同曉冬, 楊妮, 秦家鳳, 劉廣全, 艾寧,, 劉長(zhǎng)海*

(1.延安大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 延安 716000; 2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院, 北京 100038)

中國(guó)是煤炭開(kāi)采量全球最高的國(guó)家[1],大量煤礦資源的開(kāi)采,滿(mǎn)足了經(jīng)濟(jì)建設(shè)需要的同時(shí)也嚴(yán)重?cái)_動(dòng)了區(qū)域的自然生態(tài)系統(tǒng),尤其是采礦導(dǎo)致的土壤損毀、土壤污染及水土流失問(wèn)題[2]。目前,礦產(chǎn)資源的開(kāi)采所引發(fā)的生態(tài)問(wèn)題已上升為世界問(wèn)題,各國(guó)學(xué)者及政府對(duì)此給予了廣泛的關(guān)注,并進(jìn)行了深入研究[3-5]。中國(guó)在該方面的研究較晚且對(duì)礦區(qū)的修復(fù)率不足,這不利于區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境安全[6]。排土場(chǎng)是露天煤礦開(kāi)采造成土壤損毀的主要表現(xiàn)形式之一,該區(qū)域土壤動(dòng)植物多樣性低下,土壤養(yǎng)分減少,土壤功能下降[7],因此對(duì)其進(jìn)行復(fù)墾已成為礦區(qū)生態(tài)修復(fù)與重建的關(guān)鍵,對(duì)于礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

土壤復(fù)墾對(duì)土壤環(huán)境產(chǎn)生影響,進(jìn)而推動(dòng)土壤微生物群落的變化。土壤微生物是土壤生物區(qū)系中的重要組成部分,可參與有機(jī)物質(zhì)的分解和礦化,腐殖質(zhì)形成,土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化及循環(huán),促進(jìn)生物地球化學(xué)循環(huán)[8-9],是連接地上與地下部分的重要環(huán)節(jié),向上促進(jìn)植被的定植和生長(zhǎng),向下維持土壤的結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)的穩(wěn)定性[10]。土壤細(xì)菌是土壤微生物中最豐富的部分,參與土壤系統(tǒng)中大多數(shù)的養(yǎng)分轉(zhuǎn)化[11-12],對(duì)土壤微環(huán)境變化敏感,可短期內(nèi)快速對(duì)環(huán)境變化產(chǎn)生反應(yīng),其群落結(jié)構(gòu)和功能的變化可指示植被群落的演替和土壤肥力的改變[13-14],因此,應(yīng)用微生物群落特征來(lái)評(píng)估礦區(qū)土壤健康及生態(tài)修復(fù)效果已成為中外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[15]。張小玲等[16]對(duì)不同復(fù)墾年限煤矸山的功能細(xì)菌進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)復(fù)墾年限的增加促進(jìn)了功能菌總量的增加,速效磷、含水量和堿解氮是影響功能菌的主要因子。馬守臣等[17]研究了山西長(zhǎng)治司馬礦煤矸石填埋場(chǎng)土壤微生物學(xué)特性的時(shí)空變異,表明各土層微生物數(shù)量和真菌、放線(xiàn)菌的豐度隨復(fù)墾年限逐漸增加。Li等[18]評(píng)估了復(fù)墾對(duì)黃土高原不同植被類(lèi)型土壤微生物及酶活性的影響,發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳是影響土壤微生物群落和酶活性的主要因素,微生物多樣性在混交林土壤中最高,復(fù)墾對(duì)微生物豐度、多樣性和組成的影響在各個(gè)植被類(lèi)型存在差異。

