微生物分布在不同的生境下所依赖的环境因子存在区别,气候特征、土壤环境因子、植物群落结构共同作用于微生物的空间分布、群落结构的稳定和多样性。
同时微生物的生命活动会影响土壤环境因子的变化趋势,二者可共同反映土壤生态环境的状况。
河西走廊荒漠土壤样带由于水平空间分布的位置不同,其气候特征、土壤环境因子、植物群落结构存在差异,从而影响不同样带的土壤微生物多样性及其群落结构组成。
然后探究影响荒漠土壤微生物群落组成和分布的环境因子。
土壤生态系统作为作为全球分布最为广泛的生境之一,人类与动植物在其中繁衍生息。
同时也是土壤微生物的生存基础,为生境内所有的生物提供生活、生存保障。
荒漠环境特殊,其中的微生物在生理结构、功能和遗传性能方面独特,可以适应荒漠恶劣的气候特征。
并且可以改善土壤营养状况,为植物提供营养物质。
随着高通量测序技术的进步,对荒漠土壤中的微生物有了一定的认识。
而这些微生物调节地球生物化学营养物质的循环,他们的生命活动受到了气候和土壤的理化性质的影响。
因此明确环境因子对微生物群落结构和多样性的影响至关重要。
荒漠环境区别于其他生境,气候环境特征明显不同,区域内干旱少雨,植物覆盖度较低、紫外辐射较强、并且养分含量极低。
而盐碱程度较高,季节和气候变化明显,降水极不均匀,土壤温度和湿度波动较大。
但生活在其中的微生物为适应恶劣的环境,表现出独特的抗性和代谢机制。
一般认为荒漠地区土壤微生物分布直接取决于环境因素(例如水分、盐分、营养元素、太阳辐射、植物覆盖)在空间上随机分布。
与降水量(MAP)、海拔(ASL)速效磷(AK)和全磷(TK)显著正相关(P<00与蒸散量(EP)正相(P<005)风速(AWS)与Shannon指数显著正相关(P<0.01)。
与Simpson指数显著负相关(P<0.01),粉粒(Silt)、黏粒(Clav)和土壤水分(Sw)与Shannon指数显著负相关(P<0.01)。
与Simpson指数显著正相关(P<0.01),石砾(Gravel)、Silt、土壤有机质(SOM)和AK与Shannon指数正相关(P<0.05),与Simpson指数负相关(P<0.05)。
真菌ACE指数和Chao1指数与植物高度(PH)SP、MAT、AWSGravelSand、SOM、速效钾(AK)和速效氮(AN)显著正相关(P<0.01)。
与EP显著负相关(P<0.01),与MAP负相关(P<0.05),Simpson指数与NSGravel显著正相关(P<0.01),与Clay和SW显著负相关(P<0.01)。
冗余分析(RDA)图中,微生物物种的箭头到轴之间的垂直距离表示物种的丰度,微生物于环境因子间的相关程度根据其夹角判断,夹角大于90°表示正相关,小于90°表示负相关。
河西走廊荒漠土壤微生物群落结构与气候特征的冗余分析结果如下。
我们在上图中可以看出,第1排序轴和第2排序轴的解释率分别为45.16%和10.26%,累积解释率为55.41%。
它可以基本反应气候特征与细菌群落结构分布的关系,由下表土壤微生物群落与气候特征RDA分析结果可知:AWS显著影响细菌群落结构特征(F值为4.4,P<0.05,蒙特卡罗算法)。
在下图中,第1排序轴和第2排序轴的解释率分别为75.35%和1.86%,累积解释率为77.22%。
它可以充分反应气候特征与真菌群落结构分布的关系,由上文的研究结果可知可知。
AWS、MAP和EP显著影响真菌群落结构特征(F值分别为45、3.7和7.5,P<0.05,蒙特卡罗算法),由物种分布结果可知。
下图中第1排序轴和第2排序轴的解释率分别为50.59%和13.37%,累积解释了63.96%微生物变化。
由下表细菌群落与土壤机械组成RDA分析结果可知:Clay显著影响荒漠土壤细菌群落结构(F值为6.3,P<0.05,蒙特卡罗算法。
在下图中,第1排序轴和第2排序轴累积解释量为57.56%。
真菌群落与机械组成RDA分析结果表明:Clay显著影响真菌群落结构(F值为5.2,P<0.05,蒙特卡罗算法)。
下图中,第1排序轴和第2排序轴的解释率分别为48.66%和23.45%,累积解释了72.12%微生物变化。
下表细菌群落与理化性质RDA分析结果表明:土壤细菌群落结构与AP和SOM显著相关(F值为8.9、3.9,P<0.05,蒙特卡罗算法)。
优势菌群Firmicutes与AP、pH和EC显著正相关,与SOM、SW、AN等显著负相关,Proteobacteria与AP、SOM等均为负相关关系。
