小葉錦雞兒灌叢對草地土壤固氮微生物群落的影響

王春雯，趙芳，張晨，解李娜，馬成倉

（天津師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，天津市動植物抗性重點實驗室，天津 300387）

草原灌叢化已成為全球干旱和半干旱地區(qū)的普遍現(xiàn)象［1-4］。內(nèi)蒙古草原灌木擴張是以錦雞兒屬（Caragana）灌木為主導(dǎo)的，是該地區(qū)面臨的重要生態(tài)問題之一［5-6］。在灌叢化過程中，多類型的草本植物逐漸被單一的灌木種群所替代。植被類型的轉(zhuǎn)變必然會引起凋落物數(shù)量和質(zhì)量以及根系分泌物的改變［7-9］，進(jìn)而影響地下生物群落［10］。

氮是植物必需的大量元素，是干旱生態(tài)系統(tǒng)中除水以外影響植物生長發(fā)育的另一主要限制因子［11］。土壤固氮微生物可以將空氣中的氮素固定為植物可吸收利用的氮［12］，是植被重要的氮素供應(yīng)來源之一。其群落的變化會導(dǎo)致生物地球化學(xué)循環(huán)功能發(fā)生改變［13］，影響土壤固氮效率［14］，改變生態(tài)系統(tǒng)中植物的可利用氮含量［15］，進(jìn)而影響地上植物群落。

土壤固氮微生物群落的物種多樣性和組成與地上植物類型密切相關(guān)。目前的研究主要集中在豆科非灌木對土壤固氮微生物群落的影響。研究發(fā)現(xiàn)：間作大豆（Glycine max）改變了甘蔗（Saccharum officinarum）根際土壤固氮菌的群落組成結(jié)構(gòu)，但對群落物種的優(yōu)勢度影響較小［16］；與燕麥（Avena sativa）單作相比，大豆/燕麥和綠豆（Vigna radiata）/燕麥間作提高了燕麥土壤固氮微生物的數(shù)量，并改變了群落優(yōu)勢類群的相對豐度［17］；低氮處理增加了草本植物紫云英（Astragalus sinicus）根際土壤中自生和共生固氮微生物的固氮能力和nifH基因豐度［18］；隨樹齡的增加，刺槐（Robinia pseudoacacia）林下土壤固氮微生物群落組成由放線菌為主向變形菌為主轉(zhuǎn)變［19］。關(guān)于豆科灌木對固氮微生物群落物種多樣性和組成的影響研究較少。豆科灌木具有固氮能力，能增加林下的氮積累，所固定的氮可以從豆科植物轉(zhuǎn)移到非豆科植物［20］，因此，與非豆科灌木相比，豆科灌木對土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響具有自己的特點。Zhou等［21］對毛烏素沙地豆科灌木蒙古巖黃芪（Hedysarum mongutensis）和細(xì)枝巖黃芪（Hedysarum scoparium）的根際固氮微生物的研究發(fā)現(xiàn)，兩種灌木均增加了根際固氮微生物群落的多樣性，并將土壤中的有益微生物富集在根際區(qū)。

不同的灌木會營造出特異的氣候和土壤微環(huán)境，這些微環(huán)境可能有利于一些土壤生物種的定居，而抑制另一些物種存活，所以灌木對林下和土壤群落的物種具有選擇性［22］，這一生態(tài)過程導(dǎo)致群落組成發(fā)生變化。研究發(fā)現(xiàn)灌木狹葉錦雞兒（Caragana stenophylla）對林下植物群落和土壤生物群落均具有物種選擇性，且對土壤生物的選擇性大于植物群落［23］；灌木多色杜鵑（Rhododendron rupicola）對喬木幼苗存活和生長具有促進(jìn)作用，但這種促進(jìn)效應(yīng)具有物種特異性，對紅杉（Larix potaninii）的促進(jìn)作用大于麗江云杉（Picea likiangensis）［24］。關(guān)于灌木如何通過物種選擇性而影響土壤固氮微生物群落物種豐富度和多度以及物種組成尚未見報道。

