氮素添加對貝加爾針茅草原土壤團(tuán)聚體微生物群落的影響

李 明,趙建寧,秦 潔,祁小旭,紅 雨,楊殿林,*,洪 杰

1 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測所, 天津 300191 2 內(nèi)蒙古師范大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 呼和浩特 010022 3 內(nèi)蒙古鄂溫克族自治旗草原工作站, 呼倫貝爾 021100

大氣氮沉降是全球性環(huán)境變化的重要現(xiàn)象之一,其導(dǎo)致的一系列生態(tài)問題已受到世界各國的普遍關(guān)注[1]。我國已成為繼美國和北歐之后的世界第三大氮沉降地區(qū),不斷加劇的全球氮沉降對森林和草原生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)和其他生態(tài)過程產(chǎn)生了深刻的影響[2]。我國擁有各類天然草原近4×108hm2,約占國土總面積的40%,是最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)之一。其中北方溫帶天然草原面積3.13×108hm2,占我國草地總面積的78%,是我國草地生態(tài)系統(tǒng)的主體,對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)維持、農(nóng)牧業(yè)發(fā)展有著舉足輕重的地位,不僅是畜牧業(yè)生產(chǎn)的重要基地,也是防止土地風(fēng)蝕沙化、涵養(yǎng)水源的重要生態(tài)屏障[3- 4]。近年來,氮沉降的不斷增加影響了草原生態(tài)系統(tǒng)的土壤養(yǎng)分和植被群落,在工業(yè)發(fā)達(dá)的歐洲和北美,高氮沉降已經(jīng)嚴(yán)重威脅到草原生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能[5]。因此研究氮沉降對草原生態(tài)系統(tǒng)的影響具有重要的意義。

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分,是土壤有機(jī)質(zhì)和土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)的主要動力,與土壤有機(jī)質(zhì)的分解、腐殖質(zhì)的形成密切相關(guān),是草地土壤質(zhì)量變化的重要指標(biāo)[6]。Chen等[7]分別對高寒草甸、溫帶草甸和溫帶草原三個典型草地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行養(yǎng)分添加試驗,結(jié)果表明,在高寒草甸和溫帶草甸中氮素添加使得土壤酸化對真菌和叢枝菌根真菌的豐度產(chǎn)生了負(fù)效應(yīng),但對溫帶草原的影響并不顯著。王麗娜等[8]對退化高寒草地的研究發(fā)現(xiàn)不同退化草地對氮素輸入的響應(yīng)存在差異,隨著土地退化的加劇,土壤微生物量碳、氮對氮素添加響應(yīng)的敏感性降低。王志瑞等[9]對內(nèi)蒙古草甸草原研究表明氮素添加并未顯著影響土壤微生物生物量,且對土壤呼吸和酶活性也無顯著影響。Shi等[10]在溫帶草原微生物群落對氮素添加的響應(yīng)研究中發(fā)現(xiàn)氮素添加顯著提高了土壤微生物總PLFAs和細(xì)菌PLFAs,但對真菌PLFAs無顯著影響。在不同的生態(tài)系統(tǒng)中,土壤微生物對氮素添加的響應(yīng)不同,多數(shù)研究表明,氮素添加會降低微生物多樣性[11- 12],也有部分研究認(rèn)為施氮會提高微生物多樣性[13]。有研究表明,氮素添加會改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu),適量的氮素添加對微生物是有利的,但過高濃度的氮素添加并不利于微生物的生長,土壤pH值是驅(qū)動微生物群落改變的重要因子[14]。

