降水水平對荒漠草原生物土壤結皮碳、氮和微生物的影響

吳旭東，蔣齊，任小玢，俞鴻千，王占軍，何建龍，季波，杜建民

（寧夏農林科學院荒漠化防治研究所，寧夏銀川750002）

在干旱半干旱地區，降水格局正在影響生態系統的物質循環和系統穩定性［1?3］，中國北方荒漠草原生態系統異常脆弱，對極端干旱氣候極其敏感，降水是荒漠草原區關鍵限制性因素和土壤水分的主要來源，降水通過改變土壤的干濕條件和微生物群落直接影響土壤的生物化學過程［4?5］。由苔蘚、藍藻和地衣組成的生物土壤結皮是北方荒漠草原區地表景觀的主要組成部分［6?7］，生物土壤結皮能夠適應貧瘠的土壤和有限的降水條件，并局部調節水文、土壤碳和氮循環［8?9］，生物土壤結皮的發育和演替對荒漠生態系統成土過程和土壤質量演變至關重要［10?11］。認識生物土壤結皮對氣候變化響應對預測干旱區生態狀態變化非常重要。

土壤微生物作為生態系統的重要組成部分，主要包括細菌、真菌、藻類和原生動物等，對構建土壤微生物生物量過程中資源獲取和調控碳、氮循環非常關鍵，土壤微生物也能敏感地預警土壤生態系統的微小變化［12］。在全球范圍內，土壤水分有效性是預測土壤微生物生物量的最佳指標，然而，并不是所有的微生物類群在土壤中同樣豐富，細菌和真菌在土壤中占絕對優勢，其生物量是其他土壤微生物類群的102～104倍［13］。土壤微生物生物量碳、氮在一定程度上反映了生態系統物質循環能力，對環境的響應尤為敏感［14?16］。研究發現生態系統對降水變化的響應首先會發生于土壤微生物群落［17］，因此，土壤微生物以及微生物生物量可以作為表征荒漠草原生態系統土壤質量變化的指示性指標。

在干旱和半干旱地區，生物土壤結皮可以固定碳、氮，并將其分泌到下層土壤中，生物土壤結皮介導了荒漠土壤表面邊界物質的輸入、轉運和輸出［6，18］。有研究發現，細菌和真菌群落是生物土壤結皮發揮功能和改善質量的先鋒種群，其豐富度是衡量生物土壤結皮發育程度和土壤質量的指示性指標［19?20］。尹瑞平等［21］研究發現，結皮層微生物數量大于結皮下層，細菌和真菌數量與土壤細顆粒組分百分比以及土壤養分正相關。也有研究發現，干濕交替使得細菌數量∶真菌數量發生躍變，再次濕潤的干旱土壤中微生物生物量受到激發，而潮濕的土壤微生物生物量受到抑制［22］。因此，環境因素通過改變土壤養分的初始條件，土壤微生物區系將會發生明顯變化，從而影響土壤中營養物質循環［23］。荒漠草原區降水稀少、分布不均勻、極端降水頻發，而生物土壤結皮能夠改變降水入滲過程和土壤水分的再分配，地表生物土壤結皮可能受降水的影響限制土層間的養分交換。基于此，通過人為增加和減少降水措施，開展降水對生物土壤結皮及其下墊面土壤碳氮、微生物生物量碳氮和微生物數量的影響研究，對荒漠草原生態系統物質循環和生態系統穩定性的維持機理具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于寧夏回族自治區鹽池縣大水坑草原研究站（東經 106°58′，北緯 37°24′，平均海拔 1560 m）。研究站位于毛烏素沙地南緣，屬干旱和半干旱過渡帶，典型的中溫帶大陸性氣候，年平均氣溫為7.5 ℃，降水集中在6?9 月，近60 年平均降水量約為298.3 mm，年均蒸發量超過2700 mm，年均無霜期164 d。土壤類型以易沙化的淡灰鈣土和風沙土為主。自2001 年以來，研究區一直處于圍封狀態。植被類型主要是沙生植被和荒漠植被，優勢種有豬毛蒿（Artemisia scoparia）和蒙古冰草（Agropyron mongolicum），生物土壤結皮覆蓋率為30%～50%，主要由藻類、地衣和苔蘚結皮組成（表1）。

