江 聰,稅 偉, 簡小枚,陳毅萍,郭平平

1 福州大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院, 福州 350116 2 福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院, 福州 350116 3 廈門大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院, 廈門 361102

喀斯特天坑(Tiankeng)是一種區(qū)別于常態(tài)喀斯特漏斗的獨特宏大地表負地形[1],其具有巨大容積、陡峭而圈閉的巖壁、深陷的井狀或桶狀輪廓等形態(tài)特征,是宏大且獨特的負地形世界奇觀?？λ固靥炜邮芸颖谌﹂]化效應(yīng)和地形約束的影響,天坑內(nèi)部的水熱條件、氣候特征均與地表有異,由此造就了與外界環(huán)境相對獨立的內(nèi)部獨特生境[2]。中國是名副其實的“世界喀斯特天坑王國”,境內(nèi)共分布50余個天坑。全球已發(fā)現(xiàn)的3個特大型天坑均分布在中國,并發(fā)現(xiàn)了許多頗具代表性的喀斯特天坑群,例如四川興文天坑群、重慶武隆天坑群、云南沾益天坑群、貴州羅甸天坑群等[3]?？λ固靥炜尤撼尸F(xiàn)出獨特的生境特征和生物多樣性分布格局,不僅具有物種多樣性保護庫功能,并且在全球氣候變化的大環(huán)境下,能成為區(qū)域小尺度上的生態(tài)避難所,其蘊含的旅游美學(xué)價值和科研價值巨大[4]。

隨著對喀斯特天坑研究的深入,不斷有研究表明天坑具有植物種類豐富、珍稀植物多樣等特點[5],印證了規(guī)模最為宏大、圈閉化程度最高的喀斯特天坑是一個重要的生物多樣性寶庫及物種多樣性保護庫。近年來針對天坑的研究主要集中在植物多樣性及群落結(jié)構(gòu)特征[6],如云南沾益大毛寺原生天坑坑底與坑邊緣的植物群落組成差異較大,坑底植物多樣性和豐富度更高[7]。廣西流星成熟天坑內(nèi)植物群落物種多樣性較高,資源生態(tài)位多樣[8]。四川興文天坑群中,退化程度較小的天坑植物群落物種最豐富[9]。但相關(guān)研究卻忽略了退化天坑土壤微生物群落的功能多樣性。退化天坑成為植物多樣性寶庫,其中的土壤微生物群落功不可沒,是天坑植物生態(tài)的中介與橋梁。同時,生物多樣性涉及植物、動物和土壤微生物及其生存環(huán)境,對喀斯特天坑生物多樣性的研究,土壤微生物群落多樣性也是必不可少的部分。土壤微生物是生態(tài)系統(tǒng)的最活躍的組成部分,它參與物質(zhì)循環(huán)、有機質(zhì)分解等生化過程,被譽為生物地球化學(xué)循環(huán)的引擎[10]。土壤微生物群落多樣性即土壤生態(tài)系統(tǒng)中微生物群落生態(tài)特征及微生物與環(huán)境間相互作用的多樣化程度[11]。土壤微生物群落多樣性包括組成多樣性、功能多樣性以及遺傳多樣性,其中土壤微生物群落功能多樣性是土壤微生物群落狀態(tài)與功能的指標,反映不同環(huán)境下土壤微生物群落的生態(tài)特征[12],與土壤功能[13]、植被發(fā)育[14]、生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)之間關(guān)系密切[15]?？λ固靥炜觾?nèi)部是一個相對封閉的環(huán)境,較坑外具有濕度大、溫度低和負氧離子濃度高的特點,形成了獨特的小氣候,這為各種生態(tài)類型動物、植物以及微生物的繁衍生長提供了異質(zhì)性的環(huán)境[16],明確天坑生境中土壤微生物群落的分布特征以及土壤生態(tài)功能具有重要意義。

