黃河源區(qū)季節(jié)性湖泊濕地退化對(duì)土壤微生物碳源利用的影響

段 鵬，姚步青，趙之重,3*，韋鎔宜，張永超，秦文萍, 王 婷

(1.青海大學(xué)，青海 西寧 810016；2.中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所，青海 西寧 810008；3.青海民族大學(xué)，青海 西寧 810007；4.青海省畜牧獸醫(yī)科學(xué)院，青海 西寧 810016)

季節(jié)性湖泊濕地屬于湖泊濕地的二級(jí)分類濕地，由面積較小的(1 km2)季節(jié)性積水的湖沼組成，是青藏高原高寒濕地的重要組成部分[1]，對(duì)我國(guó)的生態(tài)安全具有非常重要的保護(hù)作用[2]。但由于全球變暖與人類不合理放牧，青藏高原高寒濕地不斷發(fā)生退化[3]。高寒濕地退化是以水分流失為驅(qū)動(dòng)的演替過程，其退化過程為從高寒濕地到沼澤化草甸，再到退化草甸，最后退化為“黑土灘”[4-5]。濕地退化過程中濕地面積減少，濕地呈斑塊化分離，濕地植物群落組成發(fā)生退化，土壤物理結(jié)構(gòu)遭受破壞，土壤養(yǎng)分大量流失[6]。生境的改變會(huì)引起土壤微生物對(duì)碳源利用能力的變化[7-8]，而微生物對(duì)碳源的利用能力可以作為土壤質(zhì)量和土壤肥力變化的重要指標(biāo)[9]。因此研究濕地退化對(duì)土壤微生物碳源利用的影響以及土壤微生物碳源利用能力與不同環(huán)境因子的關(guān)系，對(duì)于濕地退化研究具有重要意義。

土壤微生物作為濕地土壤的重要組成部分，在維持濕地土壤生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)穩(wěn)定等方面起著重要作用[10]。濕地土壤微生物是由多種類微生物組成的結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜的微生物群落[11-12]，土壤微生物碳源利用受到土壤微生物群系結(jié)構(gòu)、種類、固有性質(zhì)的影響[13]。土壤微生物對(duì)不同類型碳源的利用不僅會(huì)影響土壤微生物活性還會(huì)影響其功能多樣性，微生物對(duì)碳源的利用能力以及微生物功能多樣性作為關(guān)鍵性土壤微生物生態(tài)指標(biāo)，可以敏感地反映出土壤質(zhì)量和健康狀況[14-16]，對(duì)探索濕地退化對(duì)土壤微生物群落的影響，了解濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能具有重要意義[17-18]。李慧等人[19]對(duì)草原的土壤微生物群落特征研究發(fā)現(xiàn)，不同根系微生物對(duì)碳源的利用能力有差異，該差異主要受微生物對(duì)氨基酸類和碳水化合物類碳源利用變化的影響。翁曉紅等人[20]對(duì)三江平原小葉章濕地研究發(fā)現(xiàn)，小葉章濕地土壤微生物對(duì)胺類碳源的相對(duì)利用率最高。段鵬等人[21]通過對(duì)高寒河流濕地退化研究發(fā)現(xiàn)，隨著高寒濕地的退化，其土壤微生物對(duì)碳源的利用強(qiáng)度下降，其中對(duì)脂類碳源的相對(duì)利用率最高，脂類碳源為優(yōu)勢(shì)碳源。因此，研究季節(jié)性湖泊濕地退化過程中，土壤微生物群落功能多樣性和微生物對(duì)各類碳源利用情況的變化，可以了解不同退化階段土壤微生物群落碳源利用的差異及其與各環(huán)境因子間的關(guān)系，為調(diào)控季節(jié)性湖泊濕地微生物群落結(jié)構(gòu)和功能提供理論依據(jù)[22]。黃河源區(qū)地處中國(guó)青海省三江源自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，屬于內(nèi)陸高寒濕地，其濕地資源對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境、氣候變化、水質(zhì)凈化以及下游水系水質(zhì)具有重要影響[21]。但有關(guān)黃河源區(qū)季節(jié)性湖泊濕地退化對(duì)土壤微生物碳源利用的影響以及不同環(huán)境因子和土壤微生物碳源利用的關(guān)系等方面仍不明確。

