青藏高原高寒草地土壤微生物量碳氮含量特征及其控制要素

李洋，王毅，韓國棟，孫建，汪亞峰

（1. 內蒙古農業大學草原與資源環境學院，內蒙古 呼和浩特 010011；2. 中國科學院青藏高原研究所青藏高原地球系統科學國家重點實驗室，北京 100101；3. 中山大學生命科學學院，廣東 廣州 510275）

土壤微生物對生態系統功能具有重要影響，幾乎可以驅動所有的土壤生化過程［1?3］。土壤微生物量是指土壤中體積小于5×103μm3的生物總量，但不包括活的植物有機體，其中土壤微生物生物量碳（microbial biomass carbon，MBC）和土壤微生物生物量氮（microbial biomass nitrogen，MBN）是有機碳氮和無機碳氮之間轉換的樞紐，在生態系統碳氮循環中起著重要的作用［4?5］。此外，MBC 和MBN 是評價土壤質量和健康狀況不可缺少的重要生物學指標［6］，也是土壤有效養分的重要來源，與植物根部營養密切相關［7］。因此，開展對土壤MBC 和MBN含量特征及其影響因素的研究，對于認識和研究土壤中的微生物以及生態系統的維持機制具有重要意義。

草地作為陸地生態系統的重要組成部分［8?10］，研究氣候等環境因子對土壤微生物的影響，已經成為該領域研究的熱點［11?12］。研究表明，氣候因子（如降水和溫度）、生物因子（如群落多樣性和生物量）和土壤理化性質（如土壤溫度和營養水平）對土壤微生物量的含量都有一定的影響［13?15］，但是目前對土壤微生物量與其影響因子之間存在何種關聯還沒有統一的結論［16］。例如，氣候因子方面，在賀蘭山地區MBC 和MBN 均與年均降水量呈顯著正相關［17］；而在黃土高原西北部地區，年均降水量對MBC 的影響并不顯著［18］。生物因子方面，有研究表明不同的植物功能群也會對土壤微生物量造成不同的影響［19］。土壤理化性質方面，由于地域性差異明顯，東北羊草（Leymus chinensis）草原在一定范圍內土壤微生物量與pH 呈指數負相關［20］；而在賀蘭山地區土壤微生物量與pH 呈顯著線性負相關［21］。由此可見，生物因子和非生物因子對土壤微生物量含量的影響有可能在不同的地理區域存在著不同的變化規律和主導因子。特別是在高寒草地，由于其獨特的地理環境和氣候條件，導致土壤MBC 和MBN 對環境因素存在著不同的響應機制。

青藏高原是地球上海拔最高，面積最廣的高寒地區，生態系統異常敏感，是全球氣候和生態環境變化的指示器和調節器［22］。高寒草甸和高寒草原是青藏高原兩種主要的草地類型，占青藏高原總面積的60%以上，在維持青藏高原生態系統功能方面起著至關重要的作用［23?24］。青藏高原由于其獨特的地理環境和氣候敏感性，是研究土壤微生物量碳氮含量特征及其影響因素的理想區域。本研究通過對青藏高原高寒草甸和高寒草原樣帶調查，研究了兩種草地類型MBC 和MBN 含量與氣候、植物群落多樣性以及土壤理化性質等之間的關系，并且探究造成兩種草地類型微生物量差異的主要因素，以期為青藏高原高寒草地生態系統可持續管理提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

青藏高原（80°?105° E，27°?37° N）主要包括四川省西北部、青海和西藏，總面積約257.24萬km2，約占我國國土面積的1/4，平均海拔約4000 m［25］。全年氣溫較低，區域差異較大，降水時期高度集中，但在時間和空間上的分布極不均勻，雨季主要集中在5?9月，占到全年降水量的60%左右［26］。高寒草甸和高寒草原是青藏高原兩種主要的草地類型，其中，針茅屬（Stipa）植物是高寒草原主要的建群種，土壤類型以高山草原土為主，而高寒草甸則以嵩草屬（Kobresia）和薹草屬（Carex）植物為主要建群種［27］，土壤類型以高山草甸土為主，高寒草甸年均降水量、地上生物量和物種豐富度均高于高寒草原［28］。

