分析沙漠地區(qū)生物結(jié)皮的發(fā)育更替狀況,微生物論文

分析沙漠地區(qū)生物結(jié)皮的發(fā)育更替狀況,微生物論文全世界干旱、半干旱荒漠地區(qū)占到陸地面積的33%～40%，在這些地區(qū)有限的水分承載力限制了大多維管植物的生存，然而生物結(jié)皮卻能夠廣泛分布，甚至在一些地區(qū)占到生物覆蓋的70%以上．生物結(jié)皮是由藻類、地衣、苔蘚、真菌及異養(yǎng)細菌等生物組分膠結(jié)土壤顆粒在地表構(gòu)成的一層易剝離的復(fù)合生物土壤層，它們在荒漠地區(qū)的土表穩(wěn)定、營養(yǎng)改善、水分循環(huán)等方面起著非常重要的作用．同時，促進生物結(jié)皮的生長發(fā)育也被以為是抑制沙塵、改善荒漠生境最有效的方式方法之一．正是由于其重要的生態(tài)功能以及對荒漠環(huán)境獨特的奉獻，生物結(jié)皮在近些年來引起了國內(nèi)外諸多研究人員的廣泛關(guān)注．生物結(jié)皮作為荒漠地區(qū)典型的生命存在形式，本身一直處在不斷的發(fā)育演替經(jīng)過當中．在結(jié)皮的發(fā)育演替經(jīng)過中，根據(jù)優(yōu)勢種類的不同，一般將生物結(jié)皮劃分為藻結(jié)皮、地衣結(jié)皮和蘚結(jié)皮這3種主要的演替類型．藻結(jié)皮的優(yōu)勢類群為絲狀藍藻，但隨著結(jié)皮的發(fā)育，地衣、蘚類逐步成為結(jié)皮外表的優(yōu)勢類群，結(jié)皮發(fā)育演替至地衣結(jié)皮或蘚結(jié)皮．隨著結(jié)皮的發(fā)育演替，結(jié)皮中生物群落構(gòu)造不斷變化，而不同的生物類群勢必會影響結(jié)皮的生態(tài)功能．已有研究證實，不同發(fā)育演替階段生物結(jié)皮在固碳、固氮效率、抗壓強度、土壤質(zhì)地、土壤孔隙度等方面存在明顯差異不同．然而當前對于導(dǎo)致結(jié)皮這些生態(tài)功能及理化特性方面差異的內(nèi)在機制并沒有進行深切進入的研究．尤其在結(jié)皮的發(fā)育演替經(jīng)過中，微生物組成及生物量變化方面的研究非常缺乏．而開展此方面的研究，將有助于從本質(zhì)上揭示不同發(fā)育演替階段生物結(jié)皮在生態(tài)功能、理化特性及各屬性之間的差異．1、材料與方式方法1.1試驗區(qū)大概情況與樣品采集試驗區(qū)位于騰格里沙漠東南邊緣的沙坡頭地區(qū)(3732N，10502E，海拔1339m)，處于阿拉善高原荒漠與荒漠草原過渡地帶，屬典型的大陸性季風(fēng)沙漠氣候．該地區(qū)年平均氣溫9.6℃，平均降雨量為180mm，降雨主要集中在7～9月;空氣平均相對濕度為40%，年平均蒸散量大于3000mm，主要集中在生長季節(jié)(5～9月)．該地區(qū)的年平均風(fēng)速為2.6ms－1，大于5ms－1的起沙風(fēng)每年有200d左右．包蘭鐵路從這里經(jīng)過，為確保鐵路正常運行，從1956年開場該地區(qū)進行人工植被恢復(fù)．經(jīng)過長期的演替，該地區(qū)當前生態(tài)環(huán)境得到了改善，大量的生物結(jié)皮在沙土外表構(gòu)成．實驗所用結(jié)皮及流沙樣品于2018年6月采集于沙坡頭地區(qū)的人工植被恢復(fù)區(qū)，樣品基本特征見表1．結(jié)皮及流沙樣品用環(huán)刀和無菌鏟采集后裝于無菌培養(yǎng)皿中，Parafilm膜封口，所有樣品快速運回實驗室后一個月內(nèi)進行相關(guān)的實驗分析．