本研究對象——巴家陷塘天坑屬于退化天坑。在所有天坑類型中,退化天坑分布最多。退化天坑是指天坑其四周的崖壁退化崩塌形成倒石坡,在此之上樹木掩映塊石堆積體后形成天坑植物群落的一種天坑類型[17],具有可進入性強,受人為干擾較大,與外界環(huán)境聯(lián)系更為緊密等特點,因此退化天坑的生物多樣性更加豐富,表現(xiàn)出多元化的生態(tài)類型[18][19]。前期的研究發(fā)現(xiàn),退化天坑中倒石坡由于擁有良好的土壤資源和較少的外界干擾,形成了植物物種豐富和多樣性較高的空間格局[20]。不同于以往的研究均針對于正地形坡面[15,20-21],退化天坑倒石坡是一種負地形坡面,作為連接天坑內(nèi)外的過渡帶,具有異于地表的氣候條件(溫度、降水等)、土壤特性(pH、含水量、碳氮比等)等環(huán)境梯度,以及植被覆蓋的差異,這些因素都是土壤微生物多樣性和空間分布的關(guān)鍵驅(qū)動因子[22]。在退化天坑中選擇探究倒石坡土壤微生物多樣性更具代表性。

因此,本研究利用Biolog微平板技術(shù)探究喀斯特退化天坑倒石坡不同坡位的土壤微生物群落功能多樣性,明確倒石坡上土壤微生物群落分布特征,了解喀斯特天坑的土壤功能、植被覆蓋以及生態(tài)過程,揭示倒石坡在退化天坑生物多樣性保護中的價值,并為退化天坑的生態(tài)恢復(fù)和生物多樣性保育提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

沾益天坑群位于云南曲靖市沾益海峰自然保護區(qū)內(nèi)(圖1),地處滇東高原北部,具有原生和退化天坑完美共存,集中成群分布等特點。地理位置介于103°29′—103°39′E,25°35′—25°57′N之間。海峰自然保護區(qū)是云南省緯度和海拔最低,結(jié)構(gòu)完整、功能齊全的區(qū)域。天坑群所在區(qū)域氣候特征為典型的亞熱帶高原季風(fēng)氣候類型,其氣候特點為干濕季分明﹑年溫差小﹑日溫差大。平均氣溫13.8—14℃,太陽輻射能年總量為123.8 kcal/cm2,年降雨量1073.5—1089.7 mm左右。年平均風(fēng)速為2.7 m/s,風(fēng)向以西南風(fēng)為主。天坑群區(qū)域的土壤處于云南土壤的紅土壤水平帶,加之該區(qū)域內(nèi)獨特的氣候類型共同為生物多樣性形成奠定了堅實的基礎(chǔ)。

項目Project輕度退化 Light-degraded中度退化 Moderate-degraded重度退化 Heavy-degraded極重度退化 Extremely heavy-degraded深寬比 The ratio of depth to width(0.45,1] (0.35,0.45] (0.1,0.35] (0,0.1] 坑壁面積破損度Pit wall area damage degree 0—20% 21%—50% 51%—80% >81% 倒石坡面數(shù) Talus slope surface number<1 1—2 3 >4 (坡面環(huán)狀分布) 圈閉程度Trap degree 好 較好 較差 差 坑口形態(tài)Pit morphology近似橢圓形 不規(guī)則橢圓形 不規(guī)則多邊形 近似大型退化漏斗