Plassart等[19]對(duì)法國(guó)北部粉砂田研究表明,草地恢復(fù)可逐漸增加微生物量和微生物活性,對(duì)保持土壤狀況有積極影響。陳熙等[20]對(duì)贛州-安遠(yuǎn)稀土棄廢尾礦進(jìn)行研究,結(jié)果顯示,經(jīng)不同的植被修復(fù)后,原尾礦土壤理化性質(zhì)改善明顯,土壤微生物結(jié)構(gòu)發(fā)生改變且土壤微生物多樣性、豐富度、均勻度均得到顯著的提高。Garaiyurrebaso等[21]在礦區(qū)選擇兩個(gè)被重金屬?lài)?yán)重污染的植被場(chǎng)地,分析了使用幾種不同改良劑5 a后的微生物生物量、多樣性等指標(biāo),結(jié)果表明,造紙廠(chǎng)污泥與雞糞混合處理后,鎘、鉛和鋅的生物有效性降低幅度最大,并刺激了土壤微生物活性和多樣性,土壤質(zhì)量大幅提高。但以上研究多集中于植被對(duì)微生物生物量、群落組成及結(jié)構(gòu)的影響,少見(jiàn)于植被不同恢復(fù)年限土壤微生物功能的研究,更鮮見(jiàn)于連續(xù)恢復(fù)年限對(duì)土壤微生物結(jié)構(gòu)和功能的影響,而研究土壤微生物功能對(duì)于揭示其在土壤生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)中的作用具有重要意義[22-23]。目前,隨著分子生物技術(shù)的快速發(fā)展,PICRUSt作為一種預(yù)測(cè)細(xì)菌代謝功能的新算法已被廣泛應(yīng)用于海洋、湖泊、土壤領(lǐng)域的細(xì)菌功能分析中并取得了顯著成效[24-25]。這是一種基于高通量測(cè)序程序,將得到的16S rRNA基因與數(shù)據(jù)庫(kù)中已知代謝功能的細(xì)菌基因序列進(jìn)行比對(duì),從而對(duì)細(xì)菌進(jìn)行預(yù)測(cè)的一種方法[26],為對(duì)細(xì)菌功能的深入認(rèn)識(shí)提供了新途徑。

基于此,本研究以鄂爾多斯聚鑫龍煤礦復(fù)墾區(qū)3～7 a恢復(fù)年限(連續(xù)年份)沙棘人工林為研究對(duì)象,采集研究區(qū)土壤樣品,應(yīng)用Illumina高通量測(cè)序技術(shù)和PICRUSt算法對(duì)土壤樣品中的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)、多樣性和功能進(jìn)行分析,并揭示土壤細(xì)菌與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系,以期為研究區(qū)礦區(qū)土地復(fù)墾與環(huán)境修復(fù)提供數(shù)據(jù)支撐與科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市的聚鑫龍煤礦(110°4′2″E,39°54′16″N),地勢(shì)平坦,海拔約1 260 m,水蝕風(fēng)蝕嚴(yán)重,屬溫帶大陸性氣候區(qū),全年無(wú)霜期約135 d, 年均溫7.5 ℃,年均降水量400 mm,集中于7—9月。研究區(qū)于2011年開(kāi)始造林進(jìn)行礦區(qū)生態(tài)修復(fù)建設(shè),主要種植大果沙棘(HippophaerhamnoidesLinn.cv)。樣地概況如表1所示。

表1 樣地概況

1.2 樣地設(shè)置與樣品采集

在研究區(qū)選取恢復(fù)年限為3～7 a的沙棘林作為研究對(duì)象,并以撂荒草地做對(duì)照進(jìn)行土壤樣品的采集。各采樣區(qū)布設(shè)20 m × 20 m的固定樣地,每個(gè)樣地設(shè)置1 m×1 m的3個(gè)樣方,每個(gè)樣方按“S”形5點(diǎn)法進(jìn)行取樣,如圖1所示。用土鉆(直徑5 cm、高20 cm)進(jìn)行垂直取樣,取樣深度為10 cm。將5份土樣放在油布上混合均勻,去除其中的枯落物等雜物后過(guò)2 mm土篩,取2份土樣,每份土樣500 g,一份于無(wú)菌袋放入干冰盒內(nèi),將其置于-70 ℃冰箱中保存用于微生物DNA提取及高通量測(cè)序;另一份于塑封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室,自然風(fēng)干后進(jìn)行理化性質(zhì)的測(cè)定。

