朱平,陳仁升*,宋耀選,劉光琇,陳拓,張威

(1.中國科學(xué)院黑河上游生態(tài)水文試驗(yàn)研究站, 甘肅 蘭州730000；2.中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所,甘肅 蘭州 730000)

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祁連山不同植被類型土壤微生物群落多樣性差異

朱平1,2,陳仁升1,2*,宋耀選1,2,劉光琇2,陳拓2,張威2

(1.中國科學(xué)院黑河上游生態(tài)水文試驗(yàn)研究站, 甘肅 蘭州730000；2.中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所,甘肅 蘭州 730000)

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化中占有重要的地位。以祁連山中段不同海拔的4種植物群落，即墊狀植被(cushion plants, CP)、高寒草甸(alpine meadow, AM)、沼澤化草甸(swamp meadow, SM)和高寒灌叢(alpine shrub, AS)作為實(shí)驗(yàn)樣地，采用BIOLOG技術(shù)，探討了土壤微生物群落多樣性在不用海拔梯度形成的植被條件下的變化特征。結(jié)果表明，反映微生物活性的平均顏色變化率(average well color development, AWCD)的大小順序?yàn)椋赫訚苫莸?高寒草甸>高寒灌叢>墊狀植被，沼澤化草甸土壤微生物群落代謝活性最高；高寒草甸和沼澤化草甸土壤微生物群落碳源利用模式相似，土壤微生物群落的Shannon-Wiener物種豐富度指數(shù)(H)與土壤有機(jī)碳和全氮顯著相關(guān)(P<0.05)，Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D)和McIntosh 指數(shù)(U)與土壤全氮顯著相關(guān)(P<0.05)；冗余分析表明，土壤有機(jī)碳、pH和全氮可能是土壤微生物利用碳源的控制因子。研究結(jié)果為進(jìn)一步探討高寒草甸與土壤微生物之間的關(guān)系奠定了基礎(chǔ)。

祁連山；土壤微生物；Biolog；群落多樣性

土壤微生物群落多樣性是理解生態(tài)系統(tǒng)過程的核心內(nèi)容之一，參與土壤碳氮循環(huán)及土壤有機(jī)質(zhì)礦化，在生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)中扮演著重要角色[1-3]。微生物群落的定量描述是當(dāng)前微生物學(xué)家面臨的艱巨任務(wù)之一，BIOLOG氧化還原技術(shù)以群落水平碳源利用類型為基礎(chǔ)，為研究土壤微生物群落多樣性提供了一種簡(jiǎn)單、快速的方法[4]。由于不同類群的土壤微生物群落利用碳源能力不同，因此不同的碳源利用模式即可表征微生物群落的差異[5]。雖然BIOLOG方法有一定的局限性，但其彌補(bǔ)了傳統(tǒng)培養(yǎng)法、生物標(biāo)記法和各種分子生物學(xué)方法無法獲得的有關(guān)微生物群落總體活性和代謝功能信息的不足。因此，環(huán)境微生物群落研究具有非常重要的理論和應(yīng)用價(jià)值[2,4]。

祁連山地處亞歐大陸中心，位于青藏、蒙新、黃土三大高原的交匯地帶，屬西北高寒、干旱半干旱地區(qū)，自然資源豐富，形成了復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)[6]。祁連山發(fā)育了石羊河、黑河、疏勒河等水系，但由于氣候變化和人類活動(dòng)，景觀格局發(fā)生了顯著變化，森林和草地發(fā)生退化[7-8]。目前，祁連山土壤微生物研究主要集中在土壤微生物數(shù)量分布特征[9-10]、功能群落數(shù)量動(dòng)態(tài)[11-12]、16rRNA基因序列分析[13]和土壤微生物生物量及酶[14]等方面，但對(duì)不同海拔梯度形成的不同植被類型條件下土壤微生物群落多樣性方面進(jìn)行的研究較少。

