趙婭茹,吳夢(mèng)瑤,袁麗麗,王曉勤,楊 娟,陳 林,李學(xué)斌,周金星,萬 龍, 龐丹波,*

1 寧夏大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院,西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,寧夏賀蘭山森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站,銀川 750021 2 寧夏大學(xué)林業(yè)與草業(yè)學(xué)院,銀川 750021 3 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院云南建水荒漠生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站, 北京林業(yè)大學(xué)水土保持國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083 4 內(nèi)蒙古賀蘭山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局,阿拉善左旗 750306

土壤中蘊(yùn)藏著大量的微生物,每立方厘米土壤微生物數(shù)量可達(dá)幾百萬,被譽(yù)為地球的“活皮膚”[1]。土壤微生物在陸地生態(tài)系統(tǒng)幾乎所有生物地球化學(xué)循環(huán)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用,如有機(jī)物分解、養(yǎng)分循環(huán)和溫室氣體排放等[2]。土壤微生物群落是土壤有機(jī)碳(soil organic carbon,SOC)轉(zhuǎn)化的核心驅(qū)動(dòng)力,對(duì)土壤和氣候變化異常敏感[3],氣候變暖會(huì)增加土壤有機(jī)碳礦化[4]。土壤微生物除了能參與SOC礦化外,還能在增殖—死亡過程產(chǎn)生大量的微生物殘?bào)w直接貢獻(xiàn)于SOC,微生物殘?bào)w碳可占SOC總量的一半[5],且微生物殘?bào)w緩慢的周轉(zhuǎn)速率可以反映SOC的動(dòng)態(tài)變化[6]。隨著研究技術(shù)的發(fā)展和微生物殘?bào)w標(biāo)識(shí)物的應(yīng)用,越來越多的學(xué)者開始關(guān)注微生物殘?bào)w在評(píng)估土壤碳庫組成、質(zhì)量和動(dòng)態(tài)變化中扮演的角色[7]。

微生物殘?bào)w作為SOC的重要來源持續(xù)積聚在土壤中,在長(zhǎng)期土壤碳動(dòng)態(tài)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[8]。因此,研究全球變化背景下土壤微生物殘?bào)w含量及影響因素對(duì)于理解SOC固存和穩(wěn)定性過程具有重要意義。氨基糖(Amino sugars, AMs)是微生物細(xì)胞壁的組成成分,超過90%的氨基糖來源于微生物殘?bào)w,而高等植物幾乎不合成氨基糖,并且在土壤中的滯留時(shí)間較長(zhǎng)[9]。目前土壤中能夠被準(zhǔn)確測(cè)定的氨基糖:主要來源于真菌細(xì)胞壁的氨基葡萄糖(Glucosamine, GluN)、來源于細(xì)菌細(xì)胞壁的胞壁酸(Muramic acid, MurN)、來源不明確的氨基半乳糖(Galactosamine, GalN)和氨基甘露糖(Mannosamine, ManN)。已有研究表明MurN和GluN分別對(duì)細(xì)菌和真菌具有高度特異性,GalN和ManN是非特異性微生物標(biāo)志物[10]。GluN/MurN可以表征真菌和細(xì)菌對(duì)土壤有機(jī)碳積累的相對(duì)貢獻(xiàn)[11]。基于氨基糖的穩(wěn)定性和異源性,因此可以作為微生物殘?bào)w的標(biāo)識(shí)物,以量化微生物殘?bào)w對(duì)SOC積累的貢獻(xiàn)。

