黃土高原水蝕風蝕交錯區(qū)固氮微生物群落多樣性在生物結(jié)皮中的演變規(guī)律

焦冰潔,徐 琳,李香真,張丙昌,*

1 山西師范大學地理科學學院, 太原 030031

2 山西師范大學黃河中游生態(tài)環(huán)境研究中心, 太原 030031

3 中國科學院成都生物研究所, 成都 610041

4 四川農(nóng)業(yè)大學生態(tài)林業(yè)研究所, 成都 611100

黃土高原水蝕風蝕交錯區(qū)屬于黃土高原向荒漠過渡、森林草原向典型干旱草原過渡的地帶,是黃河流域的重要生態(tài)屏障[1—2],該區(qū)域水土流失和干旱缺水兩大問題并存,加之人類活動的影響,是典型的生態(tài)脆弱區(qū)。黃土高原退耕還林還草工程實施后,生物結(jié)皮廣泛發(fā)育,并逐漸成為恢復生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。生物土壤結(jié)皮(簡稱生物結(jié)皮,BSCs)是由細菌、藍藻、真核藻類、真菌、地衣和苔蘚與土壤顆粒膠結(jié)而成的有機復合體[3]。根據(jù)生物結(jié)皮的優(yōu)勢物種,可將生物結(jié)皮分為藻結(jié)皮、地衣結(jié)皮和蘚結(jié)皮,這種不同類型的生物結(jié)皮反映了其演替趨勢[4—6]。

黃土高原水蝕風蝕交錯區(qū)極不均勻的降水分布以及單次暴雨的強度導致該地區(qū)嚴重水土流失[7],造成大量有效養(yǎng)分損失,尤其是氮素[8—9]。氮素是調(diào)節(jié)陸地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)鍵元素,也是植物凈生產(chǎn)力和土壤生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的主要限制性元素[10]。生物結(jié)皮對干旱半干旱區(qū)土壤氮素的提高有著重要貢獻,在世界不同地區(qū),多數(shù)研究表明,生物結(jié)皮是干旱半干旱區(qū)除大氣氮沉降和豆科植物固氮外土壤氮素輸入的重要貢獻者[11—13]。據(jù)報道,生物結(jié)皮在全球干旱半干旱區(qū)年固氮量高達49 Tg,約占全球陸地生態(tài)系統(tǒng)生物總固氮量的1/4[14]。在溫帶荒漠藻類生物結(jié)皮的固氮酶活性可高達133 μmol m-2h-1[11];Xu等在古爾班通古特沙漠中的研究表明,演替后期的生物結(jié)皮有更高的固氮酶活性[15]。

固氮微生物是固氮過程的關(guān)鍵功能群,在土壤氮素輸入中發(fā)揮著重要作用[10, 16]。研究表明,在門水平,多數(shù)研究區(qū)生物結(jié)皮的固氮類群主要是藍藻門和變形菌門[17—19],在古爾班通古特沙漠沙漠生物結(jié)皮固氮藍藻的研究中發(fā)現(xiàn),念珠藻(Nostoc)和偽枝藻(Scytonema)是生物結(jié)皮固氮微生物的核心物種[15]。在內(nèi)蒙古渾善達克沙地和戈壁荒漠生物結(jié)皮中的固氮微生物優(yōu)勢菌是藍藻門和變形菌門,優(yōu)勢綱為α-變形菌和β-變形菌,在戈壁石下生物結(jié)皮中α-變形菌是穩(wěn)定固氮微生物群落的關(guān)鍵類群,可能是主要固氮者;在屬水平,偽枝藻、念珠藻和斯克爾曼氏菌(Skermanella)在生物結(jié)皮中占明顯優(yōu)勢[20—21]。Wang等在對青藏高原高寒草甸土壤非共生固氮菌的研究中發(fā)現(xiàn),中慢生根瘤菌(Mesorhizobium)、固氮螺菌屬(Azospirillum)、慢生根瘤菌(Bradyrhizobium)和是已知固氮微生物中的優(yōu)勢物種[22]。土壤理化因子對不同生態(tài)系統(tǒng)或不同生境的固氮微生物具有明顯的調(diào)控作用,多數(shù)研究認為,土壤有機碳、全氮、有效氮和pH是影響固氮微生物群落的主要因子[19—20],如古爾班通古特沙漠生物結(jié)皮演替過程中,研究發(fā)現(xiàn)土壤總有機碳與總氮之比(TOC/TN)和pH是影響固氮微生物群落的關(guān)鍵環(huán)境因素,在青藏高原高寒草甸中,研究也發(fā)現(xiàn)以pH為主導的確定性過程在土壤非共生固氮菌的群落構(gòu)建中發(fā)揮著主要作用,除pH外,慢生根瘤菌和中慢生根瘤菌的豐度還與年平均溫度、年平均降雨量以及沙粒、粉粒和粘粒的比例顯著相關(guān)[15, 22]。

