冉 堃,王澤錦,李 品

森林培育與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,干旱半干旱地區(qū)森林培育及生態(tài)系統(tǒng)研究國(guó)家林草局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,城市林業(yè)研究中心,北京林業(yè)大學(xué),北京 100083

改革開(kāi)放以來(lái)的城市化帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)上的蓬勃發(fā)展[1],并引起了人口流動(dòng)[2],二者在環(huán)境變化、人口再分布以及區(qū)域發(fā)展的影響不容忽視。一方面,在城鄉(xiāng)梯度的水平方向上形成了環(huán)境差異;另一方面,如“熱島效應(yīng)”“土壤污染”“大氣污染”等環(huán)境負(fù)荷問(wèn)題也隨之而來(lái),此類(lèi)問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致環(huán)境條件退化、生物多樣性減少等嚴(yán)重的城市生態(tài)問(wèn)題[3]。城市森林作為城市生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成成分,在緩解環(huán)境問(wèn)題上有著關(guān)鍵作用[4],而土壤環(huán)境作為城市森林生長(zhǎng)的“搖籃”,通過(guò)研究土壤生態(tài)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng),能夠探究出有益于城市森林生長(zhǎng)發(fā)育的影響因素,進(jìn)而為緩解城市化環(huán)境問(wèn)題提供科學(xué)有效的理論依據(jù)。

土壤生態(tài)系統(tǒng)中微生物群落的轉(zhuǎn)化速率是植物殘?bào)w的10倍[5],同時(shí)其生態(tài)生理特征對(duì)土壤養(yǎng)分、溫度以及濕度的響應(yīng)速度超過(guò)其它常規(guī)指標(biāo),如有機(jī)碳、全氮、全磷等[6],因此普遍認(rèn)為土壤微生物群落可以作為反映土壤環(huán)境變化的指標(biāo)。土壤微生物群落在分類(lèi)上可以分為原核土壤微生物與真核土壤微生物,前者包括細(xì)菌、古菌和放線菌等,而后者包括真菌、藻類(lèi)和原生動(dòng)物等[7]。在土壤原核微生物中,土壤細(xì)菌是豐富度、多樣性最高的一個(gè)類(lèi)群[8],它們結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且適應(yīng)環(huán)境變化的能力較弱,因此一般通過(guò)改變自身的群體結(jié)構(gòu)來(lái)適應(yīng)新環(huán)境[9]。目前國(guó)內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)土壤細(xì)菌極易受到環(huán)境因子的影響[10—14],但響應(yīng)結(jié)果并不一致,以土壤pH值為例,Tian等[15]發(fā)現(xiàn)土壤pH與土壤細(xì)菌群落無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系,而周麗等[16]發(fā)現(xiàn)土壤pH顯著影響了研究區(qū)域中的土壤細(xì)菌種類(lèi)。此外,氣候因子如溫度、濕度等[17]和生長(zhǎng)在土壤上的植物群落多樣性以及植物種類(lèi)[18]也會(huì)對(duì)土壤細(xì)菌群落產(chǎn)生顯著影響。

在土壤真核微生物中,土壤真菌作為另一重要的類(lèi)群,在土壤養(yǎng)分的分解、轉(zhuǎn)化及循環(huán)等方面起著重要作用[19],同時(shí)還參與土壤有機(jī)質(zhì)礦化過(guò)程[20]。相比土壤細(xì)菌群落,真菌群落對(duì)于環(huán)境因子的適應(yīng)力較強(qiáng),因此能夠在一定程度上增強(qiáng)土壤的抗鹽堿能力與抗逆性,在維持土壤生態(tài)系統(tǒng)健康方面有著重要作用[21],同時(shí)一些土壤真菌可以與樹(shù)木根系形成良性共生關(guān)系,形成獨(dú)特的群落結(jié)構(gòu)與分布規(guī)律[22]。國(guó)內(nèi)外對(duì)于土壤真菌群落與環(huán)境因子的響應(yīng)主要集中在土壤因子方面。與細(xì)菌群落相似,大部分土壤理化性質(zhì)因子也會(huì)對(duì)真菌群落產(chǎn)生影響,如王峰等[23]發(fā)現(xiàn)土壤pH、土壤有機(jī)質(zhì)以及速效養(yǎng)分會(huì)對(duì)土壤真菌群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。但真菌群落在響應(yīng)上與細(xì)菌群落存在差異,如Han等[11]發(fā)現(xiàn)土壤細(xì)菌群落多樣性隨土壤可降解有機(jī)碳含量增加而減少,但土壤真菌群落表現(xiàn)為隨土壤可降解有機(jī)碳含量增加而增加。

