-
山地生态系统常常被视为研究土壤微生物群落和气候变化的天然场所[1],山地海拔梯度变化会改变植被类型、影响土壤性质,从而对微生物多样性和群落组成产生重要影响[2]。土壤微生物驱动着土壤有机质周转和养分循环,在污染物转化与分解、温室气体产生和消减等过程中起着重要作用,直接影响着生物地球化学循环等生态过程[3]。在未来全球变暖的背景下,土壤微生物的作用至关重要[1],气候变暖导致温度、二氧化碳升高,很可能造成土壤微生物群落组成和功能发生变化[4]。因此,研究土壤微生物的海拔分布格局及其驱动机制将为未来气候变化的响应和预测提供重要依据[5]。
目前,对于土壤微生物在海拔梯度上的多样性模式及驱动因素研究仍无统一定论,前人研究表明微生物多样性呈单调型[6]、驼峰型或U型[7]、独立趋势[8]等,不同因素影响着土壤微生物的海拔梯度分布,如Kou等[9]发现土壤pH、植物丰富度是影响贡嘎山土壤微生物组成的重要因素。上述研究多集中在温带高山冻原区、青藏高原高山气候区及温带季风气候区等[10-11],具有大跨度海拔梯度不同生态系统的研究特点。已有研究表明微生物取样的尺度将强烈影响观察到的模式[12],然而目前罕见在同一生态系统的小跨度海拔梯度内的研究。常绿阔叶林是南方亚热带典型地带性森林类型,天然垂直分布于海拔1 000~2 000 m以下的中低山丘陵区域[13],具有海拔间隔和垂直距离相对较小的特点。已有亚热带森林土壤微生物研究多集中在针叶林中开展,如Huang等[14]发现SOC和全氮是影响针叶林土壤微生物群落变化的主要因素,对于小跨度海拔梯度的亚热带常绿阔叶林同一森林生态系统土壤微生物研究甚少,已有的大跨度海拔梯度的高山地区、不同气候带或植被类型等的土壤微生物研究结果是否同样适用于亚热带小跨度海拔梯度分布的常绿阔叶林林分尚不得而知。
郭岩山地处亚热带地区,其分布的丝栗栲(Castanopsis fargesii Franch.)天然林具有典型的亚热带植被带分布特征[15]。丝栗栲是亚热带常绿阔叶林中的常见优势树种,也是我国东南林区重要建群树种,该树种分布广泛,具有较高的经济、生态和科学价值[16]。已有丝栗栲的研究多集中在叶片酚类化合物[16]、种群分化的生态足迹[17],叶和根CNP的差异[18]、土壤有机碳[19]、外生菌根[20]等方面,仅有Qiao等[16]研究了丝栗栲土壤微生物群落不同生长季节的变化,对丝栗栲天然林分土壤微生物生态地理学的详细研究尚未见报道。因此本研究拟采用高通量测序技术对500~900 m海拔分布的丝栗栲天然林分土壤微生物群落进行研究,以期解决以下科学问题:(1)亚热带小跨度海拔梯度的天然林分土壤微生物多样性和群落组成变化是否与其他地区大跨度海拔梯度的变化相似?(2)影响亚热带小跨度海拔梯度的丝栗栲天然林分土壤微生物群落分布的主要因素是什么?
-
在南平市顺昌县郭岩山海拔500~900 m每间隔100 m设置3个20 m × 20 m的重复样地,样地间距大于15 m,以避免样地之间相互干扰,选取的样地地形、地貌、坡度和坡向基本一致,样地基本情况详见表1。在每个样地内选择5个采样位置,并使用土壤取样器采集0~10 cm的土壤样品,混匀后现场过筛,之后分成两份,用于土壤DNA提取和基本理化性质测定。
海拔/m
Altitude地形地貌
Topography优势树种
Dominant species胸径/cm
DBH树高/cm
Tree height林分密度/(株·hm−2)
Stand density坡度/(°)
Slope坡向/(°)
Aspect500 低山丘陵 丝栗栲
Castanopsis fargesii14.5 ± 1.51 11.5 ± 1.02 360 ± 15 26.8 ± 3.84 西南238 600 低山 丝栗栲
Castanopsis fargesii13.3 ± 1.12 12.0 ± 1.98 450 ± 32 24.8 ± 4.18 西290 700 低山 丝栗栲
Castanopsis fargesii15.1 ± 0.98 13.5 ± 1.55 338 ± 16 26.1 ± 2.45 西南229 800 低山 丝栗栲
Castanopsis fargesii13.9 ± 2.28 11.0 ± 1.12 381 ± 21 24.4 ± 1.80 西南210 900 低山 丝栗栲
Castanopsis fargesii12.5 ± 0.91 10.5 ± 1.22 300 ± 15 24.5 ± 2.29 西251 Table 1. Basic information of the sample plots
-
参照《土壤农化分析》[22]进行基础土壤理化性质测定。土壤理化性质基本情况详见表2。
土壤性质
Soil properties海拔高度
