米揚，郭蓉，王媛，王占軍，蔣齊，俞鴻千，馬琨*

（1. 寧夏大學(xué)西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)國家重點實驗室培育基地， 寧夏 銀川 750021；2. 西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點實驗室， 寧夏 銀川 750021；3. 寧夏農(nóng)林科學(xué)院林業(yè)與草地生態(tài)研究所，寧夏 銀川 750001）

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change， IPCC）報告指出，全球氣候變化背景下會有更多地區(qū)遭受頻發(fā)干旱所帶來的一系列問題［1］。與其他類型草原相比，降水變化對荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)的影響更為顯著［2］，這是因為該類型的生態(tài)系統(tǒng)很容易受到氣候及年降水量變化的影響［3］。土壤微生物作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組分，具有重要的生態(tài)功能［4］。細(xì)菌和真菌作為主要土壤微生物類群，廣泛參與氣候、生物及土壤特性變化及其相互作用的過程［5］，能夠敏銳地感知土壤生態(tài)系統(tǒng)的各種細(xì)微變化［6］，對土壤養(yǎng)分獲?。ㄈ绲?、磷）和碳循環(huán)等生態(tài)系統(tǒng)過程影響重大［7-10］。

降水會通過對土壤生物和非生物因素的影響改變微生物群落組成［11］，通過改變土壤水分有效性、調(diào)節(jié)半干旱草原的植物生產(chǎn)、碳分配，影響微生物生長［12］。有研究證實，降水可通過影響植被生長和養(yǎng)分吸收改變植被群落組成［9］，但不同植被對于微生物群落組成和多樣性的影響結(jié)果卻不盡相同［13］。降水通過改變土壤水分有效性影響微生物的生理策略，使其能夠耐受動態(tài)水勢環(huán)境變化［14］。為了應(yīng)對干旱脅迫，微生物進化出了滲透調(diào)節(jié)、休眠和生產(chǎn)胞外聚合物等多種生理策略［2］。微生物通過積累溶質(zhì)（滲透物）保留細(xì)胞膨壓，從而保證其能夠在較低的水勢環(huán)境下生存［15］。土壤微生物可能只是在缺水狀態(tài)下休眠，當(dāng)水分恢復(fù)時解除休眠。微生物的另一種生理策略是通過產(chǎn)生胞外聚合物從而在低基質(zhì)電位下保持水分［2］。此外，土壤放線菌和酸桿菌等細(xì)菌類群有保持活性并在干旱條件下休眠的能力，因而可以在干旱的土壤環(huán)境中持續(xù)存在［2］；而球囊菌等真菌類群可以通過菌絲連接應(yīng)對土壤缺水狀況，從而獲取土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)，維系自身的存活［16］。

荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)作為寧夏重要的天然屏障及重要生態(tài)資源，對西北地區(qū)的生態(tài)安全影響巨大［17］。寧夏荒漠草原區(qū)域是我國西北生態(tài)脆弱區(qū)［18］，區(qū)域降水資源分配不均，在氣候變化等各種因素的共同影響下，草地生態(tài)系統(tǒng)退化現(xiàn)象仍較嚴(yán)重。土壤微生物群落組成與單獨的生物因素（如植物群落組成）及非生物因素（如土壤氮、磷、有機質(zhì)）的相關(guān)關(guān)系已有較多研究［5，12，19-20］；然而，有關(guān)降水變化作用下，土壤細(xì)菌和真菌群落與生物和非生物因子間關(guān)系的研究，還有待于進一步加強。因此，通過分析降水變化對寧夏荒漠草原土壤微生物群落及多樣性的影響；利用結(jié)構(gòu)方程模型，揭示不同土壤微生物類群對降水變化的響應(yīng)機制，能為未來降水變化趨勢預(yù)測，維護荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏中部和北部的荒漠草原，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候?；哪菰脖蝗郝浣M成以豆科、禾本科和菊科為主，主要包括甘草（Glycyrrhiza uralensis）、白草（Pennisetum centrasiaticum）、短花針茅（Stipa breviflora）、黑沙蒿（Artemisia ordosica）、豬毛蒿（Artemisia scoparia）和牛枝子（Lespedeza potaninii）等植物［21］，土壤類型為灰鈣土和風(fēng)沙土。研究選取4 個具有不同降水特征的荒漠草原國家監(jiān)測點作為觀測樣地，觀測樣地自2003 年開始圍封管理。各荒漠草原監(jiān)測區(qū)的年降水量主要分布在7-8 月，其降水量占年降水量的46.87%～64.40%?；哪菰瓨拥兀═0）位于寧夏鹽池縣高沙窩鎮(zhèn)（E 107.05°，N 38.08°），年均氣溫8.3 ℃，海拔1463 m，多年平均降水量231 mm，其優(yōu)勢種群為白草和甘草群落；樣地（T1）位于寧夏紅寺堡區(qū)太陽山（E 106.48°，N 37.44°），年均氣溫8.4 ℃，海拔1371 m，多年平均降水量154 mm，優(yōu)勢種群為短花針茅、牛枝子和豬毛蒿群落；樣地（T2）位于寧夏靈武市白土崗新火村（E 106.62°，N 37.76°），年均氣溫8.8 ℃，海拔1340 m，多年平均降水量為137 mm，其優(yōu)勢種群為黑沙蒿群落；樣地（T3）位于寧夏中衛(wèi)市中寧縣新堡創(chuàng)業(yè)村（E 105.73°，N 37.40°），海拔1377 m，多年平均降水量為114 mm，其優(yōu)勢植被種群為短花針茅群落。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 樣地設(shè)置、植被調(diào)查與土壤采集 2018 年8 月在每個觀測樣地內(nèi)（100 m×100 m）隨機選取6 個樣方（1m×1 m）進行植被調(diào)查，調(diào)查指標(biāo)包括多度、蓋度、高度、頻度和生物量，植被群落多樣性指數(shù)及豐富度指數(shù)的計算方法及主要結(jié)果見前期相關(guān)研究［21］。植被調(diào)查完成后，在每個樣方內(nèi)利用5 點采樣法采集0～20 cm 土層的土壤樣品，混合均勻，各土壤樣本保持獨立，共采集24 個土壤樣本。通過低溫保存箱帶回實驗室。土壤樣本去除植物枯落物及植物根系后采用四分法混合均勻。隨后，部分土壤樣本過1 mm 篩后保存在-80 ℃進行高通量測序，剩余土壤樣本待自然風(fēng)干后進行土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)測定。土壤基礎(chǔ)理化性狀結(jié)果見前期相關(guān)研究［21］。

1.2.2 測定方法 土壤全氮（total nitrogen， TN）采用半微量凱氏法測定；有機質(zhì)（organic matter， OM）采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定； 全磷（total phosphorus， TP）采用HCIO4-H2SO4消煮、鉬銻抗比色法測定；堿解氮（alkali-hydrolyzable nitrogen， AN）采用堿解擴散法測定；速效磷（available phosphorus， AP）采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定；速效鉀（available potassium， AK）采用NH4OAC 浸提-火焰光度法測定；pH 采用酸度計（HI2221，歐洲）電位法測定（水土比為5∶1）［22］。

土壤細(xì)菌和真菌DNA 提取采用Fast DNA Spin kit（MP Biomedicals， Santa Ana， CA，美國）試劑盒，按照說明書步驟進行。細(xì)菌選擇16Sr 基因的V3-V4 區(qū)段擴增，正向引物為338F（5′-ACTCCTACGGGACGGCA GCA-3′），反向引物為806R（5′-GGACTACGGGTATCTAAT-3′）。擴增參數(shù)：98 ℃預(yù)變性2 min；98 ℃變性15s，55 ℃退火30 s，72 ℃延伸30 s，最后72 ℃延伸5 min，30 個循環(huán)。擴增體系為25 μL，5×反應(yīng)緩沖液5 μL，5×GC緩沖液5 μL，dNTP（2.5 mmol·L-1）2 μL，前引物1 μL（10 μmol·L-1），后引物1 μL（10 μmol·L-1），DNA 模板 40 ng，Q5 DNA 聚合酶（NEB 公司）0.25 μL，超純水（ddH2O）補足至 25 μL。

