李傳虹,張 林,劉四義,韓麗麗,姚保民,申聰聰,郝志鵬,張麗梅,*

1 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,北京 100085 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049 3 中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所,青藏高原地球系統(tǒng)與資源環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101

高寒灌叢是由耐寒的中生或旱生灌木為優(yōu)勢(shì)種而形成的一類植被,常分布在高山和高原林線之上向高寒植被的過(guò)渡帶,是青藏高原常見(jiàn)的優(yōu)勢(shì)植被之一[1]。由于獨(dú)特的地理、氣候條件,青藏高原的灌叢類型復(fù)雜、種質(zhì)資源豐富,為野生動(dòng)物和家畜提供了棲居和放牧地,具有較強(qiáng)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值[2]。然而其生態(tài)系統(tǒng)脆弱,對(duì)全球變暖的響應(yīng)極為敏感[3]。近年來(lái),氣候變暖及其導(dǎo)致的土壤水分、養(yǎng)分有效性和土壤微生物群落等環(huán)境條件變化對(duì)青藏高原地區(qū)高寒灌叢植物生產(chǎn)力、生物量分配和演替過(guò)程產(chǎn)生了深刻影響,進(jìn)而影響著區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)和周轉(zhuǎn)過(guò)程[4]。因此,探明青藏高原不同灌叢類型下土壤養(yǎng)分狀況、碳氮循環(huán)特征及其影響因素對(duì)青藏高原灌叢合理利用與管理有重要的理論與實(shí)踐價(jià)值。

微生物是土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化和元素生物地球化學(xué)循環(huán)的主要驅(qū)動(dòng)力[5]。微生物驅(qū)動(dòng)的礦化作用,即土壤中有機(jī)態(tài)化合物轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)態(tài)化合物的過(guò)程,是自然生態(tài)系統(tǒng)土壤碳氮循環(huán)的關(guān)鍵過(guò)程之一[6]。土壤碳氮礦化過(guò)程深刻影響著土壤碳、氮等元素的循環(huán)流動(dòng),土壤的養(yǎng)分供應(yīng)、有機(jī)質(zhì)的更新和地上生產(chǎn)力[7-8]。碳和氮礦化速率的微小改變能夠顯著影響土壤碳庫(kù)和氮庫(kù)大小以及大氣二氧化碳濃度,最終影響碳氮循環(huán)-氣候耦合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化[9],對(duì)地上植被的演替和分布有極為重要的意義。大量研究表明,氣候因子如溫度和降水是影響土壤碳氮礦化速率的主要因素,溫度升高和降雨量增加可以提高碳氮礦化速率從而提高土壤中養(yǎng)分的有效性和凈生產(chǎn)力[10-11]。除氣候因素外,土壤有機(jī)質(zhì)含量、pH、水分等對(duì)碳氮礦化速率也有交互影響。有機(jī)質(zhì)含量越高,礦化速率越高;同時(shí),隨土壤pH升高,土壤有機(jī)質(zhì)的可溶性增加,為微生物生長(zhǎng)提供了充足的生長(zhǎng)基質(zhì),因此碳氮礦化速率通常與土壤pH呈顯著正相關(guān)關(guān)系[12-14]。此外,土壤水分一方面可直接控制微生物的活性,另一方面可通過(guò)影響凋落物的分解和有機(jī)質(zhì)的形成間接地影響碳氮礦化速率[15]。研究表明土壤氮礦化速率通常隨土壤水分增加而增加,在土壤含水率達(dá)到田間持水量時(shí)最高,并隨含水率進(jìn)一步增加而降低[16],如亞熱帶林區(qū)氮礦化速率與土壤含水量呈顯著負(fù)相關(guān)[17]。碳和氮的礦化速率也可能受土壤pH和含水量等因素的交互影響,如與濕潤(rùn)地區(qū)相比,干旱地區(qū)土壤pH相對(duì)較高,礦化能力也相對(duì)較強(qiáng)[18]。青藏高原灌叢面積分布廣泛,氣候和土壤環(huán)境復(fù)雜[19],但目前對(duì)灌叢分布地區(qū)土壤碳氮礦化作用強(qiáng)度、影響因素及其與灌叢分布特征的關(guān)系等的認(rèn)識(shí)較少。探明青藏高原灌叢分布區(qū)土壤碳氮含量、礦化作用特征及其影響因素,對(duì)理解青藏高原氣候變化背景下,灌叢分布區(qū)土壤質(zhì)量變化及其對(duì)地上植被的影響具有重要意義。

