祁連山不同植被類型土壤微生物群落多樣性差異

朱平,陳仁升*,宋耀選,劉光琇,陳拓,張威

(1.中國科學院黑河上游生態(tài)水文試驗研究站, 甘肅 蘭州730000；2.中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所,甘肅 蘭州 730000)

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祁連山不同植被類型土壤微生物群落多樣性差異

朱平1,2,陳仁升1,2*,宋耀選1,2,劉光琇2,陳拓2,張威2

(1.中國科學院黑河上游生態(tài)水文試驗研究站, 甘肅 蘭州730000；2.中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所,甘肅 蘭州 730000)

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)和能量轉化中占有重要的地位。以祁連山中段不同海拔的4種植物群落，即墊狀植被(cushion plants, CP)、高寒草甸(alpine meadow, AM)、沼澤化草甸(swamp meadow, SM)和高寒灌叢(alpine shrub, AS)作為實驗樣地，采用BIOLOG技術，探討了土壤微生物群落多樣性在不用海拔梯度形成的植被條件下的變化特征。結果表明，反映微生物活性的平均顏色變化率(average well color development, AWCD)的大小順序為：沼澤化草甸>高寒草甸>高寒灌叢>墊狀植被，沼澤化草甸土壤微生物群落代謝活性最高；高寒草甸和沼澤化草甸土壤微生物群落碳源利用模式相似，土壤微生物群落的Shannon-Wiener物種豐富度指數(shù)(H)與土壤有機碳和全氮顯著相關(P<0.05)，Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(D)和McIntosh 指數(shù)(U)與土壤全氮顯著相關(P<0.05)；冗余分析表明，土壤有機碳、pH和全氮可能是土壤微生物利用碳源的控制因子。研究結果為進一步探討高寒草甸與土壤微生物之間的關系奠定了基礎。

祁連山；土壤微生物；Biolog；群落多樣性

土壤微生物群落多樣性是理解生態(tài)系統(tǒng)過程的核心內容之一，參與土壤碳氮循環(huán)及土壤有機質礦化，在生態(tài)系統(tǒng)能量流動和物質循環(huán)中扮演著重要角色[1-3]。微生物群落的定量描述是當前微生物學家面臨的艱巨任務之一，BIOLOG氧化還原技術以群落水平碳源利用類型為基礎，為研究土壤微生物群落多樣性提供了一種簡單、快速的方法[4]。由于不同類群的土壤微生物群落利用碳源能力不同，因此不同的碳源利用模式即可表征微生物群落的差異[5]。雖然BIOLOG方法有一定的局限性，但其彌補了傳統(tǒng)培養(yǎng)法、生物標記法和各種分子生物學方法無法獲得的有關微生物群落總體活性和代謝功能信息的不足。因此，環(huán)境微生物群落研究具有非常重要的理論和應用價值[2,4]。

祁連山地處亞歐大陸中心，位于青藏、蒙新、黃土三大高原的交匯地帶，屬西北高寒、干旱半干旱地區(qū)，自然資源豐富，形成了復雜的生態(tài)系統(tǒng)[6]。祁連山發(fā)育了石羊河、黑河、疏勒河等水系，但由于氣候變化和人類活動，景觀格局發(fā)生了顯著變化，森林和草地發(fā)生退化[7-8]。目前，祁連山土壤微生物研究主要集中在土壤微生物數(shù)量分布特征[9-10]、功能群落數(shù)量動態(tài)[11-12]、16rRNA基因序列分析[13]和土壤微生物生物量及酶[14]等方面，但對不同海拔梯度形成的不同植被類型條件下土壤微生物群落多樣性方面進行的研究較少。

高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)極其脆弱，對氣候變化非常敏感，其生態(tài)系統(tǒng)服務對人類利用自然資源有重要影響[15-16]。因不同的地形部位、土壤溫度、濕度、水文等因素的綜合作用，使高寒草甸在不同部位形成金露梅(Potentillafruticosa)灌叢草甸、矮嵩草(Kobresiahumilis)草甸、沼澤化藏嵩草(Kobresiatibetica)草甸等植被類型，在高寒生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要角色[17-18]。本文選擇中國科學院黑河上游生態(tài)水文試驗站(簡稱祁連站)具有典型代表性的草甸和墊狀植被為對象，探討不同海拔植被下土壤微生物群落的多樣性差異，確定不同植被類型條件下土壤微生物對不同碳源類型利用強度，明確土壤微生物群落研究中培養(yǎng)基的選擇，其結果可為揭示不同海拔植被條件下土壤微生物學過程提供基礎數(shù)據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于祁連山中部托勒南山陰坡葫蘆溝區(qū)域內，地理位置為38.16° N, 99.52° E，研究區(qū)內布設有標準氣象場，研究站大本營海拔2980 m處，年平均氣溫為0.2℃，最低氣溫-18.4℃，最高氣溫19.0℃，年降水量400～800 mm，為典型大陸性高寒山區(qū)氣候。選擇祁連山托勒南山陰坡土壤為本研究試驗區(qū)，研究區(qū)內海拔2960～4820 m，跨度1860 m，垂直景觀梯度分異明顯[19]。植被類型較為豐富，高寒嵩草草甸占優(yōu)勢。主要土壤類型為高山草甸土、高山灌叢草甸土、沼澤土和寒漠土，植被類型主要有高寒草甸、高寒灌叢、沼澤化草甸和墊狀植被。植被群落結構簡單，生長期短，生產力較低。

