長(zhǎng)白山林線過(guò)渡帶樹(shù)島土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能

馬銳驁,吳 輝,王志瑞,戴冠華,于大炮,姜 勇,李 慧,*

1 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所,森林生態(tài)與管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 沈陽(yáng) 110016 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

林線過(guò)渡帶是森林和其他植物地理群落之間的交錯(cuò)地帶,包括從郁閉森林線(郁閉度大于0.2且樹(shù)高大于3 m)到樹(shù)種線(樹(shù)高不足2 m 的矮曲木生長(zhǎng)的上限)的區(qū)域[1]。在這一特殊地帶,喬木處于生長(zhǎng)極限臨界狀態(tài),生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和生態(tài)過(guò)程在很小的海拔梯度內(nèi)發(fā)生劇烈變化,生物多樣復(fù)雜,對(duì)全球氣候變化及人類活動(dòng)干擾均極為敏感,歷來(lái)被生態(tài)學(xué)家視為生態(tài)系統(tǒng)脆弱區(qū)和全球變化預(yù)警區(qū)[2- 3]。在林線過(guò)渡帶內(nèi),由于局部地形條件的差異,具有遮蔽的微地形提供了溫暖、少風(fēng)、高濕的微氣候,形成斑塊狀或條帶性的不連續(xù)樹(shù)木分布集群,稱為 “樹(shù)島”[4]。樹(shù)島內(nèi)生存的樹(shù)木通常能達(dá)到與較低海拔郁閉森林同樣的高度和胸徑,因此揭示樹(shù)島這一特殊生境的生態(tài)特征及其形成機(jī)制,對(duì)于預(yù)測(cè)未來(lái)氣候變化下林線動(dòng)態(tài)具有重要意義。

之前對(duì)于林線過(guò)渡帶的研究大多關(guān)注地上植被群落結(jié)構(gòu)特征[5- 8],對(duì)于生物地化循環(huán)過(guò)程的重要參與者——土壤微生物群落卻知之甚少。土壤微生物是土壤養(yǎng)分循環(huán)的重要驅(qū)動(dòng)者,直接參與碳、氮、硫、磷等養(yǎng)分的物質(zhì)循環(huán)和能量代謝,并且與地上植被存在著緊密的養(yǎng)分交流和生態(tài)關(guān)聯(lián)[9- 10],對(duì)維持生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能具有重要貢獻(xiàn)。在林線過(guò)渡帶同一海拔高度,有的生境能適宜高大喬木生長(zhǎng),形成不同規(guī)模的樹(shù)島；而有的生境則形成高山草甸或苔原等開(kāi)闊地帶。樹(shù)島內(nèi)外溫度、輻射、地上植被群落組成、凋落物和根系分泌物、土壤理化性質(zhì)等環(huán)境因子均存在巨大差異,必然選擇不同的土壤微生物群落；反之,土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能也將影響土壤養(yǎng)分循環(huán),進(jìn)而影響地上植被的生長(zhǎng)和樹(shù)島擴(kuò)張動(dòng)態(tài)。

長(zhǎng)白山北坡岳樺帶主要分布在海拔1700—2000 m,在海拔1950 m左右形成急變型林[11](圖1)。從海拔1900 m到2030 m為林線過(guò)渡帶,在過(guò)渡帶內(nèi),岳樺總體呈斑塊狀分布,形成大小不同規(guī)模的樹(shù)島。由于氣候變暖,長(zhǎng)白山北坡岳樺林線在過(guò)去160年內(nèi)上移了80米,樹(shù)島面積不斷擴(kuò)張[12]。本文以過(guò)渡帶內(nèi)較大的樹(shù)島(2.7 hm2)為研究對(duì)象(圖1),通過(guò)測(cè)定了土壤養(yǎng)分、土壤微生物呼吸和胞外酶活性,并采用宏基因組測(cè)序分析了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)組成和功能基因豐度,擬揭示樹(shù)島這一特殊生境的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征和潛在生態(tài)功能。同時(shí),通過(guò)與同海拔的開(kāi)闊區(qū)生境進(jìn)行對(duì)比,從土壤養(yǎng)分和土壤微生物學(xué)角度,闡明樹(shù)島擴(kuò)張的可能驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

