尹亞麗 ，王玉琴 ，李世雄 *，劉燕 ，趙文 ，馬玉壽 ，王宏生 ，溫灝宇

1. 青海大學(xué)/三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國家重點實驗室，青海 西寧 810016；2. 青海大學(xué)畜牧獸醫(yī)科學(xué)院，青海 西寧 810016；3. 青海省畜牧獸醫(yī)科學(xué)院，青海 西寧 810016；4. 西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌 712100

高寒草甸是三江源區(qū)的代表性草地類型，其草層低矮，草質(zhì)柔軟，營養(yǎng)豐富，適口性好，是優(yōu)良的牦牛和藏羊放牧場地（楊有芳等，2017）。然而，在草場超載過牧、全球氣候變化、人類采挖沙金、旅游區(qū)的開發(fā)及一些大型工程的建設(shè)等人為因素和自然因素的共同影響下（Xue et al.，2009），三江源區(qū)高寒草甸出現(xiàn)不同程度的退化，其中約16%的草地嚴重退化為次生裸地“黑土灘”（楊永勝等，2017），這給當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧民生產(chǎn)生活帶來了巨大影響，同時由草地退化引致的水土流失日趨嚴重，物種多樣性減少，對三江源生態(tài)環(huán)境造成嚴重威脅（Ren et al.，2007；Yang et al.，2016）。

草地退化，更深層次的表現(xiàn)在其土壤環(huán)境的退化（牛磊等，2015）。土壤微生物作為草地地下生態(tài)系統(tǒng)最大的資源庫，可推動整個環(huán)境中物質(zhì)和能量的流動和轉(zhuǎn)移（Yang et al.，2013；茍燕妮等，2015），是生物地球化學(xué)循環(huán)的主要驅(qū)動者，它們在調(diào)節(jié)有機質(zhì)分解和營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)等生態(tài)系統(tǒng)功能方面發(fā)揮著重要作用（付剛等，2017）。微生物生命周期短，對生存的微環(huán)境十分敏感，能對土壤生態(tài)變化和環(huán)境脅迫作出快速反應(yīng)。土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化可作為衡量草地生態(tài)環(huán)境功能的指標，可較好地指示草地生態(tài)系統(tǒng)的健康變化（牛磊等，2015；付剛等，2017；Royertardif et al.，2010），并能夠反映某個地區(qū)土壤退化或恢復(fù)的程度（曹成有等，2011）。因此，分析微生物對不同碳源利用能力的差異，開展不同退化程度高寒草甸土壤微生物群落功能多樣性研究，對草地健康狀況評價、生態(tài)環(huán)境保護、草地恢復(fù)重建與可持續(xù)利用具有重要理論和實踐意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者已開展了一些關(guān)于退化高寒草甸在放牧干擾、圍欄封育、人工施肥及氣候變化等人為和自然因素擾動下土壤微生物生物量及微生物數(shù)量等變化的研究工作（茍燕妮等，2015；付剛等，2017；胡雷等，2014），但有關(guān)不同程度退化高寒草甸土壤微生物群落功能多樣性季節(jié)變化的研究報道較少。微生物對環(huán)境的作用主要是通過群落代謝功能的差異來實現(xiàn)的，Biolog-ECO法通過檢測微生物對不同碳源的代謝強度來判斷微生物活性和多樣性大小，進而反映微生物群落功能的多樣性，是目前被廣泛應(yīng)用的研究微生物代謝功能多樣性的方法之一。鑒于此，本研究以三江源區(qū)不同退化程度高寒草甸為研究對象，采用Biolog-ECO法解析草地土壤微生物群落時空變化特征，明確不同土層土壤微生物群落在不同季節(jié)的變化規(guī)律，為草地可持續(xù)利用和退化草地恢復(fù)重建提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于青海省果洛州瑪沁縣大武鎮(zhèn)（34°27′56.9″N，100°13′6.5″E，海拔約 3700 m）三江源國家自然保護區(qū)。該區(qū)晝夜溫差大，日照時間短，太陽輻射強，寒冷、多風(fēng)，屬典型高原大陸型氣候。年均氣溫為-3.9 ℃，最冷月平均氣溫為-12.6 ℃，最熱月平均氣溫為 9.7 ℃；年降水量為513.2～542.9 mm，多集中在 6—9月，年蒸發(fā)量為2471.6 mm。牧草生長季約156 d，全年無絕對無霜期。草地為高寒矮嵩草草甸，土壤為高山草甸土，土壤pH為6.4～8.3，土壤含水量為19.7%～49.7%，土壤有機質(zhì)為48.0～140.0 g·kg-1（尹亞麗等，2017）。