灌叢化改變了地表土壤資源分配，使較多的水分和養(yǎng)分聚集在灌叢內(nèi)，導(dǎo)致土壤資源的異質(zhì)化和斑塊化，形成了沃島效應(yīng)［25］。土壤資源異質(zhì)化又會引起灌叢內(nèi)外植被異質(zhì)化，形成生物島，植被異質(zhì)化進(jìn)而改變了土壤微生物群落組成和結(jié)構(gòu)［26］。灌木如何通過營養(yǎng)成分改變固氮微生物群落尚不清楚。

灌木對林下微生物群落的影響在不同的氣候干旱梯度上表現(xiàn)不同。研究表明不同干旱程度相比（半干旱、干旱、強干旱、最干旱），最干旱的地區(qū)灌木的地下群落多樣性增加最強烈［23］。關(guān)于灌木對固氮微生物群落影響在不同的氣候干旱梯度的變化未見報道。灌木和氣候干旱對固氮微生物群落影響的相對重要性依然不清楚。

小葉錦雞兒（Caragana microphylla）是內(nèi)蒙古草原干旱、半干旱地區(qū)重要的豆科灌木物種［27］。小葉錦雞兒根系發(fā)達(dá)，能夠與根瘤菌結(jié)合形成具有固氮能力的根瘤［28］。本研究調(diào)查了內(nèi)蒙古地區(qū)荒漠草原（干旱地帶）和典型草原（半干旱地帶）小葉錦雞兒灌叢（以灌叢外土壤為對照）不同深度土壤固氮微生物群落（包括共生固氮微生物和自生固氮微生物）的物種豐富度、多度和群落組成，從灌叢對物種的選擇性、灌叢沃島效應(yīng)，以及灌叢效應(yīng)和干旱效應(yīng)的相互關(guān)系等方面探討灌叢引起固氮微生物群落差異的機制。主要回答以下問題：1）灌叢如何影響土壤固氮微生物群落的物種豐富度、多度和群落組成？2）灌叢化通過哪些主要途徑影響固氮微生物群落？3）灌叢化的影響在荒漠草原（干旱地帶）和典型草原（半干旱地帶）是否存在差異？4）灌叢和氣候干旱對土壤固氮微生物群落影響的相對重要性如何？

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點位于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟蘇尼特右旗（42.40° N，112.90° E，平均海拔1150.8 m）和錫林浩特市（43.95° N，116.07° E，平均海拔989.5 m）。蘇尼特右旗年平均降水量約為220 mm，日照時間3167 h，總輻射量594.4 kJ，平均氣溫4.93℃，干旱度指數(shù)0.128，屬于干旱地區(qū)，植被類型為荒漠草原。錫林浩特市年平均降水量約300 mm，日照時間2932 h，總輻射量581.4 kJ，平均氣溫2.35℃，干旱度指數(shù)0.174，屬于半干旱地區(qū)，植被類型為典型草原。

1.2 研究方法

1.2.1土壤樣品采集 2016年7月分別在荒漠草原和典型草原選取小葉錦雞兒灌叢化草地作為試驗樣地，每個樣地隨機選取3株小葉錦雞兒灌叢作為樣株，在灌叢內(nèi)（灌叢下的中心位置）和灌叢外（距離灌叢邊緣2 m以上）分別采集0～10 cm、10～20 cm、30～40 cm的土壤樣品約300 g，共36份土壤樣品。采集的新鮮土樣除去落葉、根系、石頭等雜質(zhì)，混合均勻后用無菌聚乙烯密封袋即刻密封，置于低溫箱中帶回實驗室于-20℃保存。每份土壤樣品一部分用于土壤理化性質(zhì)的分析，一部分用于可培養(yǎng)固氮微生物的測定。