Biolog微平板分析法作為一種操作簡(jiǎn)單快捷，并能準(zhǔn)確地獲取微生物群落碳源利用和結(jié)構(gòu)與功能多樣性等相關(guān)信息的研究方法，可以分析土壤微生物對(duì)不同碳源的利用能力和土壤微生物多樣性變化規(guī)律[23-24]，已被廣泛應(yīng)用于土壤生態(tài)系統(tǒng)研究。因此，本研究以黃河源區(qū)退化季節(jié)性湖泊濕地為研究對(duì)象，采用空間代替時(shí)間的方法，利用Biolog-Eco法研究季節(jié)性湖泊濕地不同退化階段土壤微生物結(jié)構(gòu)與功能多樣性以及土壤微生物碳源利用情況，解析季節(jié)性湖泊濕地退化對(duì)土壤微生物功能多樣性、土壤微生物群系結(jié)構(gòu)和土壤微生物碳源利用的影響，以期揭示季節(jié)性湖泊濕地過程中土壤微生物群落碳源利用差異及其與各環(huán)境因子的關(guān)系，為黃河源的季節(jié)性湖泊濕地退化監(jiān)測(cè)和近自然修復(fù)提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)自然概況

試驗(yàn)區(qū)(33°50′～35°40′N，96°55～99°20′E)位于中國(guó)青海省三江源自然保護(hù)區(qū)內(nèi)[21]，地處果洛州瑪多縣境內(nèi)，屬高寒草原氣候，平均海拔4 400 m以上，晝夜溫差與年溫差較大[25]，除植被生長(zhǎng)季以外，各月平均溫度處于0℃以下。有一條河流自北向南流過試驗(yàn)區(qū)，并在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)形成由湖泊濕地組成的濕地核心區(qū)[21]，核心區(qū)的湖泊濕地主要是由面積較小(<1 km2)，且在雨季能得到部分水源補(bǔ)充的季節(jié)性湖沼組成的。

1.2 樣點(diǎn)布設(shè)及采樣概況

2018年5月份，在實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)，采用空間代替時(shí)間的方法，根據(jù)水分梯度和植被群落變化特征，以核心區(qū)的季節(jié)性湖泊為中心向外圍出發(fā)，垂直距離湖泊濕地由近及遠(yuǎn)，設(shè)置3條重復(fù)樣線。參考李飛[26]、李成一[27]、李希來[4]和林春英[3]等人對(duì)季節(jié)性湖泊濕地退化的劃分，從湖泊濕地中心向外圍延展將退化季節(jié)性湖泊濕地劃分為4個(gè)階段，且第4階段為非濕地景觀，并采用Gao等方法和高寒沼澤濕地退化等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(DB 63/T 1794-2020)中對(duì)濕地退化的劃分[21,28-29]，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)樣地的實(shí)際地形及環(huán)境狀況，每條重復(fù)線上設(shè)立4個(gè)退化樣點(diǎn)，將季節(jié)性湖泊濕地退化人為分為未退化濕地(濕地)、輕度退化濕地(沼澤化草甸)、中度退化濕地(退化草甸)、重度退化濕(退化草原)。