最近有研究結(jié)合植物群落多樣性、植物種類(lèi)、氣候因子以及土壤理化性質(zhì)因子對(duì)土壤微生物群落進(jìn)行了綜合分析,發(fā)現(xiàn)這四類(lèi)因子對(duì)微生物存在交叉影響。Schlatter等[24]發(fā)現(xiàn),不僅植物與土壤微生物之間存在相互作用,微生物之間也存在如競(jìng)爭(zhēng)、拮抗等關(guān)系,且微生物之間的相互關(guān)系可以抑制多種植物病害,在Liu等[25]的研究中也得出了相似的結(jié)論。對(duì)于氣候因素,Sun等[14]認(rèn)為目前過(guò)于注重氣候因子對(duì)土壤細(xì)菌群落的影響而忽略了氣候因子對(duì)其他環(huán)境因子的影響力;他們發(fā)現(xiàn)土壤細(xì)菌群落對(duì)于各類(lèi)環(huán)境因子并不總是顯著相關(guān)的,其中氣溫因子的解釋率最低,僅占1.6%—18%,而土壤理化性質(zhì)因子占4.2%—70.8%,植物因子占7.8%—20.6%。

城市化發(fā)展導(dǎo)致了城鄉(xiāng)環(huán)境差異與生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。城鄉(xiāng)環(huán)境差異表現(xiàn)在城鄉(xiāng)梯度上環(huán)境因子和植物具有顯著的差異。土壤環(huán)境是城市生態(tài)環(huán)境中重要的部分,其中土壤微生物會(huì)對(duì)土壤環(huán)境的變化產(chǎn)生響應(yīng),因此成為生態(tài)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。土壤微生物主要受到氣候因子、土壤因子和植物因子的影響,氣候因子主要包括年均溫與年降水量[14];土壤因子主要包括土壤pH值[26]、土壤有機(jī)碳[27]、土壤全氮[28]、土壤全磷[24]以及土壤含水量[29];植物因子主要包括植物種類(lèi)以及植物多樣性[24]。在城鄉(xiāng)梯度的研究中,認(rèn)為從城區(qū)至遠(yuǎn)郊的建立的空間梯度與通過(guò)建立時(shí)間梯度來(lái)研究環(huán)境變化的影響具有相似性,因此可以用空間替代時(shí)間的方法研究城市化對(duì)城市森林生態(tài)系統(tǒng)的影響[30]。在研究土壤微生物上,以高通量測(cè)序技術(shù)中的操作分類(lèi)單元(OTU)[15]或擴(kuò)增子序列變體(ASV)[31]表為主要指標(biāo)進(jìn)行,此技術(shù)能從某個(gè)特定環(huán)境內(nèi)的微生物群落進(jìn)行全面的鑒定分析,進(jìn)而精準(zhǔn)挖掘出關(guān)鍵因子。

本研究選取國(guó)槐(Styphnolobiumjaponicum(L.) Schott)林作為研究對(duì)象,在北京市設(shè)立城區(qū)-近郊-遠(yuǎn)郊城鄉(xiāng)梯度帶,分析土壤細(xì)菌與真菌群落是否在城鄉(xiāng)梯度上存在差異,探究影響土壤微生物群落變化的土壤和氣候因子。該研究可為緩解土壤環(huán)境壓力和建設(shè)可持續(xù)森林城市提供科學(xué)依據(jù)。本研究擬解決以下問(wèn)題:(1)分析土壤細(xì)菌與真菌群落在城鄉(xiāng)梯度上的響應(yīng)差異;(2)探究出現(xiàn)響應(yīng)差異的影響因素。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究地區(qū)與研究方法

研究樣地選取北京市景山公園萬(wàn)春亭為中心,并通過(guò)測(cè)定各樣地距離此中心的直線距離,以此距離為參考選取了七塊立地條件相似的森林公園為樣地,具體樣地信息如表1所示。在梯度設(shè)定方面參考了Fang等[32]的設(shè)定規(guī)則,即將樣地距離中心的直線距離在0—20km以內(nèi)歸為城區(qū)、20—40km歸為近郊、40km以上歸為遠(yuǎn)郊。七個(gè)樣地整體屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,溫暖濕潤(rùn),年平均氣溫介于8.76—12.49℃,年降水量介于479—595mm,海拔介于53—673m,土壤類(lèi)型以褐土、棕壤為主,土壤pH介于6.85—8.50,土壤有機(jī)碳介于1.32—4.64g/kg,土壤全氮介于0.05—0.34g/kg,土壤全磷介于0.05—0.17g/kg。

