青藏高原高寒草甸不同海拔梯度下土壤微生物群落碳代謝多樣性

王 穎,宗 寧,何念鵬,張晉京,田 靜,*,李良濤

1 中國科學院地理科學與資源研究所,生態系統網絡觀測與模擬重點實驗室,北京 100101 2 河北工程大學園林與生態工程學院,邯鄲 056001 3 吉林農業大學資源與環境學院,長春 130118

土壤微生物作為土壤中重要的生物組成部分,是土壤有機質和養分循環的主要驅動力[1- 3],在調控生物地球化學循環過程和維持生態系統功能方面起著關鍵作用[4- 5]。近年來,土壤微生物群落和功能多樣性已經成為生態學領域的研究熱點[6],揭示土壤微生物群落和功能多樣性的變化規律以及其影響機制,可為生態系統服務以及管理提供重要科學依據[7- 8]。

海拔梯度的上升會引起氣候、植被以及土壤因素的變化,進而可能引起土壤微生物功能多樣性的改變[9- 13]。近年來一些研究報道了土壤微生物功能多樣性海拔分布格局及影響因子。例如宋賢沖等[14]采用Biolog法研究了廣西貓兒山不同海拔植被帶土壤微生物碳源利用能力,研究發現隨著海拔上升土壤微生物碳源利用能力呈現線性下降趨勢,其中土壤全鉀和土壤含水量是主要影響因子。相反,通過研究賀蘭山不同海拔植被帶的土壤微生物碳代謝功能,發現海拔最高的亞高山草甸土壤微生物群落利用碳源的能力最強,而處于最低海拔處的荒漠草原的平均顏色變化率(average well color development,AWCD)最低,并指出地上植被類型對土壤微生物群落碳源利用類型多樣性有重要影響[8]。通過分析西藏色季拉山西坡不同海拔下的土壤微生物碳源代謝,也發現土壤微生物碳源代謝活性隨海拔的升高而降低,其中土壤pH是主要影響因素[6]。借助功能基因芯片,楊云峰等發現青藏高原土壤微生物功能基因在不同海拔梯度上存在差異[15]。研究發現土壤微生物活性(如參與C、N和P循環的酶)呈現隨海拔上升而升高[16- 17]或降低[17- 18]的趨勢。以上研究表明,微生物功能多樣性在海拔梯度變化中會表現不同的變化趨勢,主要影響因子也存在很大不同。這些研究的差異可能和不同地區不同海拔梯度下的地形條件、土壤環境、氣候因子以及地上植被狀況存在密切關系,因此有待加強不同地區不同海拔土壤微生物功能多樣性變化格局和影響機制的研究。

青藏高原是地球陸地生態系統的重要組成部分,是生態環境最為奇特、生物資源最為豐富的自然資源寶庫之一,具有獨特的海拔、氣候和生態系統類型,不僅對全球氣候變化十分敏感,而且在亞洲氣候乃至全球氣候變化過程中扮演著重要角色[19- 20]。作為青藏高原較為典型的植被類型,高寒草甸是適應高原隆起和長期低溫環境形成的特殊產物,是典型的高原地帶性和山地垂直地帶性植被,是青藏高原高寒草地生態系統的主體[21],其微生物群落功能多樣性與其他區域存在巨大差異,因而具有極高的科學研究價值并逐漸被人們所關注[19]。據此,本研究目標在于：(1)運用Biolog微平板技術研究青藏高原高寒草甸土壤微生物群落碳代謝多樣性沿海拔梯度變化的規律；(2)闡明環境因子對微生物群落碳代謝多樣性的影響機制。在全球氣候變暖和高寒草甸趨于退化的大背景下,期望借助該研究為青藏高原高寒草甸地區的土壤質量監測、植被恢復和可持續生態系統管理建設等提供理論科學依據。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區域概況

研究區域位于西藏自治區拉薩市北當雄縣草原站北側山峰的南向山坡(30°30′—30°32′N,91°03′E),背靠念青唐古拉山脈,基面海拔4300 m,最高海拔可達6000 m以上,草線位置大致在5210 m,屬于高原亞寒帶季風半干旱氣候。多年平均氣溫1.8℃,最冷月(1月)均溫-9.1℃,最熱月(7月)11.0℃,氣溫年均差達到20℃。多年年平均降水量479 mm,其中90%集中在5—9月,雨熱同期,干濕季明顯[22]。海拔4600 m以上的主要土壤類型是高山草甸土,4600 m以下為草原草甸土。4300—4650 m海拔處的植被類型是以絲穎針(S.capillacea)為主的山地草甸,4650—5100 m海拔處是以高山嵩草(K.pygmaea)為主的典型草甸,其他優勢種還有墊狀點地梅(Androsacetapaete)、瀾滄雪靈芝(Arenarialancangensis)、雪白委陵菜(Potentillanivea)等[22]。

