中国海洋大学学报自然科学版  2026, Vol. 56 Issue (5): 32-43  DOI: 10.16441/j.cnki.hdxb.20250204

引用本文  

赖郑霞, 吴丹, 赵志忠, 等. 海南岛老爷海人工红树林湿地固碳细菌群落特征研究[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版), 2026, 56(5): 32-43.
Lai Zhengxia, Wu Dan, Zhao Zhizhong, et al. Studies on the Characteristics of Carbon-Fixing Bacterial Communities in the Artificial Mangrove Wetland of Laoyehai Lagoon, Hainan Island[J]. Periodical of Ocean University of China, 2026, 56(5): 32-43.

基金项目

海南省院士创新平台科研专项项目(YSPTZX202024)资助
Supported by the Special Scientific Research Project of Academician Innovation Platform in Hainan Province(YSPTZX202024)

通讯作者

吴丹,女,硕士,实验师,研究方向:环境地球化学研究。E-mail: 110902@hainnu.edu.cn

作者简介

赖郑霞(2001—),女,硕士生,研究方向: 湿地微生物。E-mail: 2261573629@qq.com

文章历史

收稿日期:2025-07-07
修订日期:2025-12-03
海南岛老爷海人工红树林湿地固碳细菌群落特征研究
赖郑霞 , 吴丹 , 赵志忠 , 韩知序 , 余玉莹     
海南师范大学地理与环境科学学院,海南 海口 571127
摘要:为探究海南省万宁市老爷海人工红树林湿地固碳细菌群落结构及其环境驱动机制,本研究以光滩与红树林地土壤为研究对象,综合运用高通量测序技术与荧光定量PCR分析方法开展系统研究。研究表明:除个别光滩采样点(如GT2)外,红树林地土壤固碳细菌基因丰度总体高于光滩。Chao1物种丰富度指数显示红树林地微生物物种丰富度更优;而Simpson多样性指数、Shannon-Wiener多样性指数和Pielou均匀度指数均呈现空间异质性,表现为在距海较远的样点,光滩的多样性高于红树林地;而在距海较近的样点,则红树林地高于光滩。固碳优势菌门主要为变形菌门(Pseudomonadota)和蓝细菌门(Cyanobacteriota),优势菌属占比:贪铜菌属(Cupriavidus)占比16.11%~24.66%,硫杆菌属(Thiobacillus)占比10.39%~12.77%,硫杆状菌属(Sulfuricaulis)占比9.13%~10.54%;且两类生境存在29个标志差异物种,分属于α-变形菌纲、β-变形菌纲、γ-变形菌纲。主坐标分析(Principal coordinates analysis,PCoA)结合相似性分析(Analysis of similarities,ANOSIM)、置换多因素方差分析(Permutational multivariate analysis of variance,PERMANOVA)显示,湿地固碳细菌群落结构存在明显不同,组间差异大于组内差异。冗余分析(Redundance analysis,RDA)表明:光滩生境固碳细菌群落结构主要受有机碳、易氧化有机碳、粉粒、细砂、有机质、全氮、全磷、黏粒、含水率、pH等因子驱动,红树林地生境则以有机碳、黏粒、易氧化有机碳、有机质、全磷、粉粒、细砂、含水率为关键影响因子,其中土壤粒度与有机碳是两类生境的共同主导因子。研究结果显示,人工种植红树林可通过改善土壤理化性质重塑固碳细菌群落结构与多样性,在滨海湿地生态修复与碳汇功能提升中展现出重要的应用潜力与实践价值。
关键词人工湿地    固碳细菌    高通量测序    cbbL基因    老爷海潟湖    

湿地生态系统是地球上生产力最高、结构最复杂的生态系统之一[1], 拥有丰富的物质资源并进行着复杂的物质交换[2],凭借其高生产力和显著的碳汇潜力,它在海岸带碳固存中占据着不可替代的地位[3]。滨海湿地作为介于陆地生态系统和海洋生态系统之间的过渡区域,是指受海陆交互作用下经常被静止或流动的水体所浸淹的沿海低地,主要包括滩涂、盐沼、浅海水域等[4]。受海陆交互作用干扰,滨海湿地生态系统已成为全球环境变化的敏感区和生态系统的脆弱区[5]

