淺談某濕地土壤細菌生理類群數(shù)量變化及其與土壤環(huán)境的相關(guān)研究
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新疆瑪納斯?jié)竦赝寥兰毦眍惾簲?shù)量變化及其與土壤環(huán)境的相關(guān)分析
濕地是人類賴以生存的家園、生物超市和重要的物種基因庫，是自然界賦予人類的生態(tài)景觀，它具有高度的生物多樣性和巨大的生態(tài)與環(huán)境功能，有著“地球之腎”的美名。濕地對污染物的自凈能力很強，通過復(fù)雜的界面過程和濕地動植物、微生物的共同作用，吸附、沉降、吸收、分解水中的污染物和懸浮物，對水體起凈化作本文由畢業(yè)論文網(wǎng)http://m.78375555.com收集整理用 [1]。瑪河流域濕地（簡稱瑪河）地處我國第二大沙漠-古爾班通古特沙漠的南緣，屬干旱半干旱地區(qū)，生態(tài)環(huán)境較為脆弱�，敽訚竦匚挥诰G洲經(jīng)濟帶腹地，其生態(tài)區(qū)位極為重要，不僅改善著當(dāng)?shù)丶爸苓厖^(qū)域的生態(tài)環(huán)境，還對綠洲區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社會經(jīng)濟發(fā)展起積極的促進作用。
土壤微生物是濕地土壤生態(tài)系統(tǒng)的分解者，通過不同的方式改變土壤的理化特性，是植物營養(yǎng)轉(zhuǎn)化、有機碳代謝及污染物降解的驅(qū)動力，不僅推動了濕地生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動，而且在濕地生物多樣性維護、生態(tài)平衡等方面均有十分重要的作用 [2]。近年來，對于土壤微生物的研究主要集中在土壤微生物與植被的關(guān)系、土壤微生物季節(jié)動態(tài)等方面 [3-4]，而對土壤微生物生理功能群的研究相對較少。土壤微生物生理類群數(shù)量能直接反映所處生境的特征，研究濕地生態(tài)系統(tǒng)土壤細菌生理類群動態(tài)變化，有助于了解細菌生理類群多樣性 [5]及深入探討濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能 [6-9]。開展退化濕地生態(tài)環(huán)境恢復(fù)重建是國家生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重要需要，研究生態(tài)因子對微生物的影響受到廣泛關(guān)注 [10]，而細菌生理類群與土壤理化因子相關(guān)性等方面的研究倍受矚目，并取得高度進展。研究瑪河不同植被類型土壤細菌生理類群隨季節(jié)動態(tài)變化及與不同土壤理化因子的相關(guān)性，為合理開發(fā)利用微生物資源和保護濕地提供理論依據(jù)。
1 材料與方法
1 1 研究區(qū)概況及樣點的基本特征
瑪納斯國家濕地公園位于瑪納斯縣中部，位于亞洲大陸腹地 （43°03′～46°03′N，84°48′～86°42′E），是國家級濕地保護區(qū)，國家AA級景區(qū)。研究區(qū)新疆瑪納斯河國家濕地公園規(guī)劃區(qū)中部有三大蓄水水庫，并有小型水庫、魚塘、沼澤、蘆葦灘溝通水系。其保護規(guī)劃總面積47 02 km2 其中魚塘 0 38 km2、 水庫12 53 km2、河灘地8 81 km2、林地5 87 km2、居民社會用地0 26 km2。屬干旱半干旱溫帶大陸型氣候，主要特征為干旱少雨，熱量豐富，日照充足，四季分明，冬季嚴寒，夏季酷熱，降水量少，空氣干燥。年均氣溫為6 8～7 1 ℃， 年均日照時數(shù)為2 886 h，年均降水量205 7 mm，年均蒸發(fā)量 1 648 4 mm，相當(dāng)于降水量的4～11倍。海拔350～650 m，瑪河濕地內(nèi)土壤為灰漠土、灌淤土、潮土、草甸土和沼澤土等。濕地內(nèi)有蘆葦、沼澤、檉柳、草甸和各種蒿類等鹽生植被。