山地生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的生物多樣性中心和生態(tài)功能區(qū)。近年來關(guān)于氨基糖的研究快速增加,然而關(guān)于山地生態(tài)系統(tǒng)海拔梯度變化引起的氨基糖含量響應(yīng)特征及其對(duì)土壤有機(jī)碳貢獻(xiàn)變化的研究相對(duì)不足,且得到的結(jié)論并不一致。Mou[12]等在鼎湖山的研究表明,氨基糖含量以及對(duì)SOC的貢獻(xiàn)沿海拔梯度呈線性升高或先增高后降低的變化趨勢(shì)。Zhang[13]等在長(zhǎng)白山的研究發(fā)現(xiàn),沿海拔梯度上升氨基糖含量變化規(guī)律不明顯。Chen等[14]研究發(fā)現(xiàn)從中國(guó)東部的熱帶森林到北方森林土壤微生物殘?bào)w含量顯著增加,且主要受溫度和土壤總氮的影響。Deng等[15]通過meta發(fā)現(xiàn)微生物和土壤C∶N共同調(diào)控微生物殘?bào)w對(duì)SOC的貢獻(xiàn)。Zeng等[16]在青藏高原和神農(nóng)架的研究發(fā)現(xiàn),溫度、土壤屬性和微生物性狀可能主要通過對(duì)微生物殘?bào)w的調(diào)控間接影響SOC的累積。然而,關(guān)于旱區(qū)山地不同海拔梯度土壤氨基糖的積累受哪些因素調(diào)控尚不清楚,一定程度上限制了人們對(duì)旱區(qū)山地森林土壤微生物固碳機(jī)理的認(rèn)識(shí)。

賀蘭山地處我國(guó)西北干旱區(qū),其山體高聳,地質(zhì)條件和內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜多樣,既有因水分條件差異造成的東、西坡的分異,也有隨溫度變化的垂直地帶性變化[17],氣候和土壤在較小范圍內(nèi)發(fā)生顯著變化,是理想的科研實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[18]。近年來,賀蘭山海拔梯度土壤微生物群落的研究受到重視,關(guān)于土壤氨基糖含量、氨基糖對(duì)SOC的貢獻(xiàn)以及影響因素未見有相關(guān)研究。因此,本文以賀蘭山西坡不同海拔梯度土壤為研究對(duì)象,以氨基糖為指示物,探究不同海拔梯度土壤氨基糖的累積特征以及對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn),擬解決以下科學(xué)問題:(1)賀蘭山西坡土壤氨基糖含量以及對(duì)SOC的貢獻(xiàn)率沿海拔梯度如何變化?(2)形成該分布特征的主要驅(qū)動(dòng)因素是什么?本研究結(jié)果可為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)賀蘭山微生物來源碳組分對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)提供一定數(shù)據(jù)支撐,以期為旱區(qū)山地生態(tài)系統(tǒng)不同海拔梯度微生物對(duì)土壤碳庫的貢獻(xiàn)研究提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地區(qū)與研究方法

賀蘭山(38°27′—39°30′N,105°41′—106°41′E)位于寧夏回族自治區(qū)與內(nèi)蒙古自治區(qū)交界處,銀川平原和阿拉善高原之間[19]。東坡為寧夏自治區(qū)管轄,與草原連接,水熱條件較好;西坡為內(nèi)蒙古自治區(qū)管轄,與荒漠相連,氣候寒冷干燥[20]。賀蘭山處于典型大陸性氣候范圍內(nèi),具有山地氣候特征。年均氣溫8.5—9.0℃,年均降雨量200—400 mm,年均蒸發(fā)量2000 mm,賀蘭山降雨量有明顯的垂直分布規(guī)律[21],平均上升100 m,降雨量增加13.2 mm,其降水主要集中在6—8月份,占全年降水量的60%—80%[22]。

1.2 樣地設(shè)置

2021年8月,在寧夏賀蘭山西坡海拔1800—3000 m之間,分別選取具有代表性的荒漠草原(HM)、灰榆林(HY)、灌木林(GM)、油松林(YS)、山楊杜松混交林(HJ)、云杉杜松混交林(QHJ)、青海云杉林(QH)、高山草甸(CD)等8種海拔植被帶,在每個(gè)植被帶內(nèi)按等高線設(shè)置6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地作為重復(fù),森林樣地選取20 m×20 m,灌木樣地選取5 m×5 m,草地樣地選取1 m×1 m[23]。對(duì)植物群落進(jìn)行調(diào)查,樣地信息見表1。

表1 樣地基本信息表Table 1 Basic information of sample plots

1.3 土壤樣品采集

2021年8月在賀蘭山西坡按照海拔高度和主要植被類型采集土壤樣品。在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地采樣時(shí),去除表面的凋落物,利用五點(diǎn)取樣法采集表層土(0—20 cm)并混合,隨后置于提前準(zhǔn)備的自封袋裝入冰盒帶回實(shí)驗(yàn)室,去除土壤樣品的植物根系和石塊過2 mm篩后分成2份,一部分自然風(fēng)干,用于土壤理化性質(zhì)以及氨基糖的測(cè)定,另一部分在-80℃下冷藏保存,用于土壤微生物PLFAs的測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)測(cè)定

