王好才,夏 敏,劉圣恩,王 燚,展鵬飛,王 行,*

1 西南林業(yè)大學(xué)國(guó)家高原濕地研究中心/濕地學(xué)院, 昆明 650224

2 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所, 沈陽(yáng) 110016

3 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院, 昆明 650201

4 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 福州 350007

濕地生態(tài)系統(tǒng)是地球上最重要的生態(tài)系統(tǒng)之一,在物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)、維持生態(tài)平衡等方面發(fā)揮著重要的生態(tài)價(jià)值和環(huán)境功能[1-3]。微生物是濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,是土壤有機(jī)質(zhì)與土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與循環(huán)的動(dòng)力,開(kāi)展?jié)竦赝寥牢⑸锵嚓P(guān)研究對(duì)于認(rèn)識(shí)和了解濕地生態(tài)系統(tǒng)生境狀況與演化具有重要意義[4-6]。我國(guó)的高原濕地主要分布在海拔3000m以上的高原區(qū)域,是一類特殊的濕地類型。受氣候變化及人為活動(dòng)干擾,高原濕地生物組成及區(qū)系特征對(duì)環(huán)境變化異常敏感,其土壤微生物群落多樣性和分布狀況受土壤質(zhì)地、植被類型、土壤pH及水分狀況等因素影響[7]。因此,在全球氣候變化背景下,開(kāi)展高原濕地土壤微生物多樣性及其空間分布研究,對(duì)進(jìn)一步辨析濕地關(guān)鍵生態(tài)特征及其演化過(guò)程具有重要意義[8]。

土壤微生物具有明顯的地域性特征,表現(xiàn)出一定的空間分布關(guān)系[9]。當(dāng)前,土壤微生物群落結(jié)構(gòu)相似性和地理空間距離的響應(yīng)關(guān)系在草地、農(nóng)田、森林等生境中已被證實(shí)[10-12]。在濕地生態(tài)系統(tǒng)中,有關(guān)土壤微生物空間分布特征的研究主要集中在人工濕地。如有研究表明,在受人類干擾較大的人工濕地類型(如庫(kù)塘、水稻田等)中存在微生物群落相似性隨地理距離增加而衰減的一般規(guī)律[13-14]。在自然濕地生態(tài)系統(tǒng)中,尤其是原始生境保存較好的高原泥炭沼澤濕地,土壤微生物群落相似性對(duì)地理距離的響應(yīng)關(guān)系仍然未知。環(huán)境因素顯著影響微生物群落組成和分布,微生物—環(huán)境之間存在密切的相互作用關(guān)系[15-17]?？臻g尺度大小對(duì)土壤微生物不同成員在群落構(gòu)建方面的潛在驅(qū)動(dòng)因素還尚不明確。在土壤微生物群落中,稀有種被定義為在不同樣品間占據(jù)率較低的微生物,而豐富種是指在大量樣品中普遍存在且豐度較高的類群[18]。在氣候變化、群落組裝過(guò)程及環(huán)境適應(yīng)方面,稀有種和豐富種的響應(yīng)機(jī)制表現(xiàn)出明顯的差異[19-21],而在以往的微生物地理學(xué)研究中,往往會(huì)把所有微生物群落作為一個(gè)整體來(lái)探究其生物地理分布模式,少有將群落按照豐度高低劃分為稀有種和豐富種,并分別加以研究。由此我們提出假設(shè)：在自然濕地生態(tài)系統(tǒng)中,微生物群落不同成員的生物地理分布模式可能存在明顯的差異。

