黃土高原植被恢復過程中土壤微生物的演變特征

張 超, 馬亞亞, 劉國彬, 王 杰, 李 靜

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100； 2.西北農林科技大學 林學院,陜西 楊凌 712100; 3.中國科學院 水利部 水土保持研究, 陜西 楊凌 712100)

黃土高原丘陵區(qū)由于社會經濟的快速發(fā)展，人口的急劇增長，致使該區(qū)域濫砍濫伐、過度放牧以及毀林開荒等現(xiàn)象愈演愈烈，自然植被遭到破壞，生態(tài)環(huán)境日益惡劣，水土流失嚴重[1]。近年來，隨著我國西部大開發(fā)這一重大戰(zhàn)略決策的提出，以退耕還林還草為核心的生態(tài)環(huán)境建設在黃土高原地區(qū)的開展，有效的減少了徑流、泥沙和養(yǎng)分的流失，極大地改善了該區(qū)的生態(tài)環(huán)境。而植被恢復作為生態(tài)系統(tǒng)重建的第一步，也是黃土高原生態(tài)環(huán)境治理與水土保持的重要措施，能夠有效減少土壤侵蝕、改善和提高土壤質量[2-4]。土壤微生物作為土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在土壤有機質分解、植物營養(yǎng)供給以及腐殖質形成過程中起著至關重要的作用[5-6]。土壤微生物與植物之間利用相互促進又相互制約的關系構成了一個穩(wěn)定的動態(tài)系統(tǒng)。一方面，植物作為土壤微生物生長發(fā)育的主要驅動力，對微生物群落結構的形成起著至關重要的作用[1]。植物通過其根系釋放的分泌物影響土壤微生物生物量以及群落組成。由于植物群落類型以及植物生長所處階段的不同，其根系分泌物的成分、種類和含量存在顯著的不同，從而導致向土壤微生物供給的營養(yǎng)成分不同，最終影響土壤微生物的種群數(shù)量以及群落組成[7-9]。另一方面，植物根際周圍的土壤微生物大量繁育，構成了特有的根際微生物區(qū)系環(huán)境，顯著地影響著植物的生長發(fā)育。本文以中國知網(wǎng)和Web of Science中的文獻資料為基礎，運用CiteSpace文獻計量工具，分析黃土高原30 a來植被恢復中土壤微生物的研究進展，并對其梳理和總結，提出該地區(qū)今后微生物研究的方向和重點，擬為黃土高原的生態(tài)恢復提供科學參考。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

所使用的數(shù)據(jù)來源于中國知識基礎設施工程(China National Knowledge Infrastructure, CNKI)和科學引文索引數(shù)據(jù)庫“Web of Science”的核心合集。外文文獻檢索條目確定為“soil microorganism of Loess Plateau” and “vegetation restoration”，數(shù)據(jù)樣本選取自Web of Science核心集合TM數(shù)據(jù)庫，以“主題”=“soil microorganism of Loess Plateau” and “vegetation restoration”，選擇檢索時間范圍為1986—2018年，共得檢索結果46條，對檢索結果進行去重、刪除無關條目，最終整理得到46篇相關文獻。將中文文獻檢索的條目確定為“黃土高原土壤微生物”和“植被恢復”，數(shù)據(jù)樣本選取自中國學術期刊出版總庫(CNKI總庫)，使用高級檢索，以“主題”或者“關鍵詞” =“黃土高原土壤微生物”或含“植被恢復”，選擇時間為1986—2018年，精確匹配檢索，共得檢索結果316條，對檢索結果去重、刪除無關條目，最終整理得到125篇相關文獻。

1.2 研究方法

利用CiteSpace，Origin對檢索出的中外文文獻進行文獻量、關鍵詞、被引頻次以及研究結果的分析，從而展示黃土高原植物恢復過程中土壤微生物演變的研究概況、研究熱點和研究趨勢。