圖1 長(zhǎng)白山林線過(guò)渡帶開(kāi)闊區(qū)與樹(shù)島相對(duì)位置示意圖 Fig.1 Schematic diagram of the open area and tree island in the treeline transition zone of Changbai Mountain treeline

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域簡(jiǎn)介和土壤樣品采集

長(zhǎng)白山屬于溫帶大陸性山地氣候,夏季溫暖多雨,冬季寒冷漫長(zhǎng)。山頂和山下氣候差異大,年平均降水量為750 mm,年平均氣溫分別為2.8℃和7.3℃。降水多集中在夏季(6—8月份)。本研究選擇長(zhǎng)白山北坡岳樺林-苔原過(guò)渡帶(42°04′—42°05′N,128°07′—128°08′E)為研究對(duì)象,海拔范圍2000—2030 m。如圖1,在這一林線過(guò)渡帶內(nèi),樹(shù)島中以喬木型岳樺(Betulaermanii)、牛皮杜鵑(Rhododendronchrysanthum)、小葉章(Deyeuxiaangustifolia)、篤斯越桔(Vacciniumvitis-idaea)為主。開(kāi)闊區(qū)如圖1D,植物主要以灌木型岳樺(Betulaermanii)、牛皮杜鵑(Rhododendronchrysanthum)、小葉章(Deyeuxiaangustifolia)、篤斯越桔(Vacciniumvitis-idaea)為主。2019年7月,分別采集樹(shù)島與同海拔高度開(kāi)闊區(qū)土壤,每個(gè)生境選取3個(gè)20 m×20 m樣方作為重復(fù)。在每個(gè)樣方內(nèi),選取中心和四個(gè)角共5個(gè)樣點(diǎn)采集土壤,混合成為一個(gè)土壤樣品。采集土壤時(shí),先去除凋落物層,采用直徑3 cm土鉆鉆取表層(0—10 cm)土壤樣品,相當(dāng)于有機(jī)質(zhì)層(O層)。土壤樣品去除根系和石塊后分為三份：一份自然風(fēng)干,用于測(cè)定土壤理化性質(zhì)；一份4℃條件保存,用于測(cè)定土壤呼吸、微生物生物量和土壤酶活性；一份于-20℃保存,用于提取微生物基因組并進(jìn)行后續(xù)測(cè)序分析。

1.2 土壤理化性質(zhì)測(cè)定

1.3 土壤微生物量測(cè)定

微生物量碳(Microbial biomass carbon, MBC)和微生物量氮(Microbial biomass nitrogen, MBN)微生物量磷(Microbial biomass phosphorus, MBP)采用氯仿熏蒸-浸提法,微生物量碳氮用0.5 mol/L K2SO4溶液浸提后,濾液用TOC分析儀(High-TOC, Elementar Vario MACRO cube, Germany)進(jìn)行測(cè)定。微生物量磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提,鉬銻抗比色法測(cè)定。

1.4 土壤呼吸測(cè)定

土壤基礎(chǔ)呼吸(Basal respiration, BR)測(cè)定：稱取15 g鮮土,置于150 mL三角瓶中,在25 ℃培養(yǎng)箱靜置24 h。將室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)至25 ℃,向三角瓶中泵入無(wú)CO2的空氣,充氣2.5 min后用紅外氣體分析儀(Li-COR 820)測(cè)定CO2的濃度和流速。底物誘導(dǎo)呼吸(Substrate induced respiration, SIR)的測(cè)定：25 ℃培養(yǎng)24 h后,向土壤中加入2 mL濃度為6%的葡萄糖溶液,靜置1.5 h,測(cè)定其呼吸速率,之后測(cè)定步驟同土壤基礎(chǔ)呼吸。碳有效性指數(shù)(Carbon availability index, CAI)為BR與SIR的比值。

