楊有芳，字洪標(biāo)，羅雪萍，阿的魯驥，代 迪，王長庭

（西南民族大學(xué)青藏高原研究院，四川 成都 610041）

近年來，溫室效應(yīng)繼續(xù)擴(kuò)大，全球氣候變暖已成為人們廣泛關(guān)注的焦點(diǎn).全球變暖存在顯著的區(qū)域性差異，高海拔地區(qū)和高緯度地區(qū)對溫度升高的響應(yīng)更為敏感[1].川西北高寒草甸是我國5大牧區(qū)之一，但由于長期的人為和動(dòng)物干擾導(dǎo)致高寒草甸退化，使草地生態(tài)系統(tǒng)的功能和穩(wěn)定性減弱，出現(xiàn)土壤養(yǎng)分流失、生物多樣性遭受破壞和區(qū)域荒漠化趨勢增加等一系列生態(tài)環(huán)境問題.

土壤在陸地生態(tài)系統(tǒng)中處于載體地位，影響著陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分循環(huán)格局及植物群落生產(chǎn)力等諸多方面.土壤微生物是土壤物質(zhì)和能量流動(dòng)中不可或缺的主要成員，對土壤碳氮循環(huán)、土壤結(jié)構(gòu)形成以及生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)等多個(gè)過程中起著至關(guān)重要的作用[2]，被稱為土壤養(yǎng)分元素循環(huán)的“轉(zhuǎn)化器”，陸地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的“調(diào)節(jié)器”[3].同時(shí)，土壤微生物是地下生態(tài)系統(tǒng)的敏感指標(biāo)之一，對土壤理化性質(zhì)和質(zhì)地有非常重要的指示作用[4]，其群落結(jié)構(gòu)、數(shù)量、多樣性及其他特征受到立地條件的影響和制約，也能夠?qū)ν寥拉h(huán)境（溫度、濕度等）的改變而發(fā)生迅速改變[5].李娜等人[6]的研究中表明，土壤微生物活性隨土壤溫度升高而降低；吳靜等人[7]的研究發(fā)現(xiàn)土壤微生物呼吸Q10值隨著土壤溫度升高表現(xiàn)出降低趨勢；Zhang等[5]在青藏高原高寒草甸3年的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)增溫增加了土壤微生物生物量，并改變了土壤微生物群落組成.

Biolog-ECO法是一種用來描述微生物群落功能的變化的方法，能夠真實(shí)、直觀的描繪出土壤微生物群落底物利用的動(dòng)力學(xué)過程[8].截至目前，利用Biolog-ECO法對土壤微生物的研究多集中經(jīng)濟(jì)類型（農(nóng)田、林地等）系統(tǒng)中[9-10]，且有關(guān)增溫對土壤微生物群落代謝等方面的研究比較少，尤其對高寒草甸不同土層土壤微生物群落代謝活性、對碳源的選擇利用方式以及土壤養(yǎng)分與土壤微生物代謝活性的關(guān)系等的研究鮮有報(bào)道，而且不同環(huán)境中微生物群落功能多樣性信息尚不明確.因此，本試驗(yàn)設(shè)置獨(dú)立的開頂式增溫棚進(jìn)行模擬增溫，利用Biolog法和實(shí)驗(yàn)室常規(guī)分析法對青藏高原高寒草甸不同土層土壤養(yǎng)分、土壤微生物群落代謝活性和功能多樣性進(jìn)行研究，旨在探討高寒草甸不同土層土壤養(yǎng)分以及土壤微生物群落功能多樣性對溫度變化的響應(yīng)，為深入了解未來氣候變化條件下高寒草甸土壤C、N循環(huán)、養(yǎng)分利用動(dòng)態(tài)和微生物群落功能多樣性與土壤環(huán)境因子的相關(guān)性及生態(tài)系統(tǒng)功能的穩(wěn)定性提供參考依據(jù).為此，我們提出以下問題:（1）增溫后土壤養(yǎng)分有無變化?（2）增溫對高寒草甸不同土層土壤微生物代謝活性影響如何?（3）增溫對高寒草甸不同土層微生物功能多樣性有無影響?（4）不同土層土壤養(yǎng)分含量與微生物碳源利用之間有無相關(guān)性?