1.2 樣地設置和取樣方法

以植被特征為依據，選擇具有代表性的金露梅和高山柳(Salixcupularis)為主要優(yōu)勢種的高寒灌叢(alpine shrub, AS)；藏嵩草、矮嵩草和線葉嵩草(Kobresiacapillifolia)為優(yōu)勢種，伴生種為早熟禾(Poaannua)和垂穗披堿草(Elymusnutans)的沼澤化草甸(swamp meadow, SM)；小嵩草(Kobresiapygmaea)、矮嵩草和藏嵩草為優(yōu)勢種的高寒草甸(alpine meadow, AM)及囊種草(Thylacospermumcaespitosum)、墊狀點地梅(Androsacetapete)和水母雪蓮(Saussureamedusa)為優(yōu)勢種的墊狀植被(cushion plants, CP)為樣地。高寒草甸區(qū)從海拔3300～4200 m的垂直剖面上，海拔每上升300 m左右選擇植被均勻分布的地段設置一個樣地，共4個梯度(海拔3300 m,高寒灌叢；海拔3620 m，沼澤化草甸；海拔3890 m，高寒草甸；海拔4160 m，墊狀植被)。每個梯度樣地內分別設置3個約20 m×20 m的樣方作為重復，在每個樣方內用直徑為4.5 cm的土鉆以S型分別采集5個0～20 cm深度的土壤，每個土層混合后約500 g分別裝入自封袋封裝并做好標記。將土樣分為兩份：1份土樣風干過2 mm篩用于土壤基本理化性質測定；另1份土樣實驗室4℃冰箱保存用于土壤Biolog培養(yǎng)實驗，采樣時間為2013年7月。

1.3 測定方法

1.3.1 土壤基本理化性質分析 試驗于2013年10月下旬進行，土壤pH采用電位法測定，稱取通過2 mm篩孔的風干土樣10 g加入25 mL無CO2蒸餾水，液土比為2.5∶1，攪拌1 min，靜置30 min后測定；土壤含水量(soil moisture content, SMC)采用烘干法測定，將盛有新鮮土樣的鋁盒，置于105℃的恒溫干燥箱烘6～8 h，烘至恒重；土壤有機碳(soil organic carbon, SOC)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法，稱取過0.149 mm篩孔的土樣0.1～1.0 g，加入K2Cr2O7和濃硫酸混合液5 mL，油浴加熱170～180℃，至溶液沸騰5 min，溶物洗入250 mL三角瓶中，使總體積控制在60～80 mL，用0.2 mol/L FeSO4滴定，計算有機碳含量；全氮(total nitrogen, TN)采用半微量凱氏法測定，稱取過0.149 mm篩孔的土樣1 g放入凱氏瓶中，加催化劑和濃硫酸消煮，堿化后把NH3蒸餾出來，用20 g/L H3BO3溶液吸收，然后用0.02 mol/L HCl滴定，計算全氮含量； 然后全磷(total phosphorus, TP)采用酸溶-鉬銻抗比色法，稱取過0.149 mm篩孔的風干土樣0.2 g，加HClO4和HF加熱，土壤中含磷礦物及有機磷化合物全部轉化為正磷酸鹽進入溶液，然后用鉬銻抗比色法測定[20]。

1.3.2 土壤微生物群落多樣性測定 試驗采用Biolog微平板(Biolog EcoPlateTM)作為微生物研究載體。實驗前先將待測土壤從冰箱內提前4 h拿出，放置于室溫下恢復土壤微生物的活性，稱取10 g新鮮土樣倒入裝有90 mL 0.85%滅菌生理鹽水的三角瓶中，200 r/min振蕩30 min，使土壤中微生物均勻分散。靜止10 min后取5 mL上清液加入0.85%滅菌生理鹽水中，重復以上步驟，將溶液稀釋1000倍。取10-3上清菌液用8道移液排槍接入Biolog-Eco微平板，放入25℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)，每隔12 h讀取590和750 nm波長下的吸光值，連續(xù)8 d。

單孔的平均顏色變化率(average well color development,AWCD)：AWCD=∑(C590-C750)/31

式中，C為每個有培養(yǎng)基孔的吸光值，31為Biolog-ECO微平板上供試碳源的種類數(shù)，C590、C750是指590和750 nm的吸光值[5]。

采用Biolog-ECO 微平板培養(yǎng)96 h的數(shù)據進行統(tǒng)計分析，采用Biolog-ECO 微平板孔中吸光值來計算土壤微生物群落多樣性指數(shù)[21]，計算公式如下：

