煤礦復墾區(qū)不同恢復年限沙棘人工林土壤細菌群落結(jié)構(gòu)與功能預測

同曉冬, 楊妮, 秦家鳳, 劉廣全, 艾寧,, 劉長海*

(1.延安大學生命科學學院, 延安 716000; 2.中國水利水電科學研究院, 北京 100038)

中國是煤炭開采量全球最高的國家[1],大量煤礦資源的開采,滿足了經(jīng)濟建設(shè)需要的同時也嚴重擾動了區(qū)域的自然生態(tài)系統(tǒng),尤其是采礦導致的土壤損毀、土壤污染及水土流失問題[2]。目前,礦產(chǎn)資源的開采所引發(fā)的生態(tài)問題已上升為世界問題,各國學者及政府對此給予了廣泛的關(guān)注,并進行了深入研究[3-5]。中國在該方面的研究較晚且對礦區(qū)的修復率不足,這不利于區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境安全[6]。排土場是露天煤礦開采造成土壤損毀的主要表現(xiàn)形式之一,該區(qū)域土壤動植物多樣性低下,土壤養(yǎng)分減少,土壤功能下降[7],因此對其進行復墾已成為礦區(qū)生態(tài)修復與重建的關(guān)鍵,對于礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

土壤復墾對土壤環(huán)境產(chǎn)生影響,進而推動土壤微生物群落的變化。土壤微生物是土壤生物區(qū)系中的重要組成部分,可參與有機物質(zhì)的分解和礦化,腐殖質(zhì)形成,土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化及循環(huán),促進生物地球化學循環(huán)[8-9],是連接地上與地下部分的重要環(huán)節(jié),向上促進植被的定植和生長,向下維持土壤的結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)的穩(wěn)定性[10]。土壤細菌是土壤微生物中最豐富的部分,參與土壤系統(tǒng)中大多數(shù)的養(yǎng)分轉(zhuǎn)化[11-12],對土壤微環(huán)境變化敏感,可短期內(nèi)快速對環(huán)境變化產(chǎn)生反應,其群落結(jié)構(gòu)和功能的變化可指示植被群落的演替和土壤肥力的改變[13-14],因此,應用微生物群落特征來評估礦區(qū)土壤健康及生態(tài)修復效果已成為中外學者研究的熱點問題[15]。張小玲等[16]對不同復墾年限煤矸山的功能細菌進行研究,發(fā)現(xiàn)復墾年限的增加促進了功能菌總量的增加,速效磷、含水量和堿解氮是影響功能菌的主要因子。馬守臣等[17]研究了山西長治司馬礦煤矸石填埋場土壤微生物學特性的時空變異,表明各土層微生物數(shù)量和真菌、放線菌的豐度隨復墾年限逐漸增加。Li等[18]評估了復墾對黃土高原不同植被類型土壤微生物及酶活性的影響,發(fā)現(xiàn)土壤有機碳是影響土壤微生物群落和酶活性的主要因素,微生物多樣性在混交林土壤中最高,復墾對微生物豐度、多樣性和組成的影響在各個植被類型存在差異。