表1 樣地概括

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與野外采樣

于2021年7月,在7個(gè)公園樣地中選取胸徑和樹(shù)高接近的國(guó)槐(Styphnolobiumjaponicum(L.) Schott)林,用土鉆法在3個(gè)10m×10m的樣方中隨機(jī)鉆4鉆土(10cm鉆),土壤深度為0cm—10cm,4鉆土混合成1個(gè)樣。去除石頭、根系等雜物,過(guò)直徑2mm土壤篩,并分為三份:一份保存于超低溫冰箱中(-80℃),用于后續(xù)土壤細(xì)菌和真菌群落的擴(kuò)增工作和高通量測(cè)序;一份保存于4℃冰箱,用于測(cè)定土壤pH;另一部分樣品放于常溫下通風(fēng)晾干,隨后使用工具將其碾碎,并使其通過(guò)100目土壤篩,以備進(jìn)行土壤有機(jī)碳、全氮和全磷的測(cè)定。

1.3 土壤理化性質(zhì)測(cè)定

土壤pH(土液比1∶2.5)采用pH計(jì)測(cè)定;土壤有機(jī)碳(TOC)采用重鉻酸鉀容量-外加熱法測(cè)定,全氮(TN)含量采用半微量凱氏定氮法測(cè)定,全磷(TP)采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定。其中年均溫(MAT)與年降水(MAP)數(shù)據(jù)來(lái)自于網(wǎng)站(http://worldclim.org)[33],記錄了從1970至2020年的年均溫與年降水?dāng)?shù)值。

1.4 土壤微生物高通量測(cè)序

土壤微生物群落組成和多樣性利用MoBio PowerSoil DNA提取試劑盒(MoBio,卡爾斯巴德,加利福尼亞州,美國(guó))提取DNA,用于提取的土壤總DNA的樣品用量為0.5g。對(duì)于土壤細(xì)菌群落,使用338F/806F引物組來(lái)擴(kuò)增16SrRNA基因(338F,ACTCCTACGGGAGGCAGCAG,806R,GGACTACNVGGGTWTCTAAT),每個(gè)樣品重復(fù)擴(kuò)增3次;對(duì)于土壤真菌群落,使用ITS1F/ITS2R引物對(duì)擴(kuò)增rRNA基因ITS1F區(qū)(ITS1F, CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA,ITS2R,GCTGCGTTCTTCATCGATGC)。所有的PCR反應(yīng)均在20μL反應(yīng)體系中進(jìn)行,包括5μm的正引物與反引物各0.8μL、10μg的模板DNA以及20μL的H2O。熱循環(huán)是指首先在95℃的溫度下進(jìn)行30s的循環(huán),之后以55℃的退火溫度進(jìn)行30s的循環(huán),再在以72℃的溫度進(jìn)行45s的循環(huán),最后以72℃進(jìn)行10min的處理,待溫度達(dá)到10℃后停止處理。數(shù)據(jù)已經(jīng)以登記號(hào)PRJNA893845保存在國(guó)家生物技術(shù)信息中心(NCBI)序列閱讀檔案(SRA)中。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

測(cè)序數(shù)據(jù)用 QIIME分析平臺(tái)進(jìn)行分析。并在 97%的相似度水平上進(jìn)行了物種多樣性和系統(tǒng)發(fā)育多樣性(PD)分析。物種多樣性主要使用操作分類(lèi)單元(簡(jiǎn)稱(chēng)OTUs)來(lái)描述。選擇差異顯著法(HSD)檢驗(yàn)法分析國(guó)槐根際土壤細(xì)菌和真菌群落組成、物種多樣性和系統(tǒng)發(fā)育多樣性在不同城市化公園之間的差異,采用Pearson相關(guān)系數(shù)對(duì)土壤細(xì)菌和真菌群落組成和多樣性與土壤理化性質(zhì)因子以及氣候因子進(jìn)行相關(guān)性分析,使用非度量多維尺度分析(NMDS)分析來(lái)檢測(cè)兩個(gè)微生物群落的結(jié)構(gòu)是否能夠在城鄉(xiāng)梯度上區(qū)分開(kāi)。在R i386 3.1.1軟件中利用Vegan包使用Mantel分析計(jì)算土壤細(xì)菌和真菌群落與土壤理化性質(zhì)因子以及氣候因子的相關(guān)性,再使用決策曲線分析(DCA)決策曲線分析法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè),根據(jù)曲線結(jié)果選擇冗雜分析(RDA)或典范對(duì)應(yīng)分析(CCA)方法分析土壤理化性質(zhì)因子與氣候因子對(duì)土壤細(xì)菌、真菌群落的解釋力。

