曹煦彬 林 娣 蔡 璐 江玉梅? 朱 篤，2?

（1 江西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江西省亞熱帶植物資源保護(hù)與利用重點實驗室，南昌 330022）

（2 江西科技師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江西省生物加工過程重點實驗室，南昌 330038）

鄱陽湖南磯山濕地不同植被類型對土壤碳組分、羧化酶及cbbl基因的影響*

曹煦彬1林 娣1蔡 璐1江玉梅1?朱 篤1，2?

（1 江西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江西省亞熱帶植物資源保護(hù)與利用重點實驗室，南昌 330022）

（2 江西科技師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江西省生物加工過程重點實驗室，南昌 330038）

選取鄱陽湖南磯山濕地南荻群落（ND）、蘆葦苔草混合群落（HH）、苔草群落（TC）、茭白群落（JB）及裸灘地（LT）土壤為研究對象，分析土壤中不同碳組分、固碳酶（1，5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶（RubisCO）酶活及其大亞基編碼基因（cbbl）及環(huán)境因子對它們的影響。結(jié)果表明：土壤中全碳（TC）、有機碳（SOC）、微生物生物量碳（MBC）和可溶性有機碳（DOC）依次為6 380～33 830、1 209～2 259、124.6～1 282、2.848～18.00 mg kg-1，其平均值變化表現(xiàn)為ND ＞ HH ＞ TC ＞ JB；土壤中RubisCO酶活性在38.08～125.1 nmol CO2kg-1min-1之間，ND土壤RubisCO酶活性最高（125.1 nmol CO2kg-1min-1），TC最低（38.08 nmol CO2kg-1min-1）；HH與JB 的RubisCO酶活性分別為38.85、66.05 nmol CO2kg-1min-1。土壤cbbl基因總拷貝數(shù)在36.07×104～195.6×104copies g-1之間，ND最高，JB最低。相關(guān)性分析表明，MBC和DOC與cbbl基因均呈極顯著正相關(guān)（p＜0.01），而TC、SOC分別與RubisCO酶活性呈顯著正相關(guān)關(guān)系（p＜0.05）。本研究結(jié)果說明，固碳酶及cbbl基因與各碳組分具有密切的關(guān)系，這對于進(jìn)一步揭示鄱陽湖濕地土壤碳素循環(huán)及其微生物機制具有重要的參考意義。

鄱陽湖；碳庫；碳組分；固碳酶RubisCO；cbbl基因

土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫，全球土壤碳庫約2.2×103～3×103Pg，且碳庫的構(gòu)成影響其累積與分解，其細(xì)微的改變會引起大氣中CO2濃度的變化，從而對全球變暖產(chǎn)生正、負(fù)反饋的效應(yīng)［1-2］。濕地生態(tài)系統(tǒng)所存儲的碳超過全球土壤碳庫的1/3，且由于其多水、缺氧的環(huán)境特征，積累了較多的有機碳，因此，濕地土壤碳庫受到較多關(guān)注［3-5］。土壤有機碳（SOC）庫是土壤碳庫的重要組成部分，也是評價土壤質(zhì)量的一個重要指標(biāo)［6］，它受到氣候、植被、人為活動及土地利用方式等［6］多種因子的影響。土壤微生物生物量碳（MBC）與可溶性有機碳（DOC）是土壤有機碳庫的重要組成部分，雖然僅占土壤有機碳庫的較小部分，前者被認(rèn)為能參與土壤中能量、物質(zhì)及有機物質(zhì)轉(zhuǎn)化的調(diào)控，是評價土壤肥力的重要指標(biāo)之一，后者能反映土壤全碳的微小變化，且存在形態(tài)以及含量高低對土壤微生物的活性影響較大［6-10］。因此，土壤碳庫的構(gòu)成影響其累積與分解，直接影響全球碳平衡。

卡爾文（Calvin）循環(huán)是光能自養(yǎng)微生物及化能自養(yǎng)微生物固定CO2的主要途徑［11］，1，5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶（RubisCO）是控制此循環(huán)速率的關(guān)鍵酶，酶的性質(zhì)與大氣CO2固定速率直接相關(guān)。RubisCO酶及其編碼基因cbbl在水生生態(tài)系統(tǒng)和實驗室培養(yǎng)環(huán)境下已有了廣泛的研究，近年來，在陸地生態(tài)系統(tǒng)也受到了人們的重視［12-14］。Xu和Tabita［13］較早發(fā)現(xiàn)基于cbbl基因的固碳微生物在不同水層種類差異較大。陳曉娟等［14］研究發(fā)現(xiàn)，在農(nóng)田土壤中較高的固碳酶（RubisCO）活性意味著較高的自養(yǎng)微生物同化二氧化碳的潛力。Yuan等［15］發(fā)現(xiàn)，在稻田土壤中有機碳和pH是影響基于cbbl基因的固碳微生物群落結(jié)構(gòu)、豐度和RubisCO酶活性的最主要因素。陸地生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)研究多集中在農(nóng)田土壤中［12，14］，濕地生態(tài)系統(tǒng)中CO2的固定與排放研究對于全球氣候變暖具有重要的意義，目前，關(guān)于濕地土壤固碳微生物在CO2固定過程中有何作用尚不清楚。