2018年8月份對(duì)所劃分的季節(jié)性湖泊濕地不同退化階段，采用0.5 m×0.5 m樣方框進(jìn)行植被群落取樣，測(cè)定植被高度、蓋度和生物量，并進(jìn)行三次重復(fù)測(cè)量。測(cè)定土壤濕度并使用土鉆(直徑5 cm)采樣不同退化階段0～10 cm土層的土壤，每個(gè)退化階段區(qū)域內(nèi)隨機(jī)選取5個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣，每個(gè)樣點(diǎn)隨機(jī)采集3鉆土壤[21]，并將3鉆土合并為一個(gè)土壤樣品[21]，去除植被根系和碎石，土壤樣品及時(shí)送回實(shí)驗(yàn)室4℃保存。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1植被處理 采用目測(cè)法對(duì)每個(gè)樣方框內(nèi)的植被進(jìn)行覆蓋度測(cè)定，將樣方框內(nèi)植被地上部分齊根剪下，使用烘干箱進(jìn)行烘干處理(65℃，48 h)，計(jì)算植被地上生物量[21]。使用根鉆采集0～10 cm土層中的植被根系，去除雜草、泥土和碎石等，清洗烘干(65℃，48 h)，計(jì)算植被地下生物量。

1.3.2土壤處理 運(yùn)用重鉻酸鉀-內(nèi)稀釋熱法對(duì)土壤有機(jī)碳測(cè)定，使用流動(dòng)注射分析儀(SEAL Auto Analys-er 3，德國(guó))對(duì)土壤全氮、全磷含量進(jìn)行測(cè)定，采用Top Cloud-agri WET速測(cè)儀對(duì)土壤含水量和電導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)定[21]。

1.3.3土壤微生物功能多樣性測(cè)定 Biolog微平板分析法作為一種研究微生物群落功能多樣性的常用方法，其主要通過分析土壤微生物對(duì)各類碳源的代謝功能，進(jìn)而獲得土壤微生物群落對(duì)碳源的代謝能力等相關(guān)數(shù)據(jù)[30]，Biolog-Eco微平板為標(biāo)準(zhǔn)的96孔板，板內(nèi)包含3組重復(fù)，每組中包含31個(gè)含有不同單一碳源的培養(yǎng)基孔和1個(gè)空白對(duì)照孔[21]。土壤微生物功能多樣性測(cè)定的具體實(shí)驗(yàn)過程：稱取10 g鮮土和90 mL 0.85%無菌NaCl溶液倒入錐形瓶中，150 r·min-1條件下震蕩30 min，后靜置20 min。用移液槍吸取150 μL的釋至10-3的土壤懸浮液接種到Biolog-Eco板中[29]，置于25℃恒溫培養(yǎng)箱連續(xù)培養(yǎng)240 h，并使用酶標(biāo)儀在590 nm條件下每24 h測(cè)定各孔吸光值[21]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

公式計(jì)算如下[21,31]：

AWCD=[∑(C-R)]÷N

(1)

公式中AWCD為土壤微生物平均顏色變化率(Average well color development)，C為單一碳源孔的吸光值，R為對(duì)照孔的吸光值，N為所分析的碳源數(shù)量[21,32]。

(2)

公式中U為土壤微生物Mclntosh指數(shù)，ni為第i孔的相對(duì)吸光值[21]。

H′=-∑PilnPi

(3)

公式中H′為土壤微生物Shannon-wiener物種豐富度指數(shù)，Pi為第i個(gè)孔的相對(duì)吸光值/所有孔的相對(duì)吸光值之和[21]。

碳源相對(duì)利用率=恒溫培養(yǎng)168 h下的某一類型碳源AWCD之和/31種碳源的AWCD值之和×100%。Biolog生態(tài)板中的31種碳源根據(jù)其化學(xué)基團(tuán)的性質(zhì)的不同大體分為六大類：?jiǎn)翁?糖苷/聚合物類、醇類、氨基酸類、酯類、胺類和酸類[33]。

樣地基本數(shù)據(jù)采用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用SigmaPlot分析成圖，采用Origin進(jìn)行主成分和冗余分析，運(yùn)用SPSS進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)[21]，利用Pearson進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同退化階段植被及土壤特征

季節(jié)性湖泊濕地退化過程中植被基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1，隨季節(jié)性湖泊濕地退化加重，其植被蓋度、地上生物量和地下生物量顯著下降(P<0.05)。重度退化濕地與未退化濕地相比，植被蓋度下降了33.33%，地上生物量下降了82.82%，地下生物量下降了85.16%。