1 2 土樣采集
2013年5月、7月、9月、11月中旬以植被特征為依據(jù)，選取具有代表性蒿草、草甸、蘆葦、沼澤、灌木和檉柳為樣地（表1）。去除地表動植物殘體，樣品采集采用正方形5點取樣法，垂直取0～10、10～20 cm深度的土壤，每個點取樣量大體一致，將同一層的土樣混合均勻后做好標記裝入滅菌封口聚乙烯袋中，共采集土壤樣品48個，低溫保存帶回試驗室，4 ℃保存。
1 3 土壤功能細菌分離培養(yǎng)計數(shù)
氨化細菌采用蛋白胨液體培養(yǎng)基，固氮菌用改良瓦克斯曼77號培養(yǎng)基，硝化細菌采用改良的斯蒂芬遜培養(yǎng)基，反硝化細菌采用改良的阿須貝無氮培養(yǎng)基。芽孢桿菌、固氮細菌采用稀釋平板混菌法，即取0 1 mL適宜濃度土壤稀釋液加入空培養(yǎng)皿中，待培養(yǎng)基冷卻到50 ℃左右，倒入培養(yǎng)皿與稀釋液混合，每處理3個重復(fù)，固氮細菌置于28 ℃條件下培養(yǎng) 7 d；氨化細菌、亞硝酸細菌、硝酸細菌和反硝化細菌計數(shù)采用最大或然數(shù)（MPN）法計數(shù)，即吸取1 mL不同濃度的土壤稀釋液加入到已制備好的各種液體培養(yǎng)基中，每處理5個重復(fù)，置于28 ℃條件下培養(yǎng)7～14 d后觀測結(jié)果。
[JZ]1 g干土中菌數(shù)=（菌落平均數(shù)×稀釋倍數(shù)）/干土質(zhì)量。
1 4 土壤理化性狀分析
土壤含水量的測定采用烘干法，pH值測定采用pH計（上海精科，pH S-3C），電導(dǎo)率采用電導(dǎo)儀（上海精科，DJ-320），有機質(zhì)含量的測定用重鉻酸鉀容量法-外加熱法，全氮含量的測定采用凱氏法，全磷含量的測定采用氫氧化鈉消煮-鉬銻抗比色法，全鉀含量的測定采用NaOH熔融-火焰光度計法 [11-12]。
1 5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析
試驗相關(guān)數(shù)據(jù)均采用 Origin 8 0和SPSS 17 0軟件進行統(tǒng)計分析。
2 結(jié)果與分析
2 1 不同季節(jié)不同土層細菌生理類群數(shù)量動態(tài)分析
2 1 1 土壤氨化細菌的數(shù)量變化
從圖1、圖2可以看出，氨化細菌的數(shù)量最大達到1 73億CFU/g，0～10 cm土層中除了灌木濕地氨化細菌數(shù)量5月到7月下降，9月又有所回 升，11月達到最大，即11月>9月>5月>7月。 檉柳濕地（0～10 cm土層）氨化細菌數(shù)量5月到7月下降，9月上升11月又開始減少外，即9月>11月>5月>7月，其他樣地均表現(xiàn)為前3個月逐漸上升，11月開始下降，呈倒“V”字形，即9月>7月>5月>11月，表明在水分適宜、通氣良好的土壤中，氨化細菌數(shù)量隨溫度的升高而增加。
2 1 2 土壤固氮菌的數(shù)量變化
從圖3、圖4可以看出，固氮菌的數(shù)量最高達到17 4萬CFU/g，固氮菌的數(shù)量隨季節(jié)變化而變化，各樣地之間除了蘆葦濕地和沼澤濕地，7月數(shù)量達到最大之后又呈下降趨勢外，即7月>5月>9月>11月，其他樣地均是9月固氮菌數(shù)量達到最大，11月又開始下降，即9月>7月>5月>11月。
2 1 3 土壤亞硝酸細菌的數(shù)量變化
