環(huán)境因素對濕地土壤微生物群落影響研究進展

王金爽　胡　泓　李甜甜　李正炎　呂向梨（ 盤錦市濕地科學研究所，遼寧 盤錦 4000；中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院，山東 青島 6600 ）

環(huán)境因素對濕地土壤微生物群落影響研究進展

王金爽1胡泓2李甜甜2李正炎2呂向梨2
（1 盤錦市濕地科學研究所，遼寧 盤錦 124000；2中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院，山東 青島 266100 ）

濕地生態(tài)系統(tǒng)具有水陸過渡帶的重要特征，在養(yǎng)分循環(huán)、能量流動、環(huán)境凈化、維持生態(tài)平衡等方面有著重要的生態(tài)環(huán)境功能。土壤微生物是濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對于深入探討濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構和功能具有非常重要的作用?？偨Y(jié)了濕地生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物組成與多樣性的相關研究，綜述了植被、鹽度、水分、污染物等環(huán)境因素對微生物的影響，并對其未來的研究方向進行展望，提出加強分子生物學技術在濕地土壤微生物領域的應用、擴大環(huán)境因素的研究范圍、采用多因素綜合分析方法的研究方向。

濕地；土壤微生物；影響因素

額濟納濕地（張丕業(yè) 攝）

微生物是濕地生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，在濕地物質(zhì)循環(huán)與能量流動等過程中起到關鍵的作用，由于其對生態(tài)環(huán)境變化比較敏感，因此濕地土壤微生物群落的組成和多樣性成為指示環(huán)境變化的重要指標。濕地土壤生態(tài)系統(tǒng)中的微生物種類、它們擁有的基因以及這些微生物與環(huán)境之間相互作用的多樣化程度能夠反映土壤環(huán)境條件的演化，對于深入探討濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構和功能變化具有非常重要的作用（趙先麗等，2009；林先貴等，2008）。目前對于土壤微生物群落組成及多樣性的研究多集中于森林生態(tài)系統(tǒng)、草原生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)（Yin et al，2014；Birgander et al，2014；Stone et al，2014；Qian et al，2014），濕地生態(tài)系統(tǒng)的相關研究相對較少。近年來，濕地土壤微生物研究逐漸受到人們關注，但大部分研究主要集中于人工濕地微生物種類鑒定及污染物降解功能方面，有關自然濕地的土壤微生物研究相對較少（Nicomrat etal，2006； Ahn et al，2009）。

土壤微生物與環(huán)境作用的多樣性是其多樣性的重要組成部分，環(huán)境因素對于土壤微生物多樣性及其群落組成有著重要的影響，其中包括自然的環(huán)境條件改變和人類活動的干擾，這些因素相互影響、綜合作用于微生物群落。本文綜述了自然濕地土壤微生物與環(huán)境因素關系的相關研究，分析和總結(jié)了環(huán)境因素對濕地土壤微生物的影響機理，為自然濕地土壤微生物多樣性及土壤肥力恢復提供理論支持。

1　植被狀況對微生物群落組成的影響

在濕地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤微生物與土壤、植被共同組成一個功能微系統(tǒng)，土壤微生物的種類、分布及群落特征受濕地植被特征（植物種類、地面生物量、覆蓋率、生物多樣性指數(shù)）與土壤的理化性質(zhì)（土壤質(zhì)地、通氣性、pH和養(yǎng)分含量）等因素的影響（Liu et al，2013； Wardle et al， 2004）。對黃河三角洲濕地植物群落及土壤的研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在裸灘向蘆葦群落演替的過程中，土壤微生物的多樣性顯著增加（Yu et al， 2012）。在長江口九段沙濕地植被不同演替階段，土壤微生物δ-變形菌門（δ- Proteobacteria）、綠彎菌門（Chloroflexi）、酸桿菌門（Acidobacteria）的一些種類以及噬細胞菌屬（Cytophaga）、交替赤細胞菌屬（Altererythrobacter）等均出現(xiàn)在演替的后半階段，表明互花米草的生物量提高對濕地土壤的含水率、通氣性和營養(yǎng)元素組成產(chǎn)生了顯著影響（Tang et al， 2011）。可見，互花米草、蘆葦?shù)葍?yōu)勢植被有利于土壤微生物群落結(jié)構和功能的優(yōu)化。

