張雨虹，張韶陽，張樹煇，柳宇鑫，趙 吉，李靜泉?

毛烏素沙地苔蘚結皮對沙化土壤性質和細菌群落的影響*

張雨虹，張韶陽，張樹煇，柳宇鑫，趙 吉，李靜泉?

（內蒙古大學生態(tài)與環(huán)境學院，內蒙古環(huán)境污染控制與廢物資源化重點實驗室，呼和浩特 010021）

生物土壤結皮能有效防風固沙，對沙漠地區(qū)生態(tài)恢復意義重大，但目前缺乏對生物結皮層與同厚度裸沙表層之間以及它們各自下方土壤之間的比較與分析。采用熒光定量PCR和高通量測序技術，對毛烏素沙地苔蘚結皮層與裸沙表層，結皮下方土壤與裸沙下層土壤細菌16S rRNA基因豐度和群落結構進行分析。結合土壤理化因子數(shù)據(jù)，分析苔蘚結皮對沙地細菌群落多樣性的影響。對苔蘚結皮層和結皮下方土壤，以及裸沙地的相應表層和下層土壤，進行樣品采集，通過綜合分析更細致研究生物結皮對土壤細菌群落及其生存環(huán)境的影響。結果表明：相比于裸沙表層，苔蘚結皮顯著提高了土壤速效養(yǎng)分、全氮和有機質的水平，結皮下方土壤中速效養(yǎng)分、全磷和有機質含量均高于裸沙下層。結皮層及其下方土壤中粗粉砂和粉粒的含量顯著高于裸沙表層和下層，表明苔蘚結皮顯著改善了沙地土壤的理化性質。有效磷、速效鉀、有效氮、黏粒、粉粒、粗砂是影響沙地土壤細菌群落組成的重要環(huán)境因子。苔蘚結皮層中16S rRNA基因拷貝數(shù)最高，結皮層及其下方土壤中的細菌豐度顯著高于裸沙表層和下層。多樣性分析顯示，結皮下方土壤中細菌多樣性最高。在苔蘚結皮層中，發(fā)現(xiàn)分類學地位尚未明確的難培養(yǎng)屬unclassifiled_f__Micromonosporaceae和norank_c__Cyanobacteria，以及（假諾卡氏菌屬）的相對豐度均顯著高于裸沙表層；在結皮下方土壤中，發(fā)現(xiàn)分類學地位尚未明確的難培養(yǎng)屬norank_c__Acidobacteria和（紅色桿菌屬）的相對豐度均顯著高于裸沙下層，這些差異顯著的物種對穩(wěn)定沙地土壤結構具有重要作用。因此，苔蘚結皮的形成對沙地原有表層及下層土壤的細菌群落產生顯著影響，利于生物固沙。研究結果為風沙治理和荒漠生態(tài)恢復提供了重要的微生物學理論依據(jù)。

苔蘚結皮；土壤理化性質；細菌群落；多樣性；對比分析

第5次全國監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，我國沙化土地面積達到172.12萬km2，占國土面積的17.93%[1]。沙化土地主要集中在我國北方地區(qū)，對當?shù)亟?jīng)濟和社會的發(fā)展，人們的生活以及生態(tài)平衡影響巨大。長久以來，我國一直致力于沙化土地生態(tài)恢復治理，尤其在沙漠與人類生活區(qū)域交界處，進行了大量的沙漠治理，阻止了沙漠對人類生存環(huán)境的進一步侵襲。在已使用的治沙方法中，生物土壤結皮（biological soil crusts）是其中效果明顯的一種。它是土壤碳氮循環(huán)的重要組成部分，不僅能提高土壤的穩(wěn)定性、抗風蝕和保持水分的能力，還能增加土壤肥力，提高植物吸收營養(yǎng)元素的能力，在沙漠生態(tài)系統(tǒng)中占有重要地位[2-6]。生物土壤結皮組成復雜，具有耐干旱和高溫等特點，其中尤屬苔蘚結皮的抗機械干擾、固沙和蓄水能力最強。

