寧夏荒漠草原土壤細(xì)菌與真菌群落對(duì)降水變化的響應(yīng)

米揚(yáng)，郭蓉，王媛，王占軍，蔣齊，俞鴻千，馬琨*

（1. 寧夏大學(xué)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， 寧夏 銀川 750021；2. 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 銀川 750021；3. 寧夏農(nóng)林科學(xué)院林業(yè)與草地生態(tài)研究所，寧夏 銀川 750001）

聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（Intergovernmental Panel on Climate Change， IPCC）報(bào)告指出，全球氣候變化背景下會(huì)有更多地區(qū)遭受頻發(fā)干旱所帶來的一系列問題［1］。與其他類型草原相比，降水變化對(duì)荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)的影響更為顯著［2］，這是因?yàn)樵擃愋偷纳鷳B(tài)系統(tǒng)很容易受到氣候及年降水量變化的影響［3］。土壤微生物作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組分，具有重要的生態(tài)功能［4］。細(xì)菌和真菌作為主要土壤微生物類群，廣泛參與氣候、生物及土壤特性變化及其相互作用的過程［5］，能夠敏銳地感知土壤生態(tài)系統(tǒng)的各種細(xì)微變化［6］，對(duì)土壤養(yǎng)分獲取（如氮、磷）和碳循環(huán)等生態(tài)系統(tǒng)過程影響重大［7-10］。

降水會(huì)通過對(duì)土壤生物和非生物因素的影響改變微生物群落組成［11］，通過改變土壤水分有效性、調(diào)節(jié)半干旱草原的植物生產(chǎn)、碳分配，影響微生物生長(zhǎng)［12］。有研究證實(shí)，降水可通過影響植被生長(zhǎng)和養(yǎng)分吸收改變植被群落組成［9］，但不同植被對(duì)于微生物群落組成和多樣性的影響結(jié)果卻不盡相同［13］。降水通過改變土壤水分有效性影響微生物的生理策略，使其能夠耐受動(dòng)態(tài)水勢(shì)環(huán)境變化［14］。為了應(yīng)對(duì)干旱脅迫，微生物進(jìn)化出了滲透調(diào)節(jié)、休眠和生產(chǎn)胞外聚合物等多種生理策略［2］。微生物通過積累溶質(zhì)（滲透物）保留細(xì)胞膨壓，從而保證其能夠在較低的水勢(shì)環(huán)境下生存［15］。土壤微生物可能只是在缺水狀態(tài)下休眠，當(dāng)水分恢復(fù)時(shí)解除休眠。微生物的另一種生理策略是通過產(chǎn)生胞外聚合物從而在低基質(zhì)電位下保持水分［2］。此外，土壤放線菌和酸桿菌等細(xì)菌類群有保持活性并在干旱條件下休眠的能力，因而可以在干旱的土壤環(huán)境中持續(xù)存在［2］；而球囊菌等真菌類群可以通過菌絲連接應(yīng)對(duì)土壤缺水狀況，從而獲取土壤中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，維系自身的存活［16］。

荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)作為寧夏重要的天然屏障及重要生態(tài)資源，對(duì)西北地區(qū)的生態(tài)安全影響巨大［17］。寧夏荒漠草原區(qū)域是我國(guó)西北生態(tài)脆弱區(qū)［18］，區(qū)域降水資源分配不均，在氣候變化等各種因素的共同影響下，草地生態(tài)系統(tǒng)退化現(xiàn)象仍較嚴(yán)重。土壤微生物群落組成與單獨(dú)的生物因素（如植物群落組成）及非生物因素（如土壤氮、磷、有機(jī)質(zhì)）的相關(guān)關(guān)系已有較多研究［5，12，19-20］；然而，有關(guān)降水變化作用下，土壤細(xì)菌和真菌群落與生物和非生物因子間關(guān)系的研究，還有待于進(jìn)一步加強(qiáng)。因此，通過分析降水變化對(duì)寧夏荒漠草原土壤微生物群落及多樣性的影響；利用結(jié)構(gòu)方程模型，揭示不同土壤微生物類群對(duì)降水變化的響應(yīng)機(jī)制，能為未來降水變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)，維護(hù)荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏中部和北部的荒漠草原，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候。荒漠草原植被群落組成以豆科、禾本科和菊科為主，主要包括甘草（Glycyrrhiza uralensis）、白草（Pennisetum centrasiaticum）、短花針茅（Stipa breviflora）、黑沙蒿（Artemisia ordosica）、豬毛蒿（Artemisia scoparia）和牛枝子（Lespedeza potaninii）等植物［21］，土壤類型為灰鈣土和風(fēng)沙土。研究選取4 個(gè)具有不同降水特征的荒漠草原國(guó)家監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為觀測(cè)樣地，觀測(cè)樣地自2003 年開始圍封管理。各荒漠草原監(jiān)測(cè)區(qū)的年降水量主要分布在7-8 月，其降水量占年降水量的46.87%～64.40%。荒漠草原樣地（T0）位于寧夏鹽池縣高沙窩鎮(zhèn)（E 107.05°，N 38.08°），年均氣溫8.3 ℃，海拔1463 m，多年平均降水量231 mm，其優(yōu)勢(shì)種群為白草和甘草群落；樣地（T1）位于寧夏紅寺堡區(qū)太陽山（E 106.48°，N 37.44°），年均氣溫8.4 ℃，海拔1371 m，多年平均降水量154 mm，優(yōu)勢(shì)種群為短花針茅、牛枝子和豬毛蒿群落；樣地（T2）位于寧夏靈武市白土崗新火村（E 106.62°，N 37.76°），年均氣溫8.8 ℃，海拔1340 m，多年平均降水量為137 mm，其優(yōu)勢(shì)種群為黑沙蒿群落；樣地（T3）位于寧夏中衛(wèi)市中寧縣新堡創(chuàng)業(yè)村（E 105.73°，N 37.40°），海拔1377 m，多年平均降水量為114 mm，其優(yōu)勢(shì)植被種群為短花針茅群落。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 樣地設(shè)置、植被調(diào)查與土壤采集 2018 年8 月在每個(gè)觀測(cè)樣地內(nèi)（100 m×100 m）隨機(jī)選取6 個(gè)樣方（1m×1 m）進(jìn)行植被調(diào)查，調(diào)查指標(biāo)包括多度、蓋度、高度、頻度和生物量，植被群落多樣性指數(shù)及豐富度指數(shù)的計(jì)算方法及主要結(jié)果見前期相關(guān)研究［21］。植被調(diào)查完成后，在每個(gè)樣方內(nèi)利用5 點(diǎn)采樣法采集0～20 cm 土層的土壤樣品，混合均勻，各土壤樣本保持獨(dú)立，共采集24 個(gè)土壤樣本。通過低溫保存箱帶回實(shí)驗(yàn)室。土壤樣本去除植物枯落物及植物根系后采用四分法混合均勻。隨后，部分土壤樣本過1 mm 篩后保存在-80 ℃進(jìn)行高通量測(cè)序，剩余土壤樣本待自然風(fēng)干后進(jìn)行土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)測(cè)定。土壤基礎(chǔ)理化性狀結(jié)果見前期相關(guān)研究［21］。

1.2.2 測(cè)定方法 土壤全氮（total nitrogen， TN）采用半微量凱氏法測(cè)定；有機(jī)質(zhì)（organic matter， OM）采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測(cè)定； 全磷（total phosphorus， TP）采用HCIO4-H2SO4消煮、鉬銻抗比色法測(cè)定；堿解氮（alkali-hydrolyzable nitrogen， AN）采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；速效磷（available phosphorus， AP）采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定；速效鉀（available potassium， AK）采用NH4OAC 浸提-火焰光度法測(cè)定；pH 采用酸度計(jì)（HI2221，歐洲）電位法測(cè)定（水土比為5∶1）［22］。

土壤細(xì)菌和真菌DNA 提取采用Fast DNA Spin kit（MP Biomedicals， Santa Ana， CA，美國(guó)）試劑盒，按照說明書步驟進(jìn)行。細(xì)菌選擇16Sr 基因的V3-V4 區(qū)段擴(kuò)增，正向引物為338F（5′-ACTCCTACGGGACGGCA GCA-3′），反向引物為806R（5′-GGACTACGGGTATCTAAT-3′）。擴(kuò)增參數(shù)：98 ℃預(yù)變性2 min；98 ℃變性15s，55 ℃退火30 s，72 ℃延伸30 s，最后72 ℃延伸5 min，30 個(gè)循環(huán)。擴(kuò)增體系為25 μL，5×反應(yīng)緩沖液5 μL，5×GC緩沖液5 μL，dNTP（2.5 mmol·L-1）2 μL，前引物1 μL（10 μmol·L-1），后引物1 μL（10 μmol·L-1），DNA 模板 40 ng，Q5 DNA 聚合酶（NEB 公司）0.25 μL，超純水（ddH2O）補(bǔ)足至 25 μL。