由于若爾蓋高原泥炭沼澤濕地在碳存儲(chǔ)方面的重要性,人們?cè)谌蜃兣?、水文波?dòng)環(huán)境下的土壤微生物活性及多樣性變化方面開(kāi)展了大量研究工作[22-23]。目前,對(duì)若爾蓋高原濕地土壤微生物的研究側(cè)重于生境退化和擾動(dòng)對(duì)微生物多樣性及結(jié)構(gòu)的影響,以及泥炭層中有機(jī)物的微生物利用特征等方面,而土壤微生物生物地理分布模式尚不明確[24-26]?？臻g距離和環(huán)境異質(zhì)性被認(rèn)為是形成遺傳變異和種群多樣性的主要因素,然而在高原原生濕地土壤中,它們的相對(duì)重要性仍未得到充分認(rèn)識(shí)。鑒于此,該研究以若爾蓋高原泥炭沼澤濕地土壤細(xì)菌群落為研究對(duì)象,采用16S rDNA基因測(cè)序分析技術(shù),探究高原泥炭沼澤濕地土壤細(xì)菌群落的生物地理分布模式,同時(shí)依據(jù)微生物群落在土壤樣本中出現(xiàn)的豐度高低劃分為稀有種和豐富種,研究群落內(nèi)不同成員對(duì)地理分布模式的響應(yīng)關(guān)系,以及影響群落多樣性的環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素。該項(xiàng)研究工作的開(kāi)展,有助于從微生物生物地理學(xué)的角度解釋若爾蓋高原泥炭沼澤濕地土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及多樣性的分布規(guī)律和響應(yīng)機(jī)制,為進(jìn)一步研究若爾蓋濕地土壤微生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程,揭示微生物多樣性對(duì)高原濕地生態(tài)系統(tǒng)功能的影響提供科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

若爾蓋高原泥炭沼澤濕地位于青藏高原東北部,川甘兩省交界處(33°25′—34°00′N, 102°29′—102°59′E),為黃河源區(qū)的重要組成部分,具有豐富的動(dòng)植物資源和生物多樣性。氣候寒冷濕潤(rùn),年均溫在0.6—1.1℃之間,根據(jù)第二次全國(guó)濕地資源調(diào)查結(jié)果,研究區(qū)的濕地類型為草本沼澤,主要優(yōu)勢(shì)植物為木里苔草(Carexmuliensis)。若爾蓋大沼澤原始生境保存較好,是我國(guó)第一大高原沼澤濕地,也是世界上面積最大、保存最完好的高原泥炭沼澤,是青藏高原高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)的典型代表。作為重要的生態(tài)敏感區(qū)、高山生物多樣性豐富帶,若爾蓋高原沼澤泥炭地在全球生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)中具有重要地位,在全球碳儲(chǔ)量、土壤水分涵養(yǎng)等方面發(fā)揮重要作用[27]。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品采集

由于若爾蓋泥炭沼澤濕地呈斑塊狀分布,結(jié)合保護(hù)區(qū)濕地生境特征,于2018年8月挑選了原始生境保存較好的一塊典型泥炭沼澤濕地作為研究對(duì)象,從局域尺度(local scale)開(kāi)展微生物地理學(xué)研究工作。研究區(qū)沼澤水深在0.3—0.5m左右,為原生生境,在保護(hù)區(qū)內(nèi)部不存在放牧干擾。深入原生沼澤濕地內(nèi)部進(jìn)行樣品采集,結(jié)合前人采樣策略[28]及前期研究基礎(chǔ)[29],擬采用嵌套采樣方案(圖1)。分別設(shè)計(jì)3個(gè)100m2的樣方,第1個(gè)樣方與第2個(gè)樣方之間的間隔為100m,第1個(gè)樣方和第3個(gè)樣方之間的間隔為1000m。每個(gè)100m2的樣方內(nèi)分別嵌套一個(gè)10m2和1m2兩種尺度的小樣方。在每個(gè)100m2的樣方內(nèi),共取10個(gè)土壤芯(0—10cm),3個(gè)樣方一共采集30個(gè)土壤芯(圖1,見(jiàn)紅色圓點(diǎn)所示)。該采樣策略可以對(duì)土壤微生物β多樣性的變化和更替進(jìn)行有效評(píng)估[28]。在每個(gè)采樣點(diǎn)設(shè)置0.5m×0.5m樣方,將樣方內(nèi)部的植物地上部分收割后帶回實(shí)驗(yàn)室,清洗干凈并放入65℃烤箱中烘至恒重,用四分位電子天平進(jìn)行稱重得到地上生物量。隨后利用荷蘭Eijkelkamp定深泥炭鉆采集0—10cm濕地表層土壤樣品,使用環(huán)刀(7.5cm直徑,5cm高)和自封袋分裝。用鑷子將環(huán)刀中的根系挑選出來(lái),用淘洗法對(duì)地下根系沖洗干凈后,放入65℃烤箱中烘至恒重,稱重得到地下生物量。采集的土壤樣品一部分放入凍存管后在便攜式液氮罐中迅速冷凍,帶回實(shí)驗(yàn)室后放入-80℃冰箱保存,用于土壤微生物分析。