由圖5、圖6可以看出，亞硝酸細菌是數(shù)量最高達到17 6萬CFU/g，土壤亞硝酸細菌數(shù)量隨季節(jié)變化而變化，除了灌木樣地亞硝酸細菌數(shù)量7月達到最大，9月又開始下降外，其他樣地均是5月亞硝酸細菌數(shù)量達到最大，7月下降，9月又隨之上升，即5月>9月>7月>11月。
2 1 4 土壤硝酸細菌的數(shù)量變化
如圖7、圖8所示，硝酸細菌的數(shù)量最高達到1 51萬CFU/g，與亞硝酸細菌數(shù)量的季節(jié)動態(tài)分布趨勢相同，除了灌木樣地硝酸細菌數(shù)量7月達到最大，9月又開始下降外，其他樣地均是5月硝酸細菌數(shù)量達到最大，7月下降，9月又隨之上升，即5月>9月>7月>11月。
2 1 5 反硝化細菌的數(shù)量變化
由圖9、圖10可以看出，反硝[CM（25]化細菌的數(shù)量最高達到988萬CFU/g，反硝化細菌數(shù)量隨季節(jié)變化而變化，除了灌木樣地7月達到最大，5月最小外，其他樣地均表現(xiàn)為5月最大、11月最小。
2 2 濕地類型與與細菌生理類群分析
5月0～10 cm土層的土壤中氨化細菌數(shù)量從大到小依次為高山蒿草濕地>檉柳濕地>灌木濕地>草甸濕地>沼澤濕[CM（25]地>蘆葦濕地；固氮菌數(shù)量從大到小依次為蘆葦濕地>檉柳濕地>沼澤濕地>高山蒿草濕地>草甸濕地>灌木濕地。數(shù)量檉柳濕地>高山蒿草濕地 >草甸濕地>灌木濕地>蘆葦濕地>沼澤濕地；硝酸細菌數(shù)量從大到小依次為檉柳濕地>高山蒿草濕地>蘆葦濕地>灌木濕地>沼澤濕地>草甸濕地；反硝化細菌數(shù)量從大到小依次為檉柳濕地>高山蒿草濕地>草甸濕地>蘆葦濕地>沼澤濕地>灌木濕地。土壤微生物生理功能類群數(shù)量總體表現(xiàn)為高山蒿草數(shù)量最多，檉柳濕地次之，其后灌木、草甸，蘆葦和沼澤最少。
2 3 不同濕地土壤理化因子方差分析
瑪河濕地不同植被類型土壤pH值、電導(dǎo)率、含水量、有機質(zhì)含量、全氮含量、全磷含量、全鉀含量分別為7 61～903、0 16～6 53 mS/cm、6 17%～35 64%、19 22～43 09 g/kg、0 90～215 g/kg、0 79～2 24 g/kg、5 87～15 27 g/kg，除含水量和全鉀含量外，高山蒿草樣地最高，蘆葦和沼澤樣地較低（表2）。pH值的變化趨勢（除蘆葦和沼澤樣地外）為：9月達到最高，5月和11月pH值最小，且差異均不顯著；含水量的變化趨勢為：7月達到最大隨后逐漸降低，沼澤樣地季節(jié)間差異極顯著，灌木樣地除11月外，其他季節(jié)間差異顯著；電導(dǎo)率的變化趨勢（除蘆葦和草甸樣地外）為：5月最大、11月最小，檉柳樣地季節(jié)間（除9月）差異顯著；有機質(zhì)的變化趨勢為（除蘆葦樣地外）：5月最大，隨后呈逐漸降低的趨勢，檉柳樣地季節(jié)間差異極顯著；全氮含量（除草甸樣地）隨季節(jié)變化均呈逐漸降低的趨勢，5月最大、11月最小，高山蒿草樣地季節(jié)間（除7月）差異顯著；各樣地的全磷含量均隨季節(jié)變化呈下降的趨勢，高山蒿草樣地季節(jié)間（除7月）差異極顯著；各樣地的全鉀含量均隨季節(jié)變化呈下降的趨勢且季節(jié)間差異不顯著。
2 4 濕地土壤微生物生理功能群與土壤環(huán)境因子之間的Pearson相關(guān)性
氨化細菌與pH值、全氮含量、全鉀含量呈顯著正相關(guān)；亞硝酸細菌、硝酸細菌與土壤有機質(zhì)含量、全氮含量、全磷含量和全鉀含量呈極顯著正相關(guān)，亞硝酸細菌與含水量呈極顯著負相關(guān)，與pH值呈顯著正相關(guān)；反硝化細菌與pH值、有機質(zhì)含量、全氮含量、全磷含量、全鉀含量呈極顯著正相關(guān)；固氮細菌與各種理化因子相關(guān)性不顯著（表3）。
3 結(jié)論與討論
3 1 不同植被細菌生理功能群數(shù)量差異