1.2 樣地調(diào)查

本文選取沾益天坑群中的巴家陷塘為研究對象,巴家陷塘坑底海拔為2013.5 m,長徑達240.0 m,短徑為197.7 m,從坑口到坑底的距離達70 m,深寬比為0.353,坑壁破損度小于20%。根據(jù)退化天坑的深寬比、坑壁破損度及坑口等外觀形態(tài)方面設(shè)置評價參數(shù)(表1)[23],將其劃分為中度退化天坑。巴家陷塘退化天坑主要在坑南側(cè)形成倒石坡,坑底沒有喬灌木遮擋,光照充足,主要生長著黃龍尾Agrimoniapilosavar.nepalensis、藎草Arthraxonhispidus、龍芽草Agrimoniapilosa等陽生型植物。到坑緣由于喬灌木的蔭蔽環(huán)境影響,植物逐漸過渡到一把傘南星Arisaemaerubescens、川西鱗毛蕨Dryopterisrosthornii等陰生植物。坑坡則主要為森林群落,優(yōu)勢喬灌層主要有云南松Pinusyunnanensis、栓皮櫟Quercusvariabilis、油杉Keteleeriafortunei、清香木Pistaciaweinmanniifolia等,坑坡的草本層主要是一 把 傘 南 星Arisaemaerubescens、紫莖澤蘭Eupatoriumadenophorum、川西鱗毛蕨Dryopterisrosthornii、半夏Pinelliaternata等?？涌诓荼緦又饕獮橐话褌隳闲茿risaemaerubescens、板凳果Pachysandraaxillaris等。各坡位樣地信息如表2所示,坑坡樣方設(shè)置如圖2所示。在巴家陷塘南側(cè)布設(shè)樣線,起于坑口,止于坑底,分為坑口、坑坡(上坡位、中坡位和下坡位)和坑底5個坡位。每個坡位布設(shè)5個1 m×1 m草本樣方,記錄物種名,測定各物種的株樹、蓋度等指標。坑坡主要為森林群落,故每個坡位再設(shè)置1個20 m×20 m木本樣方,記錄物種名,測定各物種的株樹、蓋度等指標。利用手持GPS記錄樣地的經(jīng)緯度、海拔、坡位等地理位置信息。樣地土壤環(huán)境因子主要采用土壤溫濕度測定儀、土壤原位pH 測定儀及土壤電導(dǎo)率測定儀采集。每個草本樣方內(nèi)采一個土樣,將5個樣方內(nèi)土樣合并為一個樣品,過2 mm篩,放置在冰盒中冷藏帶回實驗室,做土壤微生物群落功能多樣性測試。

表2 巴家陷塘坡位樣地基本信息

圖2 巴家陷塘退化天坑坡位梯度上樣方設(shè)置Fig.2 Plant community survey at slope gradient in Bajiaxiantang

1.3 植物α、β多樣性指數(shù)

1.3.1α多樣性指數(shù)

α多樣性指數(shù)選擇Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(C)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)、Margalef豐富度指數(shù)(D)、Pielou均勻度指數(shù)(J)進行分析,計算公式如下：

Shannon-Wiener指數(shù)：

(1)

(2)

Margalef指數(shù)：D=(S-1)/lnN

(3)

(4)

式中,S為調(diào)查的物種總數(shù)；Ni為樣方中物種i的個體數(shù),N表示樣方中所有物種的個體總數(shù),Pi表示樣方中物種i的個體數(shù)占所有物種個體總數(shù)的比例,即Pi=Ni/N。

1.3.2β多樣性指數(shù)

β多樣性也稱為生境間的多樣性,是沿環(huán)境梯度不同生境群落之間物種組成的相異性[24]。β多樣性的測度方法分采用二元數(shù)據(jù)測度法,選擇Whittaker指數(shù)、Cody指數(shù)、Routledge指數(shù)、Whilson-Shmida指數(shù)進行分析。

(5)

(6)

(7)

(8)

式中,S為調(diào)查的物種總數(shù),ma為各樣方中物種平均數(shù)；g(H)是沿生境梯度H增加的物種數(shù)目,l(H)是沿生境梯度H失去的物種數(shù)目,即在上一個梯度中存在而在下一個梯度中沒有的物種數(shù)目；r為分布重疊的物種數(shù)。

1.4 土壤微生物群落功能多樣性測定

土壤微生物群落功能多樣性采用Biolog微平板技術(shù)進行測定。Biolog微平板每孔的單一碳源的利用率可了解微生物的動態(tài),每塊平板共96微孔,3組重復(fù),每組包含31種不同碳源和1個空白。在一定溫度下恒溫培養(yǎng),土壤微生物代謝碳源產(chǎn)生的電子,可使微孔內(nèi)的染料變成紫色。每孔顏色變化程度可以反映土壤微生物對不同碳源的代謝能力高低。