采用特異引物（ITS1F/2043R）對土壤真菌基因的ITS1F-ITS2 區(qū)段進行擴增，正向引物為ITS1F（5′-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA-3′），反向引物為2043R（5′-GCTGCGTTCTTCATCGATGC-3′）。PCR 反應(yīng)體系為：5×Q5 緩沖液5.0 μL，5×Q5 高保真GC 增強劑5.0 μL，dNTPs 2.0 μL（2.5 mmol·L-1），DNA模板2.0 μL（0.1 ng·μL-1），正向引物和反向引物各1.0 μL（10 μmol·L-1），Q5 聚合酶0.25 μL（5 U·μL-1），滅菌超純水8.75 μL，超純水（ddH2O）補足至 25 μL。擴增條件：98 ℃預(yù)變性2 min，98 ℃變性15 s，55 ℃退火30 s，72 ℃延伸30 s，共30 個循環(huán)。

擴增產(chǎn)物使用濃度為2%的瓊脂糖凝膠進行電泳檢測。利用TruSeq? DNA PCR-Free Sample Preparation Kit 建庫試劑盒構(gòu)建文庫，文庫質(zhì)檢合格后使用IonS5TMXL 測序平臺，利用單端測序（Single-End）的方法，構(gòu)建小片段文庫進行單端測序。根據(jù)Barcode 序列和PCR 擴增引物序列從下機數(shù)據(jù)中拆分出各樣本數(shù)據(jù)，去除Barcode和引物序列后使用FLASH（V 1.2.7，http：//ccb.jhu.edu/software/FLASH/）［23］對每個樣本的reads 進行拼接，得到的拼接序列為原始Tags 數(shù)據(jù)（raw tags），通過嚴(yán)格的過濾處理［24］后得到高質(zhì)量的Tags 數(shù)據(jù)（clean tags）。參照Qiime（V 1.9.1，http：//qiime. org/scripts/split_libraries_fastq. html）［25］的Tags 質(zhì)量控制流程，質(zhì)控包括兩部分：Tags 截取和Tags 長度過濾，Tags 截取是將raw tags 從連續(xù)低質(zhì)量值（默認(rèn)質(zhì)量閾值為≤19）堿基數(shù)達到設(shè)定長度（默認(rèn)長度值為3）的第一個低質(zhì)量堿基位點截斷；Tags 長度過濾是指將Tags 經(jīng)過截取后得到的Tags 數(shù)據(jù)集，進一步過濾掉其中連續(xù)高質(zhì)量堿基長度小于長度75%的Tags。經(jīng)過質(zhì)控處理后得到的Tags 再去除嵌合體序列，Tags 序列通過（https：//github.com/torognes/vsearch/）［26］與物種注釋數(shù)據(jù)庫進行比對檢測嵌合體序列，并最終去除其中的嵌合體序列［27］，得到最終的有效數(shù)據(jù)。利用Uparse 軟件（Uparse v 7.0.1001，http：//www.drive5.com/uparse/）［28］對所有樣本的全部 Effective Tags 進行聚類，以97%的一致性（identity）將序列聚類成為操作分類單元（operational taxonomic units，OTUs），同時會選取OTUs 的代表性序列，依據(jù)其算法原則，篩選在OTUs 中出現(xiàn)頻數(shù)最高的序列作為OTUs 的代表序列。對OTUs 序列進行物種注釋，用Mothur 方法與SILVA 132（http：//www.arb-silva.de/）的SSUrRNA 數(shù)據(jù)庫進行細(xì)菌物種注釋分析（設(shè)定閾值為0.8～1.0），用Qiime 軟件（Version 1.9.1）中的blast 方法（http：//qiime. org/scripts/assign_taxonomy. html）［29］與Unit（v 7.2）數(shù)據(jù)庫（https：//unite. ut. ee/）［30］進行真菌物種注釋分析。測序工作委托天津諾禾致源生物信息科技有限公司通過IonS5TMXL 測序平臺進行單端測序。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2010 進行數(shù)據(jù)整理，使用Qiime 軟件（Version 1.9.1）計算微生物ACE、Chao1，Shannon 和Simpson 指數(shù)，而后使用R 軟件進行α 多樣性指數(shù)組間差異分析。通過非度量多維尺度分析（non-metric multidimensional scaling analysis， NMDS）和相似度分析檢驗（analysis of similarities， ANOSIM）土壤細(xì)菌和真菌群落間的β 多樣性差異，基于 999 個排列的ANOSIM 計算與NMDS 相關(guān)的r值和P值。采用單因素方差分析（Duncan 多重比較法）檢驗不同處理間土壤細(xì)菌及真菌群落門水平間的顯著性差異（P＜0.05）。利用蒙特卡羅檢驗（Monte Carlo test）進行植被、土壤理化性狀和微生物群落之間的冗余分析（redundancy analysis， RDA）。通過AMOS 軟件構(gòu)建結(jié)構(gòu)方程模型，采用Origin 進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤細(xì)菌和真菌可操作分類單元數(shù)及其分布特征