1.5 土壤酶活性測(cè)定

β- 1,4-葡萄糖苷酶(β- 1,4-glucosidase, BG)、N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶(N-acetyl-β-D-glucosaminidase, NAG)、酸性磷酸酶(Acid phosphatase, ACP)、芳基硫酸酯酶(Aryl Sulfatase, ARS)采用對(duì)硝基苯酚(ρ-nitrophenol, PNP)比色法測(cè)定,酶活性用底物裂解后釋放的對(duì)硝基苯酚含量來(lái)表征,單位為mg PNP kg-1h-1。具體方法：稱取1 g鮮土,加入250 μL甲苯,4 mL修正過(guò)pH的緩沖溶液和1 mL底物,混勻后在37 ℃下培養(yǎng)1 h。培養(yǎng)結(jié)束后加入終止劑,過(guò)濾,濾液用紫外分光光度計(jì)在410 nm處比色測(cè)量對(duì)硝基苯酚含量。纖維素水解酶(Cellulase, CEL)和蛋白質(zhì)水解酶(Protease, PRO)的特異性結(jié)合底物分別為羧甲基纖維素鈉鹽和酪蛋白,具體方法為：稱取1 g鮮土,加入250 μL甲苯,5 mL緩沖溶液和5 mL底物,混勻后分別在30℃條件下培養(yǎng)24 h,在50℃下培養(yǎng)2 h。培養(yǎng)結(jié)束后加入終止劑過(guò)濾,濾液離心后取5 mL的上清液與7.5 mL的堿性試劑混合,用紫外分光光度計(jì)分別在710 nm和700 nm處比色測(cè)量葡萄糖和酪氨酸含量。多酚氧化酶(Polyphenol oxidase, PPO)和過(guò)氧化物酶(Peroxidase, PER)分別與10 mL 1%鄰苯三酚和4 mL檸檬酸磷酸鹽(過(guò)氧化物加入10 mL 1%鄰苯三酚和2 mL 5%H2O2)(緩沖至pH 4.5),并在30°C下培養(yǎng)2 h,培養(yǎng)結(jié)束后加入混35 mL乙醚萃取。乙醚浸提液在分光光度計(jì)430 nm進(jìn)行比色。單位mg PPG kg-1h-1[13- 15]。

1.6 土壤DNA提取和宏基因組測(cè)序

土壤微生物DNA采用DNeasy? PowerSoil? Kit試劑盒提取(Qiagen公司),每個(gè)土壤樣品稱取0.35 g鮮土,提取步驟按照試劑盒說(shuō)明書進(jìn)行。提取完成后采用nanodrop 2000測(cè)定DNA濃度,取2 μg DNA樣品,使用超聲波破碎儀Covaris M220將DNA打斷為約300 bp的片段。采用NEXTFLEX Rapid DNA-Seq Kit構(gòu)建PE文庫(kù),包括接頭鏈接、使用磁珠篩選去除接頭自連片段、利用PCR擴(kuò)增進(jìn)行文庫(kù)模板的富集、磁珠回收PCR產(chǎn)物。使用Illumina NovaSeq測(cè)序平臺(tái)進(jìn)行橋式PCR宏基因組測(cè)序(上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司),測(cè)序深度為每樣品12 GB。

宏基因組序列分析選取軟件fastp[16](https://github.com/OpenGene/fastp, version 0.20.0)對(duì)序列3′端和5′端的adapter序列進(jìn)行剪切,并去除剪切后長(zhǎng)度小于50 bp、平均堿基質(zhì)量值低于20以及含未知堿基的序列,保留高質(zhì)量的雙端序列(pair-end reads)和單端序列(single-end reads)；使用拼接軟件MEGAHIT[17](https://github.com/voutcn/megahit, version 1.1.2)對(duì)優(yōu)化序列進(jìn)行拼接組裝。在拼接結(jié)果中篩選≥300 bp的序列片段(contigs)作為最終的組裝結(jié)果。使用MetaGene[18](http://metagene.cb.k.u-tokyo.ac.jp/)對(duì)拼接結(jié)果中的contigs進(jìn)行ORF預(yù)測(cè)。用CD-HIT[19](http://www.bioinformatics.org/cd-hit/, version 4.6.1)對(duì)所有樣品預(yù)測(cè)出來(lái)的基因序列進(jìn)行聚類(設(shè)置90% identity、90% coverage),每類取最長(zhǎng)的基因作為代表序列,構(gòu)建非冗余基因集。選擇核酸長(zhǎng)度大于等于100bp的基因,并將其翻譯為氨基酸序列。

