蘇榮霞，馬彥平，王紅梅，趙亞楠，李志麗

（寧夏大學農學院，寧夏草牧業(yè)工程技術研究中心，西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復與重建教育部重點培育實驗室，寧夏 銀川 750021）

土壤微生物作為全球土壤生化過程的參與者，影響著生物地球化學循環(huán)過程和生態(tài)系統(tǒng)生產力［1］。有研究指出，微生物多樣性與一系列生態(tài)系統(tǒng)功能（如養(yǎng)分循環(huán)、分解和植物生產力等）呈正相關［2］。而土壤微生物群落功能多樣性也可以反映其對環(huán)境變化的響應、微生物生態(tài)系統(tǒng)功能和土壤有機物質動態(tài)變化，對評估土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重要作用［3］。水分作為荒漠草原主要制約因素之一［4］，通過改變土壤礦質元素離子濃度和土壤元素養(yǎng)分循環(huán)，從而進一步對微生物的代謝活動和陸地長期碳吸收產生影響［5］，而隨著全球氣候變化和人類活動的干擾加劇，草原灌叢化伴隨一系列生態(tài)系統(tǒng)功能與服務的改變，即土壤旱化、飼草產量減少、生物多樣性降低、土壤侵蝕加劇以及土壤碳氮穩(wěn)定性變化等特征［6］，對土壤微生物產生直接或間接影響［7］。

土壤微生物數量巨大，在土壤中進行氧化、硝化、氨化、固氮等過程，促進土壤有機質的分解和養(yǎng)分的轉化，在生態(tài)系統(tǒng)的運作中發(fā)揮著重要作用，而灌木的擴張可直接通過分泌物的變化改變土壤微生物群落［6］或通過改變土壤物理性質和化學性質間接改變土壤微生物組成［8］。尤其在干旱半干旱草原，灌木入侵可以改變土壤微生物群落的組成和豐度，刺激或抑制土壤微生物活動，增加或降低土壤中養(yǎng)分循環(huán)的速率［9］，影響著草原生態(tài)系統(tǒng)功能的發(fā)揮。于露等［10］對經過灌叢侵占的荒漠草原研究發(fā)現(xiàn)，灌叢化通常伴隨著草本蓋度減少和裸露土壤增加，從而加速水分消耗，微生物代謝和酶活性降低。枯落物是連接植物與土壤養(yǎng)分的載體，對土壤微生物有深遠影響［11-12］。例如，Mcculley 等［13］研究指出，在干旱條件下土壤水分減少和枯落物分解的雙重影響能夠使微生物多樣性、生物量降低以及胞外酶對有機質的分解減緩。灌叢化使得凋落物主要以草本為主轉向以木本為主，從而通過改變微生物的底物對其產生影響［14］。Cao 等［15］對內蒙古草原向灌叢自然演替梯度的研究發(fā)現(xiàn)，固氮灌木通過改變植物輸入的化學成分導致土壤微生物多樣性降低。Zhou 等［16］對灌木侵占的山地草原研究發(fā)現(xiàn)，灌木有潛力支撐遠高于草本的葉面積。從細菌到真菌種群的轉變可能伴隨著從草本到木本的轉變，使得微生物生物量能夠有效地處理較低的凋落物質量，并因此維持或增加土壤呼吸和礦化［17］。土壤細菌群落功能多樣性不但受土壤理化性質及其環(huán)境條件空間異質性的影響［18］，而且也受地上植物群落結構的影響［19］。有研究表明草地不同植物群落特定的枯落物及植物根際分泌物影響土壤細菌群落功能多樣性［20］。Ortiz 等［21］研究表明，土壤細菌在一定程度上可以反映草地微生物活性及生態(tài)功能。此外，固氮灌木入侵也會改變微生物群落。例如，Malinich 等［22］研究指出，在美國中西部，固氮灌木秋橄欖（Elaeagnus umbellata）對細菌和古細菌群落的優(yōu)勢類群，尤其是對氨氧化微生物的功能基因有顯著影響，并且微生物群落的變化與秋橄欖灌木的鄰近程度和局部密度有關，即使秋橄欖在相對較低的密度下存在。對于寧夏東部荒漠草原地區(qū)，存在大量的20 世紀七八十年代種植的不同間距旱生灌木錦雞兒屬檸條（Caragana korshinskii） 栽植的灌叢林地，用于沙化草地植被重建與生態(tài)修復［23］，但隨著草原非沙化區(qū)域灌木種植面積增加，加速了原生草本退化和土壤水分的消耗，并已出現(xiàn)土壤碳氮下降的趨勢，表現(xiàn)出穩(wěn)定性降低，在這一植被轉變過程土壤微生物多樣性呈下降趨勢［10-11，24-26］。雖然已部分了解了該地區(qū)人為加速灌叢化過程中的植被-土壤-微生物的變化，但隨著灌叢密度的增加土壤細菌群落功能變化和胞外酶活性還待進一步探究。