Plassart等[19]對法國北部粉砂田研究表明,草地恢復可逐漸增加微生物量和微生物活性,對保持土壤狀況有積極影響。陳熙等[20]對贛州-安遠稀土棄廢尾礦進行研究,結(jié)果顯示,經(jīng)不同的植被修復后,原尾礦土壤理化性質(zhì)改善明顯,土壤微生物結(jié)構(gòu)發(fā)生改變且土壤微生物多樣性、豐富度、均勻度均得到顯著的提高。Garaiyurrebaso等[21]在礦區(qū)選擇兩個被重金屬嚴重污染的植被場地,分析了使用幾種不同改良劑5 a后的微生物生物量、多樣性等指標,結(jié)果表明,造紙廠污泥與雞糞混合處理后,鎘、鉛和鋅的生物有效性降低幅度最大,并刺激了土壤微生物活性和多樣性,土壤質(zhì)量大幅提高。但以上研究多集中于植被對微生物生物量、群落組成及結(jié)構(gòu)的影響,少見于植被不同恢復年限土壤微生物功能的研究,更鮮見于連續(xù)恢復年限對土壤微生物結(jié)構(gòu)和功能的影響,而研究土壤微生物功能對于揭示其在土壤生態(tài)系統(tǒng)修復中的作用具有重要意義[22-23]。目前,隨著分子生物技術(shù)的快速發(fā)展,PICRUSt作為一種預測細菌代謝功能的新算法已被廣泛應用于海洋、湖泊、土壤領(lǐng)域的細菌功能分析中并取得了顯著成效[24-25]。這是一種基于高通量測序程序,將得到的16S rRNA基因與數(shù)據(jù)庫中已知代謝功能的細菌基因序列進行比對,從而對細菌進行預測的一種方法[26],為對細菌功能的深入認識提供了新途徑。

基于此,本研究以鄂爾多斯聚鑫龍煤礦復墾區(qū)3～7 a恢復年限(連續(xù)年份)沙棘人工林為研究對象,采集研究區(qū)土壤樣品,應用Illumina高通量測序技術(shù)和PICRUSt算法對土壤樣品中的細菌群落結(jié)構(gòu)、多樣性和功能進行分析,并揭示土壤細菌與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系,以期為研究區(qū)礦區(qū)土地復墾與環(huán)境修復提供數(shù)據(jù)支撐與科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市的聚鑫龍煤礦(110°4′2″E,39°54′16″N),地勢平坦,海拔約1 260 m,水蝕風蝕嚴重,屬溫帶大陸性氣候區(qū),全年無霜期約135 d, 年均溫7.5 ℃,年均降水量400 mm,集中于7—9月。研究區(qū)于2011年開始造林進行礦區(qū)生態(tài)修復建設(shè),主要種植大果沙棘(HippophaerhamnoidesLinn.cv)。樣地概況如表1所示。

表1 樣地概況

1.2 樣地設(shè)置與樣品采集

在研究區(qū)選取恢復年限為3～7 a的沙棘林作為研究對象,并以撂荒草地做對照進行土壤樣品的采集。各采樣區(qū)布設(shè)20 m × 20 m的固定樣地,每個樣地設(shè)置1 m×1 m的3個樣方,每個樣方按“S”形5點法進行取樣,如圖1所示。用土鉆(直徑5 cm、高20 cm)進行垂直取樣,取樣深度為10 cm。將5份土樣放在油布上混合均勻,去除其中的枯落物等雜物后過2 mm土篩,取2份土樣,每份土樣500 g,一份于無菌袋放入干冰盒內(nèi),將其置于-70 ℃冰箱中保存用于微生物DNA提取及高通量測序;另一份于塑封袋中帶回實驗室,自然風干后進行理化性質(zhì)的測定。

圖1 樣地及采樣基本情況圖Fig.1 Sample plot and basic sampling situation diagram

1.3 樣品測定

1.3.1 土壤基本特性

土壤理化性質(zhì)的測定依照《土壤農(nóng)化分析》[27]進行:土壤pH用酸度計法測定,有機質(zhì)用重鉻酸鉀容量法,堿解氮采用堿解擴散法,全磷用鉬銻抗法,速效鉀用NH4OAC浸提-火焰光度法,土壤含水量依據(jù)《土壤物理性質(zhì)測定方法》[28]中的環(huán)刀浸提法進行測定。

