賀蘭山不同林分凋落物微生物群落特征與影響因素

劉秉儒,張文文,李學(xué)斌

1 北方民族大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院,銀川 750021

2 黃河流域農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)生態(tài)保護(hù)國(guó)家民委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,銀川 750021

3 寧夏特殊生境微生物資源開發(fā)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,銀川 750021

4 西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,銀川 750021

5 寧夏賀蘭山森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站,銀川 750021

森林凋落物也稱為枯落物(如枯葉、枯枝等),是連接森林地上植被和地下土壤的重要橋梁,在森林植被生長(zhǎng)發(fā)育過程中起著不可替代的作用[1- 2],驅(qū)動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng),作為為土壤最有活力的部分,凋落物是土壤養(yǎng)分的主要來源,對(duì)氣候變化具有極為重要的影響[1,3]。微生物作為凋落物分解過程中最有力的分解者,能將植物中的碳氮磷等養(yǎng)分經(jīng)分解歸還到土壤和大氣中去,維持了全球元素的平衡關(guān)系,尤其對(duì)碳平衡維持貢獻(xiàn)巨大[4]。因此森林凋落物及土壤微生物對(duì)全球氣候變化研究具有重要意義[5-6]。凋落物的微生物群落組成和多樣性與土壤環(huán)境之間是相互影響的[7],同時(shí)也受自身理化因子的約束[8]。研究已表明,微生物群落結(jié)構(gòu)主要受到pH、全氮、有機(jī)碳等因子影響[8- 10],有機(jī)碳給微生物提供了能源物質(zhì)[11],而氮的有效性抑制了微生物的生長(zhǎng)[12]。林分組成[13]、環(huán)境溫度[14]、海拔[15]、土壤理化性質(zhì)[16]等因素均影響凋落物微生物群落及優(yōu)勢(shì)菌類。

賀蘭山是我國(guó)北方重要生態(tài)屏障,賀蘭山生態(tài)森林生態(tài)系統(tǒng)具有脆弱性,加強(qiáng)賀蘭山的生態(tài)保護(hù)在我國(guó)受到高度重視,在賀蘭山這一荒漠綠島森林生態(tài)系統(tǒng)凋落物的研究較少,只有趙曉春對(duì)賀蘭山典型森林類型凋落物層水文效應(yīng)進(jìn)行了研究[17]。由于干旱區(qū)和風(fēng)沙區(qū)山地森林系統(tǒng)中針葉樹種的枝葉中含有較多的油脂成分,其凋落物中的油脂成分也比較多,這就導(dǎo)致了它的凋落物不易分解,降解速度慢。那么凋落物微生物群落和其他區(qū)域的特征是否一致,不同林分凋落物微生物群落特征與影響因素的研究是否支持上述結(jié)論,尚未得到驗(yàn)證或揭示。

賀蘭山大面積森林類型為針葉林,針闊混交林所占面積較小,其中針葉林為油松林和青海云杉林,針闊混交林以油松-山楊混交林為主要類型。因此,本研究擬以3個(gè)典型林分(天然林青海云杉林、油松林和油松-山楊混交林)凋落物為研究對(duì)象,分析研究凋落物成分和分解過程中微生物的優(yōu)勢(shì)菌類,揭示不同林型的凋落物分解過程中微生物群落結(jié)構(gòu)特征差異、不同凋落物化學(xué)組成對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)的影響,這對(duì)進(jìn)一步揭示荒漠綠島生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)過程,全面理解森林凋落物、土壤養(yǎng)分和微生物之間的互作機(jī)理,闡明生物地球化學(xué)循環(huán)、豐富凋落物分解里具有極其重要的科學(xué)意義[16- 18]。