稱取10.0 g鮮土放入三角瓶中,加入90 mL滅菌的生理鹽水(0.85% NaCl,W/V),用無菌棉花塞封口。震蕩30 min后,靜置15 min,用移液槍吸取10 mL上清液,加入90 mL滅菌生理鹽水。按逐步稀釋法,將土壤懸液稀釋為10-3g/mL。在超凈工作臺中用移液器將制備好的土壤懸液接種到Biolog微平板的各孔中,每孔150 μL,放入25℃的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)7 d。每隔24 h用Biolog微生物自動鑒定系統(tǒng)(MicroStationTM System,美國Biolog公司)在590 nm下測定各孔的吸光值,完成數(shù)據(jù)的采集和儲存。

1.5 數(shù)據(jù)分析

1.5.1平均顏色變化率(Average well Color Development,AWCD)

式中,Ai為反應(yīng)孔在590 nm處的吸光值,AA1為控制孔在590 nm處的吸光值。若Ai-AA1值為負值結(jié)果取零。

1.5.2群落功能多樣性

微生物群落功能多樣性常通過各種多樣性指數(shù)來反應(yīng),本研究采用的多樣性指數(shù)如表3所示。

表3 土壤微生物群落多樣性指數(shù)

所有實驗數(shù)據(jù)采用單因素方差分析,結(jié)果以平均值±標準偏差(SD)表示。土壤微生物群落培養(yǎng)到144 h的AWCD值趨于穩(wěn)定,故采用144 h的AWCD值計算群落多樣性指數(shù)和主成分分析。利用SPSS 22.0和Origin 9.0進行主成分分析,使用Excel 2007和Origin 9.0組圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物群落的物種多樣性

多樣性指數(shù)是反映群落物種多樣化或異質(zhì)性程度的指標。如圖3所示,草本層植物多樣性在坑坡上表現(xiàn)為中坡位的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)最大,但不同坡位間差異不顯著?？拥椎腟impson優(yōu)勢度指數(shù)和Margalef豐富度指數(shù)均顯著高于坑口,Margalef豐富度指數(shù)在上、中、下坑坡間差異不顯著。各坡位上的Pielou均勻度指數(shù)差異不明顯。分析坑坡上的木本層植物多樣性(圖4),上、中、下坡位的木本植物多樣性差異顯著,且下坡位最大。綜合分析以上指數(shù)發(fā)現(xiàn),坑內(nèi)外草本植物分異特征較明顯,而坑坡作為坑底與坑口的過渡地帶,草本層植物與坑底和坑口差異不大,但坑坡的木本層植物差異顯著。

圖3 坡位梯度上草本層植物α多樣性指數(shù)Fig.3 Herb-layer plant α diversity index on slope gradient

圖4 坡位梯度上木本層植物α多樣性指數(shù)Fig.4 Woody-layer plant α diversity index on slope gradient 不同字母表示不同坡位間差異顯著(P<0.05)；相同字母表示差異不顯著(P>0.05)

β多樣性用于表示沿環(huán)境梯度不同生境間物種組成的差異性,是植物種類對環(huán)境異質(zhì)性的響應(yīng)[25]。β多樣性越大,表明不同生境間的差異越大。從圖5可以看出,從坑口到坑底,各β多樣性指數(shù)大致呈逐漸增大的趨勢,這表明沿著坑坡的環(huán)境梯度,共有種的數(shù)量逐漸減少,植物種類差異越來越大。且Whittaker指數(shù)、Cody指數(shù)、Routledge指數(shù)及Whilson-Shmida指數(shù)均表現(xiàn)為下坡位與坑底的差異最大。綜合可知,退化天坑倒石坡的下坡位生境類型最多樣,能量物質(zhì)交換頻繁。而其它坡位的β多樣性指數(shù)相比較低,植物群落結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。

圖5 坑坡梯度上植物β多樣性指數(shù)Fig.5 Plant β diversity index on slope gradient1為坑口樣地,2為上坡位樣地,3為中坡位樣地,4為下坡位樣地,5為坑底樣地