1.2葉綠素a含量的測定結(jié)皮中的光合生物量用葉綠素a表示．葉綠素a測定時，將同一樣品分為兩份，一份直接測定結(jié)皮中總的葉綠素a含量，另一份則先去除地衣葉狀體和蘚類莖葉部分，之后再測定華而不實的葉綠素a含量．測定時，樣品先用研缽充分研磨，之后取1g左右土樣參加10mL丙酮在4℃提取過夜，葉綠素a含量根據(jù)Carcia-Pichel等的三色公式進行計算．1.3優(yōu)勢藻類的直接觀察鑒定結(jié)皮中優(yōu)勢藻類確實定利用結(jié)皮-水混合液在顯微鏡下直接觀察鑒定并計數(shù)．首先將結(jié)皮樣品過150目篩，然后取0.1g過篩結(jié)皮樣品參加10mL蒸餾水，混勻后在暗處放置12h．之后取0.1mL結(jié)皮-水混合液在顯微鏡下觀察，根據(jù)藻類的顯微形態(tài)特征對其鑒定，同時計算各種藻的生物體積，計算方式方法參照文獻的方式方法．1.4異養(yǎng)微生物數(shù)量確實定將結(jié)皮樣本在無菌條件下過150目篩，然后將過篩后的結(jié)皮樣品用無菌水稀釋成不同濃度梯度的結(jié)皮-水混合液，混勻后在暗處放置12h．之后在每一稀釋濃度的結(jié)皮-水混合液中分別取3份0.1mL結(jié)皮-水混合液涂布于牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、馬丁氏培養(yǎng)基和高氏I號培養(yǎng)基培養(yǎng)，用于培養(yǎng)結(jié)皮中的細菌、真菌和放線菌．培養(yǎng)細菌的平板置于37℃培養(yǎng)，培養(yǎng)放線菌和真菌的平板置于28℃培養(yǎng)．培養(yǎng)3～5d后進行菌落計數(shù)．1.5結(jié)皮理化特性測定結(jié)皮的理化特性包括含水量、質(zhì)地組成(華而不實沙粒、粉粒、黏粒的直徑分別為＞0.05mm、0.005～0.05mm、＜0.005mm)、有機碳、總氮及總磷含量根據(jù)文獻中所描繪敘述的方式方法進行測定．結(jié)皮厚度用游標卡尺進行測定;結(jié)皮pH和電導(dǎo)率在結(jié)皮5∶1水土比浸出液中用YSI-Proplus型多參數(shù)水質(zhì)分析儀進行測定;結(jié)皮K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Mn2+含量在M3土壤浸提液中用原子吸收分光光度法進行測定．1.6統(tǒng)計分析本研究中不同演替階段生物結(jié)皮中葉綠素a含量、藻類生物體積及異養(yǎng)微生物菌落數(shù)量之間的方差分析利用One-WayANOVA進行分析;藻類生物體積及異養(yǎng)微生物菌落數(shù)量與結(jié)皮理化特性之間的相關(guān)性分析用BivariateCorrelations進行分析．所有的數(shù)據(jù)分析在SPSS13.0軟件上進行．2、結(jié)果與分析2.1生物結(jié)皮的發(fā)育演替藻結(jié)皮以藍藻為優(yōu)勢群落，尤其是絲狀藍藻，如具鞘微鞘藻(Microcoleusvaginatus)、爪哇偽枝藻(Scytonemajavanicum)．藻結(jié)皮較薄，平坦、易碎，外表顏色較淺，藻類蓋度一般＞80%．地衣結(jié)皮中以膠質(zhì)狀地衣為主，如堅韌膠衣(Collematenax)．