Shannon-Wiener 指數(shù)反映土壤中微生物群落豐富度 (H′)：H′=-∑Pi×lnPi

Simpson指數(shù)表征土壤中微生物群落優(yōu)勢度 (D)：D=1-∑(Pi)2

式中，Pi為第i孔的相對吸光值與整個平板相對吸光值總和的比率；ni是第i孔的相對吸光值。

1.4 數(shù)據分析

所有數(shù)據均為平均值±標準誤，采用SPSS 11.5進行統(tǒng)計分析。對數(shù)據進行單因素方差分析(one-way ANOVA)，最小顯著性差異(LSD)用于數(shù)據顯著性檢驗，Pearson相關系數(shù)來分析土壤理化性質與土壤微生物群落多樣性指數(shù)之間的關系。冗余分析(redundancy analysis, RDA)用于土壤微生物代謝指標和理化性質之間的關系，為保證數(shù)據滿足正態(tài)分布及減小異常值對分析結果的影響，對土壤理化性質數(shù)據進行l(wèi)og (x+1)轉換， 應用排序軟件CANOCO 4.5進行分析，顯著性水平為 α=0.05。

2 結果與分析

2.1 垂直帶土壤理化性質的梯度分布特征

不同海拔梯度內，隨著海拔的升高，土壤pH先降低后升高。高山寒漠土pH最大，沼澤土pH最低。海拔梯度3620 m沼澤土土壤含水率最高，土壤含水率平均達到60%；不同海拔植被下土壤含水率差異顯著(P<0.05)。土壤有機碳在不同海拔梯度內，寒漠土土壤有機碳含量最低，為21.07 g/kg；高山灌叢草甸土、沼澤土和寒漠土土壤有機碳差異顯著(P<0.05)。寒漠土土壤全氮含量與其他3個海拔梯度土壤全氮差異顯著 (P<0.05)，沼澤土土壤全氮含量最高。不同海拔梯度植被下，土壤全磷含量差異不顯著 (P>0.05)。不同海拔梯度土壤平均碳氮比范圍為5.46～11.25，沼澤土和高山草甸土碳氮比較高，寒漠土碳氮比較低(表 1)。

表1 不同植被土壤基本理化性質

同行不同字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。

Different letters in the same row indicate significant differences atP<0.05, the same below.

2.2 垂直帶不同海拔梯度土壤微生物平均顏色變化率的動態(tài)特征

圖1 不同植被下的土壤微生物群落平均顏色變化率隨時間的變化Fig.1 AWCD dynamics change with incubation time under four vegetation types

由圖1可知，在對微生物培養(yǎng)的24 h內，微生物對底物利用并不明顯，在 48 h后微生物對底物利用迅速增加。在培養(yǎng)192 h過程中，高山草甸(AM)和沼澤化草甸(SM)AWCD呈相似的趨勢，均高于高寒灌叢(AS)和墊狀植被(CP)，而墊狀植被AWCD最低。192 h時，沼澤化草甸(SM)平均AWCD達到0.96，而墊狀植被平均AWCD為0.22，不同海拔梯度植被類型下， AWCD的大小順序為：沼澤化草甸>高寒草甸>高寒灌叢>墊狀植被。

2.3 不同海拔植被類型土壤微生物群落多樣性指數(shù)變化

對Biolog-ECO 微平板中的3種土壤微生物群落多樣性指數(shù)進行分析，結果見表2，沼澤土的土壤微生物群落Shannon指數(shù)和Simpson優(yōu)勢度指數(shù)均最高。方差分析結果表明，不同海拔梯度形成的不同植被條件下土壤微生物群落的Shannon-Wiener指數(shù)和Simpson指數(shù)差異不顯著(P>0.05)。結合圖1，沼澤土土壤微生物活性最強。

表2 土壤微生物群落多樣性指數(shù)

2.4 不同海拔植被類型土壤微生物群落主成分分析

圖2 不同植被類型的土壤微生物群落碳源利用主成分分析Fig.2 Principal component analysis of carbon utilization of soil microbial communities under four vegetation types

對Biolog-ECO 微平板上96 h的31種碳源底物利用情況進行主成分分析。主成分的提取原則是相對應特征值大于1的前m個主成分，據此原則，對土壤碳源底物利用情況共提取4 個主成分，累計貢獻率達到91.84%。其中第1主成分(PC1)的貢獻率為65.17%，第2主成分(PC2)的貢獻率為13.43%。選取前兩個主成分進行分析，以PC1為橫軸，PC2 為縱軸，以不同海拔植被31種碳源底物利用情況在2個主成分上的得分值為坐標作圖，得到土壤微生物碳源利用主成分分析圖(圖 2)。除高寒灌叢有1點較離散外，其余的點在PC軸上可以分成兩類：1)高寒灌叢、墊狀植被；2)沼澤化草甸、高寒草甸。在PC1軸上，沼澤化草甸和高寒草甸分布在正方向，高寒灌叢、墊狀植被分布在負方向上。4 種不同的植被類型分布差異表明，在沼澤化草甸和高寒草甸的植被下土壤微生物群落具有相似的碳源利用模式，土壤微生物群落代謝功能相似，而與高寒灌叢、墊狀植被土壤微生物群落碳源利用模式不同。