1.2.2土壤固氮微生物的分離與鑒定 土壤固氮微生物采用稀釋涂布平板法培養(yǎng)，其中共生固氮微生物采用固氮根瘤培養(yǎng)基，32℃培養(yǎng)3～4 d；自生固氮微生物采用無氮培養(yǎng)基，28℃培養(yǎng)4～5 d。根據(jù)《Bergey’s Manual of Systemaic Bacteriology》［29］對不同形態(tài)的共生和自生固氮微生物進(jìn)行計數(shù)。用劃線法將其純化為單一形態(tài)的菌落，隨后利用“生工Ezup柱式細(xì)菌基因組DNA抽提試劑盒”（上海）提取DNA；采用通用引物1492R（5′-GGTTACCTTGTTACG-ACTT-3′）和27F（5′-AGA GTTTGATCCTGGCTC-AG-3′）擴增固氮微生物16S rRNA的V4可變區(qū)，擴增產(chǎn)物送至生工生物工程股份有限公司（上海）測序，應(yīng)用BLAST程序（http：//blast.stva.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi）對測序結(jié)果進(jìn)行比對分析。

1.2.3土壤理化性質(zhì)測定 采用烘干法測量土壤含水量；采用水浸提電位法測定土壤pH值（水土比2.5:1.0）；將水土（5:1）浸提后采用DDS～LLa型電導(dǎo)儀（上海）測定電導(dǎo)率；采用重鉻酸鉀容量法測定有機質(zhì)含量（外部加熱法）；采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定速效磷含量；采用醋酸銨浸提-火焰光度法測定速效鉀含量；采用流動分析儀（德國：SEAL AA3）測定硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量。土壤理化性質(zhì)測定方法參考文獻(xiàn)［30］。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用豐度（物種數(shù)）和多度（cfu·g-1干土）表達(dá)土壤固氮微生物群落多樣性特征。

采用相對相互作用指數(shù)（relative interaction intensity index，RII）［31］評估灌木對固氮菌群落物種豐度和多度的影響：

式中：X表示灌叢內(nèi)（XS）和灌叢外（XO）響應(yīng)變量觀測值。RII值在-1～1變化，RII值＞0表示灌叢對群落具有正效應(yīng)；RII值＜0表示灌叢對群落具有負(fù)效應(yīng)。微生物群落RII計算公式如下：

本研究用氣泡圖反映每個屬的多度在灌叢內(nèi)和灌叢外的差異。氣泡的大小表示多度高低，氣泡越大表示多度越高。氣泡圖用R軟件中“ggplot2”程序包繪制。

本研究用堆積圖反映樣品中各屬的相對多度。堆積圖中樣品橫向排列，屬縱向排列，每一色塊代表一個屬，色塊占比越大表示該屬的相對多度越高。相對多度大于10%定義為優(yōu)勢種，堆積圖顯示各樣品間優(yōu)勢屬的差異。

本研究用非度量尺度分析法（non-metric multidimensional scaling，NMDS，基于Bray-Curtis相異系數(shù)）將群落組成可視化，比較群落組成相似性。NMDS采用PAST 3軟件進(jìn)行。

本研究用Jaccard dissimilarity index（JI）量化群落組成的差異。JI取值范圍是0～1，0表示兩個群落由完全相同的物種組成，1表示二者沒有共同物種。JI采用R軟件中“betapart”程序包計算。

本研究用物種指示值分析法（species-indicator analyses）［32］確定灌木對物種的選擇性。該方法的基礎(chǔ)是物種對生境的特異性（specific）和適宜性（fidelity）。首先計算每個物種（屬）的指示值（indicator value，IndVal），然后根據(jù)IndVal值確定灌叢選擇性物種（物種通常僅生長在灌叢內(nèi)或灌叢外）和灌叢非選擇性物種（物種在灌叢內(nèi)和灌叢外均可生長）。如果IndVal值大于0.7，則認(rèn)為該物種是灌叢選擇性物種，否則為灌叢非選擇性物種［33］；灌叢內(nèi)IndVal值大于0.7，為灌叢正選擇物種，灌叢外IndVal值大于0.7，為灌叢負(fù)選擇物種。然后，計算灌叢正選擇性物種和負(fù)選擇性物種占總物種的百分比。物種IndVal值采用R軟件中“l(fā)abdsv”程序包計算。

本研究用Z Scores法計算灌叢肥島效應(yīng)（fertile island effect，F(xiàn)IE）［34］。所有功能指標(biāo)（土壤有機質(zhì)、速效氮、速效磷和速效鉀）標(biāo)準(zhǔn)化后的Zscores的平均值即為灌叢肥島效應(yīng)。