基于此，本研究以封育草地為對照，選取近30 年不同間距引入灌叢檸條地（40， 6 和2 m）為研究對象，應用Biolog-ECO 方法對不同間距灌叢引入過程土壤細菌碳源利用和酶活性進行研究，揭示土壤細菌碳源利用特征對不同間距人為灌叢引入荒漠草原的響應，為該地區(qū)荒漠草原可持續(xù)管理提供理論和數據支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)鹽池縣東北部十六堡至柳楊堡村（37°43′-37°46′ N， 107°16′-107°17′ E），北接毛烏素沙漠，屬于黃土丘陵向鄂爾多斯臺地的過渡地帶，是典型的農牧交錯帶。平均海拔1450 m，全年平均氣溫 8.1 ℃，無霜期155～160 d，年均蒸發(fā)量2710 mm，年均降水量360 mm，80%以上的降水量集中在5-9 月，其中7-9 月占59% 以上，全年干旱少雨。試驗地土壤類型主要以風沙土和灰鈣土為主，植被類型有荒漠草原、沙生植被及大量的人工灌叢。自20 世紀八九十年代起，為防止風沙侵蝕以及草地退化，該區(qū)域大量引入錦雞兒屬灌木檸條用于植被重建與生態(tài)修復，研究區(qū)域荒漠草原自2003 年實施禁牧封育，幾十年來該區(qū)域植被、土壤的結構和功能發(fā)生了巨大變化，形成大量草地-灌叢鑲嵌體（表1）。

表1 樣地概況Table 1 Sites description

1.2 樣品采集

選取有代表性樣地封育草地（enclosed grassland， EG），并依據檸條種植（90 年代種植）間距劃分為：40 m（shrub interval 40 m， SI40）、6 m （shrub interval 6 m， SI6）和2 m （shrub interval 2 m， SI2）研究樣地（表1 植被數據為2019 年調查）。其中封育草地隨機設置6 個5 m×5 m 樣區(qū)，檸條引入樣地則在跨越帶內（灌叢下方）、帶間（灌叢間隔）分別設置3 個10 m×10 m 樣區(qū)為本試驗固定監(jiān)測樣區(qū)，由此開展相關試驗。

土壤樣品采集于2020 年8 月中旬，在封育草地（灌叢地）各樣區(qū)按草下（灌下）與空斑（灌間）分別隨機布設5個采樣點，去除地表枯落物后用土鉆取0～20 cm 土層土壤，各小區(qū)按不同微生境混勻作為一個復合樣品，裝入無菌袋后低溫運回實驗室，去除根系與碎屑后分為2 份，一份于4 ℃冰箱保存用于微生物生物量碳、細菌數量、酶活性和土壤細菌群落功能多樣性測定，另一份在室溫下晾干后研磨過篩（2 mm）進行土壤理化因子分析，各分析項目重復3 次。

1.3 土壤理化因子和微生物酶活性測定

土壤化學指標測定參考鮑士旦［27］《土壤農化分析》，土壤pH 采用（水土比2.5∶1）電位計法；土壤有機碳含量（soil organic carbon， SOC）采用K2Cr2O7容量法；土壤全磷含量（total phosphorus， TP）采用鉬銻抗比色法（HClO4-H2SO4消煮）；土壤全氮含量（total nitrogen， TN）采用凱氏定氮法測定。采用熏蒸提取法測定土壤微生物生物量碳（microbial biomass carbon， MBC）和土壤微生物生物量氮（microbial biomass nitrogen， MBN）。土壤微生物生物量碳用100 mL 0.5 mol·L-1K2SO4提取，用加熱的K2Cr2O7-H2SO4消化法測定，并用校正因子（Kc）為0.45 估算熏蒸和未熏蒸土壤中可萃取有機碳差值；用50 mL 2 mol·L-1KCl 提取微生物生物量氮，與茚三酮反應后，通過570 nm 處吸光度測定，校正因子（Ken）為0.54［28］。