此外,土壤碳、氮元素礦化過(guò)程復(fù)雜,參與反應(yīng)的微生物類群眾多,并與其他過(guò)程耦合發(fā)生,可能導(dǎo)致土壤CO2排放增加、溫室氣體產(chǎn)生和養(yǎng)分流失等問(wèn)題[20-21]。但目前對(duì)碳氮循環(huán)相關(guān)功能微生物的研究多針對(duì)單一元素或單一過(guò)程開(kāi)展,缺乏大尺度下自然生態(tài)系統(tǒng)土壤碳、氮循環(huán)關(guān)鍵過(guò)程功能基因分布特征的耦聯(lián)分析,且在不同研究尺度和生態(tài)系統(tǒng)類型中開(kāi)展的研究結(jié)果不同[22-23]。對(duì)參與土壤碳、氮循環(huán)過(guò)程相關(guān)的功能基因多樣性和豐度的調(diào)查有助于更好地理解微生物介導(dǎo)的元素生物地球化學(xué)過(guò)程及其對(duì)全球變化的響應(yīng)和反饋[24-26]。因此,本研究采用高通量定量PCR(quantitative microbial element cycling,QMEC)技術(shù),對(duì)青藏高原喜馬拉雅山-岡底斯山地區(qū)沿降水梯度采集的高寒灌叢土壤樣品碳氮循環(huán)相關(guān)的功能基因多樣性進(jìn)行了分析,并結(jié)合土壤理化性質(zhì)、氣候、植被等信息,綜合探討了青藏高原不同灌叢分布區(qū)域土壤養(yǎng)分狀況和參與碳氮礦化過(guò)程相關(guān)功能基因的分布特征、驅(qū)動(dòng)因子及其與灌叢分布特征的關(guān)系,以期為認(rèn)識(shí)氣候變化背景下青藏高原土壤質(zhì)量和灌叢生態(tài)系統(tǒng)功能變化趨勢(shì)提供重要信息和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況與土壤樣本的采集

土壤樣品采集于2020年8月第二次青藏高原科學(xué)考察喜馬拉雅山-岡底斯山沿線灌叢樣帶調(diào)查,沿線經(jīng)革吉-吉隆-昆莎機(jī)場(chǎng)-拉昂錯(cuò)-嘛咪鄉(xiāng)-門士鄉(xiāng)-馬攸木拉山-普蘭-帕羊-獅泉河-扎達(dá)縣-如角-珠峰-茶巴拉鄉(xiāng)-多角鄉(xiāng)-貢嘎縣-南木鄉(xiāng)-日喀則-扎囊縣-拉孜-八宿-東達(dá)山-拉藏-南木林-折巴-拉烏山-業(yè)拉山(79.97°-98.68°E,28.31°-32.62°N)等地區(qū),最遠(yuǎn)相距1800 km。植被以灌叢為主,包括5種優(yōu)勢(shì)灌木類型:變色錦雞兒(CV)、金露梅(DF)、砂生槐(SM)、香柏(JP)、雪層杜鵑(RN)。根據(jù)同一灌叢的分布面積和間隔距離,共布設(shè)了28個(gè)采樣點(diǎn),每個(gè)采樣點(diǎn)間隔至少9 km。使用手持式全球定位系統(tǒng)(GPS)記錄采樣點(diǎn)的經(jīng)度、緯度等地理數(shù)據(jù),并從中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)提取年平均溫度(MAT)、年平均降水量(MAP)和植被NDVI指數(shù)[27],采樣點(diǎn)分布和對(duì)應(yīng)灌木類型如圖1所示。