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元,是形成良好土壤結(jié)構(gòu)的物質(zhì)基礎(chǔ),土壤團(tuán)聚體根據(jù)粒徑不同可分為大團(tuán)聚體(>0.25mm)和微團(tuán)聚體(<0.25 mm)?，F(xiàn)階段廣泛認(rèn)為>0.25 mm的大團(tuán)聚體可在一定程度上反應(yīng)土壤結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣[15]。土壤團(tuán)聚體是微生物活動的主要場所,它對土壤微生物的動態(tài)平衡有著直接的影響。由于土壤中團(tuán)聚體的形狀、大小、組成以及空間分布的差異,導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體中水分和空氣的分布不均,不同大小的團(tuán)聚體組分為微生物提供了空間上不均勻的棲息地,對土壤團(tuán)聚體內(nèi)微生物與環(huán)境間的物質(zhì)交換與能量流動有著直接的影響,也進(jìn)一步影響了微生物群落在團(tuán)聚體中的分布[16- 17]。土壤團(tuán)聚體作為微生物在微觀尺度上的載體,土壤團(tuán)聚體粒徑分布在氮素添加條件下發(fā)生改變,從而導(dǎo)致微生物群落在不同粒徑團(tuán)聚體的重新分配。朱孟濤等[18]在研究生物質(zhì)炭對水稻土壤團(tuán)聚體微生物的影響中發(fā)現(xiàn)不同粒徑土壤團(tuán)聚體中微生物的群落結(jié)構(gòu)存在顯著差異,且施用生物質(zhì)炭顯著改變土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)和多樣性。Briar等[19]研究表明大團(tuán)聚體>1 mm土壤大團(tuán)聚體比<0.25 mm微團(tuán)聚體含有更多的微生物量、真菌和革蘭氏陽性菌。土壤團(tuán)聚體中的微生物在微環(huán)境物質(zhì)和元素循環(huán)中起著重要作用,然而團(tuán)聚體尺度上微生物群落結(jié)構(gòu)對氮素添加的響應(yīng),以及不同團(tuán)聚體微生物對氮素添加的響應(yīng)是否一致,這類研究目前還相對匱乏。

為揭示氮沉降增加對我國北方溫帶草原生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物群落的影響,以貝加爾針茅草原為研究對象,采用模擬氮沉降的方法進(jìn)行氮素添加處理,研究不同氮素添加處理下貝加爾針茅草原土壤團(tuán)聚體中微生物群落結(jié)構(gòu)的變化,以期為氮沉降增加背景下如何保持貝加爾針茅(Stipabaicalensis)草原土壤質(zhì)量以及微生物多樣性提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況及試驗設(shè)計

試驗樣地位于內(nèi)蒙古呼倫貝爾市鄂溫克旗境內(nèi)的貝加爾針茅草甸草原(48°27′—48°35′N、 119°35′—119°41′E),地勢平坦,海拔高度約760 m,屬半干旱大陸性季風(fēng)氣候。年降雨量330 mm,年平均氣溫為-2.4—2.2℃,年平均無霜期100—120 d,年均氮沉降量14.7 kg/hm2[20]。植被類型為貝加爾針茅草甸草原,貝加爾針茅為建群種,在群落中占據(jù)絕對優(yōu)勢,羊草(Leymuschinensis)為優(yōu)勢種,變蒿(Artemisiacommutata)、寸草苔(Carexduriuscula)、日蔭菅(Carexpediformis)、扁蓿豆(Pocockiaruthenica)、祁洲漏蘆(Rhaponticuuniflorum)、草地麻花頭(Serratulayamatsutanna)、腎葉唐松草(Thaictrumpetaloideum)、多莖野豌豆(Viciamulticaulis) 等為常見伴生種,共有植物66種,分屬21科49屬。土壤類型為暗栗鈣土。

試驗氮素添加處理強(qiáng)度和頻度參考國際上同類研究的處理方法[21- 23],以研究不同氮素添加處理對草原生態(tài)系統(tǒng)的影響。于2010年6月開始模擬氮沉降試驗,采用裂區(qū)設(shè)計,共4個重復(fù)試驗,每個重復(fù)試驗設(shè)6個施氮水平,施氮量依次為: 0、15、30、50、100、150 kg hm-2a-1,(不包括大氣沉降的氮量),分別用N0、N15、N30、N50、N100、N150表示。試驗樣地四周用圍欄保護(hù),重復(fù)間設(shè)5 m的隔離帶,小區(qū)面積8 m×8 m,各小區(qū)之間間隔2 m。氮肥選NH4NO3,分兩次施肥,每年的6月和7月中旬各施入處理的50%,氮肥溶解在8 L水中后均勻噴灑于各小區(qū)內(nèi),對照小區(qū)同時噴灑相同量的水[24]。

1.2 樣品采集

于2018年8月上旬采集土壤樣品,每個小區(qū)依“S”形采集10個點(diǎn)的原狀土樣輕微混合,采樣深度為的0—15 cm。土壤取出后剝除土塊外圍擠壓變形的土壤,并去除植物根系及其他土壤入侵物,較大的土塊沿著自然斷裂面掰成直徑約為1 cm的小塊。采集的土壤樣品裝入硬質(zhì)塑料盒內(nèi),確保在運(yùn)輸過程中不受擠壓,帶回實驗室后儲存在4℃冰箱中,待用。同時取土測定基本理化性質(zhì),結(jié)果如表1所示。