1 研究區(qū)域自然概況

野外實(shí)驗(yàn)在位于青藏高原東緣四川省阿壩州紅原縣（31°50′～33°22′N，101°51′～103°23′E）西南民族大學(xué)生態(tài)保護(hù)與畜牧高科技研發(fā)試驗(yàn)園區(qū)（32°49.823′N，103°35.237′E）進(jìn)行.紅原縣氣候類型屬于高原寒溫帶半濕潤季風(fēng)氣候.年降水量650～800 mm，80% 集中在5～9月份.年平均氣溫1.1℃，最高氣溫24.6℃，極端高溫25.6℃；最低氣溫-10.3℃，極端低溫-33.3℃.植被以莎草科中的四川嵩草（Kobresia setchwanensis），禾本科中的垂穗披堿草（Elymus nutans）、剪股穎（Agrostis matsumurae） 等，雜類草中的條葉銀蓮花（Anemone trullifolia）、鈍苞雪蓮（Saussurea nigrescens）、鵝絨委陵菜 （Potentilla anserina）和高山紫菀（Aster alpinus）等占優(yōu)勢.植被生長期為120～140天，7、8月份植被平均蓋度超過80%，最高植被高度達(dá)45～60 cm.土壤類型為亞高寒草甸土，pH值為4.6左右，土壤中有機(jī)質(zhì)比較豐富，速效氮含量較高，速效磷的含量較少[11].

2 材料與方法

2.1 樣地設(shè)置

試驗(yàn)樣地于2009年7月設(shè)置安裝增溫棚，周圍用網(wǎng)圍欄封育，禁止放牧.采用國際凍原計(jì)劃（International Tundra Experiment，ITEX）模擬增溫效應(yīng)對植被影響作用的方法[12]，在樣地內(nèi)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，建立2種2×2×2 m開頂式小室（OTCs/CK）共20個(gè)，其中10個(gè)OTCs周圍采用聚碳酸酯薄板（polycarbonate sheet）（透光率 80～90%）包裹，每個(gè)OTCs之間間隔5 m，并將底部固定于土壤中作為增溫處理.用網(wǎng)眼為0.2 mm的鋼絲網(wǎng)（＜0.1 mm）包裹作為對照處理.在增溫與對照樣地內(nèi)分別隨機(jī)選擇1個(gè)樣方，安裝土壤和空氣溫濕度測定儀（YM-01A），測定土壤0～20 cm土層和離地表30 cm處的溫濕度變化，測定時(shí)間從2013年11月到2014年12月，采用植被生長季（5～9月）溫濕度數(shù)據(jù)，OTC處理增高了土壤月平均溫的0.73℃，降低了土壤月平均濕度的13.58%（表 1）.生長季空氣溫度較對照升高了7.21℃，空氣濕度較對照下降了4.8%（表2）.

表1 土壤溫濕度變化Table 1 Changes in soil temperature and humidity

表2 空氣溫濕度變化Table 2 Changes in air temperature and humidity

2.2 樣品采集

于2014年8月中旬在增溫和對照處理中各選取3個(gè)樣方，用土鉆（直徑3 cm）采用“V”字形法鉆取5鉆，按0-10 cm、10-20 cm土層分別取樣，揀去石塊和植被根系、枯落物等雜物后，一部分裝入已經(jīng)做好標(biāo)記的采樣袋，并迅速放入保鮮盒，立即帶回實(shí)驗(yàn)室放入4℃冰箱保存，用于土壤微生物功能多樣性的測定.另一部分同樣進(jìn)行標(biāo)記，風(fēng)干后過0.25 mm土壤篩，用于測定土養(yǎng)分.

2.3 土壤養(yǎng)分測定

土壤有機(jī)質(zhì)（soil organic matter，SOM）、土壤全氮（total nitrogen，TN）、全磷（total phosphorus，TP）、全鉀（total potassium，TK）、速效鉀（available potassium，AK）、速效氮（available nitrogen，AN）、速效磷（available phosphorus，AP）含量測定方法參照文獻(xiàn)[11].

2.4 土壤微生物功能多樣性的測定與計(jì)算

采用Biolog-ECO生態(tài)板對0～10 cm和10～20 cm土層土壤樣品中微生物功能多樣性進(jìn)行測定，每個(gè)土層進(jìn)行3次重復(fù).具體操作和計(jì)算參照Chaerun等[13]和黨雯等[14]的方法.

土壤微生物多樣性指數(shù)（Shannon-Weiner指數(shù)、Pielou指數(shù)、McIntosh指數(shù)）可以反映微生物群落物種及其個(gè)體分布均勻程度和豐富度，具體計(jì)算方法參考相關(guān)文獻(xiàn)[11].