1.2 樣品采集和植被調查

本研究于2015年7?8月開展采樣工作，共采取了115 個樣點，其中包括高寒草原62 個，高寒草甸53 個［25，29］。在每個樣地選取10 m×10 m 的1 個大樣方，在其對角線上分別設置3 組進行取樣，樣方大小為50 cm×50 cm，調查植被群落特征。接著，用剪刀將樣方框內的植物貼近地面剪取后帶回實驗室用烘箱65 ℃烘干至恒重，進而測定其地上生物量［30］。用直徑為5 cm 的土鉆分別在每個組的小樣方框內取3 鉆（0～10 cm 土層），帶回實驗室用于測定土壤理化性質。用環刀在0～10 cm 的土壤深度進行取樣，用于土壤容重的測定。所有樣品采集后嚴格保存并帶回實驗室進行測定［31］。

1.3 群落和土壤理化指標

群落特征采用優勢度指數（Simpson 指數，D）、多樣性指數（Shannon?Wiener 指數，H′）和均勻度指數（Pielou指數，E）來計算，計算公式［32］：

式中：S為樣方中的總物種數，Pi表示第i種個體數占群落中總個體數的比例，H為實際觀察的物種多樣性指數。

土壤含水量（soil moisture，SM）通過便攜式時域反射儀（Spectrum Technologies TDR-100）現場測定，使用環刀法測定土壤容重（soil bulk density，SBD）。將野外采集的植物地上和地下部分裝在紙袋中放入75 ℃烘箱中烘干至恒重，分別計算其地上生物量（aboveground biomass，AGB）和地下生物量（belowground biomass，BGB）；采用Vario MICRO Cube 元素分析儀（Elementar，Hanau，德國）測定土壤全氮（soil total nitrogen，STN）和土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）含量，分別采用重鉻酸鹽氧化法、堿解還原擴散法和奧爾森法測定土壤可溶性有機碳（dissolved organic carbon，DOC）、土壤速效氮（soil available nitrogen，SAN）和土壤速效磷（soil available phosphorus，SAP）［33］含量；用鉬銻抗比色法測定土壤全磷（soil total phosphorus，STP）含量；采用熏蒸提取法測定微生物量碳和微生物量氮含量［34］。

1.4 氣候數據來源

通過中國氣象數據網（http：//data. cma. cn/）獲取青藏高原5?10月生長季降水量（growing season precipitation，GSP）和生長季均溫（growing season temperature，GST），使用Anusplin 4.2 進行空間插值生成柵格。通過ArcGIS 10.2 軟件（ESRI，Redlands，美國）進行研究區115 個樣點氣候數據的提取。

1.5 數據分析方法

將數據整理在Microsoft Excel 2010 中，用SPSS 25.0（IBM SPSS Statistics 25）對數據進行分析，不同草地微生物量碳（MBC）和微生物量氮（MBN）采用單因素方差分析，用Duncan 方法檢驗在不同草地中MBC 和MBN 差異的顯著性（P＜0.01）；用ArcGIS 10.2 繪制研究區概況圖；用Origin 2018 和R 3.6.1 繪制箱線圖、主成分分析圖、熱度圖和散點圖，包括R 語言的“FactoMineR”“factoextra”“corrplot”“ggplot2”和“gridExtra”語言包；最后使用Amos Graphics（IBM SPSS Amos 24.0）分別對兩種草地的MBC 和MBN 的影響因素建立結構方程模型，探究不同因子對不同草地類型土壤微生物量碳氮的影響機制。

2 結果與分析

2.1 不同草地類型土壤微生物生物量碳氮特征

高寒草甸和高寒草原MBN 含量的平均值分別為185.2 和70.4 mg·kg?1，且高寒草甸總體水平高于高寒草原；兩種草地類型MBC 含量平均值分別為637.8 和194.9 mg·kg?1，且高寒草甸總體水平也高于高寒草原，高寒草原的MBN 和MBC 含量分布相對穩定，而高寒草甸的MBC 和MBN 含量分布相對離散。單因子方差分析結果顯示，不同草地類型MBC 和MBN 含量差異顯著（P＜0.01，圖1）。

圖1 不同草地類型土壤微生物生物量碳氮含量特征Fig.1 Characteristics of soil microbial biomass carbon and nitrogen of different grassland types**表示在0.01 水平上差異顯著。** indicates significant differences at the 0.01 level.