2.2 土壤微生物群落代謝活性

土壤微生物群落的代謝活性及對單一碳源利用能力可通過平均顏色變化率(AWCD)來表征,其值也在一定程度上反應(yīng)了土壤微生物群落的數(shù)量及結(jié)構(gòu)特征。由圖6可以看出,在0—24 h內(nèi),微生物群落利用對碳源的利用率低,故AWCD值較低。隨著培養(yǎng)時間的增加,AWCD值不斷上升,且在24 h后不同坡位的AWCD值出現(xiàn)不同的增長趨勢,24—72 h時間段里不同坡位土壤微生物的AWCD值呈現(xiàn)出交替上升,72 h后各坡位土壤微生物的AWCD值出現(xiàn)分化,大體上呈現(xiàn)出下坡位>坑底>中坡位>上坡位>坑口。結(jié)果表明坑底和下坡位的土壤微生物群落代謝活性相對較高。

圖6 不同坡位土壤微生物群落平均顏色變化率(AWCD)隨時間變化Fig.6 AWCD of different slope soil microbial community with time gone

2.3 土壤微生物群落對碳源利用強度

Biolog微平板的碳源包括糖類、羧酸類、氨基酸類、酚酸類、聚合物類和胺類。通過不同坡位土壤微生物群落對6類碳源的利用程度分析(圖7)可知,不同坡位土壤微生物利用碳源的程度存在差異,大體上呈現(xiàn)出從坑底到坑口利用程度逐漸降低的趨勢,利用率較大的碳源為糖類和氨基酸類,酚酸類和聚合物類利用率較低。說明糖類和氨基酸類碳源是倒石坡上土壤微生物群落利用的主要碳源。

圖7 不同坡位土壤微生物群落對6種碳源的利用程度Fig.7 The utilization degree of soil microbial community on 6 carbon sources in different slope soil不同字母表示不同坡位間差異顯著(P<0.05)；相同字母表示差異不顯著(P>0.05)

2.4 土壤微生物群落代謝多樣性類型

圖8 土壤微生物群落主成分分析 Fig.8 Principal component analysis (PCA) of soil microbial community

不同坡位的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性能通過對不同碳源的利用差異來體現(xiàn)。采用144 h的AWCD值,對不同坡位土壤微生物群落利用單一碳源特征進行主成分分析。獲得兩個與土壤微生物群落多樣性相關(guān)的主成分,分別為PC1(31.9%)和PC2(28.7%),兩者累計貢獻率為60.6%,由于其他成分貢獻率更小,故只采用PC1和PC2來表征土壤微生物群落碳源代謝特征。由圖8可知,不同坡位土壤微生物群落在PC軸上出現(xiàn)分布差異。不同坡位土壤微生物群落的碳源利用有明顯的分異效果,這表明坡位不同對土壤微生物群落的碳源利用有較大的影響。整體上下坡位在PC1和PC2正半軸的載荷值最高,這說明坑底的土壤微生物群落基礎(chǔ)代謝活性高于其他坡位。此外,將主成分PC1和PC2的得分系數(shù)與31種單一碳源做相關(guān)性分析,其中與PC1相關(guān)的碳源有14種,主要是糖類(D-半乳糖酸γ-內(nèi)酯﹑D, L-α-磷酸甘油)和羧酸類(丙酮酸甲酯﹑D-半乳糖醛酸﹑α-丁酮酸),與PC2相關(guān)的碳源有12種,其中糖類(D-木糖/戊醛糖﹑N-乙酰-D葡萄糖氨),氨基酸類(L-苯丙氨酸﹑L-絲氨酸)和聚合物類(α-環(huán)式糊精﹑肝糖)對PC2貢獻較大。由此可以看出，在倒石坡上糖類和羧酸類碳源更能引起土壤微生物群落功能變化。同時也說明倒石坡的土壤環(huán)境為土壤微生物提供了充足的營養(yǎng)基質(zhì),且碳水化合物類物質(zhì)豐富。