高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)極其脆弱，對(duì)氣候變化非常敏感，其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)人類利用自然資源有重要影響[15-16]。因不同的地形部位、土壤溫度、濕度、水文等因素的綜合作用，使高寒草甸在不同部位形成金露梅(Potentillafruticosa)灌叢草甸、矮嵩草(Kobresiahumilis)草甸、沼澤化藏嵩草(Kobresiatibetica)草甸等植被類型，在高寒生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要角色[17-18]。本文選擇中國科學(xué)院黑河上游生態(tài)水文試驗(yàn)站(簡(jiǎn)稱祁連站)具有典型代表性的草甸和墊狀植被為對(duì)象，探討不同海拔植被下土壤微生物群落的多樣性差異，確定不同植被類型條件下土壤微生物對(duì)不同碳源類型利用強(qiáng)度，明確土壤微生物群落研究中培養(yǎng)基的選擇，其結(jié)果可為揭示不同海拔植被條件下土壤微生物學(xué)過程提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于祁連山中部托勒南山陰坡葫蘆溝區(qū)域內(nèi)，地理位置為38.16° N, 99.52° E，研究區(qū)內(nèi)布設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)氣象場(chǎng)，研究站大本營海拔2980 m處，年平均氣溫為0.2℃，最低氣溫-18.4℃，最高氣溫19.0℃，年降水量400～800 mm，為典型大陸性高寒山區(qū)氣候。選擇祁連山托勒南山陰坡土壤為本研究試驗(yàn)區(qū)，研究區(qū)內(nèi)海拔2960～4820 m，跨度1860 m，垂直景觀梯度分異明顯[19]。植被類型較為豐富，高寒嵩草草甸占優(yōu)勢(shì)。主要土壤類型為高山草甸土、高山灌叢草甸土、沼澤土和寒漠土，植被類型主要有高寒草甸、高寒灌叢、沼澤化草甸和墊狀植被。植被群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生長期短，生產(chǎn)力較低。

1.2 樣地設(shè)置和取樣方法

以植被特征為依據(jù)，選擇具有代表性的金露梅和高山柳(Salixcupularis)為主要優(yōu)勢(shì)種的高寒灌叢(alpine shrub, AS)；藏嵩草、矮嵩草和線葉嵩草(Kobresiacapillifolia)為優(yōu)勢(shì)種，伴生種為早熟禾(Poaannua)和垂穗披堿草(Elymusnutans)的沼澤化草甸(swamp meadow, SM)；小嵩草(Kobresiapygmaea)、矮嵩草和藏嵩草為優(yōu)勢(shì)種的高寒草甸(alpine meadow, AM)及囊種草(Thylacospermumcaespitosum)、墊狀點(diǎn)地梅(Androsacetapete)和水母雪蓮(Saussureamedusa)為優(yōu)勢(shì)種的墊狀植被(cushion plants, CP)為樣地。高寒草甸區(qū)從海拔3300～4200 m的垂直剖面上，海拔每上升300 m左右選擇植被均勻分布的地段設(shè)置一個(gè)樣地，共4個(gè)梯度(海拔3300 m,高寒灌叢；海拔3620 m，沼澤化草甸；海拔3890 m，高寒草甸；海拔4160 m，墊狀植被)。每個(gè)梯度樣地內(nèi)分別設(shè)置3個(gè)約20 m×20 m的樣方作為重復(fù)，在每個(gè)樣方內(nèi)用直徑為4.5 cm的土鉆以S型分別采集5個(gè)0～20 cm深度的土壤，每個(gè)土層混合后約500 g分別裝入自封袋封裝并做好標(biāo)記。將土樣分為兩份：1份土樣風(fēng)干過2 mm篩用于土壤基本理化性質(zhì)測(cè)定；另1份土樣實(shí)驗(yàn)室4℃冰箱保存用于土壤Biolog培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，采樣時(shí)間為2013年7月。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 土壤基本理化性質(zhì)分析 試驗(yàn)于2013年10月下旬進(jìn)行，土壤pH采用電位法測(cè)定，稱取通過2 mm篩孔的風(fēng)干土樣10 g加入25 mL無CO2蒸餾水，液土比為2.5∶1，攪拌1 min，靜置30 min后測(cè)定；土壤含水量(soil moisture content, SMC)采用烘干法測(cè)定，將盛有新鮮土樣的鋁盒，置于105℃的恒溫干燥箱烘6～8 h，烘至恒重；土壤有機(jī)碳(soil organic carbon, SOC)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法，稱取過0.149 mm篩孔的土樣0.1～1.0 g，加入K2Cr2O7和濃硫酸混合液5 mL，油浴加熱170～180℃，至溶液沸騰5 min，溶物洗入250 mL三角瓶中，使總體積控制在60～80 mL，用0.2 mol/L FeSO4滴定，計(jì)算有機(jī)碳含量；全氮(total nitrogen, TN)采用半微量凱氏法測(cè)定，稱取過0.149 mm篩孔的土樣1 g放入凱氏瓶中，加催化劑和濃硫酸消煮，堿化后把NH3蒸餾出來，用20 g/L H3BO3溶液吸收，然后用0.02 mol/L HCl滴定，計(jì)算全氮含量； 然后全磷(total phosphorus, TP)采用酸溶-鉬銻抗比色法，稱取過0.149 mm篩孔的風(fēng)干土樣0.2 g，加HClO4和HF加熱，土壤中含磷礦物及有機(jī)磷化合物全部轉(zhuǎn)化為正磷酸鹽進(jìn)入溶液，然后用鉬銻抗比色法測(cè)定[20]。