表1 不同降水水平下生物土壤結皮生長發育情況Table 1 Growth and development of biological soil crusts under different precipitation levels

1.2 試驗設計

2018 年3 月上旬，采用單因素完全隨機設計，設置3 種降水處理：自然降水（CK），減水50%處理（?50%），增水50%處理（+50%），每個降水處理設置4 個6 m×6 m 的重復小區，小區四周采用寬度1 m、厚度0.5 mm 的聚乙烯膜圍成1 m 深隔水層防止水分擴散，小區間設計3 m 寬的緩沖區。減水50%處理小區上面采用不銹鋼結構和帶凹槽的1 mm 厚聚碳酸酯透明塑料板對50%的雨水進行遮雨處理（遮雨板透光率90%以上，距離地面1.5～2.5 m，對地面溫度影響可以忽略不計），遮雨收集的雨水匯集于1000 L 的裝置中，利用水泵和噴灌系統將收集的雨水均勻噴灑至對應的增水50%處理區（圖1）。水分控制時間為2019 年1 月中旬到2020 年8 月中旬，2019 和2020 年觀測期降水量（CK）分別為311.7 和299.8 mm。

圖1 試驗裝置Fig.1 Test device

1.3 土樣采集和分析

經過兩年的降水控制試驗，于2020 年8 月中旬，在每個處理小區隨機選取5 點，按照結皮形成層，利用鏟刀分別采取生物土壤結皮層（0～0.5 cm，crust layer，CL）、中間層（0.5～3 cm，middle layer，ML）和深層（3～10 cm，deep layer，DL）土壤樣品，同層樣品混合后分成兩份，其中一份置于冷藏箱，迅速帶回實驗室用于分析土壤真菌、細菌數量和微生物生物量碳氮含量，其中土壤微生物生物量碳（soil microbial biomass carbon，SMB-C）、土壤微生物生物量氮（soil microbial biomass nitrogen，SMB-N）含量采用氯仿熏蒸?K2SO4浸提法，浸提液中的碳和氮分別采用重鉻酸鉀外加熱法和凱氏定氮法測定［24?25］；土壤微生物的分離和計數采用稀釋平板法［26］，細菌采用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養基，真菌采用馬丁?孟加拉紅培養基［27］；另外一份樣品帶回實驗室風干，過0.25 mm 篩后分別采用重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）、凱氏定氮法測定總氮（total nitrogen，TN）［28］含量。

為了定量描述不同降水處理對土壤養分的恢復作用，采用土壤養分恢復指數［10］（nutrient recovery index，NRI）。土壤養分恢復指數是以某種處理類型為基準，假設其他處理類型都是由作為基準的處理類型轉變而來，然后計算土壤各個屬性在其他處理類型與基準處理類型之間的差異（以百分數表示），最后將各個屬性的差異求和平均，得到各處理的土壤養分恢復指數：

式中：NRI為土壤養分恢復指數；xi為土壤在減水50%或增水50%后第i個土壤屬性值為自然降水處理的第i個土壤屬性值；n為選擇的土壤屬性數。土壤養分恢復指數可以是正數，也可以是負數，負數表明土壤退化，正數說明土壤不僅沒有退化，而且質量還有所提高。本研究以自然降水作為基準，以土壤性質之間的相關性為依據，選取SOC、TN、C∶N、SMB-C、SMB-N、SMB-C∶SMB-N、真菌數量、細菌數量以及真菌數量∶細菌數量進行土壤養分恢復指數計算。