微生物是土壤活性的重要組成部分，國內外學者對生物土壤結皮的微生物群落特性進行了研究。Maier等[7]對西班牙塔伯納斯盆地的生物土壤結皮進行研究發(fā)現(xiàn)，藍藻門（Cyanobacteria）在結皮層中豐度高而在結皮下方土壤中豐度低；相反地，結皮下方土壤中酸桿菌門（Acidobacteria）、疣微菌門（Verrucomicrobia）、芽單胞菌門（Gemmatimonadetes）、浮霉菌門（Planctomycetes）、裝甲菌門（Armatimonadetes）的含量明顯更高?？屏_拉多高原地衣結皮中真菌多樣性明顯高于之前藍藻結皮中測定的結果；和采樣地對應的細菌相比真菌的生物量更少，多樣性更低；真菌多樣性和人為干擾呈負相關，和地衣結皮覆蓋呈正相關[8]。騰格里沙漠苔蘚結皮中的微生物生物量和微生物磷脂脂肪酸濃度高于藍藻-地衣結皮，生物土壤結皮的發(fā)育年齡與微生物生物量和微生物磷脂脂肪酸濃度呈正相關，并且顯著影響0～20 cm土壤層的微生物生物量碳和氮；生物土壤結皮在沙丘地帶的定殖和發(fā)育有益于植被恢復區(qū)的土壤微生物特性和土壤質量[9]。賈麗娟等[10]研究發(fā)現(xiàn)，與周圍臨近裸土相比，中央戈壁石下生物土壤結皮細菌群落結構和多樣性明顯不同，生物結皮和臨近裸土中的細菌最優(yōu)勢菌門分別為Cyanobacteria和Actinobacteria，生物結皮中的優(yōu)勢屬為、和Cyanobacteria綱的1個未知屬，臨近裸土中的優(yōu)勢屬為、和3個屬于Actinobacteria門和Acidobacteria門的未知屬；與臨近裸土相比，生物結皮中有效磷、速效氮和葉綠素的含量均明顯升高，而pH則略微降低。目前有關生物結皮對土壤微生物群落影響的研究，多集中在生物結皮本身，或將生物結皮與周圍裸地進行橫向比較，或與結皮下層土壤間進行縱向比較，或將不同類型結皮（藻結皮、地衣結皮和苔蘚結皮）之間進行比較。故樣品采集多集中于生物結皮層、結皮下方土壤以及裸地土壤，而作為對照的裸地土壤并未區(qū)分表層和下層，缺乏對生物結皮層與同厚度裸地表層之間以及它們各自下方土壤之間的微生物群落組成與多樣性方面的細致比較與分析。本研究采集毛烏素沙地苔蘚結皮層和結皮下方土壤，以及裸沙地的相應表層和下層土壤，通過綜合分析更加細致地研究了生物結皮對土壤細菌群落及其生存環(huán)境的影響。研究結果為固沙治理和荒漠生態(tài)恢復提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品采集

樣地選在毛烏素沙地東南緣神木縣圪丑溝（38°53′44″～38°53′49″N，109°53′43″～109°53′46″E）。選取3塊油蒿周圍地面長有苔蘚結皮的樣地，分別采集結皮層（0～1.5 cm）和結皮層下方沙土（1.5～11.5 cm）的樣品；并且選取3塊同一區(qū)域的裸沙地作為對照，分別采集表層（0～1.5 cm）和下層（1.5～11.5 cm）的土樣。每塊樣地的大小為0.5 m×0.5 m，用鏟子沿對角線取3次混勻后作為一個樣品。苔蘚

結皮3塊樣地呈直線分布，相互之間距離為10～15 m（裸沙樣地情況一樣）。不同土壤類型的命名分別為結皮層（Biological soil crusts，BC），結皮下方土壤（Layer beneath biological soil crusts，LBBC），裸沙表層土壤（Surface soil，SS），裸沙下層土壤（Layer beneath surface soil，LBSS）。采集的土壤樣品于采樣途中低溫保存，后續(xù)用于微生物多樣性測定的樣品于–80℃下保存；用于理化性質測定的樣品自然風干后過60目篩。

1.2 土壤理化性質測定

采用pH計（）法測定土壤pH，碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗分光光度法（）測定土壤有效磷（AP），重鉻酸鉀容量法測定土壤有機質（OM），堿解擴散法測定土壤有效氮（AN），硝酸鈉浸提—四苯硼鈉比濁法測定土壤速效鉀（AK），測定土壤全氮（）、全磷。

土壤粒度測定：稱量3 g土樣于100 mL燒杯中，加入10% H2O220 mL，于通風櫥內控溫電熱板上加熱，溫度為80～120℃（最佳溫度90℃），H2O2耗盡時繼續(xù)加入H2O2，直至不再有氣泡。再加入10% HCl 10 mL，耗盡時繼續(xù)加入HCl至不再有氣泡。加滿蒸餾水靜置一夜，抽濾出水，除過量酸，如此反復數(shù)次，直至呈中性。抽濾出去水后，加入10 mL（NaPO3）6溶液，超聲震蕩10 min，用激光粒度儀（Mastersizer2000激光粒度分析儀）測定土壤粒度。具體指標包括粗砂（CS）、細砂（FS）、粗粉砂（CST）、粉粒（ST）和黏粒（CY）。