圖1 采樣點(diǎn)的地理位置分布示意Fig.1 Geographic locations of sampling sites

每個(gè)采樣點(diǎn)盡量設(shè)置在遠(yuǎn)離人類居住的地區(qū),以本地分布的天然灌叢為主。每個(gè)采樣點(diǎn)隨機(jī)選取3個(gè)5 m×5 m樣方,每個(gè)樣方按梅花狀進(jìn)行5點(diǎn)取樣混合成一個(gè)樣品,取樣深度0-15 cm,最終共采集到84份土壤樣本。所有樣品在去除根系和大的石塊后放入無(wú)菌塑料袋中,通過(guò)便攜式車載移動(dòng)冰箱運(yùn)到實(shí)驗(yàn)室。土壤樣品通過(guò)2.0 mm篩去除細(xì)根和礫石后分成兩部分:一部分儲(chǔ)存在4 ℃下,用于土壤理化性質(zhì)分析,另一部分儲(chǔ)存在-80 ℃下,用于土壤總DNA提取。

1.2 土壤理化性質(zhì)測(cè)定

土壤理化性質(zhì)測(cè)定參考文獻(xiàn)[28]:土壤pH(水土比2.5∶1)采用酸度計(jì)電位法測(cè)定,土壤含水量采取烘干稱重法測(cè)定,土壤速效磷(Available Phosphorus,AP)采用Olsen法測(cè)定,土壤全碳(Total Carbon,TC)和全氮(Total Nitrogen,TN)含量采用元素分析儀(Vario EL III-Elementar,Germany)測(cè)定,土壤無(wú)機(jī)碳(Inorganic carbon,IC)含量采用總有機(jī)碳分析儀(SSM-5000A,Japan)測(cè)定,土壤有機(jī)碳(Soil organic carbon,SOC)為TC與IC的差值,碳氮比(C:N)為SOC與TN的比值。

土壤CO2釋放速率(SRR)的測(cè)定:稱取10 g土壤樣品放入培養(yǎng)瓶中,用保鮮膜封好瓶口后放置于20 ℃培養(yǎng)箱預(yù)培養(yǎng)24 h。培養(yǎng)完成后將培養(yǎng)瓶放入封閉動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中,使用LI-820 CO2分析儀進(jìn)行CO2濃度實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)定,得到封閉動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中CO2濃度的增加速率a,利用線性回歸方法計(jì)算土壤的CO2釋放速率[31]。

1.3 土壤DNA提取與QMEC檢測(cè)

稱取0.5 g土壤樣品,利用Dneasy PowerSoil Kit(QIAGEN GmbH,Germany),按步驟對(duì)土壤微生物總DNA進(jìn)行提取。使用NanoDrop分光光度計(jì)(NanoDrop Technologies Inc.,Wilmington,DE,USA)測(cè)定DNA的濃度和純度。DNA樣品存儲(chǔ)在-40 ℃冰箱中備用。

QMEC包含71個(gè)微生物CNPS引物和1個(gè)細(xì)菌類群引物,可以平行定量72個(gè)DNA樣本,引物與基因參照文獻(xiàn)所示[32]。主要操作過(guò)程如下,首先將檢測(cè)合格后的DNA樣品添加至384孔板作為樣品板(Sample Sourceplate),同時(shí)將引物和qPCR所用的試劑添加至另一384孔板作為引物板(Assay Sourceplate)。采用高通量自動(dòng)微量加設(shè)備SmartChip Multisample Nanodispenser(Takara Biomedical Technology)分別將樣品板和引物板試劑添加至高通量qPCR芯片SmartChip MyDesign Chip(Takara Biomedical Technology,Clontech)的微孔中,在SmartChip Real-Time PCR System(WaferGen Biosystems USA)中進(jìn)行qPCR反應(yīng)及熒光信號(hào)檢測(cè),并自動(dòng)生成擴(kuò)增曲線和溶解曲線[5]。根據(jù)SmartChip Real-Time PCR System和Canco software軟件給出的各基因在各樣本中的Ct值,根據(jù)公式(1)計(jì)算得出各基因在各樣本中的相對(duì)豐度信息。只有在三個(gè)技術(shù)重復(fù)均被檢出的基因,才會(huì)將該基因判定為陽(yáng)性,并計(jì)算其平均值作為該基因在對(duì)應(yīng)樣本中的相對(duì)定量。以F525/R907為引物通過(guò)普通定量PCR(Roche,LightCycler480Ⅱ)獲得細(xì)菌16S rRNA基因的絕對(duì)豐度信息,16S rRNA相對(duì)豐度默認(rèn)為1,根據(jù)公式(2)計(jì)算得到各樣品中各基因的絕對(duì)定量信息[32]。