1.4.1土壤理化性質(zhì)測(cè)定

采用pH計(jì)測(cè)定土壤pH(水土比2.5∶1);土壤容重采用烘干法;土壤含水量用環(huán)刀法測(cè)定;土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定;土壤全氮采用凱氏定氮法;全磷采用HClO4-濃H2SO4外加熱消煮法、分光光度法[24]。

1.4.2土壤微生物群落測(cè)定

磷脂脂肪酸常被用來用作微生物群落標(biāo)記物,土壤微生物群落測(cè)定采用磷脂脂肪酸分析法,采用Frostrgard等[25]和Bossie等[26]方法,具體操作步驟為:土壤樣品經(jīng)冷藏干燥處理后,稱取8.0 g鮮土樣品,按照1:2:0.8的比例加入氯仿、甲醇和磷酸緩沖液提取,后在SPE(Solid-phase extraction)硅膠柱上分離得到磷脂脂肪酸。樣品經(jīng)溫和堿性甲醇分解形成脂肪酸甲酯(Fatty acid methyl esters,FAMEs)后,在己烷中溶解,以19:0正十九烷酸甲酯作為內(nèi)標(biāo)物,用氣相色譜儀(Agilent 6890 N)測(cè)定,結(jié)合MIDI Sherlock微生物鑒定系統(tǒng)(Version 4.5;MIDI Inc., Newark, DE)對(duì)PLFAs進(jìn)行鑒定。表征微生物的PLFAs標(biāo)志物有:細(xì)菌(i15:0,a15:0, i16:0,16:1w7c, i17:0,a17:0,17:1w8c,cy17:0,18:1w8c,cy19:0);真菌(18:2w6c,18:1w9c);放線菌(16:0 10-methy1,17:0 10-methy1,18:0 10-methy1)。

1.4.3土壤氨基糖測(cè)定

土壤氨基糖測(cè)定采用Indorf等[27]鄰苯二酚(O-Phthalaldehyde,OPA)柱前衍生-高效液相色譜法(High-performance liquid chromatograghy method,HPLC)。具體操作步驟為:取1g干土于水解中,加入10 mL 6 mol/L鹽酸,在烘箱中105℃下放置6 h后進(jìn)行水解,并使用OPA衍生,使用配備十八烷基硅化硅膠凝膠柱(Octadecylsily,ODS)的高效液相色譜儀分離,使用激發(fā)波長(zhǎng)330 nm和發(fā)射波長(zhǎng)為445 nm的熒光檢測(cè)器檢測(cè),采用混合氨基糖的標(biāo)準(zhǔn)溶液色譜圖對(duì)氨基糖進(jìn)行鑒定和定量。根據(jù)以下公式計(jì)算真細(xì)菌殘?bào)w碳[28]:真菌殘?bào)w碳(mg/kg)=(氨基葡萄糖含量(mg/kg)/氨基葡萄糖摩爾質(zhì)量(179 g/mol)-2×胞壁酸含量(mg/kg)/胞壁酸摩爾質(zhì)量(251 g/mol)×氨基葡萄糖摩爾質(zhì)量(179 g/mol)×9;細(xì)菌殘?bào)w碳(mg/kg)=胞壁酸含量(mg/kg)×45。采用土壤細(xì)菌、真菌殘?bào)w碳占SOC含量的比例來表征土壤細(xì)菌、真菌殘?bào)w對(duì)SOC積累的貢獻(xiàn)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel、IBM SPSS Statistics 27和Canoco 5對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析和統(tǒng)計(jì),利用Origin 2022對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖。通過One sample Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)數(shù)據(jù)正態(tài)分布,采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小差異顯著法(LSD)比較各個(gè)變量分別在不同海拔之間的差異(P<0.05)。采用方差分解分析(Variance partitioning analysis,VPA)的方法分析各影響要素對(duì)土壤氨基糖含量及對(duì)其SOC相對(duì)貢獻(xiàn)。其中土壤理化性質(zhì)(含水率、pH、TN、TP、SOC和C:N)和微生物PLFAs含量(真菌PLFAs含量和細(xì)菌PLFAs含量)作為自變量,氨基糖含量及氨基糖對(duì)SOC貢獻(xiàn)率(GluN、MurN、GalN、T-AMS、BR/SOC、FR/SOC、TR/SOC)作為因變量,相對(duì)貢獻(xiàn)的結(jié)果采用韋恩圖進(jìn)行描述。采用冗余分析(Redundancy analysis,RDA)的方法來檢驗(yàn)土壤理化性質(zhì)、微生物PLFAs含量和海拔梯度對(duì)土壤氨基糖含量及其對(duì)SOC貢獻(xiàn)率的影響是否顯著。在Excel中對(duì)微生物PLFAs含量和氨基糖單體和總氨基糖含量進(jìn)行Log轉(zhuǎn)換,GP:GN、F:B和GluN/MurN為原始數(shù)據(jù),用于分析其沿海拔梯度上升的變化規(guī)律。