使用Diamond[20](http://www.diamondsearch.org/index.php, version 0.8.35)將非冗余基因集的氨基酸最長(zhǎng)序列與NR數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)(BLASTP比對(duì)參數(shù)設(shè)置期望值e-value為1e- 5),并通過(guò) NR庫(kù)對(duì)應(yīng)的分類學(xué)信息數(shù)據(jù)庫(kù)獲得物種注釋,然后使用物種對(duì)應(yīng)的基因豐度總和計(jì)算該物種的豐度,與eggNOG數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)(BLASTP比對(duì)參數(shù)設(shè)置期望值e-value為1e- 5),獲得基因?qū)?yīng)的COG(Clusters of orthologous groups of proteins)功能,然后使用COG對(duì)應(yīng)的基因豐度總和計(jì)算該COG的豐度。

1.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

本文中數(shù)據(jù)均表示為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤(n=3)。采用R 4.0.3統(tǒng)計(jì)分析軟件中t檢驗(yàn)(雙邊檢驗(yàn))比較樹(shù)島和同海拔開(kāi)闊區(qū)土壤理化性質(zhì)、土壤微生物生物量和基因相對(duì)豐度。用Response ratio計(jì)算樹(shù)島相對(duì)于開(kāi)闊區(qū)土壤酶活性、優(yōu)勢(shì)微生物類群相對(duì)豐度及功能基因相對(duì)豐度的響應(yīng)比(α=0.05)[21]。采用Pearson相關(guān)分析計(jì)算土壤微生物優(yōu)勢(shì)類群相對(duì)豐度、功能基因、土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)間的相關(guān)性。柱形圖采用R語(yǔ)言ggplot 2軟件包繪制,熱圖采用R語(yǔ)言pheatmap軟件包繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 樹(shù)島與同海拔開(kāi)闊區(qū)土壤養(yǎng)分差異

由表1可以看出,樹(shù)島的土壤理化性質(zhì)異質(zhì)性相對(duì)于開(kāi)闊區(qū)更強(qiáng)(樹(shù)島的標(biāo)準(zhǔn)誤高于同海拔開(kāi)闊區(qū))。樹(shù)島含水量顯著高于同海拔開(kāi)闊區(qū)(P= 0.02),樹(shù)島內(nèi)土壤平均含水量為50%,而同海拔開(kāi)闊區(qū)處土壤平均含水量為45%。樹(shù)島內(nèi)土壤全碳全氮平均含量分別為138.5 g/kg和7 g/kg,而開(kāi)闊區(qū)處土壤分別為101.2 g/kg、5.3 g/kg。t檢驗(yàn)表明,樹(shù)島土壤的平均全碳、全氮含量顯著高于開(kāi)闊區(qū)(P<0.05),分別比開(kāi)闊區(qū)高37%和32%。土壤平均含水量與TC、TN呈正相關(guān)關(guān)系(r=0.99和0.97；P<0.01)。樹(shù)島土壤可溶性碳氮(DOC和DON)及速效養(yǎng)分含量(速效磷、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮)含量與開(kāi)闊區(qū)沒(méi)有顯著差異(P>0.05)。

表1 樹(shù)島與同海拔開(kāi)闊區(qū)土壤理化性質(zhì)

2.2 樹(shù)島與同海拔開(kāi)闊區(qū)土壤微生物生物量和活性差異

從圖2可知,樹(shù)島土壤平均微生物生物量碳(MBC)和氮(MBN)均顯著高于開(kāi)闊區(qū)(P<0.05),分別高于開(kāi)闊區(qū)77%和92%。樹(shù)島土壤平均基礎(chǔ)呼吸(BR)和碳有效性指數(shù)(CAI)顯著高于開(kāi)闊區(qū)(P<0.05),底物誘導(dǎo)呼吸(SIR)沒(méi)有顯著差異(P>0.05)。

樹(shù)島土壤纖維素酶(CEL)平均活性顯著高于開(kāi)闊區(qū)(P<0.001),分別為664.03 mg Glu kg-1d-1和281.30 mg Glu kg-1d-1(表2)。開(kāi)闊區(qū)土壤的多酚氧化酶(PPO)平均活性顯著高于樹(shù)島(P<0.05),分別為229.00 mg PPG kg-1h-1和139.21mg PPG kg-1h-1。其他檢測(cè)的6種土壤酶活性,包括β- 1,4-葡萄糖苷酶(BG)、N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶(NAG)、過(guò)氧化物酶(PER)、酸性磷酸酶(ACP)、芳基硫酸酯酶(ARS)、蛋白酶(PRO),在樹(shù)島及開(kāi)闊區(qū)之間沒(méi)有顯著差異(P>0.05)。

