青藏高原灌叢土壤碳氮含量及其相關(guān)功能基因分布特征

李傳虹,張 林,劉四義,韓麗麗,姚保民,申聰聰,郝志鵬,張麗梅,*

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,北京 100085 2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049 3 中國科學(xué)院青藏高原研究所,青藏高原地球系統(tǒng)與資源環(huán)境國家重點實驗室,北京 100101

高寒灌叢是由耐寒的中生或旱生灌木為優(yōu)勢種而形成的一類植被,常分布在高山和高原林線之上向高寒植被的過渡帶,是青藏高原常見的優(yōu)勢植被之一[1]。由于獨特的地理、氣候條件,青藏高原的灌叢類型復(fù)雜、種質(zhì)資源豐富,為野生動物和家畜提供了棲居和放牧地,具有較強的生態(tài)服務(wù)價值[2]。然而其生態(tài)系統(tǒng)脆弱,對全球變暖的響應(yīng)極為敏感[3]。近年來,氣候變暖及其導(dǎo)致的土壤水分、養(yǎng)分有效性和土壤微生物群落等環(huán)境條件變化對青藏高原地區(qū)高寒灌叢植物生產(chǎn)力、生物量分配和演替過程產(chǎn)生了深刻影響,進而影響著區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)和周轉(zhuǎn)過程[4]。因此,探明青藏高原不同灌叢類型下土壤養(yǎng)分狀況、碳氮循環(huán)特征及其影響因素對青藏高原灌叢合理利用與管理有重要的理論與實踐價值。

微生物是土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化和元素生物地球化學(xué)循環(huán)的主要驅(qū)動力[5]。微生物驅(qū)動的礦化作用,即土壤中有機態(tài)化合物轉(zhuǎn)化為無機態(tài)化合物的過程,是自然生態(tài)系統(tǒng)土壤碳氮循環(huán)的關(guān)鍵過程之一[6]。土壤碳氮礦化過程深刻影響著土壤碳、氮等元素的循環(huán)流動,土壤的養(yǎng)分供應(yīng)、有機質(zhì)的更新和地上生產(chǎn)力[7-8]。碳和氮礦化速率的微小改變能夠顯著影響土壤碳庫和氮庫大小以及大氣二氧化碳濃度,最終影響碳氮循環(huán)-氣候耦合系統(tǒng)的動態(tài)變化[9],對地上植被的演替和分布有極為重要的意義。大量研究表明,氣候因子如溫度和降水是影響土壤碳氮礦化速率的主要因素,溫度升高和降雨量增加可以提高碳氮礦化速率從而提高土壤中養(yǎng)分的有效性和凈生產(chǎn)力[10-11]。除氣候因素外,土壤有機質(zhì)含量、pH、水分等對碳氮礦化速率也有交互影響。有機質(zhì)含量越高,礦化速率越高;同時,隨土壤pH升高,土壤有機質(zhì)的可溶性增加,為微生物生長提供了充足的生長基質(zhì),因此碳氮礦化速率通常與土壤pH呈顯著正相關(guān)關(guān)系[12-14]。此外,土壤水分一方面可直接控制微生物的活性,另一方面可通過影響凋落物的分解和有機質(zhì)的形成間接地影響碳氮礦化速率[15]。研究表明土壤氮礦化速率通常隨土壤水分增加而增加,在土壤含水率達到田間持水量時最高,并隨含水率進一步增加而降低[16],如亞熱帶林區(qū)氮礦化速率與土壤含水量呈顯著負(fù)相關(guān)[17]。碳和氮的礦化速率也可能受土壤pH和含水量等因素的交互影響,如與濕潤地區(qū)相比,干旱地區(qū)土壤pH相對較高,礦化能力也相對較強[18]。青藏高原灌叢面積分布廣泛,氣候和土壤環(huán)境復(fù)雜[19],但目前對灌叢分布地區(qū)土壤碳氮礦化作用強度、影響因素及其與灌叢分布特征的關(guān)系等的認(rèn)識較少。探明青藏高原灌叢分布區(qū)土壤碳氮含量、礦化作用特征及其影響因素,對理解青藏高原氣候變化背景下,灌叢分布區(qū)土壤質(zhì)量變化及其對地上植被的影響具有重要意義。