2 結果與分析

2.1 文獻計量分析

2.1.1 發(fā)文量的時間分析 將檢索出的中文文獻按照發(fā)文年份進行文獻數(shù)量的統(tǒng)計，得到研究期間黃土高原植被恢復過程中土壤微生物演變的發(fā)文量及其所占文獻總數(shù)的比例(圖1)。該領域的發(fā)文數(shù)量在總體上呈上升趨勢，主要是因為黃土高原丘陵區(qū)土壤結構疏松，自然植被遭到破壞，而近年來開展的生態(tài)建設和退耕還林生態(tài)工程極大改善該區(qū)的生態(tài)環(huán)境。因此關于植被恢復過程中土壤微生物如何演變的研究逐步受到學術界的重視，對其針對性的研究也逐漸增多。中文文獻中關于土壤微生物的研究大多集中在土壤物理結構[10-11]、養(yǎng)分狀況[12]以及微生物特性[13-14]等方面。

某研究領域一定時期的文獻發(fā)表數(shù)量可以在一定程度上代表其研究水平和發(fā)展趨勢[15]，過去的14 a見證了黃土高原植被恢復過程中土壤微生物研究領域的迅猛發(fā)展(圖1)。圖1顯示，除部分年度有小幅下降外，總體上呈明顯上升趨勢。在2004—2013年之間關于植被恢復過程中土壤微生物如何演變的相關研究較少，說明該領域研究剛剛起步，正處于萌芽階段，從2014年開始文獻數(shù)量逐步增加?？梢钥闯?，國際學者對黃土高原植被恢復過程中土壤微生物演變的研究越來越重視。

圖1 2002-2018年有關本研究內容中外文文獻的發(fā)文量

2.1.2 關鍵詞分析 關鍵詞是對文獻內容和主題的高度提煉，對整個領域的高頻關鍵詞進行可視化分析，可探究該領域的研究熱點[16]。將檢索出的中外文文獻數(shù)據(jù)分別導入CiteSpace軟件中，然后將時間跨度設置為2003—2018年，將聚類詞來源設置為標題(title)、摘要(abstract)、作者關鍵詞(author keywords)和增補關鍵詞(keywords plus)；聚類詞庫選擇突現(xiàn)詞(burst terms)；節(jié)點類型選擇關鍵詞(keyword)，選取標準設置為每個時間切片中被引頻次最高的前50個關鍵詞，中文文獻數(shù)據(jù)生成的高頻關鍵詞如表1所示，外文文獻數(shù)據(jù)生成的高頻關鍵詞如表2所示。

從表1可以看出： ①研究涉及最多的關鍵詞為“土壤微生物”、“植被恢復”、“微生物生物量”、“土壤有機碳”、“土壤養(yǎng)分”以及“土壤質量”等，表明這6種關鍵詞涉及的研究方向是研究熱點。 ②有關“土壤微生物碳”、“土壤酶活性”和“土壤細菌的研究也較多，證明土壤理化性質和微生物特征是該領域的研究的熱點。 ③在統(tǒng)計關鍵詞中，有關植被類型的關鍵詞也較多，如“刺槐林”、“喬木林”和“沙棘林”，表現(xiàn)出不同植物群落類型與土壤微生物量季節(jié)動態(tài)、空間動態(tài)的變化息息相關，同時也表明了該區(qū)域在植被修復的過程中，人們認識到了植物與土壤微生物之間存在著相互作用、相互影響的關系，所以將土壤微生物作為植被恢復進程中衡量環(huán)境和土壤質量變化的指標。