2.3 樹(shù)島與同海拔開(kāi)闊區(qū)土壤微生物結(jié)構(gòu)組成差異

樹(shù)島和開(kāi)闊區(qū)土壤微生物優(yōu)勢(shì)類群相似(圖3),其中變形菌門(Proteobacteria)平均豐度最高,分別占樹(shù)島和開(kāi)闊區(qū)土壤微生物群落的40.5%和45.7%,放線菌門(Actinobacteria)其次,分別占35.7%和29.5%,放線菌門在樹(shù)島土壤中平均豐度顯著高于開(kāi)闊區(qū)(P<0.05)；酸桿菌門(Acidobacteria)分別占比10.7%和11.3%,酸桿菌門在開(kāi)闊區(qū)土壤豐度顯著高于樹(shù)島(P<0.05)。其他相對(duì)豐度在1%—10%之間的優(yōu)勢(shì)類群還包括綠彎菌門Chloroflexi、疣微菌門Verrucomicrobia、擬桿菌門Bacteroidetes、厚壁菌門Firmicutes、藍(lán)細(xì)菌Cyanobacteria、浮霉菌門Planctomycetes、子囊菌門Ascomycota。

2.4 樹(shù)島與同海拔開(kāi)闊區(qū)土壤微生物功能基因差異

根據(jù)COG分類體系,功能基因被分為4大類(level 1)：新陳代謝、信息儲(chǔ)存和加工、細(xì)胞加工和信號(hào)傳遞及功能未知。4個(gè)大類別又可以進(jìn)一步細(xì)分為26個(gè)亞類(level 2),其中樹(shù)島土壤宏基因組亞類中與轉(zhuǎn)錄功能(Transcription, COG K)、防御機(jī)制(Defense mechanisms, COG V)、細(xì)胞分裂相關(guān)的功能(Cell cycle control, cell division, chromosome partitioning, COG D)基因豐度顯著高于開(kāi)闊區(qū)土壤(P<0.05)。開(kāi)闊區(qū)土壤中無(wú)機(jī)離子運(yùn)輸和代謝相關(guān)的基因(Inorganic ion transport and metabolism, COG P)顯著高于樹(shù)島土壤(P<0.05)。碳水化合物運(yùn)輸和代謝(Carbohydrate transport and metabolism, COG G)基因的總體豐度在樹(shù)島與開(kāi)闊區(qū)間無(wú)顯著差異,但在構(gòu)成COG G亞類的不同種COG(level 3)中進(jìn)一步比較發(fā)現(xiàn)(圖4),在樹(shù)島土壤中含有更多的COG0366和COG1472基因,即淀粉酶水解基因與糖基水解酶基因(β- 1,4-葡萄糖苷酶),而開(kāi)闊區(qū)中表達(dá)了更多的COG0726和COG3459,即多糖脫乙酰酶及纖維二糖磷酸化酶。

表2 樹(shù)島與同海拔開(kāi)闊區(qū)土壤酶活性差異

圖3 樹(shù)島與同海拔開(kāi)闊區(qū)土壤優(yōu)勢(shì)微生物類群相對(duì)豐度Fig.3 Differences in the relative abundance of selected microbial phyla between tree islands and open area at the same altitude*P<0.05,**P<0.01

圖4 樹(shù)島與同海拔開(kāi)闊區(qū)土壤微生物功能基因差異 Fig.4 Differences in the abundance of soil microbial functional gene between tree islands and the open area at the same altitude*P<0.05,**P<0.01; COG.G: 碳水化合物運(yùn)輸和代謝Carbohydrate transport and metabolism；COG.K： 轉(zhuǎn)錄功能Transcription；COG P: 無(wú)機(jī)離子運(yùn)輸和代謝相關(guān)的基因Inorganic ion transport and metabolism；COG.V: 防御機(jī)制Defense mechanisms；COG D: 細(xì)胞分裂相關(guān)的功能Cell division ；COG1472: β-葡萄糖苷酶基因Beta-glucosidase ；COG0366: α-淀粉酶水解基因Alpha-amylase ；COG0726: 肽聚糖/木聚糖/幾丁質(zhì)脫乙酰酶基因Peptidoglycan/xylan/chitin deacetylase ；COG3459: 纖維二糖磷酸化酶Cellobiose phosphorylase