1 試驗(yàn)地概況

研究區(qū)地處賀蘭山中段東坡蘇峪口地段(38°19′—39°22′ N, 105°49′—106°41′ E),該區(qū)域森林面積95.87 km2,海拔1500—3000 m之間,屬于典型的大陸性氣候,秋季涼爽,冬季寒冷漫長(zhǎng),夏季炎熱短暫,春季氣溫回升快,大風(fēng)及沙塵天氣頻繁,無霜期60—70 d。年均氣溫-0.9℃,年均降水量287.2—429.8 mm,主要集中于7—9月。森林土壤類型主要以灰褐土、棕鈣土為主。植被類型主要為針葉林、針闊混交林,零星分布的少量的闊葉林,以及高山草甸。針葉林主要有油松 (Pinustabulaeformis)、青海云杉(Piceacrassifolia)；闊葉林主要有山楊(Populusdavidiana)、偶見白樺(BetulaplatypHylla) 和青楊(Populuscathayana)；針闊混交林以油松-山楊混交林最為常見；林下常見灌木植被有小葉忍冬(LoniceramicropHylla)、虎榛子(Ostryopsisdavidiana)、小葉金露梅(Potentillaparifolia)等[16]。

2 研究方法

2.1 樣地選擇和樣品采集

綜合考慮寧夏賀蘭山森林分布特征和立地條件,以廣布的油松林、青海云杉林、油松-山楊混交林作(針-闊混交比例為6∶1)為3種典型林分開展研究,各林分分別確立3塊10 m×10 m的樣地作為重復(fù),樣地相對(duì)距離80—100 m之間,對(duì)樣地經(jīng)緯度、海拔、坡度、坡向、平均樹高、平均胸徑、林分密度、郁閉度、主要林下植被和土壤類型等基本特征進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)查,各林分生境基本特征見表1,各林分特征及凋落物特征見表2。在每個(gè)樣地沿兩條對(duì)角線設(shè)置5個(gè)樣點(diǎn)混合取樣法對(duì)凋落物層取樣,每5個(gè)樣點(diǎn)采集的未分解凋落物和半分解凋落物的混合后的樣品為一個(gè)凋落物樣品,每個(gè)混勻的凋落物在現(xiàn)場(chǎng)等分成兩份,一份裝入經(jīng)高溫滅菌的凍存管,然后放入冰盒臨時(shí)保存,回實(shí)驗(yàn)室后迅速放入-80℃冰箱,用來測(cè)定凋落物中的微生物,一份在室溫下自然風(fēng)干后用于測(cè)定凋落物理化指標(biāo)。

表1 不同林分樣地生境基本特征Table 1 Basic habitat characteristics of different stands plots

表2 不同林分及凋落物特征Table 2 Characteristics of different forest stand and litter

2.2 凋落物成分分析方法

對(duì)凋落物層的有機(jī)碳(OC)、全氮(TN)、全磷(TP)、全鉀(TK)進(jìn)行含量分析,方法如下：SOC測(cè)定采用K2Cr2O7容量-外加熱法；TN測(cè)定采用凱氏定氮法；TP測(cè)定采用NaOH堿溶-鉬銻抗比色法；TK測(cè)定采用火焰光度法,具體方法參見文獻(xiàn)[19-20]。

2.3 微生物多樣性測(cè)定方法

利用高通量基因組測(cè)序技術(shù)對(duì)細(xì)菌和真菌多樣性進(jìn)行分析。本研究采用16S rDNA擴(kuò)增子測(cè)序(16S rDNA Amplicon Sequencing)測(cè)定細(xì)菌多樣性[21- 23]。以V4變異區(qū)測(cè)定細(xì)菌群落組成與結(jié)構(gòu),PCR擴(kuò)增所用引物分別為806R (GGACTACHVGGGTWTCTAAT)、515F(GTGCCAGCM GCCGCGGTAA)[24- 25]。以常用的核苷酸序列內(nèi)轉(zhuǎn)錄間區(qū)(ITS, Internal Transcribed Space)作為真菌分類鑒定依據(jù)[25],將ITS1區(qū)作為測(cè)序區(qū)域,PCR擴(kuò)增所用引物分別為2043R(GCTGCGTTCTTCAT CGATGC)、1737F(GGAAGTAAAAGTCGTAACAAGG)[25- 26]。將低溫保存的新鮮凋落物樣品,在無菌環(huán)境下用磁珠法提取試劑盒提取樣品基因組DNA,操作流程參考文獻(xiàn)[24,26]。