Actinobacteria、拟杆菌门(Bacteroidetes)、广古菌门(Euryarchaeota)、酸杆菌门(Acidobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)、浮霉菌门(Planctomycetes)与SOM、SW、AN、TN和TP显著正相关,与pH、AP显著负相关。
在下图中,第1排序轴和第2排序轴的解释率分别为83.68%和4.66%,累积解释量为88.33%。
真菌群落与理化性质RDA分析结果表明:pH、SW和TN含量显著影响土壤真菌群落结构(F为5.7,P<0.05,蒙特卡罗算法)。
微生物群落结构受环境影响明显,RDA分析结果可以反映群落结构与环境因子之间的关系,从而可知影响微生物分布的重要环境驱动因子。
河西走廊荒漠土壤微生物群落结构与植物特征的冗余分析结果如下。
图中,第1排序轴和第2排序轴的解释率分别为34.71%和9.84%,累积解释率为44.55%,它可以基本反应植物特征与细菌群落结构分布的关系。
由下表土壤微生物群落与植物特征RDA分析结果可知:Margalef指数显著影响细菌群落结构特征(F值为3.5,P<0.05,蒙特卡罗算法)。
在下图中,第1排序轴和第2排序轴的解释率分别为54.09%和4.25%,累积解释率为58.34%。
它可以充分反应气候特征与真菌群落结构分布的关系,由下表可知:植物Shannon指数显著影响真菌群落结构特征(F值分别为5.6,P<0.05,蒙特卡罗算法)。
由物种分布结果可知,优势菌Ascomycota与AGB、植物覆盖度、植物高度等正相关,与Margalef指数、Shannon指数和Pielou负相关。
在荒漠生态系统中,相对于其他物种而言土壤微生物可以被认为是其最活跃的部分。
在土壤养分循环流动、物质转化、调节植物生产能力以及维持生态系统稳定方面都起到重要作用。
但是土壤微生物又易受到环境因素的影响,气候因素、土壤理化因子和植物种类等诸多因子均会影响微生物的分布及生存。
在全球气候急剧变化的影响下,敏感的荒漠生态系统势必会受到影响,微生物的群落结构和种群、功能多样性也会随着环境的变化而改变。
所以明确土壤环境对微生物的影响极其紧迫,土壤不同的结构组成对微生物的分布有着极显著的影响。
土壤粒径的空间分布决定孔隙的分布以及孔隙内空气和水分,从而影响微生物与环境之间的物质能量交换,进而决定了微生物的生存空间。
RDA分析表明:细菌群落结构受风速、Clay含量、AP和SOM显著影响。
本研究发现河西走廊地区风速显著影响细菌群落结构,可能因为该地区风速较高且部分样带间风速差异较大,因此对细菌群落结构影响显著。
我们对云杉人工林土壤中颗粒组成分布如何影响土壤微生物多样性的研究中发现土壤颗粒组成对微生物群落结构的影响显著。
且颗粒越小部分菌门的丰度越高,在本研究中Clay比例与Firmicutes含量正相关,说明土壤颗粒组成越小的土壤环境越适合Firmicutes生存繁殖。
根据前人的研究发现:对土壤细菌群落结构和多样性影响显著的的理化因子多为pH、TN和有机碳。
但是后来又有学者对新疆干旱区不同类型的土壤细菌群落多样性的研究,结果发现盐碱离子如:全盐、氯离子、硫酸根离子和硝酸根离子等是影响微生物的分布的关键。
可能因为干旱区土壤盐碱化严重,盐离子成为其中限制其微生物活性的主要因子。我们对戈壁沙漠和塔克拉玛干沙漠表面石砾样品细菌多样性的研究发现C/N影响微生物分布。
而在本文研究中土壤AP、SOM对细菌群落结构和多样性的影响程度最显著,SOM是微生物是的主要营养物质。
在控制微生物种群大小、生理代谢强度方面起主导作用,AP含量极高,为河西走廊荒漠土壤的一个特征因子。
以上研究结果表明:不同的研究区因环境差异较大而对土壤微生物分布影响表现出不同的因素,因不同的研究区域降水、光照、温度等自然条件的差异,造就了特殊的土壤环境。
从而产生了对土壤微生物影响显著的因素。
笔者观点
笔者认为,对河西走廊的生态进行总体研究是一件非常有意义的事情,其中土壤的气候特征、植物的生状状况等,均是研究生态发展的重要数据资料。并且对土壤理化因子性质的研究做出了重要的贡献。
这为河西走廊的土壤微生物研究提供了数据和方向,但因时间以及经费的制约,本次的试验设计方案和深层次挖掘数据信息方面仍存在许多不足,有待完善。
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