2014, Vol.34文章信息
- 林黎, 崔军, 陈学萍, 方长明
- LIN Li, CUI Jun, CHEN Xueping, FANG Changming
- 滩涂围垦和土地利用对土壤微生物群落的影响
- Effects of reclamation on tidal flat and land use on soil microbial community
- 生态学报, 2014, 34(4): 899-906
- Acta Ecologica Sinica, 2014, 34(4): 899-906
- http://dx.doi.org/10.5846/stxb201305271198
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文章历史
- 收稿日期：2013-5-27
- 修订日期：2013-10-16
This research focused on a chronosequence of 6 soil ages under two different cultivation (paddy rice and upland cropping) systems, including 0 (unclaimed wetland soil), 16, 40, 75, 120 and 300 years old soils. PLFA analysis results showed that after reclamation of coastal wetland, soil total PLFA, bacterial PLFA, Gram-positive (G+) PLFA and Gram-negative (G-) PLFA all reduced significantly in both paddy rice and upland cropping soils. Microbial PLFA abundance then increased gradually over several decades in both paddy rice and upland cropping soils. After a long-term human cultivation, no significant difference in G+ PLFA was observed in 120 or 300 years old soils, either in paddy rice or upland cropping soils. No significant difference in total PLFA, bacterial PLFA or G- PLFA was observed among 75, 120 or 300 years old soils. Principle component analysis (PCA) showed that two principle components, PC1 and PC2, could explain 51.12% and 18.57% of the total PLFA variation, respectively. PCA also revealed that PLFA profiles of 75, 120 and 300 years old soil were clearly different from those of 0, 16 and 40 years old soil. Cultivations of paddy rice and upland crops have significantly affected soil microbial structure. Total PLFA and G+ PLFA were significantly higher in 16 and 40 years old paddy soils than those of upland cropping soils. Bacterial and G- PLFA were significantly higher in 40 years old paddy rice soils than those of upland cropping soils. Soil total PLFA and bacterial PLFA were significantly correlated to soil total nitrogen and clay content, suggesting strong relations between soil microbes and soil nutrient status. The PLFA results indicated that human cultivations have led to environmental stress on soil microbes and this stress was gradually relieved along with long-term cultivations, because of improved soil nutrient conditions due to inputs of carbon, nitrogen and phosphorus fertilizers.