1.3 測定方法

分離土壤團(tuán)聚體有濕篩法和干篩法兩種常用方法,但濕篩法在用水浸泡過程中,容易對土壤微生物群落造成破壞,而干篩法相對減少了對微生物群落的影響,且據(jù)有關(guān)研究,在旱地土壤中,干篩法分離出的團(tuán)聚體更接近田間實際[25]。故本研究采用干篩法分離土壤團(tuán)聚體,將剔除石礫、植物殘根等雜物的新鮮土壤樣品在4℃下風(fēng)干至含水量為8%左右,混合均勻后過8mm的標(biāo)準(zhǔn)篩備用。團(tuán)聚體分級以0.25 mm為界,>0.25 mm的土壤團(tuán)聚體稱為大團(tuán)聚體,<0.25 mm的團(tuán)聚體稱為微團(tuán)聚體,為了更深入的研究氮素添加對不同粒徑土壤團(tuán)聚體的影響,以2 mm和0.25 mm標(biāo)準(zhǔn)篩將土壤分為3個粒徑的土壤團(tuán)聚體[26]。每次稱取100g在4℃風(fēng)干的土樣放置在套篩的最上層,垂直振動10 min,每分鐘振動60次,分離出>2 mm、0.25—2 mm和<0.25 mm的3個粒徑的土壤團(tuán)聚體,將各級團(tuán)聚體分為兩部分,一部分風(fēng)干用于測量土壤理化性質(zhì)；另一部分土樣置于-70℃超低溫保存,用于微生物磷脂脂肪酸(phospholipid fatty acid, PLFA)測定。

表1 氮素添加條件下土壤基本理化性質(zhì)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)

土壤有機(jī)碳采用水合熱重鉻酸鉀氧化-比色法；全氮采用凱氏法,即硒粉-硫酸銅-硫酸鉀-硫酸消煮法,之后采用流動分析儀(AA3,Bran+Luebbe Crop,德國)測定；全磷采用高氯酸-硫酸消煮-鉬銻抗比色-紫外分光光度法；土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮采用氯化鈣浸提法,之后采用流動分析儀測定；土壤pH采用玻璃電極法(MP511 pH計)按土水比1∶2.5測定[27]。

土壤PLFA測定：采用Bligh-Dyer[28]法進(jìn)行土壤團(tuán)聚體微生物脂類的提取和磷脂脂肪酸分析,將-70℃保存的新鮮土壤進(jìn)行凍干處理,稱取3g凍干土樣,加入氯仿-甲醇-檸檬酸單相提取劑震蕩離心提取總脂,用氮?dú)獯蹈珊?加氯仿經(jīng)活化柱分離得到磷脂脂肪酸,磷脂通過甲醇甲苯混合液甲酯化為磷脂脂肪酸甲酯,用氮?dú)獯蹈珊蠹尤雰?nèi)標(biāo)。采用HP6890氣相色譜-HP5973質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)進(jìn)行分析,脂肪酸的命名采用Frostegard[29]方法命名,定量方法采用峰面積和內(nèi)標(biāo)曲線法,以十九烷酸甲酯作為內(nèi)標(biāo),根據(jù)不同脂肪酸的分子結(jié)構(gòu)劃分為不同的微生物類群。PLFA含量用nmol/g表示,PLFA的生物表征如表2所示[27]。根據(jù)不同微生物類群磷脂脂肪酸的分子結(jié)構(gòu)和基因位置,將其分為真菌(Fungi, F)、細(xì)菌(Bacteria, B)、革蘭氏陽性細(xì)菌(gram-positive bacterial,G+)和革蘭氏陰性細(xì)菌(gram-negative bacterial,G-)。土壤微生物PLFA總量以檢測到的特征脂肪酸加和表示。

土壤團(tuán)聚體微生物群落特征用所測得PLFA數(shù)據(jù)計算多樣性指數(shù)：辛普森多樣性指數(shù)(Simpson diversity index,Ds)、香農(nóng)-維納多樣性指數(shù)(Shannon-wiener diversity index,H)、豐富度指數(shù)(Margalef index,D)來表示[27],如下所示：

