馬書(shū)琴，王小丹，王荷，張蓓蓓，陳有超，魯旭陽(yáng)

藏北高寒草地土壤磷脂脂肪酸指紋特征及其與土壤化學(xué)性質(zhì)的關(guān)系

馬書(shū)琴1,2，王小丹1*，王荷3，張蓓蓓3，陳有超1,2，魯旭陽(yáng)1

1. 中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所山地表生過(guò)程與生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 陜西省災(zāi)害監(jiān)測(cè)與機(jī)理模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室//寶雞文理學(xué)院地理與環(huán)境學(xué)院，陜西 寶雞 721013

微生物是土壤的重要組成部分，反映了土壤的生物活性，同時(shí)也是土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與循環(huán)的動(dòng)力。高寒草地是藏北高原分布面積最大的生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型，不僅是亞洲中部高寒環(huán)境中最為典型的自然生態(tài)系統(tǒng)之一，而且在世界高寒地區(qū)亦具有代表性。為了解藏北不同類(lèi)型高寒草地土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征，比較了藏北5種高寒草地（高寒草甸、高寒草原、高寒草甸草原、高寒荒漠草原和高寒荒漠）的土壤磷脂脂肪酸（PLFA）指紋特征，并進(jìn)一步分析其與土壤有機(jī)碳、總氮等土壤化學(xué)性質(zhì)的關(guān)系。藏北5種高寒草地土壤PLFA中16:0和18:1w9c含量高，土壤PLFA主要包括直鏈飽和脂肪酸、直鏈單不飽和脂肪酸、支鏈飽和脂肪酸和環(huán)丙烷脂肪酸，其中直鏈單不飽和脂肪酸（27.77%～36.66%）和支鏈飽和脂肪酸（30.15%～36.61%）占比較高，環(huán)丙烷脂肪酸（3.48%～10.16%）僅占較少部分。高寒草甸土壤總 PLFA含量、細(xì)菌、真菌、放線菌、革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽(yáng)性菌 PLFA 含量最高，其含量分別是其他 4種草地類(lèi)型土壤的 2.00～6.45，2.01～8.88，1.82～3.52，1.61～5.37，2.01～9.17和2.06～10.94倍。大部分PLFA分子集中于高寒草甸、高寒草原和高寒草甸草原土壤中，另外兩種高寒草地土壤僅含少量微生物；土壤微生物在5種類(lèi)型草地中的樣點(diǎn)基本分散，而在每種類(lèi)型草地樣點(diǎn)中基本集中，表明微生物群落結(jié)構(gòu)在不同草地類(lèi)型土壤中存在明顯差異，而在同一類(lèi)型草地土壤中相近。土壤總PLFA，細(xì)菌、真菌、放線菌、革蘭氏陰性細(xì)菌和革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌PLFA含量與土壤有機(jī)碳、總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮之間存在極顯著相關(guān)性（P＜0.01），表明土壤碳、氮含量與土壤微生物間存在極為顯著的相互刺激關(guān)系。該研究通過(guò)量化藏北不同類(lèi)型高寒草地土壤的PLFA指紋特征，并分析其與土壤化學(xué)性質(zhì)的關(guān)系，為進(jìn)一步研究高寒草地生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征提供理論依據(jù)。

土壤微生物；磷脂脂肪酸；高寒草地；土壤有機(jī)碳；硝態(tài)氮；銨態(tài)氮

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分（文都日樂(lè)等，2010），反映了土壤的生物活性，同時(shí)也是土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與循環(huán)的動(dòng)力（Creamer et al.，2015），在草地的物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化中起重要作用（Fang et al.，2010）。土壤微生物是土壤有機(jī)質(zhì)中最活躍的生命體，其數(shù)量和種類(lèi)都十分豐富，主要包括細(xì)菌、放線菌、真菌、藻類(lèi)和原生動(dòng)物等（Garcia-Pausas et al.，2011）。土壤微生物只占總有機(jī)碳的一小部分，但是在全球碳氮循環(huán)中起關(guān)鍵作用（Phillips et al.，2012），主要負(fù)責(zé)有機(jī)質(zhì)分解、控制氮吸收和釋放（Coleman et al.，2005；Yanarda? et al.，2017）。土壤微生物在土壤生物活性、土壤結(jié)構(gòu)形成、有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)、營(yíng)養(yǎng)循環(huán)、土壤可持續(xù)發(fā)展過(guò)程中具有重要作用（Smith et al.，2014），因此，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)組成與活性是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)（Chu et al.，2007）。土壤微生物對(duì)環(huán)境變化敏感（張莉等，2012），可以較早地反映生態(tài)系統(tǒng)功能變化，可以用于評(píng)價(jià)草地土壤質(zhì)量等（趙帥等，2011）。