Biolog-ECO 微平板的31種碳源底物分為四大類：糖類及其衍生物、氨基酸類及其衍生物、脂肪酸和脂類、代謝中間產物及次生代謝物，其中，糖類及其衍生物12 種、氨基酸類及其衍生物6 種、脂肪酸和脂類5種、代謝中間產物及次生代謝物8種[22]。影響第1主成分(PC1)的碳源主要有25 種，其中糖類及其衍生物11種、氨基酸類及其衍生物4 種、脂肪酸和脂類3種、代謝中間產物及次生代謝物7 種。影響第2主成分(PC2)的碳源主要有2 種，其中脂肪酸和脂類1種、代謝中間產物及次生代謝物1 種。表明影響第2主成分的碳源主要是脂肪酸、脂類、代謝中間產物及次生代謝物。由此說明糖類及其衍生物、氨基酸類及其衍生物、脂肪酸和脂類、代謝中間產物及次生代謝物均為研究區(qū)土壤微生物利用的碳源(表3)。

表3 31種碳源的主成分載荷因子

2.5 不同海拔植被類型土壤微生物生理碳代謝指紋圖譜分析

微生物對微平板上不同碳源利用能力的圖被定義為BIOLOG代謝指紋圖譜[23]。測定培養(yǎng)96 h時4種植被下土壤微生物對31種單一碳源的代謝能力(AWCDi值)，得到微生物群落代謝指紋圖譜。從圖3 可以看出，高寒草甸和沼澤化草甸土壤微生物對31 種碳源利用程度遠大于高寒灌叢和墊狀植被。高寒草甸土壤代謝指紋圖譜中AWCDi≥0.7的碳源有12種(糖類5 種，氨基酸類2種，羧酸類1 種，多聚物類2 種，多胺類1 種，芳香化合物類1 種)；沼澤化草甸土壤代謝指紋圖譜中AWCDi≥0.7的碳源有12種(糖類5 種，氨基酸類1種，羧酸類2 種，多聚物類2 種，多胺類1 種，芳香化合物類1 種)，占總碳源的38.7%；高寒灌叢AWCDi≥0.7的碳源僅有1種(羧酸類1種)，占總碳源的3.2%；墊狀植被則沒有。此外，高寒草甸和沼澤化草甸土壤微生物對碳源利用相似程度較高，對碳源B4(L-天門冬酰胺)、G1(D-纖維二糖)、E2(N-乙酰-D-葡萄糖胺)、B3(D-半乳糖醛酸)的利用程度較高。

圖3 土壤微生物生理碳代謝指紋圖譜Fig.3 Metabolic fingerprint of carbon level physiological profiles of microbial community in four tested soils A4～F4:氨基酸類 Amino acids; G4～H4:多胺類 Amines; C1～F1:多聚物類 Polymers; C3～D3:芳香化合物類 Aromafic compounds; G1～A3:糖類 Carbohydrates; B1～H3:羧酸類 Carboxylic acids; A1:對照空白值．AWCDi值為ECO板上3次重復的平均值 AWCDi values shown as mean of three replicates on ECO plate.

2.6 不同海拔植被類型土壤微生物群落碳代謝與土壤性質的關系分析

由表4 可以看出，土壤微生物群落的Shannon-Wiener指數(shù)(H)與土壤有機碳(SOC)和全氮顯著相關(P< 0.05)。Simpson指數(shù)(D)與土壤全氮顯著相關(P<0.05)。McIntosh 指數(shù)(U)與土壤含水率和全氮顯著相關(P<0.05)，與土壤pH、有機碳和碳/氮極顯著相關(P<0.01)。

表4 土壤微生物群落多樣性指數(shù)與土壤理化性質的關系系數(shù)

*P<0.05; **P<0.01.

本文對不同海拔的4種植物群落土壤微生物代謝特征進行冗余分析(圖 4)，其結果顯示第1軸、第2軸、第3軸和第4軸的特征值分別為0.416，0.143，0.070和0.031。第1軸主要相關于SOC(r=-0.8434)和pH(r=-0.7909)，第2軸主要相關于土壤TP(r=-0.5127)和C/N(r=-0.4998)；土壤微生物碳源代謝和土壤理化性質在4個軸上累計解釋變異量達到66.0%，說明土壤理化性質對土壤微生物群落碳源代謝具有重要影響。RDA第1軸和第2軸累計解釋變異量為55.9%。SOC(P=0.002)、pH(P=0.008)和TN(P=0.020)占所用土壤理化性質解釋變異量的比例最大，達69.3%。由此可以猜測，SOC、 pH和TN是微生物利用碳源的控制因子。

圖4 土壤微生物群落代謝與土壤性質的冗余分析(96 h)Fig.4 Redundancy analysis (RDA) on soil microbial community constrained by soil variables (96 h)