圖1 研究區(qū)域位置及采樣點(diǎn)示意圖

1.3 土壤理化性質(zhì)的測(cè)定

土壤容重、土壤孔隙度、含水量等指標(biāo)的測(cè)定使用環(huán)刀里的土樣。泥炭土壤自然儲(chǔ)水量以及最大儲(chǔ)水量分別由自然含水率、飽和含水率換算得到。土壤總氮總磷采用濃硫酸消煮法,之后采用流動(dòng)分析儀(AA3,Bran+LuebbeCrop,德國(guó))測(cè)定；土壤硝態(tài)氮、土壤銨態(tài)氮采用氯化鉀浸提法,之后采用流動(dòng)分析儀測(cè)定；土壤pH采用玻璃電極法(MP511 pH計(jì))按土水比1：2.5測(cè)定；土壤活性磷采用碳酸氫鈉—鉬銻抗比色法；土壤活性碳采用高錳酸鉀氧化法；土壤陽(yáng)離子交換量采用三氯化六氨合鈷浸提—分光光度法。同時(shí),使用TOC總有機(jī)碳分析儀(德國(guó)元素Vario)測(cè)定土壤溶解性有機(jī)碳；使用馬弗爐儀器測(cè)定土壤灰分；用氫氟酸-高氯酸-硝酸消解法測(cè)定土壤K、Ca、Mg、S、Fe以及Mn 6種元素(微波消解儀,全譜直讀電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICPE—9820))；利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法同時(shí)測(cè)定土壤中可交換態(tài)鉀、鈣、鎂。土壤基本理化指標(biāo)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 研究區(qū)域土壤理化指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

1.4 土壤DNA提取和16S rDNA擴(kuò)增子測(cè)序

土壤微生物DNA提取使用Ezup柱式土壤基因組DNA抽提試劑盒,按試劑盒操作說(shuō)明書(shū)提取,并采用0.8%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)DNA。16S保守序列片段的擴(kuò)增引物使用515F(5′—GTGCCAGCMGCCGCGGTAA—3′)和806R(5′—GGACTACHVGGGTWTCTAAT—3′)[30]。以10倍稀釋后的基因組DNA為模板,根據(jù)測(cè)序區(qū)域的選擇,使用帶Barcode的特異性引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增,每個(gè)樣本進(jìn)行三個(gè)PCR技術(shù)重復(fù)。PCR產(chǎn)物與1/6體積的6X loading buffer混合,使用2%瓊脂糖凝膠進(jìn)行電泳檢測(cè)。對(duì)目的條帶進(jìn)行割膠回收,使用QIAquick Gel Extraction Kit(QIAGEN)試劑盒,回收后的PCR純化產(chǎn)物使用Qubit@2.0 Fluorometer(Thermo Scientific)進(jìn)行定量,最后等摩爾量混合。建庫(kù)使用TruSeq DNA PCR—Free Sample Prep Kit試劑盒,構(gòu)建好的文庫(kù)經(jīng)過(guò)定量和文庫(kù)檢測(cè)合格后,使用羅寧生物的Hiseq 2500平臺(tái)PE250模式測(cè)序。

1.5 采樣點(diǎn)的地理距離獲取

每個(gè)采樣點(diǎn)的空間地理坐標(biāo)由手持GPS(eTrex enture, Garmin, Olathe, KS, USA)進(jìn)行記錄,之后采用平面直角坐標(biāo)系來(lái)計(jì)算每個(gè)采樣點(diǎn)的相對(duì)距離(以第一個(gè)采樣點(diǎn)為原點(diǎn),圖1)。使用R語(yǔ)言中的Vegan包計(jì)算采樣點(diǎn)之間的兩兩地理距離,從而創(chuàng)建采樣點(diǎn)之間的地理距離矩陣。

