生態恢復模式對若爾蓋高寒沙化草地土壤微生物群落功能多樣性的影響

朱粟鋒，劉煜杰，張強，江聰，簡小枚，稅偉

1.中國環境科學研究院

2.北京大學城市與環境學院

3.中國科學院城市環境研究所

4.福州大學環境與資源學院

若爾蓋高原地處青藏高原東北邊緣，不僅是長江和黃河上游重要的水源涵養地，也是全國重要生態功能區和西北干旱區沙塵暴的有效隔離區以及地球上的天然碳庫，對維持地區生物多樣性和水源涵養、調節生態系統的碳源-碳匯平衡等起到重要的作用[1-2]。長期的過度放牧、不適當的開墾等人類活動以及氣候變化等因素導致濕地退化、草地沙化，這成為該區域面臨的兩大生態環境問題[3-4]。若爾蓋縣土地沙化監測結果顯示，自20 世紀90 年代以來，該縣沙化土地面積持續增加，區域生態環境呈逐步惡化趨勢[5-6]。對此，當地政府逐漸啟動了系列沙地綜合治理的研究與示范點工程，在有效控制沙化土地年遞增率的同時，其生態恢復效益也受到廣泛關注[7]，這一舉措為高寒草原地區生態保護與修復提供了典范[8]。當前，對若爾蓋草地的恢復治理研究主要集中在植物群落特征、土壤理化性質等方面。如稅偉等[9]以空間結構代替時間序列分析了若爾蓋地區碳含量、碳儲量和碳密度的變化；顧城天等[10]以若爾蓋高原濕地植被多樣性為基礎數據探究了若爾蓋高原濕地水質演變特征及氮、磷累積效應；張曉麗等[11]研究了生物質改良劑對高寒草地沙化土壤有機碳特征的影響；劉學敏等[12]則基于不同退化程度的若爾蓋草地研究了植物種群的生態位特征。但在深入研究若爾蓋高寒植被人工治理程度及其治理機制間的關系方面尚顯不足，且對恢復過程中的土壤微生物群落功能多樣性研究也相對較少。

土壤微生物作為土壤環境的重要組分，是表征土壤質量變化的敏感指標，也是衡量土壤微生物群落功能多樣性的重要指標之一，能夠反映群落總體的動態變化，使得地表生態系統和地下生態系統相互關聯，在維持土壤生態系統穩定性中起著重要作用[13]。土壤微生物群落功能多樣性是衡量土壤微生物群落特征的重要指標，土壤微生物功能多樣性的相關研究一直備受關注。若爾蓋高原由于其生態功能的特殊地位，正在成為研究的熱點區域。經過10 多年的保護修復，若爾蓋高寒草地現已基本呈現植物多樣性初期的情況，這種情況的出現有利于開展不同恢復重建模式下土壤微生物功能多樣性差異及其在重建退化草地生態系統中作用的相關研究。筆者以自然恢復模式與人工草地修復治理模式為研究對象，采用Biolog 法通過設置對比試驗對4 種生態恢復模式下高寒草地的土壤微生物進行研究，橫向比較不同生態恢復模式下土壤微生物功能多樣性的變化差異，縱向比較生態治理措施對沙化草地生態系統的恢復是否有促進作用。通過研究若爾蓋草地不同恢復模式下的土壤微生物群落特征，進一步說明人工治理的修復模式對草地生態系統的重要性，以期為高寒草地的退牧還草、退耕還林還草等生態環境重建工作的開展提供參考和依據。