1.3.2 土壤微生物群落多樣性測(cè)定 試驗(yàn)采用Biolog微平板(Biolog EcoPlateTM)作為微生物研究載體。實(shí)驗(yàn)前先將待測(cè)土壤從冰箱內(nèi)提前4 h拿出，放置于室溫下恢復(fù)土壤微生物的活性，稱取10 g新鮮土樣倒入裝有90 mL 0.85%滅菌生理鹽水的三角瓶中，200 r/min振蕩30 min，使土壤中微生物均勻分散。靜止10 min后取5 mL上清液加入0.85%滅菌生理鹽水中，重復(fù)以上步驟，將溶液稀釋1000倍。取10-3上清菌液用8道移液排槍接入Biolog-Eco微平板，放入25℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)，每隔12 h讀取590和750 nm波長下的吸光值，連續(xù)8 d。

單孔的平均顏色變化率(average well color development,AWCD)：AWCD=∑(C590-C750)/31

式中，C為每個(gè)有培養(yǎng)基孔的吸光值，31為Biolog-ECO微平板上供試碳源的種類數(shù)，C590、C750是指590和750 nm的吸光值[5]。

采用Biolog-ECO 微平板培養(yǎng)96 h的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用Biolog-ECO 微平板孔中吸光值來計(jì)算土壤微生物群落多樣性指數(shù)[21]，計(jì)算公式如下：

Shannon-Wiener 指數(shù)反映土壤中微生物群落豐富度 (H′)：H′=-∑Pi×lnPi

Simpson指數(shù)表征土壤中微生物群落優(yōu)勢(shì)度 (D)：D=1-∑(Pi)2

式中，Pi為第i孔的相對(duì)吸光值與整個(gè)平板相對(duì)吸光值總和的比率；ni是第i孔的相對(duì)吸光值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，采用SPSS 11.5進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)，最小顯著性差異(LSD)用于數(shù)據(jù)顯著性檢驗(yàn)，Pearson相關(guān)系數(shù)來分析土壤理化性質(zhì)與土壤微生物群落多樣性指數(shù)之間的關(guān)系。冗余分析(redundancy analysis, RDA)用于土壤微生物代謝指標(biāo)和理化性質(zhì)之間的關(guān)系，為保證數(shù)據(jù)滿足正態(tài)分布及減小異常值對(duì)分析結(jié)果的影響，對(duì)土壤理化性質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行l(wèi)og (x+1)轉(zhuǎn)換， 應(yīng)用排序軟件CANOCO 4.5進(jìn)行分析，顯著性水平為 α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 垂直帶土壤理化性質(zhì)的梯度分布特征