This study provided deep insights into soil microbial structures of different soil ages based on PLFA analysis under paddy and upland cultivation systems, which are two major cropping systems in China. It was helpful for us to better understand the development of soil microbial communities along with soil succession in arable soils.
微生物是土壤生态系统中的重要组成部分，在有机物分解、养分循环、氮的固定、土壤结构等方面有着举足轻重的作用。同时，土壤中微生物受到耕作方式、土壤质地、土壤层次、植被和土壤自然环境等因素的影响，土壤微生物群落结构及其多样性又在一定程度上反映了土壤生态系统的结构、功能及过程。
崇明岛位于长江入海口，占地面积1267 km2，属于亚热带季风气候区，四季分明，年平均气温约为16 ℃，年平均降水量为1144 mm。崇明岛东滩是中国长江口规模最大、发育最完善的河口型滩涂湿地，长江入海径流携带的泥沙在河口附近沉积，塑造了广阔的潮滩湿地，而崇明岛东滩则以每年100多米的推进速度向东海推进，使东滩滩涂面积不断於涨[1]。围垦区的土壤来自于滩涂淤积的泥沙，因土壤发育时间相对较短，其土壤本底较为均一。不同土壤围垦年代的土壤，代表了土壤发育的不同时期，在自然条件下，土壤发育的空间变化可以代替时间尺度上的变化[2]。崇明岛长江河口湿地滩涂围垦后自然条件的相对稳定、土壤本底条件的相对一致性、以及相对单一和清晰的土地利用背景为人们提供了一个研究人类长期的干扰活动对土壤微生物群落影响的机会。
崇明岛滩涂围垦后的土壤具备相当完善的年代发育序列，以空间代替时间，进行土壤微生物群落研究，对讨论自然环境状态下土壤发育过程有重要意义，对土壤微生物群的讨论有助于阐明土壤生态系统动态过程，对于合理开展滩涂围垦有理论指导意义。
1 材料与方法 1.1 取样研究地点位于上海市崇明岛(东经121°09′—121°54′，北纬31°27′—31°51′)。崇明岛滩涂围垦后土壤空间尺度上的变化，代表了土壤发育年代的变化；根据崇明岛滩涂土壤围垦的时间、土地利用历史记载及当地常住居民提供的信息，本研究共选取了6个不同年代的土壤[2, 3, 4]。实验涉及2种不同的土地利用方式：稻田和旱地，以未围垦的东滩湿地滩涂土壤为0年代土壤，涉及了5个滩涂围垦后不同年代序列的土壤，包括16，40，75，120，300a。
滩涂围垦后16a和40a的实验样点根据Gao等的文献报告选取[3]； 300a的实验样点根据崇明岛当地官方文献记录选取[4]；75a和120a的实验样点根据当地5位以上常住居民提供的信息选取，因此75a和120a的土壤可能有10—20a的误差[2]。
为了使实验结果能更准确反映不同的土地发育年限对土壤微生物群落的影响，实验选择耕作方式相对稳定的实验样点，每一个样点设有3个平行样地，每个平行样地间隔距离在500—1000 m；为了尽量减少环境因素造成的实验误差，在每块样地中以S形设置6个采样点，各采样点间距约为5—8 m，用土钻钻取表层0—20 cm鲜土，并将该6个采样点采取的土壤均匀混合为1个混合样本，于保温盒加冰袋保存运回实验室冷冻保存备用。Cui 等对不同年代土壤的理化性质进行了详细测量，本实验研究涉及土壤样品的部分理化性质如表 1所示[2]。
|
土壤年代
Soil age/a | 土地利用
Land use | 粘土
Clay/% | 沙土
Silt/% | pH | 含水量
Water content/% | NO-2
/(mg/kg) | NO-3
/(mg/kg) | NH+4
/(mg/kg) | 总氮
Total N /(g/kg) | 钛锆比
Ti/Zr ratio |
| 0 | 滩涂土壤 | 13.25 | 76.25 | 8.17 | 0.23 | 0.94 | 22.69 | 17.89 | 1.11 | 61.99 |
| 16 | 稻田 | 8.79 | 69.90 | 8.24 | 0.23 | 0.55 | 46.02 | 8.79 | 0.59 | 53.86 |
| 旱地 | 6.49 | 54.50 | 8.28 | 0.21 | 0.43 | 26.70 | 8.77 | 0.67 | 67.51 | |
| 40 | 稻田 | 10.83 | 66.60 | 8.01 | 0.21 | 0.55 | 57.33 | 3.20 | 2.12 | 75.44 |