1.3.2 土壤細菌高通量測序

土壤樣品總DNA的提取采用E-Z 96 Mag-Bind Soil DNA Kit(M5636-02,Omega,CA,USA)試劑盒進行,取0.5 g新鮮土樣,按照試劑盒說明書進行具體操作。細菌的V3V4的擴增引物為338F(5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3′)和806R(5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)。PCR的反應體系包括:DNA模板1 μL,上游引物和下游引物 (10 μmol/L) 各1 μL,Fast pfu DNA聚合酶0.25 μL,2 μL的dNTP(2.5 mmol/L),超純水(ddH2O)14.75 μL,共25 μL。擴增條件為:98 ℃預變性5 min,28個循環(huán)(98 ℃ 30 s,52 ℃ 30 s,72 ℃ 45 s),最后72 ℃延伸5 min。用1.2%瓊脂糖凝膠電泳檢測PCR擴增產(chǎn)物,用磁珠對產(chǎn)物進行純化后進行熒光定量,熒光試劑為Quant-iT PicoGreen dsDNA Assay Kit,定量儀器為Microplate reade (BioTek,FLx800)。根據(jù)熒光定量結(jié)果,按照每個樣本的測序量需求,對各樣本按相應比例進行混合。產(chǎn)物委托上海派森諾生物科技有限公司進行高通量測序。高通量測序得到的數(shù)據(jù)用Vsearch軟件分析流程進行質(zhì)量過濾,拼接和嵌合體的去除。對得到的高質(zhì)量序列進行OTU類分析,基于OTU聚類的結(jié)果,之后用QIIME2 (2019.4)分析軟件對物種分類及生物多樣性指數(shù)進行分析。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010和SPSS 22.0軟件對土壤理化性質(zhì)及細菌群落組成數(shù)據(jù)進行處理,應用單因素方差分析(ANOVA)和多重比較法(Duncan)進行數(shù)據(jù)顯著性差異分析。PICRUSt基因功能預測由派森諾生物公司進行,細菌群落冗余分析在軟件Canoco 5.0中完成,其余圖形繪制均采用Origin 2021和R4.1.2軟件完成。

2 結(jié)果分析

2.1 土壤基本性質(zhì)

不同恢復年限沙棘林土壤基本性質(zhì)如表2所示,研究區(qū)土壤偏堿性,pH變化范圍處于7.47～8.29;土壤有機質(zhì)隨恢復年限增長呈先減小后顯著增大的趨勢,恢復7 a 時土壤有機質(zhì)最大,且高于草地有機質(zhì)含量;堿解氮和全磷的平均值分別為9.31 g/kg和0.48 g/kg,二者的最大值都出現(xiàn)在恢復年限6 a;速效鉀和水分的平均值分別為81.53 g/kg和6.76 g/kg,速效鉀的最大值出現(xiàn)在最大恢復年限7 a,水分的最大值出現(xiàn)在恢復年限3 a。

表2 土壤理化指標

2.2 不同恢復年限土壤細菌群落結(jié)構(gòu)

2.2.1 土壤細菌群落組成

不同恢復年限沙棘人工林土壤樣品共檢測到細菌29門、91綱、193目、305科和438屬,在門分類水平上(圖2),各樣地以放線菌門(Actinobacteria)、變形菌門(Proteobacteria)為優(yōu)勢菌門,擬桿菌門(Bacteroidetes)、酸桿菌門(Acidobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)、浮霉菌門(Patescibacteria)、疣微菌門(Verrucomicrobia)、藍藻門(Cyanobacteria)為常見菌門,以上菌門在各樣地中總占比達到80%以上,但各個菌門分布存在差異。放線菌門在樣地3 a中為第二優(yōu)勢菌門,而在其他樣地均為第一優(yōu)勢菌門,且在各樣地中的比例也存在差異,在5 a最高,7 a最低。

Actinobacteria為放線菌門; Proteobacteria為變形菌門; Bacteroidetes為擬桿菌門; Acidobacteria為酸桿菌門; Chloroflexi為綠彎菌門; Patescibacteria為浮霉菌門; Verrucomicrobia為疣微菌門; Cyanobacteria為藍藻門;Genunatimonadetes為芽單胞菌門; Deinococcus-Thermus為異常球菌-棲熱菌門; Firmicutes為厚壁菌門; Planctomycetes為浮霉菌門; Nitrospirae為硝化螺旋菌門; Armatimonadetes為裝甲菌門; Rokubacteia為己科河菌門; Fibrobacteres為纖維桿菌門; Chlanydiae為衣原體門; Elusimnicrobia為迷蹤菌門