2.2 生物和非生物因子對土壤微生物量碳氮的影響

高寒草甸MBC 和MBN 含量均與GSP、SM、SAN、DOC、SAP、SOC、STP 和STN 含量呈顯著正相關，且MBN 含量與Shannon?Wiener 指數呈顯著正相關（P＜0.01，圖2a）；高寒草原MBC 和MBN 含量與GSP、SM、AGB、Simpson 指數、Pielou 指數、Shannon?Wiener 指數、SAN、DOC、SOC、STP 和STN 含量呈顯著正相關（P＜0.01，圖2b）；SBD 與兩種草地類型MBC 和MBN 含量均呈顯著負相關（P＜0.01）。

圖2 高寒草甸（a）和高寒草原（b）微生物生物量碳氮、氣候、群落多樣性及土壤理化性質之間的相關性Fig. 2 Correlation among microbial biomass carbon and nitrogen，climate，community diversity and soil physicochemical properties in the alpine meadow（a）and the alpine steppe（b）MBC，土壤微生物生物量碳含量；MBN，土壤微生物生物量氮含量；SM，土壤含水量；SBD，土壤容重；BGB，地下生物量；AGB，地上生物量；SAN，土壤速效氮含量；STN，土壤全氮含量；SAP，土壤速效磷含量；STP，土壤全磷含量；SOC，土壤有機碳含量；DOC，土壤可溶性有機碳含量；D，Simpson 指數；E，Pielou 指數；H′，Shannon?wiener 指數。 MBC，microbial biomass carbon；MBN，microbial biomass nitrogen；SM，soil moisture；SBD，soil bulk density；BGB，belowground biomass；AGB，aboveground biomass；SAN，soil available nitrogen；STN，soil total nitrogen；SAP，soil available phosphorus；STP，soil total phosphorus；SOC，soil organic carbon；DOC，dissolved organic carbon；D，Simpson diversity index；E，Pielou’s evenness index；H′，Shannon diversity index.

2.3 氣候因子對土壤微生物生物量碳氮的影響

建立兩種草地GSP 和GST 與土壤微生物生物量碳氮回歸模型發現，高寒草甸和高寒草原的MBC 含量與GSP 呈顯著正相關（R2=0.49，P＜0.01；R2=0.44，P＜0.01），且高寒草原對降水的敏感性大于高寒草甸（slope 1=1.55＜slope 2=1.87）；兩種草地類型的MBN 含量與GSP 呈顯著正相關（R2=0.50，P＜0.01；R2=0.35，P＜0.01）。GST 對高寒草原MBN 含量的影響顯著（R2=0.14，P＜0.01），而對高寒草甸MBC（R2=0.03，P＞0.05）、MBN 含量（R2=0.01，P＞0.05）和高寒草原MBC 含量（R2=0.06，P＞0.05）均無顯著影響（圖3 和表1）。

表1 不同草地類型微生物量碳氮與氣候因子回歸及相關性分析Table 1 Regression and correlation analysis between microbial biomass carbon and nitrogen and climate factors in different grassland types

圖3 ln 對數變換數據后土壤微生物量碳、氮與氣候因子的關系Fig.3 The relationship between soil microbial biomass carbon/nitrogen and climate factors after ln transformation

2.4 群落和土壤因子對微生物量碳氮的影響

群落多樣性指標主成分分析結果表明，在高寒草甸中第1 主成分（Dim1）和第2 主成分（Dim2）方差貢獻率分別為61.7%和23.0%，且對第1 主成分（Dim1）起主要作用的因子是Simpson 指數，對第2 主成分（Dim2）起主要作用的因子是BGB（圖4a）；在高寒草原中第1 主成分（Dim1）和第2 主成分（Dim2）方差貢獻率分別為64.5%和21.4%，且對第1 主成分（Dim1）起主要作用的因子是Simpson 指數，對第2 主成分（Dim2）起主要作用的因子是BGB（圖4c）。土壤理化性質主成分分析結果表明，在高寒草甸中第1 主成分（Dim1）的方差貢獻率為67.6%，且對第1 主成分（Dim1）起主要作用的因子是STN 和SOC（圖4b）；在高寒草原中第1 主成分（Dim1）的方差貢獻率為64.9%，且對第1 主成分（Dim1）起主要作用的因子是STN 和SOC（圖4d）。

圖4 土壤理化性質和植物群落特征指標主成分分析Fig.4 Principal component analysis of soil physicochemical properties and plant community characteristicsBGB，地下生物量；AGB，地上生物量；SM，土壤含水量；SBD，土壤容重；SAN，土壤速效氮含量；STN，土壤全氮含量；SAP，土壤速效磷含量；STP，土壤全磷含量；SOC，土壤有機碳含量；DOC，土壤可溶性有機碳含量。a，c 分別為高寒草甸和高寒草原群落多樣性指標主成分分析；b，d 分別為高寒草甸和高寒草原土壤理化性質主成分分析。BGB，belowground biomass；AGB，aboveground biomass；SM，soil moisture；SBD，soil bulk density；SAN，soil available nitrogen；STN，soil total nitrogen；SAP，soil available phosphorus；STP，soil total phosphorus；SOC，soil organic carbon；DOC，dissolved organic carbon. a，c indicate principal component analysis of community diversity indicators in alpine meadow and alpine steppe；b，d indicate principal component analysis of soil physical and chemical properties in alpine meadow and alpine steppe.