圖1 樣地及采樣基本情況圖Fig.1 Sample plot and basic sampling situation diagram

1.3 樣品測(cè)定

1.3.1 土壤基本特性

土壤理化性質(zhì)的測(cè)定依照《土壤農(nóng)化分析》[27]進(jìn)行:土壤pH用酸度計(jì)法測(cè)定,有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀容量法,堿解氮采用堿解擴(kuò)散法,全磷用鉬銻抗法,速效鉀用NH4OAC浸提-火焰光度法,土壤含水量依據(jù)《土壤物理性質(zhì)測(cè)定方法》[28]中的環(huán)刀浸提法進(jìn)行測(cè)定。

1.3.2 土壤細(xì)菌高通量測(cè)序

土壤樣品總DNA的提取采用E-Z 96 Mag-Bind Soil DNA Kit(M5636-02,Omega,CA,USA)試劑盒進(jìn)行,取0.5 g新鮮土樣,按照試劑盒說(shuō)明書(shū)進(jìn)行具體操作。細(xì)菌的V3V4的擴(kuò)增引物為338F(5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3′)和806R(5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)。PCR的反應(yīng)體系包括:DNA模板1 μL,上游引物和下游引物 (10 μmol/L) 各1 μL,Fast pfu DNA聚合酶0.25 μL,2 μL的dNTP(2.5 mmol/L),超純水(ddH2O)14.75 μL,共25 μL。擴(kuò)增條件為:98 ℃預(yù)變性5 min,28個(gè)循環(huán)(98 ℃ 30 s,52 ℃ 30 s,72 ℃ 45 s),最后72 ℃延伸5 min。用1.2%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)PCR擴(kuò)增產(chǎn)物,用磁珠對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行純化后進(jìn)行熒光定量,熒光試劑為Quant-iT PicoGreen dsDNA Assay Kit,定量?jī)x器為Microplate reade (BioTek,FLx800)。根據(jù)熒光定量結(jié)果,按照每個(gè)樣本的測(cè)序量需求,對(duì)各樣本按相應(yīng)比例進(jìn)行混合。產(chǎn)物委托上海派森諾生物科技有限公司進(jìn)行高通量測(cè)序。高通量測(cè)序得到的數(shù)據(jù)用Vsearch軟件分析流程進(jìn)行質(zhì)量過(guò)濾,拼接和嵌合體的去除。對(duì)得到的高質(zhì)量序列進(jìn)行OTU類(lèi)分析,基于OTU聚類(lèi)的結(jié)果,之后用QIIME2 (2019.4)分析軟件對(duì)物種分類(lèi)及生物多樣性指數(shù)進(jìn)行分析。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010和SPSS 22.0軟件對(duì)土壤理化性質(zhì)及細(xì)菌群落組成數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,應(yīng)用單因素方差分析(ANOVA)和多重比較法(Duncan)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯著性差異分析。PICRUSt基因功能預(yù)測(cè)由派森諾生物公司進(jìn)行,細(xì)菌群落冗余分析在軟件Canoco 5.0中完成,其余圖形繪制均采用Origin 2021和R4.1.2軟件完成。

2 結(jié)果分析

2.1 土壤基本性質(zhì)

不同恢復(fù)年限沙棘林土壤基本性質(zhì)如表2所示,研究區(qū)土壤偏堿性,pH變化范圍處于7.47～8.29;土壤有機(jī)質(zhì)隨恢復(fù)年限增長(zhǎng)呈先減小后顯著增大的趨勢(shì),恢復(fù)7 a 時(shí)土壤有機(jī)質(zhì)最大,且高于草地有機(jī)質(zhì)含量;堿解氮和全磷的平均值分別為9.31 g/kg和0.48 g/kg,二者的最大值都出現(xiàn)在恢復(fù)年限6 a;速效鉀和水分的平均值分別為81.53 g/kg和6.76 g/kg,速效鉀的最大值出現(xiàn)在最大恢復(fù)年限7 a,水分的最大值出現(xiàn)在恢復(fù)年限3 a。

表2 土壤理化指標(biāo)

2.2 不同恢復(fù)年限土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)

