極端干旱區(qū)防護(hù)林地土壤微生物多樣性分析

摘 要：極端干旱區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)不穩(wěn)定，是對氣候變化和人類活動較為敏感的陸地生態(tài)系統(tǒng)之一。極端干旱區(qū)的土壤微生物多樣性是否可以持續(xù)性維持，不僅影響當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境和生態(tài)平衡，同時也會影響全球的生態(tài)平衡與穩(wěn)定。研究發(fā)現(xiàn)，土壤微生物多樣性將影響植物多樣性，進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)功能和穩(wěn)定性。因此，在極端干旱區(qū)保護(hù)植物多樣性的同時，要保護(hù)土壤微生物多樣性。

關(guān)鍵詞：極端干旱區(qū)；防護(hù)林地；土壤微生物多樣性

中圖分類號：S714 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）05–0-03

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，提高土壤微生物多樣性對于極端干旱區(qū)生態(tài)平衡具有重要的作用。極端干旱區(qū)最突出的特點就是缺水，不僅地面水資源匱乏，而且全年降水量非常少。因此，防護(hù)林地覆蓋極端干旱區(qū)，能夠有效改善當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，保證當(dāng)?shù)厣锏亩鄻有裕纳茪夂驐l件，同時借助森林涵養(yǎng)水源的優(yōu)勢防止水土流失。為了深入研究極端干旱區(qū)防護(hù)林地土壤微生物多樣性保持情況，下面進(jìn)行了相關(guān)方面的分析研究。

1 土壤微生物多樣性的內(nèi)涵及研究方法

土壤微生物多樣性主要是指土壤生態(tài)系統(tǒng)中的微生物種類、具體數(shù)量、功能等與生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系，是檢測土壤生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的一個重要指標(biāo)。土壤微生物多樣性主要體現(xiàn)在4個方面：第一是物種多樣性，主要是指在一個空間范圍內(nèi)的土壤微生物種類多且分布均勻；第二是基因多樣性，主要是指微生物在基因組大小、數(shù)目及成分等方面存在的差異；第三是結(jié)構(gòu)多樣性，主要是指土壤微生物群落的具體組成結(jié)構(gòu)及具體的分布情況；第四是功能多樣性，主要是指這些微生物在生態(tài)系統(tǒng)中起到的作用，如分解功能、抑制生物生長功能等。

研究土壤微生物多樣性的方法較多，第一種是土壤宏基因組測序法，先確定目標(biāo)物，然后從土壤中提取微生物群體的基因組，依據(jù)鳥槍法建立數(shù)據(jù)庫，在進(jìn)行基因檢測后，將結(jié)果放入高通量的測序平臺中按照一定的方法測序。第二種是末端限制性酶片段長度多態(tài)性分析法，具體步驟與第一種方法相似，也是先從土壤中提取微生物的DNA，然后進(jìn)行分析，研究土壤微生物的多樣性信息。此外，上述檢測方法也適用于土壤微生物多樣性與植物種類關(guān)系研究，可以依據(jù)實際情況靈活選用。

2 土壤微生物多樣性對土壤環(huán)境的影響

2.1 土壤養(yǎng)分的有序循環(huán)

土壤微生物多樣性對土壤環(huán)境的影響較大，可以有效促進(jìn)土壤養(yǎng)分的有序循環(huán)。土壤中蘊(yùn)含著大量的養(yǎng)分，土壤中的微生物會持續(xù)分解有機(jī)物質(zhì)，然后獲得更多有助于植物吸收利用的營養(yǎng)元素，植物也會在光合作用下生成各種養(yǎng)分，在一段時間后變成土壤的養(yǎng)料，以此形成閉合的養(yǎng)分循環(huán)。土壤中的養(yǎng)分循環(huán)是一個復(fù)雜的過程，需要進(jìn)行氮、硫及磷等多種元素的循環(huán)轉(zhuǎn)化和移動，進(jìn)而完成無機(jī)物到有機(jī)物的轉(zhuǎn)換。例如，土壤中的氮元素主要來自降水和施肥，在生態(tài)環(huán)境允許的條件下，雨水和肥料中的氮元素會進(jìn)入土壤，進(jìn)行微生物分解，完成無機(jī)物到有機(jī)物的轉(zhuǎn)換。此時，土壤的溫濕度、氮元素含量，以及土壤的pH值等都會影響土壤中氮元素的有序循環(huán)質(zhì)量和效果。