土壤微生物物種多樣性的研究方法主要有磷脂脂肪酸（PLFA）（王鴿等，2006；Frosteg?rd et al.，2011）、DNA（李超等，2015）、Biolog（湯朋先等，2016）、平板培養(yǎng)法（黃祖新等，2011）等。PLFA是活體微生物細(xì)胞膜的恒定組分（姚曉東等，2016），具有結(jié)構(gòu)多樣性和生物學(xué)特異性，對(duì)環(huán)境因素敏感，可在生物體外迅速降解（Yannikos et al.，2014），因此特定菌群PLFA數(shù)量變化可反映出原位土壤真菌、細(xì)菌等活體生物量與菌群結(jié)構(gòu)（李俊等，2016）。PLFA法由于具有對(duì)試驗(yàn)條件要求低、測(cè)試功能多和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于微生物群落結(jié)構(gòu)研究（方圓等，2017）。

青藏高原是全球變化的敏感區(qū)域（姚檀棟，2010），過(guò)去幾十年以來(lái)，在全球氣候變暖的背景下，藏北高原增溫明顯（楊春艷等，2014）。藏北地區(qū)位于青藏高原腹地（熊定鵬等，2016），是全球中低緯度冰凍圈最發(fā)育的地區(qū)，其環(huán)境極其脆弱，對(duì)全球變化和人類(lèi)活動(dòng)的響應(yīng)高度敏感（王建林等，2014）。藏北高原生態(tài)系統(tǒng)與環(huán)境關(guān)系以其自身的臨界性和生物獨(dú)特的適應(yīng)機(jī)理為基本特征，在嚴(yán)酷的氣候條件下，生態(tài)系統(tǒng)處于脆弱平衡的臨界狀態(tài)（趙玉紅等，2016），環(huán)境變化的微小波動(dòng)都可能打破這種平衡，從而導(dǎo)致地表生態(tài)系統(tǒng)格局及其對(duì)環(huán)境適應(yīng)方式的改變。藏北高原特殊的環(huán)境造就了適應(yīng)寒冷的多年生草本植物群落，主要包括以矮嵩草（Kobresia humilis）、紫花針茅（Stipa purpurea）、藏沙蒿（Artemisia wellbyi）等為主要建群種的不同高寒草地植被類(lèi)型（顧振寬等，2012）。本研究通過(guò)應(yīng)用PLFA法研究藏北5種高寒草地生態(tài)系統(tǒng)（高寒草甸、高寒草原、高寒草甸草原、高寒荒漠草原和高寒荒漠）土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征及其與土壤有機(jī)碳、總氮等土壤性質(zhì)的關(guān)系，為進(jìn)一步研究高寒草地生態(tài)系統(tǒng)特征提供理論依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

青藏高原是全球高寒地區(qū)生物多樣性研究中心，其中藏北地區(qū)位于岡底斯山與念青唐古拉山之間，平均海拔超過(guò)4500 m（Hong et al.，2014），是長(zhǎng)江、怒江等江河的發(fā)源地（武建雙等，2009）。研究區(qū)屬亞寒帶氣候，氣候寒冷干燥（高清竹等，2005），大部分地區(qū)年平均氣溫低于 0 ℃，最暖月均溫不及 14 ℃，最冷月均溫-10 ℃以下（熊定鵬等，2016）。65%～85%的年降水量集中在植物生長(zhǎng)旺盛的6—8月（武建雙等，2012）。高寒草地是該區(qū)域面積最大和最重要的生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型，主要包括高寒草甸、高寒草原、高寒草甸草原、高寒荒漠、高寒荒漠草原5種地帶性高寒草地生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型。

2016年8月，選擇典型高寒草地分布區(qū)域，在面積較大的高寒草甸、高寒草原和高寒荒漠草原各布設(shè)5個(gè)樣點(diǎn)，在面積較小的高寒草甸草原和高寒荒漠各布設(shè)3個(gè)樣點(diǎn)，共布設(shè)21樣點(diǎn)（圖1）。在每個(gè)樣點(diǎn)選取3個(gè)1 m×1 m樣方，用鐵鏟挖取具有完整根系的土體（土體體積以根系范圍而定），先輕輕抖落不含根系的土壤，然后用力將根表面附著的土壤全部抖落下來(lái)，并裝入塑封袋內(nèi)。土壤樣品分為2份，一份過(guò)0.25 mm篩后風(fēng)干，用于測(cè)土壤基本理化性質(zhì)；另一個(gè)土壤混勻并過(guò) 2 mm篩后4 ℃冷藏，用于測(cè)定磷脂脂肪酸。