不同海拔梯度內(nèi)，隨著海拔的升高，土壤pH先降低后升高。高山寒漠土pH最大，沼澤土pH最低。海拔梯度3620 m沼澤土土壤含水率最高，土壤含水率平均達(dá)到60%；不同海拔植被下土壤含水率差異顯著(P<0.05)。土壤有機(jī)碳在不同海拔梯度內(nèi)，寒漠土土壤有機(jī)碳含量最低，為21.07 g/kg；高山灌叢草甸土、沼澤土和寒漠土土壤有機(jī)碳差異顯著(P<0.05)。寒漠土土壤全氮含量與其他3個(gè)海拔梯度土壤全氮差異顯著 (P<0.05)，沼澤土土壤全氮含量最高。不同海拔梯度植被下，土壤全磷含量差異不顯著 (P>0.05)。不同海拔梯度土壤平均碳氮比范圍為5.46～11.25，沼澤土和高山草甸土碳氮比較高，寒漠土碳氮比較低(表 1)。

表1 不同植被土壤基本理化性質(zhì)

同行不同字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。

Different letters in the same row indicate significant differences atP<0.05, the same below.

2.2 垂直帶不同海拔梯度土壤微生物平均顏色變化率的動(dòng)態(tài)特征

圖1 不同植被下的土壤微生物群落平均顏色變化率隨時(shí)間的變化Fig.1 AWCD dynamics change with incubation time under four vegetation types

由圖1可知，在對(duì)微生物培養(yǎng)的24 h內(nèi)，微生物對(duì)底物利用并不明顯，在 48 h后微生物對(duì)底物利用迅速增加。在培養(yǎng)192 h過程中，高山草甸(AM)和沼澤化草甸(SM)AWCD呈相似的趨勢(shì)，均高于高寒灌叢(AS)和墊狀植被(CP)，而墊狀植被AWCD最低。192 h時(shí)，沼澤化草甸(SM)平均AWCD達(dá)到0.96，而墊狀植被平均AWCD為0.22，不同海拔梯度植被類型下， AWCD的大小順序?yàn)椋赫訚苫莸?高寒草甸>高寒灌叢>墊狀植被。

2.3 不同海拔植被類型土壤微生物群落多樣性指數(shù)變化

對(duì)Biolog-ECO 微平板中的3種土壤微生物群落多樣性指數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果見表2，沼澤土的土壤微生物群落Shannon指數(shù)和Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)均最高。方差分析結(jié)果表明，不同海拔梯度形成的不同植被條件下土壤微生物群落的Shannon-Wiener指數(shù)和Simpson指數(shù)差異不顯著(P>0.05)。結(jié)合圖1，沼澤土土壤微生物活性最強(qiáng)。

表2 土壤微生物群落多樣性指數(shù)

2.4 不同海拔植被類型土壤微生物群落主成分分析

圖2 不同植被類型的土壤微生物群落碳源利用主成分分析Fig.2 Principal component analysis of carbon utilization of soil microbial communities under four vegetation types

對(duì)Biolog-ECO 微平板上96 h的31種碳源底物利用情況進(jìn)行主成分分析。主成分的提取原則是相對(duì)應(yīng)特征值大于1的前m個(gè)主成分，據(jù)此原則，對(duì)土壤碳源底物利用情況共提取4 個(gè)主成分，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到91.84%。其中第1主成分(PC1)的貢獻(xiàn)率為65.17%，第2主成分(PC2)的貢獻(xiàn)率為13.43%。選取前兩個(gè)主成分進(jìn)行分析，以PC1為橫軸，PC2 為縱軸，以不同海拔植被31種碳源底物利用情況在2個(gè)主成分上的得分值為坐標(biāo)作圖，得到土壤微生物碳源利用主成分分析圖(圖 2)。除高寒灌叢有1點(diǎn)較離散外，其余的點(diǎn)在PC軸上可以分成兩類：1)高寒灌叢、墊狀植被；2)沼澤化草甸、高寒草甸。在PC1軸上，沼澤化草甸和高寒草甸分布在正方向，高寒灌叢、墊狀植被分布在負(fù)方向上。4 種不同的植被類型分布差異表明，在沼澤化草甸和高寒草甸的植被下土壤微生物群落具有相似的碳源利用模式，土壤微生物群落代謝功能相似，而與高寒灌叢、墊狀植被土壤微生物群落碳源利用模式不同。