2.5 土壤微生物群落組成和功能與土壤理化性質(zhì)相關(guān)關(guān)系

由圖5可知,酸桿菌門(Acidobacteria)相對(duì)豐度、多糖脫乙酰酶基因(COG0726)和纖維二糖磷酸化酶(COG3459)基因以及與木質(zhì)素降解相關(guān)的土壤酶(多酚氧化酶PPO和過(guò)氧化物酶PER)活性與土壤水分(Moisture)、全碳(TC)、全氮(TN)、可溶性碳(DOC)、速效磷(Olsen-P)、碳有效性指數(shù)(CAI)、土壤呼吸(BR)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖5右上藍(lán)色部分)。而放線菌門(Actinobacteria)相對(duì)豐度、COG1472(糖基水解酶基因)以及纖維素水解酶(CEL)活性與土壤水分、全碳、全氮、速效磷、碳有效性指數(shù)、土壤呼吸呈正相關(guān)(圖5右下紅色部分)。由于氨氮、硝氮與所有微生物學(xué)指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系均不顯著(P>0.05),因此沒(méi)有在圖中展示。

圖5 微生物優(yōu)勢(shì)類群相對(duì)豐度、功能基因豐度和土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系Fig.5 Correlations between soil properties and the relative abundance of specific phyla, functional genes, and soil enzymatic activities* P<0.05；** P<0.01；*** P<0.001;TC：總碳Total carbon;TN：總氮Total nitrogen;DOC：可溶性碳Dissolved organic carbon;DON：可溶性氮Dissolved organic nitrogen;CAI：碳有效性指數(shù)Carbon availability index;BR:土壤基礎(chǔ)呼吸Basal respiration;PPO：多酚氧化酶Polyphenol oxidase;PER：過(guò)氧化物酶Peroxidase;CEL：纖維素酶Cellulase；BG：β-1,4-葡萄糖苷酶β-glycosidase

3 討論

3.1 樹(shù)島土壤水養(yǎng)條件優(yōu)于同海拔開(kāi)闊區(qū)

本研究發(fā)現(xiàn),樹(shù)島土壤的水分含量顯著大于開(kāi)闊區(qū),這可能是由于在開(kāi)闊區(qū)處,沒(méi)有樹(shù)蔭遮蔽,蒸散量較大。也可能是微地形導(dǎo)致的,樹(shù)島位于一個(gè)地勢(shì)相對(duì)低洼的區(qū)域,由于水分徑流作用使樹(shù)島土壤水分富集。岳樺的徑向生長(zhǎng)受水分的影響,優(yōu)越的水分條件是形成以高大喬木為主的樹(shù)島的先決條件[22]。反之,樹(shù)島內(nèi)樹(shù)木的定植又增加了其土壤水分保持能力。樹(shù)島土壤的全量碳、氮庫(kù)均顯著大于開(kāi)闊區(qū)。樹(shù)島的全氮含量達(dá)到6.97 g/kg,更接近于位于海拔1800 m的郁閉岳樺林(6.5 g/kg),而同海拔開(kāi)闊區(qū)全氮含量?jī)H有5.29 g/kg, 更接近海拔2000 m林線過(guò)渡帶全氮含量(4.6 g/kg)[23]。樹(shù)島內(nèi)岳樺凋落物和根際分泌物向土壤中輸入養(yǎng)分,增強(qiáng)了土壤肥力,而開(kāi)闊區(qū)位置沒(méi)有高大的喬木型岳樺,凋落物少,養(yǎng)分貧瘠。碳有效性指數(shù)(CAI)是用基礎(chǔ)呼吸除底物誘導(dǎo)呼吸計(jì)算得到的,反映了微生物在添加底物葡萄糖前后呼吸速率的差異,從一定程度上代表了微生物的碳饑餓程度[24]。當(dāng)CAI較高時(shí),代表微生物處于碳飽和狀態(tài),指示環(huán)境的養(yǎng)分狀態(tài)相對(duì)較好。研究中,樹(shù)島土壤的CAI相對(duì)較高,即相對(duì)于開(kāi)闊區(qū)位置,其代表一種富營(yíng)養(yǎng)生境；而開(kāi)闊區(qū)土壤CAI較低,表征一種相對(duì)寡營(yíng)養(yǎng)生境。本研究中,并未發(fā)現(xiàn)樹(shù)島土壤的速效養(yǎng)分(銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效磷)含量與同海拔開(kāi)闊區(qū)有顯著差異(表1),這可能與采樣季節(jié)有關(guān)。在夏季,前一年的凋落物已基本完成分解過(guò)程,釋放到土壤中的速效養(yǎng)分在春季和夏季被地上植被和土壤微生物利用,而這時(shí)又沒(méi)有新鮮凋落物輸入,因此,速效養(yǎng)分在樹(shù)島內(nèi)和毗鄰的開(kāi)闊區(qū)位置無(wú)顯著差異。這一結(jié)果也提示,在未來(lái)工作中,在生長(zhǎng)季不同時(shí)間采集土壤樣品進(jìn)行相關(guān)分析是十分必要的。

