王安林，馬瑞，馬彥軍，劉騰，田永勝，董正虎，柴巧弟

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

全球氣候變暖和人類不合理的活動加劇了土地荒漠化進(jìn)程[1-3］，致使荒漠化防治成為近半個世紀(jì)以來亟待解決的重要生態(tài)環(huán)境問題[4］。作為荒漠化主要形式之一的沙漠化更是顯著影響我國西北干旱半干旱地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)健康穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵因素[5-7］。得益于幾十年來專家學(xué)者對沙漠化防治技術(shù)的研究積累，“機(jī)械沙障+人工植被固沙”等治沙措施遵循改變近地層氣流結(jié)構(gòu)，減弱風(fēng)蝕，穩(wěn)固植物群落，提高土壤養(yǎng)分等基本一致的生態(tài)學(xué)原理[8-10］，在西北沙漠化土地修復(fù)方面效果顯著[11］。水、土、氣、生和沙5個荒漠生態(tài)系統(tǒng)主要組成要素的恢復(fù)過程是沙漠化防治的關(guān)鍵所在，至今為止專家學(xué)者對此進(jìn)行了充分研究。馬瑞等[12］、Liu 等[13］和Alamusa 等[14］研究發(fā)現(xiàn)，固沙措施不僅增加了植被覆蓋和地上生物量，而且顯著提高了表層土壤含水量，同時減少了土壤水分的深層滲透和側(cè)向遷移。亦有研究發(fā)現(xiàn)機(jī)械沙障及人工植被固沙等措施可顯著改良土壤理化性質(zhì)等生境質(zhì)量，具體表現(xiàn)為土壤質(zhì)量指數(shù)提高、土壤有機(jī)碳儲量、氮和磷等養(yǎng)分含量顯著增加[15-17］。此外郭秋菊等[18］、Chang 等[19］和Sun 等[20］研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合型固沙模式對風(fēng)速、氣溫和空氣相對濕度等氣候因子也產(chǎn)生了積極效應(yīng)。

土壤不僅是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的非均質(zhì)生態(tài)系統(tǒng)，而且還是維系陸地生態(tài)系統(tǒng)功能和服務(wù)的重要載體[21］。土壤微生物更是在主導(dǎo)生物地球化學(xué)循環(huán)，土壤生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定方面扮演重要角色[22-23］。一方面表現(xiàn)為土壤微生物活動加速凋落物和腐殖質(zhì)分解[24］，調(diào)控土壤肥力轉(zhuǎn)化利用和植物養(yǎng)分吸收[25］，促進(jìn)植物—微生物體系共生固氮等[26］；另一方面土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及功能對環(huán)境因子改變的響應(yīng)極為敏感，包含豐富的區(qū)域土壤環(huán)境變化信息[27］。尤其以細(xì)菌為主的土壤微生物群落更是數(shù)量大、種類多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、適應(yīng)極端生境能力強(qiáng)，已被廣泛作為評價土壤生態(tài)系統(tǒng)生境質(zhì)量的重要指示物種[28-29］。隨著16S rRNA 高通量測序和PICRUSt2 宏基因組功能預(yù)測技術(shù)的興起，為解釋土壤微生物群落結(jié)構(gòu)服務(wù)不同生態(tài)系統(tǒng)功能穩(wěn)定提供了新途徑[30］。土壤微生物生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能及生態(tài)脆弱性對不同立地條件生境變化的響應(yīng)已是國內(nèi)外學(xué)者探究土壤微環(huán)境生態(tài)承載力的熱點(diǎn)研究問題。丁鈺珮等[30］和Cao 等[31］研究發(fā)現(xiàn)固沙植被樟子松（Pinus sylvestris）栽植不僅顯著改善了土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)，而且使土壤細(xì)菌代謝功能更加活躍。An 等[32］通過研究荒漠綠洲過渡帶梭梭（Haloxylon ammodendron）46 年的生長過程，發(fā)現(xiàn)植被恢復(fù)后土壤細(xì)菌群落多樣性和豐富度顯著增加。Yu 等[33］研究發(fā)現(xiàn)科爾沁沙地小葉錦雞兒屬（Caragana）固沙植被恢復(fù)過程中土壤微生物和非生物生態(tài)之間存在顯著正向互饋?zhàn)饔谩?/p>

