植被類型對(duì)露天礦復(fù)墾土壤微生物固碳潛力及路徑的影響

尤云楠,朱燕峰,陳 浮,①,程彥郡,董文雪,馬 靜

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦山生態(tài)修復(fù)教育部工程研究中心,江蘇 徐州 221116;2.河海大學(xué)公共管理學(xué)院,江蘇 南京 210098;3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

露天采礦是人類破壞地表生態(tài)系統(tǒng)最劇烈的活動(dòng),嚴(yán)重改變地表形態(tài),損毀植被和景觀,惡化土壤環(huán)境,對(duì)土壤微生物生存產(chǎn)生極不利的影響[1-2]。采礦擾動(dòng)破壞了黃土高原脆弱生態(tài)環(huán)境,加劇了水土流失和植被退化,改變了地球生物化學(xué)和碳循環(huán)過程,降低了植被-土壤碳匯功能,增加了全球氣候風(fēng)險(xiǎn)[3-4]。黃土高原是全球最重要的煤炭產(chǎn)區(qū),長(zhǎng)期開采形成的采煤跡地面積約450萬hm2,已成為國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)的重中之重[5]。但如此大規(guī)模的修復(fù)如果純粹依靠工程修復(fù),人力物力投入過巨,基于自然的解決方案是必由之路。充分調(diào)控植被、土壤和微生物間互作機(jī)制,激發(fā)退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)力,不僅可促進(jìn)脆弱礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的恢復(fù),還能夠發(fā)揮復(fù)墾場(chǎng)地巨大的固碳潛力,對(duì)恢復(fù)黃土高原生態(tài)和緩解氣候變化具有重要意義。

土壤是最大的陸地碳庫(kù),土地利用變化改變了土壤碳積累率和周轉(zhuǎn)率、土壤侵蝕以及植被生物量,對(duì)全球碳循環(huán)產(chǎn)生重大影響[6-8]。健康的土壤具有穩(wěn)定的生態(tài)功能,可以減少碳排放,有效地緩解氣候變化[9]。然而,露天礦山植被幾乎被完全破壞,改變了生物地球化學(xué)循環(huán),干擾了植被、土壤和微生物之間互作機(jī)制,降低了土壤環(huán)境穩(wěn)定性。植被恢復(fù)是礦山生態(tài)健康的標(biāo)志,不僅改善礦區(qū)自然景觀,還可以促進(jìn)土壤及微生物功能發(fā)育,增加碳固持能力。植被固碳作用雖廣為人知,但對(duì)微生物固碳的理解仍很不充分[10-11],目前已知的微生物固碳途徑主要有卡爾文循環(huán)、還原三羧酸循環(huán)和3-羥基丙酸雙循環(huán)等6種[12]。以往土壤碳固持研究多集中于農(nóng)田、森林和草原等單一生態(tài)系統(tǒng)[13-15]。例如,草地土壤的高碳儲(chǔ)存率與地上、地下生物量以及物種豐富度有密切關(guān)系[16];不同植被的凋落物和根際環(huán)境影響酶的分泌,從而導(dǎo)致土壤微生物多樣性和生理生化過程的差異[11];多樣化的植被類型尤其是豆科植物可以大大提高退化和廢棄農(nóng)田的碳固持能力。但對(duì)高強(qiáng)度人為擾動(dòng)引發(fā)的受損礦山生態(tài)系統(tǒng)關(guān)注極少[17],植被恢復(fù)及不同組合如何影響微生物群落變化?微生物固碳的潛力、差異和作用機(jī)制是什么?這些問題限制著“基于自然的解決方案”理念在受損礦山生態(tài)修復(fù)的大規(guī)模推廣和全面應(yīng)用。

近20年黃土高原礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)倍受重視,但受立地條件限制,一些礦山生態(tài)恢復(fù)效果差,究其根源主要是缺少植被和土壤的協(xié)同恢復(fù)。當(dāng)前工程修復(fù)過分強(qiáng)調(diào)景觀效應(yīng),經(jīng)常引種一些高大非本土的景觀樹種,植被生長(zhǎng)對(duì)水分、養(yǎng)分的需求大大超過復(fù)墾土壤及微生物的自維持能力。因此,厘清不同植被組合對(duì)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與功能的影響,挖掘固碳潛力及其路徑,對(duì)“基于自然的解決方案”的黃土高原礦區(qū)生態(tài)修復(fù)顯得尤為重要。為此,選擇黑岱溝露天礦北排土場(chǎng)復(fù)墾區(qū)為研究對(duì)象,利用高通量測(cè)序技術(shù)和實(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù)檢測(cè)復(fù)墾土壤細(xì)菌群落及固碳功能基因豐度[18],探究油松(YS)、油松+楊樹(DYS)和油松+楊樹+苜蓿(DYX)等不同植被類型對(duì)土壤理化性質(zhì)、細(xì)菌群落及固碳功能基因的影響,為“基于自然的解決方案”的黃土高原受損礦山生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