1.3 土壤樣品16S rRNA基因擴增子高通量測序

土壤樣本采集后送上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司進行16S rRNA基因擴增子高通量測序。具體過程為：采用通過引物338F（5′-ACTCCTACGGGA GGCAGCAG-3′）和 806R（5′-GGACTACHVGGG TWTCTAAT-3′）[11]對V3-V4可變區(qū)進行PCR擴增。 PCR產物用2%瓊脂糖凝膠回收純化，用Tris-HCl 洗脫后，用2%瓊脂糖電泳檢測。利用QuantiFluorTM-ST（Promega，USA）進行定量檢測。根據(jù) Illumina MiSeq 平臺（Illumina，SanDiego，USA）標準操作規(guī)程將純化后的擴增片段構建 PE 2×300 的文庫。運用Illumina 公司的Miseq PE300 平臺進行測序。測序完成后，數(shù)據(jù)上傳美吉云平臺。登錄平臺（https：//cloud.majorbio.com/）后，先進行基礎分析以獲得OUT豐度表，具體過程為：使用Trimmomatic軟件對原始測序序列進行質量控制，并用FLASH軟件進行拼接。使用UPARSE 軟件（version 7.1 http：//drive5.com/uparse/），以97%的相似度為依據(jù)，對序列進行OTU聚類；并用UCHIME 軟件提出嵌合體。利用RDP classifier（http：//rdp.cme.msu.edu/）對每條序列進行物種分類注釋，比對Silva數(shù)據(jù)庫（SSU123），將比對閾值設為70%。隨后在美吉云平臺進行交互分析，包括在OTU水平進行的排序分析和VPA分析，在門水平和屬水平進行的細菌群落組成分析，在屬水平進行的組間物種差異分析、相關性熱圖分析和共現(xiàn)性網(wǎng)絡分析。采用Spearman相關系數(shù)進行環(huán)境因子與物種之間的相關性Heatmap分析、Network網(wǎng)絡分析以及兩組組間物種差異顯著性Student’s T檢驗。

1.4 熒光定量PCR擴增

熒光定量PCR采用同上高通量測序的引物。20 μL反應體系為：10 μL 2 X ChamQ SYBR Color qPCR Master Mix，上下游引物（5 μmol·L–1）各0.8 μL，2 μL模板，0.4 μL 50 X ROX Reference Dye 1，6 μL ddH2O。擴增程序為：95℃預變性3 min；95℃變性5 s，58℃退火30 s，72℃延伸1 min。使用ABI7300型熒光定量PCR儀（Applied Biosystems，USA）進行擴增。每個樣品設置3個重復，以土壤干重計算最終基因豐度。

1.5 試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

通過Excel2003和SPSS19.0對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2 結 果

2.1 結皮對土壤理化性質的影響

BC樣本組的各項土壤化學指標均總體上高于其他三個土壤樣本組（表1）。BC中有效磷、速效鉀、有效氮含量均顯著高于SS中的含量，可見結皮層能夠有效富集這些速效養(yǎng)分；相比于LBSS，LBBC中有效磷、速效鉀、有效氮的含量有升高趨勢。BC中全氮和有機質的含量顯著高于SS中的含量，LBBC中全磷和有機質含量高于LBSS。在4個樣本組中，BC的pH最低，其土壤略呈酸性。

土壤結皮顯著改變了沙地土壤顆粒組成（表2），其中BC和LBBC相比于SS和LBSS有黏粒出現(xiàn)，其組成比率分別為2.75%和0.18%；BC和LBBC中的粉粒含量分別為7.57%和5.04%，粗粉砂含量分別為42.28%和48.77%，2個指標均顯著高于SS和LBSS；而細砂的含量則顯著低于SS和LBSS，可見BC和LBBC的土壤樣本中顆粒粒徑有明顯變小的趨勢。生物結皮的形成顯著增加了土壤中細顆粒物含量。

表1 不同樣本組的土壤化學性質

注：1）平均值±標準誤差，同列不同字母表示試驗處理間差異顯著（Duncan method，< 0.05）。2）BC，結皮層；LBBC，結皮下方土壤；SS，裸沙表層土壤；LBSS，裸沙下層土壤。下同。Note：1）Means ± standard error，different letters in the same row mean the significant difference between treatments （Duncan method，< 0.05）. 2)BC，Biological soil crusts；LBBC，Layer beneath biological soil crusts；SS，Surface soil；LBSS，Layer beneath surface soil. AP，available phosphorus；AK，available potassium；AN，available nitrogen；TP，total phosphorus；TN，total nitrogen；OM，organic matter. The same below.