荒漠生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分匱乏，生態(tài)環(huán)境脆弱，人工固沙植被的栽植與恢復(fù)過程導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)發(fā)生顯著變化，從而可能影響到土壤細(xì)菌群落分布特征，而這些土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的演替變化又將影響土壤細(xì)菌代謝活動和土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化利用，最終導(dǎo)致地上植被和生物量的改變[24，34］。然而，以往的研究大多集中于單一固沙措施（植被固沙）對土壤細(xì)菌群落特征的影響，對于機(jī)械沙障+固沙植被復(fù)合型治沙措施對土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和代謝功能的影響研究甚少。鑒于此，本研究以民勤荒漠綠洲過渡帶流動沙丘梭梭林地土壤為對照，以尼龍網(wǎng)格沙障區(qū)梭梭林土壤和黏土沙障區(qū)梭梭林土壤為研究對象，探究復(fù)合型治沙措施區(qū)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和功能及影響機(jī)制，對于深入理解復(fù)合型治沙措施的實(shí)施對荒漠土壤微環(huán)境穩(wěn)態(tài)的改善以及豐富沙化土地生態(tài)功能修復(fù)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處巴丹吉林沙漠東南緣和騰格里沙漠夾縫的民勤荒漠綠洲過渡地帶（38°45'01''-39°26'45'' N，103°16'10''-103°18'24'' E），海拔1298.13～1342.73 m。該地區(qū)光熱資源豐富，降水分布不均，年均降水量113.9 mm，蒸發(fā)量2613.5 mm，屬于典型的干旱荒漠氣候。年平均風(fēng)速3.1 m·s-1，且主要以風(fēng)沙土為主?，F(xiàn)有植被類型包括梭梭、沙拐棗（Calligonum mongolicum）、白刺（Nitraria tangutorum）和紅砂（Reaumuria soongarica）等[11］。

1.2 土壤采集與理化分析

于2022 年植被生長旺季（7 月12 日），在民勤西沙窩老虎口防沙治沙區(qū)進(jìn)行野外調(diào)查和土樣采集，該區(qū)域治沙措施均大面積布設(shè)于2008 年。本研究以尼龍網(wǎng)格沙障區(qū)人工梭梭林（nylon net sand barrier+Haloxylon ammodendron， Nn）和黏土沙障區(qū)人工梭梭林表層土壤（clay sand barrier+Haloxylon ammodendron， Cy）為試驗(yàn)組，以流動沙丘+人工梭梭林地表層土壤（active sand dune， Asd）為對照組（表1）。土壤樣品采集：在Nn、Cy 和Asd 這3個區(qū)域內(nèi)分別隨機(jī)布設(shè)6個標(biāo)準(zhǔn)樣方（20 m×20 m），樣方間距均大于50 m，共計(jì)18個標(biāo)準(zhǔn)樣方，調(diào)查樣方內(nèi)優(yōu)勢種梭梭的數(shù)量特征，每個標(biāo)準(zhǔn)樣方內(nèi)按照五點(diǎn)法均勻設(shè)置5個小樣方（1 m×1 m），并用無菌鏟分別采集5個小樣方0～20 cm 土樣混合均勻?yàn)橐粋€土樣，共采集18 份土樣，每份土樣又分為2 份，一份裝入10 mL 無菌離心管于液氮中保存，用于土壤細(xì)菌測定，另一份風(fēng)干過2 mm 篩用于土壤理化性質(zhì)測定。土壤理化性質(zhì)測定：采用電位法（水土比2.5∶1）測定土壤pH 值；采用重鉻酸鉀硫酸容量法測定土壤有機(jī)質(zhì)（soil organic matter，SOM）[35］；采用凱氏定氮法測定土壤全氮（total nitrogen， TN）；采用酸消解-鉬銻抗比色法測定土壤全磷（total phosphorus， TP）；采用鹽酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定土壤速效磷（available phosphorus， AP）；采用乙酸銨浸提-火焰分光光度法測定土壤速效鉀（available potassium， AK），各指標(biāo)測定方法詳見文獻(xiàn)[36］。

表1 采樣地基本信息Table 1 Basic information on sampling sites

1.3 16S rDNA 提取與測序

本研究采用Magabi 土壤基因組50 ng DNA 純化試劑盒（MagaBio Soil GenomicDNA Purification Kit）提取土壤樣品細(xì)菌總DNA，并利用Thermo NanoDrop One 檢測DNA 的純度和濃度[27］。PCR 擴(kuò)增樣品細(xì)菌16S rRNA基因的V3～V4 可變區(qū)，通用引物為338F“5'-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3'”和806R“5′-GGACTACHVGG GTWTCTAAT-3′”。PCR 擴(kuò)增反應(yīng)體系見表2。