红树林是分布于热带、亚热带潮间带、以红树植物为主体的特殊植物群落[6]。该群落的土壤和生物中均储存着大量的碳,且碳存储周期长,可视为一个高效的长期自然碳汇,对缓解区域和全球气候变化有重要意义[7]。受全球气候变化及人类活动的叠加影响,红树林资源持续退化,数据显示,1973—2000年全球红树林面积锐减30 199 hm2[8],导致大气CO2浓度攀升,进而引发气温异常、海平面上升等连锁环境效应,为应对这一危机,滨海地区已通过大规模造林实施生态修复,目前也取得了阶段性进展,其中人工红树林恢复成为当前主要的修复手段[9]

红树林湿地的碳汇功能核心依赖于生物固碳过程,而卡尔文循环是自然界中最主要的生物固碳途径[10],其运转效率直接决定了红树林生态系统的固碳能力,其中核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(RubisCO)是该循环的关键限速酶[11],其活性与分布特征对红树林固碳效率具有决定性影响。目前已知RubisCO (Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)存在4种类型,其中RubisCO Ⅰ广泛存在于光合和化能自养生物体中[12]。RubisCO Ⅰ又可细分为4类,分别是Form Ⅰ A、Ⅰ B、Ⅰ C、Ⅰ D。RubisCO酶大亚基由cbbL基因编码,95%以上的固碳生物含有该基因[13],因此作为靶标来表征固碳细菌[14-15]。在美洲[16]、东南亚[17]及我国广东[18]、广西[19]、海南[20]等红树林分布区,学者们围绕红树林湿地的固碳功能开展了大量研究,关注到固碳细菌通过提升土壤碳储量和改善土壤环境的作用。尽管现有研究已逐步开始关注人工红树林湿地,但仍存在明显局限:多数研究集中于自然红树林的泥质土壤生境,且多以红树林碳储量为核心研究对象,尚未涉及热带海洋性季风气候下沙质土壤生境中固碳细菌的系统研究。

本研究以老爷海潟湖人工红树林为对象,该区域兼具热带海洋性季风气候与沙质土壤的独特生境组合,目前国内针对该类特殊生境下固碳细菌群落结构、功能特征及其调控机制的研究仍较为匮乏。为此,本研究以cbbL基因为标记物,采用实时荧光定量PCR技术与高通量测序技术,对比分析老爷海人工红树林湿地的光滩与红树林地土壤中固碳细菌基因丰度、群落结构多样性与差异,并探讨影响该区域土壤固碳细菌群落变化的关键环境因子。研究结果不仅有助于揭示人工红树林湿地独特的固碳机制,完善湿地生态系统碳循环理论,还能为进一步优化人工红树林湿地的生态修复和管理,提升其固碳能力,应对全球气候变化提供科学依据和理论支撑。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

老爷海位于海南岛东南部万宁市东澳镇(18°39′N— 18°42′N,110°19′E—110°25′E),形状狭长,呈东西向延伸,是一个典型的潟湖,属于热带海洋性季风气候,年平均温度为22~25 ℃,年降水量为1 500~2 500 mm,受季风气候影响,降水具有明显季节差异,自然环境优越。该区域人工红树林的种植年限为3~4年,造林平均密度约5 347株/hm2。初始造林物种以本土适生红树植物为主,除当前群落中占主导的白骨壤(Avicennia marina)、少量掺杂的木榄(Bruguiera gymnorrhiza)外,还包括桐花树(Aegiceras corniculatum)、红海榄(Rhizophora stylosa)等。但该区域当前人工红树林湿地植被类型仍较为单一,植株稀疏细弱,土壤类型为沙质土,颜色呈现灰色[21]

图 1 研究区域采样点分布示意图 Fig. 1 Schematic diagram of sampling point distribution in the study area
1.2 样品采集

