2025, Vol. 46
2. 中国林业科学研究院生态保护与修复研究所, 北京 100091;
3. 河北衡水湖湿地生态系统国家定位观测研究站, 衡水 053000
, ZHANG Man-yin1,2,3
, LI Jing1,2 , CUI Li-juan1,2 , GUO Zi-liang1,2,3 , LIU Wei-wei1,2,3 , WANG He-nian1,2,3 , WANG Da-an1,2,3
2. Institute of Ecological Conservation and Restoration, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China;
3. Hebei Hengshuihu National Wetland Ecosystem Research Station, Hengshui 053000, China
苔草沼泽是一种重要的湿地类型, 一般是苔草属（Carex）植物占主导的湿地, 广泛分布于温带沼泽、河流和湖泊的岸边[1]. 苔草沼泽湿地中常会出现高于地表 10~40 cm, 由土壤、植物残体、凋落物以及植物根茎所堆积成的小丘, 形成苔草沼泽草丘微地貌[2, 3]. 草丘在特定环境条件下至少需要3a才可以达到18cm的高度, 形成和发育过程缓慢. 由于草丘具有较强的维持生物多样性、储存有机质和固碳等功能[4, 5], 且在发育过程中多有泥炭累积, 因此草丘在草本泥炭沼泽的形成发育和气候调节过程中具有重要作用[6, 7]. 近30 a来, 由于人为破坏干扰和水位降低等因素导致沼泽湿地发生改变甚至大规模退化, 苔草草丘沼泽湿地土壤养分显著下降[8], 土壤碳氮比、有机碳和总氮含量等也会随退化程度的增加显著降低[9], 而土壤pH值呈现增加趋势[10]. 先前研究较多聚焦于不同退化程度下苔草沼泽湿地地上植被变化和土壤理化特征的研究[11~13], 而对于退化苔草沼泽湿地中土壤微生物的群落结构、多样性和功能以及环境因子与土壤微生物间相互关系等方面的关注度不足.
沼泽湿地中土壤微生物在土壤有机质分解、物质循环等过程中发挥着关键作用[14]. 土壤细菌群落物种多样性、稳定性以及功能组成会因为湿地退化而产生显著变化[15], 因此可以指示湿地生态系统健康状况和湿地退化的程度[16, 17]. 而在微地形地表下, 土壤的有机质、养分有效性和氧化还原条件等具有异质性, 从而会对土壤微生物群落产生影响[18~20]. 但当前研究中较少结合草丘微地形特点分析苔草沼泽湿地退化对微生物群落结构及功能的影响过程. 据此, 本文选择莫莫格国家级自然保护区为研究地, 以苔草沼泽湿地为研究对象, 结合草丘物理特征作为退化程度判定条件, 选取自然未退化湿地（ND）、轻度退化（LD）和重度退化（HD）这3种退化程度, 分析不同退化程度苔草沼泽湿地土壤理化性质、土壤细菌群落结构及功能变化特征, 探究退化沼泽湿地中影响土壤微生物群落结构及功能的关键环境因素, 以期为认识苔草沼泽生态系统的退化与恢复过程提供理论依据.
1 材料与方法 1.1 研究区概况研究区位于镇赉县境内的莫莫格国家级自然保护区（123°27′~124°04′E, 45°42′~46°18′N）, 属于温带大陆性季风气候. 莫莫格湿地是国际重要湿地, 属于松嫩平原沼泽湿地典型代表, 嫩江、洮儿河和二龙涛河流经该保护区, 冲击形成80 000 hm2的沼泽湿地, 大量鹤鹳类水鸟在此栖息, 生态类型丰富[21]. 苔草沼泽湿地处于哈尔淖水库与嫩江之间的河漫滩位置, 具体分布及退化状况如图 1所示.
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沼泽湿地分布数据来源于国家科技基础条件平台——国家地球系统科学数据中心（http://www.geodata.cn） 图 1 研究区及苔草草丘沼泽湿地不同退化程度概况 Fig. 1 Overview of different degradation levels of the study area and the Carex tussock marsh wetland |
综合考虑草丘微地形的物理特征、野外土壤瞬时理化数据和人为干扰程度, 并参考先前研究中湿地退化标准[22], 在研究区选取3个不同退化程度沼泽湿地（表 1）, 分别为自然湿地未退化（ND）、轻度退化（LD）和重度退化（HD）.
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表 1 苔草草丘沼泽湿地不同退化程度判定依据1） Table 1 Determination basis of different degradation degrees of Carex tussock marsh wetland |
1.2 样地设置与样本采集
于2023年5~7月对研究区进行地上植被调查, 划分湿地3种退化程度（ND、LD和HD）, 样地间距大于500 m. 每个样地随机设置5个1 m×1 m的样方, 样方之间距离不少于100 m, 每个样方内采用五点取样法一式两份采集0~20 cm深度的表层土样, 均匀混合后形成复合样品. 同时调查地上植被的种类、丰度和多度. 采集的土壤装入无菌自封袋后快速低温运回实验室, 剔除枯落物和植物根系, 一部分土壤风干, 研磨过筛用于测定土壤理化指标, 一部分-20℃冷冻保存, 用于提取土壤DNA. 表 2为各样地基本信息.
