2018-08-23
近期，派森諾生物與同濟大學(xué)合作，在《Geoderma》（影響因子3.740）發(fā)表論文，通過研究蘆葦和互花米草植物生物量、凋落物組分、土壤碳封存能力以及微生物之間的關(guān)系，為我們展現(xiàn)真正的高固碳植物。
研究背景
九段沙濕地是長江口代表性的濕地之一，該濕地遠(yuǎn)離人煙，但是卻受到外來物種—互花米草（Spartina alterniflora）的威脅。通常認(rèn)為互花米草比本土的蘆葦（Phragmites communis）有更大的生物量，有利于土壤固碳。如今這種觀念正受到質(zhì)疑，但仍缺少令人信服的解釋。已有相關(guān)研究探索了凋落物性質(zhì)與分解速率、凋落物組分與土壤微生物結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，但少有研究報道植物凋落物的組成對土壤微生物的結(jié)構(gòu)與功能、凋落物的分解模式到土壤碳封存能力產(chǎn)生的持續(xù)性影響。
研究目的
1. 比較蘆葦和互花米草凋落物在土壤中的分解快慢；
2. 探究蘆葦和互花米草在土壤中的主要分解模式、固碳能力以及潛在的微生物機制；
3. 認(rèn)識影響植物固碳能力的影響因素。
研究方法
測序技術(shù)：Illumina MiSeq高通量測序平臺
測序模式：微生物組細(xì)菌16S rRNA基因V4-V5區(qū)測序
實驗對象：兩種不同植物凋落物以及相應(yīng)區(qū)域的土壤
實驗設(shè)計：2012年11月，采集蘆葦和互花米草，部分樣品在實驗室烘干，模擬自然分解過程，并測定相關(guān)理化指標(biāo)，反映二者的組分差異；部分樣品采用尼龍分解袋法進行原位和異位分解實驗。原位分解實驗設(shè)置0 d，90 d，180 d三個時間梯度，異位分解實驗設(shè)置0 d，30 d，60 d，90 d四個時間梯度，測定兩種凋落物的分解速度。2013年10月，取兩種類型凋落物埋藏點的土壤，分別測定土壤呼吸和微生物活動指標(biāo)、土壤理化指標(biāo)和土壤微生物多樣性。
組名 | 處理方式 |
LW（蘆葦） | 將蘆葦埋在土壤中進行分解 |
MC（互花米草） | 將互花米草埋在土壤中進行分解 |
研究結(jié)果
1. 采樣及樣品處理點分布圖
本實驗所用的蘆葦和互花米草均采自長江口九段沙濕地（圖1）。以往研究表明，互花米草與本土的蘆葦相比有更高的生物量（表1）。
圖1：九段沙濕地分布圖與植物采樣點
表1：樣本地的描述
2. 植物凋落物質(zhì)量和降解速率的關(guān)系
通過比較蘆葦和互花米草凋落物的化學(xué)成分發(fā)現(xiàn)碳氮含量在二者之間無明顯差異，而纖維素、木質(zhì)素和灰分含量在蘆葦中顯著高于互花米草（表2）。土壤特性指標(biāo)測定發(fā)現(xiàn)蘆葦生長區(qū)的土壤與互花米草生長區(qū)的土壤并無顯著性差異（表3）。研究者在原位和異位分解實驗中均發(fā)現(xiàn)互花米草凋落物的分解速率更快，并且還發(fā)現(xiàn)這兩種植物的凋落物在城市綠地的降解速度比在濕地中更快（圖2）。
表2：蘆葦和互花米草的化學(xué)組成（平均值±SD，n=3）
圖2：原位分解（A）和異位分解（B）實驗植物剩余質(zhì)量的測定（平均值±SD, n=3）；原位分解（C）和異位分解（D）實驗碳剩余量的測定（平均值±SD, n=3）。
表3：蘆葦和互花米草區(qū)域土壤的理化性質(zhì)
3. 蘆葦和互花米草區(qū)域SR與SOC與凋落物特性的關(guān)系
研究者還測定了蘆葦和互花米草區(qū)域的SR（土壤呼吸）、SOC（土壤有機碳）和Hs（土壤腐殖質(zhì)）含量，發(fā)現(xiàn)互花米草區(qū)域一年內(nèi)測定的SR平均值明顯高于互花米草，互花米草的SMR（土壤微生物呼吸）值也比蘆葦高出1.15倍（圖3）。相反，蘆葦區(qū)的SOC指數(shù)和Hs含量比互花米草區(qū)更高（圖4）。
圖3：蘆葦區(qū)和互花米草區(qū)的土壤呼吸（平均值±SD, n=24）和土壤微生物呼吸（平均值±SD, n=3）值。SR：土壤呼吸，SMR：土壤微生物呼吸。
圖4：蘆葦區(qū)和互花米草區(qū)的土壤有機碳含量（平均值±SD, n=3）與腐殖質(zhì)含量（平均值±SD, n=3）。SOC：土壤有機碳，Hs：土壤腐殖質(zhì)。
在本研究中，PCA主成分分析得分系數(shù)最大的兩個成分分別解釋了變量方差85.5%和13.1%的差異。各種因素根據(jù)主成分一主要分成了兩組：第一組（正值最大處）包括SMR、SR和植物生物量；第二組（負(fù)值最大處）包括纖維素、木質(zhì)素和灰分含量（圖5）。
蘆葦?shù)蚵湮锏慕到馑俣容^慢與其較低的土壤呼吸速率和較高的有機碳和腐殖質(zhì)含量有關(guān)，而互花米草盡管有更高的生物量，但其有機碳和腐殖質(zhì)含量卻較低，表明蘆葦?shù)蚵湮锏母郴潭雀撸セ撞莸蚵湮锏牡V化程度更高。蘆葦?shù)厣喜糠值纳锪勘然セ撞莞停鋵?yīng)的土壤含有更多的有機碳，說明與互花米草比，蘆葦才是高固碳植物。
圖5：基于理化性質(zhì)數(shù)據(jù)的主成分分析圖
4. SMB和土壤微生物群落組成在蘆葦和互花米草區(qū)域的不同