基因相對(duì)豐度= (31-Ct)/(10/3)

(1)

基因絕對(duì)豐度=基因相對(duì)豐度×16S rRNA絕對(duì)豐度/16S rRNA相對(duì)豐度

(2)

本文從71 個(gè)功能基因數(shù)據(jù)中選取了 18個(gè)碳降解功能基因和7個(gè)氮礦化功能基因做進(jìn)一步深入分析。參考 Benbi和 Richter 等[33]學(xué)者的觀點(diǎn),本文將硝化作用并入氮礦化過(guò)程,因此將 AOA(氨氧化古菌)amoA、AOB(氨氧化細(xì)菌)amoA、amoB、hao、nxrA基因也納入礦化基因進(jìn)行分析。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 26.0軟件,基于Kruskal-Wallis檢驗(yàn)對(duì)不同灌叢類型間碳、氮礦化基因的豐度和土壤理化性質(zhì)進(jìn)行非參數(shù)檢驗(yàn),以及分別將碳、氮基因豐度進(jìn)行因子分析降維并標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)化。使用Pearson相關(guān)性分析研究碳、氮礦化基因豐度之間以及與土壤基本理化性質(zhì)及環(huán)境因子之間的相關(guān)性。此外,用R(v.4.2.1)軟件的“vegan”進(jìn)行Mantel test分析,以探明青藏高原喜馬拉雅山-岡底斯山沿線高寒灌叢區(qū)碳、氮礦化過(guò)程相關(guān)微生物的空間分布格局的主要驅(qū)動(dòng)因子。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌叢類型土壤養(yǎng)分狀況及其影響因子

表1 采樣點(diǎn)基本信息及土壤理化性質(zhì)Table 1 Geographical information of sampling sites and soil physiochemical properties

圖2 土壤理化性質(zhì)與氣候和植被因子間的相關(guān)性分析Fig.2 The relationship between soil properties and climatic and vegetational factors圓圈的顏色表示相關(guān)性的大小;MAT:年平均溫度 Mean annual temperature;MAP:年平均降雨量 Mean annual precipitation;TN:全氮 Total N;SOC:土壤有機(jī)碳 Soil organic C;C:N:碳氮比 SOC:TN;Mnet:氮凈礦化速率 Net N mineralization rate;SRR:CO2釋放速率 Soil respiration rate

2.2 碳、氮礦化過(guò)程功能基因的豐度分布特征

基于QMEC檢測(cè),我們對(duì)與碳礦化和分解相關(guān)的18個(gè)基因,以及與氮礦化作用相關(guān)的7個(gè)基因進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明,除豐度較低的淀粉水解酶基因amyX、木質(zhì)素降解酶基因pox和纖維素降解酶基因naglu,其余22個(gè)基因的豐度在五種灌叢類型差異顯著(P<0.05,圖3)。豐度總體表現(xiàn)為從青藏高原西部向東部降低的趨勢(shì),變色錦雞兒、金露梅和砂生槐灌叢土壤基因豐度普遍高于香柏和雪層杜鵑灌叢,并以雪層杜鵑灌叢的豐度最低(圖3)。但細(xì)菌16S rRNA基因的絕對(duì)豐度(4.5×109-5.1×109拷貝數(shù)/g干土)在不同灌叢類型土壤中無(wú)顯著差異(P>0.05,圖3)。

圖3 青藏高原不同灌叢類型土壤碳氮礦化功基因豐度熱圖Fig.3 Heatmap of absolute abundances of C and N mineralization genes in soils separated according to shrub types on the Tibetan Plateau不同灌叢類型間同一基因的不同字母表示差異顯著(P<0.05)

