陳旭黎,吳福佳,孫 博,楊天宇,宋會(huì)興,*

1 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林學(xué)院, 成都 611130

2 中鐵西北科學(xué)研究院有限公司,蘭州 730000

3 樂(lè)山大佛景區(qū)管理委員會(huì)石窟研究中心,樂(lè)山 614003

氮是陸地生態(tài)系統(tǒng)最重要的營(yíng)養(yǎng)元素之一,與碳、硫、磷等元素循環(huán)密切相關(guān)[1],氮缺乏/氮制約是巖石風(fēng)化成土過(guò)程的普遍現(xiàn)象[2]。與森林生態(tài)系統(tǒng)氮元素的主要來(lái)源是動(dòng)植物遺體的分解與腐爛不同[3],大氣氮沉降[4]與生物固氮[5]是巖石表面微生境氮元素的主要來(lái)源。當(dāng)前,大氣氮沉降對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤細(xì)菌群落的影響已有許多報(bào)道[6—7],發(fā)現(xiàn)氮沉降增加可造成變形菌門(mén)(Proteobacteria)、放線(xiàn)菌門(mén)(Actinobacteria)、厚壁菌門(mén)(Firmicutes)相對(duì)豐度增加的同時(shí),降低酸菌門(mén)(Acidobacteria)和Verrucomicrobia的相對(duì)豐度,引起細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及功能的轉(zhuǎn)變；土壤細(xì)菌群落對(duì)氮沉降的響應(yīng)動(dòng)態(tài)隨著地上植被的變化而變化[8]?，F(xiàn)有研究多是以草原、森林等植被演替后期系統(tǒng)為對(duì)象,氮沉降對(duì)植被演替初期——巖石風(fēng)化成土過(guò)程影響的信息較少。

巖石風(fēng)化成土過(guò)程包括物理、化學(xué)和生物風(fēng)化過(guò)程,而細(xì)菌群落在巖石風(fēng)化初期可能發(fā)揮了主導(dǎo)作用[9]。細(xì)菌引起的巖石生物風(fēng)化速率可達(dá)非生物風(fēng)化速率的14倍以上[10]。研究認(rèn)為,光合細(xì)菌(Photosynthetic Bacteria)利用光能將無(wú)機(jī)碳(CO2)同化為有機(jī)碳,在巖石表面沉積并富集,為裸露巖石表面包括需氧微生物、厭氧微生物在內(nèi)的微生物群落的形成創(chuàng)造了養(yǎng)分條件[11]。微生物在生長(zhǎng)代謝過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)酸如甲酸、乳酸、葡萄糖酸、琥珀酸、檸檬酸等可以通過(guò)羥基和羧基產(chǎn)生不平衡的陽(yáng)離子和陰離子加速巖石礦物的溶解速率[12],也可以通過(guò)羧基、羥基以及其它官能團(tuán)螯合巖石析出的金屬離子,影響巖石的穩(wěn)定性[13]。近年來(lái),有直接證據(jù)顯示,細(xì)菌還能夠以富含還原態(tài)鐵的黃鐵礦、黑云母、角閃石等為食物,通過(guò)亞鐵離子的氧化還原過(guò)程獲取能量,加速巖石的風(fēng)化分解[14]。因此,研究不同風(fēng)化階段的巖石表面細(xì)菌群落變化對(duì)于理解巖石風(fēng)化過(guò)程和機(jī)制具有重要意義。