1.2 樣地設(shè)置與樣品采集

依據(jù)草地生產(chǎn)力、植被蓋度、可食牧草比例和草場質(zhì)量等指標（馬玉壽等，2002），在水熱及地形狀況基本一致的高寒草甸設(shè)置未退化（ND）、輕度退化（LD）、中度退化（MD）、重度退化（SD）和極重度退化-黑土灘（ED）草地等5個處理，各4次重復(fù)。各重復(fù)樣地面積約80 m2，重復(fù)樣地間隔3～5 m。分別于2016年5月（返青期）、8月（生長期）和11月（枯黃期）（宛敏渭等，1979；丁明軍等，2011；趙雪雁等，2016）用直徑為3.5 cm的土鉆采集0～10 cm和10～20 cm土樣，每試驗地沿對角線取5～8點土壤混合為1個土樣，共120份土樣。新鮮土樣過2 mm篩，去除枯物、石粒及根系等，分裝入自封袋，夾棉塞封口，置于冰盒中，帶回實驗室于4 ℃冰箱中保存，并在一周內(nèi)進行檢測。

1.3 研究方法

土壤微生物群落功能多樣性采用 Biolog-ECO法測定（黨雯等，2015；高曉奇等，2014），文中數(shù)據(jù)為培養(yǎng)168 h的測定值。

平均顏色變化率（AWCD）是表征土壤微生物群落活性和多樣性大小的一個重要指標，AWCD值的大小反映了土壤微生物群落利用單一碳源的能力（黨雯等，2015；高曉奇等，2014）：

式中，Ci為第i孔反應(yīng)孔在590 nm下的吸光值；R為對照孔吸光值；n為碳源種類數(shù)，為31；若Ci-R小于0，則在計算中將其記為零，即Ci-R的值均大于或等于0。

McIntosh指數(shù)（U）是基于群落物種多維空間上的 Euclidian距離的多樣性指數(shù)（鄒春嬌等，2016），用來衡量群落均一性程度：

式中，ni為31種碳源的平均值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

運用Excel 2016和SPSS 19.1軟件對數(shù)據(jù)進行差異顯著性和主成分分析。采用單因素（One-way ANOVA）、Duncan和Kruskal-Wallis進行方差分析和秩和檢驗（P=0.05）。運用Excel 2016軟件作圖，圖表中數(shù)據(jù)均為平均值±標準差。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤微生物群落活性及群落多樣性的季節(jié)特征

表1數(shù)據(jù)顯示，培養(yǎng)168 h后不同生育期各試驗地0～10 cm土層土壤AWCD值均高于10～20 cm土層，返青期各草地0～10 cm和10～20 cm土層間均無顯著差異；生長期除重度退化草地外，其他草地0～10 cm和10～20 cm土層均存在顯著差異；枯黃期，未退化、輕度和中度退化草地 0～10 cm 和10～20 cm土層間差異顯著，重度和黑土灘退化草地兩土層間無顯著差異。同一生育期，在0～10 cm和10～20 cm土層，AWCD值隨草地退化程度的加重未表現(xiàn)一致的變化規(guī)律，但兩土層均以中度退化草地為最低（表1）。返青期，在0～10 cm和10～20 cm土層，AWCD值在不同退化程度草地間均無顯著差異。生長期，在0～10 cm土層，僅未退化和中度退化草地間差異顯著；在10～20 cm土層，未退化和輕度退化草地 AWCD值顯著高于中度退化和黑土灘退化草地，黑土灘退化草與和中度退化草地和重度退化草地間差異均不顯著。枯黃期，在0～10 cm土層，未退化與中度退化和黑土灘草地間差異顯著，其他草地間無顯著差異；在10～20 cm土層，中度退化草地 AWCD值顯著低于其他草地，未退化、輕度退化、重度退化和黑土灘草地間差異不顯著（表 1）。高寒草甸在返青期、生長期和枯黃期0～10 cm土層土壤微生物AWCD值分別為0.72、0.97和0.78，返青期和枯黃期顯著低于生長期，且二者間無顯著差異；在10～20 cm土層，AWCD值在不同生育期間均無顯著差異。三因子交互作用分析顯示，季節(jié)×土層對土壤微生物AWCD值具有顯著影響（表2）。

