蚌湖湿地土壤微生物群落结构和功能活性对年际水位变化的响应

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湿地是处于水陆交错带的特殊生态系统,水文波动是其重要的特征之一。水生态因子控制着湿地生态系统的结构和功能。湿地生物群落对水位动态变化的响应往往最为迅速,其中湿地土壤微生物响应水位波动的生态效应是决定湿地生态系统健康与否的关键因素。鄱阳湖湿地作为我国最重要的生态敏感区域之一,对保障流域内的生态服务功能具有重大作用;年际和年内剧烈的水位波动深刻地影响着鄱阳湖湿地生态系统。为了揭示鄱阳湖湿地土壤微生物群落结构与功能活性对长期水位变化的响应机制,评估水文情势对土壤质量演变及生态系统结构和功能稳定性的影响,本文选取了鄱阳湖典型的碟形湖湿地─蚌湖湿地为研究区域,分析了年际水位变化对湿地土壤理化性质及湿地土壤微生物群落结构组成和代谢功能的影响。本研究的结论对鄱阳湖湿地生态系统结构和功能稳定性的维持等方面具有重要意义,可为鄱阳湖湿地的合理保护与科学管理提供基础科学数据。本研究获得的初步结果如下:(1)潴水年和平水年的水文环境有利于增加土壤养分物质的积累。具体来看,潴水年和平水年有利于土壤TOC、DOC、DON、AP和NH4+-N等物质的积累。但从季节维度而言,夏季淹水条件提高了土壤总有机质、总碳氮磷、溶解有机碳/氮、速效磷等养分含量。南荻样地土壤养分含量整体高于狗牙根和苔草样地。(2)平水年较高的土壤营养资源提高了土壤微生物的功能活性。平水年显著提高了土壤MBC、MBN、q MBC、q MBN和Bglu、Bxyl、NAG、Phos等功能活性指标,潴水年和丰水年土壤长时间淹水厌氧环境可能对微生物构成生理压力,抑制微生物的活性。季节维度上,夏季湿地淹水后土壤养分的升高提高了微生物的生物量,同时也增强了4种水解酶的活性水平。南荻和狗牙根样地微生物量碳氮、微生物碳/氮熵和土壤水解酶活性显著高于苔草样地。(3)年际水位变化改变了湿地土壤细菌的群落组成,但没有改变Alpha多样性。首先,在细菌群落多样性中,3个水文年份间湿地土壤细菌OTU数量及Alpha多样性指数均没有显著差异,季节方面的结果也与年际一致;而样地中,随着高程的降低细菌Alpha多样性逐渐升高。其次,在群落结构差异方面,潴水年细菌群落结构显著不同于平水年和丰水年,而在不同样地间群落结构差异显著。基于PLFA分析的微生物群落结构和多样性结果与土壤细菌不完全一致,PLFA的表现更具敏感性,在反映群落结构差异及微生物丰度方面仍具一定的优势。(4)年际水位变化对湿地土壤细菌群落组成的影响小于样地差异,而季节差异并没有产生显著影响。具体而言,LEf Se分析发现年际间仅存在11个差异性物种,而季节间没有发现差异物种,但样地间差异物种高达174个,涉及到9个门(phylum),24个纲(class)、35个目(order)、45个科(family)、61个属(genus)。此外,基于16S r RNA的功能预测也发现,土壤细菌代谢功能主要按样地进行聚类,狗牙根和南荻样地在氮的固定、链霉素的产生、木质素降解、几丁质代谢、木聚糖降解、脱卤等方面的功能强于苔草样地。功能预测中年际和季节性水位变化对细菌代谢功能的影响不显著,这与本研究实际所测的功能活性指标不一致,表明基于生物信息学的功能预测与实际情况会有偏差。综上所述,年际水位变化显著改变了湿地土壤的养分含量,改变了土壤微生物的群落结构和功能活性。但这种年际水文变化仅影响了少数的细菌物种组成,而季节变化甚至没有产生显著影响,样地差异对细菌群落组成的影响更加显著。但这一点与水文波动对土壤功能活性的影响规律并不一致,表明微生物群落结构和功能对环境变化的响应并不一致。另外,不同高程样地的形成是长期水文积累的结果,这比短期的季节变化和中期的年际水文波动对湿地土壤微生物的影响更为深远。本研究的结果表明湿地水文变化对湿地微生物的影响是一个长期的过程,同时提示我们在以后的研究中要注意研究的尺度问题,在不同的空间和时间尺度上的研究会产生不同的结论。
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