樂(lè)山大佛是世界上最大的古代石刻彌勒佛坐像,始鑿于唐開(kāi)元初年(公元713年),歷時(shí)90年建成,是唐代石刻藝術(shù)創(chuàng)作的代表作品,具有極高的歷史價(jià)值、藝術(shù)價(jià)值與科學(xué)價(jià)值,于 1996 年12月與峨眉山自然保護(hù)區(qū)一起被聯(lián)合國(guó)教科文組織列為“世界文化與自然遺產(chǎn)”。歷經(jīng)千余年的日曬雨淋,樂(lè)山大佛風(fēng)化嚴(yán)重[15],藻菌共生體對(duì)樂(lè)山大佛砂巖風(fēng)化的影響受到關(guān)注[16]。前期研究表明,藻菌共生體(地衣)覆蓋的樂(lè)山大佛佛體表面與裸巖表面的土壤細(xì)菌群落明顯不同[17]。石生地衣通過(guò)物理、化學(xué)以及生物化學(xué)等多種方式顯著影響巖石基質(zhì),是巖石成土過(guò)程的重要環(huán)節(jié),亦是石質(zhì)文物保護(hù)面臨的普遍問(wèn)題[12]。中國(guó)亞熱帶地區(qū)是受氮沉降影響嚴(yán)重的區(qū)域[18]。因此,大氣氮沉降是否影響樂(lè)山大佛佛體風(fēng)化？過(guò)程與機(jī)制是什么？亟待深入研究。

1 研究區(qū)域概況

樂(lè)山大佛位于四川省樂(lè)山市,鑿造在大渡河與岷江交匯處的凌云山棲鸞峰紅砂巖上(29°32′47″N, 103°45′48″E),海拔354—435 m。地處亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū),降水充沛,年均降水量約為1291.6 mm。降水主要集中于夏季,占全年降水的58%。年均蒸發(fā)量1057 mm,相對(duì)濕度達(dá)81%。大佛周?chē)脖活?lèi)型為亞熱帶常綠闊葉林,以栲屬(Castanopsisspp.)、青岡屬(Cyclobalanopsisspp.)和木荷屬(Schimasuperba)為主。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與大氣氮沉降模擬處理

選擇與樂(lè)山大佛佛體巖性、風(fēng)化現(xiàn)狀一致的紅砂巖裸露的巖石(NR)和地衣覆蓋的巖石(LR)為處理對(duì)象進(jìn)行氮沉降模擬?；谒拇ㄅ璧氐两堤卣鱗19],以全年實(shí)際氮濕沉降量的2倍值為最大預(yù)測(cè)值,按照成倍遞減的方式設(shè)置氮添加量,以NH4NO3為氮源,設(shè)置5個(gè)處理梯度,依次為0 kg hm-2a-1(N0,對(duì)照)、9 kg hm-2a-1(N1)、18 kg hm-2a-1(N2)、36 kg hm-2a-1(N3,實(shí)際值)、72 kg hm-2a-1(N4),每一個(gè)氮處理濃度下均設(shè)置3個(gè)重復(fù)樣方,共計(jì)30個(gè)處理樣方,每個(gè)樣方面積2×2 m2。

依據(jù)區(qū)域年降水量、月降水量分布分別計(jì)算各個(gè)樣地需要噴灑的硝酸銨溶液濃度與噴施量。自2018年10月起,每月上旬選擇晴朗天氣使用手持式電動(dòng)噴霧器完成對(duì)每個(gè)試驗(yàn)樣地的噴灑處理。為避免樣地間的相互影響,各樣地間保留1.0 m以上的緩沖帶。持續(xù)處理12個(gè)月。

2.2 樣品采集

于2019年10月上旬完成采樣。采用無(wú)菌刀從各樣方多點(diǎn)采集40 g左右表土,均勻混合后裝于無(wú)菌塑封袋內(nèi),每個(gè)處理樣方采集1份樣本,共計(jì)30個(gè)樣本,均放入裝有冰袋的采樣箱當(dāng)天運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。每個(gè)樣本均平均分為兩份,一份自然風(fēng)干,以供化學(xué)性質(zhì)的測(cè)定,另一份在4 ℃環(huán)境中去除動(dòng)植物殘?bào)w、石礫等雜質(zhì),大塊的樣品搗碎,過(guò)2 mm篩,做好標(biāo)記,保存于-80 ℃冰箱以供后續(xù)測(cè)序分析。