2.2.1 土壤細(xì)菌群落組成

不同恢復(fù)年限沙棘人工林土壤樣品共檢測(cè)到細(xì)菌29門(mén)、91綱、193目、305科和438屬,在門(mén)分類(lèi)水平上(圖2),各樣地以放線(xiàn)菌門(mén)(Actinobacteria)、變形菌門(mén)(Proteobacteria)為優(yōu)勢(shì)菌門(mén),擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)、酸桿菌門(mén)(Acidobacteria)、綠彎菌門(mén)(Chloroflexi)、浮霉菌門(mén)(Patescibacteria)、疣微菌門(mén)(Verrucomicrobia)、藍(lán)藻門(mén)(Cyanobacteria)為常見(jiàn)菌門(mén),以上菌門(mén)在各樣地中總占比達(dá)到80%以上,但各個(gè)菌門(mén)分布存在差異。放線(xiàn)菌門(mén)在樣地3 a中為第二優(yōu)勢(shì)菌門(mén),而在其他樣地均為第一優(yōu)勢(shì)菌門(mén),且在各樣地中的比例也存在差異,在5 a最高,7 a最低。

Actinobacteria為放線(xiàn)菌門(mén); Proteobacteria為變形菌門(mén); Bacteroidetes為擬桿菌門(mén); Acidobacteria為酸桿菌門(mén); Chloroflexi為綠彎菌門(mén); Patescibacteria為浮霉菌門(mén); Verrucomicrobia為疣微菌門(mén); Cyanobacteria為藍(lán)藻門(mén);Genunatimonadetes為芽單胞菌門(mén); Deinococcus-Thermus為異常球菌-棲熱菌門(mén); Firmicutes為厚壁菌門(mén); Planctomycetes為浮霉菌門(mén); Nitrospirae為硝化螺旋菌門(mén); Armatimonadetes為裝甲菌門(mén); Rokubacteia為己科河菌門(mén); Fibrobacteres為纖維桿菌門(mén); Chlanydiae為衣原體門(mén); Elusimnicrobia為迷蹤菌門(mén)

圖3為細(xì)菌屬水平上豐度前20個(gè)屬的相對(duì)豐度。就整個(gè)研究區(qū)而言,無(wú)優(yōu)勢(shì)類(lèi)群,常見(jiàn)類(lèi)群為不動(dòng)桿菌屬(Acinetobacter)、類(lèi)諾卡氏菌屬(Nocardioides),二者在各恢復(fù)年限樣地中總占比為6.09%。其次為韓國(guó)生工菌屬(Kribbella)、康奈斯氏桿菌屬(Conexibacter)、短波單胞菌屬(Brevundimonas)等稀有類(lèi)群。不同恢復(fù)年限土壤細(xì)菌類(lèi)群相對(duì)豐度存在差異。類(lèi)諾卡氏菌屬為恢復(fù)年限4、5、6、7 a沙棘林中相對(duì)豐度最高的菌群,不動(dòng)桿菌屬為恢復(fù)年限3 a沙棘林的優(yōu)勢(shì)類(lèi)群且其相對(duì)豐度顯著高于草地土壤。其他稀有類(lèi)群隨著人工林恢復(fù)年限的延長(zhǎng)波動(dòng)變化明顯。Thermus、Deinococcus菌屬相對(duì)豐度隨恢復(fù)年限延長(zhǎng)逐漸降低,CL500-29 marine group、Streptomyces菌屬相對(duì)豐度則逐漸增加。

Acinetobacter為不動(dòng)桿菌屬; Nocardioides為類(lèi)諾卡氏菌屬; Kribbella為韓國(guó)生工菌屬; Conexibacter為康奈斯氏桿菌屬; Brevundimonas為短波單胞菌屬; Therrmus為棲熱菌屬; Deinococcus為異常球菌屬; Herpetosiphon為滑柱菌屬; Patulibacter為散生桿菌; Spirosoma為螺狀菌屬; Rubrobacter為紅色桿菌屬; Actinomycetospora為放線(xiàn)胞菌屬; Hymnenobacrer為薄層菌屬; Psendomonas為假單胞菌屬; Streptomyces為鏈霉菌屬