在互花米草區(qū)域土壤微生物生物量（SMB）將近是蘆葦區(qū)域的兩倍，這可能是前者具有更高的土壤呼吸指數(shù)和土壤微生物呼吸指數(shù)的原因之一（表4）。
表4：土壤微生物生物量和多樣性指數(shù)
土壤微生物多樣性分析發(fā)現(xiàn)兩種凋落物區(qū)域在門水平上有相似的優(yōu)勢微生物結(jié)構(gòu)，但在綱水平上有較大的差異（圖6）。在兩種凋落物區(qū)域中，成員比例最大的微生物都來自于相同的綱：α-，β-，γ-，δ-Proteobacteria（變形菌綱）和Anaerolineae（厭氧繩菌綱），不過在蘆葦區(qū)域包含更多的δ-Proteobacteria、Anaerolineae以及Cytophagia（纖維粘網(wǎng)菌綱）。
γ-Proteobacteria在互花米草區(qū)域的微生物群落占有比例更大，而α-Proteobacteria和β-Proteobacteria在兩者中的占有比例十分相近。總而言之，兩種土壤擁有相似類別的物種，但各物種占有的比例不一樣。
圖6：蘆葦和互花米草區(qū)土壤微生物在綱水平的分類組成圖。LW表示蘆葦區(qū)，MC表示互花米草區(qū)。
由于微生物綱水平的分類不能很好地解釋土壤微生物活性與植物凋落物分解模式的關(guān)系，研究者又在屬水平上對微生物結(jié)構(gòu)進行分析（圖7），結(jié)果發(fā)現(xiàn)在屬水平上，兩種土壤的微生物結(jié)構(gòu)差別更大。Geobacter（地桿菌屬）、Methylibium、Planctomyces（浮霉?fàn)罹鷮伲lavobacterium（黃桿菌屬）、Rhodoplanes（紅游動菌屬） 和Nitrosopumilus在兩種區(qū)域的土壤中均為豐度高的屬，從占有比例上來看，Geobacter、Flavobacterium和Nitrosopumilus在互花米草中所占的比例更高，Methylibium、Gallionella（披毛均屬）、Desulfococcus（脫硫球菌屬）和Anaerolinea（厭氧繩菌屬）在蘆葦所占的比例更高，Azotobacter（固氮菌屬）和Pseudomonas（假單胞菌屬）在互花米草區(qū)域中的相對豐度比在蘆葦區(qū)域中更高。不同綱和屬水平所占有的微生物比例不同導(dǎo)致了兩種土壤區(qū)域的微生物活性不同，因而造成不同凋落物中有機碳的主要分解模式不同，如在礦化和腐殖化過程上。
圖7：蘆葦和互花米草區(qū)土壤微生物在屬水平的分類組成圖。圖中列出了比例大于0.2%的20個優(yōu)勢物種。LW表示蘆葦區(qū)，MC表示互花米草區(qū)。
總結(jié)
本文通過測定凋落物的化學(xué)組分、分解速度、土壤理化指標(biāo)和微生物多樣性，得出以下結(jié)論：
1. 蘆葦和互花米草凋落物的化學(xué)組分不同導(dǎo)致了相應(yīng)區(qū)域土壤的優(yōu)勢微生物和特異微生物的組成結(jié)構(gòu)不同；
2. 互花米草和蘆葦區(qū)域的優(yōu)勢土壤微生物和特異土壤微生物的差別導(dǎo)致了兩種植物凋落物在土壤中的分解速度以及礦化（或者腐殖化）強度的不同；
3. 蘆葦區(qū)域的土壤中能夠潛在弱化礦化作用并促進腐殖化進程的微生物占有比例更高，如綱水平的Anaerolineae和屬水平的Gallionella、Methylibium和Desulfococcus，導(dǎo)致該區(qū)域土壤更高程度的腐殖化，從而有更低的土壤呼吸和更高的土壤有機碳和腐殖質(zhì)含量。相反，互花米草區(qū)域的土壤擁有更多參與礦化作用的微生物，如β-Proteobacteria和γ-Proteobacteria綱和Geobacter、Flavobacterium屬，這些菌產(chǎn)生更多的土壤呼吸，從而使土壤的有機碳和腐殖質(zhì)含量降低；
4. 盡管互花米草的地上部分生物量更大，但其凋落物在土壤中有著更快的分解速率和更高的礦化程度，相應(yīng)的土壤有機碳和腐殖質(zhì)含量比蘆葦相關(guān)區(qū)域更低。因此，與互花米草相比，本土的蘆葦才是真正的高土壤固碳植物；
5. 植物凋落物的特性最初但間接決定了凋落物的分解速率、分解模式以及最終的土壤有機碳封存量。那些擁有更高生物量或者凋落物能夠誘導(dǎo)產(chǎn)生更多能夠增強腐殖化（或者減弱礦化）微生物的植物，有更強的腐殖化程度，因而被認(rèn)為是真正的高固碳植物。
本研究的高通量測序和數(shù)據(jù)分析工作由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。
文章索引：J. Yan et al. "Plant litter composition selects different soil microbial structures and in turn drives different litter decomposition pattern and soil carbon sequestration capability" Geoderma 319 (2018) 194–203
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016706117313010