2.3 土壤化學(xué)性質(zhì)測(cè)定

土壤樣品經(jīng)風(fēng)干、研磨、去雜、過(guò)篩后,采用電位法(水土比2.5∶1)測(cè)定pH(PHS- 3C, LEICI, Shanghai, China)；采用K2Cr2O7-H2SO4氧化、FeSO4滴定法測(cè)定土壤總有機(jī)碳(TOC)含量；采用濃硫酸消煮、凱氏定氮法測(cè)定全氮(TN)含量(KND, Top Ltd., Hangzhou, Zhejiang, China)；全磷(TP)含量采用HClO4-H2SO4氧化、鉬銻抗比色法測(cè)定[20]。

2.4 DNA提取和PCR擴(kuò)增

根據(jù)E.Z.N.A.? soil DNA kit(Omega Bio-tek, Norcross, GA, U.S.)說(shuō)明書(shū)進(jìn)行樣本總DNA抽提,使用1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)DNA的提取質(zhì)量,使用NanoDrop2000測(cè)定DNA 濃度和純度。使用338F[21](5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG- 3′)和806R[22](5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT- 3′)對(duì)16S rRNA基因V3-V4可變區(qū)進(jìn)行 PCR 擴(kuò)增。

2.5 Illumina MiSeq測(cè)序和生物信息學(xué)分析

將同一樣本的聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)產(chǎn)物混合后使用2%瓊脂糖凝膠回收PCR產(chǎn)物,利用AxyPrep DNA Gel Extraction Kit (Axygen Biosciences, Union City, CA, USA)進(jìn)行回收產(chǎn)物純化,2%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),并用QuantusTMFluorometer(Promega, USA)對(duì)回收產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)定量。使用NEXTFLEX Rapid DNA-Seq Kit進(jìn)行建庫(kù)。利用Illumina Miseq PE300(Illumina, CA, USA)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)序(上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司)。

原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)質(zhì)控過(guò)濾以及序列校正后得到優(yōu)化序列。在NR和LR風(fēng)化階段,分別共得到863654和925088條高質(zhì)量細(xì)菌Illumina測(cè)序序列；每個(gè)樣本分別平均獲得57577和61673條序列。使用UPARSE[23]軟件(http://drive5.com/uparse/,version 7.1)對(duì)每個(gè)操作分類(lèi)單元(OTU)進(jìn)行去重、聚類(lèi)和嵌合體檢測(cè)并按照97%相似性[23—24]對(duì)非重復(fù)序列進(jìn)行OTU聚類(lèi),從而得到OTU的代表序列。利用RDP classifier[25](http://rdp.cme.msu.edu/,version 2.2)對(duì)每條序列進(jìn)行物種分類(lèi)注釋,并根據(jù)Silva 16S rRNA數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì),設(shè)置比對(duì)置信度閾值為70%。

2.6 數(shù)據(jù)處理與分析

采用mothur (Version v.1.30.1)計(jì)算細(xì)菌α-多樣性Sobs和Shannon指數(shù)。采用SPSS(Version 20.0, IBM, New York, NY, USA)軟件,利用單因素方差分析和student′s t-檢驗(yàn)比較不同施氮處理間的差異顯著性(P<0.05)；采用雙因素方差分析研究了風(fēng)化階段和氮添加及其相互作用對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)和細(xì)菌多樣性指數(shù)的影響；使用Origin 2019軟件進(jìn)行圖形繪制。采用QIIME和Bray-Curtis距離矩陣對(duì)細(xì)菌β-多樣性進(jìn)行主坐標(biāo)分析(PCoA),并通過(guò)相似性分析(ANOSIM)檢驗(yàn)不同組間細(xì)菌群落的差異,利用R語(yǔ)言(Version 3.2.3)繪制PCoA圖。利用LEfSe[26]軟件進(jìn)行線(xiàn)性判別和效應(yīng)量分析。

3 研究結(jié)果

3.1 氮添加對(duì)裸巖和地衣覆蓋巖石表面土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

研究結(jié)果表明,風(fēng)化階段對(duì)土壤TOC含量有顯著影響(P<0.001),地衣覆蓋的巖石表面土壤TOC含量在不同施氮水平下均高于裸巖,但氮添加對(duì)土壤TOC含量影響不顯著(表1,圖1)。風(fēng)化階段和氮添加均對(duì)土壤TN和TP含量有顯著影響(P<0.01),地衣覆蓋的巖石表面土壤TN和TP含量均高于裸巖,且氮添加增加了裸巖和地衣覆蓋的巖石表面土壤TN和TP含量(表1,圖1)。風(fēng)化階段對(duì)土壤pH值無(wú)顯著影響,但氮添加對(duì)土壤pH值影響顯著(P<0.001),且裸巖和地衣覆蓋的巖石表面土壤pH值均隨著施氮濃度的增加呈降低趨勢(shì)(表1,圖1)。