1 研究區域概況

若爾蓋高原位于102°08′E～103°39′E，32°56′N～34°19′N，平均海拔為3 500 m，是中國最大的高原，總面積約5.3×106hm2，其中天然草原面積約8.1×105hm2，是我國三大濕地之一，主要草地類型為濕地和草甸，屬于高山大陸季風氣候區，為高寒溫帶濕潤氣候，冬季嚴寒，夏季涼爽，干雨季節分明，雨熱同季，日照充足，晝夜溫差大。若爾蓋高原行政區域主要包括四川省的若爾蓋縣、紅原縣、松潘縣和阿壩縣，甘肅省的碌曲縣、瑪曲縣以及青海省的久治縣（圖1）。氣象數據顯示，1981—2010 年，若爾蓋縣年平均相對濕度為60%，年平均氣溫為1.5 ℃，極端最高氣溫為25.6 ℃，極端最低氣溫為-30.6 ℃，多年平均降水量為643 mm，年均日照2 417 h，年平均風速為2.3 m/s，最大風速為36 m/s[14]。區域內擁有多種植被類型并存的景觀生態格局[15]，如未治理區由于過度放牧，植被群落單一，主要是以沙生苔草（Carex praeclara Nelmes）等為主的草本植物；而恢復治理區在采取治理措施下，出現了不同恢復程度的草地治理區，逐漸形成以紅柳〔多枝檉柳（Tamarix ramosissima Lcdcb）〕為主的灌木、以豆科（Leguminosae）等牧草和莎草科（Cyperaceae）等雜類草組成的相對復雜的植被狀況。

圖1 若爾蓋縣區位Fig.1 Location of Zoige County

2 研究方法

2.1 樣地設置

取樣地位于若爾蓋濕地保護區一片相對平緩的高寒草地內，設置4 種生態恢復模式：條帶狀高原紅柳種植的灌草間作模式和與之相隔5 m 處于全自然狀態下的灌草間作模式對照；人工草地建植模式和與之相隔5 m 處于全自然狀態下的草地建植模式對照（表1）。

表1 樣地基本信息及群落組成Table 1 Basic information and community composition of plots

通過野外考察，在每種典型生態恢復模式樣地中隨機設置3 個0.5 m×0.5 m 的樣方，進行土壤樣品采集。在每個樣方內，按S 型鉆取5 個0～20 cm 土壤樣品，均勻混合為1 個土壤樣品，放入有冰袋的采集箱中運回實驗室，樣品過2 mm 篩后，于4 ℃保存，用于土壤微生物功能多樣性的測定。樣方布設如圖2 所示。

圖2 不同生態恢復模式的治理樣地Fig.2 Test samples of different ecological restoration patterns

2.2 數據處理

采用國際上微生物生態功能多樣性研究最典型和最權威方法之一的Biolog 微平板技術分析土壤微生物群落特征，具體操作參照文獻[16]，計算方法參照文獻[17]。

土壤微生物整體活性指標采用微平板每孔顏色平均變化率（average well color development，AWCD）來描述，其可以評判微生物群落對單一碳源利用率的能力。具體計算公式如下：

式中：Ai為第i孔的吸光值；AA1為對照孔吸光值。Ai-AA1為負值時歸0。

選擇AWCD 培養曲線趨于穩定時的數據進行群落多樣性指數和主成分分析。其中，采用Shannon指數、Simpson 指數及McIntosh 指數計算和評估土壤微生物群落多樣性。計算公式如下：

式中：H′為Shannon 指數，用于評估群落豐富度；D為Simpson 指數，用于評估群落常見種優勢度；U為McIntosh 指數，用于評估群落均一度；Pi為第i孔的相對吸光值（Ai-AA1）與整個平板相對吸光值總和的比率；ni為第i孔的相對吸光值，即Ai-AA1。

利用SPSS 22.0 及Excel 軟件對數據進行處理分析，其中采用單因素方差分析不同生態恢復模式對土壤微生物功能多樣性、6 類碳源利用能力的影響差異，采用LSD 最小顯著差法和Duncan 多重比較法在0.05 水平上進行顯著性差異檢驗。此外，使用CANOCO for Windows 5.0 軟件對培養144 h 的土壤微生物進行主成分分析（principal component analysis，PCA），并采用冗余分析（redundancy analysis，RDA）闡釋土壤理化性質與土壤微生物功能多樣性的關系。