3.2 樹(shù)島土壤微生物的r-策略傾向和同海拔開(kāi)闊區(qū)土壤微生物的K-策略傾向

r-K策略通常用來(lái)描述動(dòng)植物的生活史特征,一般來(lái)說(shuō),r-策略生物在資源充足的情況下使固有生長(zhǎng)速率最大化,而K-策略生物在資源有限的情況下能夠競(jìng)爭(zhēng)并存活下來(lái)。后來(lái),微生物學(xué)家把r-K策略的概念借鑒到微生物生態(tài)學(xué)研究中[25],并逐漸鞏固擴(kuò)展[26]。r-策略微生物適合在富營(yíng)養(yǎng)生境存活,生長(zhǎng)速率高,生境適應(yīng)廣泛,對(duì)養(yǎng)分輸入響應(yīng)迅速,偏好利用相對(duì)容易降解的碳組分,例如多糖、纖維素等。由于r-策略微生物快速而頻繁地調(diào)節(jié)新陳代謝并使用耗能的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白來(lái)獲取營(yíng)養(yǎng),因此其基因組中與細(xì)胞運(yùn)動(dòng)(N)、防御機(jī)制(V)、轉(zhuǎn)錄(K)和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制(T)相關(guān)的基因都較K-策略微生物高[27]。此外,r-策略微生物參與簡(jiǎn)單碳水化合物降解基因豐度高,例如編碼糖基水解酶、淀粉水解酶多糖和纖維素水解酶的基因。因此,r-策略微生物也通常具有較高的纖維素水解酶活性。K-策略微生物更適合于在寡營(yíng)養(yǎng)環(huán)境下生長(zhǎng),生長(zhǎng)緩慢,生境范圍窄,偏好利用難降解碳組分[26],例如木質(zhì)素,土壤酶活性也表現(xiàn)出降解木質(zhì)素的多酚氧化酶和過(guò)氧化物酶含量更高[26]。因此,K-策略微生物也通常具有較高的木質(zhì)素酶活性。一般來(lái)說(shuō),細(xì)菌中的酸桿菌門被定義為寡營(yíng)養(yǎng)菌,即K-策略微生物；而放線菌被劃分為相對(duì)富營(yíng)養(yǎng)菌,即r-策略微生物。真菌中的子囊菌被認(rèn)為具有r-策略傾向,而擔(dān)子菌具有K-策略傾向。

圖6 樹(shù)島與同海拔開(kāi)闊區(qū)土壤理化性質(zhì)和微生物指標(biāo)響應(yīng)比 Fig.6 Response ratio of soil physicochemical properties and microbial parameters between tree islands and the open area at the same altitude