表1 不同風(fēng)化階段和氮添加處理及其交互作用對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)和細(xì)菌α-多樣性指數(shù)影響的雙因素方差分析

圖1 不同氮添加處理對(duì)NR和LR土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

3.2 氮添加對(duì)巖石表面細(xì)菌群落α-多樣性的影響

在裸露的巖石表面,氮添加對(duì)細(xì)菌的豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)均無(wú)顯著性影響(圖2)。在地衣覆蓋的巖石表面,N4、N3和N2處理均顯著降低了Sobs指數(shù)值(圖2)。

圖2 不同氮添加處理對(duì)NR和LR細(xì)菌α-多樣性的影響

3.3 氮添加對(duì)細(xì)菌群落β-多樣性的影響

對(duì)裸巖和地衣覆蓋巖石表面細(xì)菌群落的β-多樣性分析結(jié)果表明,氮沉降對(duì)裸巖和地衣覆蓋的巖石細(xì)菌物種組成均有顯著影響(NR:P=0.002; LR:P=0.001)(圖3),且對(duì)地衣覆蓋的巖石細(xì)菌群落組成差異的影響大于裸巖(LR:R=0.822 ; NR:R=0.464)?；贐ray-curtis距離算法的PCoA分析結(jié)果顯示,在裸巖表面,PC1和 PC2軸共解釋了細(xì)菌群落OTU信息的44.60%；與對(duì)照相比,低氮處理(N1—N3)顯著改變了裸巖表面細(xì)菌群落組成,且高氮(N4)處理與低氮處理對(duì)細(xì)菌群落組成的影響不同(R=0.464;P=0.002)(圖3)。在地衣覆蓋的巖石表面,PC1和 PC2軸共解釋了細(xì)菌群落OTU信息的68.12%；細(xì)菌群落在不同氮添加(N0—N4)處理下均發(fā)生了明顯變化(R=0.822;P=0.001)(圖3)。

圖3 基于NR和LR細(xì)菌物種組成的主坐標(biāo)(PCoA)分析

3.4 氮添加對(duì)細(xì)菌群落物種組成的影響

裸巖表面的優(yōu)勢(shì)菌群以變形菌門(mén)(Proteobacteria)(36.75%)和放線(xiàn)菌門(mén)(Actinobacteria)(18.55%)為主,其次為綠彎菌門(mén)(Chloroflexi)(11.44%)、厚壁菌門(mén)(Firmicutes)(10.75%)、酸桿菌門(mén)(Acidobacteria)(6.13%)、WPS- 2(4.54%)、Patescibacteria(3.76%)、浮霉菌門(mén)(Planctomycetes)(3.53%)和擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)(1.42%)。地衣覆蓋的巖石表面是優(yōu)勢(shì)菌群為放線(xiàn)菌門(mén)(32.07%)和變形菌門(mén)(29.66%),其次是綠彎菌門(mén)(14.98%)、WPS- 2(7.46%)、酸桿菌門(mén)(7.33%)、浮霉菌門(mén)(2.95%)、Patescibacteria(2.70%)、厚壁菌門(mén)(1.16%)和擬桿菌門(mén)(0.38%)(表2)。

在裸巖表面,變形菌門(mén)、放線(xiàn)菌門(mén)和Patescibacteria的相對(duì)豐度在氮添加處理后發(fā)生顯著變化：與對(duì)照相比,變形菌門(mén)的相對(duì)豐度在N4處理下顯著下降；放線(xiàn)菌門(mén)和Patescibacteria的相對(duì)豐度分別在N2和N3處理下顯著增加(表2)。