通過對2 種草地類型土壤微生物量碳氮含量構建結構方程模型，發現STN 對高寒草甸MBC 和MBN 含量均有顯著正效應（P＜0.05），效應系數分別為0.40 和0.42（圖5a），而SOC、Simpson 指數對高寒草原MBN 含量均有顯著正效應，且SOC 對MBC 含量也具有顯著正效應（P＜0.05），效應系數分別為0.32、0.31 和0.25（圖5b）。GSP 對高寒草甸MBC 和MBN 含量均有顯著正效應（P＜0.05），效應系數分別為0.51 和0.47，對高寒草原MBC和MBN 含量也具有顯著正效應，效應系數分別為0.43 和0.24（P＜0.05）。

圖5 氣候、植物群落和土壤關鍵因子對不同草地類型土壤微生物量碳（MBC）和氮（MBN）的效應Fig. 5 Effects of climate，plant community and key factors on soil microbial biomass carbon（MBC）and nitrogen（MBN）in different grassland types圖上表示的均為顯著影響的路徑（P＜0.05），綠色實線表示正效應。GSP，生長季降水量；a，高寒草甸；b，高寒草原。All the paths shown in the figure had significant effects（P＜0.05）.The solid green line represents a positive effect.GSP，growing season precipitation；a，alpine meadow；b，alpine steppe.

3 討論

3.1 不同草地類型土壤微生物量碳氮含量的差異

土壤微生物量碳氮含量的多少是表征土壤碳氮循環的重要指標，直接影響到土壤養分含量以及供給植物養分的能力［35?36］。在不同的地區，由于氣候因子、植被特征、土壤理化性質以及土壤養分含量的不同，這使得土壤微生物生物量碳氮含量有所差異［37?39］。高寒草甸和高寒草原由于物理和生物學性質的差異，導致兩種不同的草地類型土壤微生物量碳氮含量存在差異。在本研究中，青藏高原高寒草甸MBC 和MBN 含量均顯著高于高寒草原（P＜0.01），且兩種草地類型數據分布特點不同（圖1）。其原因在于兩種草地類型的主導限制因子不同，導致MBC 和MBN 含量有所差異。高寒草甸MBC 和MBN 含量高于高寒草原可能是因為高寒草甸比高寒草原具有更充沛的降水量，且物種豐富度和生物量較高，從而導致高寒草甸土壤有機質積累較多，而高寒草原土壤有機質相對較少，而有機質的含量與土壤微生物量密切相關［28］。例如，在祁連山地區，MBC 含量高寒草原比高寒草甸中高40%以上，0～5 cm 土層的MBN 含量，高寒草甸比高寒草原高29%［40］。本研究結果中兩種草地類型MBN 含量的差異與其相似，而MBC 含量與其相反，究其原因，可能是本研究包括了青藏高原大部分高寒草地MBC 和MBN 含量的測定，而在祁連山地區開展的研究是在相對較小的尺度上開展［37］，局部地區可能有不同的小生境以及小氣候所致。也有相關研究表明［41?42］，高寒草甸和高寒草原土壤微生物量碳氮含量均達顯著差異，這是由于高寒草甸主要以嵩草屬和薹草屬為主要建群種，而高寒草原則以禾本科和雜類草為主，高寒草甸地上生物量高于高寒草原，并且嵩草屬植物根系要比禾本科植物發達，從而使得植物地下部分比較發達，根際微生物量含量較高，這是高寒草甸土壤微生物量碳氮含量高于高寒草原的主要原因。除此之外，與高寒草甸相比，高寒草原土壤含水量低，適宜的土壤水分含量會增加土壤微生物量，大多數微生物在低濕條件下由于干旱脅迫而分解死亡，因此導致土壤微生物量下降。