表1 退化高寒草甸土壤微生物平均顏色變化率AWCD季節(jié)特征Table 1 Seasonal characteristics of soil microbial AWCD at degraded alpine meadows

從表 3可見，U指數(shù)在各試驗地 0～10 cm和10～20 cm間變化規(guī)律不一致，返青期各草地0～10 cm和10～20 cm土層間均無顯著差異；生長期和枯黃期均呈上高下低變化趨勢，其中生長期，中度退化和黑土灘草地0～10 cm和10～20 cm土層間差異顯著，未退化、輕度退化和重度退化草地未見顯著差異；枯黃期，中度退化草地0～10 cm 土層U指數(shù)顯著高于10～20 cm，其他草地差異不顯著。同一生育期，在0～10 cm和10～20 cm土層，均以中度退化草地U指數(shù)為最低（表3）。返青期，在0～10 cm和10～20 cm土層，U指數(shù)在不同退化程度草地間均無顯著差異；生長期，在0～10 cm土層，未退化和中度退化草地間差異顯著，其他草地間差異不顯著，在10～20 cm土層，未退化、輕度退化和重度退化草地U指數(shù)顯著高于中度退化草地，黑土灘退化草地與中度退化和重度退化草地間差異不顯著；枯黃期，在0～10 cm土層，未退化與中度退化草地間差異顯著，其他草地間無顯著差異，在10～20 cm土層，中度退化草地顯著低于其他草地，未退化、輕度退化、重度退化和黑土灘草地間差異不顯著（表 3）。高寒草甸在返青期、生長期和枯黃期土壤微生物群落U指數(shù)分別為4.69、5.92和4.97，返青期和枯黃期顯著低于生長期，且二者間無顯著差異；在10～20 cm土層，U指數(shù)在不同生育期間差異不顯著。三因子交互作用分析顯示，季節(jié)×土層對土壤微生物U指數(shù)具有顯著影響（表2）。

2.2 土壤微生物群落碳代謝指紋時空分異特征

2.2.1 0～10 cm土壤微生物群落對6類碳源相對利用率分析

依據(jù) Biolog-ECO板碳源化學(xué)基團的性質(zhì)，將土壤碳源分為糖類、氨基酸類、酯類、醇類、胺類和羧酸類。由圖1可知，培養(yǎng)168 h后，不同退化程度草地0～10 cm土層土壤微生物群落在不同生育期對6類碳源的相對利用率不同。返青期，0～10 cm土層土壤微生物對糖類的相對利用率在中度退化草地最低，與未退化和輕度退化草地間差異顯著；未退化草地土壤微生物對氨基酸類的相對利用率顯著低于中度和重度退化草地，其他草地間差異不顯著；輕度退化草地對酯類的相對利用率最低，與其他草地相比差異顯著；土壤微生物群落對醇類的相對利用率在不同草地間差異不顯著；中度退化草地對胺類的相對利用率顯著低于未退化、輕度退化和黑土灘退化草地，其他草地間差異不顯著；輕度退化草地對羧酸類的相對利用率顯著低于中度退化草地，未退化、中度退化、重度退化和黑土灘退化草地間差異均不顯著（圖1）。