高通量測序結(jié)果表明（圖1），T0、T1、T2和T3降水梯度下的土壤細(xì)菌總OTUs 分別為5130、6355、6149 和5494，特有OTUs 分別為235、564、496 和382。T0、T1、T2和T3降水梯度下的土壤真菌總OTUs 分別為2063、2492、2481 和2118，特有OTUs 分別為315、436、533 和286。土壤細(xì)菌群落總OTUs、真菌群落總OTUs 在各個降水梯度下具有相似的變化規(guī)律；均表現(xiàn)為隨降水減少，呈先升高后降低趨勢。每種降水梯度下土壤細(xì)菌總OTUs均為真菌總OTUs 的2.5～2.6 倍。

圖1 土壤細(xì)菌（a）和真菌（b）獨有和共有OTUs 數(shù)量分布的韋恩圖Fig.1 Venn diagram of the number of shared and unique bacterial （a） and fungal （b） OTUs in the different treatments

2.2 土壤細(xì)菌和真菌群落相對豐度及優(yōu)勢種變化特征

不同降水量下荒漠草原觀測樣地基于門水平分類組成的土壤微生物物種差異分析結(jié)果表明（圖2）：無論降水如何變化，土壤細(xì)菌優(yōu)勢菌門始終為變形菌門（Proteobacteria）（13.55%～16.81%）、放線菌門（Actinobacteria）（14.57%～16.39%）和酸桿菌門（Acidobacteria）（8.63%～10.79%）（圖2a）。土壤變形菌門相對豐度整體上表現(xiàn)出隨降水減少呈降低的趨勢；其中T0處理下變形菌門的相對豐度極顯著高于其他處理。此外，土壤酸桿菌門和綠彎菌門（Chloroflexi）相對豐度在不同自然降水梯度下也產(chǎn)生顯著差異（P=0.003），二者相對豐度隨降水量減少呈顯著升高趨勢。

圖2 土壤細(xì)菌（a）和真菌（b）群落在門水平上相對豐度差異Fig.2 Differences in the relative abundance of soil bacterial （a） and fungal （b） communities on the phylum level

真菌群落的優(yōu)勢類群為子囊菌門（Ascomycota）（15.89%～17.87%）和擔(dān)子菌門（Basidiomycota）（7.55%～10.04%）（圖2b）。子囊菌門相對豐度整體上隨著降水量下降呈降低趨勢，但在不同降水量變化下其相對豐度間無顯著性差異；而擔(dān)子菌門的變化趨勢恰好與之相反，其相對豐度整體上隨著降水量下降呈增加趨勢。此外，非優(yōu)勢菌門的球囊菌門（Glomeromycota）相對豐度在不同降水觀測樣地間卻存在極顯著性差異。

2.3 不同降水梯度下荒漠草原土壤細(xì)菌及真菌群落α 多樣性變化特征

由表1 可知，T0（231 mm）處理下細(xì)菌群落的Chao1 指數(shù)、ACE 指數(shù)（P=0.011）和香農(nóng)-維納指數(shù)顯著低于T1（154 mm）、T2（137 mm）和T3（114 mm）處理。即在154～231 mm 降水處理下，降水量減小會顯著提升土壤細(xì)菌群落的多樣性（Shannon 指數(shù)）和豐富度（ACE 指數(shù)）；當(dāng)降水量低于154 mm 時，細(xì)菌群落多樣性和豐富度指數(shù)未發(fā)生顯著變化。

真菌群落的豐富度指數(shù)（Chao1 指數(shù)和ACE 指數(shù)）同樣隨著降水變化產(chǎn)生了顯著性差異。即，當(dāng)降水量介于154～231 mm 時，真菌豐富度指數(shù)隨著降水減少呈顯著升高趨勢，超出這一降水范圍后真菌豐富度指數(shù)則不會產(chǎn)生顯著性差異；真菌多樣性指數(shù)（Shannon 指數(shù)和Simpson 指數(shù)）并沒有因為降水變化產(chǎn)生顯著性差異。