易降解碳礦化基因中,半纖維素降解酶基因abfA豐度最高(2.9×106-5.3×107拷貝數(shù)/g),其次為半纖維素降解酶基因manA(2.4×106-3.2×107拷貝數(shù)/g)和xylA(1.2×106-3.3×107拷貝數(shù)/g),淀粉水解基因amyX豐度在所有碳氮礦化基因中最低(0-6.8×103拷貝數(shù)/g)(圖3)。難降解碳礦化基因中,木質(zhì)素降解酶基因mnp豐度最高(6.6×105-1.1×107拷貝數(shù)/g),纖維素降解酶基因naglu豐度最低(0-3.1×104拷貝數(shù)/g)(圖3)。尿素酶基因ureC的豐度在所有碳氮礦化基因中最高,為5.8×107-3.0×108拷貝數(shù)/g,谷氨酸脫氫酶基因gdh豐度也較高,為2.7×106-2.6×107拷貝數(shù)/g(圖3)。硝化過(guò)程相關(guān)基因中,古菌的氨單加氧酶基因amoA和amoB豐度最高,分別為8.1×104-7.6×106拷貝數(shù)/g和4.5×105-8.6×106拷貝數(shù)/g,羥胺氧化還原酶基因hao豐度最低,為0-1.3×105拷貝數(shù)/g(圖3)。

2.3 影響碳氮礦化基因豐度的關(guān)鍵因素

Mantel test分析結(jié)果顯示土壤SOC、TN、pH、MAP、SWC對(duì)土壤易降解碳礦化基因、難降解碳礦化基因、氨氧化基因和硝化基因的豐度均有顯著影響(P<0.05),且以SOC、TN、pH和土壤水分的解釋量(R值)最高(表2)。相關(guān)性分析結(jié)果顯示,C、N礦化基因豐度與MAP、土壤含水率、SOC和TN含量均為顯著負(fù)相關(guān)(P<0.001),但與土壤pH均為顯著正相關(guān)(P<0.05),與年平均溫度(MAT)無(wú)顯著相關(guān)性(P>0.05)(圖4)。此外,除豐度較低的amyX基因外,其余C、N礦化相關(guān)的功能基因豐度之間均存在顯著的正相關(guān)性(P<0.05)(圖5)。

表2 碳和氮礦化基因豐度與環(huán)境因子的Mantel test分析Table 2 Mantel test analysis for the correlation between the abundance of C and N mineralization genes and environmental factors

圖4 環(huán)境因子與碳、氮礦化基因豐度間的相關(guān)性分析Fig.4 The correlation between environmental factors and the abundance of the C and N mineralization genes礦化基因豐度值經(jīng)過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換

圖5 土壤碳和氮礦化相關(guān)功能基因豐度間的耦合關(guān)系Fig.5 The coupling relationship among the abundance of C and N mineralization functional genes圓圈的顏色和大小表示相關(guān)性的大小

3 討論

土壤中碳氮元素的含量及其周轉(zhuǎn)對(duì)地上植被的生長(zhǎng)發(fā)育和生態(tài)功能的發(fā)揮極為重要。不少研究表明灌叢、森林、草地等植被類型演替過(guò)程中土壤的性質(zhì)也發(fā)生了顯著變化[34]。如Hibbard等[35]發(fā)現(xiàn)由于灌木葉片中木質(zhì)素和纖維素含量低于草本植物,亞熱帶草原灌叢化過(guò)程使0-10 cm土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量顯著提高8-23 g/m2,氮礦化速率增加3-5倍。本文研究的結(jié)果顯示,不同類型灌叢土壤的有機(jī)碳和全氮含量、土壤CO2釋放速率、凈氮礦化速率和碳氮礦化基因的豐度有顯著差異。其中,位于東南部的雪層杜鵑和香柏灌叢比位于中西部的變色錦雞兒、金露梅和砂生槐灌叢土壤具有更高的有機(jī)碳、全氮含量和CO2釋放速率、凈氮礦化速率,但碳、氮礦化基因豐度更低。這意味著灌叢類型的演替也同樣伴隨著土壤元素循環(huán)、養(yǎng)分供應(yīng)的改變。由此可見(jiàn),相同植被類型下,灌叢種類演替對(duì)青藏高原生態(tài)系統(tǒng)功能的影響也值得關(guān)注。