黃土高原水蝕風蝕交錯區(qū)的固氮研究多集中在土壤氮素的積累或循環(huán)[23—24]、固氮酶活性及其影響因子[25]等方面。然而,該區(qū)域生物結(jié)皮演替過程中固氮微生物群落多樣性及其關(guān)鍵驅(qū)動因子尚不清楚。本研究以黃土高原水蝕風蝕交錯區(qū)生物結(jié)皮為對象,研究了黃土高原水蝕風蝕交錯區(qū)生物結(jié)皮演替過程的固氮潛力、固氮微生物群落多樣性及其關(guān)鍵環(huán)境影響因子,以期為該區(qū)域生態(tài)修復提供科學數(shù)據(jù)和理論支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省神木縣六道溝小流域(38°46′—48°51′N,110°21′—110°23′E),海拔1081—1274 m,流域面積6.89 km2,屬于典型的水蝕風蝕交錯帶。該區(qū)主體地貌由風沙地貌和黃土丘陵共同構(gòu)成,土壤質(zhì)地為砂質(zhì)土壤,屬中溫帶半干旱氣候;年均降水量408.5 mm,且80%以上集中在7—9月,多以暴雨形式出現(xiàn),氣候變化劇烈,平均水蝕模數(shù)15000 t km-2a-1,平均風蝕模數(shù)3200 t km-2a-1,是典型的水蝕風蝕生態(tài)脆弱區(qū)。流域為典型的蓋沙黃土丘陵地貌,分為東西兩半、西部多為固定沙丘,以風沙土為主,占流域總面積的13.5%;東部則大部分為黃綿土為主,占流域總面積的86.5%[26]。流域內(nèi)植被蓋度60%以上,現(xiàn)以人工植被和退耕荒坡地演替植被為主,主要是苜蓿(Medicagosativa)、長芒草(Stipabungeana)、檸條(Caraganakorshinskii)等;生物結(jié)皮的蓋度30%—40%。

2 研究方法

2.1 樣品采集

2021年7月,在神木六道溝封禁良好的小流域典型坡面上,設(shè)置5條20 m×20 m的樣帶(樣帶間距大于30 m),坡度為15—25°,各樣帶區(qū)域大小相同,坡向相同。在每條樣帶隨機選擇不同的生物結(jié)皮類型:淺色藻結(jié)皮(LAC)、深色藻結(jié)皮(DAC)、地衣結(jié)皮(LC)、蘚結(jié)皮(MC),其蓋度和主要物種組成見表1。將裸地(BS)作為研究對照,每種類型設(shè)置3個1 m×1 m的樣方,沿樣方對角線采用自然剝離法收集土壤樣品,分為結(jié)皮層和結(jié)皮下層(0—5 cm)2個土壤層次。為減少空間異質(zhì)性,每條樣帶收集同種類型的3個土壤樣品均勻混合后作為一個樣品,共獲得60份土壤樣品。用無菌采樣鏟收集樣品后裝入無菌封口袋,并盡快運回實驗室。每個樣品分為兩份:一部分土壤自然風干,用于測定理化性質(zhì)及固氮酶活性,另一份土壤于-20℃冰箱保存,用于分子分析。