PCR 反應(yīng)條件為：94 ℃預(yù)變性5 min，隨后94 ℃變性30 s，52 ℃退火30 s，72 ℃延伸30 s，循環(huán)30 次，最后72 ℃延伸10 min，并用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測每個樣本3 次重復(fù)混合后的PCR 產(chǎn)物的片段長度和濃度并保存[24］。使用Illumina Nova 6000 平臺標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行建庫操作，并對構(gòu)建的擴(kuò)增子文庫進(jìn)行PE250 高通量測序[27］。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Fastp 軟件分別對原始雙端的RawReads 數(shù)據(jù)進(jìn)行滑窗質(zhì)量剪裁，同時利用Cutadapt 軟件去除首尾兩端的引物，得到質(zhì)控后的優(yōu)質(zhì)序列。在≥97%的相似水平下，用Usearch 軟件Uparse 算法對樣品優(yōu)質(zhì)序列進(jìn)行操作分類單元（operational taxonomic units， OTU）聚類，并選取OTUs 中出現(xiàn)頻率最高的代表性序列集合用Green Genes 和RDP 16S rDNA 物種注釋數(shù)據(jù)庫注釋分析物種?；谫|(zhì)控后的測序數(shù)據(jù)用R（V 4.2.1）軟件進(jìn)行生物信息統(tǒng)計(jì)分析。采用QIIME（V 2020.11.0）軟件計(jì)算細(xì)菌Alpha 多樣性指數(shù)：Chao1 指數(shù)（土壤微生物群落豐富度）、Shannon 指數(shù)和Simpson 指數(shù)（土壤微生物群落多樣性）。采用主坐標(biāo)分析（principal coordinate analysis，PCoA）和置換多元方差分析（adonis）法測定土壤細(xì)菌的Beta 多樣性，探究土壤細(xì)菌群落在自然尺度下的分布格局差異性。采用PICRUSt2 功能預(yù)測軟件（2.3.0-b）對比KEGG 數(shù)據(jù)庫信息獲得各個樣品的KEGG Orthology 相對豐度并進(jìn)行功能預(yù)測。使用Canoco 5 軟件進(jìn)行冗余分析（redundancy analysis， RDA）來探究影響土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及功能的關(guān)鍵理化驅(qū)動因素，并進(jìn)行蒙特卡洛置換檢驗(yàn)，檢驗(yàn)重復(fù)數(shù)為499。運(yùn)用R 語言“vegan”包Mantel檢驗(yàn)分析土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異與土壤代謝功能基因差異間的相關(guān)關(guān)系。采用SPSS 26.0 軟件對標(biāo)準(zhǔn)化后的土壤微生物數(shù)據(jù)與理化數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析（ANOVA），并用多重比較法（Duncan）檢驗(yàn)顯著性差異，作圖均使用R 語言4.2.1“vegan”包和Origin 2022 Pro 繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合型治沙措施區(qū)梭梭林形態(tài)和土壤理化性質(zhì)特征

雖然荒漠土壤養(yǎng)分含量較匱乏，但治沙措施的實(shí)施對土壤養(yǎng)分含量的增加整體具有顯著影響（P＜0.05，表3）。與Asd 相比，Nn 和Cy 治沙措施下土壤SOM、TN、AK 都呈顯著增加的趨勢（P＜0.05），土壤AP 含量雖增加但無顯著差異。研究區(qū)土壤呈堿性，pH 均大于8.22。植被調(diào)查發(fā)現(xiàn)，2 種措施下梭梭林高度（height， H）和蓋度（vegetation coverage， VG）也顯著高于Asd 組（P＜0.05），其中Nn 和Cy 措施區(qū)域梭梭林高度分別增加了23.68%和49.72%，蓋度分別提高了19.80%和30.82%。

表3 土壤因子和梭梭形態(tài)特征變化Table 3 Changes of soil factors and morphological characteristics of H. ammodendron