2.5 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 19.0對土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)、微生物群落多樣性指數(shù)及底物碳源利用數(shù)進(jìn)行單因素方差分析（one-way ANOVA），最小顯著差數(shù)法（LSD法）進(jìn)行多重比較（α＝0.05）.用Pearson相關(guān)系數(shù)評價(jià)AWCD值（Average well color development，AWCD）、微生物功能多樣性指數(shù)、6類碳源利用能力與土壤養(yǎng)分間的相關(guān)關(guān)系.用CANOCO for Windows 5.0軟件對培養(yǎng)72 h的土壤微生物進(jìn)行主成分分析（principal component analysis，PCA）來解釋土壤微生物功能特征的變化.

3 結(jié)果與分析

3.1 增溫對高寒草甸土壤養(yǎng)分的影響

方差分析表明，增溫后0～10 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)和速效氮含量較對照相比顯著下降，而土壤速效磷和速效鉀含量則上升；在10～20 cm土層，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和速效氮含量顯著高于對照.土壤全磷和全鉀含量均沒有顯著變化（表3）.

3.2 增溫對高寒草甸土壤微生物功能多樣性的影響

3.2.1 增溫后高寒草甸土壤微生物平均吸光值（AWCD）變化特征

從圖1中可以看出，不同處理土壤微生物的AWCD值在培養(yǎng)48 h內(nèi)為接近為0，且無明顯變化，表明微生物代謝活動(dòng)不強(qiáng)，碳源基本上未被利用，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長，在48 h到168 h內(nèi)AWCD值急劇升高，底物碳源被大幅度利用消耗；在168 h以后，AWCD值仍繼續(xù)增大，并逐漸趨于平緩，土壤微生物對底物的利用率降低，這符合微生物利用培養(yǎng)基質(zhì)生長的一般情況.增溫后的微生物總體活性明顯高于對照處理，土壤微生物群落對碳源的利用能力表現(xiàn)為0～10 cm＞10～20 cm，其中，增溫后10～20 cm土層土壤微生物對碳源的利用消耗程度在培養(yǎng)144 h后高于表層土壤.

表3 增溫對不同土壤深度高寒草甸土壤養(yǎng)分的影響Table 3 Effects of warming on soil nutrients in alpine meadow at different soil depths

圖1 增溫對不同土層高寒草甸土壤微生物AWCD值的影響Fig.1 Effect of warming on soil microorganism AWCD value of different soil layers in alpine meadow.

3.2.2 高寒草甸土壤微生物群落功能多樣性指數(shù)比較分析

如圖2所示，土壤微生物群落在培養(yǎng)72 h后，McIntosh指數(shù)并沒有表現(xiàn)出明顯變化，而Shannon-Weiner指數(shù)和Pielou指數(shù)在同一土層均表現(xiàn)出OTCs＜CK，在0-10 cm 土層分別降低了0.22、0.06，在10-20 cm分別降低了0.34和0.1.增溫后0～10 cm土層土壤微生物碳源利用數(shù)顯著高于10～20 cm土層，且10～20 cm土層土壤微生物碳源利用數(shù)顯著低于對照.

3.3 高寒草甸土壤微生物群落對碳源利用的主成分分析

對0～10 cm和10～20 cm土層土壤微生物群落對碳源的利用分別進(jìn)行主成分載荷因子分析（表4），結(jié)果表明，0～10 cm土層，主成分1和主成分2的累積貢獻(xiàn)率為89.6%，10～20 cm土層前2個(gè)主成分?jǐn)?shù)據(jù)變異貢獻(xiàn)率為68.1%.在0～10 cm土層與PC1和PC2呈顯著相關(guān)的碳源分別有13種和5種，即與PC1相關(guān)的碳源分別有4種碳水化合物類，4種氨基酸類，3類羧酸類，多聚物類和酚酸類各1種；與PC2相關(guān)的碳源分別有2種碳水化合物類，氨基酸類、羧酸類和多聚物類各1種.在10～20 cm土層分別有13種和2種碳源與PC1和PC2呈顯著相關(guān)，即與PC1相關(guān)的碳源分別有8種碳水化合物類，2種羧酸類，氨基酸類、多聚物類和酚酸類各1種；各有1種碳水化合物類和多聚物類碳源與PC2相關(guān).從圖3中箭頭的長短也可以看出碳水化合物是土壤微生物群落利用的主要碳源類型，氨基酸類、羧酸類、多聚物類和酚酸類次之.