本研究用冗余分析（redundancy analysis，RDA）檢驗土壤理化指標(biāo)和干旱指數(shù)與屬多度之間的關(guān)系。RDA采用CANOCO 5軟件進(jìn)行。

采用方差分解分析（variance partitioning analysis，VPA）比較氣候干旱和灌叢對群落影響的相對重要性。氣候干旱涉及的因子包括年平均降水量和年平均溫度；灌叢涉及的因子包括土壤pH、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、土壤含水量、電導(dǎo)率、有機質(zhì)、速效磷和速效鉀。VPA采用R軟件中“vegan”程序包進(jìn)行［35］。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

本研究采用單因素或多因素方差分析檢驗灌叢、土層和氣候干旱對群落變量影響的顯著性。用獨立樣本t檢驗分析每個RII與0的差異顯著性和每個屬多度在灌叢內(nèi)和灌叢外的差異顯著性。上述分析用SPSS IBM 25軟件進(jìn)行。用ANOSIM檢驗灌叢對群落組成影響的顯著性，ANOSIM分析采用R軟件“vegan”程序包進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 小葉錦雞兒灌叢對土壤固氮微生物群落物種豐度和多度的影響

小葉錦雞兒灌叢對共生和自生固氮微生物物種豐度和多度影響的RII多數(shù)大于0；隨土壤深度的增加，RII逐漸減小（共生固氮：F2，24=7.706，P＜0.01；自生固氮：F2，24=6.316，P＜0.05）；荒漠草原RII大于典型草原（共生固氮：F1，24=13.412，P＜0.01；自生固氮：F1，24=0.066，P=0.801，圖1）。這些結(jié)果說明灌叢促進(jìn)了固氮微生物群落擴張，促進(jìn)效應(yīng)隨土壤深度的增加而衰減，促進(jìn)效應(yīng)在干旱區(qū)比半干旱區(qū)更明顯。

2.2 小葉錦雞兒灌叢對土壤固氮微生物群落組成的影響

固氮微生物屬的多度在灌叢內(nèi)、外存在明顯差異。對于共生固氮微生物，在荒漠草原灌叢內(nèi)外具有顯著差異的 屬為Variovorax、Bacillus、Paenibacillus、Brevibacillus、Pseudomonas、Microvirga、Streptomyces、Arthrobacter、Enterobacter、Sinorhizobium和Sphingobacterium11個屬，占總屬數(shù)的55.00%；在典型草原為Rhizobium、Paenibacillus、Variovorax、Brevibacterium、Curtobacterium和Sinorhizobium6個屬，占總屬數(shù)的37.50%。對于自生固氮微生物，在荒漠草原顯著差異的種屬為Rhizobium、Paenibacillus、Staphylococcus、Bacillus、Brevibacillus、Streptomyces和Sinorhizobium7個屬，占總屬數(shù)的58.33%；在典型草原為Achromobacter、Bacillus、Rhizobium、Sinorhizobium和Cohnella5個屬，占總屬數(shù)的55.56%（圖2氣泡圖）?；哪菰娘@著差異屬多于典型草原。

固氮微生物各個屬在群落中的相對多度在灌叢內(nèi)、外也存在明顯差異（圖2堆積圖），以至于優(yōu)勢屬在灌叢內(nèi)外都存在不同程度的變化（表1）。表現(xiàn)為優(yōu)勢屬的變化和優(yōu)勢地位改變。例如荒漠草原灌叢外0～10 cm土層共生固氮菌群落中優(yōu)勢屬為芽孢桿菌屬（Bacillus，46.89%）、鏈霉菌屬（Streptomyces，25.73%）2個屬，而灌叢內(nèi)為鏈霉菌屬（Streptomyces，23.84%）、節(jié)桿菌屬（Arthrobacter，16.25%）、金黃桿菌屬（Chryseobacterium，14.15%）和短小桿菌屬（Curtobacterium，10.58%）4個屬，鏈霉菌屬在灌叢外為第二優(yōu)勢屬，在灌叢內(nèi)變?yōu)榈谝粌?yōu)勢屬；荒漠草原灌叢外0～10 cm土層自生固氮菌群落中鏈霉菌屬（Streptomyces）為唯一優(yōu)勢屬，占比85.37%，在灌叢內(nèi)為第二優(yōu)勢屬，僅占23.10%?；哪菰膬?yōu)勢屬和它們的優(yōu)勢地位在灌叢內(nèi)外的差異大于典型草原（表1）。