鄱陽湖是中國最大淡水湖，濕地面積3 130 km2，具有較高的碳儲量及對氣候變化的高敏感性［16］，其固碳微生物的固碳潛力評估對于認(rèn)識濕地在溫室氣體排放過程中的作用具有重要意義。目前，針對鄱陽湖濕地土壤碳氮時空分布與動態(tài)變化特征及其影響因子已有較多報道。吳琴等［16］研究了不同植被類型、不同土層土壤有機碳分布特征及影響因子，發(fā)現(xiàn)有機碳含量在苔草植物群落中最高，且自表層以下急劇下降，而土壤水分和植物生物量是影響濕地土壤有機碳分布的主要影響因子。蔡家艷等［17］討論了不同圍墾年限稻田、不同土層土壤碳氮變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)土壤層次與圍墾年限以及二者之間的交互作用均顯著影響有機碳及全氮含量。上述研究無法確切地預(yù)測氣候變化下濕地土壤碳平衡變化，更無法全面揭示土壤碳循環(huán)及其機制。土壤微生物與碳循環(huán)過程之間復(fù)雜的耦合作用給研究帶來了巨大的挑戰(zhàn)。本文選取鄱陽湖南磯山濕地從湖心至洲灘分布的植物群落：裸灘（Bare shoals，LT）、茭白群落（Zizania latifoliacommunity，JB）、蘆葦—苔草的混合群落（Mixed community ofPhragmites australis-Carex cinerascens，HH）、苔草群落（Carex cinerascenscommunity，TC）和南荻群落（Triarrhena lutarioripariacommunity，ND）為研究對象，分析不同植被群落土壤碳組分的分布特征與影響因子及其與土壤固碳關(guān)鍵酶（RubisCO）、固碳基因cbbl的關(guān)系，這對明確鄱陽湖南磯濕地生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳循環(huán)具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

鄱陽湖南磯山濕地位于江西省鄱陽湖南部（28°52′21″～29°06′46″N，116°10′24″～116°23′50″E），屬亞熱帶季風(fēng)氣候，熱量豐富，雨量豐沛，光照充足，四季分明。年平均氣溫16.5～17.8℃，無霜期較長，年平均降水量1 570 mm，降水多集中在4—6月。鄱陽湖于2008年被批準(zhǔn)為國家級自然保護(hù)區(qū)，其地理位置獨特，生態(tài)環(huán)境典型，且發(fā)育了十分復(fù)雜、多樣性豐富的植物群落系統(tǒng)。由于水位影響，從湖心至洲灘，植被群落分布呈典型帶狀特征，其優(yōu)勢植物群落為茭白群落、苔草群落、蘆葦—苔草的混合群落以及南荻群落［18］。

1.2 樣地設(shè)置及樣品采集

本試驗于2016年3月選取南磯山濕地由湖心至洲灘（地理坐標(biāo)：28°53′01.55″N～28°53′03.26″N，116°20′32.14″E～ 116°20′31.36″E）不同高程優(yōu)勢植物群落南荻群落（ND）、苔草群落（TC）、茭白群落（JB）、蘆葦—苔草的混合群落（HH）及裸灘（LT）為研究對象，按照垂直于湖岸線的地行梯度設(shè)置樣帶，確定不同高程優(yōu)勢植物群落，每個群落帶選取3個50 cm × 50 cm樣方，共15個觀測樣方。用內(nèi)徑為5 cm、長50 cm的原狀土壤取樣器采集土壤樣品。每個樣方利用非系統(tǒng)布點法獲得土壤并混合，用保溫箱帶回實驗室，剔除可見的動植物殘體。取一部分新鮮土樣4℃保存用于土壤酶活及理化性質(zhì)的測定，且72 h內(nèi)取一部分土壤進(jìn)行預(yù)處理，進(jìn)行RubisCO酶活測定，其余土壤放入-80℃冰箱保存，用于DNA提取。土壤分析前保持兩周的平衡期以保證在之后的干擾中土壤微生物活動穩(wěn)定。

1.3 土壤理化性質(zhì)及酶活性測定

土壤pH采用電位法，即將土壤與蒸餾水以1∶2.5（g﹕ml）的倍數(shù)充分?jǐn)嚢杌旌虾笥秒娢环y量［19］；土壤含水率用烘干法測定［19］；土壤全碳（TC）、全氮（TN）則將土壤烘干后用元素分析儀（Elementar Vario，德國）測定；土壤可溶性有機碳用氯化鉀（0.5 mol L-1）浸提后用分光光度計法測定［20］；土壤有機碳采用重鉻酸鉀外加熱法測定［19］；土壤微生物生物量碳采用氯仿熏蒸—K2SO4浸提法測定［19］：用0.5 mol L-1K2SO4溶液（50 ml）浸提熏蒸與未熏蒸的新鮮土壤（25 g）30 min，之后用重鉻酸鉀容量法測定浸提液中的有機碳含量；微生物呼吸采用靜態(tài)氣室法［21］；過氧化氫酶（CAT）用KMnO4滴定法測定，酶活性以每克土壤所消耗KMnO4的毫升數(shù)表示；蔗糖酶（Suc）采用3，5-二硝基水楊酸顯色法測定，酶活性以每克土壤中含葡萄糖的毫克數(shù)表示。

土壤中RubsiCO 酶活性測定采用超聲波破碎的方法提取土壤中的蛋白質(zhì)［22］：將新鮮土壤進(jìn)行預(yù)處理，去除雜質(zhì)及各種離子無機物后，對其進(jìn)行冷凍干燥得到凍干土。在冰浴下，用超聲波破碎儀對凍干土進(jìn)行充分破碎，之后離心收集上清液，上清液中加入硫酸銨固體達(dá)到80%飽和使得蛋白質(zhì)沉淀，收集蛋白質(zhì)沉淀并溶解。酶活性在30℃下用紫外分光光度計（UV-1800PC，上海美譜達(dá)儀器有限公司）（λ=340 nm）測得［22］，反應(yīng)需要設(shè)置不加1，5-二磷酸核酮糖（Rubp）和熱變性蛋白質(zhì)的陰性對照。