在地衣覆蓋的巖石表面,除了綠彎菌門(mén),主要細(xì)菌類(lèi)群在各氮添加處理中均與對(duì)照產(chǎn)生顯著性差異。放線(xiàn)菌門(mén)與擬桿菌門(mén)相對(duì)豐度隨氮添加量的增大而下降：N2處理時(shí)放線(xiàn)菌門(mén)相對(duì)豐度顯著低于對(duì)照；擬桿菌門(mén)相對(duì)豐度在N1處理時(shí)與對(duì)照有著顯著差異。變形菌門(mén)、WPS- 2、酸桿菌門(mén)、浮霉菌門(mén)、Patescibacteria和厚壁菌門(mén)在氮添加后均呈增加趨勢(shì)：變形菌門(mén)和WPS- 2相對(duì)豐度趨勢(shì)一致,在氮添加后呈上升趨勢(shì),N4處理顯著高于對(duì)照；酸桿菌門(mén)和浮霉菌門(mén)的相對(duì)豐度則在N3處理時(shí)顯著高于對(duì)照；Patescibacteria的相對(duì)豐度則在N1、N3和N4處理中均顯著高于對(duì)照；厚壁菌門(mén)在N2 、N3和N4處理中顯著高于對(duì)照(表2)。

表2 不同氮添加處理下門(mén)分類(lèi)水平上各物種的相對(duì)豐度(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

線(xiàn)性判別效應(yīng)量分析(LEfSe)分析可識(shí)別不同氮添加處理下具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異不同分類(lèi)水平的細(xì)菌類(lèi)群,并通過(guò)張性判別分析(LDA)估算差異類(lèi)群對(duì)組間響應(yīng)的大小,從而篩選出不同分組間的生物標(biāo)記物(Biomarker)。分析結(jié)果表明,不同氮添加處理組間的微生物類(lèi)群存在顯著差異(LDA>4；P<0.05)。通過(guò)進(jìn)化分支圖(Cladogram)分析(圖4)發(fā)現(xiàn),在裸巖表面,N2和N4處理下出現(xiàn)了指示細(xì)菌類(lèi)群：N2處理的指示類(lèi)群來(lái)自同一個(gè)分支,包括o_Rhizobiales、f_Rhizobiaceae和g_unclassified_f_Rhizobiaceae；N4處理的指示類(lèi)群來(lái)自?xún)蓚€(gè)分支：一個(gè)分支包括o_IMCC26256、f_norank_o_IMCC26256、g_norank_f_norank_o_IMCC26256,另一個(gè)分支的指示細(xì)菌為g_Chujaibacter。

在地衣覆蓋巖石表面,對(duì)照組與氮添加處理組均出現(xiàn)了相應(yīng)的細(xì)菌指示類(lèi)群(圖4)。N0處理的指示類(lèi)群來(lái)自?xún)蓚€(gè)分支：一個(gè)分支包括p_Actinobacteria、c_Actinobacteria、o_Pseudonocardiales、f_Pseudonocardiaceae和g_Crossiella,另一個(gè)分支為o_Frankiales；N1處理的指示細(xì)菌為g_Endobacter；N2處理的指示類(lèi)群來(lái)自同一個(gè)分支,分別為o_Corynebacteriales、f_Mycobacteriaceae和g_Mycobacterium；N3處理下的指示類(lèi)群來(lái)自5個(gè)分支,第一分支的主要指示細(xì)菌為o_IMCC26256,第二分支為c_Gammaproteobacteria,第三分支為g_norank_f_Acidobacteriaceae_Subgroup_1,第四分支主要包括p_Patescibacteria、c_Saccharimonadia和o_Saccharimonadales,第五分支主要包括o_Gemmatales和f_Gemmataceae；N4處理的指示類(lèi)群主要來(lái)自?xún)蓚€(gè)分支,其中一個(gè)分支主要包括o_Acetobacterales和f_Acetobacteraceae,另一分支包括o_Xanthomonadales、f_Rhodanobacteraceae和g_Chujaibacter。