2 結(jié)果分析

2.1 不同海拔梯度土壤理化性質(zhì)

賀蘭山不同海拔梯度土壤理化性質(zhì)存在顯著差異(P<0.05,表2)。隨著海拔梯度的升高,土壤含水率、全氮和有機(jī)碳整體呈現(xiàn)升高趨勢(shì),而容重整體表現(xiàn)為降低趨勢(shì);全磷沒有明顯的規(guī)律,在2183 m最大、1848 m最小;pH整體呈現(xiàn)降低趨勢(shì),但土壤總體偏堿性(pH>7),1848 m最小而2707 m最大;C:N先降低后升高,在海拔2183 m最小,在2940 m達(dá)到最大值。

表2 不同海拔梯度土壤基本理化性質(zhì)Table 2 Soil physical and chemical properties at different elevation gradients

2.2 不同海拔梯度土壤微生物PLFAs含量

研究發(fā)現(xiàn)賀蘭山西坡微生物含量隨海拔梯度不同表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律(P<0.01,圖1)。細(xì)菌、真菌、放線菌、叢枝菌根真菌、革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌和微生物總PLFAs都沿海拔梯度上升表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢(shì),在海拔2360 m含量最高,1848 m含量最低。GP:GN在1848—1910 m表現(xiàn)為降低趨勢(shì),1910—2910 m無明顯變化,該比值介于0.360—0.940之間;F:B在1848—2707 m無明顯變化,比值在0.239—0.535之間,即在此海拔區(qū)間土壤微生物是以細(xì)菌為主體的群落結(jié)構(gòu),海拔2940 m處F:B顯著增大,比值在0.311—2.699之間,平均值為1.355。

圖1 不同海拔梯度土壤微生物PLFAs含量Fig.1 Phospholipid fatty acids (PLFAs) contents at different elevation gradientsPLFAs:磷脂脂肪酸Phospholipid fatty acids;AMF:叢枝菌根真菌Arbuscular mycorrhizal fungi;GP:革蘭氏陽性菌Gram-positive bacteria;GN:革蘭氏陰性菌Gram-negative bacteria

2.3 不同海拔梯度土壤氨基糖積累特征

賀蘭山西坡氨基糖單體和總氨基糖含量隨海拔梯度表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律(P<0.001,圖2)。沿海拔梯度上升,MurN和ManN含量在海拔1848—2360 m表現(xiàn)為降低趨勢(shì),在2707—2940 m表現(xiàn)為升高趨勢(shì);GluN以及總氨基糖含量總體呈上升趨勢(shì);GalN含量在低海拔到中海拔區(qū)域略有降低,而后在高海拔處升高,無論是氨基糖單體含量還是總氨基糖含量最大值都出現(xiàn)在2940 m;除MurN含量最小值在2360 m,其余氨基糖單體和總氨基糖含量最小值都在1848 m。GluN/MurN沿海拔梯度上升表現(xiàn)為先升高后降低的變化趨勢(shì)。

圖2 不同海拔梯度氨基糖含量Fig.2 Amino sugars contents at different elevation gradients

2.4 不同海拔梯度土壤氨基糖對(duì)有機(jī)碳的貢獻(xiàn)