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表 2 苔草草丘沼泽湿地不同退化程度基本信息 Table 2 Basic information on different degrees of degradation of Carex tussock marsh wetland |
1.3 土壤理化性质分析
土壤全氮（TN）采用凯氏定氮法测定, 土壤全磷（TP）采用钼锑抗比色法测定, 土壤全碳（TC）采用燃烧法-元素分析法测定, 土壤有机碳（SOC）采用国标GB7857-87外加热法测定, 土壤pH值采用蒸馏水振荡-pH仪法测定, 土壤全钾（TK）、全铁（TFe）和锌（Zn）采用高温消解ICP方法测定.
1.4 土壤细菌DNA提取及基因检测采用OMEGA Soil DNA Kit（D5625-01）（Omega Bio-Tek, Norcross, GA, USA）试剂盒提取总基因组DNA, 并在-20℃下保存, 以便进一步分析. 采用NanoDrop NC2000分光光度计（Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA）和琼脂糖凝胶电泳分别测定提取DNA的数量和质量. 利用细菌338F（5'-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3'）和反向引物806R（5'-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3'）对细菌16S rRNA基因V3~V4区进行PCR扩增. 将样品特异性的7-bp条形码纳入引物中进行多重测序. PCR组分为缓冲液5 μL（5倍）, Fast pfu DNA聚合酶0.25 μL（5 U·μL-1）, dNTPs 2 μL（2.5 mmol·L-1）, 正向引物和反向引物各1 μL（10 μmol·L-1）, DNA模板1 μL, ddH2O 14.75 μL. 扩增条件为98℃初始变性5 min, 25个循环（98℃变性30 s, 53℃退火30 s, 72℃延伸45 s）, 最后72 min. PCR扩增用Vazyme VAHTSTM DNA Clean Beads（Vazyme, 南京, 中国）纯化, 并使用Quant-iT PicoGreen dsDNA Assay Kit（Invitrogen, Carlsbad, CA, USA）进行定量. 在单个定量步骤后, 将等量扩增子合并, 使用Illumina NovaSeq平台和NovaSeq 6000 SP Reagent Kit（500循环）在上海派森诺生物科技股份有限公司（上海, 中国）进行对端2×250 bp测序.
1.5 数据处理采用Usearch对所有序列参照Greengenes数据库以97%的相似度进行OTU聚类分析, 得到OTU列表并对其进行序列数量标准化. 数据分析前进行正态分析和方差齐性检验（P < 0.05）. 采用单因素方差分析（one-way ANOVA）比较不同退化程度样地细菌Alpha多样性、Beta多样性分析和土壤理化因子之间差异的显著性, Alpha多样性中, 采用Shannon指数表征多样性, Pielou指数表征均匀度和Simpson指数表征优势度, Chao1表征丰富度. 对土壤理化因子和Alpha多样性指数进行Pearson相关性分析. Beta多样性分析中采用非度量多维尺度法（NMDS）分析细菌群落组成差异. 借助PICRUSt软件对细菌16S rRNA基因功能进行预测. 采用冗余分析探究了环境因子对不同退化程度土壤细菌群落组成和功能的影响. 数据分析采用R语言、Excel 2007和SPSS 26软件进行.
2 结果与分析 2.1 苔草沼泽湿地退化下土壤理化性质差异特征如图 2所示, 不同退化程度湿地土壤理化性质存在显著差异（P < 0.05）. 研究区湿地属于淡水沼泽, 土壤呈中性偏碱性, pH值范围为7.45~8.51, 且随着湿地退化程度的加深呈现先降低后增加的趋势, 在HD湿地土壤pH值最高. SOC、TN、TC和Zn含量随退化程度加深显著降低（P < 0.05）, 且均在ND含量最高, HD和ND相比, 分别降低了58.82%、47.37%、49.49%和13.99%. 土壤TK含量随湿地退化程度的加深显著增加, 增加了10.50%. 土壤TFe和TP含量随退化呈先增加后降低的趋势, 且差异显著, 其中LD含量最高.
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不同小写字母表示不同退化程度湿地间差异显著（P < 0.05） 图 2 苔草草丘沼泽湿地不同退化程度土壤理化性质的差异 Fig. 2 Differences in soil physical and chemical properties of Carex tussock marsh wetland with different degrees of degradation |
基于土壤细菌16S rDNA基因高通量测序并以97%的相似性聚类, 共分属66个门, 182个纲, 442个目, 717个科, 1 343个属. 如图 3（a）所示, 不同类型湿地土壤细菌优势菌门（相对丰度 > 1%的物种）相对丰度由大到小分别为：变形菌门（Proteobacteria）、酸杆菌门（Acidobacteriota）、芽单胞菌门（Gemmatimonadota）、拟杆菌门（Bacteroidota）、厚壁菌门（Firmicutes）绿弯菌门（Chloroflexi）、放线菌门（Actinobacteriota）、脱硫杆菌门（Desulfobacterota）、黏球菌（Myxococcota）和疣微菌门（Verrucomicrobiota）, 其中变形菌门和酸杆菌门相对丰度之和超过50%. 图 3（b）表明, 不同退化程度样地之间的优势菌群（门水平）相对丰度存在显著差异, 随退化程度的加深, ND的变形菌门和芽单胞菌门的相对丰度显著低于退化湿地（LD和HD）（P < 0.05）, ND的酸杆菌门和放线菌门的相对丰度显著高于退化湿地（LD和HD）（P < 0.05）, 黏球菌门在LD的相对丰度最高, 且显著高于ND和HD（P < 0.05）.