選擇內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗黑岱溝露天礦北排土場(chǎng)為研究區(qū),地理坐標(biāo)為39°43′ N～39°49′ N、111°10′ E～111°25′ E。該區(qū)域?qū)儆诘湫蜏貛О敫珊荡箨懶詺夂騾^(qū),年均氣溫為6.2～7.2 ℃,年均降水量為391.6 mm,多集中于7—9月,年蒸發(fā)量為1 824.9～2 896.1 mm。該排土場(chǎng)為典型黃土丘陵溝壑區(qū),占地面積為512.0 hm2,平均海拔為1 260.0 m。其中,北排土場(chǎng)于1992年開始復(fù)墾,占地面積為210.0 hm2,按平臺(tái)-邊坡相間形式分3層21個(gè)種植區(qū),每層高度差為30.0 m,下層海拔為1 215.0 m。主要種植有油松、刺槐、楊樹、丁香、伏地柏、楊樹+伏地柏、油松+楊樹、油松+楊樹+紫花苜蓿、檸條、沙棘、楊樹+沙棘、山杏、油松+山杏、紫花苜蓿+長(zhǎng)茅草等多種植物或組合。

1.2 樣品采集與分析

2020年7月28日—8月4日對(duì)北排土場(chǎng)復(fù)墾區(qū)展開野外調(diào)查,采集單一油松(針葉林,YS)、油松+楊樹(混交林,DYS)、油松+楊樹+紫花苜蓿(復(fù)合林,DYX)3類典型植被組合區(qū)域土樣。18個(gè)調(diào)查樣方面積為10 m×10 m,先鏟除土壤表層凋落物,在每個(gè)樣方內(nèi)隨機(jī)選擇5個(gè)樣點(diǎn)采集0～10 cm表土各約200 g,混合為1 000 g復(fù)合樣,共18個(gè)復(fù)合樣(圖1)。采集后先過2 mm孔徑篩網(wǎng)去除礫石和動(dòng)植物殘?bào)w,將土樣分成3份裝入無菌袋密封,利用-20 ℃車載冰箱帶回實(shí)驗(yàn)室,其中,一份新鮮土樣貯存于-80 ℃ 冰箱用于微生物信息測(cè)試;一份在室內(nèi)自然風(fēng)干后用于土壤理化性質(zhì)分析;另一份貯存于4 ℃冰箱用于土壤理化性質(zhì)和酶活性測(cè)試。pH值采用電位法〔m(水)∶V(土)=2.5∶1〕測(cè)定(PHC-3C,上海雷磁);土壤體積含水率(WC)采用一體檢測(cè)儀測(cè)定(TR-8D,北京順科達(dá));有機(jī)碳(SOC)含量采用重鉻酸鉀水合氧化法[19]測(cè)定;易氧化有機(jī)碳(EOOC)含量采用高錳酸鉀氧化法測(cè)定;全氮(TN)含量采用半微量凱氏定氮法測(cè)定;銨態(tài)氮(AN)和硝態(tài)氮(NN)含量采用氯化鈣浸提-紫外分光光度法[20]測(cè)定;有效磷(AP)含量釆用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法[20]測(cè)定。