表2 不同樣本組的土壤顆粒組成

2.2 結皮對土壤細菌16S rRNA基因豐度的影響

熒光定量PCR試驗結果顯示，BC、LBBC、SS、LBSS四個土壤樣本組的16S rRNA基因豐度的均值分別為1.79×1010copies·g–1干土、2.43×109copies·g–1干土、1.99×107copies·g–1干土、4.55×106copies·g–1干土。將基因豐度取對數(shù)作圖（圖1），可見BC和LBBC樣本組的細菌豐度均顯著高于SS和LBSS樣本組，并且BC樣本組也顯著高于LBBC樣本組。

2.3 結皮對土壤細菌多樣性的影響

LBBC的香農指數(shù)和辛普森指數(shù)值在四組樣本中最大，其微生物多樣性在四組樣本中最高。LBSS的香農指數(shù)和辛普森指數(shù)值居中。BC和SS的多樣性指數(shù)值非常接近，均低于LBBC和LBSS土壤樣本組（表3）。

表3 不同樣本組的多樣性指數(shù)

2.4 結皮對土壤細菌群落組成的影響

在門（phylum）水平上繪制細菌群落組成柱形圖（圖2），將相對豐度小于0.01歸為others（圖中顯示相對豐度前13的細菌門）。各樣本組相對豐度排在前5的細菌門分別為：BC樣本組中，Actinobacteria（38.52%）、Proteobacteria（26.01%）、Acidobacteria（8.59%）、Cyanobateria（8.12%）、Chloroflexi（7.66%）；SS樣本組中，Actinobacteria（32.22%）、Proteobacteria（27.18%）、Bacteroidetes（15.62%）、Acidobacteria（8.08%）、Chloroflexi（6.10%）；LBBC樣本組中，Actinobacteria（31.01%）、Proteobacteria（23.72%）、Acidobacteria（16.20%）、Chloroflexi（13.43%）、Gemmatimonadetes（4.18%）；LBSS樣本組中，Actinobacteria（33.40%）、Proteobacteria（30.84%）、Acidobacteria（10.00%）、Chloroflexi（8.94%）、Bacteroidetes（5.92%）。

在屬（genus）水平上繪制細菌群落組成柱形圖（圖3），將相對豐度小于0.04歸為others（圖中顯示相對豐度前15的細菌屬）。各樣本組相對豐度排在前5的細菌屬分別為：BC樣本組中，unclassifiled_f__Micromonosporaceae（11.58%）、norank_c__Cyanobacteria（7.13%）、RB41（4.35%）、unclassified_o__Sphigomonoadales（3.18%）、（3.16%）；SS樣本組中，（10.22%）、norank_o__Frankiales（4.72%）、RB41（4.25%）、（3.91%）、（3.22%）；LBBC樣本組中，norank_c__Acidobacteria（7.59%）、RB41（5.30%）、（3.38%）、norank_c__Actinobacteria（2.84%）、（2.77%）；LBSS樣本組中，（3.84%）、norank_o__Acidimicrobiales（3.54%）、RB41（3.51%）、（3.00%）、unclassified_f__ Micrococcaceae（2.70%）。

2.5 結皮對土壤細菌群落組成組間差異的影響

在PCA（Principal component analysis）分析中 PC1軸和PC2軸的貢獻率分別為 41.23%和27.73%，兩者貢獻率之和為68.96%。由于4個樣本組在PCA分析中的排序結果與RDA分析（圖4）相比沒有差異，故PCA分析排序結果參見圖4。BC在PC1軸上與其他三個土壤樣本組能夠區(qū)分明晰，表示BC與其他三個土壤樣本組的細菌群落組成存在明顯差異。BC與SS之間間隔最遠，兩者之間群落組成差異最大；LBBC與LBSS的樣本點分布分別呈兩個方向，說明在BC的影響下，LBBC的細菌群落組成與LBSS相比出現(xiàn)差異。

2.6 環(huán)境因子與土壤細菌群落組成之間的關系

圖4a為土壤化學性質與細菌群落組成之間的RDA（Redundancy analysis）分析圖，RDA1軸和RDA2軸的解釋度分別為38.88%和16.63%，兩者之和的解釋度為55.51%。各環(huán)境因子對樣本細菌群落組成的影響程度為有效磷、速效鉀、有效氮的影響最大；有機質、全磷和全氮影響次之；pH影響最小。圖4b為土壤顆粒組成與細菌群落組成之間的RDA分析圖，RDA1軸的解釋度為39.73%，RDA2軸的解釋度為25.58%，兩者之和的解釋度為65.31%。土壤顆粒組成對樣本細菌群落組成的影響程度為粉砂、黏粒、粗砂的影響最大，細砂次之，粗粉砂最小。