圖1 藏北高寒草地21個(gè)采樣點(diǎn)分布圖Fig. 1 21 sampling points of grassland in North Tibet

1.2 土壤化學(xué)性質(zhì)和PLFA測(cè)定

土壤化學(xué)性質(zhì)的測(cè)定：采用常規(guī)分析法測(cè)定（鮑士旦，2000）。土壤銨態(tài)氮（NH4+-N）以及硝態(tài)氮（NO3--N）采用離子色譜儀測(cè)定；土壤總有機(jī)碳（TOC）采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定；土壤全氮（TN）采用元素分析儀測(cè)定；pH值采用酸度計(jì)法。

PLFA分析方法如下：稱(chēng)取相當(dāng)于8.0 g干土的新鮮土樣，采用 Bligh-Dyer法通過(guò)氯仿-甲醇-檸檬酸緩沖液振蕩提取總脂，經(jīng)硅膠柱層析分離得到磷脂脂肪酸，將得到的磷脂脂肪酸甲酯化，然后采用HP6890—HP5973型氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）進(jìn)行磷脂脂肪酸的組成分析（牛磊等，2015；王曙光等，2004）。檢測(cè)中升溫程序：進(jìn)樣后在50 ℃持續(xù)1 min，之后以12 ℃?min-1的速率升至180 ℃，停留2 min后以6 ℃?min-1的速率升至220 ℃，保持2 min后以15 ℃?min-1的速率升至240 ℃，停留1 min后以 15 ℃?min-1的速率升至最終的溫度260 ℃，并停留15 min。氣相色譜-質(zhì)譜的連接溫度是280 ℃，以高純氦氣（1 mL?min-1）作為載氣。質(zhì)譜儀分析采用電子電離的方式，電子能量是 70 eV。PLFA的定性分析依據(jù)質(zhì)譜標(biāo)準(zhǔn)圖譜和已有相關(guān)方面的報(bào)道，以正十九烷脂肪酸甲酯為內(nèi)標(biāo)物進(jìn)行定量計(jì)算。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用以下原則命名PLFA（張莉等，2012）：（1）用X：YwZ(c/t)表示脂肪酸分子式（X表示脂肪酸分子的碳原子總數(shù)，Y表示不飽和烯鍵的數(shù)目，w表示烯鍵距離羧基的位置，Z表示烯鍵或環(huán)丙烷鏈的位置）；（2）前綴i（iso）和a（anteiso）分別表示異構(gòu)甲基支鏈（距甲基端的第 2個(gè)碳原子）和前異構(gòu)甲基支鏈（距甲基端的第3個(gè)碳原子）；（3）后綴c和t分別表示順式和反式同分異構(gòu)體，cy表示環(huán)丙基支鏈。PLFA可以作為微生物生物量和群落結(jié)構(gòu)變化的生物標(biāo)記分子，從而構(gòu)建土壤微生物PLFA指紋特征。如細(xì)菌的標(biāo)記物：14:0、i15:0、16:1w9、i17:0、cy17:0等；真菌的標(biāo)記物：18:2w6, 9t、18:1w9t、18:2w9, 12等；放線菌的標(biāo)記物：10Me18:0、9Me15:0、14Me18:0等；革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌標(biāo)記物：i15:0、a15:0、i16:0等；革蘭氏陰性細(xì)菌標(biāo)記物：16:1w9、18:1w12、cy17:0 等（Moore-Kucera et al.，2007）；以14:0、15:0、16:0等之和計(jì)為一般飽和脂肪酸；以 16:1w9c、18:1w9c、17:1w8c等之和計(jì)為單鏈不飽和脂肪酸；以 i13、i14、i15、a15、a17等之和計(jì)為支鏈不飽和脂肪酸；以cy17:0、cy19:0w8c等之和計(jì)為環(huán)丙烷脂肪酸；各PLFA含量的加和表示微生物總量（Kramer et al.，2008）。