圖1 研究區(qū)及采樣點(diǎn)位置

1.3 固碳功能基因定量檢測(cè)與高通量測(cè)序

土壤總DNA通過E.Z.N.A.?試劑盒(Omega Bio-tek,USA)提取,采用超微量分光光度計(jì)(NanoDrop2000)經(jīng)w=1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)DNA濃度和純度。采用16S rDNA的V3～V4區(qū)標(biāo)準(zhǔn)引物對(duì)338F/806R(5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′/5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)進(jìn)行PCR擴(kuò)增,95 ℃預(yù)變性3 min,95 ℃ 30 s,55 ℃ 30 s, 72 ℃ 45 s,27個(gè)循環(huán),最后72 ℃延伸10 min。通過AxyPrep DNA Gel Extraction Kit進(jìn)行純化,Tris-HCl 洗脫,w=2%瓊脂糖電泳檢測(cè)后回收PCR產(chǎn)物,再通過QuantiFluorTM-ST定量檢測(cè)。采用Illumina MiSeq(Illumina,美國(guó))標(biāo)準(zhǔn)方法利用純化后的擴(kuò)增片段構(gòu)建測(cè)序文庫(kù),再采用美吉Miseq PE300平臺(tái)測(cè)序。測(cè)序工作委托上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司完成。原始測(cè)序序列采用Trimmomatic軟件質(zhì)控,使用FLASH軟件進(jìn)行拼接,數(shù)據(jù)質(zhì)控拼接獲得的優(yōu)化序列中可能還會(huì)存在一些PCR擴(kuò)增錯(cuò)誤和測(cè)序錯(cuò)誤,通過序列降噪方法DADA2對(duì)優(yōu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理,去除優(yōu)化數(shù)據(jù)中存在的PCR擴(kuò)增錯(cuò)誤或測(cè)序錯(cuò)誤,以獲得樣本中擴(kuò)增子序列變體(ASV),基于ASV代表序列信息和豐度信息,采用RDP classifier貝葉斯算法對(duì)ASV代表序列進(jìn)行分類學(xué)分析,獲得ASV在域、界、門、綱、目、科、屬、種分類水平的注釋信息。細(xì)菌16S rRNA原始序列數(shù)據(jù)已保存于NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)中,登記號(hào)為PRJNA725677。

碳固定功能基因采用高通量功能基因芯片(quantitative microbial element cycling,QMEC)進(jìn)行定量檢測(cè)(廣東美格基因科技有限公司,深圳)[21]。根據(jù)MagaBio試劑盒方法提取0.25 g樣品土壤中的DNA,采用Qubit 4.0熒光儀(Thermo Fisher Scientific,USA)檢測(cè)其純度及總量后,稀釋DNA至20 ng·μL-1,將樣品板和引物板試劑分別加到qPCR儀(Takara Biomedical Technology,上海)微孔中擴(kuò)增。所有引物組的qPCR反應(yīng)設(shè)3次重復(fù),1個(gè)對(duì)照。在95 ℃初始酶活化5 min,再進(jìn)行40個(gè)循環(huán)(95 ℃變性0.5 min,58 ℃退火0.5 min,72 ℃延伸0.5 min)。采用Smart Chip實(shí)時(shí)PCR系統(tǒng)執(zhí)行qPCR反應(yīng)及熒光信號(hào)檢測(cè),自動(dòng)生成擴(kuò)增和溶解曲線。采用Canco 5.0計(jì)算得到基因檢出值和擴(kuò)增循環(huán)數(shù),以16S rRNA為參照系進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,得到土壤基因相對(duì)定量數(shù)據(jù),與Roche熒光定量PCR儀檢測(cè)的參照系絕對(duì)定量信息進(jìn)行比較,得到碳固定基因的絕對(duì)定量豐度[21]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

不同處理組土壤理化性質(zhì)、酶活性和碳固定功能基因采用ANOVA分析檢驗(yàn)差異顯著性,采用最小顯著極差法(LSD)進(jìn)行均值多重比較,采用Kruskal-WallisH法檢驗(yàn)細(xì)菌群落屬水平相對(duì)豐度差異顯著性。采用冗余分析(RDA)揭示微生物群落與環(huán)境因子之間的關(guān)系,采用Pearson相關(guān)性分析碳固定功能基因豐度與環(huán)境因子之間的關(guān)系,分析計(jì)算在Majorbio云平臺(tái)(www.majorbio.com)上完成。采用R 4.3.0繪制土壤理化性質(zhì)、酶活性和功能基因豐度等柱狀圖及與環(huán)境因子之間的相關(guān)性熱圖,采用Amos 28.0擬合結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)表示土壤理化性質(zhì)、酶活性和細(xì)菌菌門與功能基因豐度之間的關(guān)系。對(duì)碳固定功能基因豐度進(jìn)行歸一化處理[22],計(jì)算公式為

(1)

式(1)中,xi為第i樣本單個(gè)基因豐度;I和N分別為樣本和基因數(shù)目;x′為碳固定微生物功能類群的歸一化豐度。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理組復(fù)墾土壤理化性質(zhì)的變化