2.2.2 土壤細(xì)菌群落差異性分析

為了進(jìn)一步了解不同生境群落物種組成的組間差異性及相似性,因此進(jìn)行了β-多樣性分析?；贐ray-Curtis距離算法,采用 PCoA 分析不同恢復(fù)年限沙棘林土壤細(xì)菌群落組間差異(圖4)。由圖4可知,PC1解釋了樣品差異的27.2%,PC2解釋了樣品差異的23.9%,二者共同解釋了物種分布差異的51.1%。PC1可明顯將恢復(fù)年限3、4 a的細(xì)菌群落與5、6 a分開(kāi),PC2可明顯將恢復(fù)年限3、4、7 a的細(xì)菌群落與5、6 a、草地分開(kāi)。整體而言,恢復(fù)年限3、4 a的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)較為相似,而5、6、7 a及草地的細(xì)菌群落較為相似,其中草地細(xì)菌群落與恢復(fù)6a的沙棘林最為相似。可見(jiàn),恢復(fù)年限較短的細(xì)菌群落與較長(zhǎng)年限的細(xì)菌群落差異性較大,恢復(fù)年限較長(zhǎng)的沙棘林與撂荒草地細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)相似性較大。

圖4 不同恢復(fù)年限沙棘林土壤細(xì)菌群落PCoA分析Fig.4 PCoA analysis of soil bacterial communities in seabuckthorn forest with different restoration years

2.3 細(xì)菌群落與土壤環(huán)境因子的相關(guān)性

為探討土壤環(huán)境因子對(duì)土壤細(xì)菌群落組成的影響,對(duì)土壤細(xì)菌屬水平群落與土壤理化性質(zhì)進(jìn)行冗余分析(RDA),如圖5所示。第一排序軸解釋了細(xì)菌群落相對(duì)豐度變化的39.89%,第二軸解釋了細(xì)菌群落變化的32.72%,二者共同解釋了細(xì)菌群落變化的72.61%。不動(dòng)桿菌屬(Acinetobacter)、類(lèi)諾卡氏菌屬(Nocardioides)與土壤pH和土壤含水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,與土壤有機(jī)質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系;鏈霉菌屬(Streptomyces)、Subgroup10菌屬、RB41菌屬、Haliangium菌屬與土壤堿解氮和速效鉀含量呈顯著正相關(guān);康奈斯氏桿菌屬(conexibacter)、短波單胞菌屬(Brevundimonas)、韓國(guó)生工菌屬(Kribbella)、紅色桿菌屬(Rubrobacter)與土壤有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān),與土壤pH、含水量和速效鉀顯著負(fù)相關(guān)。土壤pH和速效鉀是影響研究區(qū)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的主要影響因子。

圖5 主要細(xì)菌類(lèi)群與土壤環(huán)境因子的RDA分析Fig.5 RDA analysis of major bacterial groups and soil environmental factors

2.4 土壤細(xì)菌PICRUSt功能預(yù)測(cè)

為了解不同恢復(fù)年限人工林土壤細(xì)菌代謝功能,采用PICRUSt軟件進(jìn)行菌群預(yù)測(cè)(圖6)。基于KEGG 數(shù)據(jù)庫(kù),在一級(jí)代謝通路層對(duì)比共得到6類(lèi)生物功能:代謝(metabolism)、基因信息處理(genetic information processing)、細(xì)胞進(jìn)程(cellular processes)、環(huán)境信息處理(environmental information processing)、人類(lèi)疾病(human diseases)和生物體系統(tǒng)(organismal systems)。其中,代謝、基因信息處理和細(xì)胞進(jìn)程為主要功能,占比分別為82.00%～83.56%,10.06%～11.59%和3.26%～3.88%。與草地相比,沙棘林土壤細(xì)菌代謝、環(huán)境信息處理、人類(lèi)疾病、生物體系統(tǒng)4種功能基因豐度較高;且隨恢復(fù)年限的增加,基因信息處理、細(xì)胞進(jìn)程、人類(lèi)疾病、生物體系統(tǒng)功能基因呈波動(dòng)增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖6 不同恢復(fù)年限土壤細(xì)菌基因功能預(yù)測(cè)(一級(jí)功能)Fig.6 Prediction of soil bacterial gene function at different restoration years (level 1 function)