1.6 數(shù)據(jù)分析與處理

1.6.1群落組成及Alpha多樣性分析

使用R語(yǔ)言中的Vegan包進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理與alpha多樣性和相對(duì)豐度的計(jì)算,將在所有樣品中出現(xiàn)且豐度大于2的OTU定義為核心微生物(core microbiome),使用grid包和ggplot2包將數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理。

1.6.2土壤微生物群落相似性與地理距離的相關(guān)性分析

通過(guò)將全部OTU分類單元重新劃分為稀有種(Endemic taxa)(在所有樣品中出現(xiàn)的頻率低于25%的OTU)和豐富種(Ubiquitous taxa)(在所有樣品中出現(xiàn)的頻率高于75%的OTU),分別產(chǎn)生4057個(gè)和716個(gè)OTU分類單元。隨后,通過(guò)非度量多維標(biāo)度(Bray—Curtis)距離[31],采用非參數(shù)多變量統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)和相似性分析(999個(gè)排列),測(cè)定細(xì)菌總?cè)郝?、稀有種群落、豐富種群落在局域空間尺度上不同樣本之間的群落結(jié)構(gòu)相似性[32]。細(xì)菌群落的周轉(zhuǎn)速率用衰減率表示,該指標(biāo)為地理距離(ln對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換)與群落相似性(ln對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換)關(guān)系的普通最小二乘回歸(Ordinary Least Squares Regression)的斜率。斜率的計(jì)算公式如下：

ln(S)= ln(a)+zln(G)

式中,S為微生物群落相似性,G為地理距離,a為截距參數(shù),z為衰減曲線的斜率,反映細(xì)菌群落的周轉(zhuǎn)速率[33]。

1.6.3Mantel檢驗(yàn)、方差分解分析

為了分析環(huán)境變量以及地理距離對(duì)微生物群落組成的影響,使用R語(yǔ)言中的ggcor包進(jìn)行Mantel檢驗(yàn)分析,檢驗(yàn)不同群落組成和環(huán)境變量之間的Spearman相關(guān)性。同時(shí),使用vegan包進(jìn)行基于距離的冗余分析(Distance—based redundancy analysis,db—RDA)。

鄰體矩陣主坐標(biāo)(principal coordinates of neighbor matrices,PCNM)分析能夠獲得樣本間空間關(guān)系的分解向量,顯著的PCNM變量能直接解釋空間尺度對(duì)物種的貢獻(xiàn)[34]。PCNM分析通過(guò)對(duì)研究尺度范圍內(nèi)的空間距離建立截尾矩陣,通過(guò)主軸分析法進(jìn)行處理,得到PCNM1、…、PCNMn,PCNM1表示整個(gè)研究尺度內(nèi)的空間信息,屬大尺度；PCNM2、…、PCNMn代表的尺度信息依次減少。得到空間因子數(shù)據(jù)后,結(jié)合土壤理化數(shù)據(jù),采用方差分解分析(Variance Partitioning Analysis,VPA)來(lái)評(píng)估空間因子、土壤因子對(duì)細(xì)菌總?cè)郝?、稀有種群落、豐富種群落多樣性組成和結(jié)構(gòu)變化的相對(duì)貢獻(xiàn)。PCNM分析以及VPA分析均使用R語(yǔ)言中的vegan包進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤細(xì)菌群落豐度及多樣性分析

2.1.1群落組成

在所有的土壤樣本中,一共獲得986532條高質(zhì)量的細(xì)菌序列,在97%的相似水平下進(jìn)行OTU聚類分析后,共得到6456個(gè)分類單元。通過(guò)將全部OTU分類單元重新劃分為稀有種和豐富種,分別產(chǎn)生4057和716個(gè)OTU。我們比較了稀有種、豐富種和總細(xì)菌群落在門(mén)水平和屬水平上相對(duì)豐度在前10的物種組成特征(圖2)。