本研究分析了參與 C、N 和 P 降解的6 種土壤胞外酶：纖維二糖水解酶、β-1，4-木糖苷酶、β-1，4-葡萄糖苷酶、β-1，4-N-乙酰基氨基葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶和堿性磷酸酶。6 種土壤胞外酶活性均采用 96 微孔板熒光法，使用多功能酶標儀（Tecan Infinite M200 PRO，瑞士）測定［29］。每個小樣方土壤樣品設置3 個重復，且每個處理均設置空白管作為對照。

1.4 土壤細菌群落功能多樣性

本試驗采用Biolog-ECO 微平板分析方法，微生物代謝強度采用平均顏色變化率（average well color development， AWCD） 來描述，是利用單一碳源能力的重要指標［30］。主要步驟：Biolog 生態(tài)板和 31 種碳基質，將新鮮土樣過0.15 mm 篩，取10.0 g 浸入90 mL 無菌生理鹽水（0.85%NaCl， W/V）中，用無菌棉花塞封口。混合物在150 r·min-1下振蕩0.5 h，靜置15 min 后，用移液槍取10 mL 上清液，加入90 mL 無菌生理鹽水，混勻后將稀釋1000 倍的溶液接種到Biolog-ECO 培養(yǎng)板上，接種好后放入25 ℃暗培養(yǎng)箱中培養(yǎng)168 h，用多功能酶標儀測定Biolog-ECO 板在590 nm 波長處的吸光值，每24 h 測定一次。

1） AWCD 的計算公式是：

式中：Ci是31 種碳源在590 nm 處吸光值，R是對照孔吸光值，n為碳源數目，（Ci-R）為負值的孔被計算為零。

2） Shannon-Wiener 豐富度指數（H）：

式中：Pi表示每種碳源與對照孔的吸光度差值和31 種碳源總差值的比值。

3） Shannon 均勻度指數（E）：

式中：S代表已利用碳源的總數，即產生顏色變化的孔的數量。

4） Simpson 優(yōu)勢度指數（D）：

5） McIntosh 指數（U）：

式中：ni為第i孔的相對吸光度，即ni=Ci-R。

上述指標反映了微生物群落的代謝功能多樣性，與一般生態(tài)學中多樣性指數的測定結果相似。通過各樣地AWCD 值與培養(yǎng)時間呈先線性增加后在96 h 平行延伸的變化模式，各多樣性指數及作圖均選用96 h 平均吸光值計算。

1.5 數據統(tǒng)計與分析

利用Microsoft Excel 2010、Word 2010 和SPSS 22.0 軟件對數據進行統(tǒng)計分析。采用單因素方差分析（Oneway ANOVA）和 LSD 法進行多重比較（multiple comparison， a=0.05），比較封育草地和不同間距灌叢地之間土壤特性及土壤酶活性的差異；通過對4 個樣地土壤細菌代謝進行主成分分析（principal component analysis， PCA）來解釋不同間距灌叢引入土壤微生物功能特征的變化；利用Canoco 5.0 軟件對土壤理化特性、微生物特性、土壤酶活性和微生物群落功能多樣性指數進行冗余分析（redundancy analysis， RDA），揭示土壤細菌群落功能多樣性與解釋變量之間的關系。使用蒙特卡羅模擬評估了土壤生化變量對解釋微生物多樣性指數差異的重要性。圖表中樣地數據為不同微生境下數據加權平均求得，圖形由 Origin 2021 進行繪制。

2 結果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分變化

由表2 可知，土壤的有機碳（除灌叢間距40 m 外）、全碳和全磷含量均在灌叢地高于封育草地，其中土壤全碳顯著增加26.65%～43.47%（P＜0.05）；土壤pH 和微生物生物量氮則為封育草地高于灌叢地，不同樣地間差異顯著（P＜0.05）。此外，除了土壤全氮和全磷，所有指標均隨灌叢密度增加呈先增加后降低的趨勢。

表2 不同間距灌叢引入過程各樣地與土壤特性Table 2 Various soil biochemical factors during shrub introduction with different intervals（mean±SE）