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*为P < 0.05, 色柱上不同小写字母表示不同退化程度湿地间差异显著（P < 0.05） 1.Proteobacteria, 2.Acidobacteriota, 3. Gemmatimonadota, 4. Actinobacteriota, 5. Myxococcota; 图 3 苔草草丘沼泽不同退化程度湿地门水平细菌群落和优势门相对丰度差异 Fig. 3 Differences in bacterial community and relative abundance of dominant bacteria at the phylum level with different degradation degrees of Carex tussock marsh wetland |
如表 3所示, 不同退化程度的苔草沼泽湿地土壤细菌群落Alpha多样性存在显著差异（P < 0.05）. Shannon指数在LD最高, 且LD和HD显著高于ND；Pielou指数随退化程度的加深呈显著增加的趋势；Simpson指数在LD最低, 但整体变化不明显. Chao1指数在LD最高, 但随退化程度的加深变化同样不显著. 结果表明, 退化湿地土壤细菌群落多样性和丰富度随退化程度的加深总体上表现为上升趋势.
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表 3 不同退化程度苔草草丘沼泽湿地土壤细菌群落多样性和丰富度1） Table 3 Diversity and richness of soil bacterial community in Carex tussock marsh wetland with different degradation degrees |
图 4展示的为基于非度量多维尺度法（non-metric multidimensional scaling, NMDS）对研究区不同退化程度湿地土壤细菌群落结构的差异性进行分析. 设定的排序轴数量为3, Strees值为0.070 2, 表明分析结果具有解释意义. 从中可得, 3种不同退化程度苔草沼泽湿地土壤细菌群落结构差异不足以将3种菌群分开, 但可以区分未退化湿地（ND）菌群和已退化湿地菌群（LD和HD）. LD和HD土壤菌群结构之间差异不显著, 但未退化湿地和已退化湿地土壤菌群结构之间差异显著（P < 0.05）.
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不同颜色代表不同退化程度的采样点, 椭圆分别表示不同退化程度湿地的95%置信区间 图 4 苔草草丘沼泽湿地不同退化程度细菌群落的NMDS分析 Fig. 4 NMDS analysis of bacterial communities at different levels of degradation in Carex tussock marsh wetlands |
利用功能差异分析探究微生物群落层次的基因型性状, 基于KEGG注释, 通过PICRUSt对比序列和功能数据库进行细菌群落代谢功能预测分析. 如表 4所示, 沼泽湿地不同退化程度土壤细菌具有6类一级代谢通路, 37类二级功能代谢通路. 不同退化程度下细菌主要一级功能存在显著差异（P < 0.05）, 退化下细菌群落一级代谢通路中新陈代谢、遗传信息处理和环境信息处理功能有显著差异（P < 0.05）. 新陈代谢为最主要功能, 占79.56%~80.73%, 在湿地退化下该功能显著减弱（P < 0.05）. 遗传信息处理功能占比12.43%, 仅次于新陈代谢功能, 并随退化程度的加深显著降低（P < 0.05）. 环境信息处理占2.04%, 且随退化程度的加深显著增加（P < 0.05）.
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表 4 苔草草丘沼泽湿地不同退化程度主要一级代谢功能1） Table 4 Primary metabolic function of Carex tussock marsh wetland with different degrees of degradation |
表 5展示的是新陈代谢二级功能中氨基酸代谢、其他次级代谢产物的生物合成、碳水化合物代谢、能量代谢、聚糖生物合成和代谢、萜类化合物和聚酮类化合物的代谢、核苷酸代谢以及外源性物质的生物降解与代谢存在显著差异. 随退化程度的加深, 外源性物质的生物降解与代谢显著增加, 其他二级功能在未退化湿地显著高于退化湿地（P < 0.05）. 遗传信息处理功能的二级功能中遗传信息转录、复制和修复功能随退化程度的加深显著降低（P < 0.05）. 环境信息处理的二级功能信号传导随退化程度的加深显著增加（P < 0.05）.
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表 5 苔草草丘沼泽湿地不同退化程度主要二级代谢功能差异1） Table 5 Differences in main secondary metabolic functions of Carex tussock marsh wetland with different degrees of degradation |
2.4 苔草沼泽湿地退化下环境因素对细菌群落结构及功能的影响
图 5为不同退化程度的苔草沼泽湿地环境因素与细菌多样性Pearson相关性分析热图, 环境因素包括土壤理化特征及草丘物理特征（直径、高度和数量）, 细菌多样性包括Pielou指数、Chao1指数、Shannon指数以及Simpson指数. 结果表明退化湿地土壤细菌Pielou指数与土壤TN、TC、SOC、草丘直径、草丘高度呈显著负相关（P < 0.05）, 与土壤TK呈显著正相关（P < 0.05）；Chao1指数与土壤TFe、Zn、TN、TC呈显著正相关（P < 0.05）；Shannon指数与草丘直径、草丘数量呈显著负相关（P < 0.05）；Simpson指数与土壤TFe呈显著负相关（P < 0.05）. 从草丘物理特征来看, 草丘的直径与土壤TK呈显著负相关（P < 0.01）, 与土壤Zn、TN、TC、SOC呈显著正相关（P < 0.05）. 草丘高度与土壤TK显著负相关（P < 0.01）, 与土壤TN、SOC显著正相关（P < 0.05）, 草丘数量与土壤TK显著负相关（P < 0.05）.