2 結(jié)果與分析

2.1 城鄉(xiāng)梯度下土壤理化性質(zhì)分布特征及其相關(guān)性

如表1所示,土壤pH、TOC和TN在城鄉(xiāng)梯度上存在顯著差異。其中,土壤pH在昌平南口公園(NP)點(diǎn)最高,鷲峰森林公園(JP)點(diǎn)最低。TOC在城鄉(xiāng)梯度上呈現(xiàn)城區(qū)>近郊>遠(yuǎn)郊的趨勢(shì),具體表現(xiàn)為北京大業(yè)大學(xué)(BFU)、燕山公園(YP)與八達(dá)嶺森林公園(BP)三處樣地的遞減趨勢(shì);TN在城鄉(xiāng)梯度上呈現(xiàn)城區(qū)>近郊>遠(yuǎn)郊的趨勢(shì),在近郊的YP有短暫的回升,隨后再次降低;TP在城鄉(xiāng)梯度上無(wú)顯著差異。

2.2 城鄉(xiāng)梯度下土壤細(xì)菌與真菌群落組成特征

如圖1所示,樣地土壤細(xì)菌群落組成主要有41大類(lèi)群,其中放線菌(Actinobacteriota)(28.46%)、α變形菌(Alphaproteobacteria)(14.64%)、酸桿菌(Acidobacteriota)(11.99%)、綠彎菌(Chloroflexi)(7.16%)、γ變形菌(Gammaproteobacteria)(6.04%)等5大門(mén)類(lèi)是主要的類(lèi)群,相對(duì)豐度均在5%以上,占據(jù)了超過(guò)85%的總序列數(shù)。此外,擬桿菌(Bacteroidota)(2.37%)、粘球菌(Myxococcota)(1.87%)、芽單胞菌(Gemmatimonadota)(1.65%)、厚壁菌(Firmicutes)(1.21%)等4大門(mén)類(lèi)相對(duì)豐度比較低,占據(jù)了大約7.10%的總序列數(shù),另外還有32個(gè)稀有細(xì)菌門(mén)類(lèi)被檢測(cè)到。樣地土壤真菌群落組成主要有16大類(lèi),其中子囊菌(Ascomycota)(70.16%)、未分類(lèi)真菌(Fungi)(9.33%)、擔(dān)子菌(Basidiomycota)(9.20%)、被孢霉菌(Mortierellomycota)(6.48%)等4大門(mén)類(lèi)是主要的類(lèi)群,相對(duì)豐度均在5%以上,占據(jù)了超過(guò)85%的總序列數(shù)。此外,除羅澤真菌(Rozellomycota)(3.68%)門(mén)類(lèi)的相對(duì)豐度在1%—5%之間,其余10門(mén)類(lèi)的相對(duì)豐度均在1%以下,處于比較低的水平。

圖1 城鄉(xiāng)梯度下各樣地土壤細(xì)菌與真菌主要門(mén)類(lèi)的相對(duì)豐度

2.3 城鄉(xiāng)梯度下土壤細(xì)菌與真菌群落主要門(mén)類(lèi)相對(duì)豐度分布特征

如表2所示,城鄉(xiāng)梯度下十類(lèi)土壤細(xì)菌主要門(mén)類(lèi)的相對(duì)豐度共有五類(lèi)存在顯著差異,分別是放線菌、γ變形菌、擬桿菌、粘球菌與厚壁菌。NMDS分析結(jié)果表明(圖2),7個(gè)樣點(diǎn)的土壤細(xì)菌群落在近郊樣地不能完全分開(kāi),而土壤真菌群落可以完全分開(kāi)。