2　土壤鹽度對微生物群落結(jié)構與多樣性的影響

土壤鹽度含量影響土壤微生物的群落組成，從而對有機物的分解、植物的營養(yǎng)供應等過程產(chǎn)生抑制作用（Rath et al， 2014）。在濕地生態(tài)系統(tǒng)中，由于受到氣候變化以及人工灌排水的影響，土壤含鹽量不斷升高，已經(jīng)成為制約濕地發(fā)展的重要環(huán)境問題。對長江口九段沙濕地的研究表明不同鹽度含量土壤中微生物群落組成存在差異，低鹽度的土壤中異養(yǎng)代謝功能強的β-變形菌（β-Proteobacteria）、γ-變形菌（γ- Proteobacteria）以及放線菌（Actinobacteria）相對豐富，而高鹽度的土壤中ε-變形菌（ε- Proteobacteria）相對豐富（Xi et al， 2014）。此外，有學者研究了珠江流域淡水沉積物、潮間帶沉積物以及海水沉積物細菌群落的差異，發(fā)現(xiàn)淡水沉積物中微生物的多樣性和均勻度是最高的，潮間帶次之，海水沉積物最低（Wang et al， 2012）。王震宇等（2010）對黃河三角洲退化濕地微生物群落的分析也表明鹽度與微生物多樣性以及活性具有顯著的負相關關系。Asghar（2012）等研究發(fā)現(xiàn)，在中低鹽度土壤中，微生物具有更強的有機物分解能力，而在鹽漬化土壤中，微生物活性降低?？傊?，土壤鹽度的增加會抑制土壤異養(yǎng)細菌的生長，從而使?jié)竦赝寥赖奈镔|(zhì)分解、養(yǎng)分循環(huán)等功能受到影響，植物覆蓋度降低，呈退化趨勢。

3　水分狀況對微生物群落組成與活性的影響

在濕地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤水分含量、分布及運移決定了土壤鹽分狀況及通氣性能，從而影響土壤微生物群落的組成與多樣性。適宜的土壤水分條件及土壤通氣性能有利于土壤微生物的生長繁殖，使其結(jié)構保持穩(wěn)定，而長期干旱或者淹水都會造成土壤通氣性、pH值、鹽度等狀況的改變，從而抑制細菌的繁殖和生長（Peralta et al，2014）。隨著全球變暖的加劇，干旱越來越頻繁地發(fā)生在濕地生態(tài)系統(tǒng)。Kim等（2008）研究了短期干旱對于濕地微生物基因組成與多樣性的影響，結(jié)果顯示，短期缺水引起泥炭濕地真菌、亞硝酸鹽還原酶、甲基輔酶M還原酶的基因豐度顯著下降，而對于脫氮菌（Denitrifiers）、產(chǎn)甲烷菌（Mathanogens）的多樣性及組成變化均不明顯。可見，短期的缺水對于微生物群落組成的影響相對較小，但會影響酶的活性。Peralta等（2013）研究發(fā)現(xiàn)土壤水分的增加改變了脫氮微生物的組成，從而使反硝化作用速率顯著升高。另外有研究表明干旱氣候使真菌多樣性指數(shù)顯著提高，但細菌多樣性變化不大（Acosta-Mart í n e z et al，2014）。水分的變化對于濕地微生物的功能產(chǎn)生一定的影響，短期的干旱產(chǎn)生的危害較小，如果長期得不到改善，將使?jié)竦赝寥牢⑸锶郝浣Y(jié)構產(chǎn)生變化，進而影響到濕地的物質(zhì)循環(huán)。