無菌水稀釋樣本DNA至1ng/μL,分別以16S V4區(qū)806R和515F為特異引物,ITS1區(qū)ITS2- 2043R和ITS5- 1737F為特異引物,PHusion? High-Fidelity PCR Master Mix with GC Buffer(New England Biolabs 公司)進(jìn)行PCR擴(kuò)增。

利用2%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)PCR產(chǎn)物濃度后進(jìn)行等量混樣,再使用1×TAE 濃度2%的瓊脂糖膠電泳純化,剪切并回收目標(biāo)條帶(使用Thermo Scientific 公司生產(chǎn)的GeneJET 膠回收試劑盒)[24- 26]。

使用賽默飛世爾公司Ion Plus Fragment Library Kit 48 rxns建庫(kù)試劑盒構(gòu)建文庫(kù),文庫(kù)經(jīng)Qubit 定量檢測(cè)合格,就可用Novogene生物信息技術(shù)公司Ion S5TMXL設(shè)備開展測(cè)序[24- 27]。

2.4 數(shù)據(jù)處理及作圖

用SPSS 21.0進(jìn)行理化指標(biāo)數(shù)據(jù)單因素方差分析、差異顯著性用LSD法比較,理化指標(biāo)的相關(guān)性用Pearson相關(guān)系數(shù)分析,圖形制作使用軟件Origin 2017[19]。

凋落物樣品的有效數(shù)據(jù)聚類分析使用Uparse軟件(v7.0.1001),將序列聚類成為OTUs(Operational Taxonomic Units)時(shí)以97%的一致性為依據(jù),然后篩選頻數(shù)最高的序列作為OTUs代表序列。分別在界(kingdom),門(phylum),綱(class),目(order),科(family),屬(genus),種(species)水平上,對(duì)OTUs序列進(jìn)行物種注釋,分析各凋落物樣本的微生物群落組成[24- 25,27]。

多樣性指數(shù)Shannon、Chao1、Goods-coverage、PD whole tree使用Qiime軟件(Version 1.9.1)計(jì)算,繪制稀釋曲線用軟件Origin 2017,α多樣性和β多樣性指數(shù)組間差異分析使用R軟件。多樣性指數(shù)計(jì)算公式如下：

(1)菌群多樣性指數(shù)(Shannon指數(shù))

式中,ni為微生物群落中物種i的重要值,n為樣品中所有物種的重要值之和[17,24]。

(2)菌群豐富度指數(shù)(Chao1指數(shù))

式中,Chao1表示預(yù)測(cè)OTU數(shù)目,Sobs為實(shí)測(cè)OTU數(shù)目,F1表示僅出現(xiàn)一條序列的OTU數(shù)目,F2表示出現(xiàn)兩條序列的OTU數(shù)目[24- 26]。

(3)測(cè)序深度指數(shù)(Goods-coverage指數(shù))

式中,F1表示僅出現(xiàn)一條序列的OTU數(shù)目,N是所有OTU豐度之和。根據(jù)該公式的含義,Goods-coverage指數(shù)越高,則樣品中未被測(cè)出序列的概率越低[24]。

(4)系統(tǒng)發(fā)育多樣性指數(shù)(PD whole tree指數(shù))

該指數(shù)是指所檢測(cè)的凋落物樣本中,物種對(duì)進(jìn)化歷史保留的差異[25,27]。因此指數(shù)值越大,表明對(duì)進(jìn)化物種保存的差異性越大。

3 結(jié)果與分析

3.1 賀蘭山不同林分凋落物的微生物OTU分析

賀蘭山不同林分凋落物的微生物OTU數(shù)據(jù)分析表明,油松林凋落物中細(xì)菌OTUs數(shù)目為2695個(gè),青海云杉林凋落物中細(xì)菌OTUs數(shù)目為2967個(gè),油松-山楊混交林凋落物中細(xì)菌OTUs數(shù)目為2286個(gè),其中共有的細(xì)菌OTUs數(shù)目為1478個(gè),占總數(shù)目的37.45%。

