人工绿洲演变过程对沙漠微生物群落结构的影响

【作者】 王保战； 张彩霞； 夏围围； 吴宇澄； 林先贵； 贾仲君；

【机构】 中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室； 南京土壤研究所-香港浸会大学土壤与环境联合开放实验室；

【摘要】 我国西北部沙漠干旱地区,人工绿洲维持着数以千万计人的生存。为了防止沙漠对人工绿洲的侵蚀,在绿洲和沙漠交错带培育了人工防护林带,形成了"天然沙漠-人工防护林-人工绿洲"的独特土地利用梯度。然而,目前仍没有关于土壤微生物群落对这一人为干扰形成的独特土地利用变化梯度响应的详细研究。本研究以黑河流域中游临泽县(临泽内陆河流域综合研究站)人工绿洲为研究对象,运用荧光定量PCR(Quantitative polymerase chain reaction)和高通量测序技术(high-throughput pyrosequencing),研究了100年老农田、35年新农田、35年樟子松林、35年杨树林、30梭梭林和天然沙漠的土壤微生物群落结构。荧光定量PCR结果显示,人工绿洲(农田)、樟子松和杨树林土壤中细菌和古菌的16S rRNA基因拷贝数是天然沙漠土壤的3～4数量级。Chao指数、Shannon指数和ACE指数分析表明,森林生态系统微生物群落多样性显著高于沙漠生态系统,而长期农业生态系统的施肥等耕作方式显著降低了土壤微生物的多样性。进一步通过高通量测序分析土壤微生物种群组成发现,α-变形菌门(Alphaproteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和厚壁菌门(Firmicutes)是天然沙漠土壤细菌的主要类群,占细菌总量的71%以上。绿洲农田、樟子松和杨树林土壤中,这四个主要细菌类群相对减少(约为33.4%);另一些在沙漠土壤中非主导优势细菌,如嗜酸菌门(Acidobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、硝化螺旋菌门(Nitrospira)和γ-变形菌门(Gammaproteobacteria)在人为干扰生态系统中急剧增加(从4.5%～5.9%增加到20.9%～30.2%)。土壤氨氧化微生物定量PCR分析结果显示,施肥处理刺激了农田土壤中氨氧化微生物的大量生长。农田土壤中氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)丰度是自然沙漠土壤的1000倍以上。100年农田的AOB氨氧化细菌主要集中在Nitrosospira cluster 3,35年新农田AOB主要集中在Nitrosospira cluster 3和Nitrosomonascommunislineage,而沙漠土壤AOB主要集中Nitrosomonaso ligotrophalineage,这符合沙漠土壤寡营养和农田土壤营养较为丰富的基本土壤特征。不同土壤利用类型中AOB群落结构的显著变化,暗示其可能在土壤硝化过程中发挥着重要作用。而AOA的16S rRNA基因系统发育分析发现,六种土壤利用方式的土壤中AOA的16S rRNA同源性高于99%,因此推测AOA可能不是该土壤利用梯度中硝化作用主导者。总之,人工防护带和人工绿洲等人为干扰行为显著影响了天然沙漠土壤微生物的多样性和种群结构,优势微生物种群对人为干扰的响应强于非优势种群,硝化微生物等特征功能性微生物种群在农田生态系统中高度富集。更多还原