二級(jí)功能預(yù)測(cè)表明,沙棘林土壤和草地土壤均存在碳水化合物代謝、氨基酸代謝、脂質(zhì)代謝、能量代謝、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、膜運(yùn)輸、細(xì)胞生長(zhǎng)和死亡、免疫系統(tǒng)等35個(gè)子功能(圖7)。其中,碳水化合物代謝(13.01%～13.87%)、氨基酸代謝(13.13%～13.46%)、輔因子和維生素代謝(10.42%～11.72%)為主要功能。與草地相比,沙棘林土壤膜運(yùn)輸、信號(hào)傳導(dǎo)、癌癥、傳染病功能基因豐度較高,轉(zhuǎn)錄、氨基酸代謝、其他氨基酸的代謝和萜類(lèi)和聚酮的代謝基因豐度較低。其中,折疊、分揀和降解、復(fù)制和修復(fù)、轉(zhuǎn)錄、神經(jīng)變性疾病、萜類(lèi)和聚酮的代謝、核苷酸代謝功能基因豐度隨恢復(fù)年限增長(zhǎng)而增加,其他氨基酸代謝、外源生物降解和代謝、內(nèi)分泌系統(tǒng)、環(huán)境適應(yīng)功能基因豐度隨恢復(fù)年限增長(zhǎng)而減小。

3 討論

3.1 恢復(fù)年限對(duì)沙棘林土壤理化性質(zhì)的影響

沙棘屬于復(fù)合型根系,低耗水、萌蘗能力極強(qiáng)的固氮植物[29-31],連續(xù)種植使區(qū)域土壤理化性質(zhì)發(fā)生改變。沙棘可短期內(nèi)迅速提高土壤有機(jī)質(zhì)含量及土壤養(yǎng)分[32]。研究發(fā)現(xiàn),隨恢復(fù)年限的增加,土壤有機(jī)質(zhì)顯著增加(P<0.05),這與張偉華等[33]、常麗等[34]的研究結(jié)果相似,這可能是因?yàn)樯臣瑢儆诼淙~灌木且根系發(fā)達(dá),林下凋落物及植物根系殘?bào)w隨恢復(fù)年限積累,經(jīng)腐殖化作用使土壤有機(jī)質(zhì)含量不斷增加[35]。土壤堿解氮含量隨恢復(fù)年限增加呈先增加后減小的趨勢(shì),這可能是因?yàn)樵趶?fù)墾前中期(3～6 a),沙棘根系被根瘤菌侵染形成共生結(jié)構(gòu),隨恢復(fù)年限的延長(zhǎng)瘤塊不斷趨于成熟,因而固定到土壤中的氮素也隨之增加[36],而后氮素含量又減小可能是因?yàn)橹参锷L(zhǎng)發(fā)育的需求量較大。與土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮變化規(guī)律不同,土壤水分含量隨恢復(fù)年限的延長(zhǎng)逐漸減少,這是因?yàn)殡S著林齡的增大,植被耗水量急劇增加,因此土壤含水量不斷下降[37]。在干旱半干旱地區(qū)植被生長(zhǎng)所需水分主要來(lái)自于大氣降水,土壤對(duì)水分的調(diào)控能力很差,因此,恢復(fù)年限為6 a沙棘林應(yīng)采取平茬[38]等措施,從而減少林分對(duì)土壤水分的不利影響,促進(jìn)沙棘林的更新和健康發(fā)展。