2.2 土壤細(xì)菌多樣性分析

經(jīng)質(zhì)控抽平后所有樣品聚類共獲得56473個OTU（圖1）。各樣品文庫測序覆蓋率均達(dá)99.02%以上，且通過對有效序列數(shù)和其代表的OTU 數(shù)進(jìn)行隨機(jī)抽樣構(gòu)建細(xì)菌稀釋曲線圖發(fā)現(xiàn)，18個樣品OTU 數(shù)隨著序列數(shù)比例的增加而趨于平緩，近乎平行于橫坐標(biāo)軸，表明樣品OTU 覆蓋度接近飽和，測序結(jié)果基本覆蓋樣本所有微生物學(xué)信息，能代表研究區(qū)土壤細(xì)菌群落真實(shí)概況。Nn（3199）和Cy（3325）土壤平均OTU 數(shù)，較Asd（2872）分別增加了11.39%和15.77%。另外Nn 土壤豐富度指數(shù)（Chao1 指數(shù)）為3384.18，較Asd（3055.82）增加了10.75%（P＜0.05），土壤多樣性指數(shù)（Shannon 指數(shù)和Simpson 指數(shù)）分別為8.39 和0.02，均高于Asd，但無顯著差異。Cy 土壤Chao1 指數(shù)為3500.30，較Asd（3055.82）增加了14.55%（P＜0.05），且Shannon 指數(shù)和Simpson 指數(shù)分別8.76 和0.03，也均高于Asd。但Nn 和Cy 土壤Chao1 指數(shù)、Shannon 指數(shù)和Simpson 指數(shù)之間未表現(xiàn)出顯著差異。

圖1 土壤細(xì)菌Alpha 多樣性分析Fig.1 Analysis of Alpha diversity of soil bacterial

基于主坐標(biāo)分析（PCoA）的土壤細(xì)菌Beta 多樣性顯示（圖2），PCoA1 和PCoA2 軸分別解釋了28.98%和16.77%的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成特征，不同空間距離分布的3 組試驗(yàn)區(qū)土壤細(xì)菌群落重合度較高，Adonis 檢驗(yàn)表明細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)無顯著差異（R2=0.133，P=0.276），說明3 組試驗(yàn)區(qū)土壤細(xì)菌群落組成結(jié)構(gòu)大致相似。

圖2 土壤細(xì)菌Beta 多樣性分析Fig.2 Beta diversity analysis of soil bacteria

2.3 基于分類水平的土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)分析

2.3.1 土壤細(xì)菌門水平群落結(jié)構(gòu) 試驗(yàn)區(qū)所有土樣16S rRNA 聚 類 注 釋 得 到 細(xì) 菌35 門、90 綱、172 目、259 科和436 屬。相對豐度大于1%的細(xì)菌門共有8個（圖3）。其中，放線菌門[（35.42±13.34）%］、變形菌門[（26.33±6.77）%］和綠彎菌門[（10.09±4.73）%］平均相對豐度累計(jì)達(dá)到71.84%，屬于研究區(qū)土壤優(yōu)勢菌群，放線菌門相對豐度最高，占總相對豐度的32.16%～37.09%，但不同治沙措施下3 類優(yōu)勢細(xì)菌門相對豐度并未表現(xiàn)出顯著差異。擬桿菌門、酸桿菌門、芽單胞菌門、藍(lán)藻菌門和厚壁菌門在任意3 組土樣中平均相對豐度占23.41%，是研究區(qū)土壤主要細(xì)菌門類。與Asd 相比，Nn 土壤變形菌門和綠彎菌門相對豐度分別增加了10.11%和45.69%，擬桿菌門和酸桿菌門相對豐度分別降低了29.17%和49.11%；Cy土壤放線菌門和綠彎菌門相對豐度分別降低了13.29%和17.15%。但Cy 土壤擬桿菌門和藍(lán)藻菌門相對豐度卻顯著高于Asd 和Nn（P＜0.05），其余細(xì)菌門相對豐度在3 組樣地之間表現(xiàn)出相似的特征。

圖3 土壤細(xì)菌門水平群落結(jié)構(gòu)Fig.3 Soil bacterial phylum level community structure

2.3.2 土壤細(xì)菌屬水平群落結(jié)構(gòu) 屬水平注釋中，除去unassigned[未定菌屬，（46.61±4.65）%］、uncultured[未培養(yǎng)菌屬，（9.08±0.46）%］和相對豐度小于1%的部分菌屬[（27.14±0.58）%］，共獲得7 類相對豐度大于1%的菌屬（圖4）。這些菌屬在Asd、Nn 和Cy 中分別占15.25%、13.30%和22.97%，表明Cy 治沙措施下，土壤中這7 類菌屬整體相對豐度顯著提高。另外Nn 和Cy 中，假單胞菌屬、紅桿菌屬和假節(jié)桿菌屬相對豐度顯著降低（P＜0.05）。常絲藻菌屬在Cy 樣地的相對豐度顯著高于其他2 組樣地，而糖霉菌屬則在Nn 中表現(xiàn)出較高的相對豐度（P＜0.05）。