運(yùn)用 PCORD 5（MjMSoftware，Gleneden Beach，Ore.）軟件對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性多維度分析（non-meric multidimensional scaling，NMDS）。采用單因素方差分析（One-way ANOVA）檢驗(yàn)不同草地類(lèi)型土壤化學(xué)性質(zhì)和PLFA含量的差異，并采用Duncan法進(jìn)行多重比較。采用Pearson相關(guān)系數(shù)分析土壤化學(xué)指標(biāo)和 PLFA含量的相關(guān)性。以上統(tǒng)計(jì)分析在 SPSS 20.0（International Business Machines Corporation，Unite States）中進(jìn)行，并運(yùn)用Sigmaplot 10.0（Systat Software，Inc.，Germany）作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同高寒草地生態(tài)系統(tǒng)土壤化學(xué)性質(zhì)

不同高寒草地類(lèi)型土壤基本化學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，其中，高寒草甸土壤總有機(jī)碳、總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量最高，分別是(34.97±2.89)g?kg-1、(1.18±0.24) g?kg-1、(0.87±0.10) mg?kg-1和(38.77±6.66) mg?kg-1；高寒草原次之，分別是(17.26±2.48) g?kg-1、(0.75±0.14) g?kg-1、(0.48±0.07)mg?kg-1和(14.04±2.32) mg?kg-1；高寒草甸草原、高寒荒漠草原和高寒荒漠土壤碳、氮含量較低，并且土壤化學(xué)性質(zhì)在這3種草地類(lèi)型間的差異均未達(dá)到顯著水平（表1）。土壤pH在高寒草甸草原中最高(9.52±0.21)，而高寒草甸(8.24±0.27)、高寒荒漠草原(8.46±0.13)和高寒荒漠(8.17±0.11)之間差異性不顯著，高寒草原(7.57±0.03)最低。

2.2 不同高寒草地生態(tài)系統(tǒng)土壤PLFA指紋特征

不同草地類(lèi)型土壤中共檢測(cè)出18種土壤PLFA標(biāo)記的磷脂脂肪酸（圖2）。5種不同類(lèi)型高寒草地PLFA圖譜相似，均表現(xiàn)為細(xì)菌PLFA標(biāo)記物16:0和真菌 PLFA標(biāo)記物 18:1w9c含量較高，分別占PLFA總量的16.98%～23.67%和14.50%～29.15%。5種不同類(lèi)型高寒草地革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌PLFA標(biāo)記物也較為豐富，包括14:0、i14:0、a15:0、i15:0、i16:0、i17:0、a17:0；而放線菌和革蘭氏陰性細(xì)菌PLFA標(biāo)記物相對(duì)較少（圖2）。

土壤PLFA主要由直鏈飽和脂肪酸、直鏈單不飽和脂肪酸、支鏈飽和脂肪酸和環(huán)丙烷脂肪酸組成（表 2）。檢測(cè)出的直鏈飽和脂肪酸包括 14:0、16:0和 18:0；直鏈單不飽和脂肪酸包括 14:1w5c、18:1w9c、16:1w5、17:1w8c、18:1w5c 和 16:1w9c；支鏈飽和脂肪酸包括 i13:0、a14:0、a15:0、i15:0、i16:0、a17:0和i17:0；環(huán)丙烷脂肪酸包括cy17:0和cy19:0w8c。土壤PLFA主要由直鏈飽和脂肪酸、直鏈單不飽和脂肪酸和支鏈飽和脂肪酸組成，相對(duì)含量分別占總 PLFA 的 22.33%～29.71%，30.15%～37.47%和27.77%～36.66%；而環(huán)丙烷脂肪酸只占很小部分，相對(duì)含量占總PLFA的3.48%～10.16%。

表1 高草草地不同生態(tài)系統(tǒng)土壤化學(xué)性質(zhì)Table 1 The soil chemistry of different ecosystems

表2 高寒草地不同生態(tài)系統(tǒng)土壤PLFA類(lèi)型及比例Table 2 The proportion of different PLFAs in different ecosystems in grassland in North Tibet %

圖2 高寒草地不同生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物PLFA圖譜Fig. 2 The content of each PLFA in different grassland types in North TibetAM：高寒草甸；AS：高寒草原；AMS：高寒草甸草原；ADS：高寒荒漠草原；AD：高寒荒漠AM: Alpine meadow; AS: Alpine steppe; AMS: Alpine meadow steppe; ADS:Alpine desert steppe; AD: Alpine desert