在圖4a和圖4b中樣本點均分布在兩個區(qū)域，Ⅰ區(qū)為RDA1正半軸部分，SS和LBSS樣本點在此分布；Ⅱ區(qū)為RDA1負半軸部分，BC樣本點在此分布；LBBC樣本點在Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)都有分布。在圖4a中，Ⅰ區(qū)分布的SS和LBSS樣本組的細菌群落組成除與pH呈正相關外，與其他因子均呈負相關；Ⅱ區(qū)分布的BC樣本組的細菌群落組成除與pH值呈負相關外，與其他因子均呈正相關。在圖4b中，Ⅰ區(qū)分布的SS和LBSS樣本組的細菌群落組成與粗粉砂、粗砂、粉粒、黏粒呈負相關，與細砂呈正相關；Ⅱ區(qū)分布的BC樣本組的細菌群落組成與粗粉砂、粗砂、粉粒、黏粒呈正相關，與細砂呈負相關。

對與BC樣本組細菌群落組成呈正相關的土壤化學因子（有效磷、速效鉀、有效氮、全磷、全氮、有機質）和土壤顆粒組成（粗砂、粗粉砂、粉粒、黏粒）之間進行VPA分析，結果顯示土壤顆粒組成的單獨解釋度為0.075，高于土壤化學因子的單獨解釋度0.057。對與BC樣本組細菌群落組成呈負相關的土壤化學因子（pH）和土壤顆粒組成（細砂）之間進行VPA分析，結果顯示細砂的單獨解釋度為0.238，高于pH的單獨解釋度0.078。綜合來看，在微生物組成影響方面，土壤顆粒組成的影響權重高于土壤化學因子。

2.7 組間物種差異

選取屬水平上相對豐度前15的物種進行組間差異性分析。圖5a為BC和SS樣本組之間物種差異分析。可看出BC與SS比較中在unclassifiled_ f__Micromonosporaceae（屬于小單孢菌科的1個未知屬），norank_c__Cyanobacteria（屬于藍藻綱的1個未知屬）以及（假諾卡氏菌屬）方面存在極顯著差異，且均為BC中的相對豐度高于SS中的相對豐度。由圖5b可知，LBBC與LBSS兩個樣本組之間在（紅色桿菌屬）存在極顯著差異，在norank_c__Acidobacteria（屬于酸桿菌綱的1個未知屬）存在顯著差異，且均為LBBC中的相對豐度高于LBSS中的相對豐度。

2.8 微生物種類與環(huán)境因子的相關性熱圖

選取屬水平上相對豐度前18的物種與土壤化學性質繪制相關性Heatmap圖。如圖6a所示，與SS相比在BC中相對豐度有顯著優(yōu)勢的unclassifiled_f__Micromonosporaceae、norank_c__ Cyanobacteria和均與AP 、OM、AK、AN、TP、TN呈正相關，都與pH呈負相關。其中，unclassifiled_f__Micromonosporaceae與TN呈極顯著正相關，與AP呈顯著正相關；norank_ c__Cyanobacteria與AP、AK、TP、TN均呈極顯著正相關；與AP呈極顯著正相關，與AK、AN呈顯著正相關。與LBSS相比在LBBC中相對豐度有顯著優(yōu)勢的norank_c__Acidobacteria，除與OM呈正相關外，與其他測定的土壤養(yǎng)分，包括AP 、AK、AN、TP、TN，均呈負相關；除與TN呈負相關外，與AP、OM、AK、AN、TP均呈正相關。

選取屬水平上相對豐度前18的物種與土壤顆粒組成繪制相關性Heatmap圖。如圖6b所示，與SS和LBSS分別相比在BC和LBBC中相對豐度有顯著優(yōu)勢的5個屬（、unclassifiled_ f__Micromonosporaceae、norank_c__Cyanobacteria、、norank_c__Acidobacteria）均與FS（裸沙地的主要顆粒組成）呈負相關，其中與FS呈顯著負相關；并且該5個屬與ST（結皮土壤中含量顯著增多）均呈正相關。此外，、norank_c__Cyanobacteria、、norank_c__Acidobacteria這4個屬與CST（同樣是結皮土壤中含量顯著增多）均呈正相關，而且與CST呈極顯著正相關。此外，、unclassifiled_f__Micromonosporaceae、norank_c__Cyanobacteria、這4個屬與CY呈正相關，并且與CY呈顯著正相關。

