内蒙古大青山白桦根围土壤细菌群落结构研究

包润泽 姚庆智

摘  要：根际土壤细菌在植物与土壤之间的物质与能量交换中起到十分关键的作用。本研究以大青山白桦根际土为研究对象，利用高通量测序技术比较了其不同海拔高度及不同土层深度的根围土壤细菌和群落结构差异，并结合其土壤酶活性揭示根际细菌对植物生长过程中的作用。结果显示，白桦根围土壤上层的细菌多样性随海拔升高而增大;根围土壤上层细菌多样性大于下层。此外，放线菌门、酸杆菌门、变形菌门为根围土壤的优势群落;土壤下层的放线菌门含量随海拔升高而增加。

关键词：内蒙古大青山;细菌群落结构;高通量;酶活性;多样性

中图分类号：Q939.96  文献标识码：A

土壤微生物是森林生态系统中的重要组成部分，是物质循环和能量转化的关键节点，在整个生态系统中发挥着不可替代的作用[1]，同时土壤微生物群落结构也是衡量土壤健康的重要指标[2]，且根际微生物的群落结构和丰度会直接影响植物的健康状况。影响土壤微生物的因素有很多，主要研究包括土壤养分[3， 4]、人为施加农药[5， 6]、土壤理化[7]、植被类型[8]、土壤温度[9]及其他因素等[10， 11]。微生物群落随海拔的分布格局和维持机制已然成为生物多样性和生态系统功能研究的热点[12]。

土壤微生物多样性在海拔梯度的分布格局研究近年来受到和动植物一样的重视程度[13-16]。土壤微生物作为主要的分解者[17]，是陆地生态系統的重要组成部分，在地球化学物质循环和维持生态系统功能等方面发挥着极大的作用。微生物能够快速响应土壤、植被以及气候等引起的环境变化，较早地指示生态系统功能的变化[18， 19]。随着分子生物学技术在生态学研究中的应用，土壤微生物多样性在不同尺度、不同生境的地理分布格局方面研究取得了重要进展[20]。对土壤微生物多样性海拔分布格局的最新研究综述发现，土壤微生物海拔分布模式并不明确，表现为无趋势、下降、单峰或者下凹型等多种海拔分布模式[21]。土壤微生物个体丰 富度及多样性随某种环境变量在空间上呈某种规律性分布，在空间分布上是非随机的，微生物空间分布规律及维持机制研究还处于初步阶段[22， 23]。Singh等[24]指出在日本富士山，土壤微生物多样性在中等海拔高度最大。吴则焰等[25]对中亚热带森林土壤微生物群落多样性进行了研究，结果表明随着海拔上升，土壤微生物群落多样性逐渐下降，其根本原因可能是海拔梯度上升引起土壤养分含量下降，从而间接影响土壤微生物群落多样性。刘秉儒等（2013）对干旱区绿岛贺兰山的研究却发现，随海拔的升高土壤微生物 群落物种丰富度指数（H）和均匀度指数（E）总体上均表现出增大的趋势。

内蒙古大青山林区是阴山山脉中段面积最大、保存最好的次生林区，是生物多样性保护的关键地区，是研究森林土壤微生物多样性的理想场所。本研究以大青山中白桦（Betula platyplrylla）根际土为研究对象，利用高通量测序技术研究比较了其不同海拔高度及不同土层深度的根围土壤细菌多样性及群落结构差异，并结合其土壤酶活性揭示根际细菌对植物生长过程中的作用。以期发现不同海拔梯度下白桦根际土壤微生物群落的变化规律，这对于进一步了解森林生态系统的稳定性以及后续的森林植被保护具有重要意义。

1  材料与方法

1.1  样品采集与处理

本试验采样地位于呼和浩特市北部大青山自然保护区境内的金銮殿景区，于2016年5月采集，对同一坡面不同海拔高度以及不同土层深度的白桦根围土壤进行采集，同一海拔高度同一树种随机选取三株树，每株树按十字交叉法距离树体50 cm处取4个方位的根围土壤，取样深度为0-30 cm， 30-60 cm两个垂直区段，将相同深度的样品均匀混合，组成一个混合样本，放置可封口的保鲜袋当中，并做好标记，其中0-30 cm为A（土壤上层），30-60 cm为B（土壤下层）。采集的土样过2mm筛子，置于4℃、-20℃、-80℃保存备用（表1）。