圖2 土壤細(xì)菌、真菌群落的非度量多維尺度分析結(jié)果

表2 土壤細(xì)菌主要門(mén)類(lèi)沿城鄉(xiāng)梯度的相對(duì)豐度

放線菌的相對(duì)豐度在城鄉(xiāng)梯度上的趨勢(shì)表現(xiàn)為隨著距離中心的直線距離增加(表2),相對(duì)豐度先降低后增加,到達(dá)一定距離(30km)后回升到一定水平保持不變;γ變形菌的相對(duì)豐度在城鄉(xiāng)梯度上表現(xiàn)為城區(qū)>遠(yuǎn)郊>近郊,在城區(qū)的奧林匹克森林公園(OP)與近郊的龍?zhí)豆珗@(YP)處出現(xiàn)顯著差異;擬桿菌的相對(duì)豐度在城鄉(xiāng)梯度上整體表現(xiàn)為城區(qū)<近郊<遠(yuǎn)郊,在城區(qū)的OP出現(xiàn)最高值,LP出現(xiàn)最低值。粘球菌的相對(duì)豐度在城鄉(xiāng)梯度上近郊<城區(qū)<遠(yuǎn)郊,其主要差異出現(xiàn)在近郊的YP與遠(yuǎn)郊的BP中;厚壁菌的相對(duì)豐度在城鄉(xiāng)梯度上表現(xiàn)為城區(qū)>近郊>遠(yuǎn)郊,在城區(qū)的LP出現(xiàn)最高值。

如表3所示,城鄉(xiāng)梯度下五類(lèi)土壤真菌主要門(mén)類(lèi)的相對(duì)豐度共有三類(lèi)存在差異性,分別是未分類(lèi)真菌、擔(dān)子菌與羅澤真菌。未分類(lèi)真菌的相對(duì)豐度在城鄉(xiāng)梯度上表現(xiàn)為近郊>城區(qū)>遠(yuǎn)郊,在城區(qū)中的OP與LP出現(xiàn)顯著差異;擔(dān)子菌的相對(duì)豐度在城鄉(xiāng)梯度上整體表現(xiàn)為遠(yuǎn)郊>城區(qū)≈近郊,在距離中心最近的BFU與距離最遠(yuǎn)的BP產(chǎn)生了顯著差異;羅澤真菌的相對(duì)豐度在城鄉(xiāng)梯度上表現(xiàn)為城區(qū)>近郊>遠(yuǎn)郊,其中城區(qū)的LP顯著高于其他樣地。

表3 土壤真菌主要門(mén)類(lèi)沿城鄉(xiāng)梯度的相對(duì)豐度

2.4 城鄉(xiāng)梯度下土壤細(xì)菌與真菌群落多樣性特征

如表4所示, 細(xì)菌與真菌群落的OTUs在城鄉(xiāng)梯度上均存在差異。對(duì)于土壤細(xì)菌群落,OTUs表現(xiàn)為遠(yuǎn)郊>近郊≈城區(qū),具體表現(xiàn)為隨著距離中心的距離達(dá)到一定數(shù)值(30km)后,距離越遠(yuǎn),其OTUs數(shù)值越高;對(duì)于土壤真菌群落,OTUs在7個(gè)樣地存在顯著差異。細(xì)菌和真菌群落的PD與Shannon指數(shù)在城鄉(xiāng)梯度上的變化趨勢(shì)與OTUs的趨勢(shì)相似。

表4 各樣地土壤細(xì)菌、真菌群落物種多樣性、系統(tǒng)發(fā)育多樣性和香農(nóng)指數(shù)

2.5 土壤細(xì)菌、真菌群落與環(huán)境因子的相關(guān)性及響應(yīng)關(guān)系

Mantel分析結(jié)果表明(表5),土壤因子(土壤pH、TOC、TP和TN)和氣候因子(MAT和MAP)對(duì)土壤細(xì)菌與真菌群落均產(chǎn)生顯著影響。典范對(duì)應(yīng)分析結(jié)果表明(圖3),TN是土壤細(xì)菌與真菌群落最主要的影響因子。

圖3 土壤細(xì)菌、真菌群落分布的冗雜分析/典范對(duì)應(yīng)分析結(jié)果

表5 基于Mantel檢驗(yàn)土壤細(xì)菌和真菌群落組成與土壤、氣候因子的相關(guān)性

土壤細(xì)菌和真菌群落主要門(mén)類(lèi)的相對(duì)豐度、α多樣性與環(huán)境因子的相關(guān)性熱圖表明(圖4),放線菌與土壤pH顯著相關(guān);與TOC顯著相關(guān)的有α變形菌、γ變形菌、芽單胞菌、厚壁菌、子囊菌、擔(dān)子菌、被孢霉菌以及真菌群落α指數(shù);與TN顯著相關(guān)的有放線菌、α變形菌、γ變形菌、芽單胞菌、厚壁菌、子囊菌、擔(dān)子菌以及真菌群落α指數(shù);與TP顯著相關(guān)的有擔(dān)子菌;與MAT顯著相關(guān)的有α變形菌、γ變形菌、擬桿菌、未分類(lèi)真菌、真菌群落α指數(shù);與MAP顯著相關(guān)的有粘球菌、擔(dān)子菌、羅澤真菌以及真菌群落α指數(shù)。