| 旱地 | 8.95 | 69.70 | 8.41 | 0.21 | 1.45 | 61.43 | 8.56 | 1.63 | 68.41 | |
| 75 | 稻田 | 11.17 | 67.83 | 8.11 | 0.24 | 0.54 | 37.90 | 3.05 | 1.24 | 63.54 |
| 旱地 | 8.75 | 66.80 | 8.31 | 0.22 | 0.64 | 49.24 | 4.14 | 1.20 | 70.46 | |
| 120 | 稻田 | 9.92 | 62.83 | 7.96 | 0.22 | 0.73 | 40.31 | 3.10 | 1.48 | 70.17 |
| 旱地 | 10.89 | 75.07 | 8.02 | 0.22 | 0.29 | 45.89 | 3.85 | 1.31 | 57.88 | |
| 300 | 稻田 | 11.67 | 72.40 | 7.96 | 0.23 | 0.93 | 42.38 | 2.66 | 1.56 | 58.55 |
| 旱地 | 11.00 | 76.13 | 7.87 | 0.21 | 0.79 | 68.07 | 3.55 | 1.37 | 60.86 |
PLFA的提取方法改良自Zelles的传统提取方法[5, 6]，PLFA的提取流程如下：称取4 g冻干土于25 mL比色管中，加3 mL 柠檬酸缓冲液和12 mL甲醇 ∶ 氯仿(2 ∶ 1)混合液，充分震荡萃取2次；加4 mL氯仿和4 mL柠檬酸缓冲液混合液，放置过夜分层后，取下层溶液，用氯仿萃取3次；旋转蒸发萃取液至少量后，将萃取液过层析柱层析；将层析柱淋出液于三角瓶中40 ℃蒸干，并加0.5 mL 二氯甲烷和1 mL甲醇钠溶液，在50 ℃下加热10 min甲酯化磷脂；加6 mL分析纯正己烷振荡萃取，上清液经无水硫酸钠过滤后，在10 mL KD浓缩器中经氮气吹干，最后用色谱纯正己烷定容至100 μL，即可上机检测。
柠檬酸缓冲液的配比为9.38 g柠檬酸和11.03 g柠檬酸钠溶于250 mL重蒸水。甲醇钠溶液配比为1 g NaOH溶于50 mL分析纯甲醇。甲酯化磷脂(FAME)标准品购自英国Supelco公司(Supelco,Supelco UK,Poole,Dorset,UK)，包括共25种FAMEs。
实验中使用的仪器包括：数控恒温水浴仪(北京帅恩科技有限责任公司，型号SE812J)，氮吹仪，旋转蒸发仪(上海申生科技有限公司，R系列)，循环水式样真空泵，Agilent 6820气象色谱仪。色谱分析采用FID检测器检测，检测器温度280 ℃，进样口温度250 ℃，柱箱初始温度120 ℃，最高温度300 ℃，吹扫气体N2，吹扫时间0.75 min，色谱柱采用长30.0 m、直径为320.00 μm的HP-5MS毛细管柱，数据采集频率为20 Hz。
1.2.2 PLFA作为生物标记本研究用到的PLFA生物标记分组如表 2所示。生物标记物可分为通用生物标记物和特定生物标记物两类。通用生物标记物可反映总生物量，如PLFA、酯链磷脂脂肪酸(EL-PLFA)的总量可用于了解土壤微生物总生物量[7, 8]；单不饱和脂肪酸(MUFA)可用作革兰氏阴性细菌的通用生物标记[9]；双不饱和脂肪酸18:2ω6,9可用作真菌的特定生物标记[6]。
| 分类单元生物标记 Biomarkers | 对应的PLFA Related PLFA |
| 前缀a，i，和cy分别表示反式，顺式和环状支链构型 | |
| 细菌[6, 7, 10, 11, 12] | 14:0,i15:0,a15:0,15:0,i16:0,16:1ω7,16:0,17:0,cy17:0,17:0,18:1ω7,18:0,cy19:0 |
| 革兰氏阳性菌[9, 11] | i15:0,a15:0,i16:0,i17:0 |
| 革兰氏阴性菌[9, 11] | 16:1ω7,cy17:0,18:1ω7,cy19:0 |
| 真菌[6, 13] | 18:2ω6,9 |
| cy/pre 比[6, 9, 11] | (cy17:0+cy19:0)/(16:1ω7+18:1ω7) |
实验采用Microsoft Excel 2007进行一般数据处理，采用SPSS 17.0软件进行统计分析。不同围垦年代土壤PLFA方差分析Post hoc采用Duncan′s test方法，PLFA与土壤基本性质相关性分析采用Spearman方法。
2 结果 2.1 PLFA作为生物标记PLFA总量反应了土壤微生物总生物量[7]。如 图 1中A所示为旱地和稻田不同围垦年代土壤总 PLFA的对照图。围垦16a土壤的总PLFA相对于未围垦的湿地滩涂土壤显著降低(P<0.05)。随着围垦时间的逐步增加，稻田和旱地土壤总PLFA含量逐步上升。围垦75、120a和300a的土壤总PLFA逐渐趋于稳定且没有显著差异(P>0.05)。