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1. Pielou指数, 2. Chao1指数, 3. Shannon指数, 4. Simpson指数, 5. 土壤pH, 6. 土壤TK, 7. 土壤TFe, 8. 土壤Zn, 9. 土壤TN, 10. 土壤TC, 11. SOC, 12. 土壤TP, 13. 草丘直径, 14. 草丘高度, 15. 草丘数量；色柱表示相关系数标度；星号表示不同样地植被指标差异显著, *表示P < 0.05, **表示P < 0.01, ***表示P < 0.001 图 5 苔草草丘沼泽湿地不同退化程度细菌多样性与环境因素Pearson相关性分析 Fig. 5 Pearson correlation analysis between bacterial diversity and environmental factors at different degrees of degradation in Carex tussock marsh wetland |
将不同退化程度苔草沼泽湿地土壤理化性质与土壤菌群结构和土壤细菌群落功能分别进行冗余分析, 如图 6所示, 对于退化沼泽湿地土壤菌群结构, 土壤理化性质解释了33.65%的变异[图 6（a）], 前两个典范轴能解释的方差分别为17.88%和15.77%. 其中, 土壤TFe、Zn和TP含量对于样本沿着第一轴的分布起到关键作用, 土壤pH值、TK和TN含量对于样本沿着第二轴的分布起到关键作用. pH值是影响不同退化程度下苔草沼泽湿地土壤细菌群落差异的极显著因素（P < 0.001）. 对于退化沼泽湿地土壤细菌群落功能, 土壤理化性质解释了74.26%的变异[图 6（b）], 前两个典范轴能解释的方差分别为63.18%和11.08%. 其中, 土壤SOC、Zn、TN、TC和pH值含量对于样本沿着第一轴的分布起到关键作用, TP含量对于样本沿着第二轴的分布起到关键作用. TFe和Zn是不同退化程度湿地土壤细菌群落功能差异的显著影响因素（P < 0.05）.
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图 6 苔草草丘沼泽湿地不同退化程度土壤理化性质对土壤菌群结构和群落功能的冗余分析 Fig. 6 Redundancy analysis of soil microflora structure and community function by soil physical and chemical properties with different degrees of degradation in Carex tussock marsh wetland |
不同退化程度沼泽湿地土壤理化性质具有显著差异. SOC、TN和TC等土壤养分含量是衡量土壤质量的重要指标, 同时能够影响苔草沼泽湿地成土以及泥炭形成发育等过程[4]. 本研究中SOC、TN和TC含量随退化程度加深显著降低, 主要是受到工程建设排水、过度放牧等干扰因素的影响, 退化湿地土壤含水量降低, 影响土壤养分的积累. 这与Sigua等[23]和Gao等[24]研究的结果一致, 即排水和放牧等干扰可以加速有机质的分解或SOC的再释放, 使退化湿地的SOC含量降低；有研究表明草丘大小可作为沼泽湿地退化程度的表征[25], 而本研究中草丘的高度、大小和数量等物理特征均对退化具有指示作用, 且与土壤碳氮养分含量呈正相关. 随湿地退化加剧, 草丘物理特征受到水分减少和放牧践踏等直接因素影响而降低, 间接促使土壤碳储量的减少以及土壤养分和有机质输入的减少, 加剧养分流失[26].
土壤pH值在整体上呈中性偏碱性, 高于先前关于苔草草丘沼泽的研究[27, 28]. pH值在HD湿地显著最高, 这可能是由于沼泽退化下植被生物量降低, 土壤蒸发速率升高, 含水率降低, 引起重度退化湿地土壤出现碱化和板结的现象, 土壤养分和土壤有机酸类物质也随之减少, 促进了碱性物质的积累[29], 使得pH值升高. 土壤TFe含量在LD最高, 在HD含量最低. 因为在轻度干扰下即在LD湿地土壤氧化还原条件发生变化, 氧气含量增加, 这有利于铁氧化物的形成, 从而使LD湿地土壤TFe含量增加. 相比之下, HD湿地由于土壤孔隙度较高, 土壤中铁元素的淋溶和流失加剧[30, 31], 进而使HD土壤TFe含量低于LD.
随湿地退化加剧, 土壤TK含量显著增加. 退化湿地在干湿交替环境中, 土壤固钾作用高于淹水条件的天然湿地土壤[32], 而土壤固钾作用又与土壤钾含量呈显著正相关[33], 进而促进LD和HD湿地土壤总钾含量的增加. 此外, 较高的pH值会增加K+的特定交换位, 退化湿地生态系统中土壤pH值的增加可以提高土壤固钾能力, 有利于土壤钾素的固定[34]. 可见, 不同退化程度之间草丘物理特征、土壤养分环境、酸碱环境以及微量元素含量的差异, 为土壤微生物提供了异质化的环境.