1.2  酶活检测

土壤酶活检测方法参照《土壤理化分析与剖面描述》[26]。

1.3  土壤DNA的提取与高通量测序

土壤DNA提取和测序分析在联川生物Illumina MiSeq平台进行。

1.4  数据统计与分析

通过Mothur软件分析样品的Alpha多样性，利用SPSS 20.0分析群落结构与环境因子的相关性;利用Praphpad Prism 8对数据进行可视化处理。

2  结果与分析

2.1  酶活性

如表2所示，海拔1868 m处土壤上下层的蛋白酶活性在相差最大，上层约为下层含量的2.3倍;N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性变化范围在23.21-40.51 nmol/ （g-h）;BH1A的碱性磷酸酶最高为12 I 9.63 nmol/ （g d），BH3B最低为415.58 nmol/（g d）;过氧化物酶的活性变化范围在503.87-1168.60 nmol/ （g h）。土壤上层蛋白酶活性、碱性磷酸酶活性、过氧化物酶活性随海拔高度上升而显著减弱，N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性随海拔高度上升而减弱;下层N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性随海拔高度上升而减弱，碱性磷酸酶、过氧化物酶活性随海拔高度上升而显著减弱。

2.2  群落结构和多样性分析

如图1所示，根际土壤细菌群落在纲水平分类为放线菌纲（Actinobacteria）、α-变形菌纲（α-Proteobacteria）、酸杆菌门-GP6（Acidobacteria-GP6）、β-变形菌杠（β-Proteobacteria）、酸杆菌门-GP4（Acidobacteria-GP4）、酸杆菌门-GP16（Acidobacteria-GP16）、芽孢杆菌纲（Bacilli）、y变形菌纲（y-Proteobacteria）、Δ-变形菌纲（Δ-Proteobacteria）和硝化螺旋菌纲（Nitrospira）。随着海拔上升，α-变形菌纲的丰度逐渐下降，放线菌纲所占的比例则一直保持相对稳定的状态，同时各个海拔梯度下浅层土的α-变形菌纲丰度占比始终高于深层土。

如表3所示，土壤上层Chao 1指数在1945 m处最大，下层Chao 1指数在2020 m处最大，上层和下层Chao 1指数随海拔高度上升均无明显变化规律，Chao 1指数随土层深度增加無明显变化规律。土壤上层Shannon指数在2020 m处最大，下层Shannon指数在1868 m处最大，上层的Shannon指数随海拔高度上升而增大，下层Shannon指数随海拔高度上升无明显变化规律，上层Shannon指数大于下层。土壤上层和下层Simpson指数在2020 m处最大，上层的Simpson指数随海拔高度上升而增大，下层Simpson指数随海拔高度上升无明显变化规律，上层Simpson指数大于下层。

2.3  相关性分析

对白桦根际土壤细菌群落和根际土壤酶活性进行RDA分析可以发现，0-30 cm的上层土壤微生物细菌群落与四种土壤关键酶呈正相关关系，而30-60 cm的下层土壤细菌群落丰度与这四种土壤酶活性呈负相关关系。

3  讨论

海拔梯度的改变影响了光照、土壤水含量和温度，导致小气候发生变化，这些改变进而影响了土壤的物理性质、养分、酶活性、微生物生物量和微生物结构，导致高山地区生态系统的功能进一步变化[27]。本研究中的蛋白酶、碱性磷酸酶、过氧化物酶和N-乙酰氨基葡萄糖苷酶四种土壤酶活性随海拔高度上升均呈现降低趋势，其中N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性随海拔的变化规律与李丹丹[28]的研究结果一致，主要原因可能是土壤酶活性变化规律与不同海拔植被的土壤养分含量、含水量、光照、微生物数量等因子的变化直接或间接相关，殷陶刚等[29]发现土壤微生物、土壤理化性质和人为因素都是影响土壤酶活性的关键因子，同时，四种酶活性均随土层深度的增加而减弱，这与Taylor[30]的研究结果契合，猜测是因为土壤中的大部分的生化反应、物质转化及能量循环都是在浅层土进行，较深层的土壤环境下可能不适合大部分酶进行催化反应。