2.2 土壤胞外酶活性

由表3 可知，除β-1，4-N-乙?；被咸烟擒彰冈诓煌g距灌叢引入地高于封育草地，纖維二糖水解酶、β-1，4-木糖苷酶、β-1，4-葡萄糖苷酶、亮氨酸肽酶和堿性磷酸酶活性均低于封育草地，在灌叢地呈降低趨勢（除亮氨酸肽酶）；其中纖維二糖水解酶、β-1，4-木糖苷酶和堿性磷酸酶活性均為草地顯著高于灌叢地（P＜0.05），不同間距間差異顯著（P＜0.05）；并且堿性磷酸酶活性在荒漠草原灌叢人為轉變過程中均高于其余5 個胞外酶。

表3 不同間距灌叢引入過程土壤酶活性Table 3 Soil enzyme activity during shrub introduction with different intervals （nmol·g-1·h-1）

2.3 土壤細菌群落的代謝活性

由圖1 可知，隨培養(yǎng)時間推移各樣地Biolog-ECO 板中的平均顏色變化率均呈上升趨勢，不同樣地0～24 h AWCD 較低，表現(xiàn)出明顯的滯后現(xiàn)象，隨后快速升高直至趨于平穩(wěn)；不同間距灌叢引入土壤細菌群落的平均顏色變化率，在168 h 后各樣地均發(fā)生變化，灌叢地均高于封育草地，培養(yǎng)96 h 后AWCD 值為封育草地＜灌叢地（間距2 m＜間距6 m＜間距40 m）。

圖1 不同間距灌叢引入過程土壤細菌群落的平均顏色變化率Fig. 1 Variation in the average well color development change of soil microbial communities during introduction with different intervals

由圖1 可知，當培養(yǎng)時間達到96 h 時，不同處理間土壤趨于穩(wěn)定，因此選取培養(yǎng)96 h 的土壤微生物群落代謝活性吸光值，對不同處理的微生物利用碳源底物情況進行主成分分析。由圖2 可知，Biolog 板基質可分為糖類（8 種）、羧酸類（9 種）、氨基酸類（6 種）、胺類（2 種）、聚合物類（4 種）和其他類（2 種）6 大類的土壤微生物基質利用率。對于碳源的利用率，灌叢地大于封育草地，并且隨著灌叢密度增加，灌叢地對6 類碳源的相對利用率先增加后降低，其中封育草地土壤細菌對氨基酸類、聚合物類和其他類利用水平顯著較高， 40 m 灌叢地土壤細菌對氨基酸類利用水平顯著較高，6 m 灌叢地土壤細菌對糖類、氨基酸類和聚合物類利用水平顯著較高，2 m 灌叢地土壤細菌對氨基酸類和聚合物類利用水平顯著較高，荒漠草原灌叢人為引入過程中，不同間距灌叢地對于糖類、氨基酸類和聚合物類利用水平較高（P＜0.05）。

圖2 不同間距灌叢引入過程土壤細菌對6類平均顏色變化率Fig. 2 Six types average well color development by soil bacteria during shrub introduction with different intervals

2.4 土壤細菌群落功能多樣性分析

各樣地土壤細菌群落的Shannon-Wiener 豐富度指數、Shannon 均勻度指數、Simpson 優(yōu)勢度指數、McIntosh 指數如表4 所示，不同間距引入灌叢地土壤細菌群落功能多樣性各項指數均高于封育草地，在灌叢地隨引入密度增加Shannon-Wiener 豐富度指數、Shannon 均勻度指數和Simpson 優(yōu)勢度指數表現(xiàn)為先升后降，McIntosh 指數則為先降后升的趨勢。

表4 不同間距灌叢引入過程土壤細菌多樣性指數Table 4 Diversity index of soil bacterial during shrub introduction with different intervals

2.5 土壤細菌群落代謝功能主成分分析

由圖3 可知，多變量向量被轉換為兩個不相關的主成分向量，其中，PC1 方差貢獻率45.9%，PC2 方差貢獻率23.8%，累計方差貢獻率為69.7%，說明PC1和PC2 是微生物群落碳源利用變異的主要來源，可以解釋變異的絕大部分信息。在PC1 軸上，間距6 m 與間距40 m 灌叢地分布在正方向上，且灌叢地高于草地，其他微生境分布于負方向，在PC2 軸上，除間距2 m 灌叢地外，其余均分布在正方向上。

圖3 不同間距灌叢引入過程土壤細菌碳源利用特征Fig. 3 Variation of soil bacterial carbon use during shrub introduction with different intervals

