五大连池火山熔岩区不同植被类型土壤细菌多样性、群落结构与功能预测研究

《Microorganisms》：Diversity and Community Structure of Soil Bacteria of Different Vegetation Types in Volcanic Lava of Wudalianchi, China Jiahui Cheng, Lihong Xie, Mingyue Jiang, Hongjie Cao, Fan Yang and Qingyang Huang

本综述系统阐述了五大连池火山熔岩区苔藓、草本、灌木、阔叶林及针阔混交林五种典型植被下土壤细菌群落与功能的差异。研究通过16S rRNA测序和冗余分析（RDA）揭示了微生物多样性、丰度（Shannon、Ace指数）、群落结构（如Proteobacteria、Acidobacteriota等优势门）及功能（如化能异养、好氧化能异养）如何受土壤含水量（MC）、pH和总磷（TP）等关键环境因子调控，阐明了植被通过改变土壤理化性质塑造微生物群落的机制，为理解火山极端生态系统的恢复与微生物资源利用提供了科学依据。

　　

引言

土壤微生物是陆地生态系统的基石，在监测生态系统演替和土壤动态中发挥着至关重要的作用。在土壤微生物中，细菌是数量最多、多样性最丰富的类群，积极参与有机质分解、养分循环等多种关键土壤过程。此外，细菌对土壤环境的微小变化也表现出高度敏感性。植被通过改变土壤理化性质，直接或间接地塑造了土壤细菌群落。火山喷发是原生演替的经典起点，为研究植被演替过程中土壤微生物群落的动态变化提供了一个天然实验室。五大连池的老黑山火山在1719年至1721年间喷发，形成了一个65 km²的熔岩台地。喷发后，原生演替在裸露的岩石上开始，微生物是最早定殖于新暴露火山基质的生物之一。本研究旨在分析五大连池火山地区五种常见植被类型（苔藓、草本、灌木、阔叶林和针阔混交林）下的土壤细菌群落组成和潜在功能，探讨不同植被类型对火山熔岩平台土壤细菌群落结构和多样性的影响及其生态功能意义。

材料与方法

研究区位于中国黑龙江省西北部的五大连池，属于大陆性季风气候，冬季寒冷漫长，夏季温和短暂。优势土壤类型为火山灰土。2023年8月，在火山喷发后，研究人员选择了三个地点，采集了来自苔藓、草本、灌木、阔叶林和针阔混交林五种不同植被类型的表层土壤样品（0–5 cm深度）。每个植被类型内设置三个10 m × 10 m的样方，采用五点取样法采集土壤，混合成一个约1000 g的复合样品。样品过筛后，一部分保存于-80°C用于DNA提取和微生物分析，另一部分用于分析土壤理化性质。

测定了土壤pH、含水量（MC）、总有机碳（TOC）、总氮（TN）、总磷（TP）、有效磷（AP）、铵态氮（AN）和硝态氮（NN）。使用Power Soil DNA Isolation Kit提取土壤细菌基因组DNA，使用引物515F和806R扩增16S rDNA基因的V3–V4区，并在Illumina MiSeq PE300平台上进行测序。使用QIIME2进行数据处理，通过DADA2生成扩增子序列变体（ASVs），并基于SILVA数据库进行物种分类。计算了Alpha多样性指数（Sobs、Ace、Shannon和Pd），通过基于Bray–Curtis距离的主坐标分析（PCoA）和相似性分析（ANOSIM）评估Beta多样性。利用冗余分析（RDA）和Pearson相关分析探究土壤因子与微生物群落的关系。使用FAPROTAX对细菌群落进行功能预测。