賀蘭山油松林凋落物中真菌OTUs數(shù)目為1243個(gè),青海云杉林凋落物中真菌OTUs數(shù)目為1199個(gè),油松-山楊混交林凋落物中真菌OTUs數(shù)目為1171個(gè),其中共有的真菌OTUs數(shù)目522個(gè),占總數(shù)目的24.81%。

賀蘭山青海云杉林特有的細(xì)菌OTUs數(shù)目624個(gè),占總數(shù)目的23.15%,特有的真菌OTUs數(shù)目366個(gè),占總數(shù)的30.53%；天然油松林特有的細(xì)菌OTUs數(shù)目為577個(gè),占總數(shù)的19.45%,特有的真菌OTUs數(shù)目422個(gè),占總數(shù)的33.95%；油松-山楊混交林特有的細(xì)菌OTUs數(shù)目385個(gè),占總數(shù)目的16.84%,特有的真菌OTUs數(shù)目329個(gè),占總數(shù)目的28.10%。

3.2 賀蘭山不同林分凋落物微生物群落多樣性指數(shù)分析

利用OTU數(shù)目開展細(xì)菌和真菌多樣性指數(shù)的單因素方差分析,結(jié)果顯示賀蘭山不同林分間凋落物的細(xì)菌和真菌多樣性指數(shù)間差異無顯著性,但是凋落物的微生物中真菌Ghao1指數(shù)(豐度指數(shù))、Shannon指數(shù)(多樣性指數(shù))均顯著小于細(xì)菌,凋落物的微生物中真菌PD whole tree指數(shù)(系統(tǒng)發(fā)育多樣性指數(shù))顯著大于細(xì)菌(見表3)。

表3 不同林分凋落物微生物群落多樣性指數(shù)分析Table 3 Diversity index of microbial community in litter of different stands

3.3 賀蘭山不同林分凋落物微生物群落組成分析

在各分類水平上檢測(cè)3種林分凋落物的微生物群落組成,檢測(cè)到細(xì)菌門33個(gè),綱41個(gè),目89個(gè),科169個(gè),屬377個(gè)；檢測(cè)出真菌門7個(gè),綱33個(gè),目61個(gè),科108個(gè),屬142個(gè)。凋落物的微生物組成在不同林分間差異較小,但是細(xì)菌群落組成的數(shù)量在各分類水平上均顯著高于真菌群落組成數(shù)量,并且在門水平、屬水平上差異極顯著。細(xì)菌、真菌群落組成在各個(gè)分類水平上均表現(xiàn)為：油松-山楊混交林<油松林<青海云杉林(表4),說明在3種林分中青海云杉林凋落物的微生物多樣性最豐富。

表4 不同林分凋落物的微生物群落結(jié)構(gòu)Table 4 Microbial community structure of litter in different stands

門水平不同林分凋落物微生物優(yōu)勢(shì)菌群的差異表明,不同林分凋落物的微生物中細(xì)菌門類前十的豐度基本相同(圖1),優(yōu)勢(shì)菌門為放線菌門(Actinobacteria)26.6%、變形菌門(Proteobacteria)45.55%、酸桿菌門(Acidobacteria)2.76%、擬桿菌門(Bacteroidetes)19.97%、共占94.88%。油松林凋落物的細(xì)菌優(yōu)勢(shì)門類中綠彎菌門變形菌門的豐度占比較高,青海云杉林凋落物的微生物中細(xì)菌門類的酸桿菌門豐度占比較高,針闊混交林凋落物的微生物中放線菌門在中豐度占比較高。相比而言,檢測(cè)到的真菌門類較少(表5),僅占到30%左右,在3種林分凋落物的微生物中真菌主要存在于子囊菌門(Ascomycota)29.68%、球囊菌門(Glomeromycota)0.006%、壺菌門(Chytridiomycota)0.004%、毛霉菌門(Mucoromycota)0.019%。子囊菌門(Ascomycota)是賀蘭山3種林分的凋落物中最具優(yōu)勢(shì)菌門,而且顯著高于其余菌門。同時(shí)也發(fā)現(xiàn),枝霉門(Blastocladiomycota)是油松-山楊混交林凋落物的特有菌門,隱真菌門(Rozellomycota)是青海云杉林和油松-山楊混交林凋落物的特有菌門。