前3 個主成分中載荷數大于0.60 的碳源類型，載荷分數越高，碳源對主成分的影響越大。由表5 可知，有17 種碳源對PC1 有主要影響，其中糖類、羧酸類和氨基酸類各占總碳源（即PC1 包含的17 個碳源總數）的23.5%，胺類和聚合物類各占11.8%，其他混合物類占5.9%；對PC2 與PC3 產生主要影響的碳源分別為4 和3 種，其中氨基酸類對PC2 產生重要影響，羧酸類對PC3 產生重要影響。從上述碳源分析結果可以看出，不同間距灌叢地微生物細菌利用的碳源主要是糖類、氨基酸類和羧酸類。

表5 Biolog-ECO 板中碳基質利用與前3 個主成分（PC1、PC2 和PC3）之間的相關性Table 5 Correlations between carbon substrate utilization in Biolog-ECO and the first three principal components （PC1， PC2 and PC3）

2.6 土壤細菌群落功能多樣性與土壤因子相關性

RDA 結果表明，不同間距灌叢引入土壤因子與土壤細菌多樣性指數對不同生境總解釋變量為98.6%（圖4），前兩個軸分別解釋了碳利用數據中88.5%和10.1%的變異。不同間距灌叢地與封育草地距離較遠，因此可以得出不同間距灌叢地顯著改變了土壤細菌功能多樣性，多樣性指數與TC、TP、SOC和C/N 均呈顯著正相關，與TN、pH 和兩種與碳相關的土壤胞外酶（CBH、BG）呈顯著負相關。

圖4 不同間距灌叢引入過程土壤因子與土壤細菌多樣性指數的RDA 分析Fig. 4 RDA analysis of soil factors and soil bacterial diversity indexes during shrub introduction with different intervals

3 討論

3.1 不同間距灌叢引入對土壤理化特性的影響

荒漠草地不同密度檸條引入改變了原生地上植被群落結構和組成，而植被可以通過根系的生長改變土壤結構，植物殘體和枯枝落葉被微生物分解為有機物質，改善土壤質量［31］。本研究發(fā)現(xiàn)與封育草地相比，灌木引入的土壤全碳和全磷含量顯著增加，土壤有機碳雖隨引入灌叢密度增加有所提高，但與封育多年草地相比無顯著差異，這與Chen 等［32］的研究結果一致。灌木引入形成“沃島效應”，即灌木下土壤具有較高的養(yǎng)分含量，風沙區(qū)適度營造檸條可以改善土壤肥力，起到防風固沙作用，降低風沙區(qū)的風力侵蝕［33］。此外，沙化地區(qū)適當密度的檸條在一定年限內也能增加沙地植物群落覆蓋率和多樣性［34］。本研究發(fā)現(xiàn)間距6 m 灌叢地的土壤有機碳含量、全碳和碳氮比以及全磷含量相對于其他密度灌叢地顯著增強，表明一定年限一定密度下的灌叢生長對土壤具有一定協(xié)同性，但隨著密度和時間的增加，對土壤水分養(yǎng)分產生負面影響。Mcculley 等［35］研究發(fā)現(xiàn)草地向灌木地轉變過程中，木質凋落物分解時礦化氮，而草地凋落物傾向于保留氮。檸條錦雞兒作為固氮植物，在低密度引入時，草地凋落物仍占很大比重，灌木固氮效果大于枯落物礦化速率（即輸入大于輸出），土壤全氮增加；而隨著引入密度增加，灌木枯落物占比增大，其固氮效果小于枯落物礦化速率（即輸入小于輸出），土壤全氮隨之減少。這解釋了本研究中土壤全氮的變化規(guī)律，與Crofts 等［36］的研究結果一致。相較于封育草地，當引入密度為6 m 間距時長達30 年的生態(tài)過程明顯變化，達到灌叢引入過程的最適狀態(tài)，但隨著密度的增加，由于水土資源的限制性，出現(xiàn)下降的趨勢，其他外來入侵植物也有類似的結果［37］。