此外,土壤碳、氮元素礦化過程復(fù)雜,參與反應(yīng)的微生物類群眾多,并與其他過程耦合發(fā)生,可能導(dǎo)致土壤CO2排放增加、溫室氣體產(chǎn)生和養(yǎng)分流失等問題[20-21]。但目前對碳氮循環(huán)相關(guān)功能微生物的研究多針對單一元素或單一過程開展,缺乏大尺度下自然生態(tài)系統(tǒng)土壤碳、氮循環(huán)關(guān)鍵過程功能基因分布特征的耦聯(lián)分析,且在不同研究尺度和生態(tài)系統(tǒng)類型中開展的研究結(jié)果不同[22-23]。對參與土壤碳、氮循環(huán)過程相關(guān)的功能基因多樣性和豐度的調(diào)查有助于更好地理解微生物介導(dǎo)的元素生物地球化學(xué)過程及其對全球變化的響應(yīng)和反饋[24-26]。因此,本研究采用高通量定量PCR(quantitative microbial element cycling,QMEC)技術(shù),對青藏高原喜馬拉雅山-岡底斯山地區(qū)沿降水梯度采集的高寒灌叢土壤樣品碳氮循環(huán)相關(guān)的功能基因多樣性進行了分析,并結(jié)合土壤理化性質(zhì)、氣候、植被等信息,綜合探討了青藏高原不同灌叢分布區(qū)域土壤養(yǎng)分狀況和參與碳氮礦化過程相關(guān)功能基因的分布特征、驅(qū)動因子及其與灌叢分布特征的關(guān)系,以期為認(rèn)識氣候變化背景下青藏高原土壤質(zhì)量和灌叢生態(tài)系統(tǒng)功能變化趨勢提供重要信息和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況與土壤樣本的采集

土壤樣品采集于2020年8月第二次青藏高原科學(xué)考察喜馬拉雅山-岡底斯山沿線灌叢樣帶調(diào)查,沿線經(jīng)革吉-吉隆-昆莎機場-拉昂錯-嘛咪鄉(xiāng)-門士鄉(xiāng)-馬攸木拉山-普蘭-帕羊-獅泉河-扎達縣-如角-珠峰-茶巴拉鄉(xiāng)-多角鄉(xiāng)-貢嘎縣-南木鄉(xiāng)-日喀則-扎囊縣-拉孜-八宿-東達山-拉藏-南木林-折巴-拉烏山-業(yè)拉山(79.97°-98.68°E,28.31°-32.62°N)等地區(qū),最遠(yuǎn)相距1800 km。植被以灌叢為主,包括5種優(yōu)勢灌木類型:變色錦雞兒(CV)、金露梅(DF)、砂生槐(SM)、香柏(JP)、雪層杜鵑(RN)。根據(jù)同一灌叢的分布面積和間隔距離,共布設(shè)了28個采樣點,每個采樣點間隔至少9 km。使用手持式全球定位系統(tǒng)(GPS)記錄采樣點的經(jīng)度、緯度等地理數(shù)據(jù),并從中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)提取年平均溫度(MAT)、年平均降水量(MAP)和植被NDVI指數(shù)[27],采樣點分布和對應(yīng)灌木類型如圖1所示。

圖1 采樣點的地理位置分布示意Fig.1 Geographic locations of sampling sites

每個采樣點盡量設(shè)置在遠(yuǎn)離人類居住的地區(qū),以本地分布的天然灌叢為主。每個采樣點隨機選取3個5 m×5 m樣方,每個樣方按梅花狀進行5點取樣混合成一個樣品,取樣深度0-15 cm,最終共采集到84份土壤樣本。所有樣品在去除根系和大的石塊后放入無菌塑料袋中,通過便攜式車載移動冰箱運到實驗室。土壤樣品通過2.0 mm篩去除細(xì)根和礫石后分成兩部分:一部分儲存在4 ℃下,用于土壤理化性質(zhì)分析,另一部分儲存在-80 ℃下,用于土壤總DNA提取。

1.2 土壤理化性質(zhì)測定

土壤理化性質(zhì)測定參考文獻[28]:土壤pH(水土比2.5∶1)采用酸度計電位法測定,土壤含水量采取烘干稱重法測定,土壤速效磷(Available Phosphorus,AP)采用Olsen法測定,土壤全碳(Total Carbon,TC)和全氮(Total Nitrogen,TN)含量采用元素分析儀(Vario EL III-Elementar,Germany)測定,土壤無機碳(Inorganic carbon,IC)含量采用總有機碳分析儀(SSM-5000A,Japan)測定,土壤有機碳(Soil organic carbon,SOC)為TC與IC的差值,碳氮比(C:N)為SOC與TN的比值。