表1 不同退化階段植被基本群落特征的變化

季節(jié)性湖泊濕地退化過程中土壤基本理化性質(zhì)見表2，季節(jié)性湖泊濕地退化過程中，其土壤全氮、全磷含量和含水量均呈先升高后下降趨勢(shì)，且變化顯著(P<0.05)，而土壤電導(dǎo)率顯著降低(P<0.05)。重度退化濕地與未退化濕地相比，土壤全氮含量下降了45.61%、全磷下降了15.00%、有機(jī)碳含量下降了23.29%，含水量下降了42.23%。

表2 不同退化階段土壤理化性質(zhì)變化

2.2 不同退化階段土壤微生物群落碳源利用總體特征

土壤微生物群落AWCD值可以反映土壤微生物群落的活性和土壤微生物群落的碳源利用強(qiáng)度[34-36]。季節(jié)性湖泊濕地不同退化階段的AWCD值如圖1所示。由圖1A可知，在培養(yǎng)過程中，0～24 h土壤微生物AWCD值變化較小，24～96 h土壤微生物AWCD值迅速增長(zhǎng)，168 h后土壤微生物的AWCD值逐漸穩(wěn)定。因此本研究通過對(duì)168 h培養(yǎng)時(shí)間下季節(jié)性湖泊濕地各退化階段的AWCD值進(jìn)行分析。由圖1B可知，隨季節(jié)性湖泊濕地退化，土壤微生物活性呈先升高后下降趨勢(shì)，其中輕度退化濕地AWCD值顯著高于其他退化階段(P<0.05)，而重度退化濕地AWCD值顯著低于其他退化階段(P<0.05)。

2.3 不同退化階段土壤土壤微生物多樣性特征

本研究采用Mclntosh指數(shù)、Shannon指數(shù)反映季節(jié)性湖泊濕地退化過程中土壤微生物均勻度和豐富度的變化[8,37]，168 h培養(yǎng)時(shí)間下，季節(jié)性湖泊濕地不同退化階段的土壤微生物均勻度和豐富度的分析結(jié)果如圖2所示。由圖2A可知，季節(jié)性湖泊濕地各退化階段土壤微生物均勻度從24 h培養(yǎng)時(shí)間開始，隨培養(yǎng)時(shí)間的增長(zhǎng)而不斷提高，到168 h增長(zhǎng)減緩趨于平穩(wěn)。由圖2B可知，輕度退化濕地土壤微生物均勻度顯著高于重度退化濕地(P<0.05)，隨季節(jié)性湖泊濕地退化加重，其土壤微生物均勻度整體上呈現(xiàn)先升高后下降趨勢(shì)。由圖2C可知，季節(jié)性湖泊濕地土壤微生物豐富度隨培養(yǎng)時(shí)間增長(zhǎng)無明顯變化。由圖2D可知，輕度退化濕地土壤微生物豐富度顯著高于重度退化濕地(P<0.05)，隨季節(jié)性湖泊濕地退化加重，其土壤微生物豐富度整體上呈現(xiàn)先升高后下降趨勢(shì)。