2.2 土壤的保持和改良

通常情況下，為了有效保持并改良土壤，所采取的方法多是使用生物肥料，科學(xué)、合理地施肥，以及定期的輪作與間作有利于改良土壤。而土壤中微生物多樣性可以促進(jìn)土壤中的養(yǎng)分進(jìn)行有序循環(huán)，提高土壤的質(zhì)量，有利于微生物生存及植物生長。保護(hù)土壤微生物多樣性實際上是保持并改良土壤的自然方法。微生物在土壤改良中發(fā)揮的作用較大。微生物的代謝活動有助于土壤中的有機(jī)廢棄物通過分解轉(zhuǎn)化成可用的有機(jī)質(zhì)，可將無機(jī)物轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，讓土壤的肥力因有機(jī)物含量的增加而得到有效提高。同時，微生物可以通過分解的方式降低土壤中有害物質(zhì)的含量，從而達(dá)到改良土壤的目的。土壤中也蘊(yùn)含一些特殊的可有效改良土壤的微生物，如硝酸鹽降解細(xì)菌，可以將過多的硝酸根離子變成氮氣?？傊?，土壤微生物多樣性可提高土壤中有益物質(zhì)的含量，為生物提供良好的生存和生長環(huán)境，進(jìn)而達(dá)到保持并改良土壤的效果。

2.3 影響全球氣候變化

大氣中的二氧化碳及甲烷等氣體的含量增加是導(dǎo)致氣候變暖的主要原因。有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣候變暖后，一些對氣候較為敏感的微生物會因此消亡，進(jìn)而使微生物多樣性發(fā)生變化。反之，提高土壤微生物的多樣性會使土壤環(huán)境發(fā)生明顯變化，微生物分解有機(jī)物質(zhì)及植物殘體時會釋放出大量的二氧化碳及甲烷等氣體，進(jìn)而導(dǎo)致氣溫上升。氣溫上升或下降都會對全球生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響，因此，土壤中微生物多樣性的穩(wěn)定和持續(xù)至關(guān)重要。當(dāng)土壤中微生物多樣性發(fā)生變化時，全球氣候?qū)⑹艿接绊?，氣候變化會進(jìn)一步影響土壤中微生物的多樣性，此時微生物群落需要重新適應(yīng)新的氣候環(huán)境，進(jìn)而導(dǎo)致土壤中微生物的多樣性再次發(fā)生變化，形成一個循環(huán)。

2.4 維持土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性

從整體視角分析，土壤微生物多樣性可以維持土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，這是因為土壤中的微生物種類繁多、數(shù)量龐大，已經(jīng)形成了共生或競爭關(guān)系。從相對論角度分析，這樣的關(guān)系對土壤穩(wěn)定性有直接影響，只要其中某一個重要的微生物種群及其數(shù)量沒有發(fā)生實質(zhì)性的變化，土壤生態(tài)系統(tǒng)就會處于穩(wěn)定狀態(tài)。反之，若其中某一個重要的微生物種群及其數(shù)量發(fā)生了明顯變化，則土壤生態(tài)系統(tǒng)形成的“鏈”會斷裂，進(jìn)而影響其穩(wěn)定性。土壤微生物多樣性不僅表現(xiàn)在微生物的種類及數(shù)量上，還體現(xiàn)在土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)上，如土壤中的蚯蚓數(shù)量增多，那么土壤中的微生物群落結(jié)構(gòu)也會因此而發(fā)生變化，進(jìn)而對土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成一定程度的影響。此外，土壤微生物分解有機(jī)物的質(zhì)量及頻率發(fā)生變化后，土壤中氮與磷等元素的含量及功能也將發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致土壤微生物多樣性發(fā)生變化，并影響了土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.5 提高土壤營養(yǎng)物質(zhì)的利用率

首先，土壤中的微生物可以通過分解土壤中的有機(jī)物質(zhì)以及自身的新陳代謝，有效轉(zhuǎn)化一些不能利用或者難以利用的物質(zhì)，將其變成可以吸收利用的物質(zhì)。其次，土壤中的微生物可以分解、消滅一些有害生物，從而讓土壤中的有益物質(zhì)含量大于有害物質(zhì)含量，從根本上抑制有害菌的生成與繁殖[1]。最后，土壤中的微生物是持續(xù)活動的，在活動過程中會對土壤環(huán)境產(chǎn)生一定影響，如土壤中的微生物含量增加、土壤中酶的活性增強(qiáng)等，會使得土壤中的養(yǎng)分循環(huán)速度加快，促進(jìn)植物有效吸收和利用土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)，提高營養(yǎng)物質(zhì)的整體利用率。土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)因微生物多樣性存在而一直被吸收，同時也一直被生產(chǎn)，已經(jīng)形成良性的生成與分解循環(huán)，可以保證植物所需營養(yǎng)物質(zhì)的持續(xù)供應(yīng)。