圖1 不同林分凋落物細(xì)菌群落豐度前十的細(xì)菌門Fig.1 The top ten bacterial phylum of bacteria Community abundance in different forest litters HY:天然油松林 Pinus tabulaeformis forest；HS：青海云杉林Picea crassifolia forest ；HJ：油松-山楊混交林 Mixed forest of Pinus tabulaeformis and Populus davidiana

表5 不同林分凋落物真菌群落豐度前十的細(xì)菌門占比/%Table 5 The proportion of bacteria in the top ten of Fungi Community abundance in different forest stands

在屬水平分析不同林分凋落物微生物優(yōu)勢(shì)菌群的差異表明,細(xì)菌屬豐度占比前十的有結(jié)核菌屬(Mycobacterium)、鯨桿菌屬(Cetobacterium)、鞘氨醇單胞菌屬(SpHingomonas)、假單胞菌屬(Pseudomonas)、薄層菌屬(Hymenobacter)、unidentified_Burkholderiaceae菌屬、地桿菌屬(Pedobacter)、甲基桿菌屬(Methylobacterium)、成對(duì)桿菌屬(Dyadobacter)、內(nèi)諾卡菌屬(Nocardioides),其中薄層菌屬、甲基桿菌屬、地桿菌屬、內(nèi)諾卡菌屬、鞘氨醇單胞菌屬、unidentified_Burkholderiaceae菌屬為較具優(yōu)勢(shì)菌種,在不同林分間上述優(yōu)勢(shì)菌屬占比差異顯著(P<0.05)。在油松林中鞘氨醇單胞菌屬、薄層菌屬、甲基桿菌屬、unidentified_Burkholderiaceae菌屬豐度占比最高,但是在青海云杉林凋落物中豐度占比最?。磺嗪Ｔ粕剂值蚵湮镏刑赜械膬?yōu)勢(shì)菌屬是地桿菌屬,油松-山楊混交林凋落物中內(nèi)諾卡菌屬和結(jié)核菌屬豐度占比最大(圖2)。

不同林分間凋落物的微生物中,真菌群落豐度前十的占比差異較大,數(shù)據(jù)表明(圖2),油松山楊混交林20.59%、青海云杉林16.63%、油松林1.99%。青海云杉林凋落物中裸蓋菇菌屬(Psilocybe)占比13.22%、白僵菌屬(Beauveria)占比3.08%,這兩種菌屬是極具優(yōu)勢(shì)均屬；油松林凋落物中肉片齒菌屬 (Sistotrema)占比1.34%、Desmazierella占比 0.12%、絲蓋傘屬 (Inocybe)占比0.16%,這3種菌屬是極具優(yōu)勢(shì)均屬；油松-山楊混交林凋落物中Desmazierella (占比20.17%)為極具優(yōu)勢(shì)菌屬。

圖2 不同林分凋落物微生物群落豐度前十的菌屬Fig.2 The top ten species of microbial community abundance in different forest litters

3.4 賀蘭山不同林分凋落物化學(xué)成分與組分分析

數(shù)據(jù)分析表明,賀蘭山林分凋落物的化學(xué)成分與組分均存在差異(表6)。有機(jī)碳(OC)是凋落物化學(xué)組成的主要成分,3種林分中油松林凋落物OC含量占比達(dá)到36%,其它化學(xué)組分(TN、TK、TP)占總質(zhì)量的比值較小(均小于1%),并表現(xiàn)為TN>TK>TP,油松林凋落物C/N、C/P高于其余兩種林分的凋落物,且差異顯著。綜合來看,OC、TN、TK分別在油松林、油松-山楊混交林、青海云杉林凋落物中含量最高,且具差異顯著性,青海云杉林凋落物N/P低于其余兩種林分凋落物,且差異顯著。