圖3中，除對照10～20 cm土層1個(gè)樣品外，其余增溫和對照樣地較集中的分布于不同區(qū)域，表明微生物群落結(jié)構(gòu)對碳源利用存在差異.增溫后表層土壤微生物群落對碳源的利用高于10～20 cm土層，而低于對照樣地表層土壤，而增溫后10-20 cm土層土壤微生物群落對碳源的利用低于除對照10～20 cm土層1個(gè)樣品外的其余2個(gè)樣地.說明增溫和土層深度對土壤微生物群落對碳源的利用均有影響.

圖2 增溫對不同土層高寒草甸微生物群落功能多樣性的影響Fig.2 Response of soil microbial functional diversity of alpine meadow soil microbial communities to warming at different soil depths

表4 主成分載荷因子Table 4 Loading factors of principal component

注:?，??:分別表示在0.05和0.01水平下顯著相關(guān)（雙尾檢驗(yàn)）.下同.

圖3 增溫后不同土層高寒草甸土壤微生物群落對碳源利用的主成分分析注:CAR:碳水化合物；AMA:氨基酸；CAA:羧酸；PLO:多聚物；PHA:酚酸；AMI:胺類 .Fig.3 PCA for carbon source utilization of soil microbial communities with warming at different soil depths

3.4 增溫后高寒草甸土壤養(yǎng)分與6類碳源的相關(guān)性分析

不同土壤深度土壤養(yǎng)分與6類碳源的相關(guān)性分析表明，除AMA、AMI和POL與土壤養(yǎng)分均無顯著相關(guān)性外，其余都有顯著或者極顯著相關(guān).0-10 cm土層CAR與SOM呈顯著正相關(guān)，與AP呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），與AN呈極顯著正相關(guān)，與AK呈極顯著負(fù)相關(guān)（P ＜0.01）；CAA與土SOM呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與AN呈顯著正相關(guān)，與AK呈顯著負(fù)相關(guān)（P ＜0.05）.PHA與TP呈顯著正相關(guān)，與AP呈顯著負(fù)相關(guān)（P ＜0.05）.10-20 cm土層CAR與TK呈顯著正相關(guān)（P ＜0.05）；CAA與SOM、TN和AN呈顯著負(fù)相關(guān)，與TK呈顯著正相關(guān)（P ＜0.05）；PHA與SOM、TN和AN都均呈極顯著負(fù)相關(guān)（P ＜0.01）（表5）.

表5 增溫后不同土層土壤養(yǎng)分與6類碳源的相關(guān)性分析Table 5 Correlation analysis of soil nutrients and 6 types of carbon sources in different soil layers after warming

4 討論

4.1 增溫對高寒草甸土壤養(yǎng)分的影響

研究發(fā)現(xiàn)增溫后高寒草甸0～10 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量高于對照，這可能是增溫棚內(nèi)的溫度高于棚外溫度，溫度的升高加快了表層土壤中有機(jī)質(zhì)的分解速率，從而導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)含量減少[15].土壤溫度升高影響植物根系對水分的吸收，使植物根的呼吸代謝作用加強(qiáng)，加速了根系的衰老進(jìn)程，從而增加了根系脫落物的積累，而且通過細(xì)根周轉(zhuǎn)和死亡根系的分解而歸還到土壤中的養(yǎng)分元素和有機(jī)質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過地上凋落物的歸還量[16].草地植被根系大部分分布于0～10 cm土層中，隨著土層深度的增加，其根系數(shù)量也會急劇減少[17]，這就導(dǎo)致了土壤有機(jī)質(zhì)在土壤中的垂直分布.同時(shí)，溫度升高使表層土壤中有機(jī)質(zhì)迅速分解，而有機(jī)質(zhì)中的磷素和鉀素以可溶性成分存在于土壤中，溫度升高使土壤中難溶性磷酸鹽的活化性增強(qiáng)，使礦物態(tài)的鉀和次生礦物態(tài)的含鉀礦物分解加速，增加了土壤中速效鉀和速效磷的含量[18].有研究表明，溫度和水分是影響土壤中氮含量的重要因素，土壤凈氮礦化速率與土壤溫度和水分變化呈正相關(guān)[19]，增溫棚的設(shè)置改變了棚內(nèi)土壤的水熱狀況（表1和表2），因溫度升高，增加了表層土壤中水分的蒸發(fā)，使表層土壤中速效氮的含量明顯減少.另外，土壤類型、植被類型、地形地貌以及水分等環(huán)境因素都會造成土壤養(yǎng)分含量的變化[20].