圖4 土壤細(xì)菌屬水平群落結(jié)構(gòu)Fig.4 Soil bacterial community structure at genus level

2.4 土壤細(xì)菌群落功能預(yù)測

在KEGG Orthology 數(shù)據(jù)庫中，將各樣品16S rRNA 標(biāo)記基因特征序列利用PICRUSt2 進(jìn)行功能基因預(yù)測和注釋。在一級功能預(yù)測水平共有4 種相對豐度＞1%的主要功能（表4），各功能相對豐度最高的為新陳代謝功能（81.83%），其次依次為遺傳信息處理（11.76%）、細(xì)胞過程（3.85%）和環(huán)境信息處理（2.02%）。除新陳代謝功能外，Nn 和Cy 其余3 種主要土壤細(xì)菌一級功能相對豐度略微高于Asd，但差異不顯著。

表4 土壤細(xì)菌群落一級功能通路的相對豐度Table 4 Relative abundance of primary functional pathways of soil bacterial community （%）

在分布于4個代謝途徑的細(xì)菌群落中，相對豐度大于1%的二級代謝功能包含17個（圖5）。其中碳水化合物代謝（13.46%～13.66%）、氨基酸代謝（13.22%～13.43%）、輔助因子和維生素的代謝（11.79%～12.28%）、萜類和聚酮類化合物的代謝（9.23%～9.58%）為土壤細(xì)菌主要二級代謝功能。Cy 中輔助因子和維生素的代謝（12.28%）及能量代謝（5.58%）相對豐度顯著高于Nn 和Asd（P＜0.05）。細(xì)胞運(yùn)動性功能在Nn 中的相對豐度顯著高于Cy 和Asd（P＜0.05）。此外，其他類代謝功能相對豐度在3 組樣地土壤中特征相似。

圖5 土壤細(xì)菌二級功能相對豐度及差異Fig.5 Relative abundance and difference of secondary function of soil bacteria

2.5 土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及功能與環(huán)境因子的RDA 分析

RDA 分析是基于對應(yīng)分析與多元回歸分析結(jié)合的一種線性排序模型，能直觀地反映影響樣品細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和組成的重要環(huán)境驅(qū)動因素。以土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和代謝功能相對豐度為響應(yīng)變量，標(biāo)準(zhǔn)化后的土壤理化因子數(shù)據(jù)為解釋變量，以期揭示本研究中土壤理化因子對土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和代謝功能相對豐度的影響。如表5 所示，土壤理化因子對細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的解釋率分別為軸1（68.24%）和軸2（0.08%）；對土壤代謝功能的解釋率分別為軸1（37.87%）和軸2（3.90%），且第1 軸起決定性作用；第1 軸與理化因子的相關(guān)系數(shù)分別為0.8278 和0.7772，累積解釋量分別達(dá)到99.80%和80.78%。

RDA 排序模型圖中，物種和環(huán)境因子箭頭之間夾角越小，余弦值越大，相關(guān)性越大。Chao1 指數(shù)、Shannon 指數(shù)和Simpson 指數(shù)箭頭方向幾乎均與環(huán)境因子箭頭相同且呈銳角，說明土壤細(xì)菌多樣性與環(huán)境因子之間存在正相關(guān)關(guān)系（圖6）。變形菌門與SOM、TN 和AK 呈正相關(guān)；綠彎菌門與AK、TN 和SOM 等養(yǎng)分含量呈正相關(guān)；藍(lán)藻菌門與AP、TP、pH 和SOM 等養(yǎng)分含量呈正相關(guān)；其余5 類菌門與環(huán)境因子呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。蒙特卡洛置換檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同治沙措施下影響土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的主要環(huán)境驅(qū)動因素為土壤SOM（P=0.006）。

圖6 土壤細(xì)菌群落與理化因子RDA 分析Fig. 6 RDA analysis of soil bacterial community and physicochemical factors