4　污染物排放對微生物群落結(jié)構與活性的影響

除了一些自然因素的改變，人為的污染物排放也是濕地生態(tài)系統(tǒng)所面臨的巨大威脅。隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，大量工業(yè)廢水、生活污水和化肥、農(nóng)藥等有害物質(zhì)被排入水體與土壤，對濕地生態(tài)系統(tǒng)造成嚴重破壞。自然狀態(tài)下，土壤微生物群落結(jié)構保持較高的穩(wěn)定性，而污染環(huán)境下，由于微生態(tài)環(huán)境變化與污染脅迫作用，土壤微生物代謝過程、微生物群落結(jié)構發(fā)生改變（楊萌青等，2013）。由于微生物類別的測定技術和方法的限制，難以準確、可靠地識別現(xiàn)場微生物群落結(jié)構與污染物之間的響應關系。因此，目前大部分研究都是通過室內(nèi)模擬的方式來研究石油、重金屬、有機污染物等對土壤微生物群落的影響。世界上很多重要濕地中都有油田分布，如美國路易斯安娜油田、黑海油田，中國的勝利油田、大慶油田、遼河油田都位于濕地內(nèi)，土壤中的石油污染物會對土壤動物和微生物造成毒害作用，特別是其濃度較高時，對濕地土壤微生態(tài)環(huán)境的破壞容易引起土壤微生物群落、區(qū)系的變化（闞興艷等， 2012）。Tian等（2014）研究了石油污水灌溉對于河口濕地蘆葦根際土壤微生物的影響，結(jié)果表明細菌群落結(jié)構受到的影響較小，而優(yōu)勢菌發(fā)生了變化，變形菌門（Proteobacteria）和擬桿菌門（Bacteroidetes）的一些菌種形成了穩(wěn)定的優(yōu)勢菌群，而厚壁菌門（Firmicutes）、放線菌門（Actinobacteria）以及藍藻細菌（Cyanobacteria）的一些種群有所下降。重金屬在土壤中受到土壤膠體的競爭吸附作用，另外土壤的pH值將影響到重金屬的溶解性，因此對于土壤微生物的破壞更嚴重。Nwuche等（2008）研究了重金屬Cu、Zn、Ni對于微生物的影響，結(jié)果表明C、N的礦化速率、微生物量碳、微生物呼吸都受到抑制，并且同時加入兩種金屬其毒性具有協(xié)同作用。此外，研究表明除草劑等有機污染物同樣會抑制微生物的活性，改變其群落結(jié)構（Sura et al，2012）。不同類型的污染物對于濕地微生物都有著抑制作用，其危害程度受到污染物濃度、作用時間以及環(huán)境條件等綜合影響。

5　其他因素

5.1施肥對微生物群落多樣性的影響

微生物群落的結(jié)構和功能反應了土壤的質(zhì)量和肥力，在土壤的物質(zhì)循環(huán)中起著重要的作用。一些濕地生態(tài)系統(tǒng)由于荒漠化加劇，土壤肥力流失嚴重，因此，目前在濕地恢復過程中有學者試圖通過施肥來恢復土壤肥力。Islam等（2011）利用BIOLOG碳素利用法研究了施加不同種類的化肥對于濕地土壤微生物的長期影響，結(jié)果表明施加肥料會提高微生物的碳源利用率，其中施加秸稈堆肥與化學肥料的混合肥效果最好，只施加化學肥料的土壤微生物多樣性最低。另外，對中國北部土壤研究表明施加有機物和P（磷肥）、K（鉀肥）的土壤微生物多樣性比施加NPK（氮磷鉀肥）、僅NP（氮磷肥）、僅NK（氮鉀肥）等的多樣性都高，并且厚壁菌門（Firmicutes）的含量在施加有機物、PK（磷鉀肥）的土壤中含量顯著高于其他處理（Ge et al，2008）。不同的土壤其理化性質(zhì)有顯著差異，在修復過程中施加肥料類型、含量及比例關系要根據(jù)實際土壤養(yǎng)分情況經(jīng)過嚴密的實驗確定。

5.2季節(jié)因素對微生物群落結(jié)構的影響

不同季節(jié)土壤溫度、含水率、植被的生長狀況等環(huán)境條件不同，這些差異導致了微生物活性與結(jié)構的季節(jié)效應。微生物的活性通常在夏季較高而冬季較低。Ansola等（2014）研究了西班牙西北部濕地微生物群落組成，結(jié)果表明自然濕地和人工濕地的土壤細菌群落結(jié)構沒有受到季節(jié)明顯的影響。季節(jié)因素對微生物群落的影響取決于環(huán)境條件隨季節(jié)的變化程度。

6　展望

濕地特別是自然濕地生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境條件復雜，濕地土壤微生物研究起步相對較晚，很多分子生物學技術難以得到廣泛的應用。因此，今后濕地土壤微生物群落結(jié)構與多樣性研究應該從以下幾方面加強：

首先，加強分子生物學技術的應用。研究技術的進步特別是分子生物學技術的發(fā)展，使微生物的研究不斷深入，目前環(huán)境因素對于微生物的影響大多只是停留在表面現(xiàn)象的描述，而對于微生物群落結(jié)構組成與變化的深入研究較少，今后應加強在基因水平的研究。