Simpson多樣性指數(shù)：

Ds=1-∑Pi2

Shannon-wiener多樣性指數(shù)：H=-∑PilnPi

Margalef豐富度指數(shù)：D=(S-1)/lnN

式中,Pi為第i種PLFA占微生物總PLFAs的比例,S為一個樣品中檢測出的PLFA種數(shù),N為樣品中總PLFA的含量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

利用Excel 2013和SPSS 20.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析,采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著差異法(least significant difference, LSD)對不同氮添加處理間均值的方差分析和差異性進(jìn)行比較(P=0.05)。圖表制作采用Origin 2018軟件處理。

表2 表征微生物的磷脂脂肪酸)標(biāo)志物

2 結(jié)果與分析

2.1 氮素添加對土壤理化性質(zhì)的影響

氮素添加顯著影響了土壤的理化性質(zhì)(表1),隨著氮素添加量的增加有機(jī)碳、全氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮呈升高趨勢,土壤有機(jī)碳在N100處理時顯著升高(P<0.05),土壤全氮在N100和N150處理均顯著高于對照(P<0.05),N150處理銨態(tài)氮和硝態(tài)氮極顯著高于N0處理(P<0.01)；土壤全磷在各氮素添加處理中差異不顯著(P>0.05)。土壤pH隨氮素添加量的增加極顯著降低(P<0.01)。

2.2 氮素添加對土壤團(tuán)聚體中微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。

氮素添加顯著影響了土壤團(tuán)聚體中微生物PLFAs的含量(圖1)。隨著氮素添加量的增加,各粒徑土壤團(tuán)聚體中總PLFAs、真菌PLFAs、細(xì)菌PLFAs和真菌/細(xì)菌比值均呈升高趨勢。各氮素添加處理中N50和N100對土壤團(tuán)聚體微生物PLFAs的影響與對照相比最為顯著,N100處理顯著提高了>2 mm土壤團(tuán)聚體總PLFAs、真菌PLFAs和細(xì)菌PLFAs的含量(P<0.05),提高了0.25—2 mm土壤團(tuán)聚體總PLFAs和真菌PLFAs含量(P<0.05)；<0.25 mm土壤團(tuán)聚體總PLFAs、真菌PLFAs和細(xì)菌PLFAs含量在N50處理時最高,且顯著高于對照處理(P<0.05)。N150處理與N100處理相比,顯著降低了>2 mm和0.25—2 mm的土壤團(tuán)聚體總PLFAs、真菌PLFAs含量(P<0.05),但與對照處理相比并未減少。0.25—2 mm土壤團(tuán)聚體G+/G-比在N100處理下顯著高于對照,真菌/細(xì)菌在N50處理顯著高于對照(P<0.05),>2 mm和<0.25 mm土壤團(tuán)聚體G+/G-和真菌/細(xì)菌與對照無顯著差異(P>0.05)。N150處理0.25—2 mm土壤團(tuán)聚體真菌/細(xì)菌較N50處理顯著降低(P<0.05),但與對照無顯著差異。

同一氮素添加處理下不同粒徑土壤團(tuán)聚體中微生物PLFAs的含量也存在顯著差異,微生物總PLFAs和真菌PLFAs含量在同一處理下均表現(xiàn)為0.25—2 mm土壤團(tuán)聚體最高,<0.25 mm土壤團(tuán)聚體最低,細(xì)菌PLFAs含量在各粒徑中差異不顯著。N50- 100處理<0.25 mm土壤團(tuán)聚體總PLFAs含量顯著低于0.25—2 mm土壤團(tuán)聚體(P<0.05)；N100處理<0.25 mm土壤團(tuán)聚體真菌PLFAs和細(xì)菌PLFAs含量顯著低于0.25—2 mm土壤團(tuán)聚體(P<0.05)。同一氮素添加處理下,0.25—2 mm土壤團(tuán)聚體G+/G-在N30- 100處理顯著高于>2 mm和<0.25 mm土壤團(tuán)聚體,真菌/細(xì)菌比在不同粒徑團(tuán)聚體間無顯著差異。

氮素添加顯著降低了3個粒徑土壤團(tuán)聚體微生物的Margalef豐富度指數(shù)(P<0.05),而對Simpson多樣性指數(shù)、Shannon-wiener多樣性指數(shù)無顯著差異(表3)。同一氮素添加處理,除N15處理對不同粒徑土壤團(tuán)聚體的Simpson多樣性指數(shù)、Shannon-wiener多樣性指數(shù)有顯著影響外,其他處理影響均不顯著。N15- 100處理<0.25 mm土壤團(tuán)聚體Margalef豐富度指數(shù)顯著高于同處理下0.25—2 mm土壤團(tuán)聚體。