土壤CO2釋放速率(SRR)的測定:稱取10 g土壤樣品放入培養(yǎng)瓶中,用保鮮膜封好瓶口后放置于20 ℃培養(yǎng)箱預(yù)培養(yǎng)24 h。培養(yǎng)完成后將培養(yǎng)瓶放入封閉動態(tài)系統(tǒng)中,使用LI-820 CO2分析儀進行CO2濃度實時動態(tài)測定,得到封閉動態(tài)系統(tǒng)中CO2濃度的增加速率a,利用線性回歸方法計算土壤的CO2釋放速率[31]。

1.3 土壤DNA提取與QMEC檢測

稱取0.5 g土壤樣品,利用Dneasy PowerSoil Kit(QIAGEN GmbH,Germany),按步驟對土壤微生物總DNA進行提取。使用NanoDrop分光光度計(NanoDrop Technologies Inc.,Wilmington,DE,USA)測定DNA的濃度和純度。DNA樣品存儲在-40 ℃冰箱中備用。

QMEC包含71個微生物CNPS引物和1個細(xì)菌類群引物,可以平行定量72個DNA樣本,引物與基因參照文獻所示[32]。主要操作過程如下,首先將檢測合格后的DNA樣品添加至384孔板作為樣品板(Sample Sourceplate),同時將引物和qPCR所用的試劑添加至另一384孔板作為引物板(Assay Sourceplate)。采用高通量自動微量加設(shè)備SmartChip Multisample Nanodispenser(Takara Biomedical Technology)分別將樣品板和引物板試劑添加至高通量qPCR芯片SmartChip MyDesign Chip(Takara Biomedical Technology,Clontech)的微孔中,在SmartChip Real-Time PCR System(WaferGen Biosystems USA)中進行qPCR反應(yīng)及熒光信號檢測,并自動生成擴增曲線和溶解曲線[5]。根據(jù)SmartChip Real-Time PCR System和Canco software軟件給出的各基因在各樣本中的Ct值,根據(jù)公式(1)計算得出各基因在各樣本中的相對豐度信息。只有在三個技術(shù)重復(fù)均被檢出的基因,才會將該基因判定為陽性,并計算其平均值作為該基因在對應(yīng)樣本中的相對定量。以F525/R907為引物通過普通定量PCR(Roche,LightCycler480Ⅱ)獲得細(xì)菌16S rRNA基因的絕對豐度信息,16S rRNA相對豐度默認(rèn)為1,根據(jù)公式(2)計算得到各樣品中各基因的絕對定量信息[32]。

基因相對豐度= (31-Ct)/(10/3)

(1)

基因絕對豐度=基因相對豐度×16S rRNA絕對豐度/16S rRNA相對豐度

(2)

本文從71 個功能基因數(shù)據(jù)中選取了 18個碳降解功能基因和7個氮礦化功能基因做進一步深入分析。參考 Benbi和 Richter 等[33]學(xué)者的觀點,本文將硝化作用并入氮礦化過程,因此將 AOA(氨氧化古菌)amoA、AOB(氨氧化細(xì)菌)amoA、amoB、hao、nxrA基因也納入礦化基因進行分析。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 26.0軟件,基于Kruskal-Wallis檢驗對不同灌叢類型間碳、氮礦化基因的豐度和土壤理化性質(zhì)進行非參數(shù)檢驗,以及分別將碳、氮基因豐度進行因子分析降維并標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)化。使用Pearson相關(guān)性分析研究碳、氮礦化基因豐度之間以及與土壤基本理化性質(zhì)及環(huán)境因子之間的相關(guān)性。此外,用R(v.4.2.1)軟件的“vegan”進行Mantel test分析,以探明青藏高原喜馬拉雅山-岡底斯山沿線高寒灌叢區(qū)碳、氮礦化過程相關(guān)微生物的空間分布格局的主要驅(qū)動因子。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌叢類型土壤養(yǎng)分狀況及其影響因子

表1 采樣點基本信息及土壤理化性質(zhì)Table 1 Geographical information of sampling sites and soil physiochemical properties

