放牧和刈割對大針茅草原土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及多樣性的影響

鄭佳華,趙萌莉,*,王 琪,張 峰,張 彬 ,張 軍

1 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院,呼和浩特 010019 2 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草地資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,呼和浩特 010019 3 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院,呼和浩特 010019

大針茅草原是歐亞草原中最常見,最具代表性和最穩(wěn)定的典型草原群落,廣泛分布于我國內(nèi)蒙古中東部[1]。有研究表明,我國內(nèi)蒙古錫林郭勒盟74.0%的大針茅草原處于退化狀態(tài),嚴(yán)重威脅著畜牧業(yè)生產(chǎn)和當(dāng)?shù)啬撩竦纳?jì)[2]。放牧和刈割是該地區(qū)最普遍的利用方式,也是造成草地退化的主要原因[3],過度放牧?xí)Σ莸厣鷳B(tài)系統(tǒng)造成許多負(fù)面影響,包括有毒植物的增加以及植被覆蓋度和生物量的損失、破壞植物群落的結(jié)構(gòu)和組成、導(dǎo)致土壤環(huán)境惡化等[4—5],宋潔等的研究發(fā)現(xiàn),重度放牧導(dǎo)致大針茅草原優(yōu)勢種重要值降低,并且顯著降低了土壤養(yǎng)分含量[6],此外,土壤含水量、草地蒸散速率、土壤有機(jī)碳含量和土壤呼吸速率均與放牧強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān),說明放牧對草地生態(tài)系統(tǒng)功能有負(fù)效應(yīng)[7]。另一方面,刈割顯著降低大針茅草原的產(chǎn)量和土壤氮含量[8],也導(dǎo)致土壤中營養(yǎng)元素的流失,降低生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[9—10]。

土壤是一個復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng),可以提供植物生長所需的水分和養(yǎng)分,是生物地球化學(xué)循環(huán)的基礎(chǔ)[11]。草地退化會導(dǎo)致沙漠化,并降低微生物數(shù)量[12]。土壤微生物是草地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,參與多種重要的生態(tài)功能,在調(diào)節(jié)碳氮循環(huán)等生物地球化學(xué)過程中發(fā)揮著重要作用[13]。不同的微生物在土壤養(yǎng)分循環(huán)中發(fā)揮不同的功能,如分解有機(jī)質(zhì)和凋落物等[14]。有研究發(fā)現(xiàn),人為干擾導(dǎo)致的草地植被群落的變化改變了一些土壤細(xì)菌的代謝,導(dǎo)致其對植物生長有害[15]。同時,生物和非生物因素,如凋落物輸入、土壤物理性質(zhì)和土壤養(yǎng)分狀況可以調(diào)控微生物種群數(shù)量、群落結(jié)構(gòu)和活性[16]。因此,不同利用方式下大針茅草原土壤養(yǎng)分狀況和環(huán)境因子的變化可能導(dǎo)致微生物群落結(jié)構(gòu)和組成的變化,這一研究對于草地管理和健康評價(jià)具有重要意義。