1.4 數據處理

使用SPSS 18.0 軟件單因素方差分析（One-way ANOVA）降水處理和土壤深度因素的影響，采用多因素方差分析（multiple comparisons ANOVA）檢驗不同因素或處理的交互作用的效應顯著性，使用Origin 9.0 軟件進行圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 降水水平對結皮及下層土壤SOC，TN 的影響

由表2 和表3 可知，降水水平和土層均對土壤SOC 含量的影響極顯著（P＜0.01），不同降水處理下各土層土壤SOC 含量表現為：?50%＞CK＞+50%，相同降水水平下土壤SOC 含量隨土層深度表現為：CL＞ML＞DL，降水水平、土層及其交互作用對土壤SOC 含量的影響極顯著（P＜0.01），?50%處理和生物土壤結皮對土壤SOC固定明顯；?50%處理下結皮層（0～0.5 cm）和中間層（0.5～3.0 cm）土壤TN 含量極顯著高于CK 和+50%處理（P＜0.01），降水處理對深層（3～10 cm）土壤N 含量影響不顯著，?50%處理有利于結皮層以及中間層土壤N 的積累，降水水平和土層交互作用對土壤N 含量的影響也達到極顯著水平（P＜0.01）；降水水平、土層深度及其交互作用對C∶N 的影響均達到極顯著水平（P＜0.01），土壤C∶N 在降水水平上的差異（偏η2=0.890）高于土層（偏η2=0.732），+50% 處理顯著降低了各土層土壤C∶N，?50% 處理下各土層土壤C∶N 極顯著高于+50% 處理（P＜0.01）。

表2 不同降水水平下生物結皮及下層土壤有機碳、全氮含量Table 2 Soil SOC and TN contents in soil layers under different precipitation levels

表3 降水水平、土層及其交互作用對土壤SOC、TN、C∶N 的影響Table 3 Effects of precipitation levels，soil depth and their interaction on the contents of soil SOC，TN and C∶N

2.2 降水水平對結皮及下層土壤SMB-C，SMB-N 的影響

由表4 和表5 可知，不同降水處理下各土層土壤SMB-C 含量表現為：?50%＞CK＞+50%，?50%處理對土壤SMB-C 積累極為明顯，隨著降水量增加，各土層土壤SMB-C 含量極顯著下降（P＜0.01）；相同降水水平下土壤SMB-C 含量隨土層深度表現為：CL＞ML＞DL，降水水平、土層及其交互作用對土壤SMB-C、SMB-N 含量的影響極顯著（P＜0.01），其中土層對SMB-N 含量的影響（偏η2=0.997）高于降水水平（偏η2=0.959），各降水處理下土壤SMB-N 含量隨土層深度極顯著下降（P＜0.01），?50%和+50%處理均顯著提高了結皮層和中間層SMB-N 含量，CK 和+50%處理對深層土壤SMB-N 的積累顯著高于?50%處理；降水水平、土層及其交互作用對土壤微生物生物量碳氮比的影響也達到極顯著水平（P＜0.01），顯著性表現為降水水平（偏η2=0.974）＞土層（偏η2=0.925）＞交互作用（偏η2=0.910），+50%處理顯著降低了各土層土壤微生物生物量碳氮比，土壤微生物生物量碳氮比與降水量表現出負相關，?50% 處理下土壤微生物生物量碳氮比極顯著高于+50% 處理（P＜0.01）。

表4 不同降水水平下土壤微生物生物量碳、氮含量Table 4 Soil microbial biomass carbon and nitrogen contents in soil layers under different precipitation levels

表5 降水水平、土層及其交互作用對SMB-C、SMB-N 和SMB-C∶SMB-N 的影響Table 5 Effects of precipitation levels，soil depth and their interaction on the contents of SMB-C，SMB-N and SMB-C∶SMB-N