對(duì)藏北5種不同類(lèi)型高寒草地土壤PLFA進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，土壤中總PLFA含量，細(xì)菌、真菌、放線菌、革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌和革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌PLFA含量總體上表現(xiàn)為高寒草甸＞高寒草原＞高寒草甸草原＞高寒荒漠草原＞高寒荒漠（圖3）。藏北高寒草地土壤總PLFA含量范圍為3.66～23.58 nmol?g-1，其中，高寒草甸土壤總PLFA含量分別是高寒草原、高寒草甸草原、高寒荒漠草原和高寒荒漠的2.00、2.37、5.30和6.45倍。因此，高寒草甸土壤微生物含量最豐富，高寒草原，高寒草甸草原、高寒荒漠草原和高寒荒漠依次降低。比較不同高寒草地類(lèi)型土壤微生物的PLFA含量，真菌PLFA含量和放線菌PLFA含量均低于細(xì)菌PLFA含量，革蘭氏陰性細(xì)菌PLAF含量低于革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌PLFA含量（圖3）。

2.3 不同草地生態(tài)系統(tǒng)土壤化學(xué)性質(zhì)與 PLFA含量的相關(guān)性

對(duì)藏北5種高寒草地生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型土壤PLFA含量與土壤化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)分析（表3），土壤總PLFA含量，細(xì)菌、真菌、放線菌、革蘭氏陰性細(xì)菌和革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌PLFA含量與總有機(jī)碳、總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮4個(gè)指標(biāo)之間均存在極顯著相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）；而土壤總PLFA含量，細(xì)菌、真菌、放線菌、革蘭氏陰性細(xì)菌和革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌 PLFA含量與與土壤pH值之間的相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平（P＞0.05）。

表3 土壤基本性質(zhì)與PLFAs含量相關(guān)分析Table 3 The soil basic property and the contents of PLFAs correlation analysis

3 討論

3.1 高寒草地土壤微生物PLFA特征

圖3 高寒草地不同生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物PLFA指標(biāo)Fig. 3 The content of each PLFA biomarkers in different grassland types in North TibetAM：高寒草甸；AS：高寒草原；AMS：高寒草甸草原；ADS：高寒荒漠草原；AD：高寒荒漠AM: Alpine meadow; AS: Alpine steppe; AMS: Alpine meadow steppe; ADS: Alpine desert steppe; AD: Alpine desert

土壤微生物僅占土壤有機(jī)質(zhì)的很小部分，但是作為土壤中最為活躍的部分，其在土壤碳、氮循環(huán)中扮演著重要角色（Matejek et al.，2010）。土壤微生物是土壤有機(jī)質(zhì)中最活躍的組分之一（Powlson et al.，2001），植被類(lèi)型數(shù)量和結(jié)構(gòu)組成顯著影響土壤微生物多樣性（Zhang et al.，2013），因?yàn)橹参餅橥寥牢⑸锾峁I(yíng)養(yǎng)和能量。已有研究表明，在不同草地類(lèi)型，土壤微生物總量和群落結(jié)構(gòu)存在一定的差異性（韓玉竹等，2007；戴國(guó)華等，2006；Santonja et al.，2017）。本研究對(duì)藏北高原5種不同類(lèi)型高寒草地土壤PLFA指紋特征進(jìn)行分析，結(jié)果表明，高寒草甸土壤各PLFA生物指標(biāo)含量最高，高寒荒漠含量最低，高寒草甸草原和高寒草原含量基本相似。植被主要通過(guò)植物生理生態(tài)過(guò)程為土壤微生物提供能源物質(zhì)，高生產(chǎn)力的植被類(lèi)型的土壤微生物多樣性較高（蔣婧等，2010），植被類(lèi)型的變化也會(huì)引起微生物活性和多樣性的快速響應(yīng)，從而決定了草地土壤微生物結(jié)構(gòu)組成及其多樣性（Loranger-Merciris et al.，2006）。因此，藏北不同高寒草地土壤PLFA指紋特征的差異，其主要原因可能是不同草地類(lèi)型中植被結(jié)構(gòu)類(lèi)型，其土壤表面的覆蓋程度和植物的生長(zhǎng)發(fā)育、植物殘?bào)w降解物質(zhì)總量不同，導(dǎo)致土壤中能量和物質(zhì)來(lái)源不同，從而影響了土壤中微生物數(shù)量及其活動(dòng)狀況（黃興然等，2016；朱桂麗等，2017）。