其次，應擴大環(huán)境因素研究的范圍。目前大量的研究都集中于鹽漬化、植被演替等影響較大的因素，而其他因素如土壤理化性質(zhì)、季節(jié)變化、動物多樣性等研究較少，這種不均衡不利于濕地微生物變化的機理性研究。只有研究的環(huán)境因素足夠全面深入，我們才能對微生物群落結(jié)構組成與多樣性的變化進行準確的判斷，從而指導濕地的保護與恢復。

再次，注意多因素綜合分析。濕地生態(tài)系統(tǒng)兼有水生環(huán)境和陸地環(huán)境的雙重特征，淹水環(huán)境改變土壤通氣性，造成土壤微生物的厭氧環(huán)境，水體中的C、N、P等營養(yǎng)元素對土壤產(chǎn)生直接的影響，同時土壤質(zhì)地、孔隙大小、有機質(zhì)含量等因素也制約著微生物群落結(jié)構，此外不同的植被也會影響微生物的組成與活性，微生物群落結(jié)構與多樣性的改變是多種因素綜合作用的結(jié)果，因此，需要開展多種因素作用下土壤微生物的響應機制研究。

闞興艷，于君寶，王雪宏，等.2012.石油污染濕地土壤生物修復研究進展［J］.濕地科學，10（2）：251-256

林先貴，胡君利.2008.土壤微生物多樣性的科學內(nèi)涵及其生態(tài)服務功能［J］.土壤學報，45（5）：892-900

楊萌青，李立明，李川，等.2013.石油污染土壤微生物群落結(jié)構與分布特性研究［J］.環(huán)境科學，34（2）：789-794

趙先麗，周廣勝，呂國紅.2009.遼河三角洲不同植被類型土壤微生物特征研究［J］.土壤通報，40（6）：1266-1269

A h n C, P e r a l t a R M.2 0 0 9.S o i l bacterial community structure and physicochemical properties in mitigation wetlands created in the Piedmont region of Virginia (USA) [J]. Ecological Engineering , 35:1036-1042

Asghar H N , Setia R , Marschner P .2012. Community composition and activity of microbes from saline soils and non-saline soils respond similarly to changes in salinity [J]. Soil Biology & Biochemistry, 47:175-178

Acosta-Martínez V, Cotton J, Gardner T, et al.2014. Predominant bacterial and fungal assemblages in agricultural soils during a record drought/heat wave and linkages to enzyme activities of biogeochemical cycling[J] . Applied Soil Ecology, 84:69–82

Ansola G, Arroyo P, Miera L E, et al. 2014. Characterisation of the soil bacterial community structure and composition of natural and constructed wetlands[J]. Science of the Total Environment, 473/474:63-71

Birgander J, Rousk J, Olsson P A.2014. Comparison of fertility and seasonal effects on grassland microbial communities [J]. Soil Biology & Biochemistry, 76:80-89

Ge Y, Zhang J B, Zhang L M, et al.2008. Long-term Fertilization Regimes Affect Bacterial Community Structure and Diversity of an Agricultural Soil in Northern China [J].J Soils Sediments, 8 (1): 43-50

Islam M R, Chauhan P S, Kim Y, et al.2011. Community level functional diversity and enzyme activities in paddy soils under different long-term fertilizer management practices [J]. Biol Fertil Soils,47:599-604 Kim S Y, Lee S H, Freeman C, et al. 2008. Comparative analysis of soil microbial communities and their responses to the short-term drought in bog, fen, and riparian wetlands [J]. Soil Biology & Biochemistry, 40:2874-2880

Liu Y, Li F, Sun Q Y, et al.2013.Review on the Study of Soil Microorganisms in Wetland Ecosystems [J]. Chinese Journal of Appplied Environmental Biology, 19(3):547-552

Nwuche C O, Ugoji E O.2008.Effects of heavy metal pollution on the soil microbial activity [J]. Int. J. Environ. Sci. Tech, 5 (2):409-414

Nicomrat D, Dick W A, Tuovinen O H, et al.2006. Assessment of the Microbial Community in a Constructed Wetland that Receives Acid Coal Mine Drainage [J]. Microbial Community In An AMD Wetland, 51:83–89

Peralta A L, Ludmer S, Matthews J W, et al.2014.Bacterial community response to changes in soil redox potential along a moisture gradient in restored wetlands [J]. Ecological Engineering, 73: 246-253