2.3 降水水平對結皮及下層土壤微生物數量的影響

由表6 和表7 可知，與自然降水處理相比，+50%處理顯著降低了各土層土壤真菌數量和真菌∶細菌，相反顯著提高了各土層細菌數量（P＜0.01），?50%處理顯著提高了結皮層和中間層土壤真菌數量，真菌數量隨降水減少而遞增，細菌數量隨降水增加而遞增，增加降水和減少降水均導致真菌數量∶細菌數量發生躍變（?50%＞CK＞+50%）；在垂直剖面上，不同降水處理下土壤真菌和細菌數量均隨土層深度增加呈遞減趨勢，而真菌數量∶細菌數量隨土層深度表現出逐漸增大的趨勢；多因素方差分析表明，降水水平、土層及其交互作用對土壤微生物數量的影響極顯著（P＜0.01），真菌比細菌更能抵御干旱土壤條件，而細菌比真菌對降水減少更敏感，生物土壤結皮和降水增加有利于提高土壤細菌豐富度，真菌和細菌對降水變化存在不同的適應策略。

表6 降水量對土壤微生物數量的影響Table 6 Effects of precipitation levels on the quantity of soil microorganisms

表7 降水水平、土層及其交互作用對土壤微生物數量的影響Table 7 Effects of precipitation levels，soil depth and their interaction on the quantity of soil microorganisms’number

2.4 降水水平對土壤養分恢復的影響

由圖2 可知，以自然降水處理為對照，?50%處理下結皮層、中間層和深層土壤養分恢復指數（NRI）呈極顯著性差異（P＜0.01），+50% 處理下中間土層土壤養分恢復指數與結皮層和深層間呈極顯著性差異（P＜0.01），?50%處理下結皮層、中間層和深層土壤養分均得到不同程度恢復，其中中間層NRI 最高，達到70.67%，其次為結皮層，NRI 達到47.60%，深層土壤NRI為17.02%；+50%處理下中間層NRI為7.03%，而結 皮 層 NRI 為 ?7.24%，深 層 土 壤 NRI 為 ?11.79%。+50%處理和?50%處理均對中間層土壤養分的恢復有極顯著（P＜0.01）影響，減水處理有利于荒漠草原土壤養分的積累，而增加降水后結皮層和深層土壤養分略有退化。

圖2 降水對土壤養分恢復的影響Fig.2 Effects of precipitation on the recovery of soil nutrients

3 討論

在干旱半干旱區，降水稀少、分布不均勻、極端降水頻發，而生物土壤結皮對生態環境的演化趨勢和氣候變化異常敏感［29］，生物土壤結皮對碳、氮固定作用明顯，并能將其分泌到下層土壤中，生物土壤結皮介導了荒漠土壤表面邊界的物質輸入、轉運和輸出［30］，同時，生物土壤結皮能夠改變降水入滲過程和土壤水分的再分配，地表生物土壤結皮可能受降水的影響限制土層間的養分交換，進而影響土壤的質量演變［31?33］。本研究發現荒漠草原生物土壤結皮及下層土壤碳、氮、微生物生物量以及微生物數量對降水的響應明顯不同，?50%降水處理顯著提高了各土層土壤SOC、SMB-C 含量和土壤真菌數量，并顯著提高結皮層、中間層土壤TN 含量和土壤真菌數量，而+50%處理顯著提高了土壤細菌數量、結皮層和中間層SMB-N 含量，而顯著降低了各土層土壤C∶N、SMB-C∶SMB-N 和真菌數量∶細菌數量，說明在極端干旱條件下，土壤SOC、SMB-C 含量積累明顯，提高了結皮層及下層土壤氮的積累，這可能是由于干旱條件下土壤碳礦化速率下降，導致土壤碳積累，相反+50%降水處理能明顯改善土壤水熱狀況，加速土壤碳礦化速率，不利于土壤碳的積累，+50%降水處理下生物土壤結皮能為結皮層以及下土層土壤微生物提供較多的食物來源，并改善了微生物水熱環境，促進了土壤微生物的生長與繁殖，進而增加了土壤微生物生物量氮，同時過高的水分條件導致土壤碳礦化作用加強，微生物呼吸受到抑制，不利于土壤微生物生物量碳的積累，說明土壤微生物生物量碳、氮對降水變化的響應存在差異［16］。另外，由于土壤中細菌和真菌對降水變化存在不同的適應對策，進而影響土壤對碳氮的輸入和輸出［31?33］。減水處理下土壤真菌占優勢，對土壤有機碳的固定作用顯著，導致碳氮比下降，增水處理下細菌占優勢，土壤微生物優先固定微生物生物量氮，有研究發現，當降水量較高時，土壤微生物優先固定微生物生物量氮，導致土壤C∶N、SMB-C∶SMB-N 下降。另外有研究發現，在草地生態系統，細菌比真菌對干旱反應敏感，相對于細菌，真菌通常被認為更具有耐水分脅迫的能力，當缺水時，真菌有可能促進碳和氮循環的維持，隨著土壤變得更加干燥，微生物的分散在物理保護的土壤孔隙內變得更受限制，真菌的菌絲有助于彌合空間上的離散資源［34］。