3.2 退化沼泽湿地土壤细菌群落多样性及功能特征变化本研究中苔草沼泽湿地的退化显著影响土壤细菌组成、多样性和功能特征. 研究区内三大优势细菌门为变形菌门、酸杆菌门和芽孢杆菌门, 其中酸杆菌门相对丰度在LD和HD中显著低于ND. 有研究表明土壤酸杆菌适宜在中性环境中生存, 其相对丰度与土壤pH值呈显著负相关关系[35]. 而随退化加剧, 湿地土壤pH值由中性变为碱性, 使得其相对丰度显著下降[36]. 细菌群落多样性可作为微生物群落稳定性的指标[37]. 随退化程度加深, 沼泽土壤细菌多样性显著增加, 这一现象验证了关于东北沼泽土壤微生物的研究[38, 39]. 这可能是由于退化湿地含水量降低, 使土壤并非处于严格厌氧环境[40], 建立了适宜的氧气条件, 从而有利于好氧细菌生存和代谢, 增加了细菌物种类型和多样性[28]. 本研究中LD和HD两种退化程度之间群落组成相似性高, 而二者与ND细菌群落组成差异明显, 进一步验证了沼泽退化对细菌群落组成具有显著影响.
本研究通过PICRUSt分析进一步将微生物的结构变化和生物功能联系起来[41], 苔草草丘沼泽退化下土壤细菌功能显著减弱. 一级代谢通路中, 新陈代谢功能（79.56%~80.73%）是最重要的功能并随退化程度加深显著下降, 该功能可以促进土壤结构的形成、有机质和矿物质的分解、调节植物生长以及碳氮元素的固存等[42, 43]. 结合其二级功能的下降, 表明细菌摄取氨基酸、能量和维生素和碳水化合物分解等能力随退化加剧显著减弱, 这会降低土壤养分含量和延缓植物生长发育[44], 本研究中土壤碳氮含量随退化的变化也印证了这一点. 此外, 随退化程度加深, 遗传信息处理功能显著下降, 结合其二级功能的降低, 一方面通过影响遗传信息转录、复制和修复功能的下降, 使得对外部环境信号的响应能力变弱并无法维持细菌内部稳态；另一方面影响遗传信息修复功能的变弱, 降低了细菌对DNA损伤的纠正能力和对环境变化的适应能力. 综上可知, 苔草沼泽湿地退化的加剧对土壤细菌多样性和细菌功能特征具有显著影响, 尽管退化短暂增加了菌群多样性, 但对于菌群功能具有持续损害.
3.3 环境因素对土壤细菌群落结构及功能的影响苔草沼泽湿地生态系统在不同退化程度下为土壤微生物群落提供了异质性环境因素 [45], 探究生态系统过程如何响应环境变化对于揭示土壤微生物群落的机制具有重要意义. 湿地退化一般通过降低土壤质量和土壤养分循环, 来影响土壤微生物群落稳定性和多样性[46]. 研究区草丘直径、高度和数量随退化显著降低, 草丘贮存营养能力下降[4], 即土壤TN、TC和SOC等养分含量降低. 而细菌多样性与草丘物理特征、土壤TN、TC和SOC均呈负相关. 这与先前研究有所差异[12], 可能是由于LD和HD在干扰下生境复杂性的增加提供了更多的生态位和资源, 原有细菌物种竞争减弱, 使得细菌多样性增加. 由此可知, 可以通过保护苔草草丘微地貌物理特征, 以提升土壤养分含量和调控菌群多样性, 来减缓沼泽湿地退化状况并促进其恢复.
RDA结果表明土壤pH值是影响不同退化程度湿地土壤细菌群落结构差异的最重要的因素. 沼泽湿地土壤细菌菌群对pH值的变化较为敏感, 表现出较弱的发育耐受性[47]. 有研究表明退化下pH值可以影响土壤氮碳循环及有机碳矿化潜力, 即通过影响SOC、TC和TN等土壤养分供应进而影响细菌群落结构[15, 48]. 本研究表明土壤TFe和Zn是影响不同退化程度土壤细菌群落功能差异的最重要因素. HD地表裸露及土壤孔隙度增大, 不利于泥炭沼泽土壤铁的溶解和形态的转化, 并导致TFe和Zn元素的流失[49], 不利于地表植物的生长发育, 促使土壤细菌群落功能的减弱. 因此, 湿地退化通过影响土壤酸碱环境和微量元素含量从而调控土壤细菌群落结构的稳定性.
本研究通过分析苔草沼泽湿地在不同退化程度下土壤细菌群落结构、多样性以及功能的差异特征, 结合微地貌, 从微生态学角度了解了湿地退化的变化特征及限制因素, 从而为缓解苔草沼泽湿地退化和促进恢复提供研究方向.
4 结论（1）研究区土壤pH值呈中性偏碱性, 并在HD最高. 随退化程度增加, SOC、TN、TC和Zn含量显著降低, TK含量显著增加. 表明退化湿地土壤环境存在环境异质性.
（2）苔草沼泽湿地退化加剧对土壤菌群多样性、结构和功能特征具有显著影响, 随湿地退化程度加深, 沼泽湿地土壤细菌群落多样性显著增加. 沼泽退化对细菌群落组成具有显著影响, ND与LD和HD之间细菌群落组成差异明显. 随退化程度加深, 土壤细菌主要一级、二级代谢功能显著减弱. 新陈代谢功能总体上是湿地土壤细菌的最主要功能.