Altitude/mF p 500 600 700 800 900 全氮 TN/(g·kg−1) 1.96 ± 0.44 a 2.40 ± 0.52 ab 2.50 ± 0.53 ab 3.69 ± 1.1 bc 4.35 ± 1.4 c 6.305 ** 全磷 TP/(g·kg−1) 0.69 ± 0.05 c 0.53 ± 0.12 bc 0.33 ± 0.04 a 0.50 ± 0.13 b 0.46 ± 0.21 ab 5.284 * 全钾 TK/(g·kg−1) 29.14 ± 3.0 ab 40.05 ± 4.16 c 24.28 ± 7.62 a 31.35 ± 3.00 b 25.18 ± 1.37 ab 11.004 ** 土壤 pH 5.07 ± 0.13 b 4.73 ± 0.17 ab 4.67 ± 0.19 a 4.42 ± 0.37 a 4.70 ± 0.24 a 4.815 ** 土壤含水率 SM/% 17.42 ± 5.07 ab 15.98 ± 1.99 ab 14.02 ± 2.57 ab 13.04 ± 2.35 a 18.82 ± 2.77 b 2.847 NS 土壤密度 BD/(g·cm−3) 1.07 ± 0.09 c 0.98 ± 0.02 bc 0.99 ± 0.07 bc 0.94 ± 0.05 ab 0.86 ± 0.13 a 4.625 ** 碱解氮 AN/(mg·kg−1) 122.50 ± 22.0 a 198.10 ± 29.35 b 214.20 ± 27.71 bc 277.90 ± 54.37 c 261.10 ± 64.85 bc 10.057 ** 有效磷 AP/(mg·kg−1) 12.09 ± 3.35 11.85 ± 2.71 8.01 ± 3.52 9.81 ± 4.07 7.28 ± 3.79 1.917 NS 速效钾 AK/(mg·kg−1) 89.51 ± 0.74 b 69.07 ± 6.42 a 64.51 ± 8.04 a 96.65 ± 4.83 b 106.85 ± 3.63 c 57.111 ** 碳氮比 C/N 22.15 ± 8.78 a 14.66 ± 4.94 ab 13.25 ± 2.45 b 12.21 ± 4.38 b 9.79 ± 1.92 b 4.197 * 总有机碳 TOC/(g·kg−1) 40.53 ± 4.93 bc 33.30 ± 4.60 ab 32.32 ± 3.47 a 41.83 ± 5.79 c 40.63 ± 6.92 bc 3.691 * 注:相同海拔间不同字母表示差异显著; **表示p≤0. 01,*表示0. 01<p≤0. 05,NS 表示p>0. 05
Notes: Different lowercase letters in the same column of data indicate significant differences; ** means p≤0.01, * means 0.01<p≤0.05, NS means p>0.05Table 2. Soil physicochemical properties in different altitude
-
根据美吉生物医药科技有限公司的方案,采用Omega DNA试剂盒从0.5 g土壤中提取土壤DNA。使用引物338F(ACTCCTACGGGAGGCAGCAG)和806R(GGACTACHVGGGTWTCTAAT)进行靶向V3-V4区的细菌16S rRNA的PCR扩增[23];使用引物ITS1F(CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA)和ITS2R(GACGCTTCTCCAGACTACAAT)扩增真菌ITS1区域[24],然后基于Illumina Miseq平台进行15个土壤样本的测序。
-
用Mothur软件计算土壤微生物群落的α多样性,并用Origin软件绘图表示;用SPSS软件进行单因素方差分析和Spearman分析,探究土壤性质之间及其与土壤微生物多样性之间的相关性;基于Bray-Curtis算法开展NMDS分析和ANOSIM分析,探究土壤微生物群落的β多样性在不同海拔间的差异;分别使用R(3.3.2)生成微生物群落Bar图,来确定不同海拔梯度下微生物群落结构组成情况;进行冗余分析(RDA)及绘制微生物菌门与各土壤性质相关性热图来确定影响微生物群落沿海拔梯度分布的重要因素;生成VPA图,来定量研究相关因子对微生物群落的贡献度。
-
经过测序,从15个丝栗栲土壤样品中共获得3 887 404条优质细菌序列和4 760 165条优质真菌序列,每个样品的细菌序列范围为203 934~300 220条,真菌序列范围为272 355~387 205条。如图1所示,郭岩山细菌的α多样性沿海拔梯度呈现无趋势变化,而真菌的α多样性沿海拔梯度呈现先减后增。对郭岩山海拔500~900 m之间微生物群落的α多样性和丰富度指数进行单因素方差分析表明,细菌群落各指数差异均不显著(P>0.05),而不同海拔真菌群落的Sobs指数和Chao1指数存在极显著差异(P≤0.01)。海拔500 m的细菌和真菌群落多样性最高,海拔800 m时细菌群落多样性最低,海拔700 m时真菌群落多样性最低。
Figure 1. Alpha diversity of bacterial (a) and fungal (b) diversity in Castanopsis fargesii forests soils with the elevations
由图2 NMDS分析表明,细菌和真菌群落沿海拔梯度具有高度的变异性,不同的微生物群落在高度相近的海拔梯度上聚集为一类,ANOSIM分析的结果表明,不同海拔之间细菌和真菌β多样性均存在显著差异。随着海拔升高,细菌β多样性有明显的海拔分布格局,而真菌β多样性未呈现规律性变化。