溫度和降水是影響土壤元素循環(huán)和養(yǎng)分供應(yīng)的重要影響因素。本研究結(jié)果顯示,土壤有機(jī)碳、全氮含量、CO2釋放速率、凈氮礦化速率與年平均降雨量、濕潤(rùn)指數(shù)、土壤含水量等水分指標(biāo)顯著正相關(guān),而與年平均溫度無(wú)顯著相關(guān)性。這些結(jié)果說(shuō)明水分條件的變化對(duì)土壤碳氮等元素含量和礦化過(guò)程有更重要的影響。已有研究表明,降水減少會(huì)通過(guò)降低微生物生物量和胞外酶活性來(lái)抑制凋落物的分解[36-39]。與本文的研究結(jié)果類似,茍小林等[40]也認(rèn)為由于更充沛的水分條件,青藏高原半濕潤(rùn)地區(qū)的植物生物量和土壤碳氮磷等元素含量比半干旱地區(qū)顯著更高。喜馬拉雅山-岡底斯山自西向東降雨量明顯增加,降水量增加一方面可直接影響土壤理化性質(zhì)和微生物活性促進(jìn)土壤養(yǎng)分的周轉(zhuǎn),另一方面可通過(guò)影響植物生長(zhǎng)間接提高土壤養(yǎng)分含量[41]。這些結(jié)果表明,降水條件改變對(duì)青藏高原灌叢土壤碳氮循環(huán)的影響更大。目前青藏高原正面臨著暖濕化的影響,降水增加引起的碳氮循環(huán)變化及其帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)值得進(jìn)一步關(guān)注。

由于微生物的活動(dòng)需要水分,所以在一定濕度范圍內(nèi),土壤水分增加有利于礦化作用發(fā)生[10,42]。然而,本文研究卻顯示土壤碳氮礦化基因豐度與年平均降水量呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,但與土壤pH呈顯著的正相關(guān)。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因主要有兩方面:一方面,pH可直接影響微生物的生理代謝,過(guò)低或過(guò)高的pH會(huì)對(duì)微生物產(chǎn)生生理限制,并影響微生物間相互作用進(jìn)而影響其群落組成和豐度[43];另一方面,土壤pH作為一個(gè)綜合變量,與一些土壤養(yǎng)分可利用性、有機(jī)碳特性和土壤水分狀況等密切相關(guān),土壤pH的升高會(huì)增加土壤有機(jī)質(zhì)的可溶性,為微生物生長(zhǎng)提供了基質(zhì)從而間接影響了微生物的多樣性和豐度[12-13]。大量研究表明,土壤pH是影響土壤細(xì)菌群落空間分布格局及多樣性的主要驅(qū)動(dòng)因素[44]。與我們的研究結(jié)果一致,Tsiknia等[45]發(fā)現(xiàn)在流域尺度土壤pH與氮循環(huán)功能基因豐度顯著正相關(guān)。對(duì)我國(guó)大尺度區(qū)域不同生態(tài)系統(tǒng)類型土壤的研究發(fā)現(xiàn),pH是影響氨氧化微生物分布和功能活性的主要因子,氨氧化細(xì)菌和古菌amoA基因的豐度與土壤pH值呈顯著正相關(guān)[46-47]。喬沙沙[48]研究發(fā)現(xiàn)土壤pH通過(guò)影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu),決定碳代謝相關(guān)微生物的豐度,進(jìn)而通過(guò)影響碳代謝功能基因的豐度來(lái)影響土壤碳代謝過(guò)程。然而,我們的研究發(fā)現(xiàn)土壤細(xì)菌的豐度在不同植被類型下無(wú)顯著差異,與土壤性質(zhì)、MAP、植被NDVI指數(shù)等均無(wú)顯著相關(guān),這些結(jié)果表明功能基因?qū)H的響應(yīng)比細(xì)菌更敏感。細(xì)菌的多樣性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于參與C、N轉(zhuǎn)化的功能微生物,因而具有更多生理代謝類型和更寬的pH適應(yīng)范圍。特別值得注意的是,本文結(jié)果顯示土壤的pH與年平均降雨量、濕潤(rùn)指數(shù)和土壤含水率均為顯著負(fù)相關(guān),這說(shuō)明氣候因素,特別是降水改變對(duì)土壤pH有重要影響。如有研究發(fā)現(xiàn)水分平衡的變化會(huì)導(dǎo)致堿性土壤向酸性土壤逐漸過(guò)渡,這主要是由于當(dāng)降雨量大于蒸發(fā)量時(shí),土壤及其母質(zhì)的淋溶作用十分強(qiáng)烈,土壤溶液的鹽基離子易于隨滲濾水向下移動(dòng),導(dǎo)致土壤中易溶性成分減少,溶液中H+取代土壤膠體表面交換態(tài)的金屬離子被土壤所吸附,這些被取代的金屬離子和酸根陰離子一起淋失,使土壤鹽基飽和度下降、氫飽和度增加,引起土壤酸化[49]。因此,未來(lái)需要重視青藏高原降水改變引起土壤pH變化影響碳氮循環(huán)功能微生物代謝,進(jìn)而對(duì)土壤碳、氮等元素的賦存及其周轉(zhuǎn)過(guò)程產(chǎn)生影響。