由圖3可知,沿海拔梯度上升,真菌、細(xì)菌殘?bào)w碳以及總殘?bào)w碳對(duì)SOC的貢獻(xiàn)率都表現(xiàn)為低海拔區(qū)域(1848—1910 m)高、中海拔區(qū)域(2110—2360 m)和高海拔區(qū)域(2707—2940 m)低的變化規(guī)律;真菌以及總殘?bào)w碳對(duì)SOC的貢獻(xiàn)率在1910 m最大而2110 m最小;細(xì)菌殘?bào)w碳對(duì)SOC的貢獻(xiàn)率在海拔2707 m最小。真菌殘?bào)w碳對(duì)SOC的貢獻(xiàn)率明顯高于細(xì)菌,說明真菌主導(dǎo)了賀蘭山西坡不同海拔梯度土壤微生物殘?bào)w碳對(duì)SOC的貢獻(xiàn)。

圖3 不同海拔梯度氨基糖對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)Fig.3 Contribution of amino sugars to soil organic carbon at different elevation gradientsB-R/SOC:細(xì)菌殘?bào)w碳對(duì)土壤有機(jī)碳貢獻(xiàn)率;F-R/SOC:真菌殘?bào)w碳對(duì)土壤有機(jī)碳貢獻(xiàn)率;T-R/SOC:總殘?bào)w碳對(duì)土壤有機(jī)碳貢獻(xiàn)率

2.5 不同海拔梯度土壤氨基糖及其對(duì)SOC貢獻(xiàn)的調(diào)控因素

方差分解結(jié)果表明(圖4),兩組解釋變量總共解釋了土壤氨基糖含量及氨基糖對(duì)SOC貢獻(xiàn)率變異的55.2%。其中,土壤理化性質(zhì)解釋了變異的52.9%,磷脂脂肪酸含量解釋了變異的26.9%,兩組變量交互作用共同解釋的變異為24.6%。去除共同解釋部分后,土壤理化性質(zhì)凈解釋了變異的28.3%,微生物PLFAs含量?jī)艚忉屃俗儺惖?.3%。

圖4 微生物 PLFAs含量和土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤氨基糖的方差分解(VPA)Fig.4 Variation partitioning analysis (VPA) of soil amino sugars by PLFAs contents and soil physicochemical properties

冗余分析結(jié)果表明(圖5,表3,表4),RDA1和RDA2分別解釋了土壤氨基糖含量及氨基糖對(duì)SOC貢獻(xiàn)率的36.24%和22.67%。由圖5,土壤容重、pH與真菌、SOC、海拔、SWC以及TN負(fù)相關(guān);真菌、細(xì)菌殘?bào)w碳和總殘?bào)w碳對(duì)SOC的貢獻(xiàn)率與pH正相關(guān),而GluN/MurN、全氮以及土壤含水量與真細(xì)菌殘?bào)w碳和總殘?bào)w碳對(duì)SOC的貢獻(xiàn)率負(fù)相關(guān)。GalN、GluN及總氨基糖含量與碳氮比正相關(guān)。由表3,各調(diào)控因素中解釋量最大的為SOC,解釋量最小的為TP,SOC、TN、SWC、C:N、pH以及海拔梯度(P<0.05)是土壤氨基糖含量及氨基糖對(duì)SOC貢獻(xiàn)率的主要調(diào)控因素。

圖5 土壤氨基糖與土壤理化性質(zhì)和微生物PLFAs含量的冗余分析Fig.5 Redundancy analysis of soil amino sugars with soil physicochemical properties and microbial PLFAs contentsT-AMS:總氨基糖Total Amino sugars;Fungi:真菌PLFAs含量;Bacteria:細(xì)菌PLFAs含量;MurN:胞壁酸;GalN:氨基半乳糖;GluN:氨基葡萄糖;ManN:氨基甘露糖;GluN/MurN:氨基葡萄糖含量與胞壁酸含量之比

表3 土壤理化性質(zhì)和微生物PLFAs含量對(duì)土壤氨基糖的解釋量和顯著性檢驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of interpretation and significance tests of soil physicochemical properties and microbial PLFAs contents

表4 土壤氨基糖與土壤理化性質(zhì)和微生物PLFAs含量的冗余分析結(jié)果Table 4 Results of the redundancy analysis of soil amino sugars with soil physicochemical properties and microbial PLFAs contents