藏北5種不同類(lèi)型高寒草地細(xì)菌PLFA標(biāo)記物16:0和真菌PLFA標(biāo)記物18:1w9c含量較高，革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌PLFA標(biāo)記物也較為豐富，而放線菌和革蘭氏陰性細(xì)菌PLFA標(biāo)記物相對(duì)較少。戴國(guó)華等（2016）研究表明，脂肪酸在青藏高原不同土層中的分布是相似的，均以C16、C18和偶碳長(zhǎng)鏈脂肪酸（C22～C32）為主，本研究在藏北高原高寒草地發(fā)現(xiàn)土壤中脂肪酸以 C14～C18為主。C14～C18短鏈脂肪酸主要來(lái)源于微生物，最大濃度為C16（Feng et al.，2007），藏北高寒草地土壤細(xì)菌PLFA標(biāo)記物16:0含量較高，表明藏北高原高寒草地土壤有機(jī)質(zhì)微生物輸入的重要地位。另外，真菌PLFA標(biāo)記物18:1w9c含量也較高，由于非飽和脂肪酸主要源于新鮮植物和微生物，且在土壤中易于降解，因此其存在反映了新鮮有機(jī)質(zhì)來(lái)源的貢獻(xiàn)，以及藏北高原高寒草地土壤有機(jī)質(zhì)處于較低的降解程度（戴國(guó)華等，2016；Wiesenberg et al.，2010）。

5種不同類(lèi)型高寒草地PLFA生物指標(biāo)中細(xì)菌含量最高，真菌和放線菌的含量很少，革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌含量高于革蘭氏陰形細(xì)菌，土壤微生物群落組成的變化規(guī)律基本相似。然而，非線性多維度分析（NMDS）排序結(jié)果顯示（圖4），5種高寒草地類(lèi)型樣點(diǎn)基本分散，說(shuō)明不同高寒草地類(lèi)型間的微生物群落組成存在差異，而高寒荒漠草原和高寒荒漠的特殊點(diǎn)可能是由于土壤異質(zhì)性高造成的，因此，在探討不同草地類(lèi)型土壤微生物群落時(shí)需考慮單個(gè)樣點(diǎn)的環(huán)境因素（方圓等，2017）。藏北高寒草地PLFA標(biāo)記物主要集中于高寒草甸和高寒草原，而高寒荒漠草原和高寒荒漠土壤中較少（圖4），說(shuō)明土壤微生物群落受地上植被類(lèi)型的限制，在生產(chǎn)力水平相對(duì)高的高寒草地類(lèi)型中，土壤微生物也相對(duì)豐富（王長(zhǎng)庭等，2010）。同時(shí)，氣溫、降水、土壤理化性質(zhì)等環(huán)境因子也可能是控制土壤微生物組成和分布的重要因素，例如，青藏高原土壤中PLFA含量會(huì)隨年均氣溫的升高而降低，這是由于溫暖氣候條件下脂肪酸的降解增加導(dǎo)致的；降水增加有助于PLFA的累積，可能是降水增加導(dǎo)致植物生產(chǎn)力增加，從而使來(lái)源于新鮮有機(jī)質(zhì)的脂肪酸獲得較多的累積（戴國(guó)華等，2016）。

圖4 高寒草地不同生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型土壤微生物PLFA結(jié)構(gòu)NMDS分析Fig. 4 The NMDS analysis PLFA in different grassland types in North TibetAM：高寒草甸；AS：高寒草原；AMS：高寒草甸草原；ADS：高寒荒漠草原；AD：高寒荒漠AM: Alpine meadow; AS: Alpine steppe; AMS: Alpine meadow steppe; ADS: Alpine desert steppe; AD: Alpine desert

3.2 高寒草地土壤 PLFA特征與土壤化學(xué)性質(zhì)的關(guān)系

藏北高原高寒草甸土壤中含有大量的有機(jī)碳，高寒草原和高寒草甸草原次之，荒漠草原和荒漠中有機(jī)碳含量相對(duì)低，這與顧振寬等（2012）和艾麗等（2010）研究結(jié)果基本一致。土壤有機(jī)碳主要來(lái)源于植物殘?bào)w的凋落物分解（Chen et al.，2017），不同植被下土壤有機(jī)碳含量存在差異性（Jackson et al.，2000），高寒草甸植被生產(chǎn)力相對(duì)較高，可產(chǎn)生較多植物殘?bào)w，土壤有機(jī)質(zhì)輸入多，但是分解速率緩慢，而高寒荒漠草原和高寒荒漠植被生產(chǎn)力相對(duì)低，土壤有機(jī)質(zhì)的輸入量較少（孟凡棟等，2013）。不同高寒草地類(lèi)型土壤中氮元素含量也不同，可能是不同草地類(lèi)型下土壤淋溶過(guò)程、根系和地表凋落物中碳氮比和微生物結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致土壤氮元素含量不同（王?；鄣?，2004）。高寒草甸土壤的總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量較高，因?yàn)橥寥罍囟鹊?，水分含量高，且植被種類(lèi)豐富，高寒荒漠草原和高寒荒漠土壤比較干燥，植物種類(lèi)少且植被相對(duì)稀疏，所以含氮量低。