從表2可以看出： ①研究的熱點領域出現(xiàn)在“bacterial community”和“vegetation restoration”方面，共占統(tǒng)計關鍵詞的24.49%，可見研究范圍比較明確。 ②有關磷脂脂肪酸技術( PLFA)的研究是檢測土壤微生物活性生物化學方法的研究中占比最高的，可見磷脂脂肪酸技術( PLFA)對于土壤微生物生物量的分析應用具有重要的價值。 ③隨著人類對土壤微生物研究的深入，對于“vegetation ecosystem”，“natural vegetation succession”，“organic matter”的研究也逐漸增多，這也是可持續(xù)發(fā)展理念越來越受到科學研究重視的結果，表明植物群落演替是植物與土壤相互影響和相互作用的結果。土壤的演化總是與植物群落的演替相關聯(lián)，土壤的分異導致植被的變化，植被的變化影響著土壤發(fā)育[18-20]。 ④土壤酶活性、土壤理化性質以及微生物特征依然是是該領域的研究的熱點。

通過對相關關鍵詞的出現(xiàn)頻次分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，在黃土高原土壤微生物相關的中外文文獻中，土壤微生物在土壤生態(tài)環(huán)境中扮演著重要的角色。吳建峰等[21]認為微生物體所產生的聚合物具有分解有機質改善植物營養(yǎng)、降解土壤污染物改善植物生長環(huán)境、降低水分脅迫以及供應植物有機營養(yǎng)的能力。

表2 有關本研究內容外文文獻高頻關鍵詞

2.1.3 被引頻次分析 論文引用率是指科學論文對文獻的引用次數(shù)，是衡量一個國家科研文獻被其他國家或機構的認可度的標志[17]?，F(xiàn)選取總被引頻次排名前十五位的論文，整理其發(fā)文期刊、發(fā)表年份、總被引頻次、年均被引頻次和第一作者。國內論文總被引頻次和年均被引頻次如表3所示，國外論文總被引頻次和年均被引頻次如表4所示。由表3 可知： ①趙彤于2013年在《生態(tài)學報》上發(fā)表的論文，年均被引頻次最高，年均被引頻次達到15次以上，同時其總被引頻次也相對較高，達到93次，其主要選擇黃土丘陵區(qū)延河流域典型天然草地、人工灌木林、人工喬木林和農地中的土壤為研究對象，測定了土壤微生物量碳、氮、磷和相關基本理化性質，探討了不同植被類型與植物對土壤微生物量的影響，為該地區(qū)植被恢復狀況提供參考[22]。 ②《生態(tài)學報》收錄的年均被引頻次排名前15位的論文最多，是國內研究植被恢復過程中土壤微生物如何演變的核心期刊。 ③整體來看，國內年均被引頻次排名前15位的論文主要出現(xiàn)在2004年之后，說明我國對黃土高原植被恢復過程中土壤微生物如何演變的研究主要是在2004年開始，這也與中文文獻的發(fā)表年份和發(fā)文量的統(tǒng)計相對應。

由表4可知： ①Zhang Chao于2016年在Soil Biology & Biochemistry上發(fā)表的論文，年均被引頻次是最高的，達到13次以上，同時其總被引頻次也相對較高，達到40次，其主要利用16SrRNA基因的高通量測序，對黃土高原區(qū)棄耕農田年限為0～30 a的次生演替過程中微生物群落結構進行研究，表明在微

生物演替過程中細菌主要是從酸桿菌門逐漸轉變?yōu)樽冃尉T，退耕之后細菌多樣性減少，在20 a后基本可以恢復到農田的水平，之后細菌多樣性仍然逐漸增加[23]。 ②相比中文文獻的發(fā)表年份，在年均被引頻次排名前十五位的外文文獻中，最早的2004年，但是在2014年發(fā)表的最多，說明外文文獻對于黃土高原植被恢復過程中土壤微生物如何演變的研究開始的較晚。 ③但在文獻被引用頻次方面與中文文獻存在差距。我國在國際上發(fā)表英文文獻在時間上的滯后是影響文獻被引用的次數(shù)的主要原因。