表6 不同林分的凋落物化學(xué)成分及組成Table 6 Chemical composition characteristics of litter in different stands

3.5 賀蘭山不同林分凋落物微生物群落組成與環(huán)境因子的相關(guān)性

賀蘭山3種林分凋落物的化學(xué)成分與細(xì)菌群落組成的Spearman相關(guān)性分析表明,在各分類水平豐度前10、豐度前35進(jìn)行比較,然后在分析結(jié)果中再次對(duì)豐度前35的屬水平上具有顯著相關(guān)性的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。結(jié)果表明(圖3),凋落物OC與苯基桿菌屬(PHenylobacterium)和、Iamia顯著正相關(guān),凋落物OC與丙酸桿菌亞屬(Friedmanniella)、黃桿菌屬(Flavobacterium)、成對(duì)桿菌屬(Dyadobacter)、甲基桿菌屬(Methylobacterium)、Massilia、Mucilaginibacter、unidentified_Burkholderiaceae具有顯著或極顯著負(fù)相關(guān)性；凋落物TN與苯基桿菌屬(PHenylobacterium)具有顯著正相關(guān)性,凋落物TN與黃桿菌屬(Flavobacterium)、TardipHaga、Mucilaginibacter、unidentified_Rhizobiaceae具有顯著或極顯著負(fù)相關(guān)性；凋落物TK與黃桿菌屬(Flavobacterium)具有顯著正相關(guān),與短單胞菌屬(Brevundimonas)具有極顯著正相關(guān)性。凋落物TP與短單胞菌屬(Brevundimonas)具有極顯著正相關(guān)性。

圖3 不同林分凋落物細(xì)菌群落屬水平與環(huán)境因子的相關(guān)性分析Fig.3 Correlation analysis between bacterial community and environmental factors in different forest litters圖中*表示顯著相關(guān)性(P<0.05),**表示極顯著相關(guān)性(P<0.01)；OC：凋落物有機(jī)碳、TN：落物全氮、TP：凋落物全磷、TK：凋落物全鉀

賀蘭山不同林分凋落物的化學(xué)成分與凋落物的微生物真菌群落組成,豐度前35的Spearman相關(guān)性分析結(jié)果表明(見圖4),凋落物OC與絲核菌屬(Oliveonia)、真菌屬(Serendipita)、Condylospora、Desmazierella、Yamadamyces具顯著或極顯著負(fù)相關(guān)性；凋落物TN與絲核菌屬(Oliveonia)、真菌屬(Serendipita)、蔓毛殼屬(Herpotrichia)、盤雙端毛孢屬(Seimatosporium)、Condylospora具顯著或極顯著負(fù)相關(guān)性；凋落物TP與黑星菌屬(Venturia)、蠟殼菌屬(Sebacina)、Menisporopsis具顯著或極顯著正相關(guān)性,與散斑菌屬(LopHodermium)、Knufia、肉片齒菌屬(Sistotrema)具極顯著負(fù)相關(guān)性(P<0.01)；凋落物TK與蔓毛殼屬(Herpotrichia)、絲核菌屬(Oliveonia)、Condylospora具顯著或極顯著負(fù)相關(guān)性,與散斑菌屬(LopHodermium)、Knufia具顯著負(fù)相關(guān)性(P<0.01)。

圖4 不同林分凋落物真菌群落屬水平與環(huán)境因子相關(guān)性分析Fig.4 Correlation analysis between the level of Fungi Community and environmental factors in different forest litters圖中*表示具顯著相關(guān)性(P<0.05),**表示具極顯著相關(guān)性(P<0.01)