表1 荒漠草原和典型草原小葉錦雞兒灌叢內(nèi)外土壤固氮微生物群落優(yōu)勢屬和相對多度Table 1 Dominant genus and relative abundance of soil nitrogen-fixing microbial communities outside and inside C.microphylla shrub canopies in desert steppe and typical steppe（%）

非度量多維度尺度（NMDS）分析排序了小葉錦雞兒灌叢內(nèi)外、3個土層的土壤固氮微生物群落組成。各NMDS分析圖Stress均小于0.2，說明整體上NMDS對群落組成擬合度高。兩個地帶（荒漠草原和典型草原）的兩類固氮微生物群落都表現(xiàn)為灌叢內(nèi)或灌叢外3層土比較相近，灌叢內(nèi)和灌叢外差異很大（圖3）。ANOSIM檢驗結(jié)果證實，小葉錦雞兒灌叢顯著影響了兩個地帶的兩類固氮微生物的群落組成。

灌叢內(nèi)外的JI指數(shù)為0.40～0.76，說明灌叢導(dǎo)致固氮微生物群落組成發(fā)生明顯變化。土壤深度對JI指數(shù)有顯著影響（共生F2，24=12.50，P＜0.01；自生F2，24=5.07，P＜0.05），但是各地帶和類群沒有一致的變化趨勢（圖4）。氣候地帶對JI指數(shù)有顯著影響（共生F1，24=53.82，P＜0.01；自生F1，24=48.81，P＜0.01），表現(xiàn)為荒漠草原JI指數(shù)大于典型草原。

兩個地帶之間的JI指數(shù)為0.29～0.94，說明氣候干旱導(dǎo)致固氮微生物群落組成發(fā)生明顯變化，而且這種效應(yīng)在灌叢內(nèi)外或土層間變異很大。具體表現(xiàn)為灌叢內(nèi)的JI指數(shù)低于灌叢外（共生F1，24=9.59，P＜0.01；自生F1，24=6.98，P＜0.01）。隨土壤深度的增加，JI指數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢（共生F2，24=0.15，P=0.86；自生F2，24=5.63，P＜0.05，圖5）。

2.3 小葉錦雞兒灌叢對土壤固氮微生物的物種選擇性

小葉錦雞兒灌叢對固氮微生物的正選擇物種在兩個地帶和各土層中基本都多于負(fù)選擇性物種（表2）。對土層而言，灌叢正選擇性物種0～10 cm最多，負(fù)選擇性物種在30～40 cm最多。荒漠草原灌叢正選擇性物種多于典型草原。灌叢的總選擇性物種數(shù)（正選擇和負(fù)選擇性物種之和）占總物種的26.67%～80.00%，表明小葉錦雞兒灌叢對固氮微生物的選擇性很強。

表2 荒漠草原和典型草原小葉錦雞兒灌叢對土壤固氮微生物的選擇性物種比例Table 2 The percentage of selective species of C.microphylla shrub canopies on soil nitrogen-fixing microbial communities in desert steppe and typical steppe（%）

2.4 小葉錦雞兒灌叢對土壤營養(yǎng)分布的影響

FIE值皆為正值，說明小葉錦雞兒具有沃島效應(yīng)?；哪菰腇IE值大于典型草原（F1，24=3.56，P=0.084，接近顯著）?；哪菰璅IE值隨土壤深度的增加呈降低趨勢（F2，24=1.734，P=0.255），典型草原0～10 cm土層FIE值小于其他兩層（F2，24=0.429，P=0.670），但土層間差異都不顯著（圖6）。