采用特異引物（ITS1F/2043R）對(duì)土壤真菌基因的ITS1F-ITS2 區(qū)段進(jìn)行擴(kuò)增，正向引物為ITS1F（5′-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA-3′），反向引物為2043R（5′-GCTGCGTTCTTCATCGATGC-3′）。PCR 反應(yīng)體系為：5×Q5 緩沖液5.0 μL，5×Q5 高保真GC 增強(qiáng)劑5.0 μL，dNTPs 2.0 μL（2.5 mmol·L-1），DNA模板2.0 μL（0.1 ng·μL-1），正向引物和反向引物各1.0 μL（10 μmol·L-1），Q5 聚合酶0.25 μL（5 U·μL-1），滅菌超純水8.75 μL，超純水（ddH2O）補(bǔ)足至 25 μL。擴(kuò)增條件：98 ℃預(yù)變性2 min，98 ℃變性15 s，55 ℃退火30 s，72 ℃延伸30 s，共30 個(gè)循環(huán)。

擴(kuò)增產(chǎn)物使用濃度為2%的瓊脂糖凝膠進(jìn)行電泳檢測(cè)。利用TruSeq? DNA PCR-Free Sample Preparation Kit 建庫(kù)試劑盒構(gòu)建文庫(kù)，文庫(kù)質(zhì)檢合格后使用IonS5TMXL 測(cè)序平臺(tái)，利用單端測(cè)序（Single-End）的方法，構(gòu)建小片段文庫(kù)進(jìn)行單端測(cè)序。根據(jù)Barcode 序列和PCR 擴(kuò)增引物序列從下機(jī)數(shù)據(jù)中拆分出各樣本數(shù)據(jù)，去除Barcode和引物序列后使用FLASH（V 1.2.7，http：//ccb.jhu.edu/software/FLASH/）［23］對(duì)每個(gè)樣本的reads 進(jìn)行拼接，得到的拼接序列為原始Tags 數(shù)據(jù)（raw tags），通過嚴(yán)格的過濾處理［24］后得到高質(zhì)量的Tags 數(shù)據(jù)（clean tags）。參照Qiime（V 1.9.1，http：//qiime. org/scripts/split_libraries_fastq. html）［25］的Tags 質(zhì)量控制流程，質(zhì)控包括兩部分：Tags 截取和Tags 長(zhǎng)度過濾，Tags 截取是將raw tags 從連續(xù)低質(zhì)量值（默認(rèn)質(zhì)量閾值為≤19）堿基數(shù)達(dá)到設(shè)定長(zhǎng)度（默認(rèn)長(zhǎng)度值為3）的第一個(gè)低質(zhì)量堿基位點(diǎn)截?cái)啵籘ags 長(zhǎng)度過濾是指將Tags 經(jīng)過截取后得到的Tags 數(shù)據(jù)集，進(jìn)一步過濾掉其中連續(xù)高質(zhì)量堿基長(zhǎng)度小于長(zhǎng)度75%的Tags。經(jīng)過質(zhì)控處理后得到的Tags 再去除嵌合體序列，Tags 序列通過（https：//github.com/torognes/vsearch/）［26］與物種注釋數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)檢測(cè)嵌合體序列，并最終去除其中的嵌合體序列［27］，得到最終的有效數(shù)據(jù)。利用Uparse 軟件（Uparse v 7.0.1001，http：//www.drive5.com/uparse/）［28］對(duì)所有樣本的全部 Effective Tags 進(jìn)行聚類，以97%的一致性（identity）將序列聚類成為操作分類單元（operational taxonomic units，OTUs），同時(shí)會(huì)選取OTUs 的代表性序列，依據(jù)其算法原則，篩選在OTUs 中出現(xiàn)頻數(shù)最高的序列作為OTUs 的代表序列。對(duì)OTUs 序列進(jìn)行物種注釋，用Mothur 方法與SILVA 132（http：//www.arb-silva.de/）的SSUrRNA 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行細(xì)菌物種注釋分析（設(shè)定閾值為0.8～1.0），用Qiime 軟件（Version 1.9.1）中的blast 方法（http：//qiime. org/scripts/assign_taxonomy. html）［29］與Unit（v 7.2）數(shù)據(jù)庫(kù)（https：//unite. ut. ee/）［30］進(jìn)行真菌物種注釋分析。測(cè)序工作委托天津諾禾致源生物信息科技有限公司通過IonS5TMXL 測(cè)序平臺(tái)進(jìn)行單端測(cè)序。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，使用Qiime 軟件（Version 1.9.1）計(jì)算微生物ACE、Chao1，Shannon 和Simpson 指數(shù)，而后使用R 軟件進(jìn)行α 多樣性指數(shù)組間差異分析。通過非度量多維尺度分析（non-metric multidimensional scaling analysis， NMDS）和相似度分析檢驗(yàn)（analysis of similarities， ANOSIM）土壤細(xì)菌和真菌群落間的β 多樣性差異，基于 999 個(gè)排列的ANOSIM 計(jì)算與NMDS 相關(guān)的r值和P值。采用單因素方差分析（Duncan 多重比較法）檢驗(yàn)不同處理間土壤細(xì)菌及真菌群落門水平間的顯著性差異（P＜0.05）。利用蒙特卡羅檢驗(yàn)（Monte Carlo test）進(jìn)行植被、土壤理化性狀和微生物群落之間的冗余分析（redundancy analysis， RDA）。通過AMOS 軟件構(gòu)建結(jié)構(gòu)方程模型，采用Origin 進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤細(xì)菌和真菌可操作分類單元數(shù)及其分布特征