圖2 稀有種、豐富種和總細(xì)菌群落在門(mén)水平和屬水平上的相對(duì)豐度(前10)圖

經(jīng)微生物16S rDNA基因測(cè)序,共檢測(cè)到54個(gè)菌門(mén)和934個(gè)菌屬。其中,19個(gè)菌門(mén)和121個(gè)菌屬的平均豐度高于1%。綠彎菌門(mén)(Chloroflexi)是顯著的優(yōu)勢(shì)菌門(mén),在稀有種群、豐富種群和總細(xì)菌群落中其所占豐度分別達(dá)21.88%、26.45%和26.25%,其他優(yōu)勢(shì)菌落分別為變形菌門(mén)(Proteobacteria)、厚壁菌門(mén)(Firmicutes)、擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)、酸桿菌門(mén)(Acidobacteria)、廣古菌門(mén)(Euryarchaeota)、疣微菌門(mén)(Verrucomicrobia)、浮霉菌門(mén)(Planctomycetes)、Latescibacteria和Rokubacteria。在屬水平上,乳桿菌屬(Lactobacillus)是明顯的優(yōu)勢(shì)菌屬,在稀有種群、豐富種群和總細(xì)菌群落中其所占豐度分別達(dá)0.7%、11%和3%。在稀有種中,RuminococcaceaeUCG—014是優(yōu)勢(shì)菌屬。

此外,通過(guò)30個(gè)土壤微生物樣本信息,構(gòu)建了基于泥炭土壤微生物的核心微生物群(core microbiome),共計(jì)278個(gè)OTU分類單元,分屬于17個(gè)門(mén)水平和84個(gè)屬水平。圖3列舉了核心微生物在門(mén)水平和屬水平劃分上相對(duì)豐度前10的核心微生物。其中,在門(mén)水平上豐度前三的細(xì)菌分別是綠彎菌門(mén)(Chloroflexi)、變形菌門(mén)(Proteobacteria)和厚壁菌門(mén)(Firmicutes),這些微生物在核心微生物群中所占豐度高達(dá)69%；在屬水平上,豐度排前三的微生物分別是擬桿菌屬(Bacteroides)、球菌科UCG.014(RuminococcaceaeUCG—014)和甲烷桿菌屬(Methanobacterium),其所占豐度為18.04%。

圖3 基于30個(gè)土壤樣本構(gòu)建的門(mén)水平和屬水平上相對(duì)豐度前10的核心微生物

2.1.2Alpha多樣性

對(duì)研究區(qū)域所有采樣點(diǎn)土壤細(xì)菌群落的Alpha多樣性指數(shù)分析顯示(圖4),Chao1指數(shù)、Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)分別介于1663—3571、3.21—6.49和0.98—0.99之間,若爾蓋高原濕地土壤樣品具有較高的微生物多樣性。同時(shí)發(fā)現(xiàn),Chao1指數(shù)的變異系數(shù)(14.71%)大于Shannon指數(shù)(3.21%)和Simpson指數(shù)(0.32%)。

圖4 細(xì)菌群落Alpha多樣性指數(shù)變化Cleveland點(diǎn)圖

2.2 細(xì)菌群落相似性的距離衰減特征分析

為探索高原泥炭原生沼澤濕地土壤中的微生物群落是否存在生物地理分布模式,對(duì)微生物群落相似性和地理距離之間的關(guān)系進(jìn)行分析,并獲得群落相似性隨地理距離變化的衰減率特征。結(jié)果表明,稀有種、豐富種和總細(xì)菌群落的相似性均隨著地理距離的增加而衰減(圖5),表明高原泥炭濕地土壤微生物的空間分布特征符合生物地理分布的一般模式。通過(guò)比較,發(fā)現(xiàn)細(xì)菌群落的周轉(zhuǎn)速率(圖5,斜率Slope)在不同群落中存在差異?？傮w上,總細(xì)菌群落的距離衰減斜率(Slope=-0.026；P<0.001；R2=0.139)高于稀有種(Slope=-0.006；P=0.004；R2=0.056)和豐富種(Slope=-0.025；P<0.001；R2=0.112)。3個(gè)細(xì)菌群落對(duì)空間尺度的依賴性由大到小分別是總細(xì)菌群落、豐富種和稀有種。由此我們可以得出,在原始生境保存較好的若爾蓋泥炭沼澤高原濕地生境中,土壤微生物群落的相似性隨地理距離的增加而衰減,稀有種的周轉(zhuǎn)速率則低于豐富種。