2.5 土壤固氮微生物與環(huán)境因子之間的關(guān)系

對于共生固氮微生物，環(huán)境因子在第一軸解釋了其組成總變異的27.47%，在第二軸解釋了11.29%。其中，速效磷（解釋量22.10%，P=0.002）、干旱指數(shù)（解釋量9.40%，P=0.004）、速效鉀（解釋量5.20%，P=0.0036）和NH4+-N（解釋量5.20%，P=0.022）對群落組成影響顯著。速效磷、速效鉀與Sinorhizobium、Microvirga和Actinomadura呈正相關(guān)；干旱指數(shù)和Brevibacterium呈 正 相 關(guān)，與Cellulosimicrobium和Brevundimonas呈 負(fù) 相 關(guān)；有 機 質(zhì)、NO3--N和含水量與Massilia和Streptomyces呈正相關(guān)（圖7）。

對于自生固氮微生物，環(huán)境因子在第一軸解釋了其組成總變異的38.69%，在第二軸解釋了4.65%。其中，速效磷（解釋量27.70%，P=0.002）和有機質(zhì)（解釋量9.90%，P=0.012）對群落組成影響顯著。速效磷與Brevibacillus、Staphylococcus和Paenibacillus呈正相關(guān)；有 機質(zhì)與Cohnella呈 正相關(guān)；NH4+-N與Streptomyces呈正相關(guān)，與Pseudomonas呈負(fù)相關(guān)；干旱指數(shù)與Achromobacter和Rhizobium呈正相關(guān)；速效鉀與Sinorhizobium呈正相關(guān)；含水量與Cohnella和Sinorhizobium呈負(fù)相關(guān)（圖7）。

2.6 灌叢和氣候干旱對土壤固氮微生物影響的相對重要性

方差分解分析（VPA）結(jié)果表明，無論是共生還是自生固氮微生物，灌叢的影響都大于氣候干旱對其的影響。隨著土壤深度的增加，氣候干旱對自生固氮微生物的影響降低，灌叢對共生固氮微生物的影響增大，而對自生固氮微生物的影響在0～10 cm土層最大，在10～20 cm土層最?。ū?）。

表3 灌叢和氣候干旱對土壤固氮微生物影響的相對重要性Table 3 The relative effects of shrub canopies and climatic aridity on soil nitrogen-fixing microbial communities（%）

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)，小葉錦雞兒灌叢顯著促進(jìn)了固氮微生物群落物種豐富度和多度，促進(jìn)效應(yīng)隨土層從淺到深而降低，隨氣候干旱度增加而增加（圖1）。

小葉錦雞兒灌叢也改變了群落組成。灌叢的存在引起群落中37.50%～58.33%的固氮微生物屬的多度發(fā)生顯著變化（圖2氣泡圖），群落優(yōu)勢屬和它們的優(yōu)勢地位改變（圖2堆積圖和表1），灌叢內(nèi)、外群落組成相似性很低（圖3和圖4），進(jìn)一步的ANOSIM檢驗證實灌叢顯著影響了固氮微生物的群落組成。以前的研究也發(fā)現(xiàn)豆科灌木蒙古巖黃芪和細(xì)枝巖黃芪能改變土壤共生固氮微生物的群落組成［21］，宿主植物金合歡（Acacia acuminata）使根瘤菌類群具有更高的豐富度［36］。

荒漠草原（干旱區(qū)）灌叢內(nèi)和灌叢外具有顯著差異的屬多于典型草原（半干旱）（圖2氣泡圖），優(yōu)勢屬（包括它們的優(yōu)勢地位）的差異大于典型草原（表1），群落相異性（Jaccard指數(shù)）也大于典型草原（圖4），這都說明干旱加強了灌叢對固氮微生物群落組成的影響。與其他研究者發(fā)現(xiàn)干旱加強仙人掌（Opuntia stricta）根與土壤真菌的關(guān)系相似［37］。