3 結果與分析

3.1 不同生態恢復模式下草地土壤微生物群落平均顏色變化率

反映土壤微生物在群落水平上利用單一碳源能力的AWCD 變化如圖3 所示。由圖3 可知，從接種到培養24 h，各土壤樣品的AWCD 相對較低，微生物代謝碳源的速率較慢，灌草間作模式變化率在24～48 h 反超草地建植模式，隨著培養時間的變化，各恢復模式的AWCD 呈不斷上升趨勢，微生物進入指數生長期，碳源利用率較高，48 h 后AWCD始終保持灌草間作模式＞草地建植模式＞灌草間作模式對照＞草地建植模式對照。144 h 后各模式AWCD漸趨穩定，但不同樣品的AWCD 差異較大，說明不同生態恢復模式對土壤微生物整體活性影響較顯著。此外，灌草間作模式下土壤微生物群落對碳源的利用能力顯著高于草地建植模式，穩定時二者AWCD 差值為0.563；灌草間作模式下的恢復樣地與其對照組的土壤微生物群落的碳源代謝能力相差較大，穩定時二者AWCD 差值為0.761，遠大于草地建植模式及其對照組之間的差異。與對照組相比，不同生態恢復模式在恢復過程中均提高了沙化草地的土壤微生物活性，但灌草間作模式的土壤微生物利用碳源的能力遠高于草地建植模式。

圖3 土壤微生物群落平均顏色變化率Fig.3 Average well color development (AWCD) of soil microbial community

3.2 不同生態恢復模式下草地土壤微生物群落功能多樣性

選取不同生態恢復模式下平均顏色變化基本趨于穩定狀態的144 h 的AWCD 用于土壤微生物群落多樣性指數計算，以反映土壤微生物碳源代謝功能多樣性差異，結果如表2 所示。由表2 可知，除優勢度指數外，2 種生態恢復模式下土壤微生物群落的豐富度指數和均一度指數存在顯著性差異，且與相應對照組比較發現，各指數間存在顯著性差異。土壤微生物多樣性指數差異表明，灌草間作模式及其對照組的草地土壤微生物群落多樣性指數相對較高，而草地建植模式及其對照組的多樣性指數相對較低。綜合比較，灌草間作模式下草地土壤微生物群落的豐富度指數、優勢度指數、均一度指數均比草地建植模式及其他對照的土壤微生物群落高，其相應指數分別為3.290、0.960 和10.408，這與AWCD隨培養時間的變化曲線表現結果基本一致，表明灌草間作模式下草地的微生物種類最為多樣，微生物群落功能多樣性最為豐富。

表2 不同生態恢復模式下草地微生物群落功能多樣性Table 2 Function diversity index of grassland microbial community of different ecological restoration patterns

3.3 不同生態恢復模式下草地土壤微生物群落碳源利用特征

結合有機化合物化學官能團、微生物代謝途徑和生態功能，將Biolog Eco 板的31 種碳源底物分為糖類、氨基酸類、羧酸類、胺類、酚酸類和聚合物類6 類。通過對不同生態恢復模式下草地土壤微生物群落對不同碳源的利用程度分析可知（圖4），不同生態恢復模式的草地土壤微生物群落間沒有顯著差異，氨基酸類是各土壤微生物群落利用最多的碳源，初步反映氨基酸類是若爾蓋草地土壤微生物利用的主要碳源。且相較于其他恢復模式和相應對照樣地，除對胺類的利用能力不是最高外，灌草間作模式下草地土壤微生物群落的各類碳源能力都是最高的，對糖類、氨基酸類、羧酸類、酚酸類及聚合物類的利用能力值分別達到1.406 2、2.214 6、1.704 4、2.070 3 和2.021 2，草地建植模式對胺類的利用能力最高，達到1.286 5，而對其他幾類碳源的利用也相對較高，表明2 種人工修復模式下草地土壤微生物群落有著旺盛的營養代謝活動。因此，若爾蓋高寒草地植被在人工種植作用的改善下，對各類碳源的利用能力起到了積極的促進作用，反映出人工治理沙化草地的必要性。