圖5 群落相似性的地理距離衰減圖

2.3 稀有種、豐富種和總細(xì)菌群落對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)

對(duì)3種細(xì)菌群落和環(huán)境因子進(jìn)行Mantel檢驗(yàn)分析。結(jié)果顯示(圖6),地上生物量與3種微生物群落之間表現(xiàn)出極顯著相關(guān)性(0.001

圖6 環(huán)境因子和3類細(xì)菌群落的Mantel檢驗(yàn)

為了進(jìn)一步明確驅(qū)動(dòng)微生物群落多樣性在局域尺度上造成差異的關(guān)鍵環(huán)境因子,基于Bray—Curtis距離的約束主坐標(biāo)分析表明(圖7),稀有種、豐富種和總細(xì)菌群落多樣性變異的11.54%、38.20%和31.85%可以用前兩個(gè)主成分(CAP1和CAP2)來(lái)解釋。按環(huán)境因子對(duì)3種細(xì)菌群落組成差異性影響的遞減順序(前向選擇),這些顯著因子分別為地上生物量、活性磷(豐富種、總細(xì)菌群落)和硫含量(稀有種),地上生物量是影響3種細(xì)菌群落組成多樣性的關(guān)鍵環(huán)境因子；在稀有種群落中,CAP1與地上生物量呈顯著負(fù)相關(guān)(R2=0.37,P<0.001),而在豐富種群落(R2=0.38,P<0.001)和總細(xì)菌群落(R2=0.43,P<0.001)中則為顯著正相關(guān)。該分析結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了Mantel分析檢驗(yàn)結(jié)果。

圖7 3種細(xì)菌群落和環(huán)境變量的冗余分析(db—RDA)

2.4 環(huán)境因子與空間因子對(duì)微生物群落構(gòu)建的相對(duì)貢獻(xiàn)

采用VPA方法分析環(huán)境因子(土壤環(huán)境因子)和空間因子(PCNM)對(duì)稀有種群、豐富種群和整體細(xì)菌群落組裝的相對(duì)貢獻(xiàn)。圖8顯示在3個(gè)細(xì)菌群落中,環(huán)境因子和空間因子對(duì)群落結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)的總解釋量分別為4.93%、27.84%和26.63%,其中,空間因子在3種細(xì)菌群落的單獨(dú)解釋量分別為1.39%、3.59%和3.85%；環(huán)境因子在3個(gè)群落中的單獨(dú)解釋量分別為1.57%、7.27%和6.98%；空間因子、環(huán)境因子在3個(gè)細(xì)菌群落中的共同解釋量分別為1.96%、16.98%和15.80%?？傮w上,在局域尺度上,環(huán)境因子對(duì)3種細(xì)菌群落組成差異性的貢獻(xiàn)度要高于空間因子；稀有種群的VPA分析結(jié)果解釋度明顯低于整體細(xì)菌群落和豐富種群,可能是因?yàn)橄∮蟹N群落的產(chǎn)生具有較大的隨機(jī)性,主要由隨機(jī)作用(非決定作用)調(diào)控其群落構(gòu)建(圖5)。

通過(guò)對(duì)解釋變量做前向選擇分析(表2),發(fā)現(xiàn)空間因子PCNM1、PCNM2為主要解釋變量(P<0.05),說(shuō)明覆蓋整個(gè)采樣點(diǎn)的空間特征對(duì)樣點(diǎn)之間微生物群落結(jié)構(gòu)的差異具有顯著影響；地上生物量和活性磷為豐富種和總細(xì)菌群落的主要解釋因子,而在稀有種群中則為土壤硫含量和地上生物量。