结果

1. 1.
   不同植被类型的土壤理化性质
   土壤理化性质在五种植被类型间存在显著差异。灌木（S）土壤的pH值以及MC、TOC、TN、AP、AN和NN的浓度最高，而苔藓（M）区域的这些参数值最低。苔藓（M）区域的总磷（TP）浓度最高。
2. 2.
   土壤细菌多样性
   不同植被类型的土壤细菌Alpha多样性指数（Ace指数、Shannon指数、覆盖率指数、Simpson均匀度指数和Pd指数）存在差异。草本（H）和灌木（S）生境的土壤细菌Ace、Shannon和Simpson指数最高。PCoA分析表明，不同植被类型在ASV水平上的土壤细菌存在显著差异，PCoA1和PCoA2分别解释了总方差的28.82%和21.95%。相同组内的细菌群落聚集在一起，而不同植被群落则相互分离。
3. 3.
   细菌群落组成
   在门水平上，相对丰度超过1%的优势菌门包括变形菌门（Proteobacteria， 17.33–43.33%）、放线菌门（Actinobacteriota， 13.86–35.65%）、酸杆菌门（Acidobacteriota， 17.12–24.40%）、浮霉菌门（Planctomycetota， 4.32–7.02%）和绿弯菌门（Chloroflexota， 1.50–14.50%）。变形菌门在针阔混交林（C）中丰度最高，且其相对丰度随植物演替进展显著增加。放线菌门和绿弯菌门在苔藓（M）中最为丰富，酸杆菌门在阔叶林（B）中最为丰富，浮霉菌门在灌木（S）中最为丰富。
   在科水平上，群落组成存在显著异质性：假诺卡氏菌科（Pseudonocardiaceae）是苔藓（M）中的优势类群，黄色杆菌科（Xanthobacteraceae）是阔叶林（B）和针阔混交林（C）中的优势类群，而 norank_o__Vicinamibacterales 是草本（H）和灌木（S）中的优势类群。
4. 4.
   冗余分析（RDA）
   Pearson相关分析显示，土壤细菌群落中的Candidatus Methylomirabilota、酸杆菌门（Acidobacteriota）和粘球菌门（Myxococcota）与土壤pH、TN、AN和MC呈显著正相关。放线菌门（Actinobacteriota）和绿弯菌门（Chloroflexota）与TN、MC和TOC呈负相关，但与TP呈正相关。在科水平上，土壤pH、NN、TN、AN、MC和TOC与 67-14、norank_o_Vicinamibacterales、Vicinamibacteraceae 和 Nitrosomonadaceae 呈显著正相关。相比之下，这些土壤变量与假诺卡氏菌科（Pseudonocardiaceae）呈负相关，而TP与该科呈正相关。
   冗余分析（RDA）表明，在门水平上，前两个RDA维度解释了细菌组成变异的60.84%和15.90%。总磷（TP）、pH和含水量（MC）显著影响细菌群落组成。在科水平上，前两个轴解释了总变异的52.37%和21.37%。显著影响细菌群落结构的驱动因子是pH、TP和MC。样品被清晰地分离为不同的植被类型，细菌在不同植被类型间存在差异。VIF和RDA的综合结果凸显了pH、TP和MC是影响细菌群落结构的主要变量。
5. 5.
   土壤中细菌功能预测
   通过FAPROTAX对土壤细菌功能进行预测和注释。十五个细菌功能组的相对丰度大于1%。细菌功能组在不同植被类型间差异显著。化能异养（chemoheterotrophy）和好氧化能异养（aerobic chemoheterotrophy）作为碳循环中的关键功能群，在苔藓（M）组中表现出最大的功能潜力。同时，固氮作用（nitrogen fixation）作为另一个主要功能群，在针阔混交林（C）组中显示最高值。与氮循环相关的功能群，包括硝酸盐还原（nitrate reduction）、尿素分解（ureolysis）、氮呼吸（nitrogen respiration）、硝酸盐呼吸（nitrate respiration）、光合作用（phototrophy）、光能自养（photoautotrophy）、亚硝酸盐呼吸（nitrite respiration）、一氧化二氮反硝化（nitrous oxide denitrification）、亚硝酸盐反硝化（nitrite denitrification）、硝酸盐反硝化（nitrate denitrification）和反硝化作用（denitrification），在灌木（S）中表现出最大值。1%.">