圖3為細菌屬水平上豐度前20個屬的相對豐度。就整個研究區(qū)而言,無優(yōu)勢類群,常見類群為不動桿菌屬(Acinetobacter)、類諾卡氏菌屬(Nocardioides),二者在各恢復年限樣地中總占比為6.09%。其次為韓國生工菌屬(Kribbella)、康奈斯氏桿菌屬(Conexibacter)、短波單胞菌屬(Brevundimonas)等稀有類群。不同恢復年限土壤細菌類群相對豐度存在差異。類諾卡氏菌屬為恢復年限4、5、6、7 a沙棘林中相對豐度最高的菌群,不動桿菌屬為恢復年限3 a沙棘林的優(yōu)勢類群且其相對豐度顯著高于草地土壤。其他稀有類群隨著人工林恢復年限的延長波動變化明顯。Thermus、Deinococcus菌屬相對豐度隨恢復年限延長逐漸降低,CL500-29 marine group、Streptomyces菌屬相對豐度則逐漸增加。

Acinetobacter為不動桿菌屬; Nocardioides為類諾卡氏菌屬; Kribbella為韓國生工菌屬; Conexibacter為康奈斯氏桿菌屬; Brevundimonas為短波單胞菌屬; Therrmus為棲熱菌屬; Deinococcus為異常球菌屬; Herpetosiphon為滑柱菌屬; Patulibacter為散生桿菌; Spirosoma為螺狀菌屬; Rubrobacter為紅色桿菌屬; Actinomycetospora為放線胞菌屬; Hymnenobacrer為薄層菌屬; Psendomonas為假單胞菌屬; Streptomyces為鏈霉菌屬

2.2.2 土壤細菌群落差異性分析

為了進一步了解不同生境群落物種組成的組間差異性及相似性,因此進行了β-多樣性分析。基于Bray-Curtis距離算法,采用 PCoA 分析不同恢復年限沙棘林土壤細菌群落組間差異(圖4)。由圖4可知,PC1解釋了樣品差異的27.2%,PC2解釋了樣品差異的23.9%,二者共同解釋了物種分布差異的51.1%。PC1可明顯將恢復年限3、4 a的細菌群落與5、6 a分開,PC2可明顯將恢復年限3、4、7 a的細菌群落與5、6 a、草地分開。整體而言,恢復年限3、4 a的細菌群落結(jié)構(gòu)較為相似,而5、6、7 a及草地的細菌群落較為相似,其中草地細菌群落與恢復6a的沙棘林最為相似?？梢?恢復年限較短的細菌群落與較長年限的細菌群落差異性較大,恢復年限較長的沙棘林與撂荒草地細菌群落結(jié)構(gòu)相似性較大。

圖4 不同恢復年限沙棘林土壤細菌群落PCoA分析Fig.4 PCoA analysis of soil bacterial communities in seabuckthorn forest with different restoration years

2.3 細菌群落與土壤環(huán)境因子的相關(guān)性

為探討土壤環(huán)境因子對土壤細菌群落組成的影響,對土壤細菌屬水平群落與土壤理化性質(zhì)進行冗余分析(RDA),如圖5所示。第一排序軸解釋了細菌群落相對豐度變化的39.89%,第二軸解釋了細菌群落變化的32.72%,二者共同解釋了細菌群落變化的72.61%。不動桿菌屬(Acinetobacter)、類諾卡氏菌屬(Nocardioides)與土壤pH和土壤含水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,與土壤有機質(zhì)呈顯著負相關(guān)關(guān)系;鏈霉菌屬(Streptomyces)、Subgroup10菌屬、RB41菌屬、Haliangium菌屬與土壤堿解氮和速效鉀含量呈顯著正相關(guān);康奈斯氏桿菌屬(conexibacter)、短波單胞菌屬(Brevundimonas)、韓國生工菌屬(Kribbella)、紅色桿菌屬(Rubrobacter)與土壤有機質(zhì)呈顯著正相關(guān),與土壤pH、含水量和速效鉀顯著負相關(guān)。土壤pH和速效鉀是影響研究區(qū)土壤細菌群落結(jié)構(gòu)的主要影響因子。