圖2 季節(jié)性湖泊濕地不同退化階段土壤微生物群落功能多樣性

2.4 不同退化階土壤微生物對(duì)不同類型碳源利用特征

選取AWCD值趨于平穩(wěn)的168 h培養(yǎng)時(shí)間下的季節(jié)性湖泊濕地不同退化階段土壤微生物對(duì)不同碳源的利用能力進(jìn)行分析，如表3所示，季節(jié)性湖泊濕地退化使土壤微生物對(duì)單糖/糖苷/聚合物類、酯類、醇類、胺類碳源的相對(duì)利用率先增加后減少，重度退化濕地與未退化濕地相比，土壤微生物對(duì)單糖/糖苷/聚合物類碳源的相對(duì)利用率下降了93.33%，酯類下降20.00%，醇類下降42.71%，胺類下降36.59%。其中土壤微生物對(duì)酯類碳源的相對(duì)利用率始終高于其它碳源，土壤微生物對(duì)酸類碳源的相對(duì)利用率隨退化的加重而增長(zhǎng)，重度退化濕地微生物對(duì)酸類類碳源的相對(duì)利用率與未退化濕地相比增加了32.69%。隨季節(jié)性湖泊濕地退化的加重，土壤微生物對(duì)單糖/糖苷/聚合物類碳源的相對(duì)利用率變化趨勢(shì)與土壤生物群落碳源利用總體特征的變化趨勢(shì)相似，均呈現(xiàn)先升高后下降趨勢(shì)。

表3 季節(jié)性湖泊濕地不同退化階段土壤微生物對(duì)各類碳源的利用情況

2.5 退化濕地土壤微生物群落主成分分析

選取AWCD值趨于平穩(wěn)的168 h培養(yǎng)時(shí)間下季節(jié)性湖泊濕地不同退化階段土壤微生物對(duì)不同碳源的利用率進(jìn)行主成分分析，提取了2個(gè)主成分，第一主成分(PC1)為51.5%，第二主成分(PC2)為23.9%，選取第一、二主成分作圖來表征不同退化階段土壤微生物對(duì)六大類碳源的利用狀況，各退化階段之間距離大小可以表示其土壤微生物對(duì)六大碳源的利用狀況的相似度，距離越小其利用狀況的相似度越高。如圖3所示，未退化階段和輕度退化階段分布在一個(gè)區(qū)域，離散性較小，中度退化階段和重度退化階段分布在一個(gè)區(qū)域，離散性較小，但兩組間分布在不同區(qū)域，離散性較大，表明未退化濕地和輕度退化濕地土壤微生物對(duì)碳源的利用狀況相近，中度退化濕地和重度退化濕地土壤微生物對(duì)碳源的利用狀況相近，但未退化濕地和輕度退化濕地與中度退化濕地和重度退化濕地土壤微生物對(duì)碳源的利用狀況差距較大。

圖3 不同退化階段土壤微生物對(duì)不同碳源利用主成分分析

2.6 退化濕地土壤微生物對(duì)碳源利用與環(huán)境因子之間的冗余分析

為進(jìn)一步了解不同退化階段土壤微生物群落對(duì)各類碳源的利用情況與環(huán)境因子的關(guān)系，本研究對(duì)土壤微生物AWCD和其相應(yīng)的基本植被與土壤理化數(shù)據(jù)進(jìn)行冗余分析。首先對(duì)各環(huán)境因子進(jìn)行了方差膨脹因子分析(表4)，分析結(jié)果表明各環(huán)境因子之間具有較高的相關(guān)性，根據(jù)分析結(jié)果剔除方差膨脹因子較高的土壤含水量、植被地上生物量和地下生物量等環(huán)境因子。重新進(jìn)行共線性檢測(cè)，共線性檢測(cè)結(jié)果見表5，各環(huán)境因子的方差膨脹因子小于10，平均方差膨脹因子小于5。已有研究表明，膨脹因子大于10的環(huán)境因子不進(jìn)入RDA分析[38-39]，因此土壤含水量、植被地上生物量和地下生物量環(huán)境因子不進(jìn)入冗余分析。分析結(jié)果如圖4所示，1軸和2軸的解釋變量特征值分別為83.09%和11.74%，說明季節(jié)性湖泊濕地退化過程中的基礎(chǔ)土壤和植被指標(biāo)對(duì)土壤微生物碳源利用類型影響較大。土壤全氮含量和植被蓋度與土壤微生物對(duì)糖類和醇類碳源的利用率呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。但根據(jù)土壤微生物對(duì)各類碳源的利用情況與環(huán)境因子之間的相關(guān)系分析可知(表6)，土壤含水量與糖類、酯類、醇類和胺類碳源的利用有顯著相關(guān)性。通過各環(huán)境因子之間的相關(guān)性分析可知(表7)，含水量與全氮含量、全磷含量、電導(dǎo)率和植被蓋度顯著正相關(guān)。