生長期，土壤微生物群落對酯類的相對利用率在輕度退化草地中最高，與中度和重度退化草地間差異顯著；微生物群落對其他5類碳源的相對利用率在不同草地間差異不顯著（圖1）。

枯黃期，土壤微生物群落對糖類、氨基酸類、酯類和羧酸類碳源的相對利用率在不同草地間無顯著差異；輕度退化草地對醇類的相對利用率最高，與中度退化草地相比差異顯著，其他草地間均無顯著差異；中度退化草地對胺類的相對利用率最高，顯著高于輕度和黑土灘退化草地，其他草地間差異不顯著（圖1）。

0～10 cm土層土壤微生物群落對6類碳源的利用情況隨著生育期的延長而表現(xiàn)各異。返青期，土壤微生物對氨基酸類和酯類的相對利用率顯著高于其對糖類、醇類、胺類和羧酸類的利用率，其他碳源間差異不顯著；生長期土壤微生物群落對氨基酸類和糖類的相對利用率最高，顯著高于醇類、胺類和羧酸類；枯黃期，土壤微生物對氨基酸的相對利用率最高，與其他碳源相比差異顯著，對羧酸類碳源的相對利用率最低，顯著低于對氨基酸類、酯類和胺類碳源的相對利用率。不同生育期土壤微生物群落對 6類碳源的相對利用率差異主要體現(xiàn)在酯類和醇類碳源，對其他碳源的相對利用率差異不顯著。

2.2.2 10～20 cm土壤微生物對6類碳源利用率分析

由圖2可知，返青期，10～20 cm土層土壤微生物群落對糖類、氨基酸類、酯類、醇類和羧酸類的相對利用率在不同退化程度草地間均無顯著差異；微生物群落對胺類的相對利用率在中度退化草地中最低，顯著低于未退化和黑土灘退化草地，其他草地間差異不顯著。

生長期，除胺類碳源外，10～20 cm土層土壤微生物群落對碳源的相對利用率在不同草地間均無顯著差異。未退化草地對胺類碳源相對利用率顯著高于其他草地，輕度、中度、重度和黑土灘退化草地間差異均不顯著（圖2）。

圖1 退化高寒草甸不同季節(jié)0～10 cm土壤微生物對6類碳源的相對利用率Fig. 1 Seasonal relative utilization rates of 6 groups of carbon sources by 0～10 cm soil microbes at degraded alpine meadows Ch: Carbohydrates; Aa: Amino acids; Es: Esters; Al: Alcohols; Am: Amines; Ca: Carboxylic acids. The same below

圖2 退化高寒草甸不同季節(jié)10～20 cm土壤微生物對6類碳源相對利用率Fig. 2 Seasonal relative utilization rates of 6 groups of carbon sources by 10～20 cm soil microbes at degraded alpine meadows

枯黃期，重度退化草地土壤微生物群落對糖類相對利用率最高，與黑土灘草地相比差異顯著；黑土灘退化草地對氨基酸類碳源的相對利用率最高，且顯著高于重度退化草地；土壤微生物群落對酯類的相對利用率在中度退化草地中最高，與重度退化草地相比差異顯著；土壤微生物群落對醇類和羧酸類碳源相對利用率在不同草地間差異不顯著；黑土灘退化草地對胺類的相對利用率最高，顯著高于未退化草地（圖2）。

圖2數(shù)據(jù)顯示，返青期，10～20 cm土層土壤微生物群落對氨基酸類和酯類的相對利用率顯著高于其對糖類、醇類、胺類和羧酸類的相對利用率，其他類碳源間未表現(xiàn)出顯著差異；生長期土壤微生物群落主要利用氨基酸類、酯類和胺類碳源，其次是醇類和羧酸類碳源，對糖類碳源的相對利用率最低；枯黃期土壤微生物群落對氨基酸類碳源相對利用率顯著高于其他碳源，對糖類碳源的相對利用率最低，顯著低于其他碳源。不同生育期土壤微生物群落對6類碳源的相對利用率差異主要體現(xiàn)在糖類和胺類碳源，而對其他碳源的相對利用率差異不顯著。