高通量測(cè)序結(jié)果表明（圖1），T0、T1、T2和T3降水梯度下的土壤細(xì)菌總OTUs 分別為5130、6355、6149 和5494，特有OTUs 分別為235、564、496 和382。T0、T1、T2和T3降水梯度下的土壤真菌總OTUs 分別為2063、2492、2481 和2118，特有OTUs 分別為315、436、533 和286。土壤細(xì)菌群落總OTUs、真菌群落總OTUs 在各個(gè)降水梯度下具有相似的變化規(guī)律；均表現(xiàn)為隨降水減少，呈先升高后降低趨勢(shì)。每種降水梯度下土壤細(xì)菌總OTUs均為真菌總OTUs 的2.5～2.6 倍。

圖1 土壤細(xì)菌（a）和真菌（b）獨(dú)有和共有OTUs 數(shù)量分布的韋恩圖Fig.1 Venn diagram of the number of shared and unique bacterial （a） and fungal （b） OTUs in the different treatments

2.2 土壤細(xì)菌和真菌群落相對(duì)豐度及優(yōu)勢(shì)種變化特征

不同降水量下荒漠草原觀測(cè)樣地基于門水平分類組成的土壤微生物物種差異分析結(jié)果表明（圖2）：無論降水如何變化，土壤細(xì)菌優(yōu)勢(shì)菌門始終為變形菌門（Proteobacteria）（13.55%～16.81%）、放線菌門（Actinobacteria）（14.57%～16.39%）和酸桿菌門（Acidobacteria）（8.63%～10.79%）（圖2a）。土壤變形菌門相對(duì)豐度整體上表現(xiàn)出隨降水減少呈降低的趨勢(shì)；其中T0處理下變形菌門的相對(duì)豐度極顯著高于其他處理。此外，土壤酸桿菌門和綠彎菌門（Chloroflexi）相對(duì)豐度在不同自然降水梯度下也產(chǎn)生顯著差異（P=0.003），二者相對(duì)豐度隨降水量減少呈顯著升高趨勢(shì)。

圖2 土壤細(xì)菌（a）和真菌（b）群落在門水平上相對(duì)豐度差異Fig.2 Differences in the relative abundance of soil bacterial （a） and fungal （b） communities on the phylum level

真菌群落的優(yōu)勢(shì)類群為子囊菌門（Ascomycota）（15.89%～17.87%）和擔(dān)子菌門（Basidiomycota）（7.55%～10.04%）（圖2b）。子囊菌門相對(duì)豐度整體上隨著降水量下降呈降低趨勢(shì)，但在不同降水量變化下其相對(duì)豐度間無顯著性差異；而擔(dān)子菌門的變化趨勢(shì)恰好與之相反，其相對(duì)豐度整體上隨著降水量下降呈增加趨勢(shì)。此外，非優(yōu)勢(shì)菌門的球囊菌門（Glomeromycota）相對(duì)豐度在不同降水觀測(cè)樣地間卻存在極顯著性差異。

2.3 不同降水梯度下荒漠草原土壤細(xì)菌及真菌群落α 多樣性變化特征

由表1 可知，T0（231 mm）處理下細(xì)菌群落的Chao1 指數(shù)、ACE 指數(shù)（P=0.011）和香農(nóng)-維納指數(shù)顯著低于T1（154 mm）、T2（137 mm）和T3（114 mm）處理。即在154～231 mm 降水處理下，降水量減小會(huì)顯著提升土壤細(xì)菌群落的多樣性（Shannon 指數(shù)）和豐富度（ACE 指數(shù)）；當(dāng)降水量低于154 mm 時(shí)，細(xì)菌群落多樣性和豐富度指數(shù)未發(fā)生顯著變化。