在土壤細(xì)菌主要功能基因與環(huán)境因子關(guān)系方面，碳水化合物代謝、氨基酸代謝、萜類和聚酮類化合物的代謝相對豐度與所有環(huán)境因子之間呈負(fù)相關(guān)（圖7）；輔助因子和維生素的代謝與AK、VG、TN、H、TP 和SOM 等因子之間呈正相關(guān)；其余代謝功能與環(huán)境因子的相關(guān)性也各有不同。其中影響土壤細(xì)菌代謝功能基因相對豐度較顯著的環(huán)境因子為：AK（P=0.042）和H（P=0.028）。

圖7 土壤細(xì)菌功能基因與理化因子RDA 分析Fig. 7 RDA analysis of functional genes and physicochemical factors of soil bacteria

2.6 土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與功能之間的相關(guān)關(guān)系

不同治沙措施下土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與功能Pearson 相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)（圖8），放線菌門、變形菌門、擬桿菌門、芽單胞菌門和藍(lán)藻菌門與絕大多數(shù)細(xì)菌功能呈顯著相關(guān)關(guān)系，說明這5 類菌群與土壤細(xì)菌代謝功能之間存在潛在的耦合關(guān)系。

圖8 土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與功能相關(guān)性熱圖Fig.8 Heat map of structural and functional correlations of soil bacterial communities

Mantel 檢驗(yàn)表明，不同治沙措施下土壤細(xì)菌二級代謝功能基因相對豐度差異性與群落結(jié)構(gòu)組成相對豐度差異性呈顯著正相關(guān)（P＜0.05，圖9）。

圖9 不同治沙措施下土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異與功能基因豐度差異關(guān)系Fig. 9 Relationship between differences in soil bacterial community structure and differences in functional gene abundance under different sand control measures

3 討論

土壤細(xì)菌參與土壤中物質(zhì)循環(huán)和能量流動及重要代謝活動，對維持土壤肥力，保持土壤健康和土地可持續(xù)生產(chǎn)力具有重要的作用[37］?；?6S rRNA 測序的分子生物學(xué)技術(shù)具有全面、準(zhǔn)確和高通量的特點(diǎn)，能更好地反映土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和物種多樣性[38］。PICRUSt2 作為一種基于系統(tǒng)發(fā)育與功能聯(lián)系假設(shè)的微生物功能預(yù)測方法，為解釋和預(yù)測土壤微生物16S rRNA 標(biāo)記基因代謝功能提供了新途徑[30，39］。

3.1 復(fù)合型治沙措施下梭梭形態(tài)特征及土壤因子變化

植被-土壤系統(tǒng)通過二者互饋?zhàn)饔贸休d生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動[11，40］。植被高度、蓋度等因子變化不但能從側(cè)面反映植被生產(chǎn)力和生態(tài)持續(xù)恢復(fù)水平，而且是區(qū)域植被生態(tài)功能穩(wěn)定和生態(tài)承載力的重要體現(xiàn)[41］。本研究中復(fù)合型治沙措施區(qū)梭梭林高度和蓋度均呈顯著增加的共性趨勢，表明治沙措施為梭梭生長發(fā)育提供了穩(wěn)定的環(huán)境，有助于梭梭生產(chǎn)力的持續(xù)恢復(fù)。此外，Cy 措施下梭梭林高度顯著高于Nn 和Asd，說明不同治沙措施對植被生長發(fā)育會產(chǎn)生不同的影響。以上結(jié)果在研究沙障布設(shè)、梭梭定植等治沙措施與植被群落間關(guān)系的試驗(yàn)中屢見不鮮[42］。生境異質(zhì)性對植被定植、生長產(chǎn)生重要的影響，植被又通過根系分泌物、枯枝落葉分解、沃島效應(yīng)等生態(tài)機(jī)制驅(qū)動土壤因子變化[43-44］。本研究在原始生境流動沙丘基本一致的條件下，復(fù)合型治沙措施成為環(huán)境過濾機(jī)制的主要策略。我國西北多個典型固沙區(qū)域研究的普遍認(rèn)識是：沙障布設(shè)+營造固沙植被的復(fù)合型治沙措施在改善土壤性狀、增加土壤養(yǎng)分含量等方面具有顯著作用[9-11，45-46］。本研究中，雖然荒漠土壤養(yǎng)分含量相對匱乏，但土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和速效鉀等養(yǎng)分含量在Nn 和Cy 措施區(qū)均有所提高。其原因可能是治沙措施區(qū)內(nèi)梭梭林高度和蓋度的增加，截獲和聚集了風(fēng)沙流中塵埃顆粒物及凋落物，對地表土壤肥力具有富集作用[10，46］。以往的研究也表明，植被新陳代謝和凋落物分解過程在荒漠土壤中具有顯著的碳、氮源匯集效果[47］。因此，復(fù)合型治沙措施的實(shí)施使生境質(zhì)量改善，土壤養(yǎng)分含量不斷提高，土壤性狀產(chǎn)生良好的生態(tài)惠益。