2.3 土壤微生物群落功能主成分分析

對不同退化程度草地土壤微生物培養(yǎng)168 h后各碳源的AWCD值進行主成分分析。由圖3A可知，返青期0～10 cm土層第1、2主成分得分貢獻率分別為 49.4%和 21.8%，累計貢獻率為 71.2%。未退化、輕度退化、中度退化、重度和黑土灘退化草地分散于4個不同象限，即隨草地退化程度加重，土壤微生物對碳源利用能力出現(xiàn)較大差異，未退化草地土壤微生物對碳源具有較好的利用能力，重度和黑土灘退化草地土壤微生物對碳源的利用能力相似（圖3A）。氨基酸類在PC1的權(quán)重較大，是PC1分異的主要碳源；糖類在 PC2有較大的載荷，是PC2分異的主要碳源（表 4）。經(jīng) Kruskal-Wallis檢驗，在 PC1和 PC2，各草地間差異均不顯著（P=0.40，P=0.08）。

10～20 cm土層第1、2主成分得分貢獻率分別為 65.1%和 16.9%，累計貢獻率 82.0%。未退化、中度、輕度和重度退化、黑土灘退化草地依次分散于第一、第二、第三和第四象限，未退化草地土壤微生物對碳源的利用能力較強（圖3B）。羧酸類和胺類在PC1具有較大的載荷，是PC1分異的主要碳源；醇類在PC2有較大的載荷，是PC2分異的主要碳源（表4）。在PC1和PC2，不同草地間差異均不顯著（P=0.43，P=0.27）。

生長期0～10 cm土層兩個主成分貢獻率累計為67.3%，其中第1主成分得分貢獻率為48.2%。未退化草地土壤微生物群落對碳源利用能力在 PC1軸與其他草地間差異較大，重度和黑土灘退化草地，輕度和中度退化草地對于碳源的利用能力較為相似（圖 3C）。醇類、羧酸類、氨基酸類和酯類在PC1的權(quán)重較大，是PC1分異的主要碳源；胺類在PC2有較大的載荷，是PC2分異的主要碳源（表4）。在 PC1和 PC2軸上，不同草地間均無顯著差異（P=0.26，P=0.53）。

表4 六類碳源在PC1和PC2上的載荷值Table4 6 Carbon substrates loaded on the 1st and 2nd principal components in analysis of ECO microplate data

圖3 退化高寒草甸返青期不同土層土壤微生物功能多樣性主成分分析Fig. 3 Principal component analysis (PCA) of soil microbial community at degraded alpine meadows

在10～20 cm土層，兩個主成分貢獻率累計達89.7%，其中第1主成分得分貢獻率為74.0%。不同草地土壤微生物群落對碳源的利用差異主要表現(xiàn)在PC1軸，未退化草地在PC2上與其他草地有較大分異（圖 3D）。氨基酸類、胺類、羧酸類和酯類是PC1分異的主要碳源；糖類是PC2分異的主要碳源（表 4）。中度退化與未退化和輕度退化草地在PC1軸差異顯著（P=0.01，P=0.04），在PC2軸上，不同草地間無顯著差異（P=0.38）。

枯黃期 0～10 cm 土層兩個主成分因子分別為84.2%和5.5%，累計達89.7%。中度與重度退化草地，未退化與輕度退化草地土壤微生物群落對碳源的利用能力較為相似（圖3E）。醇類、胺類和羧酸類碳源是PC1分異的主要碳源，糖類是PC2分異的主要碳源（表4）。Kruskal-Wallis檢驗顯示，在PC1和 PC2，各草地間差異均不顯著（P=0.27，P=0.12）。

在10～20 cm土層，兩個主成分因子貢獻率分別為 71.0%和 15.6%，累計達86.6%。中度退化草地與其他草地在PC1軸有較大分異，未退化、輕度退化和黑土灘退化草地對碳源的利用能力相似，重度退化草地對碳源的利用能力較強（圖3F）。氨基酸類和羧酸類是PC1分異的主要碳源；糖類是PC2分異的主要碳源（表 4）。中度退化草地與未退化和重度退化草地在PC1差異顯著（P=0.01，P=0.05），在PC2軸上，不同草地間均無顯著差異。