表1 生物結(jié)皮不同類型的關(guān)鍵物種組成

2.2 固氮酶活性與環(huán)境變量測定

2.3 樣品DNA提取、聚合酶鏈式反應(yīng)(PCR)擴增測序及熒光定量PCR

采用PowerSoil?DNA提取試劑盒(Qiagen,德國希爾登)并按照說明從(0.6±0.1)g土壤樣品中提取DNA,利用Nanodrop2000對DNA濃度和質(zhì)量進行檢測(OD A260/A280比值在1.8—2.0之間)。

以nifH1(5′-GCC ATC ATY TCN CC-3′)和nifH2(5′-TGY GAY CCN AAR GCN GA-3′)為引物,對nifH基因進行PCR擴增(反應(yīng)條件:95℃預變性3 min;94℃變性1 min,50℃退火1 min,72℃延伸1 min,35個循環(huán);72℃延伸10 min),通過Illumina HiSeq平臺對擴增產(chǎn)物進行測序,測序長度2×250 bp。

分別針對nifH基因(引物:nifH1;nifH2)、16S rRNA基因(引物 515F:5′-GTGYCAGCMGCCGCGGTA-3′;909R:5′-CCCCGYCAATTCMTTTRAGT-3′)、ITS基因(引物 ITS4:5′-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3′;gITS7:5′-GTGARTCATCGARTCTTTG-3′)采用熒光定量PCR的方法定量檢測固氮微生物、細菌和真菌的絕對豐度,ITS與16S rRNA基因豐度之比定義為真菌與細菌之比(F/B)[19]。

2.4 生物信息學分析

使用QIIME2將下機的原始序列利用FLASH進行雙端測序數(shù)據(jù)拼接,根據(jù)樣品標簽信息對序列進行分類,并進行質(zhì)控及優(yōu)化[28]。Usearch8對序列進行嵌合體檢測[29],使用Framebot去除移碼突變[30],UCLSUT以96%序列相似性基于基本操作單元(OTU)進行聚類分析,去除<10的聚類簇[31],將各樣品序列抽平到同一深度,共得到每個樣品5548條序列;使用晶體結(jié)構(gòu)可視化軟件(Diomand)構(gòu)建對比數(shù)據(jù)庫對OTU進行分類信息注釋,注釋閾值選用80%。固氮酶活性與nifH基因豐度采用單因子方差分析(ANOVA)檢驗在不同生物結(jié)皮演替階段的差異顯著性,并使用Origin 2021繪圖;其余數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與繪圖使用R4.2.0軟件加載Microeco包進行[32]:計算固氮微生物群落的α及β-多樣性;分別在門、目和屬分類水平上統(tǒng)計各樣品的群落組成;采用單因子ANOVA檢驗和多重比較(LSD)檢驗固氮微生物α-多樣性、物種組成在不同生物結(jié)皮演替階段間的顯著性差異;通過主成分分析(PCoA)確定群落結(jié)構(gòu)差異,并采用置換多元方差分析(PERMANOVA)對Bray-Curtis距離檢驗群落差異顯著性;通過冗余分析(RDA)和Mantel檢驗固氮微生物群落與環(huán)境因子的顯著性。

3 研究結(jié)果

3.1 固氮酶活性與nifH基因豐度

生物結(jié)皮層的固氮酶活性隨結(jié)皮演替呈顯著增加趨勢(圖1),其中蘚結(jié)皮層的固氮酶活性最高,可達(4.78±0.66) μmol C2H4m-2h-1,高于地衣結(jié)皮、淺色和深色藻結(jié)皮,顯著高于裸地(P<0.05);生物結(jié)皮層的固氮酶活性均顯著高于結(jié)皮下層土壤(圖1)。nifH基因豐度的變化趨勢也與其相似(圖1),nifH基因絕對豐度在結(jié)皮層與結(jié)皮下層中均表現(xiàn)為隨演替呈現(xiàn)增加趨勢;除裸地外,其余四種結(jié)皮的nifH基因絕對豐度均顯著高于結(jié)皮下層(圖1)。