3 討論

3.1 海拔梯度對(duì)土壤微生物生物量的影響

土壤微生物的海拔分異格局是氣候條件和土壤性質(zhì)空間異質(zhì)性共同作用的結(jié)果[29]。研究結(jié)果顯示,沿海拔梯度上升,微生物各類群PLFAs含量呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢(shì),在海拔2360 m高于其他海拔,這一結(jié)果與馬進(jìn)鵬等[30]在賀蘭山東坡研究土壤微生物各類群PLFAs含量沿海拔梯度變化的趨勢(shì)相同。曹麗花等[31]在色季拉山研究不同海拔梯度土壤微生物各類群PLFAs含量發(fā)現(xiàn),隨海拔上升細(xì)菌和放線菌無明顯變化規(guī)律而真菌PLFAs含量增加[31],可見不同海拔區(qū)域微生物PLFAs含量的變化規(guī)律并不完全相同。學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為植物多樣性沿海拔梯度上升呈現(xiàn)典型的單調(diào)遞減[32—34]或者中海拔區(qū)域高的單峰曲線變化規(guī)律[35—37],賀蘭山2360 m分布著云杉杜松混交林,林下物種相對(duì)豐富(表1),豐富的凋落物和植物光合碳輸入刺激微生物增殖與周轉(zhuǎn)過程,導(dǎo)致該海拔土壤具有更多的微生物[38]。荒漠草原(1848 m)凋落物相對(duì)較少,凋落物的轉(zhuǎn)化效率和土壤碳輸入量較低,導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)狀況低(TN和SOC較低),由于缺乏能源物質(zhì),微生物數(shù)量少且活性較低[39]。因此,高海拔處微生物各類群以及總PLFAs含量都略有下降,可能是因?yàn)殡S著海拔梯度的升高溫度降低,盡管高海拔地區(qū)的低溫可能有利于養(yǎng)分積累,但其礦化的限制也會(huì)抑制養(yǎng)分可用性和微生物積累[40]。

一般認(rèn)為F:B可判斷土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性[41]和兩種類群的相對(duì)豐富程度[42],比值越高說明生態(tài)系統(tǒng)越穩(wěn)定[22]。本研究中,F:B在2940 m最大,1810—2707 m比值小且無明顯差異,可能是因?yàn)?940 m土壤具有較低的pH和最大的C:N(表2),真菌傾向于利用低pH和高C:N的難分解底物,而細(xì)菌相反[43—44],因此導(dǎo)致真菌含量高于細(xì)菌含量。土壤養(yǎng)分與微生物群落顯著相關(guān)[45],有研究表明,GP:GN可作為土壤有機(jī)碳有效性的指示因子,GP:GN比值越小,則該土壤環(huán)境營(yíng)養(yǎng)越豐富[45],GN傾向于使用相對(duì)不穩(wěn)定的植物來源碳,而GP傾向使用更頑固的土壤有機(jī)質(zhì)來源碳[46];GP的比例高則表明資源可用性低[47]。在本研究中,該比值在1848 m最大,1910—2940 m比值小且無明顯差異,荒漠草原微生物含量低是由于植物物種單一、植被覆蓋度低、枯落物輸入量少,土壤環(huán)境較為貧瘠,因此微生物可利用的養(yǎng)分含量低且微生物生長(zhǎng)受到抑制[18]。另外,荒漠草原含水量低,低含水量也會(huì)限制微生物生長(zhǎng)[48]。

3.2 海拔梯度對(duì)土壤氨基糖累積特征的影響

四種氨基糖單體和總氨基糖含量在賀蘭山西坡的累積特征受到海拔梯度的顯著影響,隨海拔梯度上升,GluN和GalN表現(xiàn)為上升趨勢(shì),而MurN和ManN為先降低后增加的變化趨勢(shì)(圖2),表明不同來源的氨基糖對(duì)海拔梯度上升的響應(yīng)存在顯著差異。土壤氨基糖和SOC含量隨海拔梯度升高增加(圖2,表2),說明高海拔地區(qū)土壤能積累更多的氨基糖。凋落物降解過程中會(huì)產(chǎn)生大量的可溶性有機(jī)碳,有利于微生物周轉(zhuǎn)過程中氨基糖的積累[49]。Chen等[14]發(fā)現(xiàn)森林SOC與微生物殘?bào)w碳呈顯著正相關(guān)。賀蘭山西坡2940 m分布著高山草甸,其中SOC含量較高,微生物能快速同化SOC并形成殘?bào)w積累在土壤中,因此具有較高的氨基糖含量[50]。而其他海拔梯度SOC含量相對(duì)較少,因此土壤氨基糖含量偏低。