對退化高寒草甸不同生育期土壤微生物群落碳源利用情況進行主成分分析，抽取兩個主成分，在0～10 cm土層，第1、2主成分得分貢獻率分別為70.6%和9.5%，累計貢獻率為80.1%；在10～20 cm土層，其得分貢獻率分別為66.1%和15.0%，累計貢獻率為81.1%。表5數(shù)據(jù)顯示，退化高寒草甸不同生育期0～10 cm土壤微生物群落對碳源的利用能力差異較大，生長期草地土壤微生物群落對碳源的利用能力較強。糖類、氨基酸類、醇類、羧酸類和胺類是PC1分異的主要碳源，酯類在PC2具有較大的載荷，是PC2分異的主要碳源；在10～20 cm土層，返青期和生長期土壤微生物群落對碳源的利用較為相似，且二者與枯黃期土壤微生物群落在PC1有較大差異，氨基酸類、酯類、胺類和羧酸類是PC1分異的主要碳源（表5）。在0～10 cm土層，生長期土壤微生物群落與返青期和枯黃期在 PC1軸均表現(xiàn)出顯著差異，在PC2軸，枯黃期與返青期和生長期間差異顯著；在10～20 cm土層，不同生育期土壤微生物群落差異不顯著（表6）。

表5 退化高寒草甸不同生長期土壤微生物功能多樣性主成分分析Table 5 Principal component analysis (PCA) of soil microbial community at three phenological periods in different degraded alpine meadows

3 討論

土壤微生物 AWCD值反映了土壤微生物利用碳源的能力和代謝活性的大小，其值越高，土壤微生物群落代謝活性越高（覃瀟敏等，2015）。微生物多樣性是維持某一生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性及生態(tài)服務(wù)功能的關(guān)鍵因子，土壤微生物多樣性指數(shù)用以表征和衡量微生物群落多樣性和均一性程度，可以揭示土壤微生物種類和功能的差異（覃瀟敏等，2015；田春杰等，2003）。本研究中，不同生育期各試驗地0～10 cm土壤微生物AWCD值均高于10～20 cm，說明0～10 cm土壤微生物代謝活性較強，具有更加穩(wěn)定的群落結(jié)構(gòu)和更加豐富的功能多樣性，此結(jié)果與前人研究結(jié)果一致（尹亞麗等，2017；Li et al.，2016；文東新等，2016）。U指數(shù)在返青期0～10 cm和10～20 cm土層間無明顯變化規(guī)律，在生長期和枯黃期呈上高下低變化趨勢。同一生育期，在0～10 cm和10～20 cm土層，AWCD值和U指數(shù)均以中度退化草地最低，且在生長期和枯黃期，中度退化草地10～20 cm土壤微生物AWCD值和U指數(shù)顯著低于未退化、輕度和重度退化草地，即在草地退化初期土壤微生物群落活性或多樣性隨退化程度加重而下降，在退化后期微生物群落活性則呈相反變化趨勢。不同退化程度草地中起主導(dǎo)作用的微生物種類不同（劉世貴等，1994）。Li et al.（2016）研究指出，與未退化和中度退化草地相比，重度退化草地土壤細菌組成發(fā)生明顯改變，其細菌多樣性顯著提高；重度退化提高了土壤中病原菌的相對豐富度；草地退化明顯改變了真菌的物種組成，增加了真菌的多樣性。尹亞麗等（2017）研究結(jié)果顯示，不同退化程度高寒草甸AWCD、U、H和D指數(shù)在上下兩層土壤中均以中度退化草地最低，與本研究結(jié)果一致。分析其原因，認為在高寒草甸從未退化到極重度退化過程中，由于地上植被的變化導(dǎo)致微生物可分解利用物質(zhì)發(fā)生改變，加之土壤中鼠兔類排泄物的增加，土壤微環(huán)境發(fā)生巨大變化，由此導(dǎo)致土壤微生物區(qū)系發(fā)生相應(yīng)變化，形成新的微生物群落結(jié)構(gòu)并逐漸趨于穩(wěn)定（尹亞麗等，2017）。高寒草甸返青期和枯黃期0～10 cm土壤微生物AWCD值和U指數(shù)均顯著低于生長期，10～20 cm土壤微生物AWCD值和U指數(shù)在不同生育期間差異不顯著。微生物的生命活動受環(huán)境溫度和濕度影響較大，8月的高寒草甸氣候溫暖濕潤，是一年中最適宜生物體生長的季節(jié)。盧虎等（2014）、張俊忠等（2008）和丁玲玲等（2007）研究結(jié)果顯示，草地土壤三大類微生物數(shù)量在不同季節(jié)呈單駝峰變化曲線，7—9月達到頂峰，隨后逐漸下降。