2.3 土壤團(tuán)聚體微生物群落與土壤化學(xué)因子的相關(guān)性分析。

對土壤團(tuán)聚體微生物群落與化學(xué)因子之間進(jìn)行相關(guān)性分析可知(表4),土壤團(tuán)聚體化學(xué)因子與微生物群落結(jié)構(gòu)有顯著的相關(guān)性。土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮和全磷與F、G+/G-和F/B均呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),總PLFAs與有機(jī)碳和全氮顯著相關(guān)(P<0.05),而與全磷無相關(guān)關(guān)系。有機(jī)碳與豐富度指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；全磷與Simpson多樣性指數(shù)、Shannon-wiener多樣性指數(shù)極顯著正相關(guān)(P<0.01)。土壤團(tuán)聚體C/N與總PLFAs 和G+/G-呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,與豐富度指數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；土壤pH與豐富度指數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮、C/N、C/P和N/P與Simpson多樣性指數(shù)、Shannon-wiener多樣性指數(shù)均無顯著相關(guān)關(guān)系。

3 討論

土壤微生物是土壤中營養(yǎng)周轉(zhuǎn)的主要參與者,而碳、氮是影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的2種重要因素,氮素的添加能夠影響微生物群落的變化,進(jìn)而影響微生物群落功能和土壤營養(yǎng)過程[30]。土壤團(tuán)聚體是微生物的重要棲息場所,也是土壤的重要結(jié)構(gòu)單元,其形成和穩(wěn)定性都與微生物有著密切的聯(lián)系[25]。研究土壤團(tuán)聚體微生物群落結(jié)構(gòu)與理化因子的相關(guān)性是揭示氮素添加對土壤生態(tài)系統(tǒng)影響機(jī)制的重要途徑。本文通過研究氮素添加對貝加爾針茅草原土壤團(tuán)聚體的影響,結(jié)果表明,氮素添加顯著影響了土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮的含量以及微生物群落結(jié)構(gòu)。

表3 氮素添加處理對土壤團(tuán)聚體微生物群落多樣性的影響 (平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)

同行不同小寫字母表示團(tuán)聚體處理之間差異顯著(P<0.05),同列不同大寫字母表示團(tuán)聚體粒徑之間差異顯著(P<0.05)

表4 土壤團(tuán)聚體微生物群落與環(huán)境因子的相關(guān)性分析

3.1 氮素添加對土壤理化性質(zhì)的影響

3.2 氮素添加對土壤團(tuán)聚體微生物群落結(jié)構(gòu)特征的影響

土壤微生物是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,在土壤有機(jī)質(zhì)的分解、腐殖質(zhì)的形成及土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和循環(huán)等生物化學(xué)過程中發(fā)揮著重要作用,是土壤乃至整個生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的重要維持者、貢獻(xiàn)者和土壤環(huán)境靈敏的指示者[39]。氮素添加對土壤微生物具有雙重影響效果,一方面氮素的添加增加了土壤無機(jī)態(tài)氮含量,有利于微生物的生長[14]；另一方面,氮素的添加會導(dǎo)致土壤酸化和養(yǎng)分不均衡等土壤環(huán)境引起的微生物數(shù)量及活性的降低[40]。結(jié)果表明,通過連續(xù)8年的氮素添加試驗,土壤團(tuán)聚體微生物總PLFAs和真菌PLFAs含量隨著氮素添加量的增加呈升高趨勢,這與趙學(xué)超等[41]對內(nèi)蒙古多倫草原的氮素添加試驗研究結(jié)果一致。說明氮素添加對土壤團(tuán)聚體微生物總PLFAs和真菌PLFAs有顯著的促進(jìn)效應(yīng),且以中度水平的氮素添加量對土壤團(tuán)聚體微生物量的促進(jìn)效果最為明顯?；谇捌诘难芯拷Y(jié)果表明,可能是由于草原生態(tài)系統(tǒng)氮素養(yǎng)分匱乏,氮素的添加促進(jìn)了草地植物的生長和凋落物的積累從而增加了有機(jī)碳的含量[42]。而土壤有機(jī)碳是影響土壤真菌群落的重要因子,有機(jī)碳是腐生性真菌的能源物質(zhì),有機(jī)碳的增加促進(jìn)了真菌的生長[24,43]。前期的研究中發(fā)現(xiàn)0.25—2 mm土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量顯著高于其他兩個粒徑[44],這同樣也解釋了0.25—2 mm土壤團(tuán)聚體總PLFAs和真菌PLFAs含量高于其他粒徑的原因。N150相比N100處理土壤團(tuán)聚體微生物總PLFAs、真菌PLFAs和細(xì)菌PLFAs含量顯著下降的原因可能是高濃度的氮素添加導(dǎo)致土壤pH下降,不利于微生物的生長[14]。