1.4 土壤固碳基因（cbbl）定量分析

土壤DNA用Omega（OMEGA Biotek，美國）土壤試劑盒，依據(jù)其說明書提取。DNA的純度及質(zhì)量利用瓊脂糖凝膠電泳（BG-subMIDI，中國）及凝膠成像系統(tǒng)（GDS-800，UVP公司，美國）測定。并使用“總DNA純化回收試劑盒”（天根，中國）對DNA進(jìn)行純化。通過實時熒光定量PCR（ABI7900，Applied Biosystems Inc，美國）對細(xì)菌cbbl基因數(shù)量進(jìn)行定量分析，采用引物（K2f：5′-ACCAYCAAGCCSAAGCTSGG-3′，V2f：5′-GCCTTCSAGCTTGCCSACCRC-3′），擴增出492-496bp的基因片段［23］，內(nèi)參基因引物采用（16S-F：5′-AGAGTTTGATCMTG GCTCAG-3′，16S-R：5′-GCTGCCTCCCGTAG GAGT-3′）擴增細(xì)菌16S rDNA 區(qū)域［1］。反應(yīng)體系及程序詳見參考文獻(xiàn)［1-2］。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)初處理和制圖利用Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行，采用SSPS 20.0 進(jìn)行方差分析（單因素方差分析）、多重比較（杜克的真實顯著性差異法（Tukey HSD））及相關(guān)性分析（皮爾森法（Pearson））。采用CANOCO 4.5 for Windows 對數(shù)據(jù)進(jìn)行排序分析包括主成分分析（PCA）和冗余分析（RDA）。

2 結(jié) 果

2.1 不同植被類型土壤基本性質(zhì)

土壤含水率（SWC）在45.5%～58.64%之間，不同植物類型間無顯著差異；土壤pH在4.94～6.04之間，隨著洲灘水位升高，pH逐步升高（ND ＜HH ＜ TC ＜ JB ＜ LT），且ND顯著低于JB和LT（p＜0.05）；土壤全氮（TN）在1 090～2 490 mg kg-1之間，其中ND群落顯著大于其他群落；土壤呼吸在156.3～322.8 ml kg-1之間，除了LT土壤，其他植被群落土壤無顯著差異；土壤過氧化氫酶活性在0.194～0.366 ml g-1之間，LT顯著高于ND和HH（p＜0.05），且與土壤pH趨勢一致，這可能與土壤中氫氧根離子含量有關(guān)；土壤蔗糖酶活性在0.059～0.311 ml kg-1之間，表現(xiàn)為HH最高，LT最低，且HH顯著大于JB和LT（p＜0.05）（表1）。

2.2 不同植被類型土壤碳組分

土壤中T C、S O C、M B C、D O C依次為6 380～33 830、1 209～2 259、124.6～1 282、2.848～18.00 mg kg-1，其平均值在植物群落間均大致表現(xiàn)為ND ＞ HH ＞ TC ＞ JB ＞ LT。ND群落的TC和DOC含量顯著高于LT，ND和HH的MBC含量顯著高于LT（p＜ 0.05），見圖1。PCA分析可進(jìn)一步反映不同植物群落土壤樣品中碳組分的差異性，以及導(dǎo)致其差異的主要因素。從圖2可以看出，JB和其他植被群落的碳組分差異較大，TC和HH的碳組分差異不明顯。MBC、DOC、SOC及TC四個指標(biāo)間均呈正相關(guān)。

2.3 不同植被類型土壤固碳關(guān)鍵酶RubisCO酶及基因cbbl

土壤中RubisCO酶活性在38.08～125.1 nmol CO2kg-1min-1之間。不同植物群落中，ND土壤中RubisCO酶活性最高（125.1 nmol CO2kg-1min-1），TC最低（38.08 nmol CO2kg-1min-1）；HH與JB的RubisCO酶活性分別為38.85、66.05 nmol CO2kg-1min-1。ND土壤中酶活分別是HH、TC的3.6、3.7倍，是JB的2倍，且ND和JB有極顯著差異。JB土壤大于HH與TC，但HH與TC間無顯著差異（p＞ 0.05）。

表1 不同植被類型土壤理化性質(zhì)Table 1 Physico-chemical properties of soils in different vegetation

圖1 不同植被土壤各碳組分含量Fig. 1 Soil carbon fractions in different vegetation

圖2 土壤碳組分主成分分析Fig. 2 Principal component analysis（PCA）of soil carbon fractions in soil

土壤c b b l基因總拷貝數(shù)在3 6.0 7×1 04～195.6×104copies g-1之間，其中，最高值ND（195.6×104copies g-1）是最低值LT（36.07×104copies g-1）的5.4倍，HH與ND、TC與JB無顯著差異（p＞ 0.05）（圖3）。

對15個樣品進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明，土壤中RubisCO酶活性與功能基因cbbl呈顯著正相關(guān)（R2=0.2815，p＜ 0.05）（圖4）。

圖3 不同植被群落土壤RubisCO酶活性及cbbl拷貝數(shù)Fig. 3 RubisCO activity and number of cbbl copies in soil relative to vegetation