真菌群落的豐富度指數(shù)（Chao1 指數(shù)和ACE 指數(shù)）同樣隨著降水變化產(chǎn)生了顯著性差異。即，當(dāng)降水量介于154～231 mm 時(shí)，真菌豐富度指數(shù)隨著降水減少呈顯著升高趨勢(shì)，超出這一降水范圍后真菌豐富度指數(shù)則不會(huì)產(chǎn)生顯著性差異；真菌多樣性指數(shù)（Shannon 指數(shù)和Simpson 指數(shù)）并沒有因?yàn)榻邓兓a(chǎn)生顯著性差異。

2.4 不同降水梯度對(duì)荒漠草原土壤細(xì)菌及真菌群落β 多樣性的影響

非度量多維尺度分析結(jié)果表明（圖3），T0、T1、T2和T3處理下的土壤細(xì)菌和真菌群落在空間上彼此分離，各樣本重復(fù)的組間距離較大，表明土壤細(xì)菌、真菌群落組成的相似性差異較大。采用ANOSIM 檢驗(yàn)，進(jìn)行999 次蒙特卡洛隨機(jī)置換后發(fā)現(xiàn)，不同降水量分布的監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)土壤細(xì)菌群落（r=0.37，P=0.001）和真菌群落（r=0.47，P=0.001）β 多樣性差異顯著。

圖3 不同降水梯度下荒漠草原土壤細(xì)菌（a）和真菌（b）群落的非度量多維尺度分析Fig. 3 Non-metric multidimensional scaling analysis（NMDS） of bacteria（a） and fungi （b） in desert grasslands under different precipitation gradients

2.5 土壤環(huán)境因子對(duì)荒漠草原土壤微生物群落的影響

冗余分析結(jié)果表明（圖4），環(huán)境因子顯著影響細(xì)菌（P=0.002）和真菌群落（P=0.001）物種分布。在不同自然降水梯度下，TN（P=0.030）和AP（P=0.002）是驅(qū)動(dòng)荒漠草原土壤細(xì)菌群落變化的主要環(huán)境因子，而驅(qū)動(dòng)土壤真菌群落變化的環(huán)境因子則為OM 和TP。土壤細(xì)菌的豐富度指數(shù)（bacteria_Chao1 指數(shù)）與pH 呈正相關(guān)，與降水量、AP、TP 和TN 呈負(fù)相關(guān)；土壤細(xì)菌的多樣性指數(shù)（bacteria_Shannon 指數(shù)）與pH 呈正相關(guān)，與降水量和AP呈負(fù)相關(guān)；細(xì)菌群落組成（bacteria_NMDS1）與TN 和TP 呈正相關(guān)，與降水量、AP 指數(shù)呈負(fù)相關(guān)。降水（R2=0.19，P=0.080）、TN（R2=0.29，P=0.030）、AP（R2=0.42，P=0.002）、AK（R2=0.04，P=0.420）、TP（R2=0.06，P=0.350）、pH（R2=0.07，P=0.310）、OM（R2=0.04，P=0.470）和植被生物量（R2=0.01，P=0.816）對(duì)細(xì)菌群落變異的解釋率分別為13.40%、19.70%、35.70%、4.40%、1.20%、1.70%、0.80%和0.36%。環(huán)境因子對(duì)細(xì)菌群落變異的總解釋率為77.16%（圖4a）。

圖4 不同降水梯度下荒漠草原土壤細(xì)菌群落（a）及真菌群落（b）與環(huán)境因子間的RDA 分析Fig. 4 Redundancy analysis （RDA） based on soil bacterial community （a）， fungal community （b） and environmental factors under different precipitation gradients in desert grasslands

土壤真菌的豐富度指數(shù)（Chao1 指數(shù)）與pH、AP、OM 和AN 呈正相關(guān)，與降水量、植被多樣性指數(shù)（plant_Shannon 指數(shù)）和AK 呈負(fù)相關(guān)；土壤真菌的多樣性指數(shù)（fungi_Shannon 指數(shù)）與OM 和AN 呈正相關(guān)，與降水量呈負(fù)相關(guān)；真菌群落組成（fungi_NMDS1）與真菌多樣性指數(shù)（fungi_Shannon 指數(shù)）、真菌豐富度指數(shù)（fungi_Chao1指數(shù)）、OM 和AN 呈正相關(guān)，與降水量呈負(fù)相關(guān)。降水（R2=0.44，P=0.09）、AK（R2=0.37，P=0.14）、OM（R2=0.46，P=0.03）、TP（R2=0.60，P=0.03）、AP（R2=0.05，P=0.34）、AN（R2=0.04，P=0.42）、pH（R2=0.03，P=0.72）和植被多樣性（R2=0.01，P=0.81）對(duì)真菌群落變異的解釋率分別為10.80%、9.90%、13.60%、14.20%、3.20%、1.60%、0.40%和0.20%。環(huán)境因子對(duì)真菌群落變異的總解釋率為53.94%（圖4b）。