2024年8月7—8日,在万宁市东澳镇老爷海沿岸人工红树林湿地开展土壤采样工作。采样地的选取兼顾光滩与红树林两种生境,设置光滩与红树林(20 m×20 m)各3个采样点。采样前,仔细清除土壤表面5 cm的地表层枯枝落叶及杂质,采用五点采样法,使用土钻钻取0~20 cm深度的土壤,将采集的5钻土壤混合均匀,每块样点设置6个重复,采集了36个(2×3×6)土样。

采集后的土样分为两部分处理:一部分用于分子的生物学分析,每样品取10~20 g土壤进入无菌离心管并密封,置于-80 ℃的干冰桶。另一部分土样装入密封袋,常温下带回实验室,部分样品风干后过2 mm筛用于土壤理化性质的测定,部分样品测定含水量。光滩采集各样品分别命名GT1、GT2、GT3,红树林地采集的各样品分别命名为LD1、LD2、LD3。

1.3 分析方法 1.3.1 土壤样品理化性质测定

土壤pH采用酸度计测定(水土比(Vm)为2.5∶1)[22];土壤含水率采用105 ℃烘箱中连续烘干8~12 h至恒重后测定的方法进行测定,其值用质量分数表示[22];土壤有机质含量采用重铬酸钾氧化-油浴加热测定;土壤有机碳采用重铬酸钾-浓硫酸加热法测定[22];土壤全氮采用凯氏定氮法测定;土壤全磷采用消解钼锑抗分光光度法测定[23];土壤易氧化有机碳采用高锰酸钾氧化法测定[24];土壤粒径使用激光粒度仪测定[25]

1.3.2 土壤总DNA提取

为获取土壤微生物的DNA,我们选用了土壤微生物总DNA提取试剂盒(PowerSoil DNA Isolation Kit)开展抽提工作。该试剂盒由Molecular BioProducts, Incorporated生产,整个抽提流程严格按试剂盒说明书操作。待DNA提取工作完成后,利用超微量紫外可见分光光度计(Nanodrop ND1000,美国)对提取得到的DNA进行浓度和纯度的检测。同时,借助1%琼脂糖凝胶电泳技术来评估DNA的完整性。经过检测,将符合质量要求的DNA样品置于-80 ℃环境下保存,以备后续的PCR扩增实验使用。

1.3.3 土壤固碳功能基因cbbL的扩增与测序

固碳基因cbbL扩增的上游引物为K2f(ACCAYCAAGCCSAAGCTSGG),下游引物为V2r(GCCTTCSAGCTTGCCSACCRC), 片段长度为492~495 bp,扩增区为cbbL-a[26]。PCR扩增反应体系(25 μL):5×Q5 Reaction Buffer 5 μL,2.5 mmol/L dNTPs 2 μL,10 μmol/L Forward Primer 1 μL,10 μmol/L Reverse Primer 1 μL,Q5 High-Fidelity DNA Polymerase 0.25 μL,5×Q5 High GC Enhancer (optional) 5 μL,Template DNA 2 μL,ddH2O 8.75 μL。PCR反应条件:98 ℃预变性3 min,进入扩增循环,98 ℃保持30 s使模板变性,降温至65 ℃退火和延伸,重复循环30次,大量累积DNA片段,最后在72 ℃延伸5 min。PCR产物纯化后,送至上海派森诺公司采用Illumina平台对群落DNA片段进行双端(Paired-end)测序,测序平台中使用Vsearch方法[27]对测序得到的原始数据进行数据质控、序列拼接、变异检测等处理和分析。在97%相似度水平对高质量序列聚类,输出代表序列和操作分类单元(Operational taxonomic unit,OTU)表,对其长度分布进行统计,检查这些序列的长度是否和测序目的片段的长度范围相当,最后与序列数据库进行比对得出结果[28-29]

1.3.4 土壤固碳细菌测定

本研究运用实时荧光定量PCR(Real-time quantitative PCR)技术,对固碳细菌的cbbL基因丰度展开检测,所用引物与1.3.3中一致,为K2f/V2r。具体的反应体系如下:2×SYBR Real-time PCR premixture 10 μL,10 μmol/L浓度的上游、下游引物各添加0.4 μL。反应条件:95 ℃进行预变性处理,时长为5 min;之后正式进入扩增循环阶段,循环过程中,95 ℃下保持15 s实现变性,接着将温度降至60 ℃,在此温度下退火30 s,完成一次循环,共进行40个循环。