表6 退化高寒草甸不同生長期土壤微生物功能多樣性主成分Nemenyi檢驗Table 6 Nemenyi test for soil microbial functional diversity at degraded alpine meadows in different phenological periods

微生物的分解是將動植物遺體及其分泌物、排遺物等所含的蛋白質(zhì)、多糖及脂類等大分子營養(yǎng)物質(zhì)降解成為氨基酸、單糖及脂肪酸等小分子物質(zhì)的過程。本研究土壤微生物對6類碳源的相對利用能力表明，同一生育期，隨草地退化程度加重，0～10 cm和10～20 cm土壤微生物群落對碳源相對利用率變化趨勢不同。同一時期，不同草地同一土層土壤微生物群落對單一碳源利用率因草地退化程度的不同而表現(xiàn)差異，即土壤微生物群落組成因草地退化而發(fā)生改變，不同微生物種類對碳源代謝能力不同。不同退化程度草地其地上植被物種組成和群落結(jié)構(gòu)不同，由此導(dǎo)致其向土壤中輸入的植物殘體及分泌物存在差異，這些植物殘體及分泌物能夠為土壤微生物提供豐富的碳源，也能改變土壤的理化環(huán)境，從而對微生物種群產(chǎn)生重大影響（黃玉茜等，2015）。不同植被類型能夠影響土壤微生物活性和功能組成格局（Fisk et al.，2003）。曲曉華等（2015）研究指出，植物根系通過主動釋放和淀積多種有機物質(zhì)，為微生物提供碳源、能量和生長因子；不同的作物對土壤微生物群落的影響不同，作物通過根系分泌物在塑造土壤微生物群落中起著重要的作用，不同作物根系分泌物的成分和含量不同，從而改變了土壤微生物群落的生長代謝（Büenemann et al.，2004；Nayyar et al.，2009）；根系分泌物的種類繁多，不同植物的根系分泌物種類和數(shù)量也有一定的差異（陳悅等，2018）。以上報道均與本研究結(jié)果一致，導(dǎo)致差異的原因與草地植被組成、植物殘體、根系分泌物和土壤理化性質(zhì)等生態(tài)因子有關(guān)（Kowalchuk et al.，2002；陳悅等，2018）。不同生育期土壤微生物群落對碳源的利用強度不同，返青期土壤微生物群落主要利用氨基酸和酯類碳源，生長期主要利用氨基酸類和糖類碳源，枯黃期則主要利用氨基酸類碳源，說明不同生育期草地土壤微生物種群數(shù)量和結(jié)構(gòu)存在較大差異，生長期植物通過根系分泌物對土壤微生物進行調(diào)控，從土壤中吸收更多的能量物質(zhì)以滿足自身生長需要。糖類和氨基酸類是細菌群落相對利用率最高的碳源，而真菌群落相對利用率最高的碳源為羧酸類和糖類（朱珂等，2018），糖類和氨基酸類類碳源屬于易于代謝的高能量底物，最容易被農(nóng)田土壤細菌所利用（Brackin et al.，2013）。不同生育期土壤微生物對6類碳源的利用差異主要體現(xiàn)在酯類和醇類，對其他碳源利用率差異不顯著。不同季節(jié)下的土壤微生物群落功能多樣性差異顯著（曹永昌等，2017），不同草地植被群落組成存在差異，同時 7—9月是草地植物生長旺盛的季節(jié)，為土壤微生物提供了豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，加之適宜的溫濕度條件為微生物的生長和繁殖提供了有利的環(huán)境。根際土壤細菌和真菌對不同碳源的相對利用率隨生長時期變化而不同（朱珂等，2018）。陳悅等（2018）研究表明，植物根際土壤微生物功能多樣性不僅與植物類型有關(guān)，在不同生長階段也依然存在差異，具有一定時空特征；Kaiser et al.（2001）和Smalla et al.（2001）也發(fā)現(xiàn)同一地區(qū)不同植被類型、同一植物不同基因型或同一基因型不同發(fā)育階段的根際土壤微生物多樣性均有不同。糖類、氨基酸類和羧酸類是植物根系分泌物的主要成分，糖類是微生物代謝利用最廣的碳源（董艷等，2013；張明莉等，2017）。