3 討論

3.1 若爾蓋高原濕地土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征

前人針對(duì)若爾蓋高原濕地土壤微生物開(kāi)展了大量研究工作。如Zhong等[24]發(fā)現(xiàn)地下水位下降降低了原核生物群落的alpha多樣性,微生物群落的垂向分布特征主要受地下水位波動(dòng)影響。Tang等[6]研究表明在若爾蓋地區(qū),土壤類型對(duì)細(xì)菌群落的影響大于土壤深度對(duì)細(xì)菌群落的影響。Gu等[26]發(fā)現(xiàn)土壤退化導(dǎo)致若爾蓋細(xì)菌和古菌群落的網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)模式發(fā)生變化。Yang等[25]研究發(fā)現(xiàn)泥炭地退化減少了表層和深層土壤中的產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量,甲烷排放下降。Cui等[22]研究表明溫度增加了高寒濕地甲烷排放,而植被對(duì)甲烷菌群落組成有顯著貢獻(xiàn),并與甲烷排放密切相關(guān)。目前,在若爾蓋開(kāi)展的研究工作主要集中在生境變化及擾動(dòng)對(duì)微生物的影響,這些研究工作為我們進(jìn)一步揭示若爾蓋土壤微生物的地理分布格局打下了基礎(chǔ)。

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),不同區(qū)域的泥炭土壤細(xì)菌群落組成具有相似性。研究者[13]在對(duì)我國(guó)東北泥炭土壤細(xì)菌群落的研究中發(fā)現(xiàn),酸桿菌門(mén)(Acidobacteria)、放線菌門(mén)(Actinobacteria)、變形菌門(mén)(Proteobacteria)、擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)、綠彎菌門(mén)(Chloroflexi)等為土壤中的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌群落。而在本研究中,若爾蓋泥炭土壤的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌群落為綠彎菌門(mén)(Chloroflexi)、變形菌門(mén)(Proteobacteria)、厚壁菌門(mén)(Firmicutes)、擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)、酸桿菌門(mén)(Acidobacteria)等組成,在群落組成結(jié)構(gòu)上與其他區(qū)域的泥炭土壤微生物組成具有相似性?；谇叭说难芯拷Y(jié)果,我們認(rèn)為若爾蓋高原泥炭沼澤濕地中的這些土壤細(xì)菌群落是驅(qū)動(dòng)若爾蓋泥炭土壤生物地球化學(xué)循環(huán)的主要參與者,并同時(shí)參與了該區(qū)域濕地生境的形成與演化。然而,有關(guān)細(xì)菌群落在高原濕地生境中所發(fā)揮的具體功能仍需要進(jìn)一步探索和研究。

3.2 若爾蓋高原濕地土壤微生物地理模式

雖然已有大量研究報(bào)道了不同生境中土壤微生物的生物地理模式,但少有研究關(guān)注人類活動(dòng)干擾較少的高原濕地生境中的微生物生物地理模式,也少有研究闡明了微生物群落中不同類群群落相似度隨地理距離的變化情況[10-13]。在本研究中,稀有種、豐富種和總細(xì)菌群落的相似度隨地理距離的增加而衰減,證實(shí)了在高原泥炭沼澤濕地中土壤微生物也存在生物地理分布模式；3種細(xì)菌群落的距離衰減斜率在局域尺度上存在差異,且稀有種群落的相似度距離衰減斜率低于豐富種群,這與其他研究者在水稻土壤細(xì)菌群落中的發(fā)現(xiàn)有所不同[18]。在本研究中,稀有種群在30個(gè)土壤樣品中的群落相似度低于20%,豐富種群的相似度則高于70%(圖5)。稀有種在不同樣品之間的差異主要由群落的演替、變更導(dǎo)致,而豐富種在不同樣品之間的差異主要由群落的豐度高低導(dǎo)致。結(jié)合他們各自的距離衰減斜率規(guī)律(稀有種群落的相似度距離衰減斜率低于豐富種群),我們認(rèn)為若爾蓋高原泥炭土壤微生物相似性的地理衰減主要由高豐度的優(yōu)勢(shì)群落調(diào)控,物種豐度的變化是導(dǎo)致微生物群落地理距離衰減的主要因素。