1.3.5 数据处理

使用Microsoft Excel 2010对数据进行预处理,用SPSS19.0进行统计学分析,利用单因素方差分析(one-way ANOVA)和邓肯法(α=0.05)对不同地表覆盖类型土壤基本理化性质、固碳细菌cbbL基因丰度和多样性指数进行方差分析及多重比较;使用上海派森诺生物科技股份有限公司提供的云平台进行门、属水平的群落组成分析,采用R 4.3.0软件的ape包、Vegan包以及Python的scikit-bio包进行PCoA分析、PERMANOVA分析、ANOSIM分析以及冗余分析;使用Origin 2024软件包绘制微生物群落丰度图、误差柱状图等;使用ArcGIS软件绘制研究区域采样点分布示意图。

2 结果与分析 2.1 土壤理化性质

表 1可知,老爷海人工湿地中光滩和红树林地的理化性质存在差异。GT1的有机碳、全氮、易氧化有机碳、粉粒、有机质含量高于LD1;GT2和GT3的pH、细砂含量高于LD2和LD3。总体而言,红树林地的有机碳、全氮、全磷、易氧化有机碳、含水率、黏粒、粉粒及有机质含量普遍高于光滩,仅个别采样点红树林地(如LD1)的有机碳、全氮、易氧化有机碳、粉粒、有机质含量低于光滩,但细砂的含量红树林地低于光滩(GT1除外)。可见,红树林地养分相对充足,更利于生物生长;而光滩细砂含量高,土壤通气性良好,但水分和养分易流失。

表 1 土壤理化性质 Table 1 Soil physicochemical properties
2.2 土壤固碳细菌群落α多样性

对光滩和红树林地样品进行高通量测序,数据进行抽平后,光滩三块样地分别得到38 697、32 224、49 673条优化序列,红树林地三块样地分别得到40 205、32 913、38 118条优化序列。可以看出,随着平台深度的不断加深,Chao1丰富度估计指数和Shannon-Wiener多样性指数逐渐趋于平缓,表明测序结果足够反映当前样本物种的多样性,已基本覆盖土壤中的物种(见图 2)。

图 2 土壤固碳细菌多样性稀释曲线 Fig. 2 Rarefaction curves of soil carbon-fixing bacterial diversity

采用预测物种丰富度的Chao1指数、反映物种多样性的Simpson指数和Shannon-Wiener指数以及衡量物种分布均匀度的Pielou均匀度指数来表征土壤固碳细菌群落多样性。两种生境中Chao1丰富度估计指数显示红树林地>光滩,Simpson多样性指数显示GT1>LD1、GT2=LD2、GT3<LD3,而Shannon-Wiener多样性指数和Pielou均匀度指数皆为GT1>LD1、GT2<LD2、GT3<LD3(见表 2)。

表 2 土壤固碳细菌α多样性指数 Table 2 Alpha diversity indices of soil carbon-fixing bacteria
2.3 土壤固碳细菌群落β多样性

基于Bray-Curtis距离的PCoA显示(见图 3),样本点分布呈现明显的分组聚类特征,GT1和LD1相距较远,即土壤固碳细菌群落结构差异大;GT2和LD2、GT3和LD3部分重合,土壤固碳细菌群落结构存在明显差异。ANOSIM与PERMANOVA分析结果显示,组间差异大于组内差异,群落结构存在显著差异。

图 3 基于OTU的主坐标分析、相似性分析和置换多元方差分析的结果 Fig. 3 Results of OTU-based principal coordinates analysis, analysis of similarities, and permutational multivariate analysis of variance
2.4 土壤固碳细菌群落组成、差异