圖5 主要細菌類群與土壤環(huán)境因子的RDA分析Fig.5 RDA analysis of major bacterial groups and soil environmental factors

2.4 土壤細菌PICRUSt功能預測

為了解不同恢復年限人工林土壤細菌代謝功能,采用PICRUSt軟件進行菌群預測(圖6)。基于KEGG 數(shù)據(jù)庫,在一級代謝通路層對比共得到6類生物功能:代謝(metabolism)、基因信息處理(genetic information processing)、細胞進程(cellular processes)、環(huán)境信息處理(environmental information processing)、人類疾病(human diseases)和生物體系統(tǒng)(organismal systems)。其中,代謝、基因信息處理和細胞進程為主要功能,占比分別為82.00%～83.56%,10.06%～11.59%和3.26%～3.88%。與草地相比,沙棘林土壤細菌代謝、環(huán)境信息處理、人類疾病、生物體系統(tǒng)4種功能基因豐度較高;且隨恢復年限的增加,基因信息處理、細胞進程、人類疾病、生物體系統(tǒng)功能基因呈波動增長趨勢。

圖6 不同恢復年限土壤細菌基因功能預測(一級功能)Fig.6 Prediction of soil bacterial gene function at different restoration years (level 1 function)

二級功能預測表明,沙棘林土壤和草地土壤均存在碳水化合物代謝、氨基酸代謝、脂質(zhì)代謝、能量代謝、信號轉(zhuǎn)導、膜運輸、細胞生長和死亡、免疫系統(tǒng)等35個子功能(圖7)。其中,碳水化合物代謝(13.01%～13.87%)、氨基酸代謝(13.13%～13.46%)、輔因子和維生素代謝(10.42%～11.72%)為主要功能。與草地相比,沙棘林土壤膜運輸、信號傳導、癌癥、傳染病功能基因豐度較高,轉(zhuǎn)錄、氨基酸代謝、其他氨基酸的代謝和萜類和聚酮的代謝基因豐度較低。其中,折疊、分揀和降解、復制和修復、轉(zhuǎn)錄、神經(jīng)變性疾病、萜類和聚酮的代謝、核苷酸代謝功能基因豐度隨恢復年限增長而增加,其他氨基酸代謝、外源生物降解和代謝、內(nèi)分泌系統(tǒng)、環(huán)境適應功能基因豐度隨恢復年限增長而減小。

3 討論

3.1 恢復年限對沙棘林土壤理化性質(zhì)的影響

沙棘屬于復合型根系,低耗水、萌蘗能力極強的固氮植物[29-31],連續(xù)種植使區(qū)域土壤理化性質(zhì)發(fā)生改變。沙棘可短期內(nèi)迅速提高土壤有機質(zhì)含量及土壤養(yǎng)分[32]。研究發(fā)現(xiàn),隨恢復年限的增加,土壤有機質(zhì)顯著增加(P<0.05),這與張偉華等[33]、常麗等[34]的研究結(jié)果相似,這可能是因為沙棘屬于落葉灌木且根系發(fā)達,林下凋落物及植物根系殘體隨恢復年限積累,經(jīng)腐殖化作用使土壤有機質(zhì)含量不斷增加[35]。土壤堿解氮含量隨恢復年限增加呈先增加后減小的趨勢,這可能是因為在復墾前中期(3～6 a),沙棘根系被根瘤菌侵染形成共生結(jié)構(gòu),隨恢復年限的延長瘤塊不斷趨于成熟,因而固定到土壤中的氮素也隨之增加[36],而后氮素含量又減小可能是因為植物生長發(fā)育的需求量較大。與土壤有機質(zhì)和堿解氮變化規(guī)律不同,土壤水分含量隨恢復年限的延長逐漸減少,這是因為隨著林齡的增大,植被耗水量急劇增加,因此土壤含水量不斷下降[37]。在干旱半干旱地區(qū)植被生長所需水分主要來自于大氣降水,土壤對水分的調(diào)控能力很差,因此,恢復年限為6 a沙棘林應采取平茬[38]等措施,從而減少林分對土壤水分的不利影響,促進沙棘林的更新和健康發(fā)展。