2.4 不同降水梯度對荒漠草原土壤細(xì)菌及真菌群落β 多樣性的影響

非度量多維尺度分析結(jié)果表明（圖3），T0、T1、T2和T3處理下的土壤細(xì)菌和真菌群落在空間上彼此分離，各樣本重復(fù)的組間距離較大，表明土壤細(xì)菌、真菌群落組成的相似性差異較大。采用ANOSIM 檢驗，進行999 次蒙特卡洛隨機置換后發(fā)現(xiàn)，不同降水量分布的監(jiān)測區(qū)內(nèi)土壤細(xì)菌群落（r=0.37，P=0.001）和真菌群落（r=0.47，P=0.001）β 多樣性差異顯著。

圖3 不同降水梯度下荒漠草原土壤細(xì)菌（a）和真菌（b）群落的非度量多維尺度分析Fig. 3 Non-metric multidimensional scaling analysis（NMDS） of bacteria（a） and fungi （b） in desert grasslands under different precipitation gradients

2.5 土壤環(huán)境因子對荒漠草原土壤微生物群落的影響

冗余分析結(jié)果表明（圖4），環(huán)境因子顯著影響細(xì)菌（P=0.002）和真菌群落（P=0.001）物種分布。在不同自然降水梯度下，TN（P=0.030）和AP（P=0.002）是驅(qū)動荒漠草原土壤細(xì)菌群落變化的主要環(huán)境因子，而驅(qū)動土壤真菌群落變化的環(huán)境因子則為OM 和TP。土壤細(xì)菌的豐富度指數(shù)（bacteria_Chao1 指數(shù)）與pH 呈正相關(guān)，與降水量、AP、TP 和TN 呈負(fù)相關(guān)；土壤細(xì)菌的多樣性指數(shù)（bacteria_Shannon 指數(shù)）與pH 呈正相關(guān)，與降水量和AP呈負(fù)相關(guān)；細(xì)菌群落組成（bacteria_NMDS1）與TN 和TP 呈正相關(guān)，與降水量、AP 指數(shù)呈負(fù)相關(guān)。降水（R2=0.19，P=0.080）、TN（R2=0.29，P=0.030）、AP（R2=0.42，P=0.002）、AK（R2=0.04，P=0.420）、TP（R2=0.06，P=0.350）、pH（R2=0.07，P=0.310）、OM（R2=0.04，P=0.470）和植被生物量（R2=0.01，P=0.816）對細(xì)菌群落變異的解釋率分別為13.40%、19.70%、35.70%、4.40%、1.20%、1.70%、0.80%和0.36%。環(huán)境因子對細(xì)菌群落變異的總解釋率為77.16%（圖4a）。

圖4 不同降水梯度下荒漠草原土壤細(xì)菌群落（a）及真菌群落（b）與環(huán)境因子間的RDA 分析Fig. 4 Redundancy analysis （RDA） based on soil bacterial community （a）， fungal community （b） and environmental factors under different precipitation gradients in desert grasslands

土壤真菌的豐富度指數(shù)（Chao1 指數(shù)）與pH、AP、OM 和AN 呈正相關(guān)，與降水量、植被多樣性指數(shù)（plant_Shannon 指數(shù)）和AK 呈負(fù)相關(guān)；土壤真菌的多樣性指數(shù)（fungi_Shannon 指數(shù)）與OM 和AN 呈正相關(guān)，與降水量呈負(fù)相關(guān)；真菌群落組成（fungi_NMDS1）與真菌多樣性指數(shù)（fungi_Shannon 指數(shù)）、真菌豐富度指數(shù)（fungi_Chao1指數(shù)）、OM 和AN 呈正相關(guān)，與降水量呈負(fù)相關(guān)。降水（R2=0.44，P=0.09）、AK（R2=0.37，P=0.14）、OM（R2=0.46，P=0.03）、TP（R2=0.60，P=0.03）、AP（R2=0.05，P=0.34）、AN（R2=0.04，P=0.42）、pH（R2=0.03，P=0.72）和植被多樣性（R2=0.01，P=0.81）對真菌群落變異的解釋率分別為10.80%、9.90%、13.60%、14.20%、3.20%、1.60%、0.40%和0.20%。環(huán)境因子對真菌群落變異的總解釋率為53.94%（圖4b）。