2.4 不同植被類型土壤碳組分、固碳酶RubisCO及cbbl基因間的關(guān)系

2.4.1環(huán)境因子對土壤碳組分的影響 RDA分析結(jié)果表明，濕地土壤 TN 與環(huán)境第一軸呈極顯著正相關(guān)（R2=0.9881，p＜0.01），土壤pH、CAT與環(huán)境第二軸呈極顯著負(fù)相關(guān)（R2= -0.8347，-0.7918，p＜0.01），土壤Suc與環(huán)境第二軸呈極顯著正相關(guān)（R2=0.7578，p＜0.01），說明環(huán)境第一軸與第二軸能很好地代表土壤中的這4個環(huán)境因子。TN與物種第一軸相關(guān)系數(shù)為0.9633（p＜0.01），pH、CAT、Suc與物種第二軸的相關(guān)系數(shù)分別為-0.6408，-0.6079，0.5818（p＜0.01），說明影響植被土壤碳組分分布的主要因素依次是TN、pH、CAT和Suc。TN與各碳組分呈正相關(guān)，Suc與DOC、MBC呈正相關(guān)，而pH、CAT與各碳組分呈負(fù)相關(guān)（圖5和表2）。

圖4 土壤cbbl拷貝數(shù)與RubisCO酶活性的關(guān)系Fig. 4 Relationship between soil RubisCO activity and number of cbbl copies

2.4.2土壤碳組分、固碳酶RubisCO及cbbl基因的相關(guān)性 MBC和DOC與物種第一軸呈極顯著正相關(guān)（R2=0.8339，0.6421，p＜0.01），TC與 SOC與物種第二軸呈顯著正相關(guān)（R2=0.5463，0.4988，p＜0.05），說明，不同碳組分中MBC、DOC分別與cbbl基因呈極顯著正相關(guān)（p＜0.01），而TC、SOC分別與RubisCO酶活呈顯著正相關(guān)（p＜0.05）（圖6和表3）。

圖5 土壤碳組分及環(huán)境因子冗余分析Fig. 5 Redundancy analysis（RDA）of soil carbon fraction and soil environment factors

3 討 論

3.1 不同植物類型土壤碳組分及其影響因素

土壤有機碳（SOC）更新速率快，其輸入主要來源于動植物殘體、植物枯落物和根系的腐化，其輸出則包括各種環(huán)境條件對土壤的分解和侵蝕，植被歸還量大，分解速率緩慢會造成SOC的積累［24］。本研究發(fā)現(xiàn)，SOC在不同植被土壤中含量大致為ND ＞ HH ＞ TC ＞ JB，呈現(xiàn)出沿高程地向湖心方向逐漸減小的趨勢，這與董磊等［25］的研究結(jié)果類似。本文中SOC含量為1 209～2 259 mg kg-1，其值高于董磊等［25］報道的鄱陽湖濕地土壤有機質(zhì)含量（14.9～35 mg kg-1），而低于吳琴等［16］報道的鄱陽湖濕地土壤有機質(zhì)含量（1.07×104～3.52×104mg kg-1），說明，即使在同一濕地，SOC也有差異，這可能與取樣時間、取樣地點以及取樣層均有關(guān)系，也可能與不同植物群落類型有關(guān)，人為因素影響如火燒對SOC的影響也不容忽視。

表2 RDA排序軸及各土壤環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系Table 2 Relationship between RDA ordination axis and soil environment factors

表3 RDA 排序軸及土壤各碳組分的相關(guān)關(guān)系Table 3 Correlations between RDA ordination axes and soil carbon fractions

土壤微生物生物量碳（MBC）是指土壤中體積在5～10 μm3之間的活微生物體中所含的有機碳含量，受土壤有機碳輸入影響的微生物生長和繁殖的限制。本研究中MBC含量為124.6～1 282 mg kg-1，這與王曉龍等［26］報道鄱陽湖濕地MBC含量（174.9～925.4 mg kg-1）相差不大，與賴建東等［27］報道的納帕海濕地MBC含量（940±69.11 mg kg-1）也無顯著相差。MBC與SOC 在不同植物類型土壤中含量的變化趨勢一致，說明植物群落的不同決定了MBC和SOC含量的不同。

DOC與土壤微生物生物量碳高度相關(guān)，且可在一定時間內(nèi)發(fā)生周轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)化，受植物、微生物影響強烈［28］。本文發(fā)現(xiàn)，南磯山濕地土壤DOC與MBC、SOC在不同植物類型土壤中變化趨勢一致。本文中，DOC含量為2.848～18.00 mg kg-1，低于楊青青等［28］在旱季所測得森林土壤DOC含量（＞100 mg kg-1），卻與雨季所測得DOC含量類似（7.70～18.25 mg kg-1），說明DOC受雨水淋溶強度影響較大［23-27］。鄱陽湖因其獨特的水位特征，如裸灘地基本處于水淹狀態(tài)，其土壤DOC含量最低，說明，水分對裸灘地土壤DOC的淋溶作用導(dǎo)致其含量低。

影響土壤碳組分的因素很多，TN被認(rèn)為是濕地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中的限制因素［29］，這與本研究得到的結(jié)果是一致的。TN是影響碳組分的最重要因素，且TN與碳組分呈顯著正相關(guān)，說明氮素的增加有利于土壤有機碳的累積［30］。但也有研究認(rèn)為，氮素增加使土壤有機碳負(fù)累積，亦或?qū)ν寥烙袡C碳零累積［31-32］。也有研究表明，氮素添加會改變土壤pH［33］，進(jìn)而改變土壤碳組分。

土壤酶是由植物根系、動植物殘骸及微生物所分泌的生物活性物質(zhì)，任何引起微生物數(shù)量變化的因素均會導(dǎo)致土壤酶活的變化［34］。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤蔗糖酶（Suc）與DOC、MBC呈極顯著正相關(guān)，而過氧化氫酶（CAT）與DOC和MBC呈極顯著負(fù)相關(guān)，這與朱媛君等［34］報道的沙丘低地在雨季Suc活性與DOC、MBC呈極顯著正相關(guān)的結(jié)論是一致的；但戴偉和白紅英［35］的研究認(rèn)為，CAT與有機質(zhì)及氮素呈顯著正相關(guān)，與本研究的結(jié)果不一致，這可能與南磯山土壤的水位變化有關(guān)，在取樣期間雨水較多，水位的上升隔絕了土壤與大氣的接觸，從而使得土壤中對植物有害的過氧化氫含量降低。

圖6 土壤碳組分與固碳酶酶活性及cbbl基因冗余分析Fig. 6 RDA analysis of relationships of soil carbon fractions with RubisCO activity and cbbl gene

3.2 不同植物類型土壤固碳酶活性及其表達(dá)基因變化

RubisCO酶是催化自養(yǎng)微生物利用卡爾文循環(huán)進(jìn)行CO2固定的限速酶，cbbl基因是編碼RubisCO酶的。較高的RubisCO 酶活性意味著較高的自養(yǎng)微生物碳同化潛力。相比碳同化功能基因，RubisCO酶活性可更好地反映土壤微生物固碳潛力［29］。

本研究發(fā)現(xiàn)，鄱陽湖南磯山濕地土壤中RubisCO酶活性在38.08～125.1 nmol CO2kg-1min-1之間，低于陳曉娟等［14］報道的農(nóng)田土壤RubisCO酶活性34.06～71.61 nmol CO2kg-1min-1。不同植物群落中，ND土壤中RubisCO酶活性（125.1 nmol CO2kg-1min-1）和cbbl基因總拷貝數(shù)（195.6×104copies g-1）最高，JB和TC土壤RubisCO酶活性分別為66.08、38.08 nmol CO2kg-1min-1，說明ND群落的微生物固碳潛力高于其他植物群落，TC和JB群落土壤微生物固碳潛力最小。這與ND土壤中有較高的碳、氮積累有關(guān)（TC、TN與RubisCO活性極顯著正相關(guān)（p＜0.01）），土壤較為肥沃，使得土壤微生物群落數(shù)量及活性較高。土壤中RubisCO酶活性與功能基因cbbl呈顯著正相關(guān)（R2=0.2815，p＜0.05）（圖4），與吳小紅等［36］及Xiao等［37］在農(nóng)田土壤報道的結(jié)果類似，他們認(rèn)為兩者均與碳同化速率顯著正相關(guān)，為了更好地說明CO2固定的分子生態(tài)學(xué)機制，今后需借助于CO2同位素標(biāo)記技術(shù)且在RNA水平上對固碳基因進(jìn)行進(jìn)一步研究［38］。

在鄱陽湖濕地土壤中，MBC、DOC分別與cbbl基因呈極顯著正相關(guān)（p＜0.01），TC、SOC分別與RubisCO酶活呈顯著正相關(guān)，與陳曉娟等［13］在農(nóng)田土壤結(jié)論一致，說明，MBC、DOC是土壤微生物的重要碳源，是固碳微生物固定CO2的結(jié)果，Liang等［39］的研究也認(rèn)為，土壤中DOC及MBC是土壤中同化CO2成為新碳的主要去向。因此，土壤RubisCO酶活可以在一定程度上指示土壤MBC、DOC的含量，RubisCO酶活性可以很好地反映土壤微生物固碳潛力。

4 結(jié) 論

鄱陽湖南磯山濕地土壤各碳組分含量大小關(guān)系為：全碳（TC） ＞ 有機碳（SOC）＞ 微生物生物量碳 （MBC）＞ 可溶性碳（DOC），且它們在各植物群落中的分布趨勢均大致表現(xiàn)為：南荻群落＞ 蘆葦—苔草群落 ＞ 苔草群落 ＞ 茭白群落 ＞ 裸灘。造成不同植物群落碳組分差異的主要因素有土壤TN、pH、土壤蔗糖酶活性及過氧化氫酶活性，其中TN是最主要的影響因素。MBC、DOC分別與cbbl基因呈極顯著正相關(guān)（p＜0.01），而TC、SOC分別與RubisCO酶活性呈顯著正相關(guān)，這說明了土壤微生物參與了固碳過程，而且微生物固碳潛力與土壤碳組分有顯著的正相關(guān)關(guān)系。土壤微生物固碳是一個非常復(fù)雜的過程，今后的研究將深入分析濕地土壤中有哪些微生物具有重要的CO2固定能力，以及優(yōu)勢微生物的固碳潛能。

［1］ Yousuf B，Keshri J，Mishra A，et al. Application of targeted metagenomics to explore abundance and diversity of CO2-fixing bacterial community usingcbblgene from the rhizosphere ofArachis hypogaea. Gene，2012，506（1）：18—24

［2］ Kirschbaum M U F. Will changes in soil organic carbon act as a positive or negative feedback on global warming? Bio-geochemistry，2000，48（1）：21—51