圖4 土壤細(xì)菌、真菌群落主要門(mén)類(lèi)相對(duì)豐度、α多樣性與環(huán)境因子的相關(guān)性熱圖

3 討論

3.1 城鄉(xiāng)梯度下土壤細(xì)菌主要門(mén)類(lèi)的分布特征

從土壤細(xì)菌主要門(mén)類(lèi)的相對(duì)豐度來(lái)看,前五類(lèi)主要門(mén)類(lèi)分別是放線菌(Actinobacteriota)(28.46%)、α變形菌(Alphaproteobacteria)(14.64%)、酸桿菌(Acidobacteriota)(11.99%)、綠彎菌(Chloroflexi)(7.16%)、γ變形菌(Gammaproteobacteria)(6.04%)。這與前人研究相似[15,18,28]。Tian等[15]發(fā)現(xiàn)土壤細(xì)菌的主要種類(lèi)為變形菌與酸桿菌,Hou等[18]發(fā)現(xiàn)土壤細(xì)菌的主要種類(lèi)為變形菌與綠彎菌。在這些土壤細(xì)菌主要門(mén)類(lèi)中,放線菌、γ變形菌、擬桿菌、粘球菌與厚壁菌在城鄉(xiāng)梯度上存在顯著差異。

放線菌是一類(lèi)具有重要生物活性的功能性微生物,其主要功能為產(chǎn)生種類(lèi)繁雜和富含生物活性的次級(jí)代謝產(chǎn)物,能生成各種酶和有機(jī)酸等,有助于分解有機(jī)物和礦物質(zhì),同時(shí)具有良好的抗菌活性和耐鹽堿作用[34—35],因此能夠改良土壤環(huán)境,在營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型菌落中被認(rèn)為屬于富營(yíng)養(yǎng)菌[36]。本研究發(fā)現(xiàn)放線菌在城區(qū)BFU、OP以及LP樣地存在顯著差異,并且受到土壤pH和TN的顯著影響。

變形菌被認(rèn)為在抑制病原菌與脅迫耐受性方面起著關(guān)鍵作用[37]。 Cao等[38]表明變形菌對(duì)環(huán)境的適應(yīng)力強(qiáng),且變形菌屬于富營(yíng)養(yǎng)菌[15]。γ變形菌作為變形菌門(mén)中的一類(lèi)菌群,由于大量植物根基促生菌都屬于γ變形菌,因此γ變形菌可以抵抗土壤病原體[31]。本研究發(fā)現(xiàn)γ變形菌的相對(duì)豐度在城鄉(xiāng)梯度上存在顯著差異:在城區(qū)OP與近郊YP存在顯著差異,且OP顯著高于YP,同時(shí)OP樣地的土壤pH和養(yǎng)分指標(biāo)也均高于YP樣地,這與以往研究不一致[18]。Hou等[18]發(fā)現(xiàn)變形菌與TOC、TN、TP均為顯著正相關(guān)、與土壤pH呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。本研究發(fā)現(xiàn)γ變形菌與TOC和TN呈顯著負(fù)相關(guān),這與變形菌的富營(yíng)養(yǎng)性不符合?？赡艿慕忉尀?一方面,由于變形菌的強(qiáng)適應(yīng)力,使得相對(duì)低養(yǎng)分環(huán)境對(duì)于γ變形菌造成的環(huán)境脅迫力降低;另一方面,在公園管理措施上,OP的人為管理水平高于YP,即使在養(yǎng)分條件劣于YP的情況下,依然出現(xiàn)了OP高于YP的情況。

擬桿菌是土壤環(huán)境中養(yǎng)分周轉(zhuǎn)與氮循環(huán)的重要菌類(lèi),同時(shí)參與纖維素的降解過(guò)程[3]。在細(xì)菌特性上擬桿菌與變形菌相似,對(duì)于病原菌和環(huán)境脅迫有著良好耐受[37]。在養(yǎng)分需求方面,擬桿菌也屬于富營(yíng)養(yǎng)菌[15]。本研究發(fā)現(xiàn)擬桿菌與環(huán)境因子之間也無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系,這與Hou等[18]發(fā)現(xiàn)擬桿菌與TOC、TN和TP存在顯著正相關(guān)而與土壤pH存在顯著負(fù)相關(guān)的結(jié)論不一致?？赡艿脑蚺c變形菌相似,即城鄉(xiāng)間不同人為管理方式改變了環(huán)境因子對(duì)此類(lèi)有著強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)力細(xì)菌的影響力。