本研究中,细菌群落包括在38门,121纲,269目,437科,752属,真菌群落包括在16门,68纲,166目,381科,879属。在郭岩山5个海拔所有采样点中,变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)和放线菌门(Actinobacteria)是细菌群落的3个主要菌门,norank_f_norank_o_subgroup_2、norank_f_xanthobacteraceae是细菌群落的两个主要菌属(图3a、c);担子菌门(Basidiomycota)、子囊菌门(Ascomycota)是真菌群落的两个主要菌门,Russula、Lactifluus是真菌群落的两个主要菌属(图3b、d)。不同海拔微生物各菌门、属存在差异,但未呈现明显的海拔分布模式。
-
由Spearman相关分析可知(表3),郭岩山细菌α多样性与土壤理化性质无显著相关关系,而土壤全磷与真菌α多样性具有极显著相关关系;细菌和真菌β多样性与海拔梯度(Altitude)和碱解氮存在显著相关关系,此外全磷和土壤pH仅与细菌β多样性存在显著相关关系,而全钾和土壤密度仅与真菌β多样性具有显著相关关系。
土壤性质
Soil properties细菌多样性
Bacterial diversity真菌多样性
Fungal diversityShannon 指数 NMDS1 NMDS2 Shannon 指数 NMDS1 NMDS2 全氮 TN 0.073 0.37 0.249 −0.331 0.397 0.394 全磷 TP −0.188 −0.574a −0.161 0.697b −0.343 −0.449 全钾 TK −0.461 −0.268 0.125 −0.018 −0.1 −0.661b 碱解氮 AN 0.05 0.561a 0.175 −0.321 0.432 0.611a 有效磷 AP −0.404 −0.421 0.089 0.311 −0.136 −0.329 速效钾 AK 0.189 0.118 −0.411 0.214 0.125 0.468 土壤 pH 0.243 −0.600a −0.168 0.221 −0.3 −0.289 碳氮比 C/N −0.289 0.304 −0.029 0.121 0.3 0.218 土壤含水率 SM 0.386 −0.091 −0.302 0.075 −0.202 −0.275 土壤密度 BD −0.211 −0.243 −0.018 0.295 −0.165 −0.612a 海拔 Altitude 0.132 0.618a 0.089 −0.407 0.489 0.536a 总有机碳 TOC −0.061 −0.171 0.043 0.261 −0.128 −0.025 注:a: 0.01<P≤0. 05;b: P≤0.01
Notes: a means the correlation is significant at the 0.05 level; b means the correlation is significant at the 0.01 levelTable 3. Correlation analysis between soil physicochemical properties and microbial diversity
由图4冗余分析(RDA)可知,郭岩山的海拔(Altitude)梯度变化使其林分土壤所处的气候(如温度、降水)与土壤性质随之发生变化,进而影响了土壤微生物的群落组成,在所测定的土壤性质中,土壤pH、全磷和碱解氮是影响郭岩山不同海拔细菌群落组成的最重要因素;而土壤密度、全磷、速效钾和全氮是影响郭岩山不同海拔真菌群落组成的最重要因素。由图5a、c可知,髌骨菌门和WPS-2菌门分别与土壤pH显著负相关;变形菌门、疣微菌门和norank_f _xanthobacteraceae属分别与土壤全磷显著正相关,而酸杆菌门、髌骨菌门和norank_f _norank_o_subgroup_2属分别与土壤全磷显著负相关。对于真菌群落(图5b、d),土壤密度与真菌群落无显著相关关系;梳霉菌门、球囊菌门、罗兹菌门、Saitozyma菌属、unclassified_p_Ascomycota菌属、unclassified_k_Fungi菌门和属分别与土壤全磷显著正相关;而子囊菌门与土壤速效钾显著正相关。上述结果表明,土壤性质对各菌群的显著影响并不统一。
Figure 5. Spearman correlation analysis of the top 10 microbial phyla and genera in relative abundance and soil physicochemical properties
由图6方差分解分析(VPA)发现,土壤性质是造成土壤细菌、真菌群落差异的主要因素,分别解释了30.2%和16.2%的群落差异。海拔高度只能解释微生物群落差异的一小部分,如海拔高度仅仅解释了真菌群落2.5%的差异。
Changes of Soil Microbial Community along the Altitude Gradient in the Natural Stand of Castanopsis fargesii in the Guoyan Mountain
- Received Date: 2023-05-09
- Accepted Date: 2023-08-27
- Available Online: 2023-12-20
Abstract: