模擬降雨對(duì)黃土高原典型草原土壤化學(xué)計(jì)量及微生物多樣性的影響

王譽(yù)陶,李建平,2,*,井 樂(lè),張 翼,張 娟

1 寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 銀川 750021 2 西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 銀川 750021

隨著全球氣候變暖,全球降水分布格局也相應(yīng)發(fā)生了一系列變化[1- 2],在干旱半干旱地區(qū),水分是影響草地生態(tài)系統(tǒng)中植被生長(zhǎng)的主要限制因素[3],降水格局變遷導(dǎo)致植物及微生物生境發(fā)生變化,進(jìn)而導(dǎo)致土壤微生物多樣性及土壤化學(xué)元素發(fā)生相應(yīng)改變[4- 5]。黃土高原半干旱區(qū)作為全球氣候變化的敏感區(qū),研究該區(qū)土壤及微生物特征對(duì)降雨變化的響應(yīng)機(jī)制,對(duì)于該區(qū)植被應(yīng)對(duì)氣候變化具有重要的科學(xué)意義。

碳、氮、磷是生物有機(jī)體所必須的營(yíng)養(yǎng)元素[6],同時(shí)也是草地生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵限制元素,且元素之間的相互平衡及作用機(jī)制,對(duì)于揭示生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)化機(jī)制具有重要的理論和實(shí)踐意義[7- 8]。氣候變化對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)元素的影響已有大量報(bào)道,如模擬增溫、增雨提高內(nèi)蒙古錫林浩特旱區(qū)草原土壤酶活性[9]、二氧化碳濃度升高對(duì)大豆根際微生物群落結(jié)構(gòu)的影響[10],草地生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征對(duì)于降雨變化的響應(yīng)極為敏感[11],休眠期增溫對(duì)黃土高原天然草地植被生產(chǎn)力提升明顯[12]。也有研究表明海拔梯度[13-14]、火燒干擾[15]、放牧措施[16]等對(duì)土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征影響顯著。

微生物是養(yǎng)分元素循環(huán)的“轉(zhuǎn)換器”[17]、環(huán)境污染的“凈化器”[18]、陸地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的“調(diào)節(jié)器”[19],時(shí)刻影響著人類(lèi)的生存、生活與發(fā)展。土壤微生物多樣性與土壤養(yǎng)分儲(chǔ)存之間存在密切關(guān)系,是天然草地中最活躍的組分[20],也是評(píng)價(jià)土壤養(yǎng)分含量變化的有效指標(biāo)之一[21-22]。土壤微生物多樣性對(duì)于氣候變化反饋明顯,研究表明,在氣候變化大背景下,青藏高原大多數(shù)地區(qū)在未來(lái)幾十年土壤微生物多樣性將呈增加趨勢(shì),氣候變化對(duì)地下微生物的影響不僅在當(dāng)代而且在未來(lái)[23],大氣氮沉降增加貝加爾針茅草原和中亞熱帶杉木人工林土壤微生物多樣性[24-25],增溫、增雨及交互作用影響土壤微生物多樣性與土壤溫濕度之間的關(guān)系,并未表現(xiàn)出特異性規(guī)律[26]；相反,二氧化碳濃度和溫度升高,土壤細(xì)菌和真菌豐度沒(méi)有顯著變化[27],增溫和降水變化對(duì)青藏高原高寒草甸土壤 nirK(可溶性含銅酶)、nirS(細(xì)胞色素酶)、nosZ(氧化亞氮還原酶) 反硝化菌群落多樣性沒(méi)有明顯的影響,不同采樣時(shí)間對(duì)多樣性也沒(méi)有明顯影響[28]。

總結(jié)已有研究看來(lái),氣候變化對(duì)土壤化學(xué)計(jì)量及土壤微生物研究及二者之間的相關(guān)性研究報(bào)道較少。因此,本試驗(yàn)以黃土高原寧夏云霧山自然保護(hù)區(qū)天然草地為研究對(duì)象,采用人工遮雨/補(bǔ)雨裝置,實(shí)現(xiàn)不同降雨梯度,深入研究降雨變化對(duì)不同深度土壤微生物、土壤化學(xué)計(jì)量及二者之間的關(guān)系,研究工作可為氣候變化背景下草地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)地處黃土高原腹地的寧夏固原云霧山自然保護(hù)區(qū)(106°21′—106°27′ E,36°10′—36°17′ N),海拔1700—2148 m,屬于溫帶半干旱氣候區(qū),年平均氣溫7 ℃,年均降水量為425 mm(1980—2014年平均值),且多集中在夏季,年蒸發(fā)量1300—1640 mm,年日照時(shí)數(shù)可達(dá) 2500 h,≥0 ℃積溫 2370—2882 ℃,無(wú)霜期112—140 d,土壤為山地灰褐土和黑壚土,植被類(lèi)型為典型草原,長(zhǎng)芒草(Stipabungeana)、鐵桿蒿(Artemisiagmelinii)、冰草(Agropyronmichnoi)、大針茅(S.grandis)、冷蒿(A.frigida)、星毛委菜(Potentillaacaulis)等是主要的優(yōu)勢(shì)植物[29-30]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究以黃土高原寧夏固原云霧山封育19年天然草地為研究對(duì)象(106°22′53.1″ E,36°15′07.3″ N,海拔2077 m,半陽(yáng)坡,坡度7—10°),采用單因素完全隨機(jī)試驗(yàn),水分梯度分別為正常降雨的150%、50%、100%,分別記為A、B、C(對(duì)照區(qū)),每個(gè)降雨梯度設(shè)置3個(gè)6 m × 6 m水分控制重復(fù),為防止水分?jǐn)U散,在每個(gè)水分控制小區(qū)四周利用1.2 m寬塑料板進(jìn)行水分隔離,塑料板的地下埋藏深度為1.1 m,地上漏出10 cm阻止地表徑流。小區(qū)上采用鋼架結(jié)構(gòu)與V形透明塑料板對(duì)50%雨水進(jìn)行收集形成減雨區(qū)B,采用滴管將收集雨水滴灌至A形成150%增雨區(qū)(灌管設(shè)置高于植被平均高度,形成冠層降水),正常降雨為C。土層采樣深度分別為0—10 cm,10—20 cm,20—30 cm,分別記為X、Y、Z。重復(fù)樣品分別對(duì)應(yīng)為D、E、F。水分控制試驗(yàn)示意圖見(jiàn)圖1,水分控制試驗(yàn)時(shí)間為2017年5月—2018年5月,期間正常降雨量為512 mm。

圖1 水分控制裝置Fig.1 Water control device

1.2.2樣品采集

2018年5月,在A、B、C區(qū)各隨機(jī)選擇3個(gè)重復(fù),用直徑6 cm原狀土—土鉆取樣,以10 cm為取樣間隔,取0—30 cm土層土樣(0—10 cm,10—20 cm,20—30 cm),每個(gè)重復(fù)隨機(jī)取土樣3次,將每個(gè)重復(fù)樣點(diǎn)內(nèi) 3個(gè)取樣點(diǎn)同一土層土壤混和組成1個(gè)土壤樣品,去除殘留的枯落物及混雜物后裝入無(wú)菌密封袋,立即帶回實(shí)驗(yàn)室放入4℃冰箱供土壤理化性質(zhì)和微生物多樣性分析,共計(jì)采集土壤樣品27個(gè)。為了便于微生物多樣性的分析,對(duì)樣品進(jìn)行編號(hào)(表1),如A-D-X代表150%降雨梯度下第1個(gè)重復(fù)0—10 cm土層深度樣品。

表1 樣品編號(hào)對(duì)應(yīng)表

TA：水分梯度分別為正常降雨的150% A；TB：水分梯度分別為正常降雨的50% B；TC：水分梯度分別為正常降雨的100% C；D：每個(gè)水分處理下第1個(gè)重復(fù)樣品 D；E：每個(gè)水分處理下第2個(gè)重復(fù)樣品 E；F：每個(gè)水分處理下第3個(gè)重復(fù)樣品 F；X：0—10 cm土層深度土壤 X；Y：10—20 cm土層深度土壤 Y；Z：20—30 cm土層深度土壤 Z

1.3 樣品分析方法

土壤SOC采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定,土壤TN采用半微量凱氏蒸餾法測(cè)定[31-32],土壤TP采用高氯酸-濃硫酸(HCLO4-H2SO4)消煮后流動(dòng)注射儀測(cè)定(型號(hào)Skalar-SAN++)；土壤微生物多樣性是基于 Illumina HiSeq 測(cè)序平臺(tái),利用雙末端測(cè)序(Paired-End)的方法,構(gòu)建小片段文庫(kù)進(jìn)行測(cè)序,通過(guò)對(duì) Reads 拼接過(guò)濾,OTUs(Operational Taxonomic Units)聚類(lèi),并進(jìn)行物種注釋及豐度分析,揭示樣品的物種構(gòu)成,進(jìn)一步進(jìn)行α多樣性分析(Alpha Diversity)、β多樣性分析(Beta Diversity)和顯著物種差異分析等等,挖掘樣品之間的差異。細(xì)菌主要是基于16S區(qū),真菌主要基于18S區(qū)或ITS區(qū)(內(nèi)轉(zhuǎn)錄間區(qū))(北京百邁克云科技有限公司)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄及整理,Origin 8.0進(jìn)行圖表繪制,采用SPSS軟件對(duì)不同水分管理和不同土層深度數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素Anova統(tǒng)計(jì)分析,并在不同處理下對(duì)土壤碳氮磷含量、化學(xué)計(jì)量比和微生物多樣性進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析,使用Mothur (version v.1.30) 軟件,對(duì)樣品豐富度估計(jì)指數(shù)Chao1、ACE指數(shù)和樣品多樣性指數(shù)Shannon、Simpson指數(shù)進(jìn)行評(píng)估。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤碳氮磷含量變化

在0—20 cm土層中,不同水分梯度下,土壤SOC、TN、TP均無(wú)顯著性差異；在20—30 cm,100%和150% 降雨處理土壤TN顯著高于50% 降雨處理,SOC和TP無(wú)顯著變化,表明増雨或減雨對(duì)草地各層土壤碳氮磷含量影響較小(圖2)。

同一降雨梯度下不同土層深度間土壤的碳、氮、磷含量進(jìn)行差異性分析表明,在3個(gè)降雨梯度中,0—10 cm土壤SOC含量顯著高于10—20 cm、20—30 cm(P<0.05),在100%降水處理下,10—20 cm土壤SOC含量顯著高于20—30 cm(P<0.05),而在50%和150%水分處理下,10—20 cm土層與20—30 cm土層SOC含量差異不顯著。各水分處理下0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm土壤SOC含量平均值分別為7.935、6.735、6.469 g/kg,表現(xiàn)為隨著土層的加深逐漸遞減,即表層土壤的SOC含量最高(圖2)。

在3個(gè)降雨梯度中,0—10 cm土壤TN含量顯著高于10—20 cm、20—30 cm(P<0.05),50%降雨處理下,10—20 cm土壤TN含量顯著高于20—30 cm(P<0.05),100%和150% 降雨梯度下,10—20 cm和20—30 cm土壤TN含量無(wú)顯著差異。各水分處理下,0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm土壤TN含量平均值分別為2.314、2.068、2.014 g/kg,表現(xiàn)為隨著土層的加深逐漸遞減,即表層土壤TN含量最高(圖2)。

各降雨處理及其土層深度間,土壤TP含量無(wú)差異,3個(gè)降雨梯度下土壤TP含量分別為：0.712、0.723、0.714 g/kg(圖2)。

圖2 不同降雨梯度土壤碳氮磷含量Fig.2 Soil carbon, nitrogen and phosphorus content under different treatment

2.2 土壤碳氮磷化學(xué)計(jì)量比變化

在三種降雨梯度下各土層,土壤C/N、C/P、N/P均無(wú)顯著差異,除了20—30 cm土層,N/P值在100%降雨樣地顯著高于50%降雨樣地(P<0.05)。各水分處理樣地C/N 平均值變化范圍為3.27—3.35,C/P平均值變化范圍為9.77—9.90,N/P平均值變化范圍為2.96—3.00。0—30 cm土層C/N、C/P、N/P平均值呈現(xiàn)降雨梯度100% > 50% > 150%的變化趨勢(shì)(圖3)。

同一降水處理不同土層深度下土壤C/N變化規(guī)律分析顯示,在50%和100%降水處理下,0—10cm土層深度的C/N顯著高于10—20 cm和20—30 cm(P<0.05),150%降水處理則無(wú)明顯差異,在50%、100%、150%降水處理下,土壤各層C/N平均值均呈現(xiàn)0—10 cm > 10—20 cm >20—30 cm的變化趨勢(shì)(圖3)。

同一降水處理下不同土層深度土壤C/P變化,在3個(gè)降水處理下,0—10 cm土層深度的C/P顯著高于10—20 cm和20—30 cm(P<0.05),10—20 cm土層略高于20—30 cm土層,但變化不顯著,C/P平均值范圍在50%、100%、150%降水處理下分別為：8.80—11.31、9.19—11.29、9.18—10.86,且各降水處理下土壤各層C/P平均值也呈現(xiàn)出隨土層加深而減小的變化規(guī)律(圖3)。

同一降水處理下不同土層深度土壤N/P變化,50%水分處理各土層間差異顯著,表現(xiàn)為0—10 cm > 10—20 cm > 20—30 cm(P<0.05),100%和150%水分處理下0—10 cm土層深度N/P顯著高于10—20 cm、20—30 cm(P<0.05),10—20 cm與20—30 cm土層間N/P無(wú)明顯差異,50%降水各土層N/P平均值分別為3.23、2.99、2.74,N/P隨土層加深而減小,表層最高,20—30 cm最低(圖3)。

2.3 不同處理對(duì)細(xì)菌多樣性的影響

2.3.1細(xì)菌菌群OTUs及多樣性分析

所有土壤樣品經(jīng)過(guò)16S r DNA 測(cè)序共獲得3691743 條原始序列,優(yōu)化后共獲得3290324條有效序列,平均優(yōu)化率為90.66%。為比較樣品間的多樣性指數(shù),分析時(shí)將樣品所含序列數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,在97%相似度水平下,各樣品所獲得的序列覆蓋了土壤中99.94%微生物。同一土層不同水分處理樣品在0.03距離下,各Alpha多樣性指數(shù)均無(wú)顯著差異,說(shuō)明不同水分處理對(duì)土壤中細(xì)菌多樣性影響不大(表2)。

同一水分不同土層深度樣品在0.03距離下Alpha豐富程度見(jiàn)表3,OTUs(Operational taxonomic units)個(gè)數(shù)、ACE指數(shù)、Chao1指數(shù)大小順序?yàn)閅> Z> X,表明10—20 cm土層深度細(xì)菌豐度顯著高于其他土層(P<0.05)；辛普森指數(shù)(Simpson)大小順序?yàn)閆> Y> X；0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm土層深度香農(nóng)指數(shù)(Shannon)依次為6.325、6.246、6.162,說(shuō)明表層土壤細(xì)菌多樣性顯著高于其他土層(10—30 cm)(P<0.01)。

圖3 不同處理下土壤化學(xué)計(jì)量比變化Fig.3 Changes of soil chemical metering ratio under different treatment

表2 不同水分處理下樣品在0.03距離下的Alpha豐富程度表

2.3.2土壤微生物結(jié)構(gòu)差異

基于各處理OTUs維恩圖(97%相似性)顯示(圖4),不同水分處理共有的OTUs數(shù)為1588個(gè),不同土層深度共有的OTUs數(shù)為1588個(gè),兩種處理下單獨(dú)出現(xiàn)的細(xì)菌幾乎沒(méi)有,樣品間差異不顯著。不同降雨和不同土層深度基于Shannon 指數(shù)的細(xì)菌系數(shù)曲線如圖5所示,隨測(cè)序深度不斷加深,曲線逐漸趨于平穩(wěn)達(dá)到平臺(tái)期,各樣品達(dá)到飽和狀態(tài),說(shuō)明測(cè)序深度能夠基本覆蓋到樣品中的所有物種。

OTUs：操作分類(lèi)單元 Operational taxonomic units

圖4 細(xì)菌菌群基因OTUs分布Fig.4 Bacterial flora gene outs distribution

圖5 細(xì)菌菌群基因Shannon指數(shù)Fig.5 Bacterial Flora Gene Shannon Index樣品對(duì)應(yīng)處理及其編碼見(jiàn)表1

2.3.3土壤細(xì)菌Beta多樣性分析

不同處理下土壤細(xì)菌PCoA分析中(圖6),兩個(gè)主成分分別解釋變量方差的76.01%(第1主成分)和11.51%(第2主成分),累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到87.52%。在不同水分管理下,土壤各樣品圖上距離近、樣品間分布密集且無(wú)明顯分界,樣品間差異不明顯,說(shuō)明土壤細(xì)菌對(duì)水分處理的響應(yīng)較??；而在不同土層深度,0—10 cm與10—20 cm、20—30 cm土層深度之間被坐標(biāo)軸明顯分開(kāi),0—10 cm位于第一主成分的正端,10—20 cm 、20—30 cm位于第一主成分的負(fù)端,反映了表層土壤與10—30 cm深度土壤細(xì)菌群落的差異狀況,且10—20 cm 和20—30 cm土層深度之間也被明顯界線分割(PC1軸數(shù)值為-5),說(shuō)明不同土層深度對(duì)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)有較大差異,且表層土壤與深層土壤間差異較大。

圖6 細(xì)菌菌群基因Beta多樣性Fig.6 Bacterial flora gene Beta diversity

2.3.4細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)在門(mén)水平上的組分分析

圖7是細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)豐度水平前十的物種組分情況,色塊長(zhǎng)度表示物種所占相對(duì)豐度比例,其他物種合并為 Others,Unclassified 代表未得到分類(lèi)學(xué)注釋的物種。通過(guò)高通量測(cè)序檢測(cè)到的主要門(mén)有：放線菌門(mén)(Actinobacteria)、酸桿菌門(mén)(Acidobacteria)、變形菌門(mén)(Proteobacteria)、芽單胞菌門(mén)(Gemmatimonadetes)、綠彎菌門(mén)(Chloroflexi)、硝化螺旋菌門(mén)(Nitrospirae)、疣微菌門(mén)(Verrucomicrobia)、擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)、浮霉菌門(mén)(Planctomycetes)、匿桿菌門(mén)(Latescibacteria)。放線菌門(mén)、綠彎菌門(mén)、變形菌門(mén)、浮霉菌門(mén)、酸桿菌門(mén)約占所有微生物總數(shù)的80—89%以上。

降雨梯度對(duì)細(xì)菌菌群的影響不大,各菌群基本表現(xiàn)為同步變化趨勢(shì)；在0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm土層深度下,Actinobacteria豐度平均值依次為24.80%、30.47%、31.10%,Gemmatimonadetes豐度平均值依次7.67%、10.92%、11.67%,Chloroflexi豐度平均值依次6.71%、7.23%、8.08%,Actinobacteria、Gemmatimonadetes、Chloroflexi豐度隨土層深度加深顯著增加(P<0.05)；隨土層加深A(yù)cidobacteria豐度平均值依次為32.85%、27.45%、 25.42%,Proteobacteria豐度平均值分別為18.94%、14.93%、14.56%,Verrucomicrobia豐度平均值依次為2.84%、2.33%、2.23%,豐度隨土層加深則表現(xiàn)出逐漸遞減的變化趨勢(shì)(P<0.05)。Actinobacteria、Acidobacteria、Proteobacteria三種細(xì)菌在樣品群落結(jié)構(gòu)中占有重要組分,約占總數(shù)的75.26%,且在不同土層深度下,菌群優(yōu)勢(shì)種發(fā)生了一定的變化。

圖7 不同處理門(mén)水平上的細(xì)菌菌群結(jié)構(gòu)Fig.7 Bacterial flora structure at different treatment gate levelsOthers：其他物種合并為Others； Latescibacteria: Latescibacteria門(mén)(待鑒定菌); Planctomycetes: 浮霉菌門(mén); Bacteroidetes: 擬桿菌門(mén); Verrucomicrobia: 疣微菌門(mén); Nitrospirae: 硝化螺旋菌門(mén); Chloroflexi: 綠彎菌門(mén); Gemmatimonadetes: 芽單胞菌門(mén); Proteobacteria: 變形菌門(mén); Acidobacteria: 酸桿菌門(mén); Actinobacteria: 放線菌門(mén)

2.4 不同處理對(duì)真菌多樣性的影響

2.4.1真菌菌群OTUs及多樣性分析

真菌經(jīng)過(guò)18S r DNA或ITS區(qū)測(cè)序共獲得1952744條原始序列,優(yōu)化后共獲得1861685條有效序列,平均優(yōu)化率為95.26%。為比較樣品間的多樣性指數(shù),分析時(shí)將樣品所含序列數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,在97%相似度水平下,各樣品所獲得的序列覆蓋了土壤中99.93%微生物。如表4所示,同一土層不同降雨處理樣品在0.03距離下,各Alpha多樣性指數(shù)同細(xì)菌一樣,均無(wú)顯著差異,說(shuō)明不同水分處理對(duì)土壤微生物多樣性影響不顯著。但OTUs、Chao1指數(shù)、ACE指數(shù)和Shannon指數(shù)都表現(xiàn)為A > B > C,說(shuō)明增減雨能夠增加土壤中真菌多樣性。

表5為同一降雨下不同土層深度樣品在0.03距離下Alpha豐富程度表,ACE指數(shù)、Chao1指數(shù)大小順序?yàn)閄 >Y > Z,表明0—10 cm土層深度真菌多樣性與其他土層相比差異顯著(P<0.05)；Shannon指數(shù)大小順序與ACE指數(shù)、Chao1指數(shù)具有一致性；Simpson指數(shù)大小順序?yàn)閆 > Y > X；Shannon指數(shù)值越大,Simpson指數(shù)值越小,說(shuō)明樣品的物種多樣性越高,即表層土壤真菌多樣性最高,10—20 cm次之,20—30 cm最低。

表4 不同水分處理下樣品在0.03距離的Alpha豐富程度表

表5 不同土層深度處理下樣品在0.03距離的Alpha豐富程度表

2.4.2土壤微生物結(jié)構(gòu)差異

基于各處理OTUs的維恩圖(97%相似性)顯示(圖8),3種水分管理共有的OTUs數(shù)為915個(gè),占所有OTUs的31.02%,且A(150%)和B(50%)單獨(dú)出現(xiàn)的OTUs的數(shù)量相等,C(100%)單獨(dú)出現(xiàn)的 OTUs 數(shù)量為29,明顯多于増雨和減雨處理樣地；3個(gè)不同土層深度下共有OTUs數(shù)為914個(gè),占所有OTUs數(shù)的30.67%,X、Y、Z單獨(dú)出現(xiàn)的OTUs數(shù)量分別為9個(gè)、2個(gè)、5個(gè)。

不同水分和不同土層深度處理下基于Shannon 指數(shù)的真菌系數(shù)曲線(圖9)可以看出,隨測(cè)序深度不斷加深,曲線逐漸趨于平穩(wěn)達(dá)到平臺(tái)期,各樣品達(dá)到飽和狀態(tài),說(shuō)明測(cè)序深度能夠基本覆蓋到樣品中的所有物種。

圖8 真菌菌群基因OUTs分布Fig.8 Gene outs distribution of fungal flora

圖9 真菌菌群基因Shannon指數(shù)Fig.9 Fungal Flora Gene Shannon Index

2.4.3土壤真菌Beta多樣性分析

對(duì)土壤真菌進(jìn)行PCoA分析可看出(圖10),與土壤真菌群落有關(guān)的第1主成分解釋變量方差的37.25%,第2主成分解釋變量方差的8.75%。不同水分處理下,各樣品混雜圖中,沒(méi)有明確的界線分開(kāi),說(shuō)明了水分處理對(duì)真菌多樣性影響?。坏诓煌翆由疃乳g有顯著界線分割,對(duì)第1主成分起主要作用的0—10 cm土壤位于PC1軸的正端,其數(shù)值大于20,10—20 cm 、20—30 cm處于PC1軸的負(fù)端,反映了0—10 cm土壤與10—30 cm深度土壤真菌群落有顯著差異,且10—20 cm 和20—30 cm土層深度之間也被顯著分割開(kāi),表明不同土層深度下土壤真菌的群落結(jié)構(gòu)存在顯著差異。

圖10 真菌菌群基因Beta多樣性Fig.10 Fungal flora gene beta diversity

2.4.4真菌群落結(jié)構(gòu)在門(mén)水平的結(jié)構(gòu)分析

真菌群落結(jié)構(gòu)在門(mén)水平的相對(duì)豐度比例分析見(jiàn)圖11,圖中只顯示了豐度水平較高的物種,Unclassified代表未得到分類(lèi)學(xué)注釋的物種。通過(guò)高通量測(cè)序檢測(cè)到的主要門(mén)有：子囊菌門(mén)(Ascomycota)、擔(dān)子菌門(mén)(Basidiomycota)、被孢霉菌(Mortierellomycota)、球囊菌門(mén)(Glomeromycota)、梳霉亞門(mén)(Kickxellomycota)、壺菌門(mén)(Chytridiomycota)、毛霉亞門(mén)(Mucoromycota)、絲足蟲(chóng)類(lèi)(Cercozoa)。子囊菌門(mén)、擔(dān)子菌門(mén)是土壤中占主導(dǎo)地位的真菌,約占到了所有真菌總數(shù)的80%—93%以上[33]。

在門(mén)水平下,同一水分管理對(duì)真菌菌群結(jié)構(gòu)無(wú)顯著影響(P<0.05),Ascomycota在150%、50%、100%水分下豐度平均值分別為48.67%、48.25%、47.35%,占所有真菌群落的48.09%,豐度最高,其次為Basidiomycota,占14.25%。

在0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm土層深度下,Ascomycota為主要優(yōu)勢(shì)種,其豐度平均值依次為43.79%、48.80%、51.68%,即隨土層加深豐度增高,Kickxellomycota和Chytridiomycota變化規(guī)律與之相同；Basidiomycota豐度平均值依次為14.50%、12.25%、16.01%,表現(xiàn)為20—30 cm 深層土壤豐度最高；Mortierellomycota、Glomeromycota的豐度比例X >Z >Y,則表層土壤的豐度達(dá)到最高,因此不同的真菌類(lèi)型在不同土層深度下表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。

圖11 不同處理門(mén)水平上的真菌菌群結(jié)構(gòu)Fig.11 Fungal flora structure at different treatment gate levelsUnclassified：未得到分類(lèi)學(xué)注釋的物種；Cercozoa：絲足蟲(chóng)類(lèi)；Mucoromycota：毛霉亞門(mén)； Chytridiomycota：壺菌門(mén)；Kickxellomycota：梳霉亞門(mén)；Unassigned：未定義的菌群；Glomeromycota：球囊菌門(mén)；Mortierellomycota：被孢霉菌；Basidiomycota：擔(dān)子菌門(mén)；Ascomycota：子囊菌門(mén)

2.5 土壤碳氮磷與土壤微生物的相關(guān)性分析

由表6可以看出,在不同水分處理下土壤TN和SOC之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),土壤C/N和C/P之間、C/P和N/P之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),C/P、N/P與細(xì)菌之間存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05),而與真菌之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),土壤TN、SOC、TP含量與細(xì)菌、真菌之間無(wú)相關(guān)性。

在不同土層深度(表7),土壤TN、SOC、TP三者之間無(wú)相關(guān)性,全氮與C/P、N/P之間極顯著正相關(guān)(P<0.01),SOC與C/N之間存在極顯著正相關(guān)(P<0.01),TP與N/P為顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),C/N與C/P之間、C/P與 N/P之間存在極顯著正相關(guān)(P<0.01),SOC、TP、C/N與細(xì)菌、真菌之間無(wú)相關(guān)性,TN、C/P、N/P與細(xì)菌為顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),與真菌之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。

表6 不同水分處理土壤碳氮磷與土壤微生物的相關(guān)性分析

3 討論

3.1 不同降水處理對(duì)土壤SOC、TN、TP含量及其化學(xué)計(jì)量比的影響

本試驗(yàn)結(jié)果表明：同一土層土壤在50%、100%、150%降雨處理下,土壤SOC、TN、TP、C/N、C/P、N/P均無(wú)顯著變化,但在正常降水處理下,其平均值均高于増雨和減雨處理。姚庭玉等人在對(duì)南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)常綠闊葉林土壤的研究結(jié)果也得出相似的顯著分析[34],可能原因是短期(1年)降水差異對(duì)土壤化學(xué)計(jì)量的影響相對(duì)較為微弱,試驗(yàn)區(qū)蒸發(fā)量遠(yuǎn)高于降雨,降雨梯度對(duì)植被及土壤養(yǎng)分影響未達(dá)到顯著差異。相反,劉海威研究表明[11],土壤碳隨著降水量增加呈波動(dòng)變化趨勢(shì),降水量持續(xù)兩年增加80%,對(duì)草本葉片碳、鉀和根系碳、氮影響達(dá)到顯著性水平,對(duì)土壤碳有極顯著性影響,短期減少降水對(duì)土壤化學(xué)養(yǎng)分的積累更為有利[34]。

表7 不同土層深度處理下土壤碳氮磷與土壤微生物的相關(guān)性分析

在0—30 cm土層深度下土壤SOC、TN含量有顯著差異, 表層土壤含量高于底層,有“表聚”現(xiàn)象,土壤TP含量垂直差異不顯著[35],這是由于土壤碳、氮、磷的來(lái)源不同所造成的,碳、氮主要是來(lái)源于地表植物的枯枝落葉、動(dòng)物和微生物殘?bào)w在分解和轉(zhuǎn)化過(guò)程中逐漸聚集而后向下遷移積累,因此表層含量高于深層,磷主要是在成土母質(zhì)漫長(zhǎng)的風(fēng)化沉積過(guò)程中形成的,變化緩慢且差異較小[36-38]。在化學(xué)計(jì)量比方面,不同土層深度土壤C/N、C/P、N/P差異顯著,且均在表層土壤中含量最高,鐘春柳等人也得出了相似的結(jié)論[39]。C/N是反映土壤有機(jī)質(zhì)分解速度的指標(biāo)之一,其比值與土壤有機(jī)質(zhì)的分解速度成反比,土壤C/P能夠反映出土壤中磷的有效性,土壤N/P可以衡量土壤養(yǎng)分在植物生長(zhǎng)過(guò)程中的供應(yīng)情況[40],隨著土層深度的加深,土壤SOC、TN含量減少,TP含量變化微弱,因此C/P、N/P也具有相同的變化趨勢(shì),且N/P與TP有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系、而與TN有極顯著正相關(guān)關(guān)系,SOC與C/N具有極顯著正相關(guān)關(guān)系,因此其變化符合生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征。