表3 國內有關本研究內容論文總被引頻次和年均被引頻次

表4 國外有關本研究內容論文總被引頻次和年均被引頻次

2.2 植被恢復過程中土壤微生物演變特征

2.2.1 植被演替中土壤微生物特征 植被恢復過程中，植物枯落物增加了有機質向土壤的輸入，為微生物提供了充足的碳源和氮源，對土壤微生物量產生了積極的影響[24]。研究發(fā)現(xiàn)，植被恢復后退耕地土壤微生物量C,N,P含量較農耕地顯著提高[25-27]。薛萐等[28]對侵蝕黃土丘陵區(qū)6種不同植被恢復30 a后的土壤微生物研究表明，土壤微生物生物量碳、氮、磷含量較農耕地顯著增加，且均存在明顯的季節(jié)變化趨勢，表現(xiàn)為:夏季>秋季>春季[29]。趙彤等[30-31]研究也得到了類似的結論，只是土壤微生物量C,N含量在不同的植被演替階段下的增幅略有差異，但增加幅度基本相當。另外，微生物生物量隨著植被恢復年限的增長顯著提高，但微生物量碳是快速增加后然后慢慢趨于平穩(wěn)，微生物量氮則是持續(xù)增長[32]。土壤酶作為促進土壤生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的生物催化劑，是判別土壤肥力與質量的重要指標[33-34]。羅蓉等[35]研究發(fā)現(xiàn)，在黃土高原土壤β-葡糖苷酶、纖維素酶、脲酶、蛋白酶、磷酸酶活性均隨哪個樹種林齡的增長逐漸增加，并于成熟林時達到最大值。雨季的土壤酶活性均顯著高于旱季，表明林齡和季節(jié)對沙棘人工林地土壤酶活性有顯著影響。姬秀云等[36]對黃土高原不同植被恢復方式下土壤酶活性的研究發(fā)現(xiàn)，天然草地、15和25 a檸條林地土壤酶活性較高，而坡耕地土壤酶活性較低，表明隨著人工林種植年限的增加，土壤酶活性逐漸加強，同時也可以改善土壤肥力效應[37-38]。李林海等[39]研究也發(fā)現(xiàn)土壤水解酶類與土壤物理性質呈顯著負相關，與土壤化學性質呈顯著正相關，可以敏感指示植被恢復的土壤效應。而過氧化氫酶為氧化還原酶，它在植被恢復過程中的活性變化不同于其他水解酶。黃懿梅等[40]研究認為，除水解酶之外，過氧化氫酶活性隨裸荒地—草本—灌木—喬木植被恢復階段的推進而逐漸減小。另外，為了解生態(tài)恢復過程中土壤微生物功能特征，張超等[41]采用Biolog-Eco微平板法對黃土丘陵區(qū)人工灌木、人工草地和天然草地的根際微生物碳源代謝多樣性特征進行分析，結果表明，天然草地根際微生物群落代謝功能多樣性優(yōu)于人工灌木和人工草地。在黃土高原微生物群落組成方面，闞尚[42]等利用磷脂脂肪酸(PLFA)分析了陜西靖邊花豹灣聚湫壩地土壤微生物群落結構的變化，結果表明，土壤微生物以細菌為主，約占到65%～75%，其次為放線菌和真菌。淡靜雅等[43]也對子午嶺地區(qū)不同植被演替階段土壤微生物群落組成的研究表明，隨著演替的進行，土壤細菌、真菌的數(shù)量均呈逐漸上升趨勢。Zhang等、Zeng等和Ren等利用高通量測序技術對細菌進行了分析，揭示了植被恢復中土壤細菌與植物的相互關系。例如，Zhang C等[44]研究黃土高原不同時期(0,10,25,35 a)放牧后草原微生物群落的變化結果表明，長期演替過程中，植被和細菌的演替較土壤真菌的快，植被通過改變土壤理化性質來改變土壤微生物群落的組成。Zeng等[45]選取了黃土高原從南到北的植被生態(tài)系統(tǒng)(森林、林草、草地、沙地、沙漠生態(tài)系統(tǒng))作為研究對象，研究了土壤性質對土壤微生物群落組成的影響，研究發(fā)現(xiàn)土壤細菌(放線菌和變形菌)相對豐度與pH值存在顯著相關，說明pH對土壤細菌群落的影響較大。Ren等[46]研究結果表明，在細菌和真菌類群中，降雨量的減少只影響了變形菌門、芽單胞菌門和綠彎菌門的相對豐度，但對革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌、放線菌、叢枝菌根真菌等測序的細菌門沒有影響。此外，Cui等[47]Sun等[48]分別探討了黃土高原荒漠草原生態(tài)過渡帶土壤微生物群落結構的變化以及對競爭的響應。綜上所述，隨著植被的不斷恢復演替，土壤養(yǎng)分和結構狀況得到改善，從而為土壤微生物的活動提供了良好的環(huán)境。微生物生物量總體增加和土壤酶活性不斷增大使土壤肥力不斷地得到恢復和提高，改善了土壤微生物群落的結構和功能，使得微生物群落從貧營養(yǎng)型向富營養(yǎng)型轉變。