3 土壤微生物多樣性的影響因素

極端干旱區(qū)防護(hù)林地土壤微生物多樣性會對植物成長產(chǎn)生重要影響。為了增強(qiáng)極端干旱區(qū)防護(hù)林地的種植效果，需要加大對土壤微生物多樣性的影響因素的研究力度，為后續(xù)土壤微生物多樣性的調(diào)控管理提供方向指引，從而確保土壤環(huán)境的穩(wěn)定性。

3.1 植被類型

土壤可以為植被生長提供養(yǎng)分，而微生物代謝作用可以為土壤供給養(yǎng)分。植被的生長代謝會間接影響土壤生物多樣性，如植被生長會影響土壤中有機(jī)碳氮水平、溫度、pH值等，間接影響土壤微生物多樣性，且植被凋落物可以為微生物提供有機(jī)物、能量，優(yōu)化土壤微生物的生存環(huán)境，如植物疏密度會影響土壤含水量，進(jìn)而影響土壤微生物生物量。植物種類不同也會影響土壤中微生物群落多樣性。若植被生產(chǎn)力下降，會減少微生物可利用的新鮮植物資源，增加生態(tài)環(huán)境篩選壓力，進(jìn)而改變微生物功能和基因多樣性。

3.2 土壤條件

土壤特性與土壤微生物多樣性息息相關(guān)，且與動植物生物活性存在緊密聯(lián)系。其中影響土壤中微生物多樣性、菌群結(jié)構(gòu)的因素主要有磷酸鹽磷、有機(jī)氮含量、pH值等。例如，鹽水灌溉會在一定程度上改變土壤環(huán)境，影響土壤微生物組成，灌溉水鹽度越高，土壤微生物多樣性越強(qiáng)，細(xì)菌門類減少。

3.3 管理方式

人類的土壤管理方式有耕作、施加肥料、施加農(nóng)藥等，這會在一定程度上改變土壤理化特性，進(jìn)而影響土壤微生物多樣性。例如，耕作會削弱叢枝菌根真菌多樣性，而地理位置、土壤類型等因素不會影響叢枝菌根真菌的多樣性。有機(jī)農(nóng)耕表層的土壤微生物生物量、有機(jī)碳氮量、土壤酶活性較高。

3.4 土壤理化性質(zhì)

土壤理化性質(zhì)為土壤物理化學(xué)特點，如土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、氮磷含量等，與土壤微生物資源庫存在緊密聯(lián)系。當(dāng)森林砍伐過度時會降低土壤多孔性，進(jìn)而影響土壤理化性質(zhì)，致使不同地區(qū)土壤微生物群落發(fā)生定性、定量變化。定性變化主要體現(xiàn)在物種的數(shù)量上，定量變化主要體現(xiàn)在微生物物種的豐度和均勻度上。土壤pH值上升會促使土壤固氮微生物群落的多樣性增強(qiáng)。

3.5 溫度與水分

溫度與水分會對土壤微生物多樣性產(chǎn)生較大的影響，季節(jié)、氣候會對太陽輻射熱量、降雨量產(chǎn)生一定的影響，改變溫度和水分。土壤溫度、含水量發(fā)生變化，會改變植物新陳代謝速度，進(jìn)而影響土壤中微生物的多樣性。

4 極端干旱區(qū)土壤微生物的種類及分布

極端干旱區(qū)土壤微生物主要有兩種：一種是細(xì)菌，另一種是真菌。土壤中真菌的含量最高；其次是植物及其根部；蚯蚓、蝸牛等無脊椎動物也生存在土壤中，但其占比相對較少[2]。極端干旱區(qū)土壤微生物的種類及其分布受多方面因素的影響，如土壤中的水分含量、土壤的溫濕度及光照時長等。通常情況下，在鹽漬農(nóng)田等極端干旱區(qū)，其土壤中微生物的種類及分布會受到土壤中鹽分和全氮含量的影響。極端干旱區(qū)的植物種類及分布與干旱程度有直接關(guān)系，在極端干旱區(qū)溫度持續(xù)升高，氣候明顯干燥的情況下，土壤中的有機(jī)氮水解酶活性會明顯降低，進(jìn)而導(dǎo)致土壤中微生物的生存環(huán)境受到影響，抑制土壤微生物對有機(jī)碳及植物殘體的分解。