2.5 土壤微生物群落功能多樣性

目前群落多樣性指數(shù)常用Simpson指數(shù)(D)、Shannon-Wiener指數(shù)(H)和McIntosh指數(shù)(U)來表征,是研究常見物種優(yōu)勢度,群落豐富度及均勻度的綜合指標[26]。結(jié)果如表4所示,下坡位的Shannon-Wiener指數(shù)最高,不同坡位間差異顯著(P<0.05),表明下坡位的土壤微生物群落種類多,分布均勻。其次Simpson指數(shù)在坑底和下坡位略高于其他坡位,除坑口和上坡位差異不顯著外,其余坡位均差異顯著(P<0.05),說明在坑底和下坡位的土壤微生物群落優(yōu)勢種群長勢良好,數(shù)量優(yōu)勢明顯。最后的McIntosh指數(shù)在各坡位差異顯著(P<0.05),下坡位最大,其次坑底,表明下坡位的土壤微生物種類豐富,且均勻度高。綜上可知在退化天坑的倒石坡上,不同坡位的土壤微生物群落功能多樣性存在差異,相比而言坑底和下坡位的多樣性更高,具有更高的土壤微生物種群生態(tài)位。

表4 土壤微生物群落多樣性指數(shù)

數(shù)據(jù)以平均值±標準差表示,不同字母表示不同坡位間差異顯著(P<0.05)；相同字母表示差異不顯著(P>0.05)

3 討論

3.1 負地形倒石坡環(huán)境梯度對土壤微生物多樣性的影響

生物多樣性沿環(huán)境梯度的變化是近年來生物多樣性研究的重要問題,環(huán)境梯度是影響物種多樣性分布格局的決定性因素之一,亦是生物多樣性分布格局研究的重要方面[27]。本研究通過β多樣性指數(shù)比較發(fā)現(xiàn),從坑口到坑底各β多樣性指數(shù)逐漸增大,各坡位間物種組成差異大,這說明天坑作為一種獨特的地理生境,坑內(nèi)外生境具有明顯的分異特點,坑坡上不同坡位的生境也存在差異,其中下坡位和坑底的差異最大,下坡位生境異質(zhì)性明顯。不同生境具有差異性的土壤環(huán)境、溫度和水分等非生物環(huán)境,這些都會影響土壤微生物群落多樣性[28]。首先坡位是重要的地形因子,不同坡位的生境直接影響著土壤微生物群落。研究表明坡面表層的土壤微生物量和養(yǎng)分會由于地表徑流和淋溶作用而表現(xiàn)出明顯的“洼積效應(yīng)”,即隨坡位的上升,土壤微生物量和土壤養(yǎng)分會逐漸降低[29]。喀斯特退化天坑的倒石坡坡面,坡上部土壤細粒由于侵蝕、重力等作用搬運到坡下部,因此土壤匯聚效應(yīng)使坡下部的土壤較厚,有機質(zhì)含量高。而土壤顆粒越細﹑有機質(zhì)含量越高,土壤微生物群落結(jié)構(gòu)就會越復(fù)雜,多樣性也越高[30]。本研究發(fā)現(xiàn)土壤微生物群落功能多樣性也表現(xiàn)為下坡位>中坡位>上坡位,有明顯的“洼積效應(yīng)”。這與黃土高原丘陵溝壑區(qū)坡面[15]和紫色土區(qū)坡耕地坡面[31]的土壤微生物群落多樣性和數(shù)量分布規(guī)律一致。

其次坡位會引起土壤水分的變化,這也是導(dǎo)致多樣性波動的重要因素。Gordon等[32]和Xiang等[33]的研究一致認為,較高的土壤水分可提高土壤微生物活性。樣地調(diào)查土壤含水量發(fā)現(xiàn),坑內(nèi)土壤含水量顯著高于坑口(P<0.05)?？涌跒榈湫偷目λ固氐刭|(zhì)環(huán)境,石漠化嚴重,保水性差,造成土壤有機質(zhì)流失,影響土壤微生物生存環(huán)境,因而坑口的土壤微生物群落多樣性較低。而喀斯特漏斗地形底部可聚集大量的水分,坑坡(沖溝)也具有較強的匯水功能,良好的土壤條件使土壤微生物群落多樣性更高。