［3］ Ferrati R，Canziani G A，Moreno D R. Estero del Ibera：Hydrometeorological and hydrolocical characterization. Ecological Modelling，2005，186（1）：3—15

［4］ Bellamy P H，Loveland P J，Bradley R I，et al. Carbon losses from all soils across England and Wales 1978-2003. Nature，2005，437（7056）：245—248

［5］ Davidson E A，Janssens I A. Temperature sensitivity of soil carbon decomposition and feedbacks to climate change. Nature，2006，440（7081）：165—173

［6］ Wu T Y，Schoenau J J，Li F M，et al. Effect of tillage and rotation on organic carbon forms of chernozemic soils in Saskatche-wan. Journal of Plant Nutrition and Soil Science，2003，166（3）：328—335

［7］ Butterly C R，McNeill A M，Baldock J A，et al. Rapid changes in carbon and phosphorus after rewetting of dry soil. Biology and Fertility of Soils，2011，47（1）：41—50

［8］ 邱虎森，蘇以榮，陳香碧，等. 喀斯特高原典型小流域土壤有機碳及其組分的分布特征. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2012，31（10）：1956—1964 Qiu H S，Su Y R，Chen X B，et al. Characteristics of the distributions of soil organic carbon and main components in a typical catchment in the Karst Plateau（In Chinese）. Journal of Agro-Environment Science，2012，31（10）：1956—1964

［9］ Dempster D N，Gleeson D B，Solaiman Z M，et al. Decreased soil microbial biomass and nitrogen mineralisation with Eucalyptus biochar addition to a coarse textured soil. Plant and Soil，2012，354（1/2）：311—324

［10］ Lissner L，Bengtsson C，Lapidus L，et al. Effects of phosphorus addition on soil microbial biomass and community composition in three forest types in tropical China. Soil Biology & Biochemistry，2012，44（1）：31—38

［11］ Ragsdales S W，Wood H G. Enzymology of the acetyl-CoA pathway of CO2fixation. Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology，1991，26（3/4）：261—300

［12］ Selesi D，Schmid M，Hartmann A. Diversity of green-like and red-like ribulose-1，5-bisphosphate carboxylase/oxygenase large-subunit genes（cbbl）in differently managed agricultural soils. Applied &Environmental Microbiology，2005，71（1）：175—184

［13］ Xu H H，Tabita F R. Ribulose-1，5-bisphosphate carboxylase/oxygenase gene expression and diversity of Lake Erie planktonic microorganisms. Applied &Environmental Microbiology，1996，62（6）：1913—1921

［14］ 陳曉娟，吳小紅，簡燕，等. 農(nóng)田土壤自養(yǎng)微生物碳同化潛力及其功能基因數(shù)量、關(guān)鍵酶活性分析. 環(huán)境科學(xué)，2014，35（3）：1144—1150 Chen X J，Wu X H，Jian Y，et al. Carbon doxide assimilation potential，functional gene amount and RubisCO activity of autotrophic microorganisms in Agricultural soils（In Chinese）. Environmental Science，2014，35（3）：1144—1150

［15］ Yuan H C，Ge T D，Wu X H，et al. Long-term field fertilization alters the diversity of autotrophic bacteria based on the ribulose-1，5-biphosphate carboxylase/oxygenase（RubisCO）large-subunit genes in paddy soil. Applied Microbiology and Biotechnology，2012，95（4）：1061—1071

［16］ 吳琴，堯波，幸瑞新，等. 鄱陽湖典型濕地土壤有機碳分布及影響因子. 生態(tài)學(xué)雜志，2012，31（2）：313—318 Wu Q，Yao B，Xing R X，et al. Distribution pattern of soil organic carbon in Poyang Lake wetland and related affecting factors（In Chinese）. Chinese Journal of Ecology，2012，31（2）：313—318

［17］ 蔡家艷，吳琴，鐘欣孜，等. 鄱陽湖區(qū)不同圍墾年限稻田土壤碳氮變化. 生態(tài)學(xué)雜志，2016，35（8）：2009—2013 Cai J Y，Wu Q，Zhong X Z，et al. Soil organic carbon and total nitrogen in reclaimed paddy fields vary with reclamation duration in Poyang Lake region（In Chinese）. Chinese Journal of Ecology，2016，35（8）：2009—2013

［18］ 許軍，王召瀅，唐山，等. 鄱陽湖濕地植物多樣性資源調(diào)查與分析. 西北林學(xué)院學(xué)報，2013，28（3）：93—97 Xu J，Wang Z Y，Tang S，et al. Investigation and analysis of the resources of wetland plant diversity in Poyang Lake（In Chinese）. Journal of Northwest Forestry University，2013，28（3）：93—97

［19］ 中國土壤學(xué)會農(nóng)業(yè)化學(xué)專業(yè)委員會. 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)常規(guī)分析方法. 北京：科學(xué)出版社，1983 Specialized Committee for Agricultural Chemistry，Soil Sciences Society of China. General analytical methods for soil and agro-chemistry（In Chinese）. Beijing：Science Press，1983

［20］ 羅小三，倉龍，郝秀珍，等. 原位土壤溶液采樣及可溶性有機碳（DOC）的紫外吸收光譜直接測定探討. 土壤，2007，39（6）：943—947 Luo X S，Cang L，Hao X Z，et al. In-Situ sampling of soil solution and determination of dissolved organic carbon（DOC）with UV absorption method（UVA254）（In Chinese）. Soils，2007，39（6）：943—947