圖2 土壤理化性質(zhì)與氣候和植被因子間的相關(guān)性分析Fig.2 The relationship between soil properties and climatic and vegetational factors圓圈的顏色表示相關(guān)性的大小;MAT:年平均溫度 Mean annual temperature;MAP:年平均降雨量 Mean annual precipitation;TN:全氮 Total N;SOC:土壤有機碳 Soil organic C;C:N:碳氮比 SOC:TN;Mnet:氮凈礦化速率 Net N mineralization rate;SRR:CO2釋放速率 Soil respiration rate

2.2 碳、氮礦化過程功能基因的豐度分布特征

基于QMEC檢測,我們對與碳礦化和分解相關(guān)的18個基因,以及與氮礦化作用相關(guān)的7個基因進行了統(tǒng)計分析。結(jié)果表明,除豐度較低的淀粉水解酶基因amyX、木質(zhì)素降解酶基因pox和纖維素降解酶基因naglu,其余22個基因的豐度在五種灌叢類型差異顯著(P<0.05,圖3)。豐度總體表現(xiàn)為從青藏高原西部向東部降低的趨勢,變色錦雞兒、金露梅和砂生槐灌叢土壤基因豐度普遍高于香柏和雪層杜鵑灌叢,并以雪層杜鵑灌叢的豐度最低(圖3)。但細(xì)菌16S rRNA基因的絕對豐度(4.5×109-5.1×109拷貝數(shù)/g干土)在不同灌叢類型土壤中無顯著差異(P>0.05,圖3)。

圖3 青藏高原不同灌叢類型土壤碳氮礦化功基因豐度熱圖Fig.3 Heatmap of absolute abundances of C and N mineralization genes in soils separated according to shrub types on the Tibetan Plateau不同灌叢類型間同一基因的不同字母表示差異顯著(P<0.05)

易降解碳礦化基因中,半纖維素降解酶基因abfA豐度最高(2.9×106-5.3×107拷貝數(shù)/g),其次為半纖維素降解酶基因manA(2.4×106-3.2×107拷貝數(shù)/g)和xylA(1.2×106-3.3×107拷貝數(shù)/g),淀粉水解基因amyX豐度在所有碳氮礦化基因中最低(0-6.8×103拷貝數(shù)/g)(圖3)。難降解碳礦化基因中,木質(zhì)素降解酶基因mnp豐度最高(6.6×105-1.1×107拷貝數(shù)/g),纖維素降解酶基因naglu豐度最低(0-3.1×104拷貝數(shù)/g)(圖3)。尿素酶基因ureC的豐度在所有碳氮礦化基因中最高,為5.8×107-3.0×108拷貝數(shù)/g,谷氨酸脫氫酶基因gdh豐度也較高,為2.7×106-2.6×107拷貝數(shù)/g(圖3)。硝化過程相關(guān)基因中,古菌的氨單加氧酶基因amoA和amoB豐度最高,分別為8.1×104-7.6×106拷貝數(shù)/g和4.5×105-8.6×106拷貝數(shù)/g,羥胺氧化還原酶基因hao豐度最低,為0-1.3×105拷貝數(shù)/g(圖3)。

2.3 影響碳氮礦化基因豐度的關(guān)鍵因素

Mantel test分析結(jié)果顯示土壤SOC、TN、pH、MAP、SWC對土壤易降解碳礦化基因、難降解碳礦化基因、氨氧化基因和硝化基因的豐度均有顯著影響(P<0.05),且以SOC、TN、pH和土壤水分的解釋量(R值)最高(表2)。相關(guān)性分析結(jié)果顯示,C、N礦化基因豐度與MAP、土壤含水率、SOC和TN含量均為顯著負(fù)相關(guān)(P<0.001),但與土壤pH均為顯著正相關(guān)(P<0.05),與年平均溫度(MAT)無顯著相關(guān)性(P>0.05)(圖4)。此外,除豐度較低的amyX基因外,其余C、N礦化相關(guān)的功能基因豐度之間均存在顯著的正相關(guān)性(P<0.05)(圖5)。

表2 碳和氮礦化基因豐度與環(huán)境因子的Mantel test分析Table 2 Mantel test analysis for the correlation between the abundance of C and N mineralization genes and environmental factors

圖4 環(huán)境因子與碳、氮礦化基因豐度間的相關(guān)性分析Fig.4 The correlation between environmental factors and the abundance of the C and N mineralization genes礦化基因豐度值經(jīng)過了標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換

圖5 土壤碳和氮礦化相關(guān)功能基因豐度間的耦合關(guān)系Fig.5 The coupling relationship among the abundance of C and N mineralization functional genes圓圈的顏色和大小表示相關(guān)性的大小