3 討論

土壤微生物的生態(tài)功能可以用微生物群落多樣性來反映，Biolog-ECO微平板較Biolog-GN微平板更適合土壤微生物群落多樣性研究[24]。AWCD值反映土壤微生物群落代謝活性和對單一碳源利用強度，其值越高，表明土壤微生物群落代謝活性越大[25]。不同植被類型土壤的AWCD值具有較大差異，沼澤化草甸和高寒草甸具有較大的AWCD值，灌叢草甸次之，墊狀植被AWCD 值最低。沼澤化草甸和高寒草甸的土壤微生物對主要碳源的利用率高于灌叢草甸和墊狀植被。PCA分析表明，沼澤化草甸、高寒草甸與灌叢草甸、墊狀植被土壤微生物代謝多樣性可以明顯區(qū)分。分析原因認為，草本植物根系發(fā)達，密集于表層，根系分泌物和凋落物是微生物豐富的能源[26]。本研究中，高寒草甸和沼澤化草甸中土壤有機碳和全氮含量均較高，每年向微生物提供的能源遠大于其他2 種植物群落，結果導致沼澤化草甸和高寒草甸的土壤微生物群落代謝活性高于灌叢草甸和墊狀植被。

土壤微生物群落結構多樣性的主導因素是與土壤本身的理化性質和植被狀況有關[27]。不同海拔的水熱組合導致植被帶的差異，同時造成土壤性質發(fā)生改變，地上群落和地下系統(tǒng)相互關聯(lián)。生態(tài)學中采用不同的生態(tài)學指數(shù)反映群落內部物種總數(shù)和物種相對多度，Shannon-Wiener指數(shù)(H)較高代表微生物種類多且分布均勻，而Simpson指數(shù)(D)反映土壤群落中最常見物種，表明沼澤化草甸微生物群落種類最多且較均勻，某些優(yōu)勢菌生長旺盛[28]。這可能與草本植物枯落物量較大且易分解，土壤含水率較高，適合土壤微生物生長有關。韓芳等[29]也發(fā)現(xiàn)自然恢復草地土壤質量優(yōu)于灌叢，微生物類群也多于灌木。劉曉娟等[30]研究發(fā)現(xiàn)，墊狀植被改變了土壤的微環(huán)境，微環(huán)境的改變將影響土壤微生物的代謝活性。Xiang等[31]研究發(fā)現(xiàn)，較高的土壤含水率可提高土壤微生物的活性。土壤理化性質的改變，影響了微生物所生存的微環(huán)境，而土壤微環(huán)境成為影響土壤微生物群落的種類、活性和分布的關鍵[32-33]。野外調查發(fā)現(xiàn)，高寒草甸和沼澤化草甸的土壤有機碳和全氮高于灌叢草甸，而灌叢草甸土壤有機碳和全氮又優(yōu)于墊狀植被，更有利于土壤微生物代謝和生長。對不同海拔植被土壤微生物代謝特性進行冗余分析，可以推斷土壤SOC、pH和TN對土壤微生物利用碳源具有一定的調控作用，可以推測土壤SOC、pH和TN是土壤微生物利用碳源的控制因子。Degens等[34]認為SOC是保持微生物群落代謝多樣性的重要因素。而Shen等[35]用454高通量測序在長白山發(fā)現(xiàn)pH是驅動土壤細菌群落沿海拔梯度垂直分布的關鍵因子。此外，有些研究表明，季節(jié)變化也對土壤微生物群落組成和數(shù)量具有顯著影響[36]。由于本研究缺乏對各海拔梯度植被帶季節(jié)動態(tài)監(jiān)測，土壤微生物在季節(jié)動態(tài)上變異還需進一步研究。

土壤微生物是高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分，研究其群落多樣性，對于微生物與其外界環(huán)境之間關系意義重大。但Biolog方法只能表征土壤中快速生長的可培養(yǎng)細菌，只是土壤微生物的一部分，還需結合磷脂脂肪酸(PLFA)分析法、分子生物學等多種分析手段，才能更好地研究土壤微生物多樣性與地上植被之間的關系[37-38]。

4 結論

綜上所述，高寒祁連山托勒南山陰坡研究區(qū)內，不同海拔4 種植被類型下，沼澤化草甸土壤微生物群落具有最高代謝活性；高寒草甸和沼澤化草甸土壤微生物對碳源B4(L-天門冬酰胺)、G1(D-纖維二糖)、E2(N-乙酰-D-葡萄糖胺)、B3(D-半乳糖醛酸)有較高的利用程度；土壤SOC、 pH和TN是土壤微生物群落利用碳源的調控因子。

[1] Stevenson B A, Sparling G P, Schipper L A,etal. Pasture and forest soil microbial communities show distinct patterns in their catabolic respiration responses at a landscape scale. Soil Biology and Biochemistry, 2004, 36(1): 49-55.

[2] Xi J Y, Hu H Y, Qian Y. Application of biology system in the study of microbial community. Acta Microbiologica Sinica, 2003, 43(1): 138-141.