表4 多重共線性檢驗(yàn)結(jié)果

表5 多重共線性檢驗(yàn)結(jié)果

表6 環(huán)境因子之間的相關(guān)性

表7 土壤微生物對(duì)各類碳源的利用情況與環(huán)境因子之間的相關(guān)系分析

圖4 不同退化階段土壤微生物對(duì)碳源利用和環(huán)境因子的冗余分析

2.7 退化濕地土壤微生物群落特征與環(huán)境因子之間的相關(guān)性分析

黃河源區(qū)季節(jié)性湖泊濕地退化過程中各環(huán)境因子對(duì)土壤微生物功能多樣性的影響見表8，土壤全氮含量、土壤含水量和植物蓋度與土壤微生物AWCD值和土壤微生物均勻度呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，土壤全氮、全磷含量和土壤含水量與土壤微生物豐富度呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。

表8 平均顏色變化率、均勻度、豐富度與環(huán)境因子之間的相關(guān)性分析

2.8 退化濕地土壤微生物群落特征與其對(duì)碳源利用情況相關(guān)性分析

黃河源區(qū)季節(jié)性湖泊濕地退化過程中，土壤微生物利用各類碳源的能力對(duì)其功能多樣性的影響見表9，在季節(jié)性湖泊濕地退化過程中，土壤微生物對(duì)單糖/糖苷/聚合物類和醇類碳源的利用與土壤微生物AWCD值、土壤微生物均勻度和土壤微生物豐富度顯著正相關(guān)(P<0.05)。且土壤微生物對(duì)單糖/糖苷/聚合物類碳源的利用與土壤微生物功能多樣性具有極顯著的相關(guān)性(P<0.01)。即不同退化階段微生物功能多樣性差異主要體現(xiàn)在對(duì)單糖/糖苷/聚合物類碳源和醇類碳源的利用上，其中土壤微生物對(duì)單糖/糖苷/聚合物類碳源的利用能力尤為突出。

表9 平均顏色變化率、均勻度、豐富度與土壤微生物對(duì)碳源利用之間的相關(guān)性分析

2.9 不同退化階段土壤微生物代謝指紋數(shù)據(jù)聚類分析

1991年，代謝指紋技術(shù)首次被應(yīng)用于微生物群落分析，微生物代謝指紋可以通過分析土壤微生物群系的特性，有效地區(qū)分不同退化程度的土壤微生物群系在時(shí)間和空間的變化以及相似度的關(guān)系。聚類分析圖譜可以直觀顯示出各退化階段土壤微生物對(duì)不同種類碳源的利用情況，并將利用狀況相似的樣點(diǎn)聚為一類[8]。

由于168 h培養(yǎng)時(shí)間下微生物AWCD值趨于平穩(wěn)，因此將接種土壤懸液的Biolog-Eco板168 h培養(yǎng)時(shí)間下的數(shù)值做聚類分析，并形成樹狀圖。由圖5可知，當(dāng)聚合水平大于10時(shí)將季節(jié)性湖泊濕地不同退化程度的土壤分為兩類。第一類包括未退化濕地、輕度退化濕地和中度退化濕地，第二類包括重度退化濕地。重度退化濕地與未退化濕地、輕度退化濕地和中度退化濕地較長(zhǎng)的距離尺度相聚，說明重度退化濕地微生物群系結(jié)構(gòu)與其他退化階段相比產(chǎn)生明顯改變。