讨论

1. 1.
   不同植被类型的土壤理化性质
   土壤理化性质受到不同植被类型通过改变凋落物输入量和组成的影响。研究表明，灌木土壤具有最高的pH值以及MC、TOC、TN、AP、AN、NN浓度，而苔藓区域的值最低。火山喷发通过重置生物演替，产生了贫营养、缺乏总氮和有机碳的初始土壤。苔藓群落是演替的初始阶段，土壤养分含量低。灌木群落倾向于在岩石裂缝和沟壑中繁盛，这些具有凹形表面和粗糙基质的微生境促进了土壤、水和凋落物的积累，这可能是灌木群落土壤养分含量较高的原因。
2. 2.
   不同植被类型中细菌群落的多样性和结构
   在这种火山生境中，草本和灌木群落（S）的土壤细菌Alpha多样性（通过Ace和Shannon指数反映）显著高于苔藓（M）和阔叶林（B）群落。苔藓群落土壤（M）处于成土作用的早期阶段，熔岩风化刚刚开始。土壤层极薄，有机质严重贫乏，环境压力强烈，因此仅支持少数耐逆细菌类群。虽然阔叶林群落土壤（B）富含有机质，但大量的凋落物积累导致土壤酸化，pH值的下降限制了偏好中性环境的细菌类群。因此，灌木群落土壤在熔岩平台土壤发育序列中表现出最高的细菌Alpha多样性。结果强调了土壤属性在驱动细菌多样性中的关键作用。灌木群落表现出更高的Alpha多样性，这是对其所创造的改善的土壤条件的直接生物学响应。不同植被类型间的细菌群落差异显著大于同一植被类型内的差异，表明植被类型是Beta多样性的关键驱动因素。通过凋落物质量、根系分泌物和根系结构等途径，植被塑造了差异化的土壤微生境，从而导致细菌群落分化。
   微生物群落受到植被类型的强烈影响，因为植被具有土壤条件以及物种特异性的凋落物和根系分泌物。研究中最丰富的菌门是变形菌门、酸杆菌门和放线菌门，这些门在贫营养或受干扰的土壤中被广泛报道为优势门，这与火山熔岩环境中典型的贫营养条件一致。放线菌和变形菌通常与早期演替阶段相关，是玄武岩基质的关键居民，对岩石风化、有机质分解和养分循环有重要贡献。变形菌门随着植被演替逐渐增加。该门属于富营养型，生长较快的富营养细菌比生长缓慢的细菌更具优势，使得富营养类群能够利用更多不稳定的碳。
   微生物群落结构在科水平上表现出显著的变异性。在不同植被类型中，黄色杆菌科（Xanthobacteraceae）和 norank_o__Vicinamibacterales 是优势科。许多研究表明，黄色杆菌科（Xanthobacteraceae）可以干扰其生境中有机物分解和氮循环等重要生态过程。值得注意的是，黄色杆菌科（Xanthobacteraceae）的丰度在演替序列中倾向于逐渐增加。火山喷发后，熔岩高原上观察到氮缺乏；然而，随着演替的推进，凋落物的积累缓解了氮缺乏。假诺卡氏菌属（Pseudonocardia）物种已知具有高紫外线辐射抗性。研究发现假诺卡氏菌（Pseudonocardia）在苔藓中流行率最高。苔藓作为演替过程的先锋物种，在暴露于强烈紫外辐射和干旱条件的贫瘠沙地中广泛繁衍。
3. 3.
   土壤细菌与土壤性质的关系
   土壤中的微生物定殖受pH、有机质、植被和含水量影响。细菌发育有一个有限的理想pH范围；pH直接影响土壤养分的状态、转化和有效性，间接塑造微生物群落。本研究发现pH、含水量（MC）和总磷（TP）是驱动土壤微生物群落结构变化的关键因素。由于土壤含水量降低影响微生物代谢活动，并通过影响植物发育和养分循环间接改变微生物代谢活动，土壤MC是控制真菌群落组成的最重要因素。作为关键环境因子，土壤pH通过直接的生理效应（如限制质子泵功能和蛋白质完整性）以及由养分有效性变化介导的间接效应来塑造细菌群落。因此，不同的植被类型通过调节这些核心土壤参数，选择性地组装了不同的微生物群落。这些差异可能是土壤特性和植被特征共同作用的结果。
   在五大连池，酸杆菌门（Acidobacteriota）与土壤pH和含水量（MC）呈显著正相关，但与总磷（TP）呈显著负相关，其在贫营养的苔藓群落中相对丰度最高。酸杆菌门和放线菌门被认为是贫营养细菌，在养分有限的条件下繁盛，并在资源贫乏的土壤中胜过其他类群。相比之下，放线菌门显示出相反的模式，表明尽管两者都属于贫营养细菌，但即使在相同的生境中它们之间也存在竞争。
4. 4.
   土壤微生物的潜在功能群
   土壤细菌功能群在生物地球化学循环中起着至关重要的作用；土壤和植被类型可能对微生物功能产生更强的影响。在本研究中，不同植被类型中的优势功能群是化能异养（chemoheterotrophy）和好氧化能异养（aerobic chemoheterotrophy），这表明大多数微生物不能固定碳，必须通过氧化有机化合物来获取碳和能量。苔藓中高水平的化能异养和好氧化能异养促进了有机物的分解，从而增强了土壤养分有效性，以支持植物演替所必需的营养需求。在关键的土壤性质中，含水量（MC）、pH和总磷（TP）已被确定为塑造火山生态系统中细菌群落结构和功能的关键决定因素。
   火山熔岩不同植被类型土壤的氮循环功能群主要包括固氮作用（nitrogen fixation）、硝酸盐还原（nitrate reduction）、尿素分解（ureolysis）、氮呼吸（nitrogen respiration）、硝酸盐呼吸（nitrate respiration）。固氮作用也是一个主要功能群，在阔叶林（B）和针阔混交林（C）中表现出最大值。硝化杆菌科（Nitrobacteraceae）的成员通过参与固氮和有机氮的转化，是氮循环的关键贡献者。重要的是，这些功能群受到关键土壤因子（MC、pH、TP）的强烈塑造，这些因子决定了细菌群落结构和氮循环功能。在研究的熔岩土壤中，草本和灌木群落中接近中性的pH支持了更多样化和功能更丰富的氮转化类群，而酸性更强的森林土壤往往有利于特殊类群，如适应低pH的固氮细菌。土壤含水量（MC）调节氧气可用性，从而调节好氧过程（如硝化作用、好氧硝酸盐还原）和厌氧氮呼吸之间的平衡，进而直接影响不同氮循环途径的相对贡献。此外，不同植被类型间总磷（TP）的变化改变了养分化学计量和微生物养分限制，这可能进一步调节关键氮循环类群和功能基因的丰度，特别是在贫营养的火山基质中。