如圖2所示,植被類型對(duì)土壤理化性質(zhì)影響顯著。不同處理組WC隨植被種類增加呈下降趨勢(shì),DYX處理比DYS和YS處理分別下降40%和80%,YS處理與DYS和DYX處理之間呈極顯著差異(P<0.01)。pH值變化趨勢(shì)與WC相似,但下降幅度稍小,DYX處理與YS和DYS處理之間呈顯著差異(P<0.05)。

YS為油松,DYS為油松+楊樹,DYX為油松+楊樹+苜蓿。箱體上、中和下線分別表示上四分位數(shù)、中位數(shù)和下四分位數(shù)。

不同處理組SOC含量隨植被種類增加呈上升趨勢(shì),DYX處理SOC平均含量達(dá)10.8 g·kg-1,比YS處理增加158.0%,3個(gè)處理間呈顯著差異(P<0.05)。TN和NN含量變化趨勢(shì)相似,均隨植被種類增加呈上升趨勢(shì),DYX處理TN和NN含量均值最高,而YS處理TN含量極顯著低于DYS和DYX處理(P<0.01),DYX處理NN含量極顯著高于YS和DYS處理(P<0.01)。3個(gè)處理AN含量無顯著差異。EOOC含量隨植被種類增加呈下降趨勢(shì),DYX處理與YS和DYS處理EOOC含量之間呈顯著差異(P<0.05)。AP含量變化趨勢(shì)與SOC含量幾乎一致,但僅在YS處理與DYX處理之間呈顯著差異(P<0.05)。

2.2 不同處理組復(fù)墾土壤細(xì)菌群落組成和固碳基因豐度變化

如圖3所示,不同植被組合對(duì)土壤細(xì)菌群落組成有一定影響,但并不顯著。3個(gè)處理中相對(duì)豐度排名前9的菌門總相對(duì)豐度占95%以上,優(yōu)勢(shì)菌門(相對(duì)豐度>1%)中的前4位無顯著差異〔圖3(a)〕。放線菌門(Actinobacteriota)相對(duì)豐度最高,YS、DYS和DYX處理分別為38.03%、36.80%和34.20%。變形菌門(Proteobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)和酸桿菌門(Acidobacteria)相對(duì)豐度依次減少。優(yōu)勢(shì)菌門中芽單胞菌門(Gemmatimonadota)、粘球菌門(Myxococcota)和髕骨細(xì)菌門(Patescibacteria)相對(duì)豐度在不同處理組之間呈顯著差異(P<0.05)。不同處理組酸桿菌門中酸桿菌屬(RB41)和變形菌門中鞘氨醇單胞菌屬(Sphingomonas)相對(duì)豐度呈顯著差異(P<0.05)。DYX處理RB41相對(duì)豐度明顯高于其他處理,不同處理組Sphingomonas相對(duì)豐度隨植被種類增加顯著降低(P<0.01)〔圖3(b)〕。

YS為油松,DYS為油松+楊樹,DYX為油松+楊樹+苜蓿。

如圖4所示,隨植被種類增加,不同處理固碳功能基因豐度呈顯著上升趨勢(shì)。其中,rbcL、korA、acsA和acsE基因豐度顯著升高(P<0.05),YS和DYS處理rbcL和korA基因豐度與DYX處理之間存在顯著差異(P<0.001),DYX處理rbcL基因豐度比YS和DYX處理分別增加19.1%和26.2%,DYX處理korA基因豐度比YS和DYS處理均增加約15.0%。不同處理組acsA和acsE基因豐度呈極顯著差異(P<0.001)。其他路徑中pccA、smt和frda基因豐度隨植被種類增加呈上升趨勢(shì),YS、DYS處理與DYX處理之間均呈極顯著差異(P<0.001)。