為進一步揭示荒漠草原區(qū)降水量變化對土壤細(xì)菌和真菌的直接或間接影響，本研究基于RDA 分析結(jié)果以及與這些微生物群落有關(guān)的其他驅(qū)動因素（年均降水量、植物群落和土壤因子）之間的關(guān)系建立了結(jié)構(gòu)方程模型（structural equation modeling， SEM）。SEM 結(jié)果顯示（圖5a），在以細(xì)菌群落為主的荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)中，模型對植被群落生物量、植被多樣性、土壤養(yǎng)分、細(xì)菌群落豐富度和群落組成的解釋率分別為11%、2%、57%、46%和54%。荒漠草原區(qū)自然降水變化通過3 種途徑對土壤細(xì)菌群落產(chǎn)生顯著效應(yīng)：1）直接對細(xì)菌群落豐富度產(chǎn)生極顯著負(fù)效應(yīng)；2）通過改變土壤養(yǎng)分間接地對細(xì)菌群落豐富度和群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著正效應(yīng)；3）通過影響植被群落生物量改變土壤養(yǎng)分，間接影響土壤細(xì)菌群落豐富度和群落結(jié)構(gòu)。在真菌群落參與的荒漠草原土壤生態(tài)系統(tǒng)中（圖5b），模型對植被群落生物量、植被多樣性、土壤養(yǎng)分、細(xì)菌群落豐富度和群落組成的解釋率分別為12%、2%、57%、13%和64%。降水通過2 種途徑對真菌群落產(chǎn)生顯著效應(yīng)：1）通過改變土壤養(yǎng)分間接地對真菌群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生極顯著正效應(yīng)； 2）通過影響植被群落生物量改變土壤養(yǎng)分，進而間接地對土壤真菌群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生極顯著正效應(yīng)。

圖5 荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)各組分間的結(jié)構(gòu)方程模型Fig.5 Structural equation model between biological and abiotic components of desert steppe ecosystem

3 討論

3.1 降水量變化對荒漠草原區(qū)土壤細(xì)菌、真菌群落組成及相對豐度的影響

研究發(fā)現(xiàn)降水減少在一定程度上提高了土壤細(xì)菌群落和真菌群落的總OTUs，這表明干旱對土壤細(xì)菌和真菌群落豐富度會產(chǎn)生積極影響。此外，研究發(fā)現(xiàn)在不同降水梯度下，細(xì)菌總OTUs 均為真菌總OTUs 的2～3 倍，這與Chen 等［31］的研究結(jié)果類似。他們認(rèn)為相較于真菌，土壤細(xì)菌的擴散作用更強，因而在荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)主要地位，是具有較高OTUs 的主要原因。

Na 等［32］和Wu 等［33］的研究結(jié)果表明，降水變化對優(yōu)勢細(xì)菌，如變形菌門、放線菌門、酸桿菌門和綠彎菌門的相對豐度影響不顯著。然而，本研究卻發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢細(xì)菌中變形菌門、放線菌門、酸桿菌門和綠彎菌門在不同降水梯度下相對豐度差異顯著。分析認(rèn)為，不同優(yōu)勢細(xì)菌門類對降水變化的響應(yīng)不一，主要是由于不同微生物類群具有不同的生活策略［34］。如，變形菌門作為典型的富養(yǎng)型細(xì)菌類群［35］，環(huán)境資源越豐富，越有利于其生存和發(fā)展；而酸桿菌門作為寡營養(yǎng)類群，其豐度一般會隨土壤養(yǎng)分的下降而升高［34］。