不同植被類型下土壤細菌生理群的數(shù)量分布存在一定的差異，可能是由于不同植被類型的植被結(jié)構(gòu)組成和種類不同，植被蓋度和根系的發(fā)達程度不同，生長環(huán)境也不盡相同，使好氧菌和厭氧菌在數(shù)量上存在差異。Salkum等在研究人工濕地植物根系對微生物代謝多樣性的影響時發(fā)現(xiàn)，表層土壤受植物根系及植被凋落物的影響，有機物種類多、含量豐富，微生物代謝多樣性也較高 [13]。Davit等比較了新澤西州生長蘆葦和互花米草（SpartEine grandiflorae）不受人類活動干擾的自然濕地與一處受人類活動干擾的濕地中微生物群落多樣性，發(fā)現(xiàn)種植蘆葦和互花米草的自然濕地生態(tài)系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)不同 [14]。因此，自然濕地生態(tài)系統(tǒng)中，微生物的群落組成直接受植被類型的影響。正如本試驗結(jié)果所示，雖然蘆葦有發(fā)達的通氣組織，在某種程度上增加了土壤的通氣量，但常年積水使土壤含水量過高，導(dǎo)致容重增加、孔隙度減少，從而降低了土壤的透氣性，導(dǎo)致土壤的含氧量降低。大多數(shù)土壤微生物是異養(yǎng)型好氧微生物，通過有氧呼吸分解有機物產(chǎn)能，土壤含氧量是限制蘆葦和沼澤土壤微生物生長的主要原因。
研究表明，細菌生理類群的數(shù)量在同一樣地不同土層不同時期發(fā)生較大變化，且不同樣地類型間的差別也較大。從不同濕地類型主要生理類群的垂直分布看，芽胞桿菌、氨化細菌、固氮菌、亞硝酸細菌、硝酸細菌數(shù)量基本表現(xiàn)為隨土層深度的增加呈下降的趨勢，且數(shù)量分布情況為氨化細菌>反硝化細菌>亞硝酸細菌>固氮菌>硝酸細菌。徐惠風(fēng)等對烏拉苔草濕地土壤微生物進行研究時發(fā)現(xiàn)，土壤細菌在春、夏、秋3個季節(jié)中的變化趨勢基本一致，都呈現(xiàn)出0～90 cm剖面中從上而下急劇減少的趨勢 [15]。從季節(jié)變化的分布看，細菌春季數(shù)量最多，秋季次之，夏季和冬季較少，這與Kaiser等的報道 [16-17]一致。固氮菌分布趨勢分析認為由于氣溫不斷升高，降水量增加，濕度也不斷增加，導(dǎo)致土壤中的微生物活性逐漸增強，數(shù)量迅速增加。此外，植物開始生長，根際代謝物和分泌物不斷增加，有效刺激了固氮菌的數(shù)量增長。11月氣溫急劇下降并開始結(jié)冰，抑制了固氮菌的活動，同時也由于瑪河濕地獨特的干旱半干旱氣候，冬季長，導(dǎo)致固氮微生物處于休眠或半休眠狀況，分解含氮有機物質(zhì)的能力減弱，7月、8月隨氣溫的升高土壤中的微生物活性不斷增強、數(shù)量迅速增加。Munch等研究發(fā)現(xiàn)，植物根系將氧氣輸送至根區(qū)并釋放分泌物，為微生物提供養(yǎng)分，與沒有生長植物的濕地土壤相比，植物覆蓋的濕地土壤，根系周圍微生物總量及群落結(jié)構(gòu)多樣性都很高 [18]。此外，由于植物體內(nèi)磷含量的增加，導(dǎo)致植物根系細胞膜滲透性降低、根系分泌物成分發(fā)生變化或分泌物的數(shù)量下降都會抑制硝化細菌的活性。趙先麗等對蘆葦濕地土壤微生物的研究發(fā)現(xiàn)，土壤偏鹽堿性更有利于細菌大量繁殖，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)大程度上受土壤有機物降解、土壤污染物代謝、土壤團聚體形成以及土壤營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)等影響，且不同土層通氣狀況不同，從而導(dǎo)致氧濃度的變化使不同土層中土壤微生物數(shù)量發(fā)生明顯變化，這與本試驗結(jié)果基本一致 [19]。不同微生物群落結(jié)構(gòu)的差異和很多因素有關(guān)，如溫度、pH值、土壤各種理化性質(zhì)、溶氧量、土壤肥力、植物根系的作用等 [20]。