2.3 土壤碳固定功能基因與環(huán)境因子間相關(guān)關(guān)系

RDA分析〔圖5(a)〕顯示不同處理組細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子之間的關(guān)系,不同處理組之間形成了明顯聚類且各聚類相互分離,表明環(huán)境因子對(duì)群落結(jié)構(gòu)變異的解釋較好。從箭頭長(zhǎng)度〔圖5(a)〕可知,WC、SOC、TN和NN是驅(qū)動(dòng)群落結(jié)構(gòu)變化的主導(dǎo)因子(P<0.01),其中,WC與SOC、TN和NN對(duì)群落結(jié)構(gòu)的作用相反。相關(guān)性熱圖分析〔圖5(b)〕表明,固碳功能基因豐度與SOC、TN、NN和AP呈正相關(guān)關(guān)系,與WC、pH、EOOC和AN呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。其中,rbcL、korA、acsA、acsE、fraA和smtA基因豐度與NN和SOC均呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與pH和WC均呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),差異十分明顯。rbcL、acsA、acsE和smtA基因豐度與TN和AP均呈正相關(guān)關(guān)系且部分顯著(P<0.05),aclB、acsB、accA和cdaR基因與環(huán)境因子之間相關(guān)性不高,但rbcL、korA、acsA、acsE、fraA和smtA基因與環(huán)境因子之間相關(guān)性較強(qiáng)。相對(duì)豐度排名靠前的菌門中僅放線菌門與WC呈顯著正相關(guān)(P<0.05),而排名靠后的粘球菌門和髕骨菌門卻與環(huán)境因子之間呈顯著相關(guān)(P<0.05)。粘球菌門與SOC、TN、NN和AP均呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與WC、pH和EOOC均呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),髕骨菌門則相反。

YS為油松,DYS為油松+楊樹,DYX為油松+楊樹+苜蓿。WC為土壤含水率,SOC為有機(jī)碳,TN為全氮,AN為銨態(tài)氮,NN為硝態(tài)氮,AP為有效磷,EOOC為易氧化有機(jī)碳。

結(jié)構(gòu)方程模型擬合結(jié)果表明,與純油松林(YS)〔圖6(a)〕相比,混交林(DYS)中植被種類增加將直接影響TN含量,再間接影響芽單胞菌門相對(duì)豐度,從而操控固碳功能基因豐度〔圖6(b)〕。復(fù)合林(DYX)中植被種類增加將直接影響SOC含量,再間接影響粘球菌門相對(duì)豐度,從而操控固碳功能基因豐度〔圖6(c)〕。綜合圖6結(jié)果,植被種類增加將直接正向影響TN和SOC含量,并負(fù)向影響WC(P<0.001),TN含量再間接影響芽單胞菌門和粘球菌門相對(duì)豐度,SOC含量再負(fù)向影響芽單胞菌門相對(duì)豐度,WC再負(fù)向影響粘球菌門相對(duì)豐度,從而操控土壤固碳功能基因豐度。最終形成一個(gè)完整的4層遞進(jìn)結(jié)構(gòu)關(guān)系,顯示不同處理組固碳路徑的變化,同時(shí)也表明微生物固碳潛力受群落組成的影響遠(yuǎn)高于環(huán)境因子。

YS為油松,DYS為油松+楊樹,DYX為油松+楊樹+苜蓿。WC為土壤含水率,SOC為有機(jī)碳,TN為全氮。χ2為卡方檢驗(yàn)值,GFI為擬合優(yōu)度指數(shù),AIC為赤池信息量,RMSEA為近似誤差均方根。箭頭上數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)通徑系數(shù),箭頭粗細(xì)表示相關(guān)性高低,粗實(shí)線和粗虛線分別表示正相關(guān)和負(fù)相關(guān),細(xì)實(shí)線和細(xì)虛線表示無顯著差異,R2表示通徑解釋度。*、**和***分別表示各路徑顯著性水平為P<0.05、P<0.01和P<0.001。