地衣結(jié)皮厚度增加，外表較粗糙，外表顏色加深，地衣葉狀體分布在結(jié)皮外表，且此時蘚類很少出現(xiàn)，枯燥時地衣最大蓋度可到達80%，濕潤時則覆蓋整個結(jié)皮外表．蘚結(jié)皮中以真蘚和對齒蘚為主，如銀葉真蘚(Bryumargenteum)、黑對齒蘚(Didymodonnigrescens)等．蘚結(jié)皮厚度可到達15mm，外表被地毯狀的蘚類植物體所覆蓋，蓋度有時可到達100%．調(diào)查顯示該試驗區(qū)生物結(jié)皮一般根據(jù)藻結(jié)皮地衣結(jié)皮蘚結(jié)皮的形式進行發(fā)育演替．在一些情況下，蘚類可以直接在藻結(jié)皮上萌發(fā)生長，進而從藻結(jié)皮直接演替到蘚結(jié)皮(圖1)．2.2結(jié)皮中光合生物生物量變化作為結(jié)皮中重要的生物類群，光合生物是結(jié)皮有機碳的主要奉獻者，在結(jié)皮的生長、發(fā)育、演替、恢復(fù)經(jīng)過中都起著重要作用．本研究同樣發(fā)現(xiàn)，隨著結(jié)皮的發(fā)育演替，結(jié)皮中的光合生物量呈逐步增加的趨勢(圖2)．當把地衣的葉狀體和蘚類的莖葉部分去除后，結(jié)皮中的光合生物則僅剩下自由生長的藻類．由圖2結(jié)果顯示，自由生長的藻類在藻結(jié)皮、地衣結(jié)皮到蘚結(jié)皮的演替經(jīng)過中呈下降的趨勢．然而盡管從藻結(jié)皮到地衣結(jié)皮，自由生長的藻類生物量有所下降，但總的藻類生物量卻呈逐步增加．這講明，當演替到地衣結(jié)皮階段時，大部分藻類是以共生狀態(tài)存在的，葉狀體中的共生藻是光合生物量的主要奉獻者．具鞘微鞘藻(M．vaginatus)在所有結(jié)皮類型中都是自由生長藻類群落中的第一優(yōu)勢種，其生物量(以結(jié)皮計，下同)最大可到達0.33mm3g－1，從藻結(jié)皮到蘚結(jié)皮逐步減少(P＜0.05)．爪哇偽枝藻(S．javanicum)在結(jié)皮中的生物量僅次于微鞘藻，為第二優(yōu)勢種．偽枝藻(S．javanicum)在藻結(jié)皮和蘚結(jié)皮中的生物量均較低，在地衣結(jié)皮中的生物量較高，最大可到達0.13mm3g－1．念珠藻(華而不實一種:Nostocsp．)在藻結(jié)皮、地衣結(jié)皮以及蘚結(jié)皮中的生物量都很低，大多情況其生物量都＜0.02mm3g－1，但在地衣結(jié)皮中念珠藻(Nostocsp．)生物量卻明顯高于其他兩種演替類型(P＜0.05)，最高可到達0.06mm3g－1(圖3)．2.3結(jié)皮中異養(yǎng)微生物生物量變化3、種異養(yǎng)微生物在不同演替階段結(jié)皮中的生物量呈現(xiàn)類似的變化規(guī)律(圖4)，即從流沙到藻結(jié)皮，3種異養(yǎng)微生物的生物量都出現(xiàn)一次增加，之后到地衣結(jié)皮，它們的生物量又呈現(xiàn)下降的趨勢，最后演替到蘚結(jié)皮，3種異養(yǎng)微生物的生物量再次增加，而且它們的生物量均在蘚結(jié)皮階段到達最大值，細菌(以菌落/結(jié)皮計，下同)到達18105CFUg－1，真菌到達3.4105CFUg－1，放線菌到達16.5105CFUg－1．2.4結(jié)皮微生物生物量與土壤理化特性之間的關(guān)系隨著結(jié)皮的發(fā)育演替，結(jié)皮厚度、含水量逐步增加，結(jié)皮質(zhì)地中沙粒含量逐步減少，粉粒、黏粒含量增加(表1)．