5 極端干旱區(qū)防護(hù)林對土壤微生物多樣性的影響

5.1 土壤環(huán)境的影響

極端干旱區(qū)防護(hù)林地能有效改善土壤環(huán)境，使土壤環(huán)境朝著有利于微生物多樣性的方向發(fā)展，保持其平衡與穩(wěn)定。防護(hù)林地主要是指天然林和人工林，其存在的主要目的是有效保持水土、涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)當(dāng)?shù)氐臍夂?、防風(fēng)固沙、減少污染。防護(hù)林是防御自然災(zāi)害并改善環(huán)境和土壤質(zhì)量的主要方式之一。在極端干旱區(qū)開墾種植防護(hù)林地，可以構(gòu)建一個相對穩(wěn)定的土壤生態(tài)系統(tǒng)，有效保持水土、涵養(yǎng)水源、優(yōu)化土壤環(huán)境，從而促進(jìn)微生物的生存與發(fā)展[3]。當(dāng)極端干旱區(qū)防護(hù)林地的土壤環(huán)境得到有效改善之后，微生物種類和數(shù)量會逐漸增加，微生物的活性也會增強(qiáng)，并逐步形成相對穩(wěn)定的土壤生態(tài)環(huán)境。此外，在極端干旱區(qū)，底層土壤中的有機(jī)氮水解酶的活性會隨著水分的流失而逐漸降低，無機(jī)氮素的可利用率也會下降，而防護(hù)林地的營造，可以有效涵養(yǎng)水源和解決以上問題，進(jìn)而保持土壤微生物的多樣性。

5.2 防護(hù)林的影響

極端干旱區(qū)的存在會導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性受到極大影響，因此，需要采取退耕還林、人工造林等方式來修復(fù)退化的生態(tài)系統(tǒng)，但同時要注意退耕還林、人工造林等方式會直接消耗深層的土壤水分，導(dǎo)致深層土壤與淺表土壤一樣發(fā)生干化問題，從而影響土壤微生物多樣性的穩(wěn)定[4]。由此可知，極端干旱區(qū)防護(hù)林地對土壤微生物多樣性的影響是間接性的，雖然不能確定關(guān)聯(lián)程度，但可以確定影響程度，因此，防護(hù)林地的建造需要綜合考量。從現(xiàn)有的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)防護(hù)林的造林深度達(dá)到150～500 cm時，造林對土壤微生物群落和功能的影響最大，并導(dǎo)致細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)健性和功能降低，從而增加了深層土壤干化率，影響土壤微生物多樣性的穩(wěn)定性。因此，在極端干旱區(qū)進(jìn)行防護(hù)林地改造時，需要重點考慮深層土壤微生物的負(fù)面影響。

5.3 生物土壤結(jié)皮的影響

生物土壤結(jié)皮由藻類、苔蘚、地衣等孢子植物類群組成，在全球干旱區(qū)地表的分布非常廣泛，是干旱生態(tài)系統(tǒng)中不可忽視的組織構(gòu)建者。生物土壤結(jié)皮可以有效固定土壤環(huán)境中的碳和氮，進(jìn)而使固定的氮經(jīng)過微生物分解變成不同形態(tài)的可利用氮素，促進(jìn)土壤微生物群的生存與生長。生物土壤結(jié)皮可以改變土壤結(jié)構(gòu)，從而提高土壤質(zhì)量，使土壤的物理特性突出[5]。對于極端干旱區(qū)的防護(hù)林地而言，生物土壤結(jié)皮會導(dǎo)致土壤膨脹的高度增加，進(jìn)而導(dǎo)致防護(hù)林地林種生長環(huán)境發(fā)生變化，從而抑制林木生長，影響防護(hù)林地的穩(wěn)定性。此時，防護(hù)林地的生態(tài)環(huán)境也會發(fā)生變化，致使土壤微生物多樣性發(fā)生變化。此外，極端干旱區(qū)防護(hù)林地的水分分布也會因生物土壤結(jié)皮而發(fā)生變化，導(dǎo)致植被的生長受限，不利于形成穩(wěn)定的生態(tài)環(huán)境?？偠灾?，生物土壤結(jié)皮的影響較大，需要引起重視并繼續(xù)深入研究。

6 結(jié)束語

土壤微生物多樣性可有效維持土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與和諧性，可以較早預(yù)測出土壤養(yǎng)分及環(huán)境質(zhì)量的變化過程，可借助土壤微生物多樣性的檢驗方法檢驗?zāi)骋坏貐^(qū)的土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定情況。土壤微生物多樣性對土壤環(huán)境的影響是多方面的，對于極端干旱區(qū)防護(hù)林地而言，讓旱區(qū)不再干旱是目標(biāo)，所以應(yīng)重視分析和探究極端干旱區(qū)防護(hù)林地土壤微生物多樣性的變化情況，獲取相應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并及時做出應(yīng)對決策。

參考文獻(xiàn)

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[2] 張巖，鄧嬌嬌，朱文旭，等.遼西北風(fēng)沙區(qū)典型人工防護(hù)林土壤微生物群落功能特征[J].生態(tài)學(xué)雜志，2019，38（6）：1688 -1696.

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作者簡介：趙志慧（1991—），女，甘肅古浪人，工程師，研究方向為林地土壤微生物。