目前有關(guān)大針茅草原長期放牧和刈割下對土壤微生物群落的研究較少,因此本研究采用高通量測序技術(shù),旨在研究大針茅草原在不同利用方式下土壤微生物組成及多樣性的變化,并結(jié)合土壤理化因子進(jìn)一步探究土壤微生物群落組成的主要影響因素。闡明土壤微生物群落組成的驅(qū)動因素,為大針茅草原合理利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古錫林浩特市毛登牧場(116.03°—116.50°E、44.80°—44.82°N)。該地區(qū)屬溫帶干旱大陸性氣候,氣溫變化劇烈,晝夜溫差較大。年平均氣溫2.25℃,年降水量136—387mm,年平均降水量281.39mm；年蒸發(fā)量2000—2700mm。大部分降水集中在6—9月,占全年降水量的80%以上。光照、熱、降水同期出現(xiàn)。土壤以栗鈣土為主,土壤有機(jī)質(zhì)含量2%—3%。該地區(qū)以大針茅(Stipagrandis)為建群種,優(yōu)勢種有羊草(Leymuschinensis)和知母(Anemarrhenaasphodeloides),主要伴生種有黃囊苔草(Carexkorshinskyi)、黃花黃芪(Astragalusluteolus)、冰草(Agropyroncristatum)以及冷蒿(Artemisiafrigida)等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究選擇刈割(M)以及自由放牧(G)兩種利用方式,并以圍封作為對照(E),各個樣地在地形地貌、土壤組分、氣候及原生群落組成與類型上基本一致。其中刈割樣地和圍封樣地位于毛登牧場天然打草場試驗(yàn)地,實(shí)驗(yàn)樣地于2011年開始處理,設(shè)置了刈割處理區(qū)和圍封對照區(qū),3次重復(fù),共6個小區(qū),每個小區(qū)面積為50m×30m,小區(qū)間隔10m,每年的8月31號使用打草機(jī)對刈割樣地進(jìn)行割草處理,留茬高度約為5cm。放牧樣地選擇毛登牧場中利用強(qiáng)度相近的3戶牧民草場,面積分別為533、500、400hm2,全年自由放牧,主要放牧家畜為綿羊,放牧年限超過20年,2014—2020年使用移動圍籠測定3戶草地的7年平均草地利用率為60.9%[17]。

1.3 土壤取樣

野外取樣于2020年8月10—20日生物量高峰期進(jìn)行。在刈割和對照樣地各個重復(fù)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)設(shè)置3個1m×1m的樣方,3個家庭牧場各隨機(jī)設(shè)置3個1m×1m的樣方,使用內(nèi)徑7cm的根鉆在每個樣方內(nèi)以“S”形5點(diǎn)混合采樣法收集0—20cm土層的土壤并裝入根袋中,篩出土壤樣品分成2份保存,一份放在4℃冰盒中帶回實(shí)驗(yàn)室用于土壤微生物高通量測定,另一份帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干后用于土壤理化性質(zhì)指標(biāo)的測定。完成土壤樣品采集后,在每個小區(qū)內(nèi)使用快速檢測溫度計(jì)隨機(jī)測定3處20cm深度的土壤溫度,計(jì)算平均值記為該小區(qū)的土壤溫度,使用烘干稱重法測定土壤含水量。

1.4 土壤微生物DNA提取及測序

將低溫保存的土壤樣品按每個區(qū)組混合成為1個樣品,使用MOBIO土壤DNA提取試劑盒(德國QIAEN公司)提取土壤微生物總DNA。將得到的DNA溶液利用紫外分光光度計(jì)和瓊脂糖凝膠電泳儀檢測濃度和樣品完整性(瓊脂糖凝膠濃度：1%；電壓：150V；電泳時間：40分鐘)。當(dāng)用Nanodrop 2000測定DNA樣品的A260/A280比值均接近于1.8時,表明所提取DNA無降解,質(zhì)量較好,可用于后續(xù)的PCR擴(kuò)增實(shí)驗(yàn)。PCR擴(kuò)增細(xì)菌16S rRNA V3-V4高變區(qū)：515F(5′-gtgccagcmgccgcggtaa- 3′)、806R(5′-ggac-TACHVGGGTWTCTAAT- 3′),使用真菌引物組ITS5- 1737F和ITS2- 2043R擴(kuò)增ITS1可變區(qū)。在2%瓊脂糖凝膠中檢測PCR產(chǎn)物,以確定擴(kuò)增的成功率和條帶的相對強(qiáng)度。使用TruSeq? DNA PCR-Free Sample Preparation Kit 進(jìn)行文庫構(gòu)建。測序工作由“北京諾禾致源科技股份有限公司”完成?；贗onS5TMXL測序平臺,利用單端測序的方法,構(gòu)建小片段文庫進(jìn)行單端測序。測序完成后,對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行剪切、過濾、拼接得到有效數(shù)據(jù)用于后續(xù)分析,在97%相似性水平下將優(yōu)質(zhì)序列聚類成為OTUs(Operational taxonomic units),然后對OTUs序列進(jìn)行物種注釋。使用Qiime軟件計(jì)算Observed-otus指數(shù)、Chao1指數(shù)、Shannon-wiener指數(shù)、Simpson指數(shù)、ACE指數(shù),用于分析土壤微生物群落α多樣性[17]。