灌叢內(nèi)兩個地帶間固氮微生物的相異性指數(shù)顯著低于灌叢外（圖5），表明灌叢緩解了干旱對固氮微生物群落組成的影響。Ferjani等［38］的研究發(fā)現(xiàn)在不同環(huán)境的干旱壓力下栽培海棗（Phoenix dactylifera），土壤細(xì)菌群落83%菌種的潛在根際服務(wù)功能保持不變，說明植物在維持根際微生物穩(wěn)態(tài)方面有重要作用。

根據(jù)本研究結(jié)果結(jié)合文獻(xiàn)，認(rèn)為灌木通過4個機制影響固氮微生物群落：

第一，灌叢對固氮微生物具有物種選擇性。灌叢對固氮微生物的正選擇性物種比例大于負(fù)選擇性物種比例（表2），即受到灌叢促進(jìn)的物種多于抑制作用物種，這一效應(yīng)導(dǎo)致灌叢內(nèi)物種豐富度和多度大于灌叢外（圖1）。灌叢對26.67%～80.00%的固氮微生物屬具有正的或負(fù)的選擇性，這是導(dǎo)致灌叢內(nèi)外群落組成差異顯著（圖2～4和表1）的主要原因之一?；哪菰墓鄥舱x擇性物種比例大于對應(yīng)的典型草原（表2），這可以解釋荒漠草原灌叢內(nèi)外群落優(yōu)勢屬的差異和群落組成相異性指數(shù)大于典型草原的試驗結(jié)果（表1和圖4）。灌叢正選擇性物種比例0～10 cm最高、負(fù)選擇性物種比例在30～40 cm最高（表2）是灌叢對群落的促進(jìn)作用隨著土層從淺到深衰減的重要因素。關(guān)于灌叢對固氮微生物的物種選擇性，本研究認(rèn)為可能是灌叢產(chǎn)生具有特異性的根系分泌物和凋落物［39］，這些物質(zhì)對一些屬有促進(jìn)效應(yīng)，對另一些屬有抑制效應(yīng)。

第二，灌叢通過改變土壤理化性質(zhì)而影響固氮微生物群落。灌叢的存在改變了土壤理化性質(zhì)，提高了土壤肥力，在灌叢下形成沃島（圖6），促進(jìn)林下草本植物的生長，導(dǎo)致灌叢斑塊內(nèi)具有更高的植物豐富度和多度［23］。高的植物多樣性為固氮微生物提供了食物資源，形成了高的固氮微生物物種豐富度和多度（圖1）。沃島效應(yīng)從淺層土到深層土逐漸降低（圖6），導(dǎo)致灌叢對固氮微生物群落的促進(jìn)效應(yīng)逐漸衰減（圖1）?；哪菰瓍^(qū)的沃島效應(yīng)大于典型草原（圖6），可以解釋促進(jìn)效應(yīng)隨干旱增加而增加的試驗結(jié)果（圖1）。本研究結(jié)果與王磊等［40］的研究結(jié)果相反，其研究發(fā)現(xiàn)長期增施有機肥導(dǎo)致農(nóng)田固氮菌群落多樣性降低，認(rèn)為其原因是養(yǎng)分含量上升增加了固氮微生物與其他土壤微生物的競爭關(guān)系，從而降低了固氮微生物群落的豐富度和多樣性。出現(xiàn)相反結(jié)果的原因可能是研究地點的營養(yǎng)條件不同，本研究地點是半干旱和干旱草地生態(tài)系統(tǒng)，養(yǎng)分含量是影響微生物群落的主要限制因子，灌叢沃島的營養(yǎng)物質(zhì)含量尚未達(dá)到引起土壤微生物激烈競爭的閾值。