圖5 季節(jié)性湖泊濕地不同退化階段土壤微生物群系代謝指紋聚類分析圖譜

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)，在黃河源區(qū)季節(jié)性湖泊濕地退化過程中，隨著植被蓋度、生物量、土壤全氮含量、全磷含量、有機(jī)碳含量和含水量的顯著下降(P<0.05)，土壤微生物對(duì)碳源利用的強(qiáng)度以及微生物群落功能多樣性發(fā)生改變，其土壤微生物對(duì)碳源的利用能力以及活性整體呈下降趨勢(shì)。這與劉燕等[32]對(duì)黃河源區(qū)黑土灘退化的研究結(jié)果相近，說明濕地退化過程中土壤微生物對(duì)碳源的利用能力等特征受多環(huán)境因子的影響。對(duì)濕地不同退化階段的土壤微生物對(duì)碳源的利用能力與環(huán)境因子相關(guān)性分析可知，植被蓋度和土壤含水量與土壤微生物對(duì)碳源的利用能力呈顯著正相關(guān)關(guān)系，其主要原因是植被蓋度下降導(dǎo)致土壤呼吸增強(qiáng)、土壤含水量下降[40]，從而影響土壤微生物的碳源代謝[41]。已有文獻(xiàn)表明，土壤水分下降，土壤物理結(jié)構(gòu)受到破壞，在風(fēng)蝕的影響下土壤大團(tuán)聚體被破壞，大量有機(jī)碳流失與分解[42-44]，土壤有機(jī)碳作為土壤微生物可利用的碳源[45]，其流失影響土壤微生物對(duì)碳源的利用。李飛等[26]對(duì)土壤微生物碳代謝功能多樣性影響的研究中也發(fā)現(xiàn)濕地全氮含量、全氮/全磷、含水量和植被蓋度可以顯著影響微生物活性和其碳源代謝。已有研究表明，土壤微生物的豐富度受到土壤養(yǎng)分、含水量、容重和植物蓋度等因素的影響[46]，但本研究發(fā)現(xiàn)黃河源區(qū)季節(jié)性湖泊濕地退化過程中，植被蓋度對(duì)其土壤微生物豐富度沒有顯著影響，這可能是由于植被類型和數(shù)量的不同導(dǎo)致的，微生物群落豐富度受植被群落物種和數(shù)量的共同影響[47]，因此退化高寒濕地植被群落結(jié)構(gòu)對(duì)微生物功能多樣性的影響有待進(jìn)一步研究。

由主成分分析結(jié)果可看出，不同退化階段的土壤微生物在對(duì)各類碳源的利用上出現(xiàn)明顯差異，可見濕地退化改變了土壤微生物群落對(duì)碳源的代謝能力(圖3)。季節(jié)性湖泊濕地退化過程中，土壤微生物對(duì)酯類碳源的相對(duì)利用率最高，酯類碳源為優(yōu)勢(shì)碳源，土壤微生物對(duì)單糖/糖苷/聚合物類碳源利用率的變化與土壤微生物活性的變化相似，均呈現(xiàn)先升高后下降趨勢(shì)。糖類碳源極易被微生物同化，可以形成碳源比較豐富的環(huán)境[48]，說明季節(jié)性湖泊濕地退化抑制了土壤中的糖類形成，不利于微生物生長(zhǎng)繁殖，從而降低了土壤微生物活性及多樣性。土壤微生物對(duì)酸類碳源的相對(duì)利用率隨季節(jié)性湖泊濕地退化的加劇而增長(zhǎng)，引起此變化的原因可能是在未退化階段土壤中存在某些土壤微生物可以代謝產(chǎn)生酸類物質(zhì)，其代謝產(chǎn)生的酸類物質(zhì)可以供微生物利用[49]，但隨著季節(jié)性湖泊濕地退化該類微生物數(shù)量減少，因此土壤微生物對(duì)酸類碳源的相對(duì)利用率增加。本研究根據(jù)環(huán)境因子的共線性檢測(cè)結(jié)果，在環(huán)境因子和土壤微生物利用各類碳源的能力的冗余分析中去除了土壤含水量、植被地上生物量和地下生物量等環(huán)境因子。但根據(jù)環(huán)境因子間相關(guān)性分析和土壤微生物對(duì)各類碳源的利用情況與環(huán)境因子之間的相關(guān)系分析結(jié)果，本研究推測(cè)土壤含水量可能是通過影響全氮含量、全磷含量、電導(dǎo)率和植被蓋度等環(huán)境因子進(jìn)而對(duì)土壤微生物碳源的利用產(chǎn)生影響。