1.5 土壤理化性質(zhì)測定

土壤全碳、全氮使用元素分析儀測定；土壤全磷使用鉬銻抗比色法測定；土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮使用連續(xù)流動分析儀AA3測定；土壤有機(jī)碳使用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定；土壤有效磷使用0.5mol/L NaHCO3法測定；土壤電導(dǎo)率使用電導(dǎo)儀測定；土壤pH使用pH計(jì)測定。以上指標(biāo)均嚴(yán)格按照土壤農(nóng)化分析手冊中的實(shí)驗(yàn)步驟測定[18]。

1.6 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2010初步整理數(shù)據(jù),使用SPSS 20.0對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)和方差齊性檢驗(yàn),本試驗(yàn)的數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布且通過了方差齊性檢驗(yàn),對數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(DUNCAN法,α=0.05)。使用Origin 2019作圖。使用canoco 5.0軟件進(jìn)行冗余分析。

2 結(jié)果分析

2.1 土壤理化性質(zhì)

由表1可以看出,利用方式對土壤養(yǎng)分含量有顯著影響,與圍封相比,放牧顯著降低了土壤硝態(tài)氮、有效磷、有機(jī)碳、總氮和總碳含量,而刈割顯著提高了土壤總氮和總碳含量(P<0.05)。說明刈割有利于大針茅草原土壤養(yǎng)分的累積,而放牧則導(dǎo)致了土壤養(yǎng)分流失嚴(yán)重。同時,利用方式對土壤物理性質(zhì)也有顯著影響,與圍封相比,放牧顯著降低了土壤含水量、溫度和pH,而刈割顯著提高了土壤pH(P<0.05)。

表1 不同利用方式下土壤理化特性Table 1 Physical and chemical characteristics of soil under different grassland management regime

2.2 OTU數(shù)量分析

根據(jù)不同利用方式下細(xì)菌、真菌的OTU數(shù)量繪制韋恩圖,由圖1可以看出,不用利用方式下共有細(xì)菌OTU2959個,圍封樣地特有的OTU數(shù)為762個；刈割樣地為749個；放牧樣地為974個,不用利用方式下共有真菌OTU559個,圍封樣地特有的OTU數(shù)為316個；刈割樣地為368個；放牧樣地為440個,可以看出土壤細(xì)菌數(shù)量遠(yuǎn)大于真菌數(shù)量。此外,在放牧樣地中,特有的細(xì)菌OTU數(shù)和真菌OTU數(shù)均最大,說明在放牧下條件,土壤微生物群落變化最大,特有的微生物群落最多。

圖1 土壤樣品微生物 OTUs 數(shù)量的 16S(細(xì)菌)和 ITS(真菌)韋恩圖Fig.1 Venne diagram of OTUs number of bacteria and fungiOTUs: 操作分類單位 Operational taxonomic units

2.3 土壤微生物α多樣性分析

不同利用方式下土壤細(xì)菌群落的α多樣性指數(shù)間無顯著性差異,而土壤真菌群落的α多樣性指數(shù)間差異顯著(P<0.05)。其中,Observed_species指數(shù)、Chao1指數(shù)以及ACE指數(shù)的變化趨勢一致,與圍封相比,放牧無顯著影響,但是刈割顯著提高了土壤真菌群落的Observed_species指數(shù)、Chao1指數(shù)以及ACE指數(shù)(P<0.05),分別提高了7.24%、7.76%和8.13%(表2)。Observed_species指數(shù)表示真菌的物種數(shù)目,值越高表示該樣地內(nèi)物種豐富度越高；Chao1指數(shù)表示樣地內(nèi)真菌OTU數(shù)目；ACE指數(shù)表示樣地內(nèi)真菌物種豐富度和均勻度。說明在刈割處理下,土壤真菌群落豐富度最高且物種分布最均勻。