（3）土壤养分含量（TN、TC、SOC）和草丘物理特征（直径、高度、数量）是影响退化湿地细菌多样性的主导环境因子. 土壤pH值是影响退化湿地细菌群落结构稳定性的主导因素, 土壤微量元素含量（TFe和Zn）是影响退化程度湿地土壤细菌群落功能差异的主要因素.
| [1] | Odland A. Patterns in the secondary succession of a Carex vesicaria L. wetland following a permanent drawdown[J]. Aquatic Botany, 2002, 74(3): 233-244. DOI:10.1016/S0304-3770(02)00103-1 |
| [2] | Crain C M, Bertness M D. Community impacts of a tussock sedge: is ecosystem engineering important in benign habitats?[J]. Ecology, 2005, 86(10): 2695-2704. DOI:10.1890/04-1517 |
| [3] | Yu F H, Krüsi B, Schütz M, et al. Is vegetation inside Carex sempervirens tussocks highly specific or an image of the surrounding vegetation?[J]. Journal of Vegetation Science, 2006, 17(5): 567-576. DOI:10.1111/j.1654-1103.2006.tb02480.x |
| [4] | Lawrence B A, Zedler J B. Formation of tussocks by sedges: effects of hydroperiod and nutrients[J]. Ecological Applications, 2011, 21(5): 1745-1759. DOI:10.1890/10-1759.1 |
| [5] |
齐清, 刘晓伟, 佟守正, 等. 苔草草丘恢复湿地的景观格局变化——以哈尔滨太阳岛为例[J]. 生态学报, 2019, 39(14): 5261-5267. Qi Q, Liu X W, Tong S Z, et al. Analysis of landscape pattern changes of restored tussock wetland in Sun Island, Harbin, China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2019, 39(14): 5261-5267. |
| [6] | Lawrence B A, Zedler J B. Carbon storage by Carex stricta tussocks: a restorable ecosystem service?[J]. Wetlands, 2013, 33(3): 483-493. DOI:10.1007/s13157-013-0405-1 |
| [7] | Waddington J M, Roulet N T. Carbon balance of a boreal patterned peatland[J]. Global Change Biology, 2000, 6(1): 87-97. DOI:10.1046/j.1365-2486.2000.00283.x |
| [8] |
刘兴土. 松嫩平原退化土地整治与农业发展[M]. 北京: 科学出版社, 2001. Liu X T. Management on degraded land and agricultural development in the Songnen plain[M]. Beijing: Science Press, 2001. |
| [9] |
吴宇萍, 丁明军, 张华, 等. 高寒草甸重度退化阶段土壤碳氮磷生态化学计量特征及驱动因素[J]. 环境科学, 2024, 45(10): 6050-6060. Wu Y P, Ding M J, Zhang H, et al. Characteristics and drivers of soil carbon, nitrogen, and phosphorus ecological stoichiometry in the heavy degradation stage of the alpine meadow[J]. Environmental Science, 2024, 45(10): 6050-6060. |
| [10] | Zhang D J, Qi Q, Tong S Z, et al. Soil degradation effects on plant diversity and nutrient in tussock meadow wetlands[J]. Journal of Soil Science and Plant Nutrition, 2019, 19(3): 535-544. DOI:10.1007/s42729-019-00052-9 |
| [11] |
徐惠风, 金研铭, 刘兴土. 长白山区乌拉苔草蒸腾规律及环境因子间关系的研究[J]. 中国草地学报, 2007, 29(6): 12-16. Xu H F, Jin Y M, Liu X T. Study on the relationship between transpiration of Carex meyeriana and environmental factors in the Changbai mountain region[J]. Chinese Journal of Grassland, 2007, 29(6): 12-16. DOI:10.3969/j.issn.1673-5021.2007.06.003 |
| [12] | Li Y, Shi C Q, Wei D, et al. Associations of soil bacterial diversity and function with plant diversity in Carex tussock wetland[J]. Frontiers in Microbiology, 2023, 14(1): 11420-11452. |
| [13] |
王铭, 曹议文, 王升忠, 等. 水位和草丘微地貌对巴音布鲁克高寒沼泽植物群落物种多样性的影响[J]. 湿地科学, 2016, 14(5): 635-640. Wang M, Cao Y W, Wang S Z, et al. Influence of water level and hommock microtopography on species diversity of plant communities in bayanbulak alpine marshes[J]. Wetland Science, 2016, 14(5): 635-640. |
| [14] | Fierer N, Jackson R B. The diversity and biogeography of soil bacterial communities[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2006, 103(3): 626-631. |
| [15] | Bahram M, Hildebrand F, Forslund S K, et al. Structure and function of the global topsoil microbiome[J]. Nature, 2018, 560(7717): 233-237. DOI:10.1038/s41586-018-0386-6 |
| [16] |
徐欢, 丁明军, 张华, 等. 高寒草原退化过程中植被和土壤因子对微生物群落的交互影响[J]. 环境科学, 2024, 45(7): 4251-4265. Xu H, Ding M J, Zhang H, et al. Interaction effects of vegetation and soil factors on microbial communities in alpine steppe under degradation[J]. Environmental Science, 2024, 45(7): 4251-4265. |
| [17] | Nannipieri P, Ascher J, Ceccherini M T, et al. Microbial diversity and soil functions[J]. European Journal of Soil Science, 2017, 68(1): 12-26. DOI:10.1111/ejss.4_12398 |