2.9 共現(xiàn)性網(wǎng)絡

苔蘚結皮的形成影響B(tài)C和LBBC中細菌的群落組成，與裸沙地表層和下層的對照分別相比其相對豐度具有顯著優(yōu)勢的物種中，norank_c__ Acidobacteria在共現(xiàn)性網(wǎng)絡（圖7）中與其他細菌之間的聯(lián)系最密切，連接度（the degree of connections）最高，且多為正相關作用關系；unclassifiled_f__ Micromonosporaceae、norank_c__Cyanobacteria和與其他細菌之間的聯(lián)系程度次之，且unclassifiled_f__Micromonosporaceae和多為負相關作用關系，norank_c__ Cyanobacteria的正、負相關作用關系參半；與其他細菌之間的聯(lián)系程度最小。與SS相比在BC中相對豐度有顯著優(yōu)勢的unclassifiled_ f__Micromonosporaceae、norank_c__Cyanobacteria和三者之間互為正相關作用關系，與LBSS相比在LBBC中相對豐度有顯著優(yōu)勢的norank_c__Acidobacteria和之間亦為正相關作用關系。此外，放線菌門（藍色結點所示）在苔蘚結皮區(qū)域土壤中占有非常重要的地位。

3 討 論

3.1 苔蘚結皮對沙化土壤物理和化學性質的影響

苔蘚結皮層所測定的各項土壤養(yǎng)分指標均高于裸沙表層、結皮下方沙土和裸沙下層。從水平方向上看，生物土壤結皮的速效養(yǎng)分含量顯著高于裸沙表層，這是因為苔蘚結皮中的微生物及植物能夠有效地富集速效養(yǎng)分。生物土壤結皮的pH值略低于7，在4個樣本組中最低，可能是結皮層中的微生物能夠分泌酸性物質所致[12-13]。生物結皮的形成使得土壤化學性質發(fā)生改變，結皮中的微生物群落結構與環(huán)境化學存在密切聯(lián)系[14]。當生物結皮將養(yǎng)分富集后，植被灌叢可以有效利用這些養(yǎng)分而得到生長，而且植物可以減少干擾并提供遮陰條件，促進生物結皮的生長[15]，并且不同植被類型對生物結皮的發(fā)育影響不同[16]。在這樣的相互促進下，植物和結皮共同生長，起到固沙的作用。結皮下方土壤的有效磷、有效氮、速效鉀含量均高于裸沙下層土壤，可見在結皮層的影響下，結皮下方土壤中的速效養(yǎng)分含量有所增加。在土壤粒度組成方面，苔蘚結皮層與結皮下方土壤均有黏粒出現(xiàn)，且粉粒和粗粉砂的含量分別高于裸沙表層和裸沙下層，說明生物土壤結皮的土壤粒徑小于裸沙土壤。大量粗粉砂的出現(xiàn)是生物結皮形成的前提條件和物質基礎，而結皮層的發(fā)育又促進了粗粉砂風化，故而逐漸有了黏粒的出現(xiàn)[13]。生物結皮層具有明顯富集細顆粒物的能力，并隨著生物結皮層形成年份的延長逐漸增加，這種能力對改善沙土土壤理化性質，對沙土發(fā)育演變過程具有積極作用[17-18]。

3.2 苔蘚結皮對沙化土壤細菌群落的影響

細菌群落組成柱形圖分析結果顯示，在門水平上，結皮層樣本中Actinobacteria和Cyanobateria的相對豐度分別為38.52%和8.12%，明顯高于裸沙表層樣本；在屬水平上，結皮層樣本中unclassifiled_ f__Micromonosporaceae（屬于小單孢菌科的1個未知屬，歸于Actinobacteria門）和norank_c__Cyanobacteria（屬于藍藻綱的1個未知屬，歸于Cyanobacteria門）的相對豐度分別為11.58%和7.13%，也明顯高于裸沙表層樣本。可見無論從門水平還是屬水平上分析苔蘚結皮優(yōu)勢菌群的結果一致，其對生物固沙具有重要作用。結皮層的樣本點最為集中，說明其組內樣本之間細菌群落組成差異最小；在結皮層影響下，結皮下方土壤組內樣本之間細菌群落組成差異小于裸沙下層土壤。說明苔蘚結皮的形成可使土壤細菌群落組成組內之間差異變小。苔蘚結皮的形成使結皮層及其下方土壤中的細菌豐度均顯著高于裸沙表層和下層，并且結皮層中的細菌豐度最高。在四組樣本中，結皮下方土壤細菌多樣性最高，而非結皮層土壤細菌多樣性最高。唐凱[19]對渾善達克沙地生物土壤結皮研究發(fā)現(xiàn)結皮層的細菌多樣性低于結皮下方土壤。從共現(xiàn)性網(wǎng)絡分析可知，在苔蘚結皮層相對豐度最高的unclassifiled_f__Micromonosporaceae（屬于小單孢菌科的1個未知屬）與其他細菌之間多為負相關作用關系，可能與小單孢菌科的微生物能夠分泌抗生素有關[20]；而結皮下方土壤中相對豐度最高的norank_c__Acidobacteria（屬于酸桿菌綱的1個未知屬）與其他細菌之間多為正相關作用關系。土壤細菌群落中優(yōu)勢菌群與其他細菌之間的正、負相關作用關系可能會影響土壤細菌群落的多樣性。苔蘚結皮層的形成對沙地原有表層細菌群落產生重要影響，unclassifiled_f__Micromonosporaceae和norank_ c__Cyanobacteria的相對豐度明顯高于裸沙表層；并且在土壤理化性質方面使其各項土壤養(yǎng)分指標均明顯高于裸沙表層，但對pH影響較小。從Heatmap分析可以看出，pH對4個樣本組中的細菌種類沒有顯著影響，而有效磷、速效鉀、全磷、全氮等因子對結皮樣本組中的優(yōu)勢細菌unclassifiled_f__ Micromonosporaceae和norank_c__Cyanobacteria具有顯著或極顯著影響。說明結皮的形成對細菌群落的影響大于pH。