粘球菌作為一類(lèi)對(duì)土壤養(yǎng)分需求較高的菌群,在營(yíng)養(yǎng)豐富的條件下會(huì)表現(xiàn)出掠奪性,推測(cè)它屬于一類(lèi)富營(yíng)養(yǎng)菌。在表2中,粘球菌的相對(duì)豐度表現(xiàn)為遠(yuǎn)郊BP顯著高于其他樣地,尤其高于近郊的NP與YP樣地。結(jié)合樣地養(yǎng)分表現(xiàn)為BP≈NP

厚壁菌在土壤細(xì)菌群落中屬于厭氧菌,可在物料降解中產(chǎn)生對(duì)病原微生物有毒的有機(jī)酸,有利于土壤健康,在養(yǎng)分充足的情況下會(huì)形成良性循環(huán),因此認(rèn)為此細(xì)菌屬于富營(yíng)養(yǎng)菌[39]。同時(shí),厚壁菌在營(yíng)養(yǎng)相對(duì)貧乏的環(huán)境中也具有較高的豐度,因此厚壁菌同時(shí)具備較強(qiáng)的抗逆性[40]。本研究發(fā)現(xiàn)厚壁菌與TOC和TN呈顯著負(fù)相關(guān),與土壤pH無(wú)顯著關(guān)系,這與Hou等[18]發(fā)現(xiàn)厚壁菌與土壤pH呈顯著正相關(guān)的結(jié)論不一致?？赡艿慕忉尀?本實(shí)驗(yàn)中LP的土壤pH僅低于NP,之所以土壤pH未與厚壁菌的相對(duì)豐度呈顯著相關(guān),可能與因子的變動(dòng)幅度過(guò)小有關(guān),這在Du等[12]中也出現(xiàn)了相似的結(jié)果。

本研究發(fā)現(xiàn)細(xì)菌群落α多樣性指數(shù)受環(huán)境因子影響較小,并且土壤細(xì)菌群落在距離中心達(dá)到一定距離(30km)時(shí),細(xì)菌群落多樣性顯著上升,這與劉柱等[41]的研究結(jié)果相似,認(rèn)為土壤細(xì)菌群落在特定區(qū)域的群落組成受到特定環(huán)境因子的調(diào)控,此特定環(huán)境因子可能與土壤容重[42]、細(xì)菌之間的拮抗作用[43]以及植物分泌物[24]等因子有關(guān)。此外,土壤養(yǎng)分在土壤環(huán)境中存在多種形態(tài),其不同菌落對(duì)于此類(lèi)養(yǎng)分也有著不同的偏好[28],可在之后的研究中著重考慮這方面。本研究發(fā)現(xiàn)七個(gè)樣地的細(xì)菌群落大部分可在一定程度上完全分開(kāi),僅有近郊樣地(YP、JP以及NP)有一定重合,表明近郊存在環(huán)境重合性,側(cè)面反映出城市化導(dǎo)致環(huán)境變化對(duì)于細(xì)菌群落有著顯著影響。另外, CCA結(jié)果中橫軸解釋度為33.69%,縱軸解釋度為26.43%,其中TN的線最長(zhǎng),表明TN是影響土壤細(xì)菌群落的關(guān)鍵因子。

3.2 城鄉(xiāng)梯度下土壤真菌主要門(mén)類(lèi)的分布特征

在土壤真菌主要門(mén)類(lèi)的相對(duì)豐度中,前五類(lèi)主要門(mén)類(lèi)分別是子囊菌(Ascomycota)(70.16%)、未分類(lèi)真菌(Fungi)(9.33%)、擔(dān)子菌(Basidiomycota)(9.20%)、被孢霉菌(Mortierellomycota)(6.48%)與羅澤真菌(Rozellomycota)(3.68%)。這樣的主要門(mén)類(lèi)相對(duì)豐度與前人研究結(jié)論相似[13,21,44]。在這些主要門(mén)類(lèi)中,未分類(lèi)真菌、擔(dān)子菌與羅澤真菌在城鄉(xiāng)梯度上存在顯著差異。