3 討論

土壤中碳氮元素的含量及其周轉(zhuǎn)對地上植被的生長發(fā)育和生態(tài)功能的發(fā)揮極為重要。不少研究表明灌叢、森林、草地等植被類型演替過程中土壤的性質(zhì)也發(fā)生了顯著變化[34]。如Hibbard等[35]發(fā)現(xiàn)由于灌木葉片中木質(zhì)素和纖維素含量低于草本植物,亞熱帶草原灌叢化過程使0-10 cm土壤有機質(zhì)和全氮含量顯著提高8-23 g/m2,氮礦化速率增加3-5倍。本文研究的結(jié)果顯示,不同類型灌叢土壤的有機碳和全氮含量、土壤CO2釋放速率、凈氮礦化速率和碳氮礦化基因的豐度有顯著差異。其中,位于東南部的雪層杜鵑和香柏灌叢比位于中西部的變色錦雞兒、金露梅和砂生槐灌叢土壤具有更高的有機碳、全氮含量和CO2釋放速率、凈氮礦化速率,但碳、氮礦化基因豐度更低。這意味著灌叢類型的演替也同樣伴隨著土壤元素循環(huán)、養(yǎng)分供應(yīng)的改變。由此可見,相同植被類型下,灌叢種類演替對青藏高原生態(tài)系統(tǒng)功能的影響也值得關(guān)注。

溫度和降水是影響土壤元素循環(huán)和養(yǎng)分供應(yīng)的重要影響因素。本研究結(jié)果顯示,土壤有機碳、全氮含量、CO2釋放速率、凈氮礦化速率與年平均降雨量、濕潤指數(shù)、土壤含水量等水分指標(biāo)顯著正相關(guān),而與年平均溫度無顯著相關(guān)性。這些結(jié)果說明水分條件的變化對土壤碳氮等元素含量和礦化過程有更重要的影響。已有研究表明,降水減少會通過降低微生物生物量和胞外酶活性來抑制凋落物的分解[36-39]。與本文的研究結(jié)果類似,茍小林等[40]也認(rèn)為由于更充沛的水分條件,青藏高原半濕潤地區(qū)的植物生物量和土壤碳氮磷等元素含量比半干旱地區(qū)顯著更高。喜馬拉雅山-岡底斯山自西向東降雨量明顯增加,降水量增加一方面可直接影響土壤理化性質(zhì)和微生物活性促進土壤養(yǎng)分的周轉(zhuǎn),另一方面可通過影響植物生長間接提高土壤養(yǎng)分含量[41]。這些結(jié)果表明,降水條件改變對青藏高原灌叢土壤碳氮循環(huán)的影響更大。目前青藏高原正面臨著暖濕化的影響,降水增加引起的碳氮循環(huán)變化及其帶來的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)值得進一步關(guān)注。