圖4 不同氮添加水平下細(xì)菌各分類(lèi)水平物種的線(xiàn)性判別效應(yīng)量分析(LEfSe)分析

4 討論

化石燃料的消費(fèi),交通、工業(yè)與生活垃圾排放的增加,均加劇了空氣污染,尤其是含氮化合物的增多(例如NH3、 NO2和NO)[27]。含氮化合物與水蒸氣相互作用,沉積于巖石表面,影響巖石表面的生態(tài)過(guò)程[28]。本研究發(fā)現(xiàn),大氣氮沉降對(duì)樂(lè)山大佛裸巖與地衣覆蓋巖石表面土壤細(xì)菌群落產(chǎn)生了不同的影響。

4.1 氮添加對(duì)細(xì)菌群落多樣性的影響

氮添加影響了地衣覆蓋巖石表面土壤細(xì)菌群落的α-多樣性(圖2)。通常認(rèn)為,低濃度的氮添加增加土壤有效氮含量,提升植物的凈初級(jí)生產(chǎn)力[29],導(dǎo)致進(jìn)入土壤的凋落物與根系沉積物增多,促進(jìn)微生物群落的豐度和多樣性[30]。土壤細(xì)菌群落Shannon指數(shù)在低氮(N1)添加時(shí)的增加可能是增加了巖石表面附生細(xì)菌養(yǎng)分來(lái)源的原因[31]。在高氮添加(N4)時(shí),細(xì)菌群落α-多樣性低于對(duì)照,這一方面可能是由于氮添加改變了表層土壤氮的有效性,促進(jìn)地上植物對(duì)養(yǎng)分的需求,導(dǎo)致地下微生物養(yǎng)分的獲取受到限制,從而抑制微生物生長(zhǎng)[32]。另一方面,細(xì)菌群落豐度的降低還與高氮輸入造成的土壤pH降低有關(guān)(圖1)。土壤pH降低可誘發(fā)土壤微生物的鋁毒性[33],從而降低土壤細(xì)菌群落的豐富度[34]。

然而,氮添加對(duì)裸巖表面細(xì)菌群落的多樣性和豐富度均沒(méi)有產(chǎn)生顯著性影響(圖2)。在裸露的巖石表面,植被缺乏使得碳輸入增加的可能性極小,這使得地衣覆蓋的巖石表面土壤TOC含量高于裸巖(圖1)。這進(jìn)一步證實(shí)了氮添加對(duì)土壤微生物的影響與土壤中碳含量有關(guān)[35]：當(dāng)土壤碳充足時(shí),添加氮會(huì)顯著促進(jìn)土壤微生物的生長(zhǎng)。相較于地衣覆蓋的巖石,裸巖缺少有機(jī)碳輸入途徑,即使氮沉降增加,也難以形成或促進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)部生態(tài)循壞,從而不會(huì)對(duì)微生物的多樣性產(chǎn)生顯著性影響。此外,裸巖缺乏生物體的覆蓋,基質(zhì)對(duì)額外輸入的氮保留能力弱,絕大部分氮淋失,這也是導(dǎo)致裸巖表面細(xì)菌多樣性對(duì)氮添加響應(yīng)不顯著的原因之一。

4.2 氮沉降對(duì)細(xì)菌群落組成的影響

巖石的風(fēng)化成土過(guò)程(原生演替)受到立地生物條件(基質(zhì)、氣候和地形)和生物因素(植物物種 、到達(dá)順序以及種間相互作用等)的影響[36]。在佛體表面,即使開(kāi)鑿時(shí)間一致,也因?yàn)槲⒌匦蔚纫蛩卦斐蓸?lè)山大佛不同部位巖石風(fēng)化程度不同。盡管缺乏維管植物發(fā)達(dá)的根系和根系介導(dǎo)的微生物群落效應(yīng),但地衣的存在會(huì)影響巖石/基質(zhì)溫度、濕度以及碳氮有效性[37],對(duì)微生物群落產(chǎn)生有利或不利的影響,地衣覆蓋的樂(lè)山大佛巖石表面土壤細(xì)菌群落與裸巖表面有著顯著的不同[17]。此外,裸巖生境中細(xì)菌養(yǎng)分來(lái)源更多依賴(lài)于風(fēng)吹、遠(yuǎn)古或者微生物固定來(lái)源的碳和氮[38]。這種養(yǎng)分供給的偶然性和不確定性,也是裸巖與地衣覆蓋巖石表面細(xì)菌群落對(duì)大氣氮添加不同響應(yīng)的原因(圖3)。