除此之外,土壤養(yǎng)分也是影響功能基因分布的關(guān)鍵因子,大多研究表明基因豐度與土壤養(yǎng)分呈正相關(guān)關(guān)系[23,50-52]。如斯貴才等[53]研究發(fā)現(xiàn),隨著年平均降水量的下降,土壤有機(jī)碳和全氮含量顯著下降,細(xì)菌、真菌和放線菌含量隨著年降水量的下降而顯著減少。然而,我們的研究發(fā)現(xiàn)與之相反,碳、氮礦化過(guò)程相關(guān)的25個(gè)功能基因的豐度均與土壤SOC和TN含量呈負(fù)相關(guān),與無(wú)機(jī)氮含量不相關(guān),這也表明降水條件所導(dǎo)致的土壤pH的差異對(duì)土壤碳氮循環(huán)功能基因豐度的影響可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了養(yǎng)分的影響。本研究中位于中部的砂生槐灌叢所處海拔最低,年均溫和pH在所有灌叢類型中最高,降雨量適中,土壤有機(jī)碳和全氮含量最低,不及其他灌叢類型1/2,但其功能基因豐度比碳氮含量最高的雪層杜鵑灌叢高。這些結(jié)果表明較高的功能基因豐度以及適宜的溫度、濕度和pH條件,可能加速了土壤中有機(jī)碳氮養(yǎng)分庫(kù)的分解,不利于碳氮養(yǎng)分的累積。綜合以上,這些結(jié)果表明青藏高原土壤碳氮養(yǎng)分庫(kù)和礦化作用受土壤pH、氣候、植被和功能微生物多因素的共同調(diào)控,這些結(jié)果為準(zhǔn)確評(píng)估青藏高原土壤碳、氮庫(kù)及其動(dòng)態(tài)平衡提供了重要參考。

本研究中,土壤CO2釋放速率、凈氮礦化速率與碳氮礦化基因豐度之間沒(méi)有顯著的正相關(guān)關(guān)系。類似地,不少研究發(fā)現(xiàn)在DNA水平上功能基因豐度與碳氮循環(huán)轉(zhuǎn)化速率無(wú)顯著相關(guān)。如汪小蘭等[54]發(fā)現(xiàn)紫色水稻土的硝化作用活性與AOA和AOB的基因拷貝數(shù)無(wú)顯著相關(guān)性。肖海兵[55]研究發(fā)現(xiàn)侵蝕區(qū)土壤細(xì)菌豐度顯著高于沉積區(qū),但有機(jī)碳礦化速率顯著低于沉積區(qū);劉琪等[56]也發(fā)現(xiàn)微生物生物量較低的土壤在培養(yǎng)初期(前20 天)CO2排放速率是高微生物生物量土壤的1.1-6.1倍。此外,土壤中不同碳氮轉(zhuǎn)化過(guò)程耦合發(fā)生,礦化和硝化作用的產(chǎn)物可作為其他反應(yīng)過(guò)程的底物被消耗,如土壤有機(jī)氮礦化所釋放的無(wú)機(jī)氮,也會(huì)進(jìn)一步被其他土壤微生物同化利用,導(dǎo)致凈礦化速率測(cè)定值低于實(shí)際的氮礦化速率。此外,在堿性土壤中有機(jī)碳分解礦化所釋放的CO2還可以被堿性物質(zhì)吸收,以碳酸鹽的形式保存在土壤中,從而降低堿性土壤的CO2排放速率。因此,未來(lái)研究可利用碳氮穩(wěn)定性同位素示蹤技術(shù)進(jìn)一步區(qū)分土壤碳氮轉(zhuǎn)化具體過(guò)程(礦化、同化等)的轉(zhuǎn)化速率,為高原土壤的碳氮管理提供理論指導(dǎo)。

