庫布齊沙地兩種植被恢復(fù)類型根際土壤微生物群落功能多樣性研究

戴雅婷，侯向陽*，閆志堅，解繼紅，吳洪新

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2.農(nóng)業(yè)部牧草資源與利用重點實驗室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

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庫布齊沙地兩種植被恢復(fù)類型根際土壤微生物群落功能多樣性研究

戴雅婷1,2，侯向陽1,2*，閆志堅1,2，解繼紅1,2，吳洪新