同時結(jié)皮中有機碳、總氮、總磷含量也逐步增加，各種離子在結(jié)皮土壤積累(數(shù)據(jù)未顯示)．通過結(jié)皮微生物生物量與土壤理化指標相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，微鞘藻(M．vaginatus)生物量與結(jié)皮厚度及含水量呈顯著負相關(guān)(P＜0.05);偽枝藻(S．javanicum)、念珠藻(Nostocsp．)生物量都與pH呈顯著正相關(guān)(P＜0.05);細菌數(shù)量與結(jié)皮厚度、有機碳及Na+含量呈顯著正相關(guān)(P＜0.05);真菌數(shù)量與K+、Na+含量呈顯著正相關(guān)(P＜0.05;表2)．3、討論在干旱、半干旱荒漠地區(qū)，由于水分的缺乏大部分植被很難生存，而生物結(jié)皮由于其獨特的生理生態(tài)特性卻能夠在該地區(qū)廣泛分布．在生物結(jié)皮發(fā)育演替的經(jīng)過中，很多研究已證實藍藻(尤其是絲狀藍藻)由于其對荒漠環(huán)境極強的適應(yīng)性能夠優(yōu)先在沙土外表拓殖生長，并最先構(gòu)成藻結(jié)皮．藻結(jié)皮代表結(jié)皮發(fā)育演替的初級階段，但它們卻能夠通過改善表土微環(huán)境來增加晚期結(jié)皮物種拓殖生存的可能性，進而促進結(jié)皮的發(fā)育演替．在本實驗中發(fā)現(xiàn)，沙坡頭地區(qū)的生物結(jié)皮一般根據(jù)藻結(jié)皮地衣結(jié)皮蘚結(jié)皮的形式發(fā)育演替，但在一些微環(huán)境條件下，蘚類可以直接在藻結(jié)皮上萌發(fā)生長，進而從藻結(jié)皮直接演替到蘚結(jié)皮．結(jié)皮的發(fā)育演替受很多周圍微環(huán)境的影響(如土壤構(gòu)造、類型，輻射強度，地形等)，甚至由于一些資源條件的限制(如水分、營養(yǎng)等)，會使結(jié)皮停留在某一發(fā)育演替階段．在沙坡頭地區(qū)，本實驗研究發(fā)現(xiàn)總體上生物結(jié)皮在從早期的藻結(jié)皮向晚期的地衣結(jié)皮、蘚結(jié)皮發(fā)育演替，而且隨著結(jié)皮的發(fā)育演替，土壤質(zhì)地逐步改善，結(jié)皮外表特征也相應(yīng)發(fā)生變化(如顏色加深、外表愈加粗糙)．這些變化一方面改善了結(jié)皮區(qū)域的土壤微環(huán)境，另一方面由于土壤微環(huán)境(如土壤營養(yǎng)、理化性質(zhì)等)的改善進一步促進了結(jié)皮的發(fā)育演替．盡管整體上研究區(qū)域的生物結(jié)皮在不斷向晚期階段發(fā)育演替，但也有研究表示清楚一些不利的因素仍可能致使晚期的結(jié)皮逆向演替到早期階段(如干擾，長期的干旱、高溫等)．因而，即便在同一研究區(qū)域，由于微環(huán)境的差異仍可能導(dǎo)致不同的結(jié)皮發(fā)育演替形式，進而在同一區(qū)域呈現(xiàn)多種不同發(fā)育演替階段的生物結(jié)皮．隨著結(jié)皮的發(fā)育演替光合生物量逐步增加，因而結(jié)皮光合生物量被以為是評價結(jié)皮發(fā)育水平的一個良好指標．在結(jié)皮光合生物中，藻類、地衣、蘚類在不同的結(jié)皮演替階段成為結(jié)皮的優(yōu)勢類群．在演替初期的藻結(jié)皮中，地衣、蘚類的生物量較低，主要的光合生物為具鞘微鞘藻(M．vaginatus)和爪哇偽枝藻(S．