土壤中碳、氮循環(huán)存在強(qiáng)烈的耦合關(guān)系,土壤微生物驅(qū)動(dòng)的碳氮耦聯(lián)作用機(jī)制也是土壤微生物生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)之一[57]。本研究發(fā)現(xiàn)參與碳、氮礦化的基因類群之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系,表明碳氮循環(huán)過(guò)程互相依賴,緊密聯(lián)系。土壤中碳氮的周轉(zhuǎn)受其計(jì)量比的控制[58],在氮素充足的條件下,土壤中較高的植物殘?bào)w投入量及其較低的碳氮比導(dǎo)致微生物更傾向于選擇“新鮮”碳源底物,進(jìn)而減少了原有有機(jī)碳的礦化[59];反之,在氮素受限條件下,高碳氮比的植物殘?bào)w可能會(huì)增加微生物對(duì)無(wú)機(jī)氮素的需求,刺激土壤原有有機(jī)質(zhì)的分解[60]。本研究發(fā)現(xiàn)土壤C:N與CO2釋放、凈礦化速率呈顯著正相關(guān),這也進(jìn)一步證明了上述推斷。同樣,土壤微生物自身也維持相對(duì)穩(wěn)定的CNP比值,據(jù)估計(jì),全球土壤微生物的CNP比值的平均值為60∶7∶1[61]。顯然,青藏高原碳氮元素循環(huán)緊密耦合,調(diào)控和驅(qū)動(dòng)生物地球化學(xué)過(guò)程,加劇了其過(guò)程的復(fù)雜性和不確定性[57]。

土壤中大多數(shù)微生物都參與土壤關(guān)鍵元素的生物地球化學(xué)過(guò)程,但這些微生物種類繁多,數(shù)量巨大,哪些微生物優(yōu)先參與、如何參與仍不清楚[62]。本研究利用高通量定量PCR技術(shù),對(duì)青藏高原不同灌叢類型下參與土壤C、N循環(huán)的多個(gè)功能基因豐度進(jìn)行了表征,一定程度上也代表了參與C、N循環(huán)的功能微生物的多樣性及其潛在功能活性,未來(lái)還要結(jié)合宏基因組學(xué)、宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)和地球化學(xué)分析技術(shù)等對(duì)土壤碳、氮元素的耦合作用過(guò)程和調(diào)控機(jī)理開(kāi)展深入研究。

4 結(jié)論

青藏高原喜馬拉雅山-岡底斯山地區(qū)不同灌叢類型土壤的碳氮含量、碳氮礦化速率及其相關(guān)功能基因的豐度有顯著差異,位于東南部的雪層杜鵑和香柏灌叢區(qū)比位于中西部的變色錦雞兒、金露梅和砂生槐灌叢具有更高的土壤有機(jī)碳含量、全氮含量、CO2釋放及凈氮礦化速率,但碳、氮礦化基因豐度更低。土壤有機(jī)碳、全氮含量、CO2釋放速率、凈氮礦化速率與年平均降雨量顯著正相關(guān),表明降水條件的改變對(duì)土壤碳氮元素賦存及其礦化過(guò)程有重要的影響。土壤碳氮礦化基因豐度與土壤pH呈顯著的正相關(guān),同時(shí)pH與年平均降雨量、濕潤(rùn)指數(shù)和土壤含水率均為顯著負(fù)相關(guān),這意味著青藏高原暖濕化背景下,降水條件改變可能會(huì)通過(guò)影響土壤pH來(lái)調(diào)節(jié)碳氮循環(huán)相關(guān)功能微生物的豐度和活性,從而對(duì)灌叢地區(qū)的土壤養(yǎng)分和灌叢的分布產(chǎn)生重要影響。同時(shí),碳、氮礦化相關(guān)功能基因豐度在各類群間呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系,進(jìn)一步證實(shí)了土壤碳氮循環(huán)過(guò)程間緊密的耦合關(guān)系,這些結(jié)果為準(zhǔn)確評(píng)估青藏高原土壤碳、氮庫(kù)及其動(dòng)態(tài)平衡提供了重要參考。