由于微生物的活動需要水分,所以在一定濕度范圍內(nèi),土壤水分增加有利于礦化作用發(fā)生[10,42]。然而,本文研究卻顯示土壤碳氮礦化基因豐度與年平均降水量呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,但與土壤pH呈顯著的正相關(guān)。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因主要有兩方面:一方面,pH可直接影響微生物的生理代謝,過低或過高的pH會對微生物產(chǎn)生生理限制,并影響微生物間相互作用進而影響其群落組成和豐度[43];另一方面,土壤pH作為一個綜合變量,與一些土壤養(yǎng)分可利用性、有機碳特性和土壤水分狀況等密切相關(guān),土壤pH的升高會增加土壤有機質(zhì)的可溶性,為微生物生長提供了基質(zhì)從而間接影響了微生物的多樣性和豐度[12-13]。大量研究表明,土壤pH是影響土壤細(xì)菌群落空間分布格局及多樣性的主要驅(qū)動因素[44]。與我們的研究結(jié)果一致,Tsiknia等[45]發(fā)現(xiàn)在流域尺度土壤pH與氮循環(huán)功能基因豐度顯著正相關(guān)。對我國大尺度區(qū)域不同生態(tài)系統(tǒng)類型土壤的研究發(fā)現(xiàn),pH是影響氨氧化微生物分布和功能活性的主要因子,氨氧化細(xì)菌和古菌amoA基因的豐度與土壤pH值呈顯著正相關(guān)[46-47]。喬沙沙[48]研究發(fā)現(xiàn)土壤pH通過影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu),決定碳代謝相關(guān)微生物的豐度,進而通過影響碳代謝功能基因的豐度來影響土壤碳代謝過程。然而,我們的研究發(fā)現(xiàn)土壤細(xì)菌的豐度在不同植被類型下無顯著差異,與土壤性質(zhì)、MAP、植被NDVI指數(shù)等均無顯著相關(guān),這些結(jié)果表明功能基因?qū)H的響應(yīng)比細(xì)菌更敏感。細(xì)菌的多樣性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于參與C、N轉(zhuǎn)化的功能微生物,因而具有更多生理代謝類型和更寬的pH適應(yīng)范圍。特別值得注意的是,本文結(jié)果顯示土壤的pH與年平均降雨量、濕潤指數(shù)和土壤含水率均為顯著負(fù)相關(guān),這說明氣候因素,特別是降水改變對土壤pH有重要影響。如有研究發(fā)現(xiàn)水分平衡的變化會導(dǎo)致堿性土壤向酸性土壤逐漸過渡,這主要是由于當(dāng)降雨量大于蒸發(fā)量時,土壤及其母質(zhì)的淋溶作用十分強烈,土壤溶液的鹽基離子易于隨滲濾水向下移動,導(dǎo)致土壤中易溶性成分減少,溶液中H+取代土壤膠體表面交換態(tài)的金屬離子被土壤所吸附,這些被取代的金屬離子和酸根陰離子一起淋失,使土壤鹽基飽和度下降、氫飽和度增加,引起土壤酸化[49]。因此,未來需要重視青藏高原降水改變引起土壤pH變化影響碳氮循環(huán)功能微生物代謝,進而對土壤碳、氮等元素的賦存及其周轉(zhuǎn)過程產(chǎn)生影響。

除此之外,土壤養(yǎng)分也是影響功能基因分布的關(guān)鍵因子,大多研究表明基因豐度與土壤養(yǎng)分呈正相關(guān)關(guān)系[23,50-52]。如斯貴才等[53]研究發(fā)現(xiàn),隨著年平均降水量的下降,土壤有機碳和全氮含量顯著下降,細(xì)菌、真菌和放線菌含量隨著年降水量的下降而顯著減少。然而,我們的研究發(fā)現(xiàn)與之相反,碳、氮礦化過程相關(guān)的25個功能基因的豐度均與土壤SOC和TN含量呈負(fù)相關(guān),與無機氮含量不相關(guān),這也表明降水條件所導(dǎo)致的土壤pH的差異對土壤碳氮循環(huán)功能基因豐度的影響可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了養(yǎng)分的影響。本研究中位于中部的砂生槐灌叢所處海拔最低,年均溫和pH在所有灌叢類型中最高,降雨量適中,土壤有機碳和全氮含量最低,不及其他灌叢類型1/2,但其功能基因豐度比碳氮含量最高的雪層杜鵑灌叢高。這些結(jié)果表明較高的功能基因豐度以及適宜的溫度、濕度和pH條件,可能加速了土壤中有機碳氮養(yǎng)分庫的分解,不利于碳氮養(yǎng)分的累積。綜合以上,這些結(jié)果表明青藏高原土壤碳氮養(yǎng)分庫和礦化作用受土壤pH、氣候、植被和功能微生物多因素的共同調(diào)控,這些結(jié)果為準(zhǔn)確評估青藏高原土壤碳、氮庫及其動態(tài)平衡提供了重要參考。

本研究中,土壤CO2釋放速率、凈氮礦化速率與碳氮礦化基因豐度之間沒有顯著的正相關(guān)關(guān)系。類似地,不少研究發(fā)現(xiàn)在DNA水平上功能基因豐度與碳氮循環(huán)轉(zhuǎn)化速率無顯著相關(guān)。如汪小蘭等[54]發(fā)現(xiàn)紫色水稻土的硝化作用活性與AOA和AOB的基因拷貝數(shù)無顯著相關(guān)性。肖海兵[55]研究發(fā)現(xiàn)侵蝕區(qū)土壤細(xì)菌豐度顯著高于沉積區(qū),但有機碳礦化速率顯著低于沉積區(qū);劉琪等[56]也發(fā)現(xiàn)微生物生物量較低的土壤在培養(yǎng)初期(前20 天)CO2排放速率是高微生物生物量土壤的1.1-6.1倍。此外,土壤中不同碳氮轉(zhuǎn)化過程耦合發(fā)生,礦化和硝化作用的產(chǎn)物可作為其他反應(yīng)過程的底物被消耗,如土壤有機氮礦化所釋放的無機氮,也會進一步被其他土壤微生物同化利用,導(dǎo)致凈礦化速率測定值低于實際的氮礦化速率。此外,在堿性土壤中有機碳分解礦化所釋放的CO2還可以被堿性物質(zhì)吸收,以碳酸鹽的形式保存在土壤中,從而降低堿性土壤的CO2排放速率。因此,未來研究可利用碳氮穩(wěn)定性同位素示蹤技術(shù)進一步區(qū)分土壤碳氮轉(zhuǎn)化具體過程(礦化、同化等)的轉(zhuǎn)化速率,為高原土壤的碳氮管理提供理論指導(dǎo)。