本研究發(fā)現(xiàn),樹(shù)島土壤中與微生物r-策略相關(guān)的指標(biāo),包括纖維素水解酶活性、放線菌相對(duì)豐度、與細(xì)胞生長(zhǎng)和基礎(chǔ)代謝相關(guān)的功能基因豐度、與簡(jiǎn)單糖類化合物水解相關(guān)的基因豐度(淀粉酶水解基因與糖基水解酶基因)均高于同海拔開(kāi)闊區(qū)土壤。反之,開(kāi)闊區(qū)土壤中與微生物K-策略相關(guān)的指標(biāo),包括多酚氧化酶活性、酸桿菌相對(duì)豐度、復(fù)雜化合物(肽聚糖、幾丁質(zhì)、乙酰木聚糖和纖維素二糖)降解基因豐度較高(圖6)。以上證據(jù)表明,由于樹(shù)島土壤養(yǎng)分更豐富,碳有效性高,土壤微生物群落傾向于采取r-策略；而開(kāi)闊區(qū)土壤養(yǎng)分貧瘠,碳有效性低,土壤微生物群落傾向于采取K-策略。土壤酶活性的差異還可能與凋落物質(zhì)量有關(guān)。在開(kāi)闊區(qū)域,凋落物主要來(lái)自灌木型岳樺和其他小型灌木,如牛皮杜鵑、篤斯越桔；而在樹(shù)島內(nèi),凋落物除了來(lái)自灌木,還主要來(lái)自岳樺落葉。闊葉凋落物纖維素含量比灌木凋落物纖維素含量高[28],因此誘導(dǎo)了更高的纖維素酶活性。相關(guān)分析也證明,過(guò)氧化物酶、乙酰木聚糖降解、纖維二糖磷酸化酶基因等K-策略指標(biāo)與指示土壤養(yǎng)分狀態(tài)的指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,包括碳有效性指數(shù)、土壤全量碳氮等；而r-策略指標(biāo)則與土壤養(yǎng)分呈正相關(guān)關(guān)系。在之前的研究中,也有學(xué)者提出,碳有效性指數(shù)、呼吸和有效氮等土壤養(yǎng)分指標(biāo)可以作為指示微生物r-K策略的環(huán)境因子[29]。土壤微生物這種養(yǎng)分利用策略反過(guò)來(lái)也會(huì)調(diào)控土壤養(yǎng)分周轉(zhuǎn)和地上植被生長(zhǎng),形成正反饋效應(yīng),從而進(jìn)一步促進(jìn)樹(shù)島擴(kuò)大或者向海拔更高處上移。

4 結(jié)論

本文研究了長(zhǎng)白山岳樺林線過(guò)渡帶樹(shù)島內(nèi)外土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和潛在生態(tài)功能的差異,結(jié)果表明,樹(shù)島土壤的養(yǎng)分庫(kù)存更高,碳有效性大,微生物生物量高,土壤微生物傾向于采取r-策略,包括較高的纖維素酶活性、富營(yíng)養(yǎng)微生物相對(duì)豐度、與細(xì)胞生長(zhǎng)和基礎(chǔ)代謝相關(guān)的功能基因和分解簡(jiǎn)單碳水化合物的功能基因豐度。反之,開(kāi)闊區(qū)土壤養(yǎng)分庫(kù)和碳有效性較低,微生物生物量低,土壤微生物傾向于采取K-策略,包括較高的多酚氧化酶活性、寡營(yíng)養(yǎng)微生物相對(duì)豐度和降解復(fù)雜碳水化合物的功能基因豐度,和較低的維持細(xì)胞生長(zhǎng)和基礎(chǔ)代謝功能基因豐度。土壤養(yǎng)分增加和微生物群落采取r-策略也可能是導(dǎo)致樹(shù)島形成和規(guī)模擴(kuò)張的潛在驅(qū)動(dòng)機(jī)制,研究結(jié)果為理解林線形成機(jī)制和預(yù)測(cè)未來(lái)氣候變化條件下林線動(dòng)態(tài)提供了科學(xué)依據(jù)。但本研究?jī)H重點(diǎn)關(guān)注土壤養(yǎng)分和微生物在樹(shù)島形成過(guò)程中的作用,實(shí)際上,樹(shù)島的形成可能還與物理環(huán)境因素(例如溫度、降水、風(fēng)、雪等)[30]和植物生理因素(例如生長(zhǎng)抑制和碳水化合物不足[31- 32]有關(guān)),后續(xù)還需加強(qiáng)樹(shù)島形成和林線動(dòng)態(tài)的綜合驅(qū)動(dòng)機(jī)制分析。