圖1 不同演替階段生物結(jié)皮層與結(jié)皮下層土壤的固氮酶活性及nifH基因豐度

3.2 固氮微生物群落α-多樣性的變化規(guī)律

在生物結(jié)皮不同演替階段中,Shannon指數(shù)、譜系多樣性(PD)與固氮酶活性變化規(guī)律類似,均表現(xiàn)為蘚結(jié)皮最高,顯著高于裸地、藻結(jié)皮和地衣結(jié)皮階段,而裸地、藻結(jié)皮和地衣結(jié)皮Chao1指數(shù)、Shannon指數(shù)無顯著差異(圖2),表明生物結(jié)皮的演替顯著提高了固氮微生物多樣性。生物結(jié)皮層的Shannon、PD指數(shù)顯著高于結(jié)皮下層(圖2);而結(jié)皮層的chao1指數(shù)高于結(jié)皮下層但不顯著(圖2)。

圖2. 生物結(jié)皮不同演替階段及生物結(jié)皮層與結(jié)皮下層土壤固氮微生物群落α-多樣性指數(shù)

3.3 固氮微生物群落組成

在門水平上,藍藻門(Cyanobacteria)、變形菌門(Proteobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)、廣古菌門(Euryarchaeota)的相對豐度占固氮微生物總豐度的98%以上。在裸地中,變形菌門的相對豐度高達63.1%,主要包含紅螺菌目(Rhodospirillales)、酸硫桿菌目(Acidithiobacillales)和根瘤菌目(Rhizobiales),其次是藍藻門的念珠藻目(Nostocales)和厚壁菌門的梭菌目(Clostridiales);淺色和深色藻結(jié)皮、地衣結(jié)皮中藍藻門的念珠藻目占絕對優(yōu)勢(相對豐度在84.72%—88.53%之間),而藍藻門的顫藻目(Oscillatoriales)、色球藻目(Chroococcales)和聚球藻目(Synechococcales)的豐度只占很小比例,變形菌門與厚壁菌門的相對豐度也顯著低于裸地;而在蘚結(jié)皮階段,仍以藍藻門的念珠藻目占優(yōu)勢,其次是變形菌門的紅螺菌目、酸硫桿菌目和根瘤菌目(圖3)。

圖3 生物結(jié)皮不同演替階段及生物結(jié)皮層與結(jié)皮下層土壤固氮微生物在目水平上的群落組成

在屬水平上,裸地中的優(yōu)勢物種主要是斯克爾曼氏菌屬(Skermanella)、瘤胃梭菌屬(Ruminclostridium),其次為嗜酸硫桿菌屬(Acidithiobacillus)和Trichomus;但Trichomus在淺色和深色藻結(jié)皮、地衣結(jié)皮、蘚結(jié)皮中均占絕對優(yōu)勢,且在藻結(jié)皮和地衣結(jié)皮的相對豐度顯著高于蘚結(jié)皮和裸地(P<0.05);除此之外,念珠藻屬(Nostoc)、藍桿藻屬(Cyanothece)、魚腥藻屬(Anabaena)、斯克爾曼氏菌、瘤胃梭菌屬在藻結(jié)皮、地衣結(jié)皮、蘚結(jié)皮均占明顯優(yōu)勢。在OTUs水平上,發(fā)現(xiàn)有多個OTUs屬于同一物種,如Trichormusvariabilis和Skermanellaaerolata分別有130和98個OTUs,另外Nostocpunctiforme、念珠藻(Nostocsp. PCC7120)、魚腥藻(Anabaenasp. L31)等均有多個OTUs,這表明生物結(jié)皮中的固氮微生物具有豐富的多樣性。