土壤革蘭氏陽性菌/革蘭氏陰性菌的比值可用于指示土壤的營養(yǎng)狀況,該比值越高表示營養(yǎng)脅迫越強(qiáng)[45]。當(dāng)環(huán)境中某一營養(yǎng)元素的濃度大于或小于臨界水平時即會形成營養(yǎng)脅迫。>2 mm和0.25—2 mm土壤團(tuán)聚體G+/G-隨著氮素添加量的增加逐漸升高,表示隨著氮素添加量的增加,大團(tuán)聚體中營養(yǎng)脅迫程度越來越高；而在同一氮素添加處理下,0.25—2 mm土壤團(tuán)聚體G+/G-高于其他粒徑,說明0.25—2 mm土壤團(tuán)聚體相比于其他粒徑土壤團(tuán)聚體營養(yǎng)脅迫程度更高。Penuelas等[46]認(rèn)為隨著氮素的持續(xù)輸出,土壤中磷的限制性會逐漸增強(qiáng)。外源氮素增加是導(dǎo)致陸地生態(tài)系統(tǒng)磷素限制的一個重要的貢獻(xiàn)因子[47]。而在資源受限的土壤中革蘭氏陽性菌生長會更占優(yōu)勢[48],故G+/G-的升高可能是由于土壤中磷限制增強(qiáng)的原因。

土壤中有機(jī)質(zhì)的分解途徑可分為真菌途徑和細(xì)菌途徑,在不同的土壤生態(tài)系統(tǒng)中,由于有機(jī)物的來源不同,導(dǎo)致這兩條途徑所發(fā)揮的作用也不同。以真菌分解途徑為主的土壤氮和能量的轉(zhuǎn)化較緩慢,有利于氮和有機(jī)質(zhì)的積累；而細(xì)菌分解途徑為主的土壤,有機(jī)質(zhì)和氮的礦化速率快,有利于養(yǎng)分的供應(yīng)。因此土壤中真菌/細(xì)菌比可以反映整個土壤生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能對不同土壤條件的響應(yīng)[49]。研究發(fā)現(xiàn),N50處理促進(jìn)了0.25—2 mm土壤團(tuán)聚體真菌/細(xì)菌；N150處理相較于N50處理0.25—2 mm土壤團(tuán)聚體真菌/細(xì)菌降低,但與對照無顯著影響。這與張愛林等[24]的研究結(jié)果相一致。原因可能是氮素的添加對真菌群落的影響更大,由于偏酸性土壤更適合真菌的生長,一定程度的氮素添加導(dǎo)致土壤pH下降,為真菌的生長提供了適宜的環(huán)境,而過高的氮添加同樣也不利于真菌的生長[24]。

微生物群落多樣性是表征土壤質(zhì)量變化的敏感指標(biāo),與土壤中的物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)換、土壤肥力有著密切的聯(lián)系,對土壤管理具有重要的指示意義[50]。氮素添加降低了3個粒徑土壤團(tuán)聚體微生物群落的Margalef豐富度指數(shù),且0.25—2 mm土壤團(tuán)聚體微生物群落的Margalef豐富度指數(shù)顯著低于<0.25 mm土壤團(tuán)聚體。這可能是由于氮素添加導(dǎo)致土壤pH的改變引起的,土壤pH是反應(yīng)土壤鹽堿化程度的主要指標(biāo),可以通過影響微生物代謝的酶活性以及細(xì)胞膜的穩(wěn)定性,從而改變微生物對土壤環(huán)境中營養(yǎng)物質(zhì)的吸收,是影響微生物生命活動的重要因素[51]。已有研究表明,土壤微生物群落豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)與土壤pH呈顯著正相關(guān)關(guān)系,隨著pH的降低而降低,土壤微生物對土壤pH有一定的耐受范圍,過低的土壤pH會抑制微生物的生長和活動,因而本研究中pH可能是導(dǎo)致土壤微生物群落多樣性降低的原因之一[52]。