1.2 土壤樣品的采集與處理

1.2.1 土壤樣品采集

1.2.2 土壤理化性質

1.2.3 土壤微生物碳源利用多樣性測定

土壤微生物群落碳代謝多樣性采用Biolog方法進行[24- 25]：稱取10 g新鮮土樣加入100 mL 0.85%無菌NaCl溶液的三角瓶中,封口,180 r/min,28℃振蕩30 min。靜置2 min,取上清液2 mL加入18 mL 0.85%無菌NaCl溶液中,如此重復稀釋1次,制得1∶1000的提取液。取150 μm提取液接種到生態板的每一個孔中,最后將接種好的板置于28℃的恒溫培養箱中培養,前72 h每隔12 h在Biolog儀讀取590 nm的光密度值,之后改為每24 h讀取1次密度值,培養時間共為168 h。

土壤微生物的代謝活性用每孔顏色平均變化率(AWCD)來描述,計算公式如下[26]：

式中,C為每個有培養基孔的光密度值,R為對照孔的光密度值,n為碳源的數目,Biolog生態板的C源數目為31[27]。本研究采用培養72 h光密度值分析土壤微生物群落功能多樣性,計算公式如下[28]：

豐富度指數S=被利用碳源的總數目

式中,Pi為第i個孔的相對吸光值與整個微平板相對吸光值的比值,計算公式為：

1.3 數據計算與處理

通過PCA(Principle component analysis,PCA)對不同海拔微生物群落碳源代謝多樣性進行分析。利用VPA(Variation partitioning analysis,VPA)和偏曼特爾檢驗(Partial mantel test)分析評估不同環境因子對不同海拔微生物碳源代謝多樣性的影響大小。PCA、VPA和偏曼特爾檢驗主要采用R 軟件的vegan程序包。

圖1 不同海拔土壤微生物群落單孔平均顏色變化率

2 結果與分析

2.1 不同海拔土壤微生物碳源代謝活性及功能多樣性指數變化

AWCD反映了微生物群落碳源的利用強度。由圖1可知,六種不同海拔梯度土壤微生物AWCD值均隨時間的延長而升高。不同海拔下AWCD大小順序為：4800 m>4950 m>4400 m>4650 m>5100 m>4300 m,表明4800—4950 m海拔地區土壤微生物碳源代謝強度最高。隨著海拔上升,除均勻度指數變化不太明顯外,Shannon 多樣性指數和碳源利用豐富度指數差異顯著,其中在4800—4950 m海拔的三類多樣性指數明顯高于其他海拔梯度(表1)。

表1 不同海拔土壤微生物群落功能多樣性指數

同行不同字母表示差異顯著(P<0.05)

2.2 不同海拔土壤微生物碳源利用

通過對不同海拔下土壤微生物對6種主要碳源類型的利用程度分析可以看出(圖2),不同海拔下土壤微生物對碳源的利用主要集中碳水化合物類、氨基酸類和胺類三大類物質,對聚合物類和酚酸類物質的利用程度相對較低。不同海拔土壤微生物群落對同一類型碳源的利用強度也有明顯差異(圖2)。除了聚合物類,隨著海拔升高,微生物群落對其他五種類型碳源利用均呈現先上升而后下降的單峰變化趨勢,表現為4800—4950 m碳源利用率達到最高,表明不同海拔土壤微生物對不同碳源的利用呈現一致的規律,即4800—4950 m海拔地區土壤微生物群落擁有高的碳源利用能力,特別是對碳水化合物類、羧酸類、氨基酸類和胺類碳源的利用強度受海拔影響較大。

圖2 不同海拔下土壤微生物6類碳源利用強度

圖3 不同海拔土壤微生物群落代謝主成分分析

2.3 不同海拔土壤微生物群落代謝差異

PCA分析表明不同海拔土壤微生物群落在碳源利用上有明顯的分異,可見海拔變化對土壤微生物群落碳代謝特征有顯著影響(圖3)。其中主成分1(PC1)和主成分2(PC2)的方差貢獻率分別為47.6%和19.7%,累計方差貢獻率為67.3%。