3.2 恢復(fù)年限對(duì)沙棘林土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響

森林植被類(lèi)型、恢復(fù)年限是影響土壤細(xì)菌群落的主要因素[39-40]。不同植被地表凋落物數(shù)量和質(zhì)量、地下根系的結(jié)構(gòu)、分泌物的不同,造成土壤微生境存在異質(zhì)性,使土壤細(xì)菌組成及數(shù)量等發(fā)生改變[41-42]。研究發(fā)現(xiàn),在門(mén)分類(lèi)水平上,沙棘人工林和撂荒草地土壤細(xì)菌物種組成相似,均以放線(xiàn)菌門(mén)、變形菌門(mén)為優(yōu)勢(shì)菌門(mén),擬桿菌門(mén)、酸桿菌門(mén)、綠彎菌門(mén)、浮霉菌門(mén)、疣微菌門(mén)、藍(lán)藻門(mén)為常見(jiàn)菌門(mén),但各菌群豐度存在差異。變形菌門(mén)以土壤中甲烷、氨氣等滿(mǎn)足自身代謝,喜好富營(yíng)養(yǎng)土壤[43]。沙棘土壤變形菌門(mén)豐度顯著高于草地,說(shuō)明沙棘林的建植有利于土壤有機(jī)質(zhì)及土壤養(yǎng)分的提高。隨著恢復(fù)年限的延長(zhǎng),變形菌門(mén)豐度呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì),且在恢復(fù)期3 a時(shí)豐度最大,這可能是因?yàn)橥寥浪釅A度對(duì)細(xì)菌的影響較大,而變形菌門(mén)更適宜生存于堿性土壤環(huán)境[44],3 a時(shí)土壤pH最大,而后先減小后增加。放線(xiàn)菌門(mén)生態(tài)幅較寬,在不同生態(tài)系統(tǒng)中多以?xún)?yōu)勢(shì)菌群出現(xiàn)。在本研究中,沙棘林放線(xiàn)菌門(mén)相對(duì)豐度隨著恢復(fù)年限的延長(zhǎng)呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì),且在恢復(fù)年限第5年時(shí)顯著高于草地。放線(xiàn)菌在木質(zhì)素、纖維素、動(dòng)物殘?bào)w等的降解和轉(zhuǎn)化方面具有重要作用[45]?；謴?fù)年限第5年時(shí)草地土壤C、N含量遠(yuǎn)低于沙棘林,這可能是其放線(xiàn)菌門(mén)相對(duì)豐度低于沙棘林的原因。6 a開(kāi)始沙棘林土壤中放線(xiàn)菌門(mén)含量逐漸下降,可能是因?yàn)樯臣珠_(kāi)始退化,種間競(jìng)爭(zhēng)激烈而開(kāi)啟自毒功能,土壤中可利用資源減少?gòu)亩鴮?duì)細(xì)菌產(chǎn)生不利影響。 在屬分類(lèi)水平上,沙棘林土壤不動(dòng)桿菌屬、類(lèi)諾卡氏菌屬相對(duì)豐度整體高于草地,這可能是植被類(lèi)型不同的原因。不動(dòng)桿菌屬、類(lèi)諾卡氏菌屬等可通過(guò)產(chǎn)生抗生素對(duì)植物病原菌產(chǎn)生拮抗作用[46-48]。而沙棘具有龐大的根系,隨著恢復(fù)年限的延長(zhǎng),其根系分泌的有機(jī)酸等物質(zhì)不斷積累[49],在化感作用的影響下,某些物質(zhì)可能有利于增加對(duì)病原菌有拮抗作用的有益菌群的活性,與有益菌群產(chǎn)生協(xié)同拮抗效應(yīng)[50]。長(zhǎng)期種植沙棘使土壤中的棲熱菌屬(Thermus)、奇球菌屬(Deinococcus)相對(duì)豐度逐漸減小。 棲熱菌屬和奇球菌屬間具有非常相近的親緣關(guān)系,二者均對(duì)干燥、紫外線(xiàn)、強(qiáng)氧化劑等各種惡劣環(huán)境有極強(qiáng)的抵抗力[51],隨著恢復(fù)年限的延長(zhǎng),土壤環(huán)境改善,因此二者含量逐漸減少。另外,二者均與有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀呈顯著負(fù)相關(guān),再次說(shuō)明了其更適宜生活在低營(yíng)養(yǎng)的貧瘠土壤中。因此,在一定程度上,可以把棲熱菌屬和奇球菌屬作為指示物種,通過(guò)其在土壤中含量的變化來(lái)表征生境的土壤健康狀況。