[3] Talbot J M, Bruns T D, Taylor J W,etal. Endemism and functional convergence across the North American soil mycobiome. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014, 111(17): 6341-6346.

[4] Zheng H, Ouyang Z Y, Fang Z G,etal. Application of biology to study on soil microbial community functional diversity. Acta Pedologica Sinica, 2004, 41(3): 456-461.

[5] Garland J L, Mills A L. Classification and characterization of heterotrophic microbial communities on the basis of patterns of community-level sole-carbon-source utilization. Applied and Environmental Microbiology, 1991, 57(8): 2351-2359.

[6] Wu Y H, Gao Q, Cheng G D. Primary study on hepaticae from mountain Qilian. Bulletin of Botanical Research, 2008, 28(2): 147-150.

[7] Ren J Z, Hou F J. System coupling of mountain-oasis-desert plays a key role in the protection of water resource in Qilianshan mountains. Pratacultural Science, 2010, 27(2): 4-7.

[8] Liu J, Liu X L, Hou L M. Changes and ecological vulnerability of landscape pattern in eastern Qilian mountain. Arid Land Geography, 2012, 35(5): 795-805.

[9] Ding L L, Qi B, Shang Z H,etal. The characteristics of soil microorganism quantity under different alpine grasslands in eastern Qilian mountain. Journal of Agro-Environment Science, 2007, 26(6): 2014-2111.

[10] Han Y Z, Chen X R, Wang G R,etal. Distribution characteristics of soil microorganism in alpine grassland of eastern Qilian mountains. Pratacultural Science, 2007, 24(4): 14-18.

[11] Ding L L, Qi B, Shang Z H,etal. Dynamics of different soil microbial physiological groups and their relationship to soil conditions under sub-alpine grasslands vegetation in the eastern-Qilian mountain. Acta Prataculturae Sinica, 2007, 16(2): 9-18.

[12] Wang G R, Chen X R, Zhang J Z,etal. The temporal and spatial distribution of soil microorganism physiological floras in alpine shrubs of the eastern Qilian mountains. Acta Prataculturae Sinica, 2011, 20(2): 31-38.

[13] Mao W L, Tai X S, Wu X K,etal. Altitudinal variation characteristics of the cultivable soil bacterial community on the upper reaches of the Heihe river, Qilian mountains. Journal of Glaciology and Geocryology, 2013, 35(2): 447-456.

[14] Yang C D, Long R J, Chen X R,etal. Seasonal dynamics in soil microbial biomass and enzymatic activities under different alpine brushlands of the eastern Qilian mountains. Acta Prataculturae Sinica, 2011, 20(6): 135-142.

[15] Ma Q Z. Protection of grassland ecology, building a beautiful pastoral area. Acta Prataculturae Sinica, 2014, 23(1): 1-2.

[16] Gao Y, Lin H L. The prospects for rangeland ecosystem services evaluation. Acta Prataculturae Sinica, 2014, 23(3): 290-301.

[17] Wang Q L, Cao G M, Wang C T. Quantitative characters of soil microbial biomass under different vegetations in alpine meadow. Chinese Journal of Ecology, 2007, 26(7): 1002-1008.

[18] Wang Q L, Wang C T, Du Y G,etal. Grazing impact on soil microbial biomass carbon and relationships with soil environment in alpine Kobresia meadow. Acta Prataculturae Sinica, 2008, 17(2): 39-46.

[19] Yang Y, Chen R S, Song Y X,etal. Measurement and estmation of grassland evapotranspiration in a mountainous region at the upper reach of Heihe River basin, China. Chinese Journal of Applied Ecology, 2013, 24(4): 1055-1062.

[20] Zhang G L, Gong Z T. Soil Survey Laboratory Methods[M]. Beijing: Science Press, 2012.

[21] Shen W S, Lin X G, Zhang H Y,etal. Microbial activity and functional diversity in soils used for the commercial production of cucumbers and tomatoes in poly tunnel greenhouse, under different fertilization. Acta Ecologica Sinica, 2008, 28(6): 2682-2689.

[22] Zhang Y Y, Qu L Y, Chen L D. An amendment on information extraction of Biology EcoPlateTM. Microbiology China, 2009, 36(7): 1083-1091.

[23] Zhang H H, Tang M, Chen H,etal. Microbial communities inPinustabulaeformismycorrhizosphere under different ecological conditions. Acta Ecologica Sinica, 2007, 27(12): 5463-5470.

[24] Choi K H, Dobbs F C. Comparison of two kinds of Biolog microplates (GN and ECO) in their ability to distinguish among aquatic microbial communities. Journal of Microbiological Methods, 1999, 36(3): 203-213.

[25] Garland J L. Analysis and interpretation of community-level physiological profiles in microbial ecology. FEMS Microbiology Ecology, 1997, 24(4): 289-300.

[26] Smith J L, Paul E A. The Significance of Soil Microbial Biomass Estimations[M]. New York: Marcel Dekker, 1990: 357-396.