表2 不同利用方式下土壤細(xì)菌和真菌α多樣性指數(shù)方差分析Table 2 Variance analysis of α diversity index of soil bacteria and fungi under different grassland management regimes

2.4 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)

不同利用方式下土壤細(xì)菌群落相對豐度在門水平上排名前10的菌群依次為：變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、undefined_Bacterial、厚壁菌門(Firmicutes)、酸桿菌門(Acidobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、疣微菌門(Verrucomicrobia)、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)、泉古菌門(Crenarchaeota)以及綠彎菌門(Chloroflexi),其中相對豐度排名前5的細(xì)菌群落占土壤細(xì)菌總OTU數(shù)的60%以上(圖2)。不同利用方式下土壤真菌群落相對豐度在門水平上排名前10的菌群依次為：子囊菌門(Ascomycota)、被孢霉門(Mortierellomycota)、擔(dān)子菌門(Basidiomycota)、壺菌門(Chytridiomycota)、霉門(Mucoromycota)、球囊菌門(Kickxellomycota)、梳霉門(Kickxellomycota)、羅茲菌門/隱菌門(Rozellomycota)、油壺菌門(Olpidiomycota)以及隱孢子菌門(Aphelidiomycota),其中子囊菌門(Ascomycota)和被孢霉門(Mortierellomycota)占土壤真菌總OTU數(shù)的70%以上(圖2)。

圖2 不同利用方式下土壤細(xì)菌和真菌群落在門水平上的相對豐度Fig.2 Relative abundance of total bacterial and fungi phyla in soil under different grassland management regimes細(xì)菌：Proteobacteria,變形菌門；Actinobacteria,放線菌門；Firmicutes,厚壁菌門；Acidobacteria,酸桿菌門；Bacteroidetes,擬桿菌門；Verrucomicrobia,疣微菌門；Gemmatimonadetes,芽單胞菌門；Crenarchaeota,泉古菌門；Chloroflexi,綠彎菌門；真菌：Ascomycota,子囊菌門；Mortierellomycota,被孢霉門；Basidiomycota,擔(dān)子菌門；Chytridiomycota,壺菌門；Mucoromycota,毛霉門；Glomeromycota,球囊菌門；Kickxellomycota,梳霉門；Rozellomycota,羅茲菌門/隱菌門；Olpidiomycota,油壺菌門；Aphelidiomycota,隱孢子菌門

通過MetaStat分析不同利用方式下土壤細(xì)菌的相對豐度在門水平上的差異性,共有6種細(xì)菌類群存在顯著性差異,分別是變形菌門、放線菌門、厚壁菌門、疣微菌門、芽單胞菌門以及綠彎菌門(圖3)。與圍封相比,放牧顯著提高了變形菌門、疣微菌門和芽單胞菌門的相對豐度(P<0.05),而圍封樣地與刈割樣地間無顯著差異；放牧和刈割顯著提高了放線菌門和綠灣菌門的相對豐度(P<0.05)；放牧和刈割顯著降低了厚壁菌門的相對豐度(P<0.05)。

圖3 不同利用方式下土壤門水平上主要細(xì)菌相對豐度的方差分析Fig.3 Variance analysis of relative abundance of major bacteria at soil phylum level under different grassland management regimes不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)

土壤真菌群落的相對豐度在門水平上僅有擔(dān)子菌門差異顯著,與圍封相比,刈割顯著增加了擔(dān)子菌門相對豐度(P<0.05),而圍封樣地與放牧樣地間無顯著差異(圖4)。

圖4 不同利用方式下土壤門水平上主要真菌相對豐度的方差分析Fig.4 Variance analysis of relative abundance of major fungi at soil phylum level under different grassland management regimes