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| 图1 稻田和旱地不同围垦年代土壤的总PLFA，细菌，真菌，革兰氏阳性菌，革兰氏阴性菌和Cy/Pre比值 Fig. 1 Total PLFA,bacteria,Fungi,G+,G-,and Cy/Pre ratio of paddy and upland soils corresponding to soil ages 每个土壤围垦年代相同小写字母表示差异不显著(P>0.05) |
类似的变化趋势在细菌、革兰氏阳性(G+)和革兰氏阴性菌(G-)PLFA中也有发现。如图 1所示，围垦16a的土壤中细菌、G+和G- PLFA相对于湿地滩涂土壤均显著性降低(P<0.05)。随着围垦后时间的逐步增加，PLFA含量逐步上升。G+ PLFA在围垦120a和300a土壤中没有显著性差异(P>0.05)；而细菌和G- PLFA在围垦75、120a和300a土壤中没有显著性差异(P>0.05)。
在两种土地利用方式下，如图 1，围垦16a和40a稻田土壤微生物总量、G+ PLFA显著高于旱地土壤(P<0.05)；如图 1所示，围垦40a稻田土壤中细菌PLFA和G- PLFA显著高于旱地土壤(P<0.05)。而围垦75、120a和300a稻田土壤微生物PLFA与旱地土壤无明显差异(P>0.05)。
土壤微生物环状支链的磷脂酸(Cy)及其前体(Pre，一般是单不饱和磷脂酸)之间的比值Cy/Pre往往随着环境胁迫作用的影响而发生改变[6, 9, 10]。如图 1所示，随着围垦后时间的逐步增加，稻田和旱地土壤Cy/Pre比值均逐步升高，并在围垦40年代的土壤中达到最大值；围垦40a和75a土壤Cy/Pre比值均显著高于湿地滩涂土壤(P<0.05)。围垦120a和300a土壤Cy/Pre比值没有显著性差异(P>0.05)，但总是显著高于湿地滩涂土壤(P<0.05)。
2.2 PLFA指纹图谱主成份分析对PLFA指纹图谱做主成份分析的前提是各磷酸酯之间不相关。相关性检验表明磷脂酸12：0和13：0具有显著的相关关系(P<0.05)。因此排除了磷脂酸12：0后，对不同年代土壤的磷酸酯做主成份分析(PCA)，结果如图 2所示。
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| 图2 PCA分析主成份PC1和PC2散点图 Fig. 2 PC1 and PC2 scatter diagram of PCA analysis |
PCA分析得到两个主要成份因子PC1和PC2，分别解释了不同年代土壤PLFA指纹图谱差异的51.12%和18.57%。从图 2中可以进一步看出，围垦75a后的土壤(包括75a)与75a前的土壤清晰地区别开来。围垦75a后土壤微生物生物量的恢复和Cy/Pre比值的降低，以及围垦后120a和300a土壤微生物生物量和Cy/Pre比值的相对稳定，提示土壤微生物可能需要相当长的时间适应和克服环境压力。PCA分析中，围垦75a后的土壤(包括75a)与之前的土壤明显区别开来，也从另一方面证明了这一假设。
2.3 PLFA与土壤基本性质相关性Cui等对不同围垦年代土壤理化性质进行了全面的分析[2]。将部分土壤基本性质与各群落PLFA进行了相关性分析，结果如表 3所示。不同围垦年代土壤总PLFA、细菌PLFA与总氮成极显著的正相关关系(P<0.01)；同时总PLFA、细菌PLFA与粘土含量成显著的正相关关系(P<0.05)。另外，Cy/Pre比值与总氮含量显著相关(P<0.05)，真菌PLFA与含水量显著相关(P<0.05)。
| 总氮
Total N | 粘土
Clay | 沙土
Silt | pH值 | 含水量
Water content | NO-2 | NO-3 | NH+4 | 钛锆比
Ti/Zr | |
| ** 表示P<0.01水平显著相关；* 表示P<0.05水平显著相关 | |||||||||
| 总PLFA Total PLFA | 0.90* * | 0.65* | 0.25 | -0.53 | 0.10 | 0.38 | 0.20 | -0.36 | 0.49 |
| 细菌PLFA Bacteria PLFA | 0.86* * | 0.65* | 0.25 | -0.52 | 0.18 | 0.40 | 0.18 | -0.36 | 0.47 |
| 真菌PLFA Fungi PLFA | -0.06 | 0.17 | 0.05 | -0.02 | 0.805* | 0.02 | -0.12 | -0.27 | -0.32 |
| G+ PLFA | -0.57 | -0.34 | -0.24 | 0.41 | 0.47 | -0.16 | -0.29 | -0.11 | -0.26 |
| G- PLFA | 0.55 | 0.58 | 0.32 | -0.50 | -0.32 | 0.33 | 0.03 | 0.20 | 0.28 |
| Cy/Pre | 0.64* | -0.28 | -0.10 | 0.29 | -0.54 | 0.51 | 0.69* | -0.36 | 0.52 |