3.6 賀蘭山不同林分凋落物微生物多樣性指數(shù)和環(huán)境因子冗余分析

賀蘭山油松林和油松-山楊混交林凋落物的微生物多樣性指數(shù)分別受TN和TK影響較大(圖5),青海云杉林凋落物的微生物多樣性主要受凋落物OC和TP含量的影響。綜合分析表明,賀蘭山不同林分凋落物OC對(duì)細(xì)菌和真菌多樣性指數(shù)影響最為顯著(P=0.01、P=0.002)(見圖5)。

圖5 不同林分凋落物中微生物多樣性指數(shù)和環(huán)境因子間冗余分析Fig.5 Redundancy analysis between microbial diversity index and environmental factors of different forest stands

3.7 賀蘭山不同林分凋落物微生物生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)可視化圖可顯示各物種之間的相互關(guān)系,賀蘭山不同林分凋落物的細(xì)菌生態(tài)網(wǎng)絡(luò)圖表明(圖6),油松林凋落物中具有最高連接度的細(xì)菌為OTU_110(變形菌門)、OTU_109(放線菌門)真菌為OTU_207(未分類)、OTU_24(未分類)。青海云杉林凋落物中細(xì)菌OTU_109(放線菌門)、OTU_1(變形菌門)具有最高連接度,真菌OTU_330(擔(dān)子菌門)、OTU_4490(未分類)。油松山楊混交林凋落物的微生物中,具有最高連接度的細(xì)菌為OTU_1076(放線菌門)、OTU_4(變形菌門),真菌為OTU_288(未分類)、OTU_10(子囊菌門)。不同林分網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間連接線正負(fù)相關(guān)比接近1,但是細(xì)菌節(jié)點(diǎn)間連接線負(fù)相關(guān)比例略大于正相關(guān)(圖6),而真菌則相反(圖7)。

圖6 不同林分凋落物細(xì)菌生態(tài)網(wǎng)絡(luò)圖Fig.6 Bacterial ecological network diagram of litter in different forests

圖7 不同林分凋落物真菌生態(tài)網(wǎng)絡(luò)圖Fig.7 Ecological network map of litter fungi in different forest stands

4 討論

許多學(xué)者研究表明,凋落物的細(xì)菌優(yōu)勢(shì)菌門為放線菌門、變形菌門、酸桿菌門和擬桿菌門,本研究中,賀蘭山3種林分的這四類細(xì)菌優(yōu)勢(shì)菌門占細(xì)菌總豐度達(dá)到90%以上,與學(xué)者們的研究結(jié)論一致[28--31],賀蘭山凋落物中真菌優(yōu)勢(shì)菌門與其他區(qū)域森林凋落物中優(yōu)勢(shì)真菌門類群基本保持一致[32],但是在不同林分間凋落物的細(xì)菌和真菌各優(yōu)勢(shì)菌門變化幅度較小,這說明凋落物的微生物群落多樣性指數(shù)在不同林分間均無顯著性差異,這與當(dāng)前許多研究結(jié)果并不相同[32- 34]。賀蘭山林區(qū)以青海云杉林和油松林作為相對(duì)穩(wěn)定的森林類型,青海云杉林具有長(zhǎng)期郁閉、死地被物層厚等特點(diǎn),其他樹種不易侵入,是相對(duì)穩(wěn)定的林分[16]。油松林由于其耐旱及抵抗力較強(qiáng)的特點(diǎn),在其它樹種不易生長(zhǎng)的貧瘠坡地上,穩(wěn)定性也高。因此,賀蘭山森林植物物種多樣性偏低,枯落物來源單一,其成分絕大多數(shù)是油松、云杉的葉片凋落物。這表明林分特征沒有顯著影響凋落物微生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)。

林下凋落物的分解過程是養(yǎng)分釋放過程[35],不同林分凋落物因種類和質(zhì)量有差別,引起凋落物的分解速率不同,由此導(dǎo)致不同林分土壤OC等含量不同[14-15,28]。已有研究表明,凋落物有機(jī)碳含量與溫度呈正相關(guān),與海拔梯度呈相關(guān)[13,35]。本研究揭示賀蘭山3種林分凋落物OC變化規(guī)律為油松林>針闊混交林>青海云杉林。這與賀蘭山3種林分分布沿海拔梯度分布規(guī)律一致,3種林分凋落物OC含量隨著海拔的升高依次遞減。