2.5 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

使用冗余分析(RDA)進(jìn)一步分析土壤理化性質(zhì)與土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響,圖5為土壤細(xì)菌群落與土壤理化性質(zhì)的RDA分析,RDA的前兩個軸分別解釋了總方差的74.38%和10.74%,共解釋了85.12%,說明RDA的結(jié)果可靠,蒙特卡洛檢驗(yàn)的結(jié)果表明,土壤硝態(tài)氮(P=0.024)和銨態(tài)氮(P=0.046)是影響土壤細(xì)菌群落最主要的因素(表3),由圖5可以看出,二者均與酸桿菌門呈正相關(guān),與變形菌門呈負(fù)相關(guān)；而土壤電導(dǎo)率與變形菌門呈正相關(guān)；土壤含水量與擬桿菌門呈正相關(guān)。

圖5 土壤細(xì)菌群落與土壤理化性質(zhì)的冗余(RDA)分析 Fig.5 RDA analysis of soil bacterial community and soil physicochemical propertiesEC:電導(dǎo)率 Electrical conductivity；SM: 土壤含水量Soil moisture；AP: 有效磷Available phosphorus；ST:土壤溫度Soil temperature；SOC: 有機(jī)質(zhì)Soil organic carbon；TC: 全碳Total 銨態(tài)氮Ammonium 硝態(tài)氮Nitrate nitrogen

表3 經(jīng)冗余分析確定土壤理化性質(zhì)對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響Table 3 The effects of soil physical and chemical properties on soil microbial community structure were determined by redundancy analysis

圖6為土壤真菌群落與土壤理化性質(zhì)的RDA分析,RDA的前兩個軸分別解釋了總方差的71.08%和26.72%,共解釋了97.8%,說明RDA的結(jié)果可靠,蒙特卡洛檢驗(yàn)的結(jié)果表明,土壤有效磷(P=0.06)和硝態(tài)氮(P=0.024)是影響土壤真菌群落最主要的因素,由圖6可以看出,土壤有效磷、硝態(tài)氮、pH、銨態(tài)氮等理化性質(zhì)與被孢霉門和擔(dān)子菌門呈正相關(guān),與子囊菌門和油壺菌門呈負(fù)相關(guān)。冗余分析的結(jié)果表明,土壤細(xì)菌和真菌對土壤理化性質(zhì)的響應(yīng)結(jié)果和敏感程度不同。

圖6 土壤真菌群落與土壤理化性質(zhì)的RDA分析Fig.6 RDA analysis of soil fungal community and soil physicochemical propertiesTP:全磷Total phosphorus；TN: 全氮Total nitrogen

3 討論

3.1 利用方式對土壤理化性質(zhì)的影響

放牧和刈割作為大針茅草原最主要的利用方式,對草地生態(tài)系統(tǒng)起到至關(guān)重要的作用,放牧主要通過家畜的糞尿和踐踏影響草地養(yǎng)分循環(huán)[19],而刈割則是通過均勻的去除植物地上部分影響草地生態(tài)系統(tǒng)[20]。本研究表明,放牧顯著降低了土壤總碳、總氮、有機(jī)碳含量,而刈割顯著提高了土壤總碳含量,大針茅草原主要由多年生牧草,如大針茅、糙隱子草、羊草等組成,這些植物具有較高的地下生物量分配用于根系的發(fā)育,以便為來年植物的生長存儲養(yǎng)分,因此,高強(qiáng)度放牧提高了植物地下碳的分配和對土壤碳的吸收,導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量下降[21—22]。植物殘?jiān)姆纸馐峭寥捞純α康闹饕獊碓粗?而刈割仍會有少量植物殘?jiān)鼩w還與土壤,并且刈割會導(dǎo)致植物根部死亡率提高,有利于土壤碳儲量累積[23],同時,刈割有利于更多的微生物降解不穩(wěn)定的有機(jī)碳,增加有機(jī)碳輸入[24]。土壤氮素的輸入主要取決于植物殘?jiān)祷赝寥?還有一小部分來自大氣沉積[25],張峰等人的研究表明,放牧顯著降低凋落物量[26],導(dǎo)致草地養(yǎng)分返回減少,固氮能力下降,另一方面,放牧家畜的排泄物主要集中在棚圈中,也導(dǎo)致土壤氮素流失嚴(yán)重。此外,與銨態(tài)氮相比,植物主要吸收利用土壤中的硝態(tài)氮[25],長期放牧條件下,植物對土壤硝態(tài)氮的持續(xù)吸收以及固氮能力的不足導(dǎo)致其含量顯著降低。土壤有機(jī)質(zhì)分別通過在低養(yǎng)分條件下供應(yīng)和在高養(yǎng)分條件下儲存養(yǎng)分來發(fā)揮緩沖作用,并有助于將可溶性養(yǎng)分的可用性與植物需求同步,通過這種緩沖機(jī)制維持草地生態(tài)系統(tǒng)的碳、氮循環(huán),但在重度放牧下,土壤有機(jī)質(zhì)含量的顯著降低導(dǎo)致碳、氮循環(huán)失衡[27],此外,放牧下土壤碳、氮損失可歸因于土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致較低的真菌與細(xì)菌的比例[28—29]。