4.3 氮沉降對(duì)巖石風(fēng)化過(guò)程的潛在影響

石質(zhì)文物風(fēng)化過(guò)程與石質(zhì)文物表面微生物群落結(jié)構(gòu)、豐度和多樣性直接相關(guān)[46—47]。盡管氮添加對(duì)樂(lè)山大佛裸巖表面細(xì)菌群落的α-多樣性沒(méi)有產(chǎn)生顯著性影響,但放線(xiàn)菌相對(duì)豐度在氮添加后顯著增加(表2)。放線(xiàn)菌是石質(zhì)文物生物腐蝕研究中經(jīng)常提及的類(lèi)群,它們?cè)趲r石表面形成白色生物膜,產(chǎn)生水溶性深色染料,對(duì)文物色彩及結(jié)構(gòu)造成損傷[48—49]。大氣氮沉降對(duì)放線(xiàn)菌的影響預(yù)示著樂(lè)山大佛裸露巖石在未來(lái)氣候條件下面臨更嚴(yán)重的生物風(fēng)化影響。在地衣覆蓋巖石表面,細(xì)菌群落α-多樣性指數(shù)在氮添加后呈降低趨勢(shì),但變形菌門(mén)、WPS- 2、酸桿菌門(mén)、浮霉菌門(mén)、Patescibacteria和厚壁菌門(mén)的相對(duì)豐度在氮添加后顯著增加(表2)。厚壁菌門(mén)是影響磚石風(fēng)化的重要微生物類(lèi)群[46]；隸屬厚壁菌門(mén)的芽孢桿菌屬(Bacillus)通過(guò)產(chǎn)生自乳化活性酸和表面活性劑,具有加速巖石降解的能力[49]。微生物對(duì)文化遺產(chǎn)的降解能力除了與遺傳多樣性相關(guān)外,還取決于它們形成生物膜的能力[47]。變形菌門(mén)物種通過(guò)合成有機(jī)化合物促進(jìn)巖石表面生物膜的形成與發(fā)展,造成文化遺產(chǎn)材料的微生物退化[50]。此外,真菌是地衣的組成部分,細(xì)菌與真菌在氮添加后通過(guò)建立相互聯(lián)系的動(dòng)態(tài)群落和生物膜系統(tǒng)以適應(yīng)和抵抗外界惡劣環(huán)境,促進(jìn)群落的生存和演替,從而進(jìn)一步增加石質(zhì)文物的風(fēng)化風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論

通過(guò)氮添加模擬實(shí)驗(yàn),對(duì)樂(lè)山大佛裸巖與地衣覆蓋巖石表面土壤細(xì)菌群落響應(yīng)未來(lái)大氣氮沉降特征進(jìn)行了研究。大氣氮沉降對(duì)樂(lè)山大佛裸巖和地衣覆蓋的巖石表面細(xì)菌群落組成均產(chǎn)生了顯著影響。相較于裸巖,地衣覆蓋的樂(lè)山大佛巖石細(xì)菌群落受氮沉降的影響更顯著；在不同的巖石表面,即使是同一類(lèi)群對(duì)氮添加的響應(yīng)趨勢(shì)也并非完全相同；線(xiàn)性判別和效應(yīng)量分析分別發(fā)現(xiàn)了裸巖和地衣覆蓋巖石表面7個(gè)和21個(gè)在氮添加后的細(xì)菌指示類(lèi)群。研究結(jié)果暗示,地衣覆蓋的巖石在未來(lái)氣候變化中受到環(huán)境的影響較裸巖更大。由于菌群功能信息的不足,未來(lái)氮沉降對(duì)樂(lè)山大佛文物風(fēng)化的影響趨勢(shì)尚需進(jìn)一步的研究。