土壤中碳、氮循環(huán)存在強烈的耦合關(guān)系,土壤微生物驅(qū)動的碳氮耦聯(lián)作用機制也是土壤微生物生態(tài)學(xué)研究的熱點之一[57]。本研究發(fā)現(xiàn)參與碳、氮礦化的基因類群之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系,表明碳氮循環(huán)過程互相依賴,緊密聯(lián)系。土壤中碳氮的周轉(zhuǎn)受其計量比的控制[58],在氮素充足的條件下,土壤中較高的植物殘體投入量及其較低的碳氮比導(dǎo)致微生物更傾向于選擇“新鮮”碳源底物,進而減少了原有有機碳的礦化[59];反之,在氮素受限條件下,高碳氮比的植物殘體可能會增加微生物對無機氮素的需求,刺激土壤原有有機質(zhì)的分解[60]。本研究發(fā)現(xiàn)土壤C:N與CO2釋放、凈礦化速率呈顯著正相關(guān),這也進一步證明了上述推斷。同樣,土壤微生物自身也維持相對穩(wěn)定的CNP比值,據(jù)估計,全球土壤微生物的CNP比值的平均值為60∶7∶1[61]。顯然,青藏高原碳氮元素循環(huán)緊密耦合,調(diào)控和驅(qū)動生物地球化學(xué)過程,加劇了其過程的復(fù)雜性和不確定性[57]。

土壤中大多數(shù)微生物都參與土壤關(guān)鍵元素的生物地球化學(xué)過程,但這些微生物種類繁多,數(shù)量巨大,哪些微生物優(yōu)先參與、如何參與仍不清楚[62]。本研究利用高通量定量PCR技術(shù),對青藏高原不同灌叢類型下參與土壤C、N循環(huán)的多個功能基因豐度進行了表征,一定程度上也代表了參與C、N循環(huán)的功能微生物的多樣性及其潛在功能活性,未來還要結(jié)合宏基因組學(xué)、宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)和地球化學(xué)分析技術(shù)等對土壤碳、氮元素的耦合作用過程和調(diào)控機理開展深入研究。

4 結(jié)論

青藏高原喜馬拉雅山-岡底斯山地區(qū)不同灌叢類型土壤的碳氮含量、碳氮礦化速率及其相關(guān)功能基因的豐度有顯著差異,位于東南部的雪層杜鵑和香柏灌叢區(qū)比位于中西部的變色錦雞兒、金露梅和砂生槐灌叢具有更高的土壤有機碳含量、全氮含量、CO2釋放及凈氮礦化速率,但碳、氮礦化基因豐度更低。土壤有機碳、全氮含量、CO2釋放速率、凈氮礦化速率與年平均降雨量顯著正相關(guān),表明降水條件的改變對土壤碳氮元素賦存及其礦化過程有重要的影響。土壤碳氮礦化基因豐度與土壤pH呈顯著的正相關(guān),同時pH與年平均降雨量、濕潤指數(shù)和土壤含水率均為顯著負(fù)相關(guān),這意味著青藏高原暖濕化背景下,降水條件改變可能會通過影響土壤pH來調(diào)節(jié)碳氮循環(huán)相關(guān)功能微生物的豐度和活性,從而對灌叢地區(qū)的土壤養(yǎng)分和灌叢的分布產(chǎn)生重要影響。同時,碳、氮礦化相關(guān)功能基因豐度在各類群間呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系,進一步證實了土壤碳氮循環(huán)過程間緊密的耦合關(guān)系,這些結(jié)果為準(zhǔn)確評估青藏高原土壤碳、氮庫及其動態(tài)平衡提供了重要參考。