| [18] | Golovatskaya A E, Dyukarev A E. Carbon budget of oligotrophic mire sites in the southern Taiga of western Siberia[J]. Plant and Soil, 2009, 315(1-2): 19-34. DOI:10.1007/s11104-008-9842-7 |
| [19] | Hu Y H, Zhang X Y, Zhang K, et al. Tussock microhabitats increase nitrogen uptake by plants in an alpine wetland[J]. Plant and Soil, 2021, 466(1-2): 569-580. DOI:10.1007/s11104-021-05056-y |
| [20] | Wolf K L, Ahn C, Noe G B. Microtopography enhances nitrogen cycling and removal in created mitigation wetlands[J]. Ecological Engineering, 2011, 37(9): 1398-1406. DOI:10.1016/j.ecoleng.2011.03.013 |
| [21] | Berg G, Smalla K. Plant species and soil type cooperatively shape the structure and function of microbial communities in the rhizosphere[J]. FEMS Microbiology Ecology, 2009, 68(1): 1-13. DOI:10.1111/j.1574-6941.2009.00654.x |
| [22] |
张晓龙, 李培英. 湿地退化标准的探讨[J]. 湿地科学, 2004, 2(1): 36-41. Zhang X L, Li P Y. Discussion on standard of wetland degradation[J]. Wetland Science, 2004, 2(1): 36-41. |
| [23] | Sigua G C, Coleman S W, Albano J. Beef cattle pasture to wetland reconversion: impact on soil organic carbon and phosphorus dynamics[J]. Ecological Engineering, 2009, 35(8): 1231-1236. DOI:10.1016/j.ecoleng.2009.05.004 |
| [24] | Gao J Q, Zhang X W, Lei G C, et al. Soil organic carbon and its fractions in relation to degradation and restoration of wetlands on the Zoigê Plateau, China[J]. Wetlands, 2014, 34(2): 235-241. DOI:10.1007/s13157-013-0487-9 |
| [25] |
林春英, 李希来, 李红梅, 等. 不同退化高寒沼泽湿地土壤碳氮和贮量分布特征[J]. 草地学报, 2019, 27(4): 805-816. Lin C Y, Li X L, Li H M, et al. Distribution and storage of soil organic carbon and nitrogen in alpine wetland under different degradation succession[J]. Acta Agrestia Sinica, 2019, 27(4): 805-816. |
| [26] |
周莉, 李保国, 周广胜. 土壤有机碳的主导影响因子及其研究进展[J]. 地球科学进展, 2005, 20(1): 99-105. Zhou L, Li B G, Zhou G S. Advances in controlling factors of soil organic carbon[J]. Advances in Earth Science, 2005, 20(1): 99-105. DOI:10.3321/j.issn:1001-8166.2005.01.016 |
| [27] |
韩园园. 草丘微地貌格局对苔草泥炭沼泽土壤CO2与CH4排放的影响机制研究[D]. 哈尔滨: 东北林业大学, 2019. Han Y Y. The influence mechanism of hummock-microtopogrophy pattern on soil CO2 and CH4 emision in Carex peatland[D]. Harbin: Northeast Forestry University, 2019. |
| [28] |
林春英, 李希来, 张静, 等. 高寒沼泽湿地退化过程中土壤腐殖质变化特征的研究[J]. 草地学报, 2022, 30(5): 1027-1036. Lin C Y, Li X L, Zhang J, et al. Study on the characteristics of soil humus change during the degradation process of alpine marshland[J]. Acta Agrestia Sinica, 2022, 30(5): 1027-1036. |
| [29] | Phillips R P, Bernhardt E S, Schlesinger W H. Elevated CO2 increases root exudation from loblolly pine (Pinus taeda) seedlings as an N-mediated response[J]. Tree Physiology, 2009, 29(12): 1513-1523. DOI:10.1093/treephys/tpp083 |
| [30] |
董元华, 徐琪. 不同脱沼泽阶段土壤中铁锰的比较研究[J]. 土壤学报, 1991, 28(4): 382-389. Dong Y H, Xu Q. A comparative study on changes of iron and manganese of soil in different deswamping stages[J]. Acta Pedolociga Sinica, 1991, 28(4): 382-389. |
| [31] |
姜明, 吕宪国, 杨青, 等. 湿地铁的生物地球化学循环及其环境效应[J]. 土壤学报, 2006, 43(3): 493-499. Jiang M, Lv X G, Yang Q, et al. Iron biogeochemical cycle and its environmental effect in wetlands[J]. Acta Pedologica Sinica, 2006, 43(3): 493-499. DOI:10.3321/j.issn:0564-3929.2006.03.020 |
| [32] |
丛日环, 李小坤, 鲁剑巍. 土壤钾素转化的影响因素及其研究进展[J]. 华中农业大学学报, 2007, 26(6): 907-913. Cong R H, Li X K, Lu J W. Advances in research on influence factors of soil potassium transformation[J]. Journal of Huazhong Agricultural University, 2007, 26(6): 907-913. DOI:10.3321/j.issn:1000-2421.2007.06.033 |
| [33] |
陈淑燕, 张德罡. 不同退化阶段高寒草甸草地土壤钾素的变化分析[J]. 草原与草坪, 2013, 33(3): 74-77. Chen S Y, Zhang D G. Potassium variation in alpine meadow soil at different degeneration stages[J]. Grassland and Turf, 2013, 33(3): 74-77. DOI:10.3969/j.issn.1009-5500.2013.03.014 |
| [34] |
占丽平, 李小坤, 鲁剑巍, 等. 土壤钾素运移的影响因素研究进展[J]. 土壤, 2012, 44(4): 548-553. Zhan L P, Li X K, Lu J W, et al. Research advances on influence factors of soil potassium movement[J]. Soils, 2012, 44(4): 548-553. DOI:10.3969/j.issn.0253-9829.2012.04.004 |
| [35] |