在物種組成上,結(jié)皮層和結(jié)皮下層具有明顯的差別,如在門水平上,藍藻門是結(jié)皮層的優(yōu)勢類群,而結(jié)皮下層則是變形菌門占優(yōu)勢;除藍藻綱外,α-變形菌綱(Alphaproteobacteria)、梭菌綱(Clostridia)和Acidithiobacillia在結(jié)皮下層占明顯優(yōu)勢,其相對豐度均顯著高于結(jié)皮層;在目水平上,結(jié)皮層以念珠藻目占絕對優(yōu)勢,其相對豐度為81.74%±2.24%,顯著高于結(jié)皮下層(34.60%)(P<0.01);在屬水平上,結(jié)皮下層的固氮微生物優(yōu)勢物種是斯克爾曼氏菌、Trichormus、瘤胃梭菌屬、念珠藻屬、酸硫桿狀菌屬,與裸地接近。

3.4 固氮微生物群落結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵環(huán)境因子的關(guān)系

基于Bray-Curtis距離的主成分分析(PCoA)表明,第一、二排序軸分別解釋累積變量的29.2%和12.3%(圖4);淺色藻結(jié)皮、深色藻結(jié)皮和地衣結(jié)皮的固氮微生物群落重合度高,表明這三個演替階段的固氮微生物群落結(jié)構(gòu)具有明顯相似性;而裸地和蘚結(jié)皮的固氮微生物群落與這三個演替階段彼此分離,且PERMANOVA顯著性檢驗表明裸地與其它所有結(jié)皮類型之間的固氮微生物群落差異為極顯著(P<0.01);蘚結(jié)皮與裸地、淺色和深色藻結(jié)皮、地衣結(jié)皮之間的固氮微生物群落差異也為極顯著水平(P<0.01),說明生物結(jié)皮演替對固氮微生物群落結(jié)構(gòu)具有顯著影響。生物結(jié)皮層與結(jié)皮下層土壤的固氮微生物群落有明顯的分離(圖4),PERMANOVA分析亦表明它們之間差異極顯著(P<0.01),進一步說明生物結(jié)皮對固氮微生物群落結(jié)構(gòu)具有顯著影響。

圖4 生物結(jié)皮不同演替階段及生物結(jié)皮層與結(jié)皮下層土壤固氮微生物群落組成的主坐標分析

土壤有機質(zhì)(SOM)、土壤含水量(SWC)、全氮(TN)與Chao1顯著或極顯著正相關(guān)(P<0.05或P<0.01),表明多因子共同調(diào)控固氮微生物多樣性,導致固氮能力的提升;土壤碳氮比(C/N)與Shannon指數(shù)呈顯著負相關(guān)關(guān)系(P<0.05),也說明生物結(jié)皮固氮微生物對土壤氮素積累的貢獻;真菌與細菌之比(F/B)與Shannon指數(shù)也呈顯著的負相關(guān)關(guān)系,表明固氮微生物以細菌為主(表2)。通過測試進一步分析環(huán)境因子與固氮微生物群落的關(guān)系,結(jié)果表明,土壤pH值、TN與固氮微生物群落呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)(表3);pH值與念珠藻目、念珠藻科(Nostocaceae)以及其中的Trichormus屬均呈顯著或極顯著正相關(guān)的關(guān)系(P<0.05或P<0.01),而與變形菌門中的紅螺菌目及其中的紅螺菌科(Rhodospirillaceae)、斯克爾曼氏菌屬呈極顯著負相關(guān)關(guān)系(P<0.01);土壤TN與念珠藻屬呈顯著正相關(guān)(P<0.01),這表明pH與TN是影響黃土高原生物結(jié)皮固氮微生物的關(guān)鍵環(huán)境因子。