3.2 恢復年限對沙棘林土壤細菌群落結(jié)構(gòu)的影響

森林植被類型、恢復年限是影響土壤細菌群落的主要因素[39-40]。不同植被地表凋落物數(shù)量和質(zhì)量、地下根系的結(jié)構(gòu)、分泌物的不同,造成土壤微生境存在異質(zhì)性,使土壤細菌組成及數(shù)量等發(fā)生改變[41-42]。研究發(fā)現(xiàn),在門分類水平上,沙棘人工林和撂荒草地土壤細菌物種組成相似,均以放線菌門、變形菌門為優(yōu)勢菌門,擬桿菌門、酸桿菌門、綠彎菌門、浮霉菌門、疣微菌門、藍藻門為常見菌門,但各菌群豐度存在差異。變形菌門以土壤中甲烷、氨氣等滿足自身代謝,喜好富營養(yǎng)土壤[43]。沙棘土壤變形菌門豐度顯著高于草地,說明沙棘林的建植有利于土壤有機質(zhì)及土壤養(yǎng)分的提高。隨著恢復年限的延長,變形菌門豐度呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢,且在恢復期3 a時豐度最大,這可能是因為土壤酸堿度對細菌的影響較大,而變形菌門更適宜生存于堿性土壤環(huán)境[44],3 a時土壤pH最大,而后先減小后增加。放線菌門生態(tài)幅較寬,在不同生態(tài)系統(tǒng)中多以優(yōu)勢菌群出現(xiàn)。在本研究中,沙棘林放線菌門相對豐度隨著恢復年限的延長呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢,且在恢復年限第5年時顯著高于草地。放線菌在木質(zhì)素、纖維素、動物殘體等的降解和轉(zhuǎn)化方面具有重要作用[45]?；謴湍晗薜?年時草地土壤C、N含量遠低于沙棘林,這可能是其放線菌門相對豐度低于沙棘林的原因。6 a開始沙棘林土壤中放線菌門含量逐漸下降,可能是因為沙棘林開始退化,種間競爭激烈而開啟自毒功能,土壤中可利用資源減少從而對細菌產(chǎn)生不利影響。 在屬分類水平上,沙棘林土壤不動桿菌屬、類諾卡氏菌屬相對豐度整體高于草地,這可能是植被類型不同的原因。不動桿菌屬、類諾卡氏菌屬等可通過產(chǎn)生抗生素對植物病原菌產(chǎn)生拮抗作用[46-48]。而沙棘具有龐大的根系,隨著恢復年限的延長,其根系分泌的有機酸等物質(zhì)不斷積累[49],在化感作用的影響下,某些物質(zhì)可能有利于增加對病原菌有拮抗作用的有益菌群的活性,與有益菌群產(chǎn)生協(xié)同拮抗效應[50]。長期種植沙棘使土壤中的棲熱菌屬(Thermus)、奇球菌屬(Deinococcus)相對豐度逐漸減小。 棲熱菌屬和奇球菌屬間具有非常相近的親緣關(guān)系,二者均對干燥、紫外線、強氧化劑等各種惡劣環(huán)境有極強的抵抗力[51],隨著恢復年限的延長,土壤環(huán)境改善,因此二者含量逐漸減少。另外,二者均與有機質(zhì)、堿解氮、速效鉀呈顯著負相關(guān),再次說明了其更適宜生活在低營養(yǎng)的貧瘠土壤中。因此,在一定程度上,可以把棲熱菌屬和奇球菌屬作為指示物種,通過其在土壤中含量的變化來表征生境的土壤健康狀況。