4.2 增溫對高寒草甸土壤微碳源利用代謝活性的影響

增溫后高寒草甸土壤微生物群落總體活性明顯高于對照處理，可能原因有:1）增溫能夠促進(jìn)凋落物的分解速度，土壤微生物獲得碳源數(shù)量增加（圖2），微生物對碳源利用代謝能力也隨之提高；2）高緯度地區(qū)年平均氣溫較低，一些適應(yīng)低溫生存的土壤微生物占優(yōu)勢，較低溫度范圍內(nèi)溫度升高，激活了這部分微生物的代謝活性[21]；3）不同微生物群落有著其特定的溫度適應(yīng)范圍，土壤微生物呼吸溫度會隨著土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的改變而發(fā)生變化[7]；4）土壤氮素是影響土壤微生物碳源代謝的重要原因之一，與土壤微生物的代謝能力呈正相關(guān)關(guān)系[22]，本試驗(yàn)中，10～20 cm土層氮素含量顯著高于0～10 cm土層中的含量，這可能是本試驗(yàn)中為什么增溫后10～20 cm土層土壤微生物碳源利用代謝活性在培養(yǎng)144 h后高于0～10 cm土層的原因.存在問題:有研究表明水分含量與AWCD值呈顯著正相關(guān)[22-23]，而在本研究中，增溫棚內(nèi)的土壤濕度低于對照，這可能還與土壤pH、酶活性的相互作用，以及微生物的生理生化特性、種群結(jié)構(gòu)和群落組成等因素有關(guān)，需進(jìn)一步研究探討.

同一土層深度土壤微生物Shannon-Weiner指數(shù)和Pielou指數(shù)與對照相比均在增溫后有所下降.在侯曉杰[24]等人的研究中，同一施肥條件下覆蓋地膜后，土壤微生物Shannon-Weiner指數(shù)與裸地相比有所降低，這可能是因?yàn)樵鰷嘏锖透采w地膜都提高了土壤溫度，溫度的改變導(dǎo)致了土壤環(huán)境的改變，從而改變了微生物多樣性.也可能與植物群落結(jié)構(gòu)有關(guān)，一方面，植物群落結(jié)構(gòu)組成差異導(dǎo)致了凋落物和根際分泌物差異，使土壤微生物的能量來源存在差異，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)也發(fā)生變化[25].另一方面，土壤微生物群落多樣性與地上植被群落的生產(chǎn)力呈正相關(guān)[26]，長期增溫后，地上生物量明顯減少，植物的生長發(fā)育受到一定的限制，植物的生產(chǎn)力降低[27]，從而導(dǎo)致土壤微生物多樣性降低.

4.3 增溫對高寒草甸土壤微生物群落功能多樣性的影響

PCA分析表明（圖3），碳水化合類、氨基酸類、羧酸類、酚酸類以及胺類都與各主成分間有顯著相關(guān)性，說明土壤微生物利用的碳源主要是它們，其中碳水化合物類碳源是土壤微生物利用的最主要的碳源之一.土壤養(yǎng)分與碳源的相關(guān)性分析說明土壤養(yǎng)分對土壤微生物碳源代謝功能有不同程度的影響，且除了胺類與多聚物類碳源與土壤養(yǎng)分沒有顯著相關(guān)性之外，其余都與土壤養(yǎng)分有不同程度的相關(guān)性.枯枝落葉和植物根系中的有機(jī)成分限制了土壤資源的有效性，土壤微生物獲取資源的能力也存在異質(zhì)性，且在不同的時(shí)間和空間尺度上植物的生產(chǎn)力水平往往也影響著土壤微生物群落生物量和功能[28].鄭瓊[29]等人的研究表明不同火燒強(qiáng)度對土壤微生物對碳源的利用能力有利弊作用，即短期內(nèi)土壤溫度大幅度升高后，土壤微生物對碳源的利用能力表現(xiàn)為先升高后抑制.此外，增溫改變了土壤環(huán)境，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分發(fā)生改變，土壤微生物多樣性與土壤養(yǎng)分和根系分泌物密切相關(guān)，相互影響，從而改變了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)功能，微生物代謝活性也隨之受到影響[24].

5 結(jié)論

通過對模擬增文后土壤養(yǎng)分和微生物功能多樣性的研究，得出以下結(jié)論:模擬增溫雖然顯著提高了土壤微生物碳源代謝活性，但降低了土壤微生物對碳源的利用率，土壤微生物功能多樣性的降低主要與增溫降低了土壤中有機(jī)質(zhì)和速效氮含量有關(guān).