表2 土壤環(huán)境因子與固氮微生物群落α-多樣性的相關(guān)性分析

表3 土壤環(huán)境因子與固氮微生物群落的相關(guān)性分析

3.5 影響固氮潛力的關(guān)鍵微生物

相關(guān)性分析表明,固氮酶活性與固氮基因豐度(nifH)之間呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(R2=0.27,P=0.000),固氮酶活性(NAc)、nifH基因豐度與藍藻中的念珠藻目均為極顯著的正相關(guān)關(guān)系,而與紅螺菌目、酸硫桿菌目、梭菌目、根瘤菌目呈顯著負相關(guān)(圖5);表明隸屬藍藻門的念珠藻目可能是固氮微生物的關(guān)鍵物種,在生物結(jié)皮的固氮功能中發(fā)揮著關(guān)鍵作用;而紅螺菌目、酸硫桿菌目、梭菌目、根瘤菌目只在裸地表現(xiàn)出較高的豐度,但在生物結(jié)皮的固氮基因豐度和固氮酶活性中均貢獻微弱。

圖5 生物結(jié)皮關(guān)鍵固氮物種與環(huán)境因子的相關(guān)性

4 討論

4.1 念珠藻目是黃土高原水蝕風蝕交錯區(qū)生物結(jié)皮固氮微生物的優(yōu)勢類群

本研究中發(fā)現(xiàn),黃土高原水蝕風蝕交錯區(qū)固氮微生物類群中念珠藻目為主要優(yōu)勢類群。念珠藻目的物種,其絲狀體均存在數(shù)量不等的異形胞,而異形胞是一種特有的能固氮的細胞,內(nèi)含有固氮酶,可將大氣中的氮分子固定為氮素化合物[33]。本文發(fā)現(xiàn)黃土高原水蝕風蝕交錯區(qū)藻結(jié)皮(淺色和深色)、地衣結(jié)皮和蘚結(jié)皮階段的固氮微生物以藍藻門的念珠藻目占絕對優(yōu)勢,其中的Trichormus和念珠藻(Nostocsp.)為主要優(yōu)勢種;其次是變形菌門的紅螺菌目、酸硫桿菌目和根瘤菌目以及厚壁菌門的梭菌目。Trichormus是從魚腥藻屬分離出來的新屬,其包含的Trichormusvariabilis則是念珠藻科魚腥藻屬的多變魚腥藻(Anabeanavariabilis)[34]。在荒漠區(qū)域的多數(shù)研究也發(fā)現(xiàn)固氮藍藻是生物結(jié)皮固氮的關(guān)鍵類群,如在科羅拉多高原、奇瓦瓦(Chihuahuan)沙漠中深色藻結(jié)皮的固氮藍藻主要來自念珠藻目的念珠藻(Nostocspp.)、偽枝藻(Scytonemaspp.)、單岐藻(Tolypothrixspp.)、魚腥藻(Anabeanaspp.)、眉藻(Calothrixspp.)[35—36]。在古爾班通古特沙漠中,生物結(jié)皮固氮微生物的關(guān)鍵物種是念珠藻和偽枝藻[19]。念珠藻目物種一方面可以固氮,另一方面還可以通過光合作用進行固碳,增加土壤中的C和N[5, 37]。在毛烏素沙地,化能合成固氮微生物共有4455個OUTs,96.57%屬于變形菌門,其中固氮螺菌屬(Azospirillum)、慢生根瘤菌屬(Bradyrhizobium)、中生根瘤菌屬(Mesorhizobium)是該區(qū)域的核心固氮物種[38]。在荒漠區(qū),變形菌門的異養(yǎng)固氮細菌與厚壁菌門的梭菌科是早期生物結(jié)皮的重要固氮類群[17, 19, 35—36],本研究發(fā)現(xiàn)裸地中的固氮微生物則以變形菌門的紅螺菌目、酸硫桿菌目和根瘤菌目為主,同時裸地中的nifH基因豐度最低,這說明變形菌門的物種適于在養(yǎng)分貧瘠的環(huán)境中生長。