由于生物土壤結皮能束縛和穩定表層土壤［35］，在垂直水平上，不同降水處理下土壤SOC、SMB-C、SMB-N 含量、細菌和真菌數量均隨土層深度顯著下降。這是由于不同土壤深度下土壤養分條件、水熱情況和透氣性存在差異，加上生物結皮通過光合作用增加了地表的有機質和氮含量，使土壤養分迅速積累［36］，加速表層土壤的恢復，較豐富的有機質和養分含量給微生物的繁殖提供了有利條件，造成了結皮層微生物數量顯著大于結皮下層。另外，土壤生物結皮使得表層土壤結構疏松，與空氣熱交換頻繁，促進了土壤微生物的生長，結皮層豐富的營養資源能給土壤微生物提供更多的能源物質，增加了微生物生物量的積累，結皮層同時對降水有截流作用，透過結皮層到達土壤的水分越少，長期抑制了土壤微生物的生長［35，37］。同時隨著土層加深，土壤水熱條件、通氣性和有機物質下降，孔隙度變小，微生物活性受到了抑制，導致下層土壤微生物生物量積累減少［15?16，18］。交互作用結果分析表明，土壤碳氮、微生物生物量以及微生物數量與降水變化和土層深度密切相關，這些指標能敏感地反映土壤質量演變，并能夠很好地指示土壤對降水變化的響應和土壤對微生物新陳代謝和發育繁衍所需要養分的供應情況。

4 結論

本研究通過野外模擬降水控制試驗研究，初步揭示了降水水平變化對荒漠草原生物C、N、土壤微生物生物量以及土壤微生物數量的影響規律：

1）減水處理下SOC、SMB-C 含量和土壤真菌數量顯著提高，同時顯著提高了結皮層和中間層土壤TN 含量和真菌數量；降水增多有利于土壤細菌數量、結皮層和中間層SMB-N 含量的積累，同時顯著降低了土壤C∶N、SMB-C∶SMB-N 和真菌數量∶細菌數量，降水量、土層及其交互作用對SOC、SMB-C、SMB-N 含量、細菌和真菌數量影響極顯著（P＜0.01）。

2）土壤真菌和細菌對降水變化存在不同的適應策略，在降水較多時細菌占優勢，微生物優先固定土壤N，在降水減少時真菌占優勢，微生物優先固定土壤SOC，細菌對降水減少更敏感，真菌比細菌更能抵御干旱土壤條件。

3）減水處理有利于荒漠草原土壤養分的恢復，特別是結皮層以下土壤養分的恢復最為顯著，而增加降水后結皮層和深層土壤養分略有退化。土壤SOC、N、土壤微生物生物量以及土壤微生物數量能很好地指示荒漠草原生物土壤結皮以及下層土壤質量對降水變化的響應。通過對荒漠草原生物土壤結皮碳、氮和微生物對降水量的響應研究，能夠揭示荒漠草原區生物結皮對土壤養分循環的貢獻，對生態恢復及管理提供科學依據。