2.2.2 不同植被類型土壤微生物特征 不同植被類型土壤微生物量碳、氮含量存在顯著差異，黃土高原從南部到北部，微生物量碳、氮含量顯著下降[49-50]，土壤微生物生物量符合：天然草地>人工喬、灌木林>農地的規(guī)律[30]。李靜等[51]研究則發(fā)現(xiàn)喬灌木與撂荒地相比，土壤微生物量明顯提高，人工林加速土壤微生物量提高。土壤微生物量受植被類型及土壤養(yǎng)分等因素的共同影響，不同植被類型下，灌木的土壤微生物碳、氮含量明顯高于喬木和人工草地[52]，人工灌木植被恢復對土壤的培肥作用高于喬木和草本植物[51]。曾全超等[53]研究證明了在黃土丘陵區(qū)，人工刺槐林對土壤碳氮庫的增加有一定的作用，但是相對于遼東櫟和側柏等天然次生林有一定的差距。叢懷軍等[54]也得出了相似的研究結果。以刺槐和檸條等為主的植物群落，其根部共生的根瘤菌可以將空氣中的無機氮轉化為有機氮固定于土壤中，進而改變根區(qū)土壤系統(tǒng)的物質組成和肥力水平[55-56]。混交林在一定程度上可避免純林凋落物和根系對土壤作用的單一性，對土壤的恢復效果更好。姚小萌等[57]研究黃土丘陵溝壑區(qū)不同植被類型中土壤微生物量碳的變化規(guī)律，結果表明，喬木混交林土壤微生物量碳含量最大。Hu等[58]研究也表明，林草混合模式對土壤微生物量C，N含量的提高較單一植被的效果更好，能有效促進土壤修復。

退化生態(tài)系統(tǒng)酶活性受植被恢復措施的影響較大，相對于桃樹、側柏、荊條林，刺槐的酶活性較高[52]。與撂荒地相比，喬、灌植被經植被恢復后，其土壤酶活性有所提高，與之相反的是，草本植被脲酶和過氧化氫酶則下降，土壤堿性磷酸酶、蔗糖酶在不同植被類型下均表現(xiàn)為灌木最大，喬木次之，草本最小，脲酶和過氧化氫酶則是喬木最大，草本最小[51]。速效磷和堿解氮是影響土壤蔗糖酶和堿性磷酸酶酶活性的主要因子，而有機質主要通過間接作用來影響兩種酶活性的變化[59]。脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶活性隨季節(jié)的變化其波動較大，蔗糖酶活性隨季節(jié)的變化呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，脲酶、堿性磷酶活性的季節(jié)性變化表現(xiàn)為先增加后降低再增加再降低[60]。另外，為了解不同植被類型土壤微生物群落代謝特征，曹永昌等[61]利用BIOLOG微孔板法研究了秦嶺山脈的銳齒櫟、油松 、華山松 、松櫟混交、云杉的土壤微生物群落代謝特征，結果表明，不同林區(qū)土壤微生物功能多樣性的順序為:華山松>銳齒櫟1>油松>云杉>松櫟混交>銳齒櫟2，但通常認為闊葉林土壤微生物功能多樣性要高于針葉林土壤微生物功能多樣性。