通過nifH基因測序發(fā)現(xiàn)固氮微生物具有高度多樣性[34]。有研究表明,Trichormus和魚腥藻屬是多系的,可能包含幾個屬[30]。本研究發(fā)現(xiàn)黃土高原水蝕風蝕交錯區(qū)生物結(jié)皮固氮微生物具有豐富的多樣性,如在OTU水平上,Trichormusvariabilis和Skermanellaaerolata分別有130和98個OTUs,另外點狀念珠藻(Nostocpunctiforme)、念珠藻(Nostocsp. PCC7120)、魚腥藻(Anabaenasp. L31)等均有多個OTUs,表明生物結(jié)皮中孕育著豐富的固氮微生物物種資源。因此,在黃土高原固氮微生物的研究中,為了挖掘物種資源及應(yīng)用,需重視固氮微生物的分離、純化及規(guī)?；囵B(yǎng)。

4.2 pH為主導的多因子共同調(diào)控固氮微生物群落

在黃土高原水蝕風蝕交錯區(qū),自然和人工生物結(jié)皮的發(fā)育對土壤有機碳、總氮和速效氮、總磷和有效磷、速效鉀等均有顯著貢獻,蘚結(jié)皮的C、N、P含量較藻結(jié)皮分別增加了161%、127%和9%[6,39]。同時,生物結(jié)皮的演替有利于降低土壤pH、增加土壤水分、促進土壤團聚體的形成[40]。在全球尺度上,土壤pH是影響細菌群落結(jié)構(gòu)和譜系多樣性的關(guān)鍵環(huán)境因子,土壤pH通過改變酸桿菌門(Acidobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)和擬桿菌門(Bacteroidetes)的相對豐度影響細菌群落結(jié)構(gòu)[41—42]。在高寒草甸土壤中發(fā)現(xiàn)pH是影響固氮群落的關(guān)鍵環(huán)境因子,與低pH(pH 5.02—7.00)土壤相比,高pH(pH 7.00—8.00)土壤的固氮微生物群落多樣性更高,群落聚集性更強[43]。在古爾班通古特沙漠生物結(jié)皮中,固氮微生物的核心物種是與念珠藻和偽枝藻相關(guān)的OTUs,pH與固氮微生物群落譜系多樣性指數(shù)βNTI呈顯著正相關(guān)[19]。本研究發(fā)現(xiàn),pH值與固氮微生物群落和關(guān)鍵固氮類群念珠藻目及其主要物種之間存在顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系,表明在固氮過程中起關(guān)鍵作用的念珠藻目相關(guān)物種更適于在中性到堿性土壤環(huán)境生長。一些研究證實,藍藻更適合在堿性土壤中生長,堿性土壤易形成藍藻占優(yōu)勢的生物結(jié)皮[44];Li等在沙坡頭固沙植被區(qū)的研究表明,生物結(jié)皮群落中藍藻物種豐富度和多樣性隨沙面土壤pH和總鹽的增加而增加[45]。在實驗室培養(yǎng)條件下,發(fā)現(xiàn)念珠藻和魚腥藻在高pH(pH>8)的培養(yǎng)基中具更高的生物量[46],預示著高pH的堿性環(huán)境可能更利于念珠藻目的物種生長。本研究中,藻結(jié)皮和地衣結(jié)皮的pH分別為8.53—8.56和8.47,明顯高于裸地(8.36)和蘚結(jié)皮(8.32),高pH土壤對藍藻中的念珠藻目種類提供了適宜的微環(huán)境,對固氮微生物起到篩選作用,導致念珠藻目物種在藻結(jié)皮和地衣結(jié)皮中占有更高的相對豐度。