3.2 復(fù)合型治沙措施對土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及多樣性的影響

土壤生境的細(xì)微變化都會直接或間接對土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性產(chǎn)生顯著影響[27，48］，越來越多的研究表明干旱乃至荒漠區(qū)域土壤細(xì)菌群落組成基本一致，主要為放線菌門、變形菌門、綠彎菌門、擬桿菌門和藍(lán)藻菌門等近8個類群[24，27-32］。雖然不同立地條件下土壤細(xì)菌相對豐度有所差異，但本研究中3 組樣地細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)總體特征是一致的。放線菌門、變形菌門和綠彎菌門為本研究區(qū)土壤優(yōu)勢細(xì)菌群，這與Sun 等[49］和王子寅等[50］對荒漠土壤細(xì)菌類群的研究結(jié)果相近。李善家等[51］通過研究河西走廊荒漠鹽堿土壤發(fā)現(xiàn)，放線菌門屬于革蘭氏陽性細(xì)菌，因其孢子生殖、耐熱抗旱等豐富的生理特征，使其成為鹽堿干旱惡劣環(huán)境中有力的競爭者。干旱和高輻射等惡劣氣候因素加劇了荒漠綠洲過渡帶土壤鹽堿化程度，減弱了荒漠土壤生態(tài)系統(tǒng)碳、氮等元素循環(huán)進(jìn)程[51-52］，而放線菌門和變形菌門等通過參與異化硝酸鹽還原、硝化和反硝化作用驅(qū)動土壤氮循環(huán)[53］，同時綠彎菌門屬于光能營養(yǎng)型微生物，通過還原性三羧酸循環(huán)和C4-雙羧酸循環(huán)等主導(dǎo)CO2固定和微生物光合作用。這3 類細(xì)菌較高的相對豐度有利于提高荒漠綠洲過渡帶固沙區(qū)域土壤碳、氮循環(huán)，加快土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量流動，提高土壤生態(tài)承載力[54］。此外，本研究中Cy 樣地?cái)M桿菌門和藍(lán)藻菌門具有更高水平的相對豐度，研究表明這2 門細(xì)菌屬于富營養(yǎng)型菌門，能高效利用土壤有機(jī)質(zhì)[24］，Cy 樣地較高的土壤有機(jī)質(zhì)含量為擬桿菌門和藍(lán)藻菌門的生長繁殖提供了充足的物質(zhì)基礎(chǔ)（表3）。細(xì)菌屬水平中，對分析細(xì)菌生態(tài)功能具有阻礙的菌屬占82.82%，說明研究區(qū)土壤細(xì)菌屬水平的微生物學(xué)信息還有很大的挖掘潛力，僅占17.18%的部分已知菌屬結(jié)構(gòu)可能因其不同立地條件和根系分泌物等作用在3 組樣地也產(chǎn)生趨異化特征[27］。

3.3 復(fù)合型治沙措施區(qū)土壤細(xì)菌功能預(yù)測

PICRUSt2 功能預(yù)測可為研究荒漠土壤細(xì)菌生態(tài)功能潛勢提供有力支持[55］。本研究中3 組樣地土壤細(xì)菌功能注釋結(jié)果均表明代謝功能為土壤細(xì)菌主要功能。而代謝功能中起主要作用的碳水化合物代謝、氨基酸代謝、輔助因子和維生素的代謝等在3 組樣地土壤中體現(xiàn)出功能高度冗余的特點(diǎn)，說明荒漠土壤微生物代謝功能可能相對保守，對立地條件的改變響應(yīng)不強(qiáng)烈。丁鈺珮等[30］和杜宇佳等[56］對呼倫貝爾沙區(qū)土壤細(xì)菌功能預(yù)測的研究中發(fā)現(xiàn)，土壤細(xì)菌的核心功能特性中代謝功能較為活躍。同樣地，本研究結(jié)果與利用PICRUSt 技術(shù)對不同海拔鬼箭錦雞兒（Caragana jubata）土壤細(xì)菌功能的預(yù)測結(jié)果高度吻合[27］。甚至在對與荒漠土壤理化性質(zhì)相差很大的黃河下游谷子（Setaria italica）、花生（Arachis hypogaea）間作農(nóng)田土壤細(xì)菌的功能預(yù)測中，代謝功能相對豐度超過79.3%[57］。因此本研究中3 組樣地土壤細(xì)菌功能沒有顯著差異也不足為奇。近期研究發(fā)現(xiàn)，在整體代謝功能相似的微生物群體中，特定代謝功能途徑的基因序列并不完全一致，可能是由于不同環(huán)境條件中，執(zhí)行特定代謝功能的微生物種類不同，從而可以更好地調(diào)節(jié)和維持生態(tài)系統(tǒng)功能的穩(wěn)定[21］。