在本研究中,两个生境所得到的序列共注释到的微生物归属于9个门、10个纲、10个目、10个科、10个属、10个种。如图 4(a)所示,门水平上主要的菌门为假单胞菌门(Pseudomonadota)和蓝细菌门(Cyanobacteriota),光滩分别占比为94.46%、2.00%,红树林地分别占比为94.87%、0.77%。如图 4(b)所示,属水平上两者丰度均大于1%的有贪铜菌属(Cupriavidus,16.11%~24.66%)、硫杆菌属(Thiobacillus,10.39%~ 12.77%)、硫杆状菌属(Sulfuricaulis,9.13%~10.54%)、硫卤螺旋菌属(Thiohalospira,5.42%~6.06%)、磁螺旋菌属(Magnetospira,3.94%~7.23%)、闪杆菌属(Lamprobacter,5.20%~5.26%)、嗜盐硫杆菌属(Thiohalophilus,3.23%~6.85%)、中慢生根瘤菌属(Mesorhizobium,3.25%~5.26%)、氢噬胞菌属(Hydrogenophaga,3.37%~3.79%)、荚硫菌属(Thiocapsa,1.62%~2.41%)。其中,光滩优势菌属为贪铜菌属(16.11%)、硫杆菌属(10.39%)、硫杆状菌属(10.54%),红树林地优势菌属为贪铜菌属(24.66%)、硫杆菌属(12.77%)。

图 4 土壤固碳细菌在门(a)、属(b)水平上的群落结构组成 Fig. 4 Community structure of soil carbon-fixing bacteria at the phylum (a) and genus (b) levels

在97%的序列相似水平下,共获得50 906个OTU,光滩总OTU有19 726个,采样点GT1、GT2、GT3独有OTU分别为2 103、2 674、2 080个,红树林地总OTU有31 180个,采样点LD1、LD2、LD3独有OTU分别为2 278、2 545、3 584个,两种生境有共同OUT为884个(见图 5)。

图 5 土壤固碳细菌OTU花瓣图 Fig. 5 Petal diagram of OTUs of soil carbon-fixing bacteria

为进一步确定各生境的差异标志物种,基于物种相对丰度进行了LEfSe分析(LDA>4),结果如图 6所示,不同的生境中共有29个标志差异物种。在属水平上,光滩的差异标志物种包括α-变形菌纲的哈特曼氏杆菌属(Hartmannibacter)、芽绿菌属(Blastochloris)、固氮螺菌属(Azospirillum)、γ-变形菌纲的荚硫菌属(Thiocapsa)、硫杆状菌属、独岛杆菌属(Dokdonella)以及蓝藻纲的蓝杆藻属(Cyanobium);红树林地的差异物种包括β-变形菌纲的红长命菌属(Rubrivivax)、α-变形菌纲的Cereibacter属和γ-变形菌纲的硫卤螺旋菌属。

( (a):LDA柱状图,得分大于4的显示其中,得分越高表明差异越显著;(b):为进化分支图,从内到外表示门至属的分类学水平,节点圆圈大小对应平均相对丰度,空心节点表示不显著,有颜色的点表示显著,图中字母则标识了组间存在显著差异的分类单元的名称。(a): LDA bar chart, only taxa with an LDA score>4 are displayed, higher scores indicate more significant differences. (b): Evolutionary cladogram, taxonomic levels from phylum to genus are represented from the inside out. The size of each node circle corresponds to the average relative abundance, hollow nodes indicate nonsignificant differences, while colored nodes represent significant differences, letters in the figure denote taxonomic units with significant differences between groups. ) 图 6 土壤差异物种的LDA得分情况(a)和进化分支图(b) Fig. 6 LDA scores (a) and cladogram (b) of differentially abundant soil species
2.5 土壤固碳细菌cbbL基因丰度

绝对定量PCR结果显示(见图 7),人工湿地中光滩的固碳细菌基因丰度为0.19×107~2.51×107 copies/g,红树林湿地的固碳细菌基因丰度为0.79×107~ 1.89×107 copies/g。其中GT1(0.19×107 copies/g)<LD1(1.89×107 copies/g)、GT2(2.51×107 copies/g)>LD2(1.37×107 copies/g)、GT3(0.21×107 copies/g)<LD3(0.79×107 copies/g),且GT2显著高于GT1和GT3,两种湿地类型下固碳细菌基因丰度未表现出统一的变化规律,仅在距离海洋较近的GT2位点光滩高于对应红树林位点,不同采样点之间差异明显。