圖4 土壤微生物群落對不同碳源的利用能力Fig.4 Utilization capacity of soil microbial community to different carbon sources

3.4 不同生態恢復模式下草地土壤微生物群落碳源利用的主成分分析

微生物群落對碳源的利用情況反映了微生物群落組成的變化，對培養144 h 土壤微生物31 種碳源利用情況進行主成分分析，將31 個因子降維得到4 個主成分（PC），其累積方差貢獻率達83.6%，因此認為這4 個主成分可以表示不同生態恢復模式的草地土壤微生物對單一碳源的代謝能力。其中，主成分1 對土壤微生物功能多樣性的貢獻率為53.3%，主成分2 的貢獻率為13.2%，說明前2 個主成分是解釋微生物碳源利用變異的主要貢獻者（圖5）。由圖5可知，不同生態恢復模式發生明顯分離聚集，表明不同生態恢復模式對土壤微生物群落的碳源利用有較大的影響，且灌草間作模式與其對照組相異明顯。通過前2 個主成分的因子載荷發現，對PC1 貢獻較大(因子載荷＞0.5)的碳源達到20 種，占所有碳源類型的64.5%以上，對PC2 貢獻較大(因子載荷＞0.5)的碳源則有7 種。此外在主成分分析中，碳水化合物、氨基酸類、多聚物、羧酸類和胺類是灌草間作模式樣地上土壤微生物群落主要利用的碳源，草地建植模式樣地上土壤微生物群落主要利用的碳源是碳水化合物和胺類。

圖5 土壤微生物群落主成分分析Fig.5 Principal component analysis of soil microbial community

4 討論與建議

4.1 人工治理對沙化草地植被恢復的正向促進

人工植被恢復通常是因地制宜地選擇適生于當地的植物物種并進行人工培育和種植，以此改善植物在土壤內的根際環境條件，促使沙化草地的土壤功能恢復和改善，能夠達到較為長久的防風固沙和植被恢復效果[18]。研究表明，在沙化地采取植被恢復措施，建植適生植被物種，可以有效提高地表植被覆蓋度，改善局部氣候，降低近地面風速，起到防風固沙的作用，還能夠加大地表物質的膠結性，有效改善沙化土地土壤狀況，為草原生物的生長繁殖營造良好的生態環境，進而促進植被正向演替，提高區域生物多樣性[19-20]。根據“中度干擾理論”[21]，適度的人類干擾下，植物根系發育良好且分泌物較為豐富，營造出利于微生物的生存和繁殖的土壤條件，可在一定程度上提高土壤微生物功能多樣性[22]。張文娟等[23]也發現礫石方格沙障+播草種的人工干預措施有利于植被的定殖和生長，是一種高寒地區嚴重沙化土地治理的有效措施。本研究中，人工修復治理本身就是一種中度的干擾形式，灌草間作模式下草地土壤微生物群落的Shannon 指數、Simpson 指數、McIntosh 指數均比草地建植模式及全自然狀態下的其他對照樣地的土壤微生物群落高，這可能是因為人工培植的高位灌木叢在有效阻擋風沙的同時，也產生了更多的凋落物和根系分泌物來供給土壤微生物，從而提高土壤微生物群落多樣性?？梢?，中度的人工干擾形式有效促進了植被恢復，該結果與前人的研究結果有一定相似性。此外，2 種完全處于自然狀態下的對照組之間也表現出差異性，草灌建植對照組McIntosh 指數和AWCD 均更低，這可能是因為草灌建植模式主要采用將灌木類的高原紅柳呈條帶狀種植，并在每株紅柳周邊自然或人工建植適生于高寒區域的草種植物，紅柳和適生草種根系發達，吸收了更多周邊草地土壤的營養物質，造成相鄰近的草灌建植對照組草地土壤微生物種類分布不均，在長期的生長演替過程中，使草灌建植模式下的人工培植物種在高寒草地生態系統中逐漸處于主導地位，對區域生態植被的改善起到了積極的促進作用。因此，相較于完全處于自然生長狀況下的高寒植被，適當的人工修復治理能有效改善高寒草地脆弱的生態環境，應在若爾蓋高寒草地的生態修復過程中大面積推廣灌草間種的人工治理模式。