本試驗中，土壤變形菌門相對豐度隨降水減少呈顯著降低趨勢，在較高降水量的T0處理下更為富集；放線菌門、酸桿菌門和綠彎菌門的相對豐度總體上隨著降水減少呈顯著升高趨勢，在降水量最低的T3處理下更為富集。研究認(rèn)為，環(huán)境降水正常時，細(xì)菌類群與植被競爭荒漠土壤中有限的養(yǎng)分資源。由于變形菌門類群屬于革蘭氏陰性細(xì)菌，適宜的環(huán)境降水會保證土壤水分保持在正常狀態(tài)，對革蘭氏陰性細(xì)菌具有正向影響［36］。而當(dāng)環(huán)境降水減少時，較低的土壤水分很可能會降低植物的蒸騰速率，從而降低元素的吸收，微生物對元素吸附能力的減弱也伴隨著植物輸入減少［37］。此外，干旱也會降低微生物活性［12］，使得富養(yǎng)型細(xì)菌類群（如變形菌門）難以生存和發(fā)展。因此，土壤變形菌門細(xì)菌的相對豐度隨著降水減少呈現(xiàn)出顯著降低趨勢。而對干旱和貧瘠環(huán)境條件具有較強抵抗力的寡營養(yǎng)類群細(xì)菌和耐旱型微生物類群（如酸桿菌門和放線菌門）能夠超過其他微生物類群（如變形菌門）［38］，故其相對豐度隨降水減少呈顯著升高趨勢。土壤真菌各優(yōu)勢類群相對豐度并未隨環(huán)境降水減少而產(chǎn)生顯著性差異，這表明真菌群落整體上對降水減少具有一定的抵抗力；主要是因為真菌可以通過菌絲結(jié)構(gòu)從缺水的土壤孔隙中獲取足夠的水分和養(yǎng)分、維系其正常的生命活動［14］。

3.2 降水變化影響下土壤細(xì)菌群落和真菌群落α 多樣性差異

諸多研究表明，在許多生態(tài)系統(tǒng)中，細(xì)菌群落多樣性普遍高于真菌多樣性［31］，本研究結(jié)果與之一致。這是因為許多土壤細(xì)菌類群具有抗旱性，隨干旱程度加劇，細(xì)菌核糖體合成加快，能夠在條件變得更有利于營養(yǎng)獲取時占據(jù)優(yōu)勢地位［14］。Maestre 等［39］對除南極洲以外所有大陸的80 個旱地進行干旱效應(yīng)評估，發(fā)現(xiàn)干旱程度加劇會降低土壤細(xì)菌和真菌的豐度和α 多樣性。但本研究的結(jié)果與之相反，盡管在寧夏荒漠草原土壤上細(xì)菌群落和真菌群落豐度整體隨降水減少呈上升趨勢，α 多樣性指數(shù)隨干旱程度增加也呈顯著上升趨勢，但土壤真菌α 多樣性指數(shù)對降水變化的響應(yīng)不如細(xì)菌群落敏感。從微生物群落組成來看，基于門水平上相對豐度較高的前10 門細(xì)菌類群中，放線菌門、酸桿菌門、綠彎菌門、厚壁菌門、藍菌門、疣微菌門以及其他未檢出細(xì)菌類群的相對豐度整體上均表現(xiàn)為隨降水量減小呈上升趨勢，這可能是導(dǎo)致細(xì)菌豐度隨降水減少而顯著上升的主要原因。而真菌群落相對豐度較高的前10 門類群中，擔(dān)子菌門和壺菌門等優(yōu)勢菌門以及未檢出真菌類群的相對豐度整體上均表現(xiàn)為隨降水量減小呈上升趨勢。分析認(rèn)為，這是導(dǎo)致真菌群落豐度隨降水減少而顯著上升的主要原因。徐鵬等［40］的研究也表明，不同真菌物種對干旱響應(yīng)的差異性可能促使真菌群落組成變化，而真菌群落物種多樣性相對恒定。

從微生物的生活策略而言，微生物對水分的適應(yīng)狀況取決于微生物本身的生理結(jié)構(gòu)（如細(xì)胞壁）及特性［41］。在本研究中，真菌與細(xì)菌多樣性指數(shù)對降水變化表現(xiàn)出不同的響應(yīng)模式。相較于土壤細(xì)菌的單細(xì)胞結(jié)構(gòu)而言，真菌的絲狀結(jié)構(gòu)能夠重新分配利用水分［40］，這使得真菌不易受水分含量變化的限制［42］。因此，真菌對干旱的適應(yīng)能力較強［43］，從而使真菌多樣性對降水變化的敏感性不如細(xì)菌群落。細(xì)菌和真菌群落對水分變化的不同響應(yīng)，也說明二者具有不同的生理特性。