初始載荷因子反映主成分與碳源利用的相關系數,載荷因子越高表示碳源對主成分的影響越大。從表2可以看出,與PC1有較高相關性的碳源有9種,其中碳水化合物類5種、氨基酸類1種、羧酸類1種、聚合物類1種和酚酸類1種；與PC2有較高相關性的碳源僅有2種,分別是羧酸類1種和氨基酸類1種。綜合以上發現我們也發現,對土壤微生物群落代謝特征起分異作用的主要碳源類型是碳水化合物類、羧酸類和氨基酸類,即微生物碳源代謝多樣性的垂直地帶性差異主要體現在碳水化合物類、氨基酸類和羧酸類,其中碳水化合物類尤為突出。

2.4 不同海拔土壤微生物碳源利用的主要影響因子

表2 31種碳源的主成分載荷因子

為了排除各種環境因子的多重作用及其之間的交互作用,更好的明確影響土壤微生物碳源利用的主要環境因子,將與之相關的12個環境因子進行偏曼特爾檢驗(表3)。結果表明,土壤含水量(r=0.043,P=0.001)、植被豐富度(r=0.360,P=0.001)和MAP(r=0.272,P=0.004)是影響土壤微生物碳源利用的最主要的環境因子(P<0.05)。

圖4 不同海拔梯度下碳源利用受環境因子影響的分類變異分析

3 討論

3.1 不同海拔對土壤微生物碳源利用影響

隨著海拔高度的增加,不同海拔梯度下土壤微生物AWCD值均隨時間的延長而上升,其中4800 m海拔地區的AWCD值顯著高于其他海拔梯度,表明該海拔地區土壤微生物碳源利用強度最高(圖1)。宋賢沖等[14]對廣西貓兒山不同海拔植被帶土壤微生物單一碳源利用能力的研究表明,隨著海拔上升土壤微生物碳源利用能力呈現下降趨勢。劉秉儒等[8]研究表明賀蘭山不同海拔植被帶的土壤微生物碳代謝功能隨海拔的升高而增大。本研究結果表明,隨著海拔升高,土壤微生物碳源利用能力呈現先上升后下降的單峰變化趨勢,與上述研究結果不一致。一方面,氣候與水文等各種自然地理因素在垂直地帶上具有復雜的梯度變化,許多環境因素和生物特性會隨海拔變化而發生改變[17]。除此之外,低溫高濕的氣候條件而又極少受到人為干擾也可能是4800 m海拔地區土壤微生物碳源利用最高的重要原因。同時研究還發現微生物碳源利用的垂直地帶性差異主要體現在碳水化合物、羧酸、氨基酸和胺類四類碳源的利用上(圖2,圖3),這與朱平等[29]的研究結果一致。這可能是由于4800 m海拔地區低溫高濕的氣候條件限制了土壤中好氣性微生物的活動,不利于難氧化有機碳的礦化,因而微生物對聚合物類和酚酸類等物質的利用程度相對較低。

3.2 不同海拔對土壤微生物碳源利用多樣性影響以及影響機制

本研究發現,海拔顯著影響了土壤微生物碳源利用,同時4800 m海拔處土壤微生物Shannon多樣性和碳源利用豐富度指數顯著高于其他海拔梯度(表1,圖3),表明該海拔地區土壤微生物碳源利用功能多樣性最高。以往大量研究發現,植物和動物在垂直地帶上的多樣性分布存在明顯的中峰優勢[30- 32],即山地生態學中的“中部膨脹”理論[33- 34]。本研究結果說明青藏高原高寒草甸草原生態系統的土壤微生物碳源利用多樣性存在著與動植物多樣性類似的中峰優勢分布規律。斯貴才等[30]對藏東南林芝地區色季拉山森林土壤微生物群落結構與土壤酶活性沿海拔梯度變化的研究中發現,森林土壤微生物量在3900 m海拔地區達到最高,是第一次研究表明森林生態系統土壤微生物量在海拔梯度上呈現出與動植物類似的中峰優勢。于建龍等[35]在對青海玉樹不同海拔高度草氈土微生物數量及影響因子的研究中也發現,隨著海拔高度的增加,土壤微生物含量呈現先上升后下降的變化趨勢,同樣表現為明顯的中峰優勢。但也有研究報道青藏高原色季拉山西坡3105—4556 m土壤微生物群落組成和結構的研究中沒有表現出明顯的海拔分布特征[36]。