javanicum);但當結(jié)皮演替到晚期時，地衣、蘚類逐步成為結(jié)皮的優(yōu)勢類群，如地衣結(jié)皮中的堅韌膠衣(C．tenax)以及蘚結(jié)皮中的銀葉真蘚(B．a(chǎn)rgenteum)和黑對齒蘚(D．nigrescens)．此時，地衣或蘚類生物量顯著超過藻類，占據(jù)結(jié)皮大部分光合生物量，但假如將地衣葉狀體和蘚類莖葉部分去除后，自由生長的藻類便是結(jié)皮中僅有的光合生物類群．本實驗研究發(fā)現(xiàn)地衣結(jié)皮中(地衣蓋度約70%～80%)自由生長的藻類生物量不到光合生物量的30%;蘚結(jié)皮中(蘚類蓋度100%)藻類生物量還不到光合生物量的10%．地衣是藻類與真菌構(gòu)成的共生體，因而就藻類生物量而言，盡管本研究發(fā)現(xiàn)自由生長的藻類生物量從藻結(jié)皮到地衣結(jié)皮有所下降，但總的藻類生物量卻明顯增加．這就表示清楚在地衣結(jié)皮中，大部分藻類是以共生狀態(tài)存在的，地衣葉狀體中的共生藻是光合生物量的主要奉獻者．之后，隨著結(jié)皮進一步向蘚結(jié)皮發(fā)育演替，實驗結(jié)果顯示結(jié)皮中的藻類生物量呈下降的趨勢，這可能是由于隨著蘚類的出現(xiàn)，藻類的生存空間逐步被占據(jù)所致．然而由于蘚類的出現(xiàn)，結(jié)皮厚度、含水量明顯增加(P＜0.05)，因而本實驗中微鞘藻(M．vaginatus)生物量顯示與結(jié)皮厚度及含水量呈負相關(guān)關(guān)系．另外，本實驗中微鞘藻(M．vaginatus)生物量隨著結(jié)皮的發(fā)育演替逐步下降，這也表示清楚微鞘藻(M．vaginatus)膠結(jié)、捆綁土壤顆粒的作用逐步被地衣、蘚類所取代．偽枝藻(S．javanicum)和念珠藻(Nostocsp．)為固氮種類，它們在晚期地衣結(jié)皮中生物量的增加則可能是由于結(jié)皮發(fā)育演替對氮需求的增加所致．隨著結(jié)皮的發(fā)育演替，表土微環(huán)境被逐步改善，而各種土壤理化特性(如有機質(zhì)含量、土壤質(zhì)地等)又是影響土壤微生物生物量的重要因素．本實驗研究發(fā)現(xiàn)異養(yǎng)微生物生物量(細菌、真菌、放線菌菌落數(shù))隨著結(jié)皮的發(fā)育呈現(xiàn)先增加后減少，最后再次增加的趨勢，而且在不同演替階段結(jié)皮中的關(guān)系為:蘚結(jié)皮＞藻結(jié)皮＞地衣結(jié)皮．與藻結(jié)皮相比，異養(yǎng)微生物生物量在地衣結(jié)皮中明顯下降，這可能是由于大量地衣的出現(xiàn)所致．由于有研究報道地衣中大量的假根(共生真菌)不容易被培養(yǎng)，而這些假根也有可能通過分泌化學(xué)物質(zhì)來抑制其他異養(yǎng)微生物的生長．實驗中細菌、真菌以及放線菌的數(shù)量都與總的異養(yǎng)微生物生物量呈一致的變化規(guī)律，華而不實細菌數(shù)量的增加與有機碳、Na+含量的增加有關(guān)，真菌數(shù)量的增加與K+、Na+含量的增加有關(guān)(P＜0.05)．4、結(jié)論(1)通過對騰格里沙漠東南緣沙坡頭植被恢復(fù)區(qū)生物結(jié)皮的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)的生物結(jié)皮根據(jù)一定的形式進行發(fā)育演替，從早期到晚期有藻結(jié)皮、地衣結(jié)皮