落结构差异显著,尤其是水点位(20cm),造成两种不同类型廊道细菌组成和结构显著差异主要是由土壤含水量以及碳氮等物质的含量不同所驱动的。(3)两种类型滨河生态廊道的细菌群落多样性差异不显著。尽管对两类廊道细菌群落的α多样性的4个指标进行方差分析结果并没有达到显著的水平(p>0.05),但在chao1指数上,土质水陆界面廊道要略高于水泥质水陆界面廊道,总体上表层土壤细菌的α多样性指数要高于底层土壤。(4)土质水陆界面廊道提升了土壤碳(3-羟基丙酸循环、卡尔文循环、甲醛和甲烷转化等过程)、氮(如氨到羟氨(NH3→NH2OH,涉及amo ABC基因)、硝酸根和亚硝酸根转换(NO2--NO3-,涉及nxr AB、nar GHI、nap AB、nar B、nr&nas AB基因)等过程)、硫(DMSP脱甲基化(MMPA→Me SH,涉及dmd BCD或者acu H基因)、硫化物氧化(sulfide→sulfur,涉及fcc AB基因)、硫化氢和亚硫酸根转化(H2S-SO32-,等涉及dsr AB基因)等过程)等生物地球化学循环过程。除了碳、氮、硫循环通路外的其他通路,如异化砷还原过程,细胞色素bd泛醌代谢过程、双精氨酸合成过程等,这些通路基因丰度在土质水陆界面廊道均高于水泥质水陆界面廊道。因此,这些结果表明,上海市在因地制宜的前提下,可以选取土质水陆界面生态廊道为主要方式建设方式,这将有利于改善土壤和土壤细菌结构以及生态系统功能的维持。
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