4.2 土壤微生物碳源代謝對高寒生境的響應

植被與其生長環境之間是相互影響的，二者處于一種反饋調節的動態平衡之中，在一定程度上共同維持著區域生態系統的穩定[22]。而作為決定土壤微生物功能多樣性的主導因素之一，植物群落可通過自身的生長發育來調節土壤中的各種營養物質，進而影響特定生境下土壤微生物功能多樣性[24]。地上植被的多樣性與土壤微生物群落多樣性呈正相關，地表植物多樣性能夠促進土壤微生物群落代謝及多樣性形成[25]。微生物對單一碳源利用程度能夠表征土壤微生物群落的代謝活性，微生物也可以通過群落代謝功能的差異來影響環境。本研究中，灌草間作模式草地的AWCD 最高，微生物種類最為多樣，微生物群落功能多樣性最為豐富，草地土壤微生物群落代謝活性更加活躍，但實地調研發現其植被覆蓋度并不是最高的，這可能是因為各植被類型的覆蓋度、土壤沙化程度及土壤微生物自身生理特征存在差異。土壤微生物的碳源代謝水平由各立地環境因子共同決定，處于一種動態平衡之中，而土壤理化性狀的不同，又直接影響到生長在其上的植物和草地系統生態功能的發揮[26]。若爾蓋地區由于高寒的氣候環境以及草地的沙化，造成草地土壤的碳、氮、磷、鉀等營養元素流失，土壤理化性質以及酶活性改變，降低土壤微生物群落功能多樣性，導致植被群落趨向退化狀態[27]。對于高寒地區沙化草地而言，采取工程措施和生物措施相結合的方法是其最佳治理方式，而提高酶的代謝活性就是一種重要的生物措施[23]。研究發現，土壤微生物對碳源利用具有選擇性，碳水化合物、氨基酸類是當地土壤微生物群落利用的主要碳源，且灌草間作模式的土壤微生物利用碳源的能力遠高于其他模式，說明高寒生境下不同人工治理模式的土壤微生物對碳源的利用模式具有差異。這與蒲玉林等[7]通過對比研究若爾蓋典型緩丘區不同坡位土壤微生物群落多樣性發現氨基酸類是中度坡位上土壤微生物利用的主要碳源的研究結果較為相似。總之，在若爾蓋高寒草地大面積推廣灌草間種的人工治理模式的同時，應該結合適當增加草地土壤中碳水化合物、氨基酸類等碳源含量的生物措施，以達到高效治理的目的。

5 結語

通過對若爾蓋高寒草地不同恢復模式下的土壤微生物群落的研究發現，人工生態恢復模式均能提高沙化草地的土壤微生物的活性，其中灌草間作模式下恢復樣地的土壤微生物的活性愈發活躍；土壤微生物群落多樣性指數與其群落代謝活性呈正相關，在長期的自然演替過程中灌草間作模式逐漸處于高寒草地生態系統的主導地位；灌草間作恢復模式下土壤微生物群落的各類碳源能力最高，若爾蓋草地土壤微生物群落利用最多的碳源是碳水化合物和氨基酸類；采用灌草間作模式的人工治理方式，同時結合適當增加土壤中碳水化合物、氨基酸類碳源的含量的生物措施，可以更高效地對高寒治理生境產生積極響應。

本研究采用的Biolog 微平板法具有一定的局限性，也沒有充分考慮物種組成、氣候、地形、海拔等外在因子的差異可能對土壤環境帶來的影響，今后需進一步采用高通量測序等技術，全面監測地下、地表影響因子數據，多角度對比分析不同生態修復模式下土壤微生物群落組成、結構和多樣性等差異，深入探究土壤微生物群落功能多樣性，更好地將研究成果服務于若爾蓋高寒地區生態植被的保護與修復。