3.3 降水變化下驅(qū)動荒漠草原土壤微生物群落變化的因子

Wang 等［44］認(rèn)為，降水變化影響下植被多樣性和生產(chǎn)力的變化是驅(qū)動土壤微生物變化的主要因素，本研究與其恰好相反。在本研究中，自然降水梯度作用下植物群落并未對土壤微生物群落產(chǎn)生明顯驅(qū)動作用，這可能是因為寧夏中、北部荒漠草原植被群落以甘草、白草、短花針茅和牛枝子等沙、旱生植物為主［21］，它們對外界環(huán)境變化具有較強的抵抗能力［45］，植被群落多樣性、生物量和群落組成特征較為穩(wěn)定。

團隊前期研究結(jié)果表明降水變化（114～231 mm）對荒漠草原土壤pH、有機質(zhì)、全氮、堿解氮、總磷、速效磷和速效鉀均產(chǎn)生了顯著影響［21］。本試驗結(jié)果表明土壤總氮和速效磷是驅(qū)動荒漠草原土壤細(xì)菌群落變化的主要環(huán)境因子，而驅(qū)動土壤真菌群落變化的環(huán)境因子則為有機質(zhì)和總磷。諸多研究表明，土壤養(yǎng)分作為微生物的主要能源物質(zhì)，能夠影響微生物群落結(jié)構(gòu)和群落組成［46-47］。隨著自然降水量減少，植被對土壤養(yǎng)分元素的吸收減緩，使得土壤中碳、氮、磷等元素積累［48］，這對微生物群落塑造產(chǎn)生了積極影響［47］。細(xì)菌和真菌作為土壤中主要的微生物類群，它們在形態(tài)特征、生長速率和底物利用方面存在很大差異［31］，因此二者在資源利用策略和環(huán)境敏感性方面的反應(yīng)不盡相同［49］。本研究中，土壤磷素是調(diào)節(jié)土壤微生物多樣性的關(guān)鍵驅(qū)動因素，這一結(jié)果可能是由于所研究的荒漠草原具有很強的磷限制［12］；此外，研究發(fā)現(xiàn)土壤細(xì)菌群落還受氮素驅(qū)動，真菌群落還受有機質(zhì)驅(qū)動。綜合分析認(rèn)為，由于細(xì)菌與真菌具有不同的新陳代謝和生活策略；細(xì)菌對氮素的營養(yǎng)需求高于真菌，而真菌對碳的需求高于細(xì)菌［16，43］，兩者對不同土壤養(yǎng)分元素的需求差異，使得土壤細(xì)菌和真菌群落驅(qū)動因子存在差別。此外，作用于細(xì)菌群落和真菌群落的直接和間接生態(tài)因素存在差異；細(xì)菌群落和真菌群落同時受降水、植被和土壤養(yǎng)分調(diào)控，降水可以直接作用于土壤細(xì)菌群落；但無法直接作用于真菌群落，必須通過植被和土壤養(yǎng)分才能實現(xiàn)對真菌群落的影響。這是因為細(xì)菌的單細(xì)胞體形式無法跨越土壤中充滿空氣的孔隙，因此它高度依賴水進行移動和基質(zhì)擴散［50］；而真菌菌絲能夠穿過充滿空氣的土壤孔隙獲取養(yǎng)分和水分［51］，這使得真菌群落對降水變化的抵抗性更高。然而，降水變化是如何通過影響植物、土壤養(yǎng)分間相互作用，影響土壤細(xì)菌和真菌群落的最終機制仍不十分清楚。因此，降水變化與土壤微生物群落間的作用關(guān)系及驅(qū)動機制還有待于進一步深入研究。

4 結(jié)論

荒漠草原土壤微生物群落受降水（114～231 mm）變化影響顯著，降水減少對土壤細(xì)菌群落和真菌群落的豐富度均有促進作用，但真菌群落多樣性指數(shù)對降水變化的敏感性低于細(xì)菌群落。在荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)中，植被群落和土壤因子共同參與解釋了土壤細(xì)菌群落和真菌群落對降水變化的響應(yīng)過程，其中土壤因子的調(diào)控占主導(dǎo)作用，驅(qū)動細(xì)菌群落和真菌群落變化的環(huán)境因子也存在差異?；哪菰鷳B(tài)系統(tǒng)土壤細(xì)菌和真菌群落應(yīng)對降水量變化時的不同適應(yīng)策略有助于預(yù)測未來降水變化趨勢。