為進(jìn)一步揭示荒漠草原區(qū)降水量變化對(duì)土壤細(xì)菌和真菌的直接或間接影響，本研究基于RDA 分析結(jié)果以及與這些微生物群落有關(guān)的其他驅(qū)動(dòng)因素（年均降水量、植物群落和土壤因子）之間的關(guān)系建立了結(jié)構(gòu)方程模型（structural equation modeling， SEM）。SEM 結(jié)果顯示（圖5a），在以細(xì)菌群落為主的荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)中，模型對(duì)植被群落生物量、植被多樣性、土壤養(yǎng)分、細(xì)菌群落豐富度和群落組成的解釋率分別為11%、2%、57%、46%和54%。荒漠草原區(qū)自然降水變化通過3 種途徑對(duì)土壤細(xì)菌群落產(chǎn)生顯著效應(yīng)：1）直接對(duì)細(xì)菌群落豐富度產(chǎn)生極顯著負(fù)效應(yīng)；2）通過改變土壤養(yǎng)分間接地對(duì)細(xì)菌群落豐富度和群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著正效應(yīng)；3）通過影響植被群落生物量改變土壤養(yǎng)分，間接影響土壤細(xì)菌群落豐富度和群落結(jié)構(gòu)。在真菌群落參與的荒漠草原土壤生態(tài)系統(tǒng)中（圖5b），模型對(duì)植被群落生物量、植被多樣性、土壤養(yǎng)分、細(xì)菌群落豐富度和群落組成的解釋率分別為12%、2%、57%、13%和64%。降水通過2 種途徑對(duì)真菌群落產(chǎn)生顯著效應(yīng)：1）通過改變土壤養(yǎng)分間接地對(duì)真菌群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生極顯著正效應(yīng)； 2）通過影響植被群落生物量改變土壤養(yǎng)分，進(jìn)而間接地對(duì)土壤真菌群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生極顯著正效應(yīng)。

圖5 荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)各組分間的結(jié)構(gòu)方程模型Fig.5 Structural equation model between biological and abiotic components of desert steppe ecosystem

3 討論

3.1 降水量變化對(duì)荒漠草原區(qū)土壤細(xì)菌、真菌群落組成及相對(duì)豐度的影響

研究發(fā)現(xiàn)降水減少在一定程度上提高了土壤細(xì)菌群落和真菌群落的總OTUs，這表明干旱對(duì)土壤細(xì)菌和真菌群落豐富度會(huì)產(chǎn)生積極影響。此外，研究發(fā)現(xiàn)在不同降水梯度下，細(xì)菌總OTUs 均為真菌總OTUs 的2～3 倍，這與Chen 等［31］的研究結(jié)果類似。他們認(rèn)為相較于真菌，土壤細(xì)菌的擴(kuò)散作用更強(qiáng)，因而在荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)主要地位，是具有較高OTUs 的主要原因。

Na 等［32］和Wu 等［33］的研究結(jié)果表明，降水變化對(duì)優(yōu)勢(shì)細(xì)菌，如變形菌門、放線菌門、酸桿菌門和綠彎菌門的相對(duì)豐度影響不顯著。然而，本研究卻發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)細(xì)菌中變形菌門、放線菌門、酸桿菌門和綠彎菌門在不同降水梯度下相對(duì)豐度差異顯著。分析認(rèn)為，不同優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門類對(duì)降水變化的響應(yīng)不一，主要是由于不同微生物類群具有不同的生活策略［34］。如，變形菌門作為典型的富養(yǎng)型細(xì)菌類群［35］，環(huán)境資源越豐富，越有利于其生存和發(fā)展；而酸桿菌門作為寡營(yíng)養(yǎng)類群，其豐度一般會(huì)隨土壤養(yǎng)分的下降而升高［34］。