通过高通量测序检测发现，细菌门水平下，放线菌门、酸杆菌门、变形菌门为根围土壤的优势群落。土壤下层的放线菌门含量随海拔升高而增加，林惠瑛[31]等人的研究也发现相同规律。Shannon指数是衡量微生物多样性的关键指数，随着海拔高度的升高，上层土壤根际土壤细菌的Shannon指数呈现下降趋势，隋夕然等[31]的相关研究也证实了这一规律，但是深层土壤的多样性指数并没有表现出升高或降低的规律，因为深层土壤的微环境比较稳定，而温度、湿度和其他环境因素对深层土的影响不大，导致深层土壤的细菌群落多样性没有显著的变化。同时本研究还对白桦根际土壤细菌群落和根际土壤酶活性进行相关性分析发现，浅层土壤微生物细菌群落与蛋白酶、碱性磷酸酶和N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性呈正相关关系，而深层土壤正相反，这可能与土壤微生物进行的生命活动有直接关系。

4  结论

本研究以大青山中白桦根际土为研究对象，采用高通量测序技术对其不同海拔高度以及不同土层深度根围土壤微生物多样性及群落结构进行研究，并结合土壤理化性质、土壤酶活性进行相关分析，为评价大青山森林植被健康状况提供理论依据和技术支持。

参考文献

[1]HL A， YQ B， TY C， et al. Nutrients available in the soil regulate the changes of soil microbial community alongside degradation of alpine meadows in the northeast of the Qinghai-Tibet Plateau [J]. Science of The Total Environment， 2021.

[2]HE M， XIONG X， WANG L， et al. A Critical Review on Performance Indicators for Evaluating Soil Biota and Soil Health of Biochar-Amended Soils [J]. Journal of Hazardous Materials， 2021， 414（20）： 125378.

[3]隋夕然， 王妍， 刘云根， et al. 典型喀斯特区云南松林土壤养分和细菌群落对海拔的响应 [J]. 浙江农业学报， 2021， 33（12）： 10.

[4]LI B B， ROLEY S S， DUNCAN D S， et al. Long-term excess nitrogen fertilizer increases sensitivity of soil microbial community to seasonal change revealed by ecological network and metagenome analyses [J]. Soil Biology and Biochemistry， 2021， 160（108349.

[5]MEDO J， MAKOVÁ J， MEDOVÁ J， et al. Changes in soil microbial community and activity caused by application of dimethachlor and linuron [J]. Scientific Reports， 2021， 11（1）.

[6]LH A， XK A， MIN X A， et al. Repeated exposure to fungicide tebuconazole alters the degradation characteristics， soil microbial community and functional profiles [J]. Environmental Pollution， 287.

[7]QIANG W， HE L， ZHANG Y， et al. Aboveground vegetation and soil physicochemical properties jointly drive the shift of soil microbial community during subalpine secondary succession in southwest China [J]. Catena， 2021， 202（105251.

[8]HU X， LI X Y， ZHAO Y， et al. Changes in soil microbial community during shrub encroachment process in the Inner Mongolia grassland of northern China [J]. Catena， 2021， 202（1）： 105230.

[9]KIRKWOOD J A H， ROY-LÉVEILLÉE P， MYKYTCZUK N， et al. Soil Microbial Community Response to Permafrost Degradation in Palsa Fields of the Hudson Bay Lowlands： Implications for Greenhouse Gas Production in a Warming Climate [J]. Global Biogeochemical Cycles， 2021， 35（6）.

[10]Impact of diesel and biodiesel contamination on soil microbial community activity and structure [J]. Scientific Reports.