環(huán)境因子與微生物碳源利用的冗余分析結(jié)果與土壤微生物AWCD，U，H′值與環(huán)境因子之間的相關(guān)性分析結(jié)果對(duì)比可知，土壤全氮含量和植被蓋度對(duì)土壤微生物利用各類碳源的能力具有顯著性影響(P<0.05)，其中土壤微生物對(duì)單糖/糖苷/聚合物類碳源的相對(duì)利用率受各環(huán)境因子影響最大，并且影響土壤微生物對(duì)單糖/糖苷/聚合物類碳源的相對(duì)利用率的環(huán)境因子與影響土壤微生物活性的環(huán)境因子相同。而姚玉嬌等人[50]通過對(duì)高寒草甸退化研究發(fā)現(xiàn)，其土壤微生物對(duì)碳源的利用主要受土壤有機(jī)質(zhì)含量和電導(dǎo)率等影響。通過對(duì)AWCD，U，H′與土壤微生物利用不同碳源能力之間的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，在季節(jié)性湖泊濕地退化過程中，土壤微生物群落代謝功能多樣性變化主要受土壤微生物對(duì)單糖/糖苷/聚合物類碳源和醇類利用率變化的影響。而劉燕等人[33]對(duì)退化草地的土壤微生物群落特征研究發(fā)現(xiàn)，隨著退化加劇，微生物對(duì)不同碳源的利用產(chǎn)生差異，差異主要表現(xiàn)在對(duì)酸類、氨基酸類和酯類的利用。金裕華等人[51]通過對(duì)不同海拔的武夷山研究發(fā)現(xiàn)，武夷山不同海拔高度土壤微生物群落對(duì)各種碳源的利用度有所不同。因此，推斷不同生態(tài)系統(tǒng)由于其生境的不同，導(dǎo)致其土壤微生物群系結(jié)構(gòu)不同，從而使土壤微生物對(duì)各類碳源的利用能力產(chǎn)生差異，影響了微生物群落功能多樣性。本研究推測(cè)各環(huán)境因子主要通過影響土壤微生物對(duì)單糖/糖苷/聚合物類碳源的利用，進(jìn)而影響土壤微生物活性。本研究中選取的環(huán)境因子為基礎(chǔ)的植被群落特征指標(biāo)和土壤理化指標(biāo)，因此，未來還需增加環(huán)境因子的類型，并結(jié)合高通量測(cè)序技術(shù)、宏基因組技術(shù)等多技術(shù)手段深入探討季節(jié)性湖泊濕地退化過程中，土壤微生物對(duì)碳源的利用與土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的關(guān)系，從而進(jìn)一步揭示季節(jié)性湖泊濕地退化過程中各環(huán)境因子對(duì)土壤微生物碳源利用的影響。

4 結(jié)論

在黃河源區(qū)季節(jié)性湖泊濕地退化過程中，土壤微生物對(duì)碳源的利用存在明顯的空間分異，土壤微生物對(duì)酯類碳源的相對(duì)利用率始終最高，對(duì)酸類碳源的相對(duì)利用率呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，對(duì)單糖/糖苷/聚合物類碳源的相對(duì)利用率變化與土壤微生物碳源代謝強(qiáng)度和功能多樣性變化相似，均呈現(xiàn)先升高后下降趨勢(shì)。不同退化階段土壤微生物功能多樣性的差異主要受微生物對(duì)單糖/糖苷/聚合物類和醇類碳源的相對(duì)利用率變化的影響。土壤全氮含量、含水量和植被蓋度對(duì)微生物單糖/糖苷/聚合物類碳源的相對(duì)利用和土壤微生物活性均有顯著影響。