灌叢可以通過沃島影響固氮微生物群落組成，例如對土壤肥力有高要求的馬杜拉放線菌屬（Actinomadura）［41］僅存在于灌叢內(nèi)（圖2）。灌叢通過速效磷、有機質(zhì)、速效鉀和銨態(tài)氮含量對一些菌屬產(chǎn)生了正的或負(fù)的影響（圖7），從而導(dǎo)致群落中37.50%～58.33%的屬發(fā)生顯著變化，優(yōu)勢屬和它們的優(yōu)勢地位發(fā)生變化（圖2和表2），群落組成發(fā)生顯著變化（圖3和圖4）。冗余分析結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，影響共生和自生固氮微生物群落的主要環(huán)境因子均是速效磷（圖7）。已有研究表明雖然氮是植物生長發(fā)育過程中需求量最大的營養(yǎng)元素，但在氮沉降日益增加的背景下，加之豆科植物具有特殊的固氮能力，氮往往不會成為影響植物或微生物的主要限制因子，磷可能成為其關(guān)鍵因子［42］。除此之外，我國內(nèi)蒙古地區(qū)草地普遍缺磷［43］，磷成為限制草原植物和微生物生長的關(guān)鍵因子。Hu等［44］的研究也發(fā)現(xiàn)土壤速效磷是影響固氮菌群的重要因子。本研究冗余分析顯示NH4+-N也顯著影響固氮微生物的群落組成，與一些固氮微生物屬呈正相關(guān)關(guān)系（圖7）。Xu等［19］的研究也得到相似的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)土壤N與刺槐根部土壤固氮微生物主要物種呈顯著正相關(guān)。小葉錦雞兒是豆科灌木，具有固氮能力［45］，提高了灌叢內(nèi)氮素含量，從而促進(jìn)了固氮微生物群落物種豐富度，改變?nèi)郝浣M成。

第三，氣候干旱增強了灌叢對固氮微生物群落的影響。氣候干旱也是影響群落物種豐度、多度（圖1）和群落組成的因素（圖7和表3），當(dāng)氣候干旱和灌叢化同時發(fā)生時，氣候干旱加強了灌叢對固氮微生物群落物種豐度、多度和群落組成的影響（圖1～2和圖4）。其原因是錦雞兒屬灌叢有很強的干旱適應(yīng)性，隨著氣候干旱的增加，錦雞兒灌叢的冠幅增加，生物量增加［46］，沃島效應(yīng)更大（圖6），對土壤固氮微生物的影響也更大。氣候干旱僅在淺層土中（0～20 cm）調(diào)節(jié)灌叢對固氮微生物群落的影響，在深層土壤中無此效應(yīng)（表3），這與土壤對氣候干旱有緩沖作用有關(guān)。

第四，灌叢還通過緩解干旱的作用而影響群落組成。干旱是影響生物群落的主要因素之一，灌叢緩解了干旱對固氮微生物群落組成的影響（圖5），這種效應(yīng)表現(xiàn)在灌叢下植物群落、土壤動物群落和微生物群落［23］。這是因為灌叢的遮蔭保水效應(yīng)［47］和水力提升［7］緩解了干旱脅迫。另外灌叢的根系與固氮微生物形成根瘤、灌叢的沃島對固氮微生物的促進(jìn)效應(yīng)等也能抵消干旱的負(fù)效應(yīng)。所以，在干旱環(huán)境中，錦雞兒屬灌木作為生態(tài)工程師，在維持群落穩(wěn)定中起重要作用。

研究表明灌叢對微生物群落的影響遠(yuǎn)大于氣候干旱［48］，也有研究發(fā)現(xiàn)灌叢和氣候干旱對微生物群落組成有比較接近的影響［23］。本研究發(fā)現(xiàn)灌叢對固氮微生物群落的影響大于氣候干旱對其的影響，隨著土壤深度的增加，氣候干旱對固氮微生物的影響相對重要性降低。其原因是：1）灌叢對固氮微生物群落的影響是上述多個因素的綜合效應(yīng)，其作用大于干旱的單一效應(yīng)；2）灌叢可以緩解干旱的影響；3）土壤對氣候干旱有緩沖作用，土層越深，氣候干旱脅迫越小。

4 結(jié)論

小葉錦雞兒灌叢不僅增加了固氮微生物群落的物種豐富度和多度，而且改變了群落組成，這種效應(yīng)隨著土層深度增加而衰減，隨著干旱脅迫增加而加強。其作用機理是：1）灌叢對固氮微生物具有物種選擇性；2）灌叢通過沃島效應(yīng)影響固氮微生物群落；3）氣候干旱增強了灌叢對固氮微生物群落的影響；4）灌叢緩解了干旱對固氮微生物群落的影響。