不同海拔土壤微生物生存環境的不同是導致土壤微生物功能多樣性分布存在明顯梯度差異的主要原因[37]。該研究中微生物功能多樣性呈現的中峰優勢表明青藏高原高寒草甸土壤微生物的生存環境在中間海拔4800 m處達到最佳,在此基礎上海拔的升高或降低,都會造成土壤微生物環境的改變進而影響微生物的碳源多樣性。研究發現該地區呈現的中峰優勢是由多種環境因子共同作用的結果,其中包括土壤、植物和氣候的多重作用且各種環境因子之間存在交互影響(圖4)。VPA分析表明,土壤、植物和氣候因子的多重及交互作用共解釋了微生物碳源利用多樣性在海拔梯度上變異的79%,其中土壤因子對土壤微生物碳源代謝的貢獻率最大(圖4)。研究發現,氣候和植被可通過改變土壤狀況來影響土壤養分進而對微生物碳源代謝產生影響[37],比如,氣候因子(MAT和MAP)中的MAP可能通過增加土壤濕度直接影響微生物活性[16,38],植物群落組成和結構則可能通過影響根際土壤的理化性質進而影響微生物功能多樣性[16,39]。所以,在各種環境因子多重作用及其交互作用的復雜關系中,土壤要素能對微生物碳源利用產生更大的影響。

表3 不同海拔梯度下碳源利用受環境因子影響的偏曼特爾檢驗

根據不同海拔碳源利用率和環境因子之間進行9999次排列得出相關系數和顯著性值

為了排除各種環境因子的多重作用及其之間的交互作用,偏曼特爾檢驗表明土壤含水量、植被豐富度和MAP是影響土壤微生物碳源代謝最重要的環境因子(表3)。土壤含水量是影響土壤微生物代謝活性及功能多樣性的重要因素,而降水增加土壤濕度,同時降水的變化還能引起土壤中速效磷含量的變化[40- 41],說明降水量的變化能夠明顯改善土壤微生物生存的營養環境,從而對土壤微生物活性產生影響[41- 42],所以土壤含水量和MAP可以共同影響土壤微生物碳源利用。在青藏高原的高寒草甸生態系統中,4800 m海拔處的降水最為豐富,土壤含水量最高,溫度也相對較低,土壤微環境有明顯的低溫高濕特征,同時土壤蒸發量也相應減少,所以土壤中可以保持較多的水分[43],進而可能引起土壤含水量和MAP與微生物碳源利用呈現極顯著相關(P=0.001,0.004)。相關研究顯示,土壤含水量在調節微生物活性與多樣性方面至關重要,它直接影響微生物的生理狀態,限制微生物分解某些化合物的能力,同時調節土壤酶和土壤理化性質,進而影響微生物組成與活性[44]。Cederlunda等[45]的研究表明,含水量高的土壤有較高微生物活性,王杰等[38]對貝加爾針茅草原土壤微生物碳源利用多樣性對氮素和水分添加的響應的研究表明水分有利于氮肥肥效的發揮,能提高土壤微生物的活性,是影響微生物碳源利用多樣性的重要因素。文東新等[39]對衡陽紫色土丘陵坡地植被恢復對土壤微生物碳源代謝多樣性的影響的研究發現土壤含水量的增加有利于群落結構優化并提高群落地上生物量,另外土壤含水量還可以通過影響土壤總碳、TN 等理化性質,促進土壤微生物大量活動,加快土壤C元素的循環過程和土壤的礦化過程,從而提高土壤微生物活性與功能多樣性。植被豐富度也是影響土壤微生物碳源利用多樣性的主要影響因子(表3)。這和以往研究結果類似,如馮泉清[46]等研究發現地上植被類型對土壤微生物碳源利用類型多樣性的影響較大。一方面是由于植物群落的組成和結構可能會改變植物根際土壤微生物的多樣性,從而使微生物群落功能多樣性產生相應的變化[47],另一方面,地上的植物多樣性可能會通過凋落物的差異對土壤微生物碳源代謝產生重要影響[7,12]。

4 結論

青藏高原高寒草甸土壤微生物碳源代謝多樣性具有明顯的垂直地帶性差異,土壤微生物對碳源的利用在中間海拔4800 m處取得最高。土壤微生物對不同類型碳源利用強度存在一定的差異,微生物功能多樣性的垂直地帶性差異主要體現在對碳水化合物類、氨基酸類和羧酸類碳源的利用上。土壤微生物碳源代謝活性和多樣性隨海拔上升均呈現先上升后下降的單峰變化趨勢。該研究發現,不同海拔土壤微生物碳源利用是土壤、植物和氣候等多重環境因子綜合作用結果,其中土壤含水量、植被豐富度和MAP是導致不同海拔土壤微生物碳源利用差異的關鍵環境因子。