Biolog-ECO 微平板的31種碳源底物分為四大類：糖類及其衍生物、氨基酸類及其衍生物、脂肪酸和脂類、代謝中間產(chǎn)物及次生代謝物，其中，糖類及其衍生物12 種、氨基酸類及其衍生物6 種、脂肪酸和脂類5種、代謝中間產(chǎn)物及次生代謝物8種[22]。影響第1主成分(PC1)的碳源主要有25 種，其中糖類及其衍生物11種、氨基酸類及其衍生物4 種、脂肪酸和脂類3種、代謝中間產(chǎn)物及次生代謝物7 種。影響第2主成分(PC2)的碳源主要有2 種，其中脂肪酸和脂類1種、代謝中間產(chǎn)物及次生代謝物1 種。表明影響第2主成分的碳源主要是脂肪酸、脂類、代謝中間產(chǎn)物及次生代謝物。由此說明糖類及其衍生物、氨基酸類及其衍生物、脂肪酸和脂類、代謝中間產(chǎn)物及次生代謝物均為研究區(qū)土壤微生物利用的碳源(表3)。

表3 31種碳源的主成分載荷因子

2.5 不同海拔植被類型土壤微生物生理碳代謝指紋圖譜分析

微生物對(duì)微平板上不同碳源利用能力的圖被定義為BIOLOG代謝指紋圖譜[23]。測(cè)定培養(yǎng)96 h時(shí)4種植被下土壤微生物對(duì)31種單一碳源的代謝能力(AWCDi值)，得到微生物群落代謝指紋圖譜。從圖3 可以看出，高寒草甸和沼澤化草甸土壤微生物對(duì)31 種碳源利用程度遠(yuǎn)大于高寒灌叢和墊狀植被。高寒草甸土壤代謝指紋圖譜中AWCDi≥0.7的碳源有12種(糖類5 種，氨基酸類2種，羧酸類1 種，多聚物類2 種，多胺類1 種，芳香化合物類1 種)；沼澤化草甸土壤代謝指紋圖譜中AWCDi≥0.7的碳源有12種(糖類5 種，氨基酸類1種，羧酸類2 種，多聚物類2 種，多胺類1 種，芳香化合物類1 種)，占總碳源的38.7%；高寒灌叢AWCDi≥0.7的碳源僅有1種(羧酸類1種)，占總碳源的3.2%；墊狀植被則沒有。此外，高寒草甸和沼澤化草甸土壤微生物對(duì)碳源利用相似程度較高，對(duì)碳源B4(L-天門冬酰胺)、G1(D-纖維二糖)、E2(N-乙酰-D-葡萄糖胺)、B3(D-半乳糖醛酸)的利用程度較高。

圖3 土壤微生物生理碳代謝指紋圖譜Fig.3 Metabolic fingerprint of carbon level physiological profiles of microbial community in four tested soils A4～F4:氨基酸類 Amino acids; G4～H4:多胺類 Amines; C1～F1:多聚物類 Polymers; C3～D3:芳香化合物類 Aromafic compounds; G1～A3:糖類 Carbohydrates; B1～H3:羧酸類 Carboxylic acids; A1:對(duì)照空白值．AWCDi值為ECO板上3次重復(fù)的平均值 AWCDi values shown as mean of three replicates on ECO plate.

2.6 不同海拔植被類型土壤微生物群落碳代謝與土壤性質(zhì)的關(guān)系分析

由表4 可以看出，土壤微生物群落的Shannon-Wiener指數(shù)(H)與土壤有機(jī)碳(SOC)和全氮顯著相關(guān)(P< 0.05)。Simpson指數(shù)(D)與土壤全氮顯著相關(guān)(P<0.05)。McIntosh 指數(shù)(U)與土壤含水率和全氮顯著相關(guān)(P<0.05)，與土壤pH、有機(jī)碳和碳/氮極顯著相關(guān)(P<0.01)。

表4 土壤微生物群落多樣性指數(shù)與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系系數(shù)

*P<0.05; **P<0.01.