在之前的研究中，缺少對裸沙地進行表層和下層的分層取樣，故而在進行結皮與裸沙的對比分析時針對性不足。而從細菌群落組成分析中可知，裸沙表層和裸沙下層土壤之間存在明顯差異，將對照沙地進行分層取樣，對比分析才更準確。在毛烏素沙地苔蘚結皮的影響下，不同深度土壤細菌群落中的一些物種發(fā)生顯著變化。且unclassifiled_f__ Micromonosporaceae和norank_c__Cyanobacteria在苔蘚結皮中的相對豐度位于前兩位，norank_ c__Acidobacteria在結皮下方土壤中的相對豐度排在首位，進一步說明苔蘚結皮的形成對結皮層土壤及其下方土壤細菌群落中優(yōu)勢物種的形成具有重要影響。叢枝菌根真菌在生物土壤結皮中廣泛存在，對于荒漠生態(tài)系統(tǒng)具有重要作用，其群落多樣性與生物結皮之間關聯(lián)密切[21]。在后續(xù)研究中可考慮對裸沙和生物結皮進行分層取樣，更加細致地對比分析結皮形成對荒漠土壤叢枝菌根真菌群落的影響。

3.3 苔蘚結皮及其下方土壤中豐度顯著增加的細菌的固沙能力

與裸沙表層和下層土壤分別相比，在毛烏素沙地苔蘚結皮和其下方土壤中相對豐度顯著增加的物種，在固沙過程中應具有重要作用。其中，unclassifiled_f__Micromonosporaceae、和同屬于放線菌門（Actinobacteria），Actinobacteria是常見的土壤寄居者，有極強的黏附能力，可以成為貯菌源，其分泌出來的黏液可以將沙土黏結[22]，其絲狀菌體也利于結皮層結構的穩(wěn)定。并且Actinobacteria是土壤團聚體的重要組成部分，負責穩(wěn)定土壤團聚體的結構[23-24]。細菌norank_c__Cyanobacteria屬于藍藻門（Cyanobacteria），Cyanobacteria在苔蘚結皮中占有重要地位[25-26]，生物結皮演替早期階段的藻結皮具有顯著高于地衣結皮和苔蘚結皮的固氮能力，有助于荒漠生態(tài)系統(tǒng)進行原始養(yǎng)分積累；在維管植物大規(guī)模出現(xiàn)后，可以繼續(xù)固定大氣中的氮素，不斷積累土壤有機質，為周圍的維管植物和土壤微生物提供養(yǎng)分來源，促進了荒漠生態(tài)系統(tǒng)的正向演替[27-28]。此外，掃描電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)絲狀藍藻與胞外多聚分泌物形成一個錯綜復雜的網(wǎng)絡，能夠在土壤表面結合、附著礦物顆粒，增強了生物結皮的結構穩(wěn)定性[29]。細菌norank_c__Acidobacteria屬于酸桿菌門（Acidobacteria），同Actinobacteria一樣，Acidobacteria也是土壤團聚體的重要組成部分，在穩(wěn)定土壤團聚體的結構方面發(fā)揮著重要作用[23-24]。

4 結 論

沙地苔蘚結皮能有效富集速效養(yǎng)分和全效養(yǎng)分，并細化沙粒。有效磷、速效鉀、有效氮、黏粒、粉粒、粗砂是影響沙地苔蘚結皮區(qū)域細菌群落組成的重要環(huán)境因子。苔蘚結皮層中16S rRNA基因拷貝數(shù)最高，結皮下方土壤中微生物多樣性最高。在研究生物結皮的過程中，對照沙地也要分層取樣，微生物群落對比分析才更準確。苔蘚結皮的形成對結皮層土壤及其下方土壤細菌群落中優(yōu)勢物種的形成具有重要影響，這些物種對穩(wěn)定沙地土壤結構具有重要作用。因此，苔蘚結皮的形成對沙地原有表層及下層土壤的細菌群落產生顯著影響，利于生物固沙。

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Effect of Moss Crust on Sandy Soil Properties and Bacterial Community in Mu Us Sandy Land

ZHANG Yuhong, ZHANG Shaoyang, ZHANG Shuhui, LIU Yuxin, ZHAO Ji, LI Jingquan?