3.2 土壤微生物量碳氮含量對水熱條件的響應

目前，已經有諸多研究表明降水或水分對土壤微生物量碳氮含量有很大的影響［43?44］。相關分析結果表明，本研究區兩種不同草地類型土壤MBC 和MBN 含量受生長季降水量（GSP）影響顯著（P＜0.01）（圖3 和表1）。這是由于青藏高原整體海拔較高，年平均溫度較低，降水量的不同形成了高寒草甸和高寒草原兩種不同的草地類型［27］。隨著降水量的增加能夠促進生態系統對土壤有效氮和碳含量的積累，從而有利于土壤養分的礦化和積累［45］，土壤中有效養分含量的增加使得土壤微生物可以積累更多的微生物量碳氮含量，在本研究中土壤微生物生物量碳氮含量隨著降水的增加而呈現上升的趨勢。因此，生長季降水是控制兩種草地類型MBC 和MBN 含量的關鍵氣候因子，這與前人的研究結果一致［19，46］。在本研究中，高寒草原生長季普遍降水量低，因此土壤微生物量碳氮含量受降水限制性較強，使得青藏高原不同區域高寒草原MBC 和MBN 含量差異不大，而高寒草甸區域跨度較大，降水條件不均勻，導致土壤微生物量碳氮含量差異較大，數據分布相對離散（圖1）。

在不同研究區域，溫度對土壤微生物量的影響有所差異，相關分析結果表明，本研究區僅高寒草原MBN 含量與生長季均溫（GST）呈顯著負相關（圖3 和表1）（P＜0.01）。年均溫可以通過改變凋落物的質量和數量從而使分解者食物網的結構和功能受到影響，溫度升高引起的植物群落結構的改變，進而影響土壤生物的養分組成，最終對土壤微生物產生影響。高寒草原降水條件有限，土壤含水量較低，植物群落多樣性低，溫度升高使得土壤的干旱程度增加，使土壤微生物活動受到限制，因此，土壤微生物量隨著生長季均溫的升高而減少。由此可見，降水是控制該地區土壤微生物量的主要因素，而并非溫度。

3.3 土壤微生物量碳氮含量對群落和土壤因子的響應差異

土壤微生物量與地上植被以及土壤因子的關系十分密切［47］，不同的草地類型由于地上植被和土壤營養含量的差異，導致土壤微生物量也有一定的差異。結構方程模型分析發現，土壤全氮（STN）對高寒草甸MBC 和MBN 含量具有顯著正效應（P＜0.05），而高寒草原MBC 和MBN 含量受土壤有機碳（SOC）影響顯著（P＜0.05）（圖5）。植被類型不同將導致土壤全氮和有機碳的含量不同［48］，與高寒草甸相比，高寒草原植被蓋度降低，植物種類減少，植物枯落物少，從而導致地表裸露面積大于高寒草甸，且土壤保持水分的能力降低，SOC 的含量也隨之下降。SOC 含量下降主要是因為高寒草原草地植被發生變化，導致返還土壤的凋落物的數量減少，使得植物群落中碳素的輸出大于輸入，顯著影響了土壤有機碳的積累［49］。因此，高寒草原SOC 含量普遍較低，導致土壤微生物量碳氮含量差異不大。與高寒草甸相比，高寒草原為土壤微生物提供的凋落物較少，從而影響到土壤微生物能源物質來源及數量，導致土壤微生物對SOC 變化極為敏感，SOC 是調控MBC 和MBN 含量的主要因素，這與前人的研究結果一致［50］。氮素是限制草地生產力的一個重要因素，速效養分的多少決定了土壤氮素的有效性，雖然高寒草甸土壤氮素儲量豐富，但有效性很低，因此影響其生態系統生產力的因素一直被認為是受到氮素的限制［51］，但是在不同區域的高寒草甸，可能由于降水等因子的控制，土壤氮素含量不同，從而導致MBC 和MBN 含量差異較大。因此，高寒草甸受氮素影響的敏感度要大于高寒草原，使得高寒草甸土壤微生物生物量碳氮含量主要受土壤全氮的調控［52］。

4 結論

綜合研究5 種植物群落因子、8 種土壤因子以及氣候因子的關系，揭示了生物因子和非生物因子對青藏高原高寒草甸和高寒草原兩種草地類型MBC 和MBN 含量的重要影響。研究發現，不同草地類型間的MBC 和MBN含量差異顯著，表現為高寒草甸MBC 和MBN 含量高于高寒草原，并且土壤全氮（STN）是高寒草甸土壤微生物碳氮含量變化的主要調控因子，而高寒草原土壤微生物量碳氮含量則主要受土壤有機碳（SOC）的調控。本研究可為青藏高原區域尺度土壤微生物量研究提供一定的參考。