3.2 不同降水處理對(duì)土壤微生物多樣性的影響

本研究中細(xì)菌OTUs 顯著高于真菌OTUs,這與前人研究結(jié)果一致[41-42]。此外,不同水分處理對(duì)土壤中細(xì)菌多樣性的影響不大；但増雨和減雨處理都會(huì)增大真菌均勻度指數(shù)和豐富度指數(shù),降水變化還使土壤微生物的菌群結(jié)構(gòu)組分比例發(fā)生相應(yīng)的變化[43],優(yōu)勢(shì)種所占的比例降低,這與王楠楠等人的結(jié)論相一致[44]。其原因可能是真菌對(duì)降水處理的響應(yīng)與細(xì)菌相比更為敏感,在不同的降水處理下,土壤中的微生物能夠使菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生改變以應(yīng)對(duì)外界環(huán)境的變化,且0—30 cm土層深度相對(duì)較淺,細(xì)菌局部生存環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定,地表腐殖質(zhì)層和根際有機(jī)物都能夠產(chǎn)生大量有機(jī)質(zhì),適宜多種細(xì)菌的繁衍和生存。在同一降水處理不同土層深度下,土壤微生物多樣性與土層的深度之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,菌群結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化。在現(xiàn)有的研究結(jié)論中,土層深度與微生物多樣性呈負(fù)相關(guān)[45]和先降低后升高等[46]關(guān)系,其原因可能是試驗(yàn)區(qū)地處干旱半干旱地區(qū),表層土壤中植被覆蓋度較高,有機(jī)質(zhì)含量、土壤水分等相對(duì)于深層土壤較高,微生物活性高,物種多樣性也最高。

3.3 化學(xué)計(jì)量與微生物多樣性的相關(guān)性分析

土壤微生物是陸地生態(tài)系統(tǒng)中土壤有機(jī)質(zhì)分解、轉(zhuǎn)化的主要組分,土壤微生物為了滿足自身生存、發(fā)育、繁衍增殖而從土壤中獲取化學(xué)能量和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[47],而研究表明土壤碳氮磷及其化學(xué)計(jì)量比能夠很好地反映能量和養(yǎng)分的含量[48]。本試驗(yàn)土壤SOC、TP、C/N與微生物多樣性無(wú)關(guān),C/P、N/P與細(xì)菌多樣性呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,與真菌多樣性呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,這一結(jié)論與黃菊瑩等人[49]研究結(jié)果相似。在降水處理下,増雨和減雨均未使土壤碳、氮、磷發(fā)生顯著的變化,可能是短期控雨條件下研究區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定,土壤碳、氮、磷化學(xué)計(jì)量也處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài),且氣候條件、地形地貌條件等是土壤養(yǎng)分來(lái)源以及含量高低的決定性因素,微生物僅起到推動(dòng)作用[50],這也可能是土壤碳、氮、磷與微生物多樣性之間無(wú)顯著相關(guān)性的原因之一。土壤C/P、N/P作為反映土壤質(zhì)量和養(yǎng)分的重要指標(biāo),能夠很好的指示土壤對(duì)微生物新陳代謝和發(fā)育繁衍所需要養(yǎng)分的供應(yīng)情況,這也說(shuō)明了微生物對(duì)土壤養(yǎng)分有較高的依賴性[49]。

4 結(jié)論

模擬降雨對(duì)黃土高原典型草原土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量及微生物多樣性的研究表明：短期(一年)不同降雨處理下土壤SOC、TN、TP及微生物多樣性無(wú)顯著性變化；同一降水處理,表層土壤養(yǎng)分含量顯著高于深層土壤,且不同土層間微生物多樣性差異明顯；微生物多樣性與土壤養(yǎng)分關(guān)系密切,土壤C/P、N/P均與微生物多樣性呈顯著性相關(guān),研究結(jié)果為模擬長(zhǎng)期降雨處理下草地生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分和微生物變化提供參考。