3.3 恢復年限對沙棘林土壤細菌基因功能的影響

植被通過影響地上與地下部分影響細菌群落結(jié)構(gòu),進而對細菌功能產(chǎn)生影響[52]。對人工林和草地土壤細菌基因進行PICRUSt功能預測顯示,研究區(qū)土壤細菌主要有代謝、基因信息處理、細胞進程、環(huán)境信息處理、人類疾病和生物體系統(tǒng)5個一級功能,以及碳水化合物、氨基酸代謝、脂質(zhì)代謝、能量代謝和信號傳導等35個二級功能,細菌生態(tài)功能較豐富。其中,細菌代謝功能尤為突出,這與王曉菲等[53]的研究結(jié)果一致。其二級功能中碳水化合物代謝的通過糖酵解等過程產(chǎn)生的能量與代謝產(chǎn)物有利于植物和細菌的生長和發(fā)育[54]。另外,碳水化合物代謝與植物體內(nèi)所需的氮、磷元素緊密相關(guān),對促進植物氮磷循環(huán)有積極作用[55]。氨基酸代謝有利于細菌個體對氨基酸的吸收利用,并可參與多種重要的生理過程,有益于細菌的生存和增殖[56]。部分細菌類群如不動桿菌屬、類諾卡氏菌屬等自身代謝可產(chǎn)生抗生素、生長激素、抗菌蛋白等對植物病原菌產(chǎn)生拮抗作用,促進植物生長。研究區(qū)沙棘林各恢復年限間土壤細菌代謝功能差異不明顯,但均高于草地,說明沙棘人工林的建植有利于細菌各代謝功能的提升,從而對植被自身生長起到積極作用。隨著恢復年限的延長,折疊、分揀和降解、復制和修復、轉(zhuǎn)錄等細菌功能基因豐度逐漸增加,而氨基酸代謝、外源生物降解和代謝、內(nèi)分泌系統(tǒng)、環(huán)境適應功能基因豐度逐漸減小,這可能與植被恢復過程中氣候、土壤、生物因素變化有關(guān)。

4 結(jié)論

(1)與草地相比,沙棘人工林的建植使土壤有機質(zhì)、堿解氮、速效鉀、含水量呈增加趨勢,土壤pH和全磷變化不明顯。

(2)研究區(qū)共檢測到細菌29門、91綱、193目、305科和438屬,門分類水平上優(yōu)勢類群為放線菌門、變形菌門;屬分類水平上無優(yōu)勢類群,常見類群為不動桿菌屬、類諾卡氏菌屬。

(3)沙棘林土壤細菌不動桿菌屬、類諾卡氏菌屬相對豐度整體高于草地;隨著恢復年限的延長,棲熱菌屬和奇球菌屬相對豐度隨恢復年限延長逐漸降低,CL500-29marinegroup、鏈霉菌屬相對豐度則逐漸增加。土壤pH和速效鉀是影響研究區(qū)沙棘人工林土壤細菌群落結(jié)構(gòu)的主要影響因子。

(4)研究區(qū)沙棘林和草地土壤細菌主要包含5個一級功能和35個子功能,細菌生態(tài)功能豐富。最主要的細菌代謝功能在沙棘林土壤中較草地更為活躍,說明沙棘林土壤較草地細菌代謝潛力更強,而細菌代謝功能反過來也會通過分泌各種代謝產(chǎn)物來促進植物更好的生長和發(fā)育。