土壤是土壤微生物的C源和N源，如土壤有機(jī)質(zhì)包含大量的植物營(yíng)養(yǎng)元素，可提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和能量（Biswas，2014）。通過(guò)相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，藏北不同高寒草地類(lèi)型的土壤化學(xué)性質(zhì)和微生物群落結(jié)構(gòu)分布具有明顯的相關(guān)性（表3）。土壤細(xì)菌、真菌、放線菌、革蘭氏陰性細(xì)菌和革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌 PLFA含量均與土壤有機(jī)碳、總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，這是因?yàn)轲B(yǎng)分含量高的土壤有利于微生物的繁殖（Gude et al.，2012；Jirout et al.，2011），同時(shí)土壤微生物又對(duì)土壤條件改善、養(yǎng)分積累和循環(huán)起調(diào)節(jié)作用（Grandy et al.，2009）。土壤是草地生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)環(huán)境，土壤的穩(wěn)定性是支持草地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定性、生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的重要因素（李學(xué)斌等，2014）。草地土壤微生物作為草地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在草地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)過(guò)程中起主導(dǎo)作用，草地土壤微生物多樣性可體現(xiàn)群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而土壤微生物多樣性空間變異性又作用于土壤性質(zhì)及地上植被（杜瑋超等，2011；孫良杰等，2012）。藏北高寒草地不同植被類(lèi)型微生物PLFA生物指標(biāo)含量與土壤有機(jī)碳等養(yǎng)分之間的極顯著相關(guān)性表明土壤碳、氮含量與土壤微生物間具有極為顯著的相互刺激機(jī)制。一方面，土壤碳、氮含量的提高為土壤微生物提供了相對(duì)充足的碳源和能源物質(zhì)，促進(jìn)了土壤微生物的生長(zhǎng)，從而使土壤微生物數(shù)量不斷增加；另一方面，土壤微生物的增加進(jìn)一步促進(jìn)了土壤有機(jī)物質(zhì)的分解和養(yǎng)分的釋放，而當(dāng)土壤碳、氮含量下降到一定程度時(shí)又可能成為土壤微生物生長(zhǎng)的限制因子（彭岳林等，2007）。

4 結(jié)論

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分來(lái)源的原動(dòng)力，在動(dòng)植物殘?bào)w的降解和轉(zhuǎn)化、養(yǎng)分的釋放和循環(huán)及改善土壤理化性質(zhì)中起著重要作用。本研究采用磷脂脂肪酸（PLFA）法研究了藏北高原5種類(lèi)型高寒草地微生物群落結(jié)構(gòu)組成和分布，構(gòu)建了土壤微生物PLFA指紋特征，并進(jìn)一步探討了其與土壤總有機(jī)碳、總氮等化學(xué)性質(zhì)的關(guān)系。藏北不同類(lèi)型的高寒草地，植被類(lèi)型差異明顯，而草地土壤微生物結(jié)構(gòu)組成和分布也不同，其中高寒草甸土壤各PLFA生物指標(biāo)含量最高，高寒荒漠含量最低，高寒草甸草原和高寒草原含量基本相似。土壤中細(xì)菌PLFA標(biāo)記物16:0和真菌PLFA標(biāo)記物18:1w9c含量較高，證明了藏北高原高寒草地土壤有機(jī)質(zhì)中微生物輸入的重要地位以及土壤有機(jī)質(zhì)較低的降解程度。土壤微生物PLFA標(biāo)記分子在5種類(lèi)型草地的樣點(diǎn)基本分散，而在每種類(lèi)型草地樣點(diǎn)基本集中，說(shuō)明微生物群落結(jié)構(gòu)在不同草地類(lèi)型土壤中存在明顯差異，而在同一類(lèi)型草地土壤中相近。另外，藏北高寒草地不同植被類(lèi)型微生物PLFA生物指標(biāo)含量與土壤化學(xué)性質(zhì)之間的極顯著相關(guān)性，揭示了土壤碳、氮含量與土壤微生物間具有極為顯著的相互刺激機(jī)制。高寒地區(qū)特殊環(huán)境中土壤微生物群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能特殊，對(duì)外界環(huán)境條件的變化響應(yīng)敏感，本研究?jī)H測(cè)定了生長(zhǎng)季高寒草地土壤微生物群落結(jié)構(gòu)組成，未研究土壤微生物的季節(jié)變化動(dòng)態(tài)，也未研究不同類(lèi)型高寒草地土壤微生物對(duì)氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的響應(yīng)，要揭示藏北高寒草地微生物群落組成和分布格局及其對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)機(jī)理，還需要開(kāi)展長(zhǎng)期野外定位試驗(yàn)和多因子綜合控制試驗(yàn)。