3.4 復(fù)合型治沙措施區(qū)土壤細(xì)菌群落及功能與理化因子的關(guān)系

微生物群落結(jié)構(gòu)特征對土壤環(huán)境因子的變化極為敏感，以往的研究表明，土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及多樣性和理化因子之間關(guān)系緊密且相互影響[51-53，57-58］。在全球地理格局生態(tài)位分化的大部分研究中，土壤pH 因其直接影響細(xì)菌細(xì)胞膜通透性和穩(wěn)定性，成為影響細(xì)菌群落特性的關(guān)鍵因子[59］。但近期魏鵬等[29］發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳是影響準(zhǔn)噶爾盆地荒漠土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)最主要的理化因子。同樣地，Cao 等[31］對科爾沁沙地樟子松林土壤細(xì)菌群落特征和Yu 等[33］對半干旱荒漠區(qū)錦雞兒屬土壤細(xì)菌群落的研究中均表明與土壤有機(jī)質(zhì)相關(guān)的細(xì)菌屬相對豐度顯著增加，且這些顯著變化可能由其驅(qū)動。本研究RDA 結(jié)果也佐證了土壤有機(jī)質(zhì)和速效鉀等理化因子顯著影響土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)、多樣性及代謝功能，而不是土壤pH。其原因可能是本研究區(qū)同以上研究均為荒漠鹽堿土壤，鹽堿程度的加劇模糊了土壤pH 對細(xì)菌群落的影響，同時，在植被稀疏和土壤養(yǎng)分匱乏的荒漠生態(tài)系統(tǒng)中，碳、氮等營養(yǎng)元素作為塑造土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)最主要的能源物質(zhì)，成為其關(guān)鍵的限制性環(huán)境因子[29-30］。變形菌門和放線菌門等因其異養(yǎng)生理機(jī)制，通過代謝活動參與有機(jī)質(zhì)分解及土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化[27，60］，本研究土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與功能熱圖中主要優(yōu)勢細(xì)菌門與絕大多數(shù)細(xì)菌功能呈顯著相關(guān)（圖8），此外，本研究區(qū)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異與細(xì)菌功能潛勢差異呈顯著正相關(guān)（圖9），進(jìn)一步佐證了這些類群可能在細(xì)菌通過代謝活動驅(qū)動生物地球化學(xué)循環(huán)的過程中扮演重要角色，以及土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)、代謝功能及環(huán)境因子之間存在緊密的相互耦合關(guān)系[61-62］。目前，針對沙化土地修復(fù)區(qū)特定環(huán)境因子對土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及功能潛勢的調(diào)控機(jī)理研究甚少，且研究結(jié)論也不盡相同，因此需結(jié)合宏基因組測序和氮、磷等元素功能基因芯片技術(shù)深入探究特定環(huán)境因子對土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及功能潛勢的特定影響機(jī)制。

4 結(jié)論

1）復(fù)合型治沙措施區(qū)土壤細(xì)菌群落組成相似，優(yōu)勢菌群為放線菌門、變形菌門和綠彎菌門，土壤細(xì)菌多樣性Chao1 指數(shù)顯著高于流動沙丘土壤。

2）代謝功能為研究區(qū)土壤細(xì)菌主要的生態(tài)功能，其中碳水化合物代謝、氨基酸代謝及輔助因子和維生素的代謝在次級代謝功能中相對豐度較大，表現(xiàn)活躍。

3）治沙措施的實(shí)施顯著增加了沙化土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、速效鉀等養(yǎng)分含量，其中土壤有機(jī)質(zhì)和速效鉀等因子顯著影響土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和代謝功能，且土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異性與功能潛勢差異性顯著正相關(guān)。