(School of Ecology and Environment of Inner Mongolia University, Inner Mongolia Key Laboratory of Environmental Pollution Prevention and Waste Resource Recycle, Huhhot 010021, China)

【Objective】Biological soil crusts can be effective in wind-preventing and sand-fixing. This is of great significance to ecological restoration in desert areas. Nevertheless, there is no literature showing a comparative analysis between the biological soil crusts and the bare sand surface layer with the same thickness or for soils beneath them. 【Method】The abundance of 16S rRNA gene and the structure of bacterial communities of the moss crust layer, bare sand surface layer, and soil layers beneath them in Mu Us sandy land was analyzed by fluorescent quantitative PCR and high-throughput sequencing. Based on the data of soil physical and chemical factors, the effect of moss crust on the diversity of bacterial community in sandy land was analyzed. Also, the moss crust layer and soil layer beneath it, and the corresponding surface and underlying layers of bare sand were collected and the effects of biological crusts on soil bacterial communities and their living environments was analyzed more accurately through a comprehensive analysis. 【Result】Compared with bare sand surface layer, moss crust significantly increased the contents of soil available nutrients, total nitrogen, and organic matter. Also, the contents of available nutrients, total phosphorus, and organic matter in the soil beneath moss crust were higher than those in the soil beneath bare sand surface layer. The contents of coarse silt and silt in moss crust and its underlying soil were significantly higher than those in bare sand surface layer and its underlying soil. The results showed that moss crust significantly improved the physical and chemical properties of sandy soils. Additionally, the available phosphorus, potassium, nitrogen, clay, silt, and coarse sand were important factors affecting bacterial community composition of sandy soil. The moss crust layer had the highest 16S rRNA gene copies and the bacterial abundance of moss crust and its underlying soil was significantly higher than that of bare sand surface layer and its underlying soil. The results of diversity analysis showed that the soil beneath moss crust had the highest bacterial diversity. Futhermore, the relative abundances of unclassifiled_f__Micromonosporaceae, norank_c__Cyanobacteria, andinmoss crust were significantly higher than those in the bare sand surface layer. Also, the relative abundances of norank_c__ Acidobacteria andin the soil beneath moss crust were significantly higher than those in the soil beneath bare sand surface layer. These genera with significant differences play an important role in stabilizing the soil structure of sandy land. 【Conclusion】The formation of moss crust has a significant effect on the bacterial community of the original surface and underlying soils in sandy land. This is beneficial for biological sand-fixation. This study provides an important theoretical basis for sandstorm control and desert ecological restoration in Microbiology.

Moss crust; Physical and chemical properties of soil; Bacterial community; Diversity; Comparative analysis

S154.36

A

10.11766/trxb202012060221

張雨虹，張韶陽，張樹煇，柳宇鑫，趙吉，李靜泉.毛烏素沙地苔蘚結皮對沙化土壤性質和細菌群落的影響[J]. 土壤學報，2021，58（6）：1585–1597.

ZHANG Yuhong，ZHANG Shaoyang，ZHANG Shuhui，LIU Yuxin，ZHAO Ji，LI Jingquan. Effect of Moss Crust on Sandy Soil Properties and Bacterial Community in Mu Us Sandy Land[J]. Acta Pedologica Sinica，2021，58（6）：1585–1597.

*國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFC0506703）、內蒙古自治區(qū)重大基礎研究開放課題（30500-515330304）、內蒙古自治區(qū)自然科學基金項目（2018MS03074）資助 Supported by the National Key Research and Development Program of China （No. 2017YFC0506703），the Opening Project for Major Basic Research of Inner Mongolia Autonomous Region （No. 30500-515330304），and the Natural Science Foundation of Inner Mongolia Autonomous Region （No. 2018MS03074）

Corresponding author，E-mail：ljq198327@163.com

張雨虹（1995—），女，內蒙古呼和浩特人，碩士研究生，主要從事土壤微生物研究。E-mail：zhangyuhong950512@163.com

2020–12–06；

2021–03–03；

2021–07–01

（責任編輯：盧 萍）