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Abstract: Soil microorganism, which is an important component of the soil, reflects the biological activity in soil, and also acts as the driver of soil organic matter and nutrient transformation and cycling. Alpine grassland, which is one of the most typical natural ecological system in the central Asia and representative alpine region in the world, is the largest area in northern Tibet plateau. In this study, we investigated five types of alpine grassland soils across Northern Tibet, including alpine meadow, alpine steppe, alpine meadow steppe, alpine desert steppe and alpine desert, to examine the fingerprint of soil phospholipid fatty acid (PLFA), and analyze the their relationship with soil chemical properties. The results showed, the soil chemical properties (total organic carbon, total nitrogen, nitrate nitrogen and ammonium nitrogen) generally followed a similar pattern, with the highest level in the alpine meadow soil and the lowest content in alpine desert soil and alpine desert grassland soil. The contents of 16:0 and 18:1w9c were highest in PLFA for all the five soils. The PLFAs mainly constitute with straight chain saturated fatty acid, linear single unsaturated fatty acid,branched chain saturated fatty acid and cyclopropane fatty acid. Linear monounsaturated fatty acid (27.77%～36.66%) and branched chain saturated fat percentage (30.15%～36.61%) was higher, and cyclopropane fatty acids (3.48%～10.16%) was lower. The total PLFA, bacteria, fungi, actinomycetes, gram negative bacteria and gram positive bacteria contents were highest in Alpine meadow soil(P＜0.05), with 2.00～6.45, 2.01～8.88, 1.82～3.52, 1.61～5.37, 2.01～9.17 and 2.06～10.94 times as large as those of the other four types grassland soils. Most PLFAs molecular concentrated on alpine meadow, alpine steppe and alpine meadow steppe soil, the other two types of grassland soil only contained a small amount of microbes; Soil microorganisms were largely dispersed among the five types of soil while centralized within each soil type, indicating that microbial community structures were different among the five soil types while similar within each type. The contents of total PLFA, bacteria, fungi, actinomycetes, gram negative bacteria and gram positive bacteria PLFA were significantly correlated (P＜0.01) with soil organic carbon, total nitrogen, ammonium nitrogen and nitrate nitrogen. This study examines the PLFA fingerprint of different alpine grassland soils in North Tibet as well as their relationship with soil chemical properties, and may improve our understanding on soil microbial community structure characteristics in alpine grassland soil.

Key words: soil microorganism; phospholipid fatty acid; alpine grassland; soil organic carbon; nitrate nitrogen; ammonium nitrogen

Phospholipid Fatty Acids Fingerprint of Different Grassland Soils in North Tibet and Their Relationship with Chemical Properties

MA Shuqin1,2, WANG Xiaodan1*, WANG He3, ZHANG Beibei3, CHEN Youchao1,2, LU Xuyang1

1. Key Laboratory of Mountain Surface Processes and Ecological Regulation, Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences,Chengdu 610014,China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;3. Shaanxi Key Laboratory of Disaster Monitoring and Mechanism Simulating, Baoji University of Arts and Sciences, Baoji 721013, China

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.09.004

S154.2; X144

A

1674-5906（2017）09-1480-08

馬書(shū)琴, 王小丹, 王荷, 張蓓蓓, 陳有超, 魯旭陽(yáng). 2017. 藏北高寒草地土壤磷脂脂肪酸指紋特征及其與土壤化學(xué)性質(zhì)的關(guān)系[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 26(9): 1480-1487.

MA Shuqin, WANG Xiaodan, WANG He, ZHANG Beibei, CHEN Youchao, LU Xuyang. 2017. Phospholipid fatty acids fingerprint of different grassland soils in North Tibet and their relationship with chemical properties [J]. Ecology and Environmental Sciences,26(9): 1480-1487.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41671262；41371267）

馬書(shū)琴（1990年生），女，博士研究生，研究方向?yàn)椴莸赝寥郎鷳B(tài)。E-mail: shuqinq@163.com*通信作者：王小丹（1973年生），男，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事高山環(huán)境與高寒生態(tài)研究。E-mail: wxd@imde.ac.cn

2017-08-02