GluN/MurN可以在一定程度上反映真菌和細(xì)菌在土壤有機(jī)碳積累過程的相對(duì)貢獻(xiàn)[44, 51],比值越大表明真菌殘?bào)w對(duì)SOC積累的貢獻(xiàn)提高,該比值隨海拔梯度上升先增大,在2707 m達(dá)到最大值而后減小,說明1848—2707 m真菌殘?bào)w碳對(duì)SOC的貢獻(xiàn)大于細(xì)菌殘?bào)w碳,在2940 m細(xì)菌殘?bào)w的貢獻(xiàn)增加。由于GluN的化學(xué)穩(wěn)定性和MurN的快速周轉(zhuǎn)使得GluN含量始終較高,而高海拔處低溫和潮濕的水熱條件以及pH的降低促進(jìn)了微生物殘?bào)w積累[16],因此MurN含量增加導(dǎo)致GluN/MurN減小。此外,細(xì)菌殘?bào)w碳對(duì)SOC貢獻(xiàn)率始終維持在一個(gè)較低的水平,且真菌殘?bào)w碳對(duì)SOC的貢獻(xiàn)率始終高于細(xì)菌殘?bào)w碳(圖3),表明賀蘭山西坡不同海拔梯度土壤中真菌殘?bào)w碳在SOC的積累中具有主導(dǎo)作用[52],這與Liang等在溫帶農(nóng)田、草地以及森林生態(tài)系統(tǒng)得到的結(jié)論相吻合[8]。姚宏佳等[53]在黃土高原的研究發(fā)現(xiàn)農(nóng)田細(xì)菌殘?bào)w含量高于真菌殘?bào)w碳,草地細(xì)菌殘?bào)w含量低于真菌殘?bào)w碳,說明不同地區(qū)微生物殘?bào)w對(duì)SOC貢獻(xiàn)的主導(dǎo)類群不同。

3.3 真菌和細(xì)菌對(duì)土壤有機(jī)碳累積的貢獻(xiàn)

SOC主要有兩個(gè)累積途徑:植物碳收入(凋落物與根系分泌物)和微生物代謝產(chǎn)物及微生物殘?bào)w[38]。由圖3可知,低海拔和高海拔區(qū)域真菌和細(xì)菌殘?bào)w碳對(duì)SOC的貢獻(xiàn)高于中海拔地區(qū),這與Yang等在武夷山得到的結(jié)果一致[54],說明在中海拔區(qū)域植物來源碳占據(jù)SOC的大部分。賀蘭山中海拔地區(qū)分布著以油松、云杉、杜松為優(yōu)勢(shì)物種的針葉林或山楊和杜松為優(yōu)勢(shì)物種的針闊混交林,凋落物中含有木質(zhì)素、單寧等頑固的化學(xué)組分難以被微生物利用,因此導(dǎo)致土壤中植物來源碳大于微生物來源碳[55—56],但中海拔良好的水熱條件促進(jìn)微生物代謝與積累,導(dǎo)致中海拔區(qū)域具有較高的微生物含量[30]。本研究推測(cè)植物來源碳大于微生物來源碳,今后應(yīng)采用木質(zhì)素作為植物來源碳指示物,對(duì)其進(jìn)行更加科學(xué)合理的解釋[57]。同時(shí),不同海拔梯度下氣候差異也是導(dǎo)致氨基糖含量產(chǎn)生差異的原因,氨基糖比有機(jī)碳更易受到水熱條件變化的影響[58],Shao等[58]在半干旱草地模擬氣候變化實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示,總氨基糖和氨基葡萄糖含量均隨降水的增加而顯著增加,隨溫度的升高而降低,而降水增加和變暖均不影響胞壁酸含量。Zeng等[16]在青藏高原和神農(nóng)架的研究表明溫度隨海拔梯度增加而降低,真菌與細(xì)菌來源氨基糖含量隨著溫度的上升而降低,隨土壤水分的減少而降低,說明土壤水分和溫度對(duì)土壤氨基糖產(chǎn)生影響,不同地區(qū)真菌和細(xì)菌來源的氨基糖對(duì)水分和溫度的變化響應(yīng)不同。本研究中,土壤含水率隨海拔上升而增加(表2),溫度隨海拔梯度上升而降低[4],這可能是各個(gè)氨基糖單體和總氨基糖總體呈現(xiàn)出升高趨勢(shì)的原因之一。