細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)中核心節(jié)點(diǎn)大多屬于變形菌門和放線菌門和擬桿菌門,真菌的核心節(jié)點(diǎn)則大多屬于子囊菌門和擔(dān)子菌,同時(shí)這幾類細(xì)菌和真菌在群落中相對(duì)豐度最高,這表明這幾類細(xì)菌和真菌在凋落物中占有優(yōu)勢(shì)地位,對(duì)賀蘭山凋落物環(huán)境具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。此外真菌網(wǎng)絡(luò)中的許多核心節(jié)點(diǎn),目前并無分類,卻在微生物網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建中發(fā)揮重要作用,將是下一步深入研究的重點(diǎn)。

微生物生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的正相關(guān)邊代表生態(tài)位一致或共生關(guān)系[36],而負(fù)相關(guān)意味著生態(tài)位不同或競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系[37]。本研究揭示真菌間連線負(fù)相關(guān)數(shù)量略大于正相關(guān),細(xì)菌則相反。這是由于真菌個(gè)體數(shù)量少,個(gè)體較大,生長(zhǎng)速度較細(xì)菌慢,并且很多種類真菌可以在油松和青海云杉根部形成外生菌根,因此生態(tài)位不易重疊,在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中負(fù)相關(guān)比例較大[38]。反之細(xì)菌個(gè)體較小,數(shù)量多,生態(tài)位容易重疊,因此正相關(guān)比例較大。

許多研究揭示pH、TN和SOC等環(huán)境因子對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)影響較大[7-10],而TN有效性對(duì)微生物生長(zhǎng)有抑制作用[12],本研究證明凋落物TN與多數(shù)細(xì)菌和全部真菌屬具有顯著或極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,對(duì)微生物的生長(zhǎng)具有明顯抑制作用。

5 結(jié)論

賀蘭山3種代表性林分天然油松林、青海云杉林以及油松與山楊混交林凋落物的細(xì)菌、真菌多樣性指數(shù)之間差異性均不顯著,在多樣性指數(shù)中真菌PD whole tree指數(shù)顯著大于細(xì)菌,真菌Shannon指數(shù)與Ghao1指數(shù)卻顯著小于細(xì)菌。

在門水平上賀蘭山不同林分凋落物的微生物優(yōu)勢(shì)菌類差異不顯著,但在屬水平上差異顯著,而且細(xì)菌差異小于真菌,在各個(gè)分類水平上,凋落物細(xì)菌和真菌群落組成均表現(xiàn)為油松-山楊混交林<青海云杉林<青海云杉林,說明3種林分凋落物微生物多樣性在青海云杉林中最為豐富。

賀蘭山油松林與油松-山楊混交林的微生物生態(tài)網(wǎng)絡(luò)較復(fù)雜,細(xì)菌變形菌門、放線菌門和擬桿菌門,真菌子囊菌門和擔(dān)子菌,對(duì)凋落物環(huán)境更適應(yīng),對(duì)于維持微生物群落的穩(wěn)定性具有重要作用。

油松林凋落物的OC含量最大、青海云杉林凋落物的TK含量最大、針闊混交林凋落物的TN含量最大,且在賀蘭山3種林分中差異顯著,而油松林凋落物的C/N、C/P顯著高于其他兩種林分的凋落物,青海云杉林凋落物N/P顯著小于其他兩種林分的凋落物,青海云杉林凋落物N、P含量差異最小。賀蘭山3種林分凋落物TN與多數(shù)細(xì)菌和全部真菌屬具顯著或極顯著負(fù)相關(guān)性,對(duì)微生物的生長(zhǎng)具有明顯抑制作用,凋落物OC、TN、TP、TK是影響微生物群落組成和多樣性的重要因素,其中OC與微生物群落多樣性相關(guān)性最顯著,是影響凋落物細(xì)菌和真菌群落組成和多樣性最主要的因子。