[27] Wang G H, Jing J, Xu M N,etal. Effects of plant, soil and soil management on soil microbial community diversity. Chinese Journal of Ecology, 2006, 25(5): 550-556.

[28] Wu Z Y, Lin W X, Chen Z F,etal. Characteristics of soil microbial community under different vegetation types in Wuyishan national nature reserve, east China. Chinese Journal of Applied Ecology, 2013, 24(8): 2301-2309.

[29] Han F, Shao Y Q, Zhao J,etal. The diversity of soil microorganism in different land-use types in Huangfuchang watershed. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Nei Mongol, 2003, 34(3): 298-303.

[30] Liu X J, Chen N L, Tian Q. Comparison on soil microenvironment modification of two cushion species. Acta Prataculturae Sinica, 2014, 23(1): 123-130.

[31] Xiang S R, Doyle A, Holden P A,etal. Drying and rewetting effects on C and N mineralization and microbial activity in surface and subsurface California grassland soils. Soil Biology and Biochemistry, 2008, 40(9): 2281-2289.

[32] Pengthamkeerati P, Motavalli P P, Kremer R J. Soil microbial activity and functional diversity changed by compaction, poultry litter and cropping in a claypan soil. Applied Soil Ecology, 2011, 48(1): 71-80.

[33] He X, Su Y, Liang Y,etal. Land reclamation and short-term cultivation change soil microbial communities and bacterial metabolic profiles. Journal of the Science of Food and Agriculture, 2012, 92(5): 1103-1111.

[34] Degens B P, Schipper L A, Sparling G P,etal. Decreases in organic C reserves in soils can reduce the catabolic diversity of soil microbial communities. Soil Biology and Biochemistry, 2000, 32(2): 189-196.

[35] Shen C, Xiong J, Zhang H,etal. Soil pH drives the spatial distribution of bacterial communities along elevation on Changbai Mountain. Soil Biology and Biochemistry, 2013, 57: 204-211.

[36] He R, Wang J S, Shi Z,etal. Variations of soil microbial biomass across four different plant communities along an elevation gradient in Wuyi mountains, China. Acta Ecologica Sinica, 2009, 29(9): 5138-5144.

[37] Nannipieri P, Ascher J, Ceccherini M T,etal. Microbial diversity and soil functions. European Journal of Soil Science, 2003, 54(4): 655-670.

[38] Konopka A, Oliver L, Turco J R F. The use of carbon substrate utilization patterns in environmental and ecological microbiology. Microbial Ecology, 1998, 35(2): 103-115.

參考文獻：

[2] 席勁瑛, 胡洪營, 錢易. Biolog方法在環(huán)境微生物群落研究中的應用. 微生物學報, 2003, 43(1): 138-141.

[4] 鄭華, 歐陽志云, 方治國, 等. BIOLOG在土壤微生物群落功能多樣性研究中的應用. 土壤學報, 2004, 41(3): 456-461.

[6] 吳玉環(huán), 高謙, 程國棟. 祁連山地區(qū)苔類植物的初步研究. 植物研究, 2008, 28(2): 147-150.

[7] 任繼周, 侯扶江. 山地-綠洲-荒漠的系統(tǒng)耦合是祁連山水資源保護的關鍵措施. 草業(yè)科學, 2010, 27(2): 4-7.

[8] 劉晶, 劉學錄, 侯莉敏. 祁連山東段山地景觀格局變化及其生態(tài)脆弱性分析. 干旱區(qū)地理, 2012, 35(5): 795-805.

[9] 丁玲玲, 祁彪, 尚占環(huán), 等. 東祁連山不同高寒草地型土壤微生物數(shù)量分布特征研究. 農業(yè)環(huán)境科學學報, 2007, 26(6): 2104-2111.

[10] 韓玉竹, 陳秀蓉, 王國榮, 等. 東祁連山高寒草地土壤微生物分布特征初探. 草業(yè)科學, 2007, 24(4): 14-18.

[11] 丁玲玲, 祁彪, 尚占環(huán), 等. 東祁連山亞高山草地土壤微生物功能群數(shù)量動態(tài)及其與土壤環(huán)境關系. 草業(yè)學報, 2007, 16(2): 9-18.

[12] 王國榮, 陳秀蓉, 張俊忠, 等. 東祁連山高寒灌叢草地土壤微生物生理功能群的動態(tài)分布研究. 草業(yè)學報, 2011, 20(2): 31-38.

[13] 毛文梁, 臺喜生, 伍修錕, 等. 黑河上游祁連山區(qū)土壤可培養(yǎng)細菌群落生境的垂直分異特征. 冰川凍土, 2013, 35(2): 447-456.

[14] 楊成德, 龍瑞軍, 陳秀蓉, 等. 東祁連山高寒灌叢草地土壤微生物量及土壤酶季節(jié)性動態(tài)特征. 草業(yè)學報, 2011, 20(6): 135-142.

[15] 馬啟智. 保護草原生態(tài)、建設美麗牧區(qū). 草業(yè)學報, 2014, 23(1): 1-2.