3 討論

3.1 不同植被類型對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

研究區(qū)為典型半干旱區(qū),年均降水量少,不同植被組合加劇了植物對(duì)土壤水分的競(jìng)爭(zhēng),可能是由于植物不同根際深度、葉面積和覆蓋度的差異影響植物對(duì)土壤水分的獲取[23-24]。研究[25]表明,半干旱地區(qū)油松純林地的植物水分虧缺度比楊樹的水分虧缺度要小,油松根際保水能力較強(qiáng)。此外,楊樹葉面積比油松大,增加了水分蒸騰,繼而影響土壤含水率,因此,筆者研究中WC隨植被種類增加呈顯著下降趨勢(shì)。露天采礦嚴(yán)重破壞土壤環(huán)境,導(dǎo)致土壤養(yǎng)分和pH值下降。先前研究[26]已證實(shí)植被恢復(fù)可顯著提高土壤pH值。筆者研究區(qū)未復(fù)墾裸地pH為7.8[27],不同植被處理組pH值均高于未復(fù)墾裸地,且隨植被種類增加而顯著下降(P<0.05)。這主要是由于隨植被種類增加,凋落物種類和數(shù)量也增加,豐富的有機(jī)酸和CO2礦化反應(yīng)降低了土壤pH值。此外,實(shí)地采樣過程中也發(fā)現(xiàn),油松林腐殖質(zhì)層較厚。腐殖質(zhì)中—COOH等酸性基團(tuán)可以提供大量陽離子交換點(diǎn)[28],對(duì)減少土壤酸化有緩沖能力。多樣化植被組合顯著提高土壤SOC含量(P<0.05),各處理由高到低為DYX>DYS>YS。有機(jī)碳主要依賴植物源和微生物源的碳儲(chǔ)存,油松含脂凋落物很難分解,但多種植被引入不僅提高了凋落物數(shù)量,亦增加了易降解凋落物種類,因此DYX處理SOC含量呈現(xiàn)高水平[29]。另外,植被種類增加可能促進(jìn)根際分泌更多的糖、氨基酸和其他低相對(duì)分子質(zhì)量有機(jī)化合物[30],促進(jìn)微生物生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)循環(huán),繼而增加土壤SOC的積累。同時(shí),苜蓿作為豆科植物,能有效夠固定大氣中氮,這解釋了DYX處理NN含量最高、YS處理AN含量最低這一結(jié)果,并且該現(xiàn)象與油松凋落物不易分解密切相關(guān)[31]。從筆者研究結(jié)果來看,多樣化植被組合對(duì)礦區(qū)復(fù)墾土壤發(fā)育至關(guān)重要,更加復(fù)雜的根際環(huán)境為微生物提供了更適宜的生長(zhǎng)環(huán)境,從而促進(jìn)物質(zhì)循環(huán)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化[32]。

3.2 不同植被類型對(duì)固碳微生物類群與功能基因的影響

先前研究已證實(shí)不同植被類型會(huì)改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能[33],但微生物群落受土壤屬性、植被類型和土地利用歷史等復(fù)雜因素的影響[26,34]。不同植被處理最優(yōu)勢(shì)菌門為放線菌門、變形菌門、酸桿菌門和綠彎菌門,這與黑岱溝礦區(qū)相關(guān)研究結(jié)果[35]相一致。許多固碳微生物類群分屬于放線菌門、變形菌門和酸桿菌門[36],放線菌門適應(yīng)于弱堿性土壤中生存[37],且更傾向于寡營(yíng)養(yǎng)環(huán)境[38]。變形菌門環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)[39],在礦山等惡劣復(fù)雜環(huán)境中更易生存。酸桿菌門多屬嗜酸菌[40],植物恢復(fù)后pH下降的環(huán)境更有利于其生長(zhǎng)。酸桿菌和鞘氨醇單胞菌分屬于酸桿菌門和變形菌門,為固碳微生物類群豐富的菌門[36]。鞘氨醇單胞菌是一類高效多環(huán)芳烴降解菌[41],多樣化植被凋落物和根際環(huán)境促進(jìn)了土壤中有機(jī)污染物降解,導(dǎo)致以有機(jī)污染物為營(yíng)養(yǎng)物的鞘氨醇單胞菌豐度持續(xù)下降。盡管一些高固碳微生物類群相對(duì)豐度發(fā)生了變化,但群落組成變化并不顯著,主要原因是土壤利用史對(duì)群落的影響遠(yuǎn)高于植被和土壤屬性[42],細(xì)菌群落演替進(jìn)程更為緩慢和重疊[43],完全恢復(fù)并呈差異顯著的年限十分久遠(yuǎn)[44]。

土壤微生物驅(qū)動(dòng)著養(yǎng)分循環(huán),固碳功能基因豐度反映了固碳潛力的大小[45]。筆者研究共測(cè)定11類固碳功能基因,其中7類基因(rbcL、korA、acsA、acsE、pccA、smt和frda基因)顯著增加(P<0.05)(圖4),以DYX處理豐度為最高。黃倩[46]發(fā)現(xiàn),草地固碳速率比喬木、灌木林更高。筆者研究中DYX處理(含有紫花苜蓿)固碳基因豐度最高的結(jié)果與之相似。筆者研究發(fā)現(xiàn)SOC含量與多個(gè)固碳基因豐度呈顯著正相關(guān)關(guān)系〔圖5(b)〕,表明SOC含量變化可能驅(qū)動(dòng)著固碳基因豐度的變化。YUAN等[47]研究發(fā)現(xiàn),參與卡爾文循環(huán)的rbcL基因豐度與SOC含量密切相關(guān)。SOC含量是編碼rbcL基因的功能微生物類群的顯著影響因子[48],同時(shí)TN含量也影響rbcL基因豐度[49]。

