黄河三角洲滨海湿地土壤微生物区系变化及驱动因子分析

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土壤微生物是所有陆地生态系统的重要组成部分,其对环境因子的变化十分敏感,并可反映土壤的肥力、健康和修复状况。本研究以黄河三角洲滨海潮间带和潮上带生境为研究区域,以同一演替序列上典型盐生植物群落盐地碱蓬、芦苇、柽柳的根际和非根际土壤为研究对象,运用Illumina Miseq高通量16S r RNA测序技术,研究滨海湿地土壤微生物及其酶活性的变化特征,并结合土壤粒径(PSD)、官能团及其他理化性质的变化,探讨其对土壤微生物多样性、群落结构及功能演替的驱动作用。研究结果有助于我们了解变化气候条件下滨海盐生植物群落种群构建的内在机理和适应策略,同时为管理部门制定合理的生态修复对策提供理论依据。结果如下:(1)不同生境盐地碱蓬湿地中,潮间带根际土壤的OTUs数目和Shannon指数显著高于潮上带根际土壤。潮间带土壤的优势菌门为变形菌门(Proteobacteria)和芽单胞菌门(Gemmatimonadetes),优势菌属以厌氧的耐盐海洋微生物属为主,反硝化作用突出;而潮上生境中优势菌门为Proteobacteria和放线菌门(Actinobacteria),优势菌属为好氧耐盐的菌属,硝化细菌较普遍。PICRUSt预测结果显示,两种生境土壤中优势代谢功能群均为氨基酸(AAM)、糖类(CM)和能量(EM)代谢功能群。相关和冗余分析(RDA)结果表明,土壤粒径组成中Silt和Sand均与Shannon多样性指数显著正相关;而其他12个土壤理化性质中有效磷(AP)、总钾(TK)、湿度(MC)、有效钾(AK)、电导率(EC)、总氮(TN)、总碳(TC)和有机质(SOM)显著影响了主要微生物门在不同生境土壤中的整体分布特征。(2)不同盐生植物群落中,柽柳群落根际土壤具有最大的微生物数量、Shannon指数;芦苇、柽柳群落根际土壤中的优势菌门均为Proteobacteria、Actinobacteria、绿弯菌门(Chloroflexi),而盐地碱蓬根际土壤中的优势菌门为Proteobacteria、Actinobacteria。在属水平上,盐地碱蓬、芦苇和柽柳群落根际土壤中分别存在溶磷、反硝化、硝化和脱硫作用的特有功能菌属。三者的微生物代谢功能群均以AAM、CM和EM功能群为主。分析结果表明,微生物测序量、OTUs和3个α多样性指数与土壤粒径组成中Silt和Sand的含量均显著相关,土壤微生物Shannon指数与Clay含量显著正相关,而其他12个土壤理化性质中p H、SOM、MC、TC和AK显著影响了不同盐生植物群落根际土壤中主要微生物门的整体分布特征。(3)不同生境盐地碱蓬湿地中,潮间带土壤官能团以亲水基团为主,而潮上带土壤中则以疏水基团为主,其分布与PSD和土壤理化性质显著相关。所有官能团中,苯环、甲基-C、酮-C、芳香族C-H、烯烃C=C是影响主要微生物门在不同生境土壤中分布的主要官能团类型。在本研究中,蔗糖酶(SUC)、磷酸酶(AKP)、脲酶(URE)和过氧化氢酶(CAT)活性在潮间带和潮上带生境的根际与非根际土之间差异显著,分析结果显示AKP、URE、CAT与PSD及EC、SOM、MC、TC、TN、AK均显著相关,SUC仅与NO3--N显著相关,而官能团中,苯环、甲基-C、酮-C、芳香族-C、烯烃-C、C-Cl、β(CO32-)显著影响了不同生境中土壤酶活性的整体分布特征。(4)不同盐生植物群落中,柽柳根际土壤的脂肪C和酚羟基含量显著高于芦苇和盐地碱蓬,而Si-O官能团在盐地碱蓬根际土壤中含量最高,这与不同群落土壤的PSD和理化性质显著相关,且官能团的这种变化显著影响了不同群落土壤微生物的多样性与结构。另外,SUC、AKP、URE和CAT活性在不同盐生植物群落间差异显著。相关性分析表明,仅AKP活性存在根际效应且与土壤粒径组成中Silt和Sand的含量显著相关,而官能团X-H和O-H则与4种土壤酶活性均显著相关。RDA结果显示,12个土壤理化性质中TC、SOM、MC、TN、NH4+-N和EC显著影响了不同盐生植物群落土壤酶活性的整体分布特征。
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