本文對(duì)不同海拔的4種植物群落土壤微生物代謝特征進(jìn)行冗余分析(圖 4)，其結(jié)果顯示第1軸、第2軸、第3軸和第4軸的特征值分別為0.416，0.143，0.070和0.031。第1軸主要相關(guān)于SOC(r=-0.8434)和pH(r=-0.7909)，第2軸主要相關(guān)于土壤TP(r=-0.5127)和C/N(r=-0.4998)；土壤微生物碳源代謝和土壤理化性質(zhì)在4個(gè)軸上累計(jì)解釋變異量達(dá)到66.0%，說明土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤微生物群落碳源代謝具有重要影響。RDA第1軸和第2軸累計(jì)解釋變異量為55.9%。SOC(P=0.002)、pH(P=0.008)和TN(P=0.020)占所用土壤理化性質(zhì)解釋變異量的比例最大，達(dá)69.3%。由此可以猜測(cè)，SOC、 pH和TN是微生物利用碳源的控制因子。

圖4 土壤微生物群落代謝與土壤性質(zhì)的冗余分析(96 h)Fig.4 Redundancy analysis (RDA) on soil microbial community constrained by soil variables (96 h)

3 討論

土壤微生物的生態(tài)功能可以用微生物群落多樣性來反映，Biolog-ECO微平板較Biolog-GN微平板更適合土壤微生物群落多樣性研究[24]。AWCD值反映土壤微生物群落代謝活性和對(duì)單一碳源利用強(qiáng)度，其值越高，表明土壤微生物群落代謝活性越大[25]。不同植被類型土壤的AWCD值具有較大差異，沼澤化草甸和高寒草甸具有較大的AWCD值，灌叢草甸次之，墊狀植被AWCD 值最低。沼澤化草甸和高寒草甸的土壤微生物對(duì)主要碳源的利用率高于灌叢草甸和墊狀植被。PCA分析表明，沼澤化草甸、高寒草甸與灌叢草甸、墊狀植被土壤微生物代謝多樣性可以明顯區(qū)分。分析原因認(rèn)為，草本植物根系發(fā)達(dá)，密集于表層，根系分泌物和凋落物是微生物豐富的能源[26]。本研究中，高寒草甸和沼澤化草甸中土壤有機(jī)碳和全氮含量均較高，每年向微生物提供的能源遠(yuǎn)大于其他2 種植物群落，結(jié)果導(dǎo)致沼澤化草甸和高寒草甸的土壤微生物群落代謝活性高于灌叢草甸和墊狀植被。

土壤微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性的主導(dǎo)因素是與土壤本身的理化性質(zhì)和植被狀況有關(guān)[27]。不同海拔的水熱組合導(dǎo)致植被帶的差異，同時(shí)造成土壤性質(zhì)發(fā)生改變，地上群落和地下系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)。生態(tài)學(xué)中采用不同的生態(tài)學(xué)指數(shù)反映群落內(nèi)部物種總數(shù)和物種相對(duì)多度，Shannon-Wiener指數(shù)(H)較高代表微生物種類多且分布均勻，而Simpson指數(shù)(D)反映土壤群落中最常見物種，表明沼澤化草甸微生物群落種類最多且較均勻，某些優(yōu)勢(shì)菌生長旺盛[28]。這可能與草本植物枯落物量較大且易分解，土壤含水率較高，適合土壤微生物生長有關(guān)。韓芳等[29]也發(fā)現(xiàn)自然恢復(fù)草地土壤質(zhì)量優(yōu)于灌叢，微生物類群也多于灌木。劉曉娟等[30]研究發(fā)現(xiàn)，墊狀植被改變了土壤的微環(huán)境，微環(huán)境的改變將影響土壤微生物的代謝活性。Xiang等[31]研究發(fā)現(xiàn)，較高的土壤含水率可提高土壤微生物的活性。土壤理化性質(zhì)的改變，影響了微生物所生存的微環(huán)境，而土壤微環(huán)境成為影響土壤微生物群落的種類、活性和分布的關(guān)鍵[32-33]。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，高寒草甸和沼澤化草甸的土壤有機(jī)碳和全氮高于灌叢草甸，而灌叢草甸土壤有機(jī)碳和全氮又優(yōu)于墊狀植被，更有利于土壤微生物代謝和生長。對(duì)不同海拔植被土壤微生物代謝特性進(jìn)行冗余分析，可以推斷土壤SOC、pH和TN對(duì)土壤微生物利用碳源具有一定的調(diào)控作用，可以推測(cè)土壤SOC、pH和TN是土壤微生物利用碳源的控制因子。Degens等[34]認(rèn)為SOC是保持微生物群落代謝多樣性的重要因素。而Shen等[35]用454高通量測(cè)序在長白山發(fā)現(xiàn)pH是驅(qū)動(dòng)土壤細(xì)菌群落沿海拔梯度垂直分布的關(guān)鍵因子。此外，有些研究表明，季節(jié)變化也對(duì)土壤微生物群落組成和數(shù)量具有顯著影響[36]。由于本研究缺乏對(duì)各海拔梯度植被帶季節(jié)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，土壤微生物在季節(jié)動(dòng)態(tài)上變異還需進(jìn)一步研究。