本研究中,還發(fā)現(xiàn)土壤SOM、C/N對微生物多樣性起著調(diào)控作用。在生物結(jié)皮的演替過程中,藻結(jié)皮主要以絲狀藍藻為主,當發(fā)育到地衣結(jié)皮時,除地衣植物外,還有大量的藻類植物[47—48],固氮微生物中念珠藻目占優(yōu)勢;當進一步演替至蘚結(jié)皮,藻類種類和生物量下降,逐漸被蘚類植物取代,顯著增加了土壤中有機碳的含量,為異養(yǎng)微生物提供了豐富的能源物質(zhì),致使細菌和真菌生物量隨生物結(jié)皮的演替顯著升高[5,15],在蘚結(jié)皮中,異養(yǎng)固氮微生物(如紅螺菌目、酸硫桿菌目和根瘤菌目)可能獲取更多的碳源,致使其生物量的增加,加之念珠藻目的物種,最終導致蘚結(jié)皮的固氮微生物多樣性和生物量顯著高于其它階段,固氮微生物群落結(jié)構(gòu)也有了明顯區(qū)別。

除土壤pH、SOM外,TN含量、土壤含水量與固氮微生物群落多樣性亦有明顯的相關(guān)性,說明多因子共同調(diào)控固氮微生物群落。這表明生物結(jié)皮的演替可能改變土壤理化性質(zhì)導致生態(tài)位的變化,進而影響其中的固氮微生物群落組成,這在一定程度上也驗證了在小尺度上確定性過程在固氮微生物群落構(gòu)建中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

4.3 黃土高原水蝕風蝕交錯區(qū)固氮微生物的固氮潛力

在草原土壤中,研究證明固氮微生物β-多樣性與固氮酶活性具顯著相關(guān)性[46]。在黃土高原水蝕風蝕交錯區(qū),本研究表明固氮酶活性、nifH基因豐度、固氮微生物α-多樣性均隨生物結(jié)皮的演替呈顯著升高,而生物結(jié)皮中TN與固氮微生物多樣性、固氮群落以及關(guān)鍵物種均存在顯著正相關(guān)關(guān)系,說明生物結(jié)皮中固氮微生物多樣性和數(shù)量的增加,其固氮能力明顯提升,導致土壤氮素含量的升高。在黃土高原水蝕風蝕交錯區(qū),生物結(jié)皮中的念珠藻目以及Trichormusvariabilis的豐度與固氮酶活性、固氮微生物nifH基因豐度呈顯著正相關(guān)關(guān)系,這表明與念珠藻目的Trichormusvariabilis相關(guān)的OTUs在黃土高原生物結(jié)皮氮輸入過程中發(fā)揮著重要作用。黃土高原水蝕風蝕交錯區(qū)土壤氮素含量隨水土流失損失嚴重[9],但在生物結(jié)皮形成后,土壤TN隨生物結(jié)皮演替而呈顯著上升趨勢[40, 49],說明黃土高原生物結(jié)皮中的固氮微生物對土壤氮積累具有重要貢獻。

5 結(jié)論

在黃土高原水蝕風蝕交錯區(qū),生物結(jié)皮演替顯著影響固氮酶活性、nifH基因豐度和固氮微生物α-多樣性,各參數(shù)表現(xiàn)為蘚結(jié)皮顯著高于其它演替階段,且生物結(jié)皮層高于結(jié)皮下層土壤。生物結(jié)皮演替對固氮微生物群落組成與結(jié)構(gòu)具有明顯影響;在裸地,固氮微生物以變形菌門的紅螺菌目、酸硫桿菌目和根瘤菌目為主,而在藻結(jié)皮、地衣結(jié)皮和蘚結(jié)皮均表現(xiàn)為藍藻門的念珠藻目占絕對優(yōu)勢,是固氮微生物的關(guān)鍵類群。念珠藻目以及Trichormusvariabilis的豐度與固氮酶活性、固氮微生物nifH基因豐度呈顯著正相關(guān)關(guān)系,Trichormus相關(guān)的類群在黃土高原生物結(jié)皮固氮過程中發(fā)揮著重要作用。生物結(jié)皮演替引起的土壤pH、SOM、TN、土壤含水量等理化性質(zhì)的變化改變了微生境,進而影響固氮微生物群落結(jié)構(gòu)與多樣性,其中pH發(fā)揮著關(guān)鍵作用。