( 柱状图上方不同大写字母所有采样点之间差异显著,不同小写字母表示各生境内差异显著(光滩或林地)(P<0.05)。Different uppercase letters above the bars indicate significant differences among all sampling sites, while different lowercase letters indicate significant differences within each habitat (i.e., mudflat or mangrove forest) (P < 0.05). ) 图 7 各生境土壤cbbL基因丰度 Fig. 7 The abundance of cbbL gene in soils of various habitats
2.6 环境因子对固碳细菌群落的影响

为分析影响万宁老爷海人工湿地固碳细菌群落的影响因素,基于属水平对土壤固碳细菌群落结构与环境因子进行了RDA分析(见图 8)。结果表明,光滩的第一、二排序轴共解释了30.17%的固碳细菌群落差异,固碳细菌群落组成与环境因子显著相关,其中有机碳(R2=0.895,P=0.001)、全氮(R2=0.788,P=0.001)、全磷(R2=0.767,P=0.001)、易氧化有机碳(R2=0.833,P=0.001)、pH(R2=0.706,P=0.003)、含水率(R2=0.747,P=0.001)、黏粒(R2=0.760,P=0.001)、粉粒(R2=0.832,P=0.001)、细砂(R2=0.832,P=0.001)、有机质(R2=0.822,P=0.001)显著影响(见图 8(a)),R2越大对土壤固碳细菌群落的影响越大,影响顺序为有机碳>易氧化有机碳>粉粒=细砂>有机质>全氮>全磷>黏粒>含水率>pH。

( TN:全氮;TP:全磷;SOC:有机碳;ROC:易氧化有机碳;SWC:土壤含水量;Cl:黏粒;Si:粉粒;FS:细砂;OM:有机质。TN: Total nitrogen; TP: Total phosphorus; SOC: Soil organic carbon; ROC: Readily oxidizable carbon; SWC: Soil water content; Cl: Clay; Si: Silt; FS: Fine sand; OM: Organic matter. ) 图 8 土壤固碳细菌群落结构与环境因子的冗余分析 Fig. 8 Redundancy analysis of soil carbon-fixing bacterial community structure and environmental factors

红树林地的第一、二排序轴共解释38.47%的固碳细菌群落差异,土壤固碳细菌群落受到有机碳(R2=0.899,P=0.001)、全氮(R2=0.038,P=0.72)、全磷(R2=0.733,P=0.001)、易氧化有机碳(R2=0.870,P=0.001)、pH(R2=0.313,P=0.07)、含水率(R2=0.522,P=0.006)、黏粒(R2=0.880,P=0.001)、粉粒(R2=0.645,P=0.001)、细砂(R2=0.574,P=0.003)、有机质(R2=0.783,P=0.001)显著影响(见图 8(b)),影响顺序为有机碳>黏粒>易氧化有机碳>有机质>全磷>粉粒>细砂>含水率,其中全氮(R2=0.038,P=0.72)和pH(R2=0.313,P=0.07)影响不显著。

3 讨论

植被作为陆地生态系统的重要组成部分,通过改变微环境条件,对土壤微生物群落结构和多样性产生显著影响[30-31]。本研究发现,两种生境下的土壤固碳细菌群落结构存在明显差异。基于Chao1丰富度估计指数,红树林地的固碳细菌物种丰富度高于光滩。在Simpson多样性指数、Shannon-Wiener多样性指数和Pielou均匀度指数方面,呈现复杂的变化规律:在距离海洋较远的采样地,其多样性指数光滩高于红树林地;在距离海洋近且水流量较大的区域,则表现为红树林地高于光滩(GT1>LD1,GT2<LD2、GT3<LD3)。此外,研究还发现有机碳与土壤固碳细菌呈现负相关,这与韩知序等[32]对热带农田的研究结果一致。这些现象可能与潮汐和微地形等因素紧密相关。如张雯雯等[33]的研究指出,频繁的海水淹没和退却导致土壤盐度剧烈变化,高盐环境对许多固碳细菌的生存和代谢产生抑制作用,限制了微生物的多样性。总体来看,红树林地具有独特的植被缓冲系统、稳定的细颗粒土壤以及丰富的有机碳,使土壤微生物数量和多样性高于光滩[34],这也印证了土壤微生物数量随着植被恢复而增加[35]