3 3 細菌生理類群與土壤環(huán)境因子相關(guān)性分析
不同細菌生理類群在土壤水分、土壤溫度、土壤pH值、電導(dǎo)率、有機質(zhì)和礦質(zhì)等因子上都有顯著差異，可能由于不同植被群落結(jié)構(gòu)和組成不同且土壤營養(yǎng)成分存在差異，微生物主要以植物殘體為營養(yǎng)源，植物的質(zhì)和量必然導(dǎo)致土壤細菌生理類群在土壤中的分布的不均勻。此外，可能是不同的細菌生理群代謝和繁殖周期各異，導(dǎo)致利用營養(yǎng)物質(zhì)的量和順序有差異。本研究發(fā)現(xiàn)，亞硝酸細菌與有機質(zhì)含量、全氮含量呈極顯著正相關(guān)，這與陳登穩(wěn)等的研究結(jié)果 [20-21]一致，但本研究結(jié)果與文都日樂等的亞硝酸細菌與含水量呈正相關(guān)的結(jié)果相反，pH值與亞硝酸細菌呈顯著正相關(guān)與袁飛的結(jié)果 [22]一致。反硝化細菌與有機質(zhì)、全氮含量呈顯著正相關(guān)，與丁玲玲等的研究結(jié)果 [23]一致。本研究結(jié)果表明固氮細菌與理化因子無相關(guān)性，不同學(xué)者報道結(jié)果的差異可能與研究地點的氣候和植物群落等有關(guān)。
研究土壤微生物最終的目的是為了了解微生物在濕地生態(tài)系統(tǒng)演替中發(fā)揮的作用，以維持綠洲生態(tài)系統(tǒng)平衡、涵養(yǎng)水源、儲藏微生物基因資源等方面起著重要作用。微生物在促進物質(zhì)循環(huán)和能量流動的轉(zhuǎn)化中起決定性作用，氮循環(huán)過程包括：固氮細菌把空氣中的N2轉(zhuǎn)化為NH+4供植物合成有機氮，補充土壤中的氮元素；氨化細菌將NH+4硝化為NO-3，其中亞硝酸細菌將NH+4氧化成NO-2，硝酸細菌NO-2氧化成NO-3，反硝化細菌將NO-3轉(zhuǎn)化為N2完成氮素循環(huán) [24]。由于硝化作用與反硝化作用相連增加氮素損失，但土壤中的自生固氮菌通過生物固氮補充了土壤中的氮素流失，還消除工業(yè)氮肥給經(jīng)濟和環(huán)境帶來的壓力，另一方面硝化過程會導(dǎo)致土壤酸化，使瑪納斯土壤鹽漬化趨勢得到緩解。
濕地土壤類型、土壤質(zhì)地、土壤性質(zhì)等因子對微生物功能群的分布和活性度具有重要影響。濕地土壤微生物各主要生理類群直接參與土壤中C、N等營養(yǎng)元素循環(huán)和能量流動，其數(shù)量和活性直接關(guān)系到土壤肥力 [25-26]。土壤微生物在土壤形成和發(fā)育過程中具有重要意義，因其在土壤質(zhì)量演變過程中具有相對較高的轉(zhuǎn)化能力，可較早地預(yù)測土壤有機質(zhì)乃至土壤環(huán)境的變化過程，成為反映土壤動態(tài)變化以及土壤復(fù)退性能的一項重要指標 [27]。只有從濕地中分離出具有特殊功能并可實踐于應(yīng)用的微生物，才能更好地體現(xiàn)出濕地微生物的價值，本研究將繼續(xù)系統(tǒng)全面地從瑪河濕地土壤中分離出可培養(yǎng)的細菌并鑒定，全面評估瑪河濕地土壤的微生物多樣性，這對準確評估該濕地的生態(tài)功能和健全濕地保護具有重要意義。濕地微生物的研究方法從最初的傳統(tǒng)分離培養(yǎng)法到當(dāng)今廣泛采用的分子生物學(xué)方法，如RFLP、PCR-DGGE、克隆文庫，再到今天的高通量測序技術(shù)，技術(shù)水平的不斷提高更有利于研究濕地微生物的群落結(jié)構(gòu)和多樣性。