子囊菌與擔(dān)子菌作為典型的陸生型真菌,更適應(yīng)土壤含水量較低及通氣條件好的環(huán)境[21],同時(shí)均屬于腐生營(yíng)養(yǎng)型菌,在植物纖維和木質(zhì)素等難以降解的有機(jī)質(zhì)方面承擔(dān)主要分解角色。早期貧瘠土壤中的真菌群落一般以子囊菌為主,而在后期演替的土壤環(huán)境中則以擔(dān)子菌為主[45]。本研究發(fā)現(xiàn)子囊菌的相對(duì)豐度在城鄉(xiāng)梯度上無(wú)顯著差異,但以高占比占據(jù)了約70%的真菌群落,推測(cè)子囊菌相比擔(dān)子菌其環(huán)境耐受力更強(qiáng)。在城鄉(xiāng)梯度上存在顯著差異的擔(dān)子菌相對(duì)豐度與TOC、TN以及TP均呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān),而無(wú)顯著差異的子囊菌相對(duì)豐度與TOC、TN呈極顯著正相關(guān),同時(shí)土壤真菌群落α多樣性指數(shù)也與TOC、TN呈極顯著負(fù)相關(guān),因此可推測(cè)出:(1)由于子囊菌屬于營(yíng)養(yǎng)型菌,因此與TOC、TN等土壤養(yǎng)分因子呈極顯著正相關(guān),若此時(shí)土壤環(huán)境養(yǎng)分充足,菌落對(duì)于養(yǎng)分的需求相對(duì)會(huì)降低,因而可確定此時(shí)的土壤環(huán)境屬于貧瘠前期;(2)擔(dān)子菌作為與子囊菌同類(lèi)型的營(yíng)養(yǎng)菌,其養(yǎng)分相關(guān)性與子囊菌相反,這是因?yàn)閾?dān)子菌有著降解頑固有機(jī)質(zhì)的功能[45],因此會(huì)與TOC呈顯著負(fù)相關(guān),而TN的顯著相關(guān)結(jié)果與前人研究成果相同[21],結(jié)合子囊菌與TOC和TN的相關(guān)關(guān)系,表明TOC與TN是顯著影響本研究中真菌群落結(jié)構(gòu)分布差異的關(guān)鍵因子;(3)占比極高的子囊菌與TOC與TN呈極顯著正相關(guān),而真菌群落多樣性與TOC、TN呈極顯著負(fù)相關(guān),表明占比較小的其余真菌與TOC、TN呈極顯著負(fù)相關(guān)的偏向程度較大,因此可能有其他因子,如真菌與植物形成的共生關(guān)系[22]以及植物凋落物影響[21]等影響真菌群落,這些方面有待后續(xù)研究。在真菌群落α多樣性指數(shù)中,OTUs和PD指數(shù)均與TOC、TN呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,結(jié)合真菌群落在城鄉(xiāng)梯度上表現(xiàn)為近郊>城區(qū)>遠(yuǎn)郊,同時(shí)NMDS結(jié)果表明每個(gè)樣地的真菌群落均能完全分開(kāi),因此可推測(cè)城市化導(dǎo)致的環(huán)境差異對(duì)真菌群落的影響與細(xì)菌具有明顯差異。

3.3 城鄉(xiāng)梯度下土壤細(xì)菌、真菌群落分布特征對(duì)比

與真菌群落相比,細(xì)菌群落在城鄉(xiāng)梯度上存在顯著差異的菌落數(shù)量多于真菌群落;細(xì)菌群落與土壤pH、TOC、TN以及MAT有著顯著相關(guān)性,而真菌群落與TOC、TN、TP以及MAP存在顯著相關(guān)性;細(xì)菌群落α多樣性指數(shù)在遠(yuǎn)郊處多樣性顯著上升,而真菌群落α多樣性指數(shù)在近郊處多樣性最高;細(xì)菌群落在近郊不能完全分開(kāi),而真菌群落可以完全分開(kāi)。因此可推測(cè)出城鄉(xiāng)梯度下的土壤細(xì)菌群落更容易受到環(huán)境因子的影響。

4 結(jié)論

(1)土壤細(xì)菌群落與真菌群落在城鄉(xiāng)梯度上存在顯著差異;

(2)土壤pH、TOC、TN、TP、MAT以及MAP對(duì)于土壤細(xì)菌與真菌群落均有顯著影響。其中土壤細(xì)菌群落分布的環(huán)境因子包括土壤pH、土壤有機(jī)碳、土壤全氮以及年均溫,而影響土壤真菌群落分布的環(huán)境因子包括土壤有機(jī)碳、土壤全氮、土壤全磷以及年降水;

(3)土壤細(xì)菌群落在城鄉(xiāng)梯度上不能完全區(qū)分開(kāi),在近郊處出現(xiàn)群落組成重合,而土壤真菌群落可以完全區(qū)分開(kāi);

(4)土壤細(xì)菌群落相比真菌群落更容易受到環(huán)境因子的影響。