3.3 土壤團(tuán)聚體微生物群落與化學(xué)因子的相關(guān)性分析

土壤理化性質(zhì)與土壤微生物群落結(jié)構(gòu)有著重要的聯(lián)系,土壤理化性質(zhì)的改變會影響土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)組成[27]。本研究結(jié)果表明,土壤團(tuán)聚體微生物總PLFAs、F、G+/G-和F/B與有機(jī)碳、全氮和全磷呈正相關(guān)關(guān)系,而與C/N值負(fù)相關(guān),這與谷曉楠等[53]對長白山高山草甸帶土壤微生物的研究結(jié)果一致。土壤微生物作為草原生態(tài)系統(tǒng)的分解者,對土壤養(yǎng)分的循環(huán)具有極其重要的作用。土壤微生物參與土壤碳、氮等元素的循環(huán)過程和土壤礦物的礦化過程,與土壤有機(jī)碳有著密切的關(guān)系,同時對土壤團(tuán)聚體的形成及其穩(wěn)定性起著重要的作用[54]。相關(guān)研究表明,土壤有機(jī)碳與真菌/細(xì)菌比有關(guān),可能是影響土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的主要原因,但內(nèi)在機(jī)制非常復(fù)雜[55]。土壤微生物對有機(jī)碳的利用和轉(zhuǎn)化主要有真菌和細(xì)菌分別主導(dǎo)的兩條途徑,而真菌對有機(jī)碳的儲存能力比細(xì)菌更強(qiáng),所以土壤有機(jī)碳含量與真菌和細(xì)菌的相對組成密切相關(guān)[56]。Degens等[57]發(fā)現(xiàn),菌絲對土壤團(tuán)聚體有顯著影響,有利于團(tuán)聚體的形成,大團(tuán)聚體的形成有賴于菌根菌絲體和其他根際微生物產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)。土壤微生物自身的代謝產(chǎn)物難以被分解,從而增加了土壤碳的穩(wěn)定程度,微生物產(chǎn)生的粘多糖和菌絲促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成,從而物理性的阻礙了有機(jī)碳的分解；而且微生物分泌的胞外多聚糖可以促進(jìn)礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳的形成,使土壤固定的活性有機(jī)碳更多的向穩(wěn)定性碳轉(zhuǎn)變,增強(qiáng)碳的穩(wěn)定性[58]。土壤C/N通常被認(rèn)為是土壤氮素礦化能力的標(biāo)志,C/N降低時,充足的氮素使得微生物可礦化基質(zhì)增多,反而促進(jìn)了微生物量的增加,這可能是土壤團(tuán)聚體C/N與微生物群落總PLFAs和真菌PLFAs含量呈負(fù)相關(guān)的原因[59- 60]。

4 結(jié)論

貝加爾針茅草原連續(xù)8年氮素添加模擬氮沉降增加控制試驗,研究了氮素添加對草原土壤團(tuán)聚體微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。研究結(jié)果表明,氮素添加提高了土壤有機(jī)碳、全氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量,同時導(dǎo)致pH降低。氮素添加顯著提高了土壤團(tuán)聚體微生物總PLFAs和真菌PLFAs,其中以0.25—2 mm土壤團(tuán)聚體最為顯著；且在同一處理下0.25—2 mm土壤團(tuán)聚體微生物總PLFAs、真菌PLFAs、G+/G-和F/B顯著高于其他粒徑。氮素添加對土壤團(tuán)聚體微生物的促進(jìn)效果呈非線性增長趨勢,高濃度的氮添加對微生物PLFAs含量的促進(jìn)效果反而會減弱。氮素添加顯著降低了土壤團(tuán)聚體微生物的Margalef豐富度指數(shù),對土壤微生物群落Simpson多樣性指數(shù)和Shannon-wiener多樣性指數(shù)無顯著影響。土壤團(tuán)聚體微生物總PLFAs、真菌PLFAs含量、G+/G-、F/B與土壤有機(jī)碳、全氮和全磷含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,與C/N負(fù)相關(guān)。綜上所述,適宜的氮素添加可以促進(jìn)微生物的生長,但過高濃度氮素輸入的促進(jìn)作用反而會減弱；不同粒徑土壤團(tuán)聚體微生物群落存在差異,0.25—2 mm土壤團(tuán)聚體可能更適合微生物的生存。