［21］ 楊晶，李凌浩. 土壤呼吸及其測定法. 植物雜志，2003，12（5）：36—37 Yang J，Li L H. Soil respiration and it’s analysis method（In Chinese）. Plants，2003，12（5）：36—37

［22］ Wu X，Ge T，Yuan H，et al. Evaluation of an optimal extraction method for measuring d-ribulose-1，5-bisphosphate carboxylase/oxygenase（RubisCO）in agricultural soils and its association with soil microbial CO2assimilation. Pedobiologia，2014，57（4/6）：277—284

［23］ Tolli J，King G M. Diversity and structure of bacterial chemoautotrophic communities in pine forest and agroecosystem Soils. Applied & Environmental Microbiology，2005，71（12）：8411—8418

［24］ 余健，房莉，卞正富，等. 土壤碳庫構(gòu)成研究進(jìn)展. 生態(tài)學(xué)報，2014，34（17）：4829—4838 Yu J，F(xiàn)ang L，Bian Z F，et al. A review of the composition of soil carbon pool（In Chinese）. Acta Ecologica Sinica，2014，34（17）：4829—4838

［25］ 董磊，徐力剛，許加星，等. 鄱陽湖典型洲灘濕地土壤環(huán)境因子對植被分布影響研究. 土壤學(xué)報，2014，51（3）：618—626 Dong L，Xu L G，Xu J X，et al. Effects of soil environmental factors on vegetation distribution in shoaly wetlands typical to Poyang Lake（In Chinese）.Acta Pedologica Sinica，2014，51（3）：618—626

［26］ 王曉龍，徐立剛，姚鑫，等. 鄱陽湖典型濕地植物群落土壤微生物量特征. 生態(tài)學(xué)報，2010，30（18）：5033—5042 Wang X L，Xu L G，Yao X，et al. Analysis on the soil microbial biomass in typical hygrophilous vegetation of Poyang Lake（In Chinese）. Acta Ecologica Sinica，2010，30（18）：5033—5042

［27］ 賴建東，田昆，郭雪蓮，等. 納帕海濕地土壤有機碳和微生物量碳研究. 濕地科學(xué)，2014，12（1）：49—54 Lai J D，Tian K，Guo X L，et al. Organic carbon and microbial biomass carbon in soil in Napahai wetlands（In Chinese）. Wetland Science，2014，12（1）：49—54

［28］ 楊青青，陳小花，余雪標(biāo)，等. 濱海臺地典型森林類型土壤可溶性有機碳季節(jié)變化. 熱帶作物學(xué)報，2016，37（1）：30—35 Yang Q Q，Chen X H，Yu X B，et al. Seasonal dynamic pattern of soil soluble organic carbon in typical vegetation types in Coastal Platform（In Chinese）. Chinese Journal of Tropical Crops，2016，37（1）：30—35

［29］ 李娟，趙秉強，李秀英，等. 長期不同施肥制度下幾種土壤微生物學(xué)特征變化. 植物生態(tài)學(xué)報，2008，32（4）：891—899 Li J，Zhao B Q，Li X Y，et al. Changes of soil microbial properties affected by different long-term fertilization regimes（In Chinese）. Journal of Plant Ecology，2008，32（4）：891—899

［30］ Mack M C，Schuur E A，Bret-Harte M S，et al.Ecosystem carbon storage in arctic tundra reduced by long-term nutrient fertilization. Nature，2004，431（7007）：440—443

［31］ Gunnarsson U，Bronge L B，Rydin H，et al. Near-zero recent carbon accumulation in a bog with high nitrogen deposition in SW Sweden. Global Change Biology，2008，14（9）：2152—2165

［32］ Huang Z，Clinton P W，Baisden W T，et al. Longterm nitrogen additions increased surface soil carbon concentration in a forest plantation despite elevated decomposition. Soil Biology & Biochemistry，2011，43（2）：302—307

［33］ 胡雷，王長庭，王根緒，等. 三江源區(qū)不同退化演替階段高寒草甸土壤酶活性和微生物群落結(jié)構(gòu)的變化. 草業(yè)學(xué)報，2014，23（3）：8—19 Hu L，Wang C T，Wang G X，et al. Changes in the activities of soil enzyme and microbial community structure at different degradation successional stages of alpine meadows in the headwater region of Three Rivers，China（In Chinese）. Acta Prataculturae Sinica，2014，23（3）：8—19

［34］ 朱媛君，張璞進(jìn)，牛明麗，等. 毛烏素沙地丘間低地主要植物群落土壤酶活性. 生態(tài)學(xué)雜志，2016，35（8）：2014—2021 Zhu Y J，Zhang P J，Niu M L，et al. Soil enzyme activities of the main plant communities in inter-dune lowland of Mu Us Sandy Land（In Chinese）. Chinese Journal of Ecology，2016，35（8）：2014—2021

［35］ 戴偉，白紅英. 土壤過氧化氫酶活度及其動力學(xué)特征與土壤性質(zhì)的關(guān)系. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，1995，17（1）：37—41 Dai W，Bai H Y. Correlations of soil catalase activity and it’s kinetic characteristic with some soil properties（In Chinese）. Journal of Beijing Forestry University，1995，17（1）：37—41

［36］ 吳小紅，簡燕，陳曉娟，等. 自養(yǎng)微生物同化CO2的分子生態(tài)研究及同化碳在土壤中的轉(zhuǎn)化. 生態(tài)學(xué)報，2014，34（3）：701—709 Wu X H，Jian Y，Chen X J，et al. Molecular mechanism on carbon dioxide assimilation of autotrophic microorganism and carbon translocation in agricultural soils（In Chinese）. Acta Ecologica Sinica，2014，34（3）：701—709