真菌主導(dǎo)了賀蘭山西坡微生物殘?bào)w碳對(duì)SOC的貢獻(xiàn)(圖3),這可能是因?yàn)檎婢鷼報(bào)w與細(xì)菌殘?bào)w化學(xué)穩(wěn)定性不同,真菌殘?bào)w會(huì)與土壤團(tuán)聚體和礦物結(jié)合獲得物理保護(hù)而具有更大的穩(wěn)定性[59],因此真菌殘?bào)w更易在土壤中積累。有研究顯示,賀蘭山土壤環(huán)境受N和P元素的限制[60],細(xì)菌殘?bào)w會(huì)優(yōu)先降解滿足N限制土壤中微生物生長(zhǎng)的需求[61],不利于細(xì)菌殘?bào)w碳對(duì)SOC的貢獻(xiàn)。冗余分析結(jié)果表明,SOC、TN、SWC等對(duì)氨基糖含量及其對(duì)SOC的貢獻(xiàn)率解釋量更大(表3),說明土壤理化性質(zhì)是調(diào)控氨基糖積累的主要因素,且VPA分析表明土壤理化性質(zhì)(52.9%)相比微生物PLFAs含量(26.9%)和它們之間的交互作用(24.6%)對(duì)氨基糖含量及其對(duì)SOC的貢獻(xiàn)率更大。Zhang等[13]在長(zhǎng)白山研究發(fā)現(xiàn)土壤pH和C:N是微生物殘?bào)w分布格局的最重要驅(qū)動(dòng)因素。楊家明等[62]在高寒草甸的研究顯示土壤pH、TN和SOC是細(xì)菌和真菌殘?bào)w碳及微生物殘?bào)w碳的主要影響因子。張世良等[63]在馬尾松純林和馬尾松木荷混交林研究發(fā)現(xiàn)TN和凋落物C:N是影響土壤氨基糖變化的主要因素。因此,不同地區(qū)土壤氨基糖含量的影響因素會(huì)產(chǎn)生差異。以往的諸多研究都表明雖然微生物PLFAs含量為瞬時(shí)指標(biāo),但是在一定程度上與死亡殘?bào)w的累積量成正比[54]。而本研究表明土壤氨基糖的積累與微生物PLFAs含量并未完全耦合,土壤理化性質(zhì)是主要影響因素,這與牟之建等[12]在鼎湖山、王全成等[64]在亞熱帶森林以及Ma等[65]在半干旱草原上得到的結(jié)論一致。

4 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn),賀蘭山西坡海拔梯度對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和土壤氨基糖的積累產(chǎn)生顯著影響,微生物PLFAs含量表現(xiàn)為中海拔區(qū)域高、低海拔區(qū)域和高海拔區(qū)域低。高海拔區(qū)域土壤能積累更多的氨基糖,氨基糖單體和總氨基糖含量表現(xiàn)為高海拔區(qū)域高,低海拔區(qū)域和中海拔區(qū)域低。在不同海拔梯度上,與細(xì)菌殘?bào)w碳相比,真菌殘?bào)w碳占SOC比例更高,表明在賀蘭山西坡不同海拔梯度真菌殘?bào)w碳對(duì)SOC貢獻(xiàn)率占據(jù)主導(dǎo)地位。海拔梯度通過改變土壤理化性質(zhì),間接影響氨基糖在土壤中的積累,土壤理化性質(zhì)相比微生物PLFAs含量對(duì)氨基糖在土壤中積累的影響更為重要。因此,在研究微生物驅(qū)動(dòng)SOC存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化機(jī)制過程中,不能將氨基糖積累的差異單一歸因于微生物含量的變化。