在微生物群落結構方面，劉洋等[62]利用454焦磷酸高通量測序方法，分析黃土丘陵區(qū)土壤微生物細菌的多樣性，研究結果表明，草原植被土壤分布更多的是放線菌門，森林植被土壤分布更多的是變形菌門，并且多樣性指數(shù)表明草原植被土壤多樣性高于森林植被土壤。封曄等[63]研究8種植物根際細菌與叢枝菌根真菌群落多樣性及其相互關系，結果表明刺槐根際細菌的Shannon指數(shù)最高，垂柳最低，根際AMF 的Shannon指數(shù)最高為小葉楊 ，最低為沙棘，因此刺槐可作為黃土高原區(qū)植被恢復的先鋒樹種。

不同植被類型對土壤生物質量改善效果不同。總體來說，混交林作用效果最好，刺槐和檸條純林次之，荒草地和油松純林較差[20]?；旌现脖环N類豐富且根系多，土壤微生物種類明顯增加，同時也增加了凋落物資源的異質性，可以滿足不同種類土壤微生物的營養(yǎng)需求，因而土壤微生物酶活性及微生物量增加。故建議當?shù)赝烁€林應以混交林為主，對提高土壤肥力和質量效果最好。

3 未來研究應開展的重點工作

本文基于Citespace知識圖譜對黃土高原植被恢復過程中土壤微生物演變的文獻量、研究熱點及趨勢、被引頻次、研究結果進行全面分析。 ①從數(shù)量上看，國內外論文發(fā)表數(shù)量總體上呈明顯上升趨勢，說明關于植被恢復過程中土壤微生物如何演變的研究逐步受到學術界的重視，對其針對性的研究逐漸增多。 ②從研究熱點上看，國內的研究熱點為“土壤微生物”、“植被恢復”、“微生物生物量”、“土壤有機碳”、“土壤養(yǎng)分”以及“土壤質量”，國外的研究熱點為“bacterial community”，“vegetation restoration”，“microbial community”，“soil property”，“organic carbon”，說明國內外研究熱點基本上是相同的。 ③從被引頻次上看，外文文獻的引用頻次明顯低于中文文獻的引用頻次。我國在國際上發(fā)表英文文獻在時間上的滯后是影響文獻被引用的次數(shù)的主要原因。

迄今，關于黃土高原植被恢復過程中土壤微生物演變的研究已有相當豐富的研究成果，綜合前文的分析結果，認為未來的研究應關注以下幾方面：

(1) 關于植被恢復過程中土壤微生物的群落演變已有大量研究，但主要集中于不同植被恢復模式對土壤微生物群落變化及其與植被群落、土壤酶活性和理化性質的關系，而土壤關鍵微生物對植被生態(tài)重建的響應及其機制尚不清楚[64]。因此，今后還需要加強對植被恢復過程中土壤微生物群落關鍵的識別、碳氮磷循環(huán)微生物的研究，以期為今后的退耕還林還草過程的實施提供科學的理論指導。

(2) 在全球氣候變化(增溫、氮沉降、降雨)的環(huán)境下，生態(tài)系統(tǒng)的不穩(wěn)定性可能增高，敏感的生態(tài)系統(tǒng)以及生存其中的微生物都會受到影響。降水格局、地表溫度、土壤鹽分的改變都會引起微生物的群落組成和功能多樣性的改變，從而使整個生態(tài)系統(tǒng)也受到影響。目前對于全球變化對黃土高原微生物群落影響的研究相對缺乏，因此開展這方面工作對于完善整個生態(tài)系統(tǒng)有著重要意義。