［37］ Xiao K Q，Bao P，Bao Q L，et al. Quantitative analyses of ribulose -1，5 - bisphosphate carboxylase/ oxygenase（rubisco）large-subunit genes（cbbl）in typical paddy soils. FEMS Microbiol Ecology，2014，87（1）：89—101

［38］ Jia Z，Conrad R. Bacteria，rather than Archaea，dominate microbial ammonia oxidation in an agricultural soil. Environmental Microbiology，2009，11（7）：1658—1671

［39］ Liang B C，Wang X L，Ma B L. Maize root-induced change in soil organic carbon pools. Soil Science Society of America Journal，2002，66（3）：845—847

Effects of Different Vegetation Communities on Soil Carbon Fraction，RubisCO Activity andcbblGenes in Nanjishan Wetland of Poyang Lake

CAO Xubin1LIN Di1CAI Lu1JIANG Yumei1?ZHU Du1，2?
（1Key Laboratory of Protection and Utilization of Subtropical Plant Resources of Jiangxi Province，College of Life Science，Jiangxi Normal University，Nanchang330022，China）
（2Jiangxi Province Key Laboratory of Bioprocess Engineering，College of Life Science，Jiangxi Science & Technology Normal University，Nanchang330038，China）

【Objective】 Soils are an essential section of the terrestrial carbon cycle and act as either source or sink for carbon，depending on what fraction the carbon is in and its stability. However，few studies have been reported on relationship between soil carbon fractions and carbon fixing process（Calvin-Benson-Bassham cycle）in wetland soil systems. Ribulose 1，5-bisphosphate carboxylase/oxygenase（RubisCO）is a key CO2assimilation enzyme in the Calvin cycle，and its relationship with its large-subunit I gene and soil carbon fractions may provide some information about their relative importance to the genetic potential of CO2fixation. Meanwhile，RubisCO enzyme activity and soil physicochemical properties were determined，and statistical analyses were performed to identify key factors driving microbial CO2sequestration in wetland soils.【Method】In this study，soil samples were collected separately from wetlands under.Triarrhena lutarioripariacommunity（ND），Phragmites australis-Carex cinerascenscommunity（HH），Carex cinerascenscommunity（TC）andZizania latifoliacommunity（JB）and a bare shoal（LT）at Nanjishan of the Poyang Lake in China，for fractionation of soil carbon and analysis of soil organic carbon（SOC），soil microbial biomass C（MBC），and dissolved organic C（DOC），activity of RubisCO and its large-subunit I gene（cbbl）.【Result】Results show that content of total carbon，SOC，MBC and DOC in the soils varied in the range of 6 380～33 830，1 209～2 259，124.6～1 282 and 2.848～18.00 mg kg-1，respectively，and the four patches of wetlands displayed an order of ND ＞ HH ＞ TC ＞ JB in terms of variation of their means.RubisCO activity in the soils varied in the range of 38.08～125.1 nmol CO2kg-1min-1and was the highest in ND reaching 125.1 nmol CO2kg-1min-1and the lowest in TC falling down to 38.08 nmol CO2kg-1min-1. Total number of copies ofcbblgenes in the soils varied in the range of 36.07×104～195.6×104copies g-1，being the highest in ND（195.6×104copies g-1）and the lowest in JB（36.07×104copies g-1）. RDA analysis indicates that the main factors affecting distribution of soil carbon fractions are Total N，pH，catalase activity and sucrase activity；and soil total N is the most important factor affecting soil carbon fractionation，followed by pH. Correlation analysis indicates that Total N and sucrase activity are positively related（p＜0.01），while pH and catalase activity negatively related to carbon fractionation（p＜0.01）. The contact of the soil with the atmosphere might lead to a significant negative relationship between soil catalase and carbon. The correlation between MBC and carboncbblgene is the strongest，followed by DOC，which shows a significant positive correlation withcbblgene（p＜0.01），while total C and SOC are significantly and positively related to RubisCO activity（p＜0.05）. 【Conclusion】All the findings in this study suggest that soil carbon fixation enzyme andcbblgene are positively correlated with soil carbon fractionation，which improves our knowledge of their roles in carbon sequestration and nutrient turnover. Obviously the study is of great significance to further researches on soil carbon cycle and its microbial mechanism in Poyang Lake wetlands.

Poyang Lake；Carbon pool；Carbon fractionation；RubisCO；cbblgene

S154.36

A

10.11766/trxb201702200543

* 國家自然科學(xué)基金項目（31460147，41461042）、江西省青年科學(xué)家基金項目（20142BCB23010）和江西省教育廳項目（GJJ160314）共同資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China（Nos.31460147，41461042），the Program for Cultivating Youths Scientist of Jiangxi Province（No.2014BCB23010）and Jiangxi Province Education Department of China（No.GJJ160314）

? 通訊作者 Corresponding author，E-mail：leaf91626@163.com；zhudu12@163.com

曹煦彬（1989—），男，甘肅省西和縣人，碩士研究生，主要從事濕地生態(tài)學(xué)及土壤微生物的研究。E-mail：3338958786@qq.com

2017-02-20；

2017-06-14；優(yōu)先數(shù)字出版日期（www.cnki.net）：2017-06-27

（責(zé)任編輯：陳榮府）