土壤微生物是高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分，研究其群落多樣性，對(duì)于微生物與其外界環(huán)境之間關(guān)系意義重大。但Biolog方法只能表征土壤中快速生長的可培養(yǎng)細(xì)菌，只是土壤微生物的一部分，還需結(jié)合磷脂脂肪酸(PLFA)分析法、分子生物學(xué)等多種分析手段，才能更好地研究土壤微生物多樣性與地上植被之間的關(guān)系[37-38]。

4 結(jié)論

綜上所述，高寒祁連山托勒南山陰坡研究區(qū)內(nèi)，不同海拔4 種植被類型下，沼澤化草甸土壤微生物群落具有最高代謝活性；高寒草甸和沼澤化草甸土壤微生物對(duì)碳源B4(L-天門冬酰胺)、G1(D-纖維二糖)、E2(N-乙酰-D-葡萄糖胺)、B3(D-半乳糖醛酸)有較高的利用程度；土壤SOC、 pH和TN是土壤微生物群落利用碳源的調(diào)控因子。

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Soil microbial community diversity under four vegetation types in the Qilian Mountains, China

ZHU Ping1,2, CHEN Ren-Sheng1,2*, SONG Yao-Xuan1,2, LIU Guang-Xiu2, CHEN Tuo2, ZHANG Wei2

1.QilianAlpineEcology&HydrologyResearchStation,ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China; 2.ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China

Soil microbes are an important component of soil ecosystem playing a key role in nutrient and energy cycling. The variation of soil microbial community diversity under cushion plants, alpine meadow, swamp meadow and alpine shrub along an elevation gradient in mid the altitude zone of the Qilian Mountains was measured using the BIOLOG-ECO technique.The results showed that the soil microbial activity assessed using well color development (AWCD) varied in the order: swamp meadow>alpine meadow>alpine shrub>cushion plants. Soil microbial communities in swamp meadow had the highest soil microbial activity; the carbon source utilization mode of soil microbial communities was similar under alpine meadow and swamp meadow. Correlation analysis indicated that the Shannon-Wiener index (H) was significantly correlated (P<0.05) with soil organic carbon and total nitrogen. Simpson’s (D) and Mclntosh’s (U) indices were significantly (P<0.05) correlated with soil total nitrogen. Redundancy analysis (RDA) on microbial communities constrained by different soil factors showed that soil organic carbon, soil pH and total soil nitrogen were important factors determining the rate of metabolism of carbon substrates in soils. The results of this study suggested a basis for further investigation of the relationships between vegetation diversity and soil microbial community diversity.

Qilian mountains; soil microorganisms; Biolog; soil microbial community diversity

10.11686/cyxb2014272

http://cyxb.lzu.edu.cn

2014-06-09；改回日期：2014-07-01

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2013CBA01086)和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41222001, 91025011)資助。

朱平(1985-)，男，江蘇常州人，在讀博士。E-mail: zhuping@lzb.ac.cn *通訊作者Corresponding author. E-mail: crs2008@lzb.ac.cn

朱平, 陳仁升, 宋耀選, 劉光琇, 陳拓, 張威. 祁連山不同植被類型土壤微生物群落多樣性差異. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2015, 24(6): 75-84.

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