3.3 恢復(fù)年限對(duì)沙棘林土壤細(xì)菌基因功能的影響

植被通過(guò)影響地上與地下部分影響細(xì)菌群落結(jié)構(gòu),進(jìn)而對(duì)細(xì)菌功能產(chǎn)生影響[52]。對(duì)人工林和草地土壤細(xì)菌基因進(jìn)行PICRUSt功能預(yù)測(cè)顯示,研究區(qū)土壤細(xì)菌主要有代謝、基因信息處理、細(xì)胞進(jìn)程、環(huán)境信息處理、人類(lèi)疾病和生物體系統(tǒng)5個(gè)一級(jí)功能,以及碳水化合物、氨基酸代謝、脂質(zhì)代謝、能量代謝和信號(hào)傳導(dǎo)等35個(gè)二級(jí)功能,細(xì)菌生態(tài)功能較豐富。其中,細(xì)菌代謝功能尤為突出,這與王曉菲等[53]的研究結(jié)果一致。其二級(jí)功能中碳水化合物代謝的通過(guò)糖酵解等過(guò)程產(chǎn)生的能量與代謝產(chǎn)物有利于植物和細(xì)菌的生長(zhǎng)和發(fā)育[54]。另外,碳水化合物代謝與植物體內(nèi)所需的氮、磷元素緊密相關(guān),對(duì)促進(jìn)植物氮磷循環(huán)有積極作用[55]。氨基酸代謝有利于細(xì)菌個(gè)體對(duì)氨基酸的吸收利用,并可參與多種重要的生理過(guò)程,有益于細(xì)菌的生存和增殖[56]。部分細(xì)菌類(lèi)群如不動(dòng)桿菌屬、類(lèi)諾卡氏菌屬等自身代謝可產(chǎn)生抗生素、生長(zhǎng)激素、抗菌蛋白等對(duì)植物病原菌產(chǎn)生拮抗作用,促進(jìn)植物生長(zhǎng)。研究區(qū)沙棘林各恢復(fù)年限間土壤細(xì)菌代謝功能差異不明顯,但均高于草地,說(shuō)明沙棘人工林的建植有利于細(xì)菌各代謝功能的提升,從而對(duì)植被自身生長(zhǎng)起到積極作用。隨著恢復(fù)年限的延長(zhǎng),折疊、分揀和降解、復(fù)制和修復(fù)、轉(zhuǎn)錄等細(xì)菌功能基因豐度逐漸增加,而氨基酸代謝、外源生物降解和代謝、內(nèi)分泌系統(tǒng)、環(huán)境適應(yīng)功能基因豐度逐漸減小,這可能與植被恢復(fù)過(guò)程中氣候、土壤、生物因素變化有關(guān)。

4 結(jié)論

(1)與草地相比,沙棘人工林的建植使土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀、含水量呈增加趨勢(shì),土壤pH和全磷變化不明顯。

(2)研究區(qū)共檢測(cè)到細(xì)菌29門(mén)、91綱、193目、305科和438屬,門(mén)分類(lèi)水平上優(yōu)勢(shì)類(lèi)群為放線(xiàn)菌門(mén)、變形菌門(mén);屬分類(lèi)水平上無(wú)優(yōu)勢(shì)類(lèi)群,常見(jiàn)類(lèi)群為不動(dòng)桿菌屬、類(lèi)諾卡氏菌屬。

(3)沙棘林土壤細(xì)菌不動(dòng)桿菌屬、類(lèi)諾卡氏菌屬相對(duì)豐度整體高于草地;隨著恢復(fù)年限的延長(zhǎng),棲熱菌屬和奇球菌屬相對(duì)豐度隨恢復(fù)年限延長(zhǎng)逐漸降低,CL500-29marinegroup、鏈霉菌屬相對(duì)豐度則逐漸增加。土壤pH和速效鉀是影響研究區(qū)沙棘人工林土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的主要影響因子。

(4)研究區(qū)沙棘林和草地土壤細(xì)菌主要包含5個(gè)一級(jí)功能和35個(gè)子功能,細(xì)菌生態(tài)功能豐富。最主要的細(xì)菌代謝功能在沙棘林土壤中較草地更為活躍,說(shuō)明沙棘林土壤較草地細(xì)菌代謝潛力更強(qiáng),而細(xì)菌代謝功能反過(guò)來(lái)也會(huì)通過(guò)分泌各種代謝產(chǎn)物來(lái)促進(jìn)植物更好的生長(zhǎng)和發(fā)育。