3.3 不同植被類型對(duì)土壤微生物固碳路徑的影響

筆者研究表明固碳微生物類群至少有6種不同固碳途徑(圖4),微生物根據(jù)可利用底物和能量需求選擇適合的固碳途徑[50]。筆者研究中參與卡爾文循環(huán)的固碳基因豐度占優(yōu)勢(shì)地位,LONG等[51]和NOWAK等[52]發(fā)現(xiàn)在草地和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中參與卡爾文循環(huán)的基因豐度占比高;筆者研究中不同處理還原三羧酸循環(huán)相關(guān)功能基因(korA和aclb)豐度也較高,這與排土場(chǎng)初始狀態(tài)和立地條件密切相關(guān),黑岱溝露天礦處于黃土風(fēng)沙區(qū),開采后植被破壞殆盡,類似荒漠。這也證實(shí)了LIU等[53]發(fā)現(xiàn)還原三羧酸循環(huán)是荒漠中微生物固碳的重要途徑。從單一針葉林(YS)到混交林(DYS)再到復(fù)合林(DYX),植被種類不斷豐富,凋落物類型多樣,直接改變了土壤環(huán)境狀況,影響微生物群落生長(zhǎng)與代謝,從而調(diào)控固碳潛力和途徑。結(jié)構(gòu)方程模型擬合預(yù)測(cè)了不同植被組合對(duì)固碳基因豐度的影響及路徑,可以看出:(1)相對(duì)于YS處理,闊葉樹種的引入有效增加凋落物和分解速率,直接改善土壤TN和SOC含量,TN含量再間接影響芽單胞菌門相對(duì)豐度,從而使得固碳基因豐度下降〔圖6(a)〕。這與其他研究結(jié)果[54]極為相似,高氮條件下碳循環(huán)功能基因豐度下降,芽單胞菌門與土壤SOC和TN含量密切相關(guān)[55],因其分泌的蛋白酶可分解復(fù)雜碳水化合物[56],從而促進(jìn)碳降解;(2)相對(duì)于DYS處理,增加紫花苜蓿〔圖6(b)〕后,DYX處理直接影響土壤SOC含量,再間接影響粘球菌門相對(duì)豐度,從而促進(jìn)微生物固碳潛力;(3)當(dāng)考察全部物種時(shí),植被類型改變了土壤TN和SOC含量以及WC,其中,TN含量間接影響芽單胞菌門和粘球菌門相對(duì)豐度,從而操控固碳基因豐度。SOC含量間接影響芽單胞菌門相對(duì)豐度,WC間接影響粘球菌門相對(duì)豐度,分別操控固碳基因豐度(圖6c)。不同處理組土壤微生物固碳潛力及路徑差異十分顯著,固碳潛力受微生物群落組成的影響大于環(huán)境因子的影響,植被種類增加豐富了復(fù)墾土壤微生物固碳途徑。

4 結(jié)論

(1)內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗黑岱溝露天礦排土場(chǎng)不同植被類型對(duì)土壤理化性質(zhì)影響顯著(P<0.05)。植被種類越多,pH值和WC下降越顯著,同時(shí)土壤SOC、TN和NN含量隨之顯著增加。

(2)不同植被類型對(duì)復(fù)墾土壤細(xì)菌群落組成影響不顯著,僅部分菌門(芽單胞菌門和粘球菌門)和部分屬(酸桿菌屬和鞘氨醇單胞菌屬)相對(duì)豐度呈顯著差異(P<0.05);但對(duì)固碳基因豐度影響顯著,11類固碳功能基因中有7類(rbcL、korA、acsA、acsE、pccA、smt和frda)顯著增加(P<0.05)。

(3)不同植被類型影響土壤環(huán)境因子,其中,TN和SOC含量和WC是主導(dǎo)因子(P<0.01),調(diào)控固碳微生物類群和功能基因豐度,從而改變礦山復(fù)墾土壤微生物固碳途徑。