3.3 環(huán)境因子對(duì)土壤微生物群落的影響

環(huán)境因子是影響微生物群落結(jié)構(gòu)的重要因素[11,17]。在本研究中,通過(guò)Mantel檢驗(yàn)和冗余分析得出,地上生物量與3種微生物群落之間表現(xiàn)出極顯著相關(guān)性(0.001

3.4 環(huán)境因子和空間距離對(duì)土壤微生物群落構(gòu)建的相對(duì)貢獻(xiàn)

Jennifer等[33]通過(guò)比較鹽沼沉積物中氨氧化細(xì)菌群落的組成,發(fā)現(xiàn)地理距離對(duì)局部尺度的微生物群落結(jié)構(gòu)相似性影響顯著,并認(rèn)為距離效應(yīng)的產(chǎn)生與生態(tài)漂移有關(guān)。然而,隨著地理距離增加,微生物群落的地理衰減模式發(fā)生變化。Gao等[18]研究了水稻土細(xì)菌群落組裝的空間尺度依賴性,發(fā)現(xiàn)稀有種群、豐富種群和總細(xì)菌群落在局域尺度(1—113m)、中觀尺度(3.4—39km)和區(qū)域尺度(103—668km)內(nèi)的空間依賴性存在差異。因此,采樣尺度的大小是我們?cè)谘芯课⑸锶郝浣M成和微生物地理模式時(shí)不可忽略的重要因素[36]。在本研究中,我們?cè)诰钟虺叨壬蠈?duì)不同細(xì)菌群落的空間尺度依賴性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)不同細(xì)菌群落的空間依賴性存在差異,從而進(jìn)一步論證了前人的研究結(jié)果。此外,有研究者運(yùn)用VPA分析揭示中國(guó)東部沿海地區(qū)水稻土壤和玉米土壤中影響古生菌群落構(gòu)建的空間因素和環(huán)境因素,定量分析空間因子、土壤因子和氣候因素對(duì)微生物群落構(gòu)建的相對(duì)貢獻(xiàn)[14]。研究發(fā)現(xiàn),影響玉米和水稻土古生菌群落構(gòu)建的相對(duì)貢獻(xiàn)由大到小依次為土壤理化因子、空間因子和氣候因子,該結(jié)果與本研究中得到的結(jié)果具有相似性(圖8、表2),表明在我們所調(diào)查的局域尺度上,若爾蓋泥炭濕地土壤微生物群落對(duì)環(huán)境異質(zhì)性的響應(yīng)較為強(qiáng)烈,是群落微生物構(gòu)建的主要影響因素。

4 結(jié)論

1)若爾蓋高原泥炭沼澤濕地中土壤細(xì)菌多樣性較高,共包括54個(gè)菌門(mén)和934個(gè)菌屬。其中,19個(gè)菌門(mén)和121個(gè)菌屬的平均豐度高于1%。在門(mén)水平上,綠彎菌門(mén)(Chloroflexi)、變形菌門(mén)(Proteobacteria)和擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)構(gòu)成泥炭土壤核心微生物；在屬水平上則為擬桿菌屬(Bacteroides)、球菌科UCG.014(RuminococcaceaeUCG-014)和甲烷桿菌屬(Methanobacterium)。

2)若爾蓋高原泥炭沼澤濕地土壤細(xì)菌群落在局域尺度上存在較為明顯的生物地理分布模式,即細(xì)菌群落相似性隨地理距離的增加而衰減。在3種細(xì)菌群落中,群落的周轉(zhuǎn)速率由大到小分別為總細(xì)菌群落、豐富種和稀有種。

3)地上生物量是影響高原泥炭沼澤濕地土壤細(xì)菌群落空間分布特征的關(guān)鍵環(huán)境因子；影響稀有種群落空間特征的環(huán)境因子還包括土壤硫含量、活性磷、Mn和土壤pH值。在局域尺度上,土壤理化因子對(duì)高原泥炭沼澤濕地土壤細(xì)菌群落構(gòu)建的相對(duì)貢獻(xiàn)大于空間因子。