姚有华. 退化高寒草甸植物—土壤—微生物对外源养分输入的响应分析[D]. 青海: 青海大学, 2022. Yao Y H. Analysis on responses of plant, soil and microorganism to exogenous nutrient addition in degraded alpine meadows[D]. Qinghai: Qinghai University, 2022. |
| [36] | Griffiths R I, Thomson B C, James P, et al. The bacterial biogeography of British soils[J]. Environmental Microbiology, 2011, 13(6): 1642-1654. DOI:10.1111/j.1462-2920.2011.02480.x |
| [37] | Wu X F, Yang J J, Ruan H, et al. The diversity and co-occurrence network of soil bacterial and fungal communities and their implications for a new indicator of grassland degradation[J]. Ecological Indicators, 2021, 129: 107989. DOI:10.1016/j.ecolind.2021.107989 |
| [38] | Wu Y N, Xu N, Wang H, et al. Variations in the diversity of the soil microbial community and structure under various categories of degraded wetland in Sanjiang Plain, northeastern China[J]. Land Degradation & Development, 2021, 32(6): 2143-2156. |
| [39] |
王秋颖, 王娜, 刘颖, 等. 松嫩平原芦苇湿地退化与修复过程中土壤细菌和甲烷代谢微生物的群落结构[J]. 环境科学, 2021, 42(10): 4968-4976. Wang Q Y, Wang N, Liu Y, et al. Microbial community structure of soil methanogens and methanotrophs during degradation and restoration of reed wetlands in the Songnen Plain[J]. Environmental Science, 2021, 42(10): 4968-4976. |
| [40] | Qi Q, Zhang D J, Zhang M Y, et al. Hydrological and microtopographic effects on community ecological characteristics of Carex schmidtii tussock wetland[J]. Science of the Total Environment, 2021, 780: 146630-146630. DOI:10.1016/j.scitotenv.2021.146630 |
| [41] |
孙峰, 田伟, 张菲, 等. 丹江口库区库滨带植被土壤细菌群落多样性及PICRUSt功能预测分析[J]. 环境科学, 2019, 40(1): 421-429. Sun F, Tian W, Zhang F, et al. Composition and predictive functional analysis of rhizosphere bacterial communities in riparian buffer strips in the Danjiangkou Reservoir, China[J]. Environmental Science, 2019, 40(1): 421-429. |
| [42] |
李世雄, 王彦龙, 王玉琴, 等. 土壤细菌群落特征对高寒草甸退化的响应[J]. 生物多样性, 2021, 29(1): 53-64. Li S X, Wang Y L, Wang Y Q, et al. Response of soil bacterial community characteristics to alpine meadow degradation[J]. Biodiversity Science, 2021, 29(1): 53-64. |
| [43] |
徐飞. 垦殖与恢复对三江平原沼泽湿地土壤微生物群落结构与功能多样性的影响[D]. 哈尔滨: 东北林业大学, 2017. Xu F. Effect of reclamation and restoration on soil microbial commumity structures and functional diversity in marshland in the Sanjiang Plain[D]. Harbin: Northeast Forestry University, 2017. |
| [44] |
张月菊. 高寒草甸退化过程中土壤多功能性对土壤微生物变化特征的响应[D]. 南昌: 江西师范大学, 2023. Zhang Y J. Response of soil multifunction to soil microbial changes with alpine meadow degradation[D]. Nanchang: Jiangxi Normal University, 2023. |
| [45] |
张彦军, 郭胜利. 环境因子对土壤微生物呼吸及其温度敏感性变化特征的影响[J]. 环境科学, 2019, 40(3): 1446-1456. Zhang Y J, Guo S L. Effect of Environmental factors on variation characteristics of Soil microbial respiration and its temperature sensitivity[J]. Environmental Science, 2019, 40(3): 1446-1456. |
| [46] |
陆梅. 纳帕海湿地退化对土壤微生物群落结构及多样性的影响[D]. 北京: 北京林业大学, 2018. Lu M. Effects of wetlands degradation on structure and biodiversity of soil microbial community in Napahai plateau wetlands[D]. Beijing: Beijing Forestry University, 2018. |
| [47] | Sui X, Zhang R T, Frey B, et al. Soil physicochemical properties drive the variation in soil microbial communities along a forest successional series in a degraded wetland in northeastern China[J]. Ecology and Evolution, 2021, 11(5): 2194-2208. DOI:10.1002/ece3.7184 |
| [48] |
罗正明, 刘晋仙, 胡砚秋, 等. 五台山不同退化程度亚高山草甸土壤微生物群落分类与功能多样性特征[J]. 环境科学, 2023, 44(5): 2918-2927. Luo Z M, Liu J X, Hu Y Q, et al. Taxonomic and functional diversity of soil microbial communities in subalpine meadow with different degradation degrees in Mount Wutai[J]. Environmental Science, 2023, 44(5): 2918-2927. |
| [49] |
刘育红. 三江源地区不同退化程度草地土壤微量元素含量研究[J]. 西北农业学报, 2007, 16(4): 101-105. Liu Y H. The research on the Microelement's content in soil of different deserted-grassland of source area of Lantsang, Yellow and Yangtse River[J]. Acta Agriculturae Boreali-Occidentalis Sinica, 2007, 16(4): 101-105. DOI:10.3969/j.issn.1004-1389.2007.04.023 |