本研究结果显示,土壤固碳细菌主要属于假单胞菌门和蓝细菌门,这与任笑瀛等[36]的研究结果一致。两类生境的优势菌属由化能自养菌与化能异养菌构成,其中贪铜菌属为化能异养菌,硫杆菌属和硫杆状菌属为化能自养菌。该结果与袁庆等[37]在福建泉州湾红树林沉积物研究中提出的“化能自养菌是红树林沉积物重要类群”的结论一致,且本研究进一步发现化能自养菌与化能异养菌在红树林沉积物中具有同等重要的生态位。红树林地中贪铜菌属与硫杆菌属的相对丰度显著高于光滩,这可能与光滩生境中有机碳输入匮乏、元素循环效率较低有关,此类环境条件难以维持化能异养菌与化能自养菌的高丰度共存。这一现象既体现了微生物群落对生境资源禀赋及功能需求的适应性演化,亦从微生物生态角度佐证了红树林湿地在区域元素循环中的关键驱动作用。

通过绝对定量PCR技术检测发现,人工红树林湿地的光滩与红树林地生境均存在一定数量的土壤固碳细菌。两类生境中cbbL基因丰度(见图 7)低于稻田[38]、农田[32]、森林[39]等生态系统,高于雨林[29]和旱地[40];其中红树林地总体cbbL基因丰度显著高于光滩,表明红树林地土壤固碳潜力更强,对区域碳汇能力的贡献更大[41]。值得注意的是,两者cbbL基因丰度差异幅度较小,推测与该研究区域人工红树林处于初级发育阶段、种植年限较短且植株个体较小密切相关。进一步分析显示,本研究中固碳细菌数量与土壤有机碳呈显著正相关,这与Yuan等[42]的研究结论一致,王蕊等[43]研究表明,部分区域固碳细菌数量与土壤有机碳呈负相关,这可能与研究区域的环境异质性密切相关,反映出不同生态系统中固碳细菌与碳基质的互作机制存在显著差异。

土壤微生物群落结构和多样性是多种环境因子综合作用的结果[44],其组成与多样性受环境因子显著影响[45]。在本研究中通过RDA分析发现,在光滩生境中,有机碳、易氧化有机碳、粉粒、细砂、有机质、全氮、全磷、黏粒、含水率、pH解释了固碳细菌群落的主要差异,成为驱动光滩固碳细菌群落结构变化的关键环境因子,这与前人研究结论一致[46-47];而在红树林地生境中,有机碳、黏粒、易氧化有机碳、有机质、全磷、粉粒、细砂、含水率为固碳细菌群落环境变化的重要环境因子,而全氮(P>0.05)和pH(P>0.05)的影响未达到显著水平。土壤中的氮与pH对植物生长具有重要的影响[48],是影响土壤固碳菌群落结构的重要因子[49-50]。而本研究中红树林地生境下全氮与pH未表现出显著影响效应,其内在驱动机制尚需进一步验证。后续研究需补充土壤盐度等关键环境因子的测定,结合多维度环境数据与高通量微生物组学技术,进一步解析光滩生境中固碳细菌群落结构变化的核心驱动机制,以完善该生境下固碳细菌群落与环境因子的关联理论。