[11]LEI L， WXA B， LZA B， et al. Effects of thinning intensity and understory removal on soil microbial community in Pinus massoniana plantations of subtropical China [J]. Applied Soil Ecology， 167.

[12]ZE-YAN W U， LIN W X， CHEN Z F， et al. Variations of soil microbial community diversity along an elevational gradient in mid-subtropical forest [J]. Chinese Journal of Plant Ecology， 2013， 37（5）： 397-406.

[13]JOHNSON D， BOOTH R E， WHITELEY A S， et al. Plant community composition affects the biomass， activity and diversity of microorganisms in limestone grassland soil [J]. European Journal of Soil Science， 2010， 54（4）： 671-8.

[14]ZAK D R， HOLMES W E， WHITE D C， et al. PLANT DIVERSITY， SOIL MICROBIAL COMMUNITIES， AND ECOSYSTEM FUNCTION： ARE THERE ANY LINKS？ [J]. Ecology， 2003， 84（8）： 2042-50.

[15]贺纪正 葛. 土壤微生物生物地理学研究进展 [J]. 生态学报， 2008， 28（11）： 12.

[16]刘秉儒， 张秀珍， 胡天华， et al. 贺兰山不同海拔典型植被带土壤微生物多样性 [J]. 生态学报， 2013

[17]李延茂， 胡江春， 汪思龙， et al. 森林生态系统中土壤微生物的作用与应用 [J]. 应用生态学报， 2004， 15（10）： 4.

[18]贺金生， 王政权， 方精云. 全球变化下的地下生态学：问题与展望 [J]. 科学通报， 2004， 49（13）： 8.

[19]BRYANT， JA， LAMANNA， et al. Microbes on mountainsides： Contrasting elevational patterns of bacterial and plant diversity [J]. PROC NAT ACAD SCI USA， 2008， 2008，105（-）： 11505-11.

[20]刘秉儒， 张秀珍， 胡天华， et al. 贺兰山不同海拔典型植被带土壤微生物多样性 [J]. 生态学报， 2013， 33（22）： 10.

[21]厉桂香， 马克明. 土壤微生物多样性海拔格局研究进展 [J]. 生态学报， 2018， 38（5）： 9.

[22]FIERER， MCCAIN， CM， et al. Microbes do not follow the elevational diversity patterns of plants and animals [J]. ECOLOGY， 2011， 2011，92（4）（-）： 797-804.

[23]賀纪正， 王军涛. 土壤微生物群落构建理论与时空演变特征 [J]. 生态学报， 2015， 35（20）： 6575-83.

[24]DHARMESH S， KOICHI T， ADAMS J M， et al. Elevational Patterns in Archaeal Diversity on Mt. Fuji [J]. Plos One， 2012， 7（9）： e44494.

[25]吴则焰， 林文雄， 陈志芳， et al. 中亚热带森林土壤微生物群落多样性随海拔梯度的变化 [J]. 植物生态学报， 2013， 37（005）： 397-406.

[26]刘光崧. 土壤理化分析与剖面描述 [M]. 土壤理化分析与剖面描述， 1996.

[27]GASTON K J. Global patterns in biodiversity [J]. Nature， 2000， 405（6783）： 220-7.

[28]李丹丹. 北方温带森林不同海拔梯度土壤有机质分解酶活性及动力学特征研究 [J]. 沈阳农业大学， 2016.

[29]殷陶刚， 李玉泽. 土壤酶活性影响因素及测定方法的研究进展 [J]. 矿产勘查， 2019， 10（6）： 6.

[30]TAYLOR J P， WILSON B， MILLS M S， et al. Comparison of microbial numbers and enzymatic activities in surface soils and subsoils using various techniques [J]. Soil Biology & Biochemistry， 2002， 34（3）： 387-401.

[31]林惠瑛， 周嘉聪， 曾泉鑫， et al. 武夷山黄山松林土壤细菌群落特征沿海拔梯度的分布模式 [J]. 生态学杂志， 1-13.

作者简介：包润泽，男，硕士研究生，研究方向：应用与环境微生物学;

*通讯作者：姚庆智，男，博士，教授，研究方向：土壤微生物学。