结论

火山活动后多样化植物群落的出现，为研究土壤微生物群落如何组装和功能适应这一具有重要生态意义的问题提供了宝贵的背景。在这些不断演化的生态系统中，土壤微生物多样性、群落组成和功能潜力主要受关键土壤理化性质的塑造。五大连池熔岩高原的土壤含水量（MC）、pH和总磷（TP）是影响细菌群落结构的主要环境驱动因子。灌木植被提高了土壤养分有效性，改变了土壤微生境，并培育了独特的微生物群落。值得注意的是，与碳代谢相关的微生物功能群，如化能异养（chemoheterotrophy）和好氧化能异养（aerobic chemoheterotrophy），在苔藓中显著富集，表明植被特异性优先关注关键的生态过程。本研究建立了一个连接喷发后植被演替、土壤理化梯度与土壤微生物群落结构和功能的框架，为理解火山环境中生态系统恢复机制提供了见解。然而，当前的研究结果受限于采样的时空范围——仅从有限的地点采集了一次样本——这可能无法完全捕捉火山后生态系统的动态变异性。因此，应谨慎解释这些结果，并需要进一步验证以建立特定植被特征与微生物功能结果之间的因果关系。当前受限于采样时空范围的发现，突显了需要进一步验证特定植被特征与微生物功能结果之间因果关系的必要性。未来的研究应通过扩展时空采样并进行不同火山系统间的比较，进一步完善所提出的“植被-土壤-微生物”动态模型。