土壤微生物在植物養(yǎng)分轉運中發(fā)揮重要作用并充當一個小型但不穩(wěn)定的養(yǎng)分庫，是植物提供土壤碳和有效養(yǎng)分的重要來源［38］。本研究中，灌木引入導致土壤微生物生物量碳顯著增加，并隨灌叢密度增加呈先增加后減小的趨勢，而微生物生物量氮與封育草地無顯著差異。存在于灌叢下方的特定土壤微生物群落或枯落物可能是造成上述結果的原因，因為SOC 中的微生物源碳依賴于微生物量碳和溶解有機碳，細菌殘體增加了土壤碳固存，從而影響了微生物量碳的短暫增加［33］。MBC/SOC、MBN/TN 比值用于進一步研究灌木引入對土壤微生物性能的影響，因為這些指標可能反映微生物分解有機物質的效率［39］。本研究表明在灌叢地MBC/SOC 比率隨灌叢密度增加先增加后減少，并且間距6 m 灌叢地高于封育草地。這與之前的研究結果一致，封育通過去除放牧壓力促進草地的自然恢復，植被、凋落物和根系運輸的增加提高了土壤養(yǎng)分的輸入，但凋落物的增加在短期內促進了土壤微生物的代謝，增強了土壤酶活性，加快了土壤有機碳的分解代謝［40］。在灌木存在的情況下，有機碳的平均有效性提高，土壤碳庫的循環(huán)加快［41］，對碳素的利用增強。

3.2 不同間距灌叢引入對土壤胞外酶活性的影響

土壤微生物酶活性常被用作評價土壤質量的潛在指標，這主要是因為其對管理和環(huán)境因素引起的臨時土壤變化反應迅速［42］。土壤酶主要來源于土壤微生物，植物和土壤動物也極易激發(fā)土壤胞外酶的分泌，土壤胞外酶可以刺激微生物活性［43］。本研究發(fā)現(xiàn)，纖維二糖水解酶、β-1，4-木糖苷酶、β-1，4-葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶和堿性磷酸酶在草地中的活性顯著高于灌叢地，并且在灌叢地隨引入密度增加而減小，與Chen 等［44］的研究結果相似。主要是灌叢引入近30 年，土壤較封育草地相比，檸條錦雞兒對深層養(yǎng)分和水分的吸收更多，導致草本植物無法有效與灌木競爭資源，當養(yǎng)分可用性較低時，微生物細菌可以分泌更多酶來滿足對養(yǎng)分的需求［45］，并且灌木附近枯落物木質化程度高，分解難度大，降低了表層土壤微生物活性，進而使得灌木持續(xù)擴張。此外，隨灌叢引入密度增加土壤沙化明顯，裸露地增加，在沙化風蝕作用下激素有機物質和養(yǎng)分流失，影響了土壤微生物賴以生存的物質基礎，反映出部分酶活性較低［46］。土壤養(yǎng)分含量可以通過改變C、N 和P 的化學計量對土壤胞外酶活性產生影響［47］。本研究檢測土壤中參與磷循環(huán)的酶（即堿性磷酸酶）的活性發(fā)現(xiàn)，灌木引入改變了土壤酶活性（表3），這些變化與土壤微生物生物量、土壤養(yǎng)分有關。結果表明，引入灌木對土壤養(yǎng)分的作用強于草本植物，這可能為灌木的繼續(xù)擴張?zhí)峁┯欣麠l件，并對本地植物產生競爭壓力。

3.3 不同間距灌叢引入對土壤細菌碳源利用的影響

在本研究中，AWCD 值在灌叢地顯著高于封育草地，隨建植密度增加有減小的趨勢，說明灌叢引入密度對土壤細菌代謝活性產生差異。并隨培養(yǎng)時間推移各樣地的平均顏色變化率均呈上升趨勢（圖2），這與王杰等［48］的研究結果一致，表明灌叢引入極大地改變了土壤微生物對碳基質的利用，碳源開始被大幅度利用，土壤微生物群落代謝增加，活性加強。土壤細菌對6 類碳源利用特征（96 h）表明，封育草地對氨基酸類、聚合物類和其他類碳源利用水平較高，這與敬潔等［49］的研究結果相似。而灌叢地土壤細菌利用的碳源主要是糖類、氨基酸類和聚合物類，說明利用這3 類碳源的土壤細菌最多，且這些土壤細菌的生理代謝活動最強。這可能與植物根系分泌物和土壤養(yǎng)分含量有關。固氮灌木根系分泌物具有豐富的微生物，如根瘤菌屬中的細菌在一些微生物作用下可以分解土壤中的氮素養(yǎng)分，同時還能合成氨基酸等物質［50］。而糖類碳源中大部分是植物根系分泌物，比如L-精氨酸、L-苯丙氨酸，說明植物根系分泌物對土壤微生物群落的代謝具有影響，使得微生物對這類碳源產生了一定偏好并提高其利用能力［51］，并且土壤微生物與土壤養(yǎng)分顯著相關［52］，本研究中隨建植密度增加，灌叢地土壤有機碳、全碳及微生物量碳表現(xiàn)出低-高-低變化規(guī)律。另一方面，碳底物的不同利用將灌叢地與封育草地分開（圖3），表明灌叢引入通過改變土壤環(huán)境［53］，進而顯著影響4 個樣地土壤細菌代謝能力。因此，隨建植密度增加，土壤細菌代謝活性可能也有類似變化規(guī)律，這就間接表明建植不同密度灌叢對于草地恢復具有反饋效應。有研究表明微生物群落的分解代謝能力可以被木本植物群落改變［54］。這與本研究觀察到的碳利用模式一致。然而，尚不清楚土壤微生物群落水平生理特征的變化和試驗地點土壤之間的差異是只能歸因于土壤微生物功能的變化，還是歸因于群落組成的變化。