本試驗(yàn)中，土壤變形菌門相對(duì)豐度隨降水減少呈顯著降低趨勢(shì)，在較高降水量的T0處理下更為富集；放線菌門、酸桿菌門和綠彎菌門的相對(duì)豐度總體上隨著降水減少呈顯著升高趨勢(shì)，在降水量最低的T3處理下更為富集。研究認(rèn)為，環(huán)境降水正常時(shí)，細(xì)菌類群與植被競(jìng)爭(zhēng)荒漠土壤中有限的養(yǎng)分資源。由于變形菌門類群屬于革蘭氏陰性細(xì)菌，適宜的環(huán)境降水會(huì)保證土壤水分保持在正常狀態(tài)，對(duì)革蘭氏陰性細(xì)菌具有正向影響［36］。而當(dāng)環(huán)境降水減少時(shí)，較低的土壤水分很可能會(huì)降低植物的蒸騰速率，從而降低元素的吸收，微生物對(duì)元素吸附能力的減弱也伴隨著植物輸入減少［37］。此外，干旱也會(huì)降低微生物活性［12］，使得富養(yǎng)型細(xì)菌類群（如變形菌門）難以生存和發(fā)展。因此，土壤變形菌門細(xì)菌的相對(duì)豐度隨著降水減少呈現(xiàn)出顯著降低趨勢(shì)。而對(duì)干旱和貧瘠環(huán)境條件具有較強(qiáng)抵抗力的寡營(yíng)養(yǎng)類群細(xì)菌和耐旱型微生物類群（如酸桿菌門和放線菌門）能夠超過其他微生物類群（如變形菌門）［38］，故其相對(duì)豐度隨降水減少呈顯著升高趨勢(shì)。土壤真菌各優(yōu)勢(shì)類群相對(duì)豐度并未隨環(huán)境降水減少而產(chǎn)生顯著性差異，這表明真菌群落整體上對(duì)降水減少具有一定的抵抗力；主要是因?yàn)檎婢梢酝ㄟ^菌絲結(jié)構(gòu)從缺水的土壤孔隙中獲取足夠的水分和養(yǎng)分、維系其正常的生命活動(dòng)［14］。

3.2 降水變化影響下土壤細(xì)菌群落和真菌群落α 多樣性差異

諸多研究表明，在許多生態(tài)系統(tǒng)中，細(xì)菌群落多樣性普遍高于真菌多樣性［31］，本研究結(jié)果與之一致。這是因?yàn)樵S多土壤細(xì)菌類群具有抗旱性，隨干旱程度加劇，細(xì)菌核糖體合成加快，能夠在條件變得更有利于營(yíng)養(yǎng)獲取時(shí)占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位［14］。Maestre 等［39］對(duì)除南極洲以外所有大陸的80 個(gè)旱地進(jìn)行干旱效應(yīng)評(píng)估，發(fā)現(xiàn)干旱程度加劇會(huì)降低土壤細(xì)菌和真菌的豐度和α 多樣性。但本研究的結(jié)果與之相反，盡管在寧夏荒漠草原土壤上細(xì)菌群落和真菌群落豐度整體隨降水減少呈上升趨勢(shì)，α 多樣性指數(shù)隨干旱程度增加也呈顯著上升趨勢(shì)，但土壤真菌α 多樣性指數(shù)對(duì)降水變化的響應(yīng)不如細(xì)菌群落敏感。從微生物群落組成來看，基于門水平上相對(duì)豐度較高的前10 門細(xì)菌類群中，放線菌門、酸桿菌門、綠彎菌門、厚壁菌門、藍(lán)菌門、疣微菌門以及其他未檢出細(xì)菌類群的相對(duì)豐度整體上均表現(xiàn)為隨降水量減小呈上升趨勢(shì)，這可能是導(dǎo)致細(xì)菌豐度隨降水減少而顯著上升的主要原因。而真菌群落相對(duì)豐度較高的前10 門類群中，擔(dān)子菌門和壺菌門等優(yōu)勢(shì)菌門以及未檢出真菌類群的相對(duì)豐度整體上均表現(xiàn)為隨降水量減小呈上升趨勢(shì)。分析認(rèn)為，這是導(dǎo)致真菌群落豐度隨降水減少而顯著上升的主要原因。徐鵬等［40］的研究也表明，不同真菌物種對(duì)干旱響應(yīng)的差異性可能促使真菌群落組成變化，而真菌群落物種多樣性相對(duì)恒定。

從微生物的生活策略而言，微生物對(duì)水分的適應(yīng)狀況取決于微生物本身的生理結(jié)構(gòu)（如細(xì)胞壁）及特性［41］。在本研究中，真菌與細(xì)菌多樣性指數(shù)對(duì)降水變化表現(xiàn)出不同的響應(yīng)模式。相較于土壤細(xì)菌的單細(xì)胞結(jié)構(gòu)而言，真菌的絲狀結(jié)構(gòu)能夠重新分配利用水分［40］，這使得真菌不易受水分含量變化的限制［42］。因此，真菌對(duì)干旱的適應(yīng)能力較強(qiáng)［43］，從而使真菌多樣性對(duì)降水變化的敏感性不如細(xì)菌群落。細(xì)菌和真菌群落對(duì)水分變化的不同響應(yīng)，也說明二者具有不同的生理特性。