放牧對土壤物理性質(zhì)的影響主要?dú)w因于動物踐踏[30—31],隨著放牧強(qiáng)度的增加,頻繁的擾動可能會超過土壤的自然恢復(fù)能力,導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)惡化,進(jìn)而導(dǎo)致水分滲透能力降低,同時,凋落物和植被蓋度的降低導(dǎo)致裸露土壤的面積增加,從而增加日溫度波動和日最高溫度,進(jìn)而導(dǎo)致土壤水分蒸發(fā)率更高[32],這些原因均導(dǎo)致放牧樣地中土壤含水量顯著降低[33]。本研究發(fā)現(xiàn),放牧顯著降低土壤pH,放牧導(dǎo)致根系分泌物和土壤呼吸產(chǎn)生更多的碳酸和有機(jī)酸等酸性物質(zhì),導(dǎo)致土壤酸化[34],而刈割顯著提高土壤pH可能是由于刈割導(dǎo)致土壤有機(jī)氮的銨化作用增強(qiáng),刈割下土壤銨態(tài)氮含量升高也證明了這一觀點(diǎn)[35]。在本研究中,土壤理化因子,包括土壤總碳、有機(jī)碳、總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有效磷、水分及pH存在顯著差異,這些差異可能導(dǎo)致了微生物群落結(jié)構(gòu)和組成的差異。

3.2 利用方式對土壤微生物多樣性及群落結(jié)構(gòu)的影響

土壤微生物作為土壤系統(tǒng)的重要組成部分,通過調(diào)節(jié)土壤有機(jī)質(zhì)和植物凋落物的分解以及植物養(yǎng)分的可用性,在草地生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。本研究表明,刈割對土壤細(xì)菌群落多樣性的影響有限,而土壤真菌多樣性對刈割的響應(yīng)更顯著。刈割顯著提高了土壤真菌α多樣性,這一結(jié)果與Yu等人在高寒草甸的研究結(jié)果一致[36],可能是由于刈割后植物殘?jiān)睦鄯e有利于真菌的聚集；此外,也有研究表明,刈割顯著提高了叢枝菌根真菌的豐度和多樣性,進(jìn)而提高了土壤真菌的多樣性[37]。而韋恩圖表明,在放牧樣地中特有的微生物OTU數(shù)最多,放牧條件下土壤受到的干擾最大,家畜的踐踏、采食作用、排泄物以及人類活動導(dǎo)致土壤條件發(fā)生顯著改變,進(jìn)而導(dǎo)致微生物類群特異性最大[38]。