Peralta A L, Ludmer S, Kent A D.2013. Hydrologic history influences microbial community composition and nitrogen cycling under experimental drying/ wetting treatments[J]. Soil Biology & Biochemistry, 66:29-37

Qian X, Gu J, Sun W, et al.2014.Changes in the soil nutrient levels, enzyme activities, microbial community function, and structure during apple orchard maturation [J]. Applied Soil Ecology, 77:18-25

Rath K M, Rousk J. 2014. Salt effects on the soil microbial decomposer community and their role in organic carbon cycling: A review [J]. Soil Biology & Biochemistry:1-16.http://dx.doi. org/10.1016/j.soilbio.2014.11.001

Stone M M, DeForest J L, Plante A F, et al.2014.Changes in extracellular enzyme activity and microbial community structure with soil depth at the Luquillo Critical Zone Observatory [J]. Soil Biology & Biochemistry, 75:237-247

Sura S, Waiser M, Tumber V, et al.2012. Effects of herbicide mixture on microbial communities in prairie wetland ecosystems:A whole wetland approach [J].Science of the Total Environment ,435/436 :34-43.

Tang Y S, Wang L, Jia J W, et al.2011. Response of soil microbial community in Jiuduansha wetland to different successional stages and its implications for soil microbial respiration and carbon turnover[J]. Soil Biology & Biochemistry, 43:638-646

Tian W J, Zhao Y G, Sun H M, et al.2014. The effect of irrigation with oil-polluted water on microbial communities in estuarine reed rhizosphere soils [J]. Ecological Engineering, 70:275–281

Wardle D A, Bardgett R D, Klironomos J N, et al.2004.Ecological Linkages Between Aboveground and Belowground Biota [J]. Science, 304: 1629-1633

Wang Y, Sheng H F, He Y, et al.2012. Comparison of the Levels of Bacterial Diversity in Freshwater, Intertidal Wetland, and Marine Sediments by Using Millions of Illumina Tags [J]. Applied and Environmental Microbiology , 78(23): 8264-8271

Wang Z Y, Xin Y Z, Gao D M, et al.2010. Microbial Community Characteristics in a Degraded Wetland of the Yellow River Delta [J]. Pedosphere, 20(4):466-478

Xi X, Wang L, Hu J, et al.2014. Salinity influence on soil microbial respiration rate of wetland in the Yangtze River estuary through changing microbial community[J]. J. Environ. Sci. http:// dx.doi.org/10.1016/j.jes.2014.07.016

Yin R, Deng H, Wang H L, et al.2014. Vegetation type affects soil enzyme activities and microbial functional diversity following re-vegetation of a severely eroded red soil in sub-tropical China [J]. Catena, 115:96-103

Yu Y, Wang H, Liu J, et al.2012.Shifts in microbial community function and structure along the successional gradient of coastal wetlands in Yellow River Estuary [J]. European Journal of Soil Biology, 49:12-21

Progress in Studies of Impacts of Environmental Factors on Microbe Community in Wetland Soil

WANG Jin-Shuang1HU Hong2LI Tian-Tian2LI Zheng-Yan2Lü Xiang-Li2
(1 Panjin Institute of Wetland Science, Panjin124000, Liaoning; 2 Department of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, Shandong)

Wetland ecosystem plays a vital role in nutrient cycling, energy fow， environmental purifcation， and maintenance of ecological balance. Soil microorganism is an important part of wetland ecosystem, playing an important role in exploring structure and function of wetland ecosystem. This paper tries to summarize relevant studies in soil microbial composition and diversity of wetland ecological system, including the impacts of vegetation, salinization, soil moisture, pollutants and other environmental conditions on soil microorganisms. In addition, a future perspective of research directions was provided. It was suggested that application of molecular and biological technologies in the field of wetland soil microbial be strengthened, the scope of environmental factors be expanded, and multi-factor comprehensive analysis be used for future studies.

Wetland; Soil microbial community; Environmental factors

10.3969/j.issn.1673-3290.2015.04.19

2015-09-07

遼河河口區(qū)水質(zhì)改善與濕地水生態(tài)修復技術集成與示范（2013ZX07202-007）

王金爽（1982-），男，遼寧盤錦人，高級農(nóng)藝師，主要從事

濕地生態(tài)研究。E-mail：kingtiger1982 0717@163.com

李甜甜，E-mail：184398147 @qq.com