3.3 降水變化下驅(qū)動(dòng)荒漠草原土壤微生物群落變化的因子

Wang 等［44］認(rèn)為，降水變化影響下植被多樣性和生產(chǎn)力的變化是驅(qū)動(dòng)土壤微生物變化的主要因素，本研究與其恰好相反。在本研究中，自然降水梯度作用下植物群落并未對(duì)土壤微生物群落產(chǎn)生明顯驅(qū)動(dòng)作用，這可能是因?yàn)閷幭闹小⒈辈炕哪菰脖蝗郝湟愿什荨撞荨⒍袒ㄡ樏┖团Ｖψ拥壬场⒑瞪参餅橹鳎?1］，它們對(duì)外界環(huán)境變化具有較強(qiáng)的抵抗能力［45］，植被群落多樣性、生物量和群落組成特征較為穩(wěn)定。

團(tuán)隊(duì)前期研究結(jié)果表明降水變化（114～231 mm）對(duì)荒漠草原土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、總磷、速效磷和速效鉀均產(chǎn)生了顯著影響［21］。本試驗(yàn)結(jié)果表明土壤總氮和速效磷是驅(qū)動(dòng)荒漠草原土壤細(xì)菌群落變化的主要環(huán)境因子，而驅(qū)動(dòng)土壤真菌群落變化的環(huán)境因子則為有機(jī)質(zhì)和總磷。諸多研究表明，土壤養(yǎng)分作為微生物的主要能源物質(zhì)，能夠影響微生物群落結(jié)構(gòu)和群落組成［46-47］。隨著自然降水量減少，植被對(duì)土壤養(yǎng)分元素的吸收減緩，使得土壤中碳、氮、磷等元素積累［48］，這對(duì)微生物群落塑造產(chǎn)生了積極影響［47］。細(xì)菌和真菌作為土壤中主要的微生物類群，它們?cè)谛螒B(tài)特征、生長(zhǎng)速率和底物利用方面存在很大差異［31］，因此二者在資源利用策略和環(huán)境敏感性方面的反應(yīng)不盡相同［49］。本研究中，土壤磷素是調(diào)節(jié)土壤微生物多樣性的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素，這一結(jié)果可能是由于所研究的荒漠草原具有很強(qiáng)的磷限制［12］；此外，研究發(fā)現(xiàn)土壤細(xì)菌群落還受氮素驅(qū)動(dòng)，真菌群落還受有機(jī)質(zhì)驅(qū)動(dòng)。綜合分析認(rèn)為，由于細(xì)菌與真菌具有不同的新陳代謝和生活策略；細(xì)菌對(duì)氮素的營(yíng)養(yǎng)需求高于真菌，而真菌對(duì)碳的需求高于細(xì)菌［16，43］，兩者對(duì)不同土壤養(yǎng)分元素的需求差異，使得土壤細(xì)菌和真菌群落驅(qū)動(dòng)因子存在差別。此外，作用于細(xì)菌群落和真菌群落的直接和間接生態(tài)因素存在差異；細(xì)菌群落和真菌群落同時(shí)受降水、植被和土壤養(yǎng)分調(diào)控，降水可以直接作用于土壤細(xì)菌群落；但無法直接作用于真菌群落，必須通過植被和土壤養(yǎng)分才能實(shí)現(xiàn)對(duì)真菌群落的影響。這是因?yàn)榧?xì)菌的單細(xì)胞體形式無法跨越土壤中充滿空氣的孔隙，因此它高度依賴水進(jìn)行移動(dòng)和基質(zhì)擴(kuò)散［50］；而真菌菌絲能夠穿過充滿空氣的土壤孔隙獲取養(yǎng)分和水分［51］，這使得真菌群落對(duì)降水變化的抵抗性更高。然而，降水變化是如何通過影響植物、土壤養(yǎng)分間相互作用，影響土壤細(xì)菌和真菌群落的最終機(jī)制仍不十分清楚。因此，降水變化與土壤微生物群落間的作用關(guān)系及驅(qū)動(dòng)機(jī)制還有待于進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)論

荒漠草原土壤微生物群落受降水（114～231 mm）變化影響顯著，降水減少對(duì)土壤細(xì)菌群落和真菌群落的豐富度均有促進(jìn)作用，但真菌群落多樣性指數(shù)對(duì)降水變化的敏感性低于細(xì)菌群落。在荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)中，植被群落和土壤因子共同參與解釋了土壤細(xì)菌群落和真菌群落對(duì)降水變化的響應(yīng)過程，其中土壤因子的調(diào)控占主導(dǎo)作用，驅(qū)動(dòng)細(xì)菌群落和真菌群落變化的環(huán)境因子也存在差異。荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)土壤細(xì)菌和真菌群落應(yīng)對(duì)降水量變化時(shí)的不同適應(yīng)策略有助于預(yù)測(cè)未來降水變化趨勢(shì)。