4 结语

本研究通过对海南岛老爷海人工红树林湿地两种生境(光滩和红树林地)的固碳细菌群落特征及环境影响因子进行分析,得出以下结论:人工种植红树林可显著改变土壤性质。红树林地的有机碳、全氮、全磷、易氧化有机碳、含水率、黏粒、粉粒及有机质含量普遍高于光滩,仅个别采样点红树林地(如LD1)的有机碳、全氮、易氧化有机碳、粉粒、有机质含量低于光滩;红树林地的细砂含量低于光滩。光滩与红树林地土壤固碳细菌的基因丰度、物种丰富度及多样性存在整体差异,红树林湿地表现更优;二者群落结构分化明显,且组间差异高于组内差异;假单胞菌门和蓝细菌门为主要固碳菌门,贪铜菌属、硫杆菌属等为优势菌属,这些优势菌群以化能异养菌和化能自养菌为主;两类生境间存在29个标志差异物种。土壤粒度与有机碳是影响固碳细菌群落结构的主要环境因子,全氮和pH在红树林地中影响不显著,而在光滩中影响显著。本研究表明,人工红树林湿地在生态修复和碳汇方面具有较大潜力与可操作性,这为应对全球气候变化提供了重要的实践方向。但本研究仍存在一定局限性:研究区域仅聚焦于海南岛老爷海单一人工红树林湿地,空间尺度较窄;研究周期未涉及不同季节、不同红树林生长年限的动态变化监测,难以揭示固碳细菌群落与环境因子的长期相互作用规律。基于此,未来研究可拓展至不同气候带、不同林龄的人工红树林湿地,通过长期定位观测明确固碳细菌群落的时空动态特征,进一步完善人工红树林湿地碳汇功能的调控理论,为提升湿地生态系统的固碳效益提供更精准的科学依据。

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Studies on the Characteristics of Carbon-Fixing Bacterial Communities in the Artificial Mangrove Wetland of Laoyehai Lagoon, Hainan Island
Lai Zhengxia , Wu Dan , Zhao Zhizhong , Han Zhixu , Yu Yuying     
College of Geography and Environmental Science, Hainan Normal University, Haikou 571127, China
Abstract: To investigate the community structure of carbon-fixing bacteria and their environmental driving mechanisms in the artificial mangrove wetlands of Laoyehai Lagoon, Wanning City, Hainan Province, we systematically analyzed the soils from bare tidal flats and mangrove areas using high-throughput sequencing and quantitative real-time PCR (qPCR). The results showed that the gene abundance of carbon-fixing bacteria in mangrove soil was generally higher than that in bare tidal flats, except for individual bare tidal flat sampling sites (e.g., GT2). The Chao1 species richness index indicated the superior microbial species richness in mangrove areas, while the Simpson diversity index, Shannon-Wiener diversity index and Pielou evenness index all exhibited spatial heterogeneity. The bare tidal flats far from the ocean are higher than the mangrove areas, whereas mangrove areas close to the ocean had higher values than bare tidal flats. The dominant carbon-fixing phyla were mainly Pseudomonadota and Cyanobacteriota, and the proportions of dominant genera were Cupriavidus (16.11%~24.66%), Thiobacillus (10.39%~12.77%) and Sulfuricaulis (9.13%~10.54%). Additionally, there were 29 marker differential species between the two habitats, which belonged to α-Proteobacteria, β-Proteobacteria and γ-Proteobacteria. Principal Coordinate Analysis (PCoA) combined with Analysis of Similarities (ANOSIM) and Permutational Multivariate Analysis of Variance (PERMANOVA) tests revealed significant differences in the community structure of wetland carbon-fixing bacteria. The differences between groups were greater than those within groups. Redundancy analysis (RDA) demonstrated that the community structure of carbon-fixing bacteria the bare tidal flat habitat was mainly driven by factors such as organic carbon, easily oxidizable organic carbon, silt, fine sand, organic matter, total nitrogen, total phosphorus, clay, water content and pH, while the mangrove areas was mainly driven by organic carbon, clay, easily oxidizable organic carbon, organic matter, total phosphorus, silt, fine sand and water content, among them soil particle size and organic carbon were the common dominant factors in the two habitats. The results of this study confirmed that artificial planting of mangroves can reshape the community structure and diversity of carbon-fixing bacteria by improving soil physicochemical properties, thus demonstrating the important application potential and practical value in coastal wetland ecological restoration and carbon sink function enhancement.
Key words: constructed wetland    carbon-fixing bacteria    high-throughput sequencing    cbbL gene    Laoyehai Lagoon