主成分分析能較好地描述不同土壤微生物群落對碳源的利用狀況及其代謝特征（石賢輝，2012），用以分析不同種類植物對土壤微生物碳源的利用是否存在差異（Juliet et al.，2001；Cookson et al.，2008）。樣本在主成分上的得分和微生物對碳源底物的利用能力相關(guān)（Garland et al.，1991）。本研究主成分分析結(jié)果表明，0～10 cm和10～20 cm土層土壤微生物群落對碳源的利用能力隨草地退化程度加重均出現(xiàn)較大差異，未退化草地對碳源具有較好的利用能力，重度和黑土灘退化草地對碳源利用能力較為相似，中度退化草地與其他草地差異較大；各生育期對土壤微生物群落起分異作用的碳源主要是氨基酸類、糖類、胺類和羧酸類。其原因可能是未退化草地植被物種組成豐富、植被蓋度大、土壤含水量高，同時具有須根發(fā)達、地下生物量大等特征，加之地表腐殖層較厚故其土壤微生物群落功能多樣性豐富；中度退化草地，與未退化草地相比物種多樣性減少，優(yōu)良牧草比例下降，地上、地下生物量降低，而與重度和黑土灘退化草地相比，地上植被物種組成差異較大，且未受草地鼠兔類活動干擾及排泄物等影響，由此導(dǎo)致其土壤微生物群落功能多樣性與其他草地出現(xiàn)較大差異。糖類、氨基酸類和羧酸類是微生物利用的主要碳源，可作為區(qū)分不同種植模式下微生物碳源利用類型的依據(jù)（陳慧等，2007；周泉等，2018）。土壤微生物與地表植被類型關(guān)系密切，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)可用于檢測不同荒漠植物根際微環(huán)境土壤退化狀況（李欣玫等，2018）；畢江濤等（2009）認為在一定空間尺度具有相似環(huán)境的條件下，隨著植物類型不同，土壤微生物活性和群落結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出一定的差異，以上報道均與本研究結(jié)果一致。不同生育期退化高寒草甸不同土層土壤微生物對碳源利用能力差異較大，生長期草地土壤微生物對碳源利用能力較強。

4 結(jié)論

高寒草甸0～10 cm土層土壤微生物活性顯著高于10～20 cm土層。不同退化演替階段高寒草甸土壤微生物對碳源利用能力不同，中度退化草地土壤微生物群落活性最低，季節(jié)和土層交互作用對土壤微生物群落影響較大。不同季節(jié)草地土壤微生物群落對6類碳源的相對利用率不同，在0～10 cm土層碳源利用差異主要體現(xiàn)在酯類和醇類碳源，在10～20 cm則主要體現(xiàn)在糖類和胺類碳源。未退化草地土壤微生物群落對碳源具有較好的利用能力，重度和黑土灘退化草地對碳源利用能力較為相似，中度退化草地與其他草地分異較大；氨基酸類和羧酸類碳源對土壤微生物起主要分異作用。牧草生長期土壤微生物對 31種碳源的利用能力高于返青期和枯黃期。