湿地滩涂土壤围垦后，显著降低了土壤微生物总PLFA、细菌PLFA、G+ PLFA和G- PLFA含量(P<0.05)，同时显著提高了土壤Cy/Pre比值(P<0.05)。Schutz等利用PLFA的方法，对人工地下水再生系统中水淹部分和未被水淹部分的森林土壤进行了微生物群落的研究，发现水分胁迫会诱导Cy/Pre比值的增加[14]。Cordova-Kreylos等对加里福利亚滨海盐碱湿地进行了土壤微生物群落结构的研究，发现重金属污染物和有机污染与环状磷脂酸成显著的正相关关系[15]。Dickens等采用氯仿熏蒸的方法，对沼泽和森林两种土壤进行了微生物群落结构的PLFA分析，发现熏蒸培养后的土壤，诱发生产了大量的环状磷脂酸Cyclic 19:0，而Cyclic 19:0是Cy/Pre比值分子的重要组成部分之一[16]。本研究中，围垦后稻田和旱地土壤微生物生物量均有显著性降低，提示长江河口湿地滩涂土壤围垦后，土地利用对土壤微生物产生了长期的胁迫压力。
围垦16a和围垦40a土壤微生物总PLFA、细菌PLFA、G+ PLFA和G- PLFA逐步增加，而总PLFA、细菌和G- PLFA在围垦75、120a和300a土壤中含量趋于稳定且没有显著性差异(P>0.05)。Cui等对崇明岛东滩不同围垦年代土壤的理化性质进行了详细的分析，发现围垦16a土壤有机碳相对于湿地滩涂土壤迅速降低，但是在围垦40a后土壤有机碳、氮、磷等营养元素逐渐积累并得到恢复[2]。经过长时间的农业种植，土壤营养环境逐渐改善，可能是围垦75、120a和300a土壤微生物群落PLFA含量差异减少并趋于稳定的主要原因。
不同围垦年代土壤真菌PLFA含量没有明显的变化趋势。Kasel等曾经对澳大利亚不同地区4种不同的土地利用方式进行了真菌群落结构的研究，发现真菌群落结构具有很高的可变性[17]。土壤中的真菌相对于细菌，其菌丝更容易受到环境干扰因素的影响，使其在不同土地利用方式和土壤围垦年代下含量的变化波动较大。
3.2 土地利用对土壤微生物各类群PLFA含量的影响围垦16a和40a稻田土壤微生物总PLFA、G+ PLFA显著高于旱地土壤(P<0.05)，围垦40a稻田土壤细菌PLFA和G- PLFA显著高于旱地土壤(P<0.05)。而围垦75、120a和300a稻田土壤微生物总PLFA与旱地土壤无显著性差异(P>0.05)。Drenovsky等对美国跨洲际的8种不同土地利用方式土壤进行了研究，得出土地利用方式是驱动微生物群落结构变异主要因子的结论[18]。Bossio等采用了DGGE的实验方法，对肯尼亚热带林地和农业土壤微生物群落结构进行了探讨，结果也表明不同的土地利用方式是影响土壤微生物群落结构最重要的影响因素[19]。不同的土地利用方式，可能通过改变土壤盐碱度、pH值、含水量、有机物含量等，影响土壤微生物群落结构。稻田和旱地不同的灌溉方式及土壤营养元素的投入，可能导致土壤营养物质、pH值及盐碱度等存在差异，从而造成微生物含量的差异。
3.3 土壤微生物群落PLFA含量与土壤基本性质的相关性土壤微生物PLFA含量与土壤碳、氮等元素的含量密切相关。Hamer等研究了休耕后自然演替的土壤与高强度耕作的土壤微生物群落结构以及有机C、N的矿化速率，发现经过6a的高强度耕作活动，表层土壤有机C、有机N显著降低，同时硝态氮NO-3显著升高；土壤微生物生物量的变化与有机C、有机N的变化密切相关[20]。Yao等对中国8种不同土地利用历史的土壤进行了微生物群落结构的研究，发现微生物生物量和土壤有机C、N含量密切相关[21]。本研究中不同围垦年代土壤总PLFA、细菌PLFA与总N含量成极显著的正相关关系(P<0.01)，提示不同围垦年代和不同土地利用方式下，总N或总有机C等营养元素的投入可能是造成微生物群落PLFA产生差异的主要原因之一。同时，本研究中总PLFA、细菌PLFA与粘土含量成显著的正相关关系(P<0.05)，提示土壤结构可能会对微生物群落产生直接或间接影响。
4 结论河口湿地滩涂围垦和土地利用，增大了土壤微生物的生存压力，显著降低了土壤微生物总PLFA、细菌PLFA、G+ PLFA和G- PLFA含量。随着围垦时间的逐步增加，PLFA含量逐步上升。经过长时间的农业种植，土壤营养环境逐渐改善，G+ PLFA在围垦120a和300a稻田和旱地土壤中没有显著性差异；而总PLFA、细菌和G- PLFA在围垦75、120a和300a土壤中含量趋于稳定且没有显著性差异。围垦16a和40a稻田土壤微生物总PLFA、G+ PLFA显著高于旱地土壤；围垦40a稻田土壤中细菌PLFA和G- PLFA显著高于旱地土壤。不同围垦年代土壤总PLFA、细菌PLFA与土壤总氮、土壤粘土含量成显著的正相关关系，总N或总有机C等营养元素的投入和土壤结构的变化可能是造成微生物群落结构产生变化的原因之一。真菌因其更易受到轻微改变的环境因子的影响，使其在不同土地利用方式和土壤围垦年代下含量的变化波动较大。河口湿地围垦后微生物数量的变化与土壤营养含量存在强烈相关，提示土壤围垦及演替过程中微生物与土壤肥力之间的紧密关系，对探讨土壤演替过程中微生物群落的变化具有重要意义。
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