[16] 高雅, 林慧龍. 草地生態(tài)系統(tǒng)服務價值估算前瞻. 草業(yè)學報, 2014, 23(3): 290-301.

[17] 王啟蘭, 曹廣民, 王長庭. 高寒草甸不同植被土壤微生物數(shù)量及微生物生物量的特征. 生態(tài)學雜志, 2007, 26(7): 1002-1008.

[18] 王啟蘭, 王長庭, 杜巖功, 等. 放牧對高寒嵩草草甸土壤微生物量碳的影響及其與土壤環(huán)境的關系. 草業(yè)學報, 2008, 17(2): 39-46.

[19] 陽勇, 陳仁升, 宋耀選, 等. 黑河上游山區(qū)草地蒸散發(fā)觀測與估算. 應用生態(tài)學報, 2013, 24(4): 1055-1062.

[20] 張甘霖, 龔子同. 土壤調查實驗室分析方法[M]. 北京: 科學出版社, 2012.

[21] 申衛(wèi)收, 林先貴, 張華勇, 等. 不同施肥處理下蔬菜塑料大棚土壤微生物活性及功能多樣性. 生態(tài)學報, 2008, 28(6): 2682-2689.

[22] 張燕燕, 曲來葉, 陳利頂. Biolog EcoPlateTM實驗信息提取方法改進. 微生物學通報, 2009, 36(7): 1083-1091.

[23] 張海涵, 唐明, 陳輝, 等. 不同生態(tài)條件下油松(Pinustabulaeformis)菌根根際土壤微生物群落. 生態(tài)學報, 2007, 27(12): 5463-5470.

[27] 王光華, 金劍, 徐美娜, 等. 植物、土壤及土壤管理對土壤微生物群落結構的影響. 生態(tài)學雜志, 2006, 25(5): 550-556.

[28] 吳則焰, 林文雄, 陳志芳, 等. 武夷山國家自然保護區(qū)不同植被類型土壤微生物群落特征. 應用生態(tài)學報, 2013, 24(8): 2301-2309.

[29] 韓芳, 邵玉琴, 趙吉, 等. 皇甫川流域不同土地利用方式下的土壤微生物多樣性. 內蒙古大學學報(自然科學版), 2003, 34(3): 298-303.

[30] 劉曉娟, 陳年來, 田青. 兩種類型墊狀植被對土壤微環(huán)境修飾作用的比較. 草業(yè)學報, 2014, 23(1): 123-130.

[36] 何容, 汪家社, 施政, 等. 武夷山植被帶土壤微生物量沿海拔梯度的變化. 生態(tài)學報, 2009, 29(9): 5138-5144.

Soil microbial community diversity under four vegetation types in the Qilian Mountains, China

ZHU Ping1,2, CHEN Ren-Sheng1,2*, SONG Yao-Xuan1,2, LIU Guang-Xiu2, CHEN Tuo2, ZHANG Wei2

1.QilianAlpineEcology&HydrologyResearchStation,ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China; 2.ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China

Soil microbes are an important component of soil ecosystem playing a key role in nutrient and energy cycling. The variation of soil microbial community diversity under cushion plants, alpine meadow, swamp meadow and alpine shrub along an elevation gradient in mid the altitude zone of the Qilian Mountains was measured using the BIOLOG-ECO technique.The results showed that the soil microbial activity assessed using well color development (AWCD) varied in the order: swamp meadow>alpine meadow>alpine shrub>cushion plants. Soil microbial communities in swamp meadow had the highest soil microbial activity; the carbon source utilization mode of soil microbial communities was similar under alpine meadow and swamp meadow. Correlation analysis indicated that the Shannon-Wiener index (H) was significantly correlated (P<0.05) with soil organic carbon and total nitrogen. Simpson’s (D) and Mclntosh’s (U) indices were significantly (P<0.05) correlated with soil total nitrogen. Redundancy analysis (RDA) on microbial communities constrained by different soil factors showed that soil organic carbon, soil pH and total soil nitrogen were important factors determining the rate of metabolism of carbon substrates in soils. The results of this study suggested a basis for further investigation of the relationships between vegetation diversity and soil microbial community diversity.

Qilian mountains; soil microorganisms; Biolog; soil microbial community diversity

10.11686/cyxb2014272

http://cyxb.lzu.edu.cn

2014-06-09；改回日期：2014-07-01

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(2013CBA01086)和國家自然科學基金項目(41222001, 91025011)資助。

朱平(1985-)，男，江蘇常州人，在讀博士。E-mail: zhuping@lzb.ac.cn *通訊作者Corresponding author. E-mail: crs2008@lzb.ac.cn

朱平, 陳仁升, 宋耀選, 劉光琇, 陳拓, 張威. 祁連山不同植被類型土壤微生物群落多樣性差異. 草業(yè)學報, 2015, 24(6): 75-84.

Zhu P, Chen R S, Song Y X, Liu G X, Chen T, Zhang W. Soil microbial community diversity under four vegetation types in the Qilian Mountains, China. Acta Prataculturae Sinica, 2015, 24(6): 75-84.