3.4 土壤細菌群落功能多樣性與土壤因子的關系

本研究發(fā)現(xiàn)，土壤細菌群落功能多樣性與C/N、SOC、TP、TC 均呈顯著正相關，與TN、pH 和纖維二糖水解酶、β-1，4-木糖苷酶呈顯著負相關，表明土壤養(yǎng)分、pH 和胞外酶活性可能在解釋細菌碳源利用方面較為重要。土壤有機碳作為土壤的重要組成部分，不僅與土壤肥力密切相關，而且對微生物多樣性有著重要影響。Li 等［38］在不同植被類型恢復過程對碳源利用影響的研究也發(fā)現(xiàn)，土壤有機碳是微生物細菌群落功能多樣性變化的關鍵影響因素，但主要驅動因素也會隨不同植被類型而變化，其中土壤pH、有機碳和全氮幾乎影響所有類型的微生物群落功能多樣性。土壤養(yǎng)分變化引起土壤酶活性差異也會影響土壤微生物功能多樣性，土壤酶活性作為微生物活性的指示物，與微生物功能多樣性顯著相關［29］。本研究不同的酶與細菌碳源利用多樣性關系不同，其中與碳相關的纖維二糖水解酶、β-1，4-木糖苷酶活性與土壤微生物多樣性負相關，這可能與植被枯落物組分變化有關［55］。灌叢附近較厚的枯落物層木質化程度高，分解難度加大，降低了表層土壤微生物代謝活性，從而降低枯落物的分解作用［56］。同時，灌木可以在禾本科草類無法到達的深度吸收土壤養(yǎng)分和水分，在降水量較少的荒漠草原，草本生長減緩，導致淺層土壤微生物的生長和繁殖受到抑制，其體內胞外酶產出減少，從而降低胞外酶活性［24］。土壤酶活性的高低不但可以反映土壤有機物質的分解與轉化過程，還能反映出對碳源利用能力的高低［42］。綜上所述，土壤環(huán)境因子是影響灌叢地土壤微生物群落功能多樣性變化的主要因素。比較本研究中土壤微生物群落的碳利用和土壤因子，結合微生物群落數據，可以從多個方面更全面地評價不同密度的灌木引入土壤中微生物群落的變化。

4 結論

荒漠草原灌叢引入近30 年過程中，0～20 cm 土層土壤全碳和全磷顯著增加，土壤有機碳在不同間距處略有升高或減少。纖維二糖水解酶、β-1，4-木糖苷酶和堿性磷酸酶活性隨灌叢密度增加被顯著抑制。土壤細菌碳源的利用能力和多樣性指數均在灌叢地高于封育草地，隨灌叢密度增加受到顯著抑制，并受到土壤養(yǎng)分和微生物生物量碳的正向調控以及胞外酶的負向調控作用。土壤酶活性與土壤環(huán)境因子共同驅動土壤細菌群落功能多樣性，且全碳和全磷是影響荒漠草原不同間距灌叢引入土壤細菌群落功能多樣性變化的主要因子。綜上，不同間距灌叢引入不僅提高了土壤細菌對不同碳源利用程度，也改變了主要碳源利用類型，從草地的氨基酸類、聚合物類和其他類碳源利用為主轉向隨灌叢密度增加以聚合物類和氨基酸類穩(wěn)定利用為主。