最后土壤的管理方式也會通過改變土壤理化性質(zhì)而影響土壤微生物群落多樣性。走訪調(diào)查了解到巴家陷塘在70年代以前坑底曾進行農(nóng)耕活動,建國之后處于停耕狀態(tài),有一定的自然恢復(fù),但同時存在適度放牧等人為干擾,羊等牲畜主要集中在坑底和下坡位處覓食。根據(jù)“中度干擾理論”,適度放牧干擾下,植物根系發(fā)育良好且分泌物較為豐富,改善土壤條件,利于微生物的生存和繁殖,從而使得下坡位和坑底具有較高的土壤微生物群落多樣性[34]。

3.2 負地形倒石坡植被對土壤微生物多樣性的影響

植被群落狀態(tài)是土壤微生物群落功能多樣性的主導(dǎo)因素之一,坡面不同坡位的水熱組合會影響植被覆蓋差異,同時影響土壤性質(zhì),使得地表群落和地下系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)[35]。生態(tài)系統(tǒng)中的植物群落可通過影響土壤的碳氮含量﹑含水量﹑通氣性及pH值等來影響土壤微生物群落多樣性[36],地表植物多樣性高有利于土壤微生物群落代謝及多樣性形成。Waid等[37]認為土壤微生物群落多樣性變化與植被類型﹑數(shù)量及化學(xué)組成有密切關(guān)系。周桔等[38]研究發(fā)現(xiàn)地上植被多樣性與土壤微生物群落多樣性呈顯著正相關(guān)。本研究通過對比草本層植物多樣性指數(shù)發(fā)現(xiàn),坑底的Simpson指數(shù)和Margalef指數(shù)均顯著高于坑口(P<0.05)。坑口植物群落受環(huán)境的影響,植被覆蓋率及多樣性較低。而土壤微生物群落多樣性也顯示坑底土壤微生物群落對碳源利用程度較高,多樣性指數(shù)均表現(xiàn)為坑底顯著高于坑口(P<0.05),表明坑底土壤微生物群落種類多且均勻。

4 結(jié)論

通過對巴家陷塘中度退化天坑倒石坡的土壤微生物群落研究發(fā)現(xiàn),坑底和坑口的土壤微生物群落功能多樣性存在明顯差異,坑底土壤微生物群落的碳源代謝能力和功能多樣性指數(shù)(Shannon指數(shù)﹑Simpson指數(shù)﹑McIntosh指數(shù))均高于坑口?？悠伦鳛檫B接坑內(nèi)外的過渡帶,其土壤微生物群落多樣性與坑底、坑口具有相異的特點,下坡位土壤微生物群落功能多樣性略高于坑底,顯著高于中坡位,在坡面上呈現(xiàn)出下坡位>中坡位>上坡位的趨勢。下坡位的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,生物多樣性較豐富,異質(zhì)性較高,并且受到天坑環(huán)境資源調(diào)控,其土壤養(yǎng)分及持水性能優(yōu)于其他樣地,能為土壤微生物群落提供更多的生態(tài)位。因此未來在退化天坑封山育林的保護中,更應(yīng)重視倒石坡的生物多樣性及物種保護的重要性。

本研究采用的Biolog微平板技術(shù)工作效率高,操作簡單,被廣泛應(yīng)用于土壤微生物群落功能多樣性研究。但該技術(shù)具有一定的局限性,只能反映能利用Biolog微平板中碳源的微生物。今后研究需采用高通量測序技術(shù)﹑磷脂脂肪酸(PLFA)、土壤蛋白質(zhì)組學(xué)等方法,對比天坑內(nèi)外土壤微生物群落差異,深入探究土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及功能多樣性,特別與土壤營養(yǎng)循環(huán)相關(guān)的功能微生物群落多樣性,這將有利于喀斯特天坑作為生物多樣性寶庫的進一步探索。