本研究區(qū)域內(nèi)主要優(yōu)勢細(xì)菌類群為變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)和酸桿菌門(Acidobacteria),主要優(yōu)勢真菌類群為子囊菌門(Ascomycota)和孢霉菌門(Mortierellomycota)。不同利用方式下部分微生物類群的相對豐度差異顯著。放牧和刈割均顯著提高了放線菌門和綠灣菌門(Chloroflexi)的相對豐度,二者中有很大一部分細(xì)菌可以通過光合作用獲取能量并固定CO2[39—40],意味著其固碳能力提高,RDA分析結(jié)果也表明,土壤總碳和有機(jī)碳含量與放線菌門呈正相關(guān)關(guān)系,且放線菌門和綠灣菌門在有機(jī)物分解和營養(yǎng)循環(huán)中發(fā)揮重要作用。放牧和刈割均顯著降低了厚壁菌門(Firmicutes)的豐度,許多植物致病菌屬于厚壁菌門[41],說明刈割和放牧減小了土壤致病細(xì)菌對植物健康的威脅。放牧顯著提高了變形菌門的豐度,其被認(rèn)為可以降解土壤中更多的頑固性有機(jī)質(zhì),如甲殼素等[42—43],說明放牧下草地退化伴隨著頑固性有機(jī)質(zhì)輸入的增加。同時,放牧還顯著提高了疣微菌門(Verrucomicrobia)和芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)的豐度,二者均是主要參與土壤氮循環(huán)的微生物類群,與土壤氮含量呈負(fù)相關(guān),與前人的研究結(jié)果一致[44],以上結(jié)果表明,具有營養(yǎng)物質(zhì)降解功能和較高代謝活性的微生物在放牧下生存良好,這一現(xiàn)象證實(shí)了放線菌門和變形菌門等對放牧條件下大針茅草原的生境條件具有良好的適應(yīng)能力。刈割顯著提高了擔(dān)子菌門(Basidiomycota)的相對豐度,這是一類主要功能為分解植物木質(zhì)化殘?jiān)恼婢惾?刈割后的植物殘?jiān)脑黾訉?dǎo)致了富集[45]。

由于土地利用方式的改變對土壤結(jié)構(gòu)及養(yǎng)分狀況的影響,土壤微生物組成也隨之變化[46]。我們的研究表明,土壤性質(zhì)解釋了85.12%和97.8%的土壤細(xì)菌和真菌群落的變化,這表明微生物群落組成的變化與土壤性質(zhì)有很大的相關(guān)性。RDA分析表明,土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量是細(xì)菌群落最主要的影響因素,且與酸桿菌門呈正相關(guān)關(guān)系,酸桿菌門是一類寡營養(yǎng)型細(xì)菌,能利用銨態(tài)氮和硝態(tài)氮作為氮源[47],Yuan等也發(fā)現(xiàn)土壤銨態(tài)氮是影響青藏高原表層土壤細(xì)菌群落的主要環(huán)境因子,說明了土壤氮組分在細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)形成中的重要性[48]。土壤真菌群落主要受有效磷和硝態(tài)氮的影響,這一結(jié)果與Ding等的研究結(jié)果一致[49],土壤有效磷與真菌群落密切相關(guān),說明土壤有效磷在建立土壤真菌群落中具有重要意義。本研究表明,細(xì)菌對銨態(tài)氮含量敏感,而真菌對硝態(tài)氮含量敏感,說明微生物對土壤不同形式氮的利用存在選擇性。綜上所述,不同利用方式下土壤微生物群落結(jié)構(gòu)存在顯著差異,土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和有效磷是土壤微生物群落形成和演化的主要驅(qū)動因素。

4 結(jié)論

不同利用方式顯著改變了土壤微生物多樣性及群落結(jié)構(gòu),刈割顯著提高了土壤真菌α多樣性指數(shù)。放牧顯著提高了變形菌門(Proteobacteria)、疣微菌門(Verrucomicrobia)和芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)的相對豐度,刈割顯著提高了放線菌門(Actinobacteria)、綠灣菌門(Chloroflexi)及擔(dān)子菌門(Basidiomycota)的相對豐度,此外,放牧和刈割顯著降低了厚壁菌門(Firmicutes)的相對豐度。土壤理化性質(zhì)共解釋了土壤細(xì)菌85.12%和真菌97.8%的變化,土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)主要受硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量的影響,土壤真菌群落結(jié)構(gòu)主要受有效磷和硝態(tài)氮含量的影響,土壤速效養(yǎng)分是不同利用方式下大針茅草原土壤微生物群落形成和演化的主要驅(qū)動因素。本研究揭示了不同利用方式下大針茅草原土壤微生物多樣性及群落結(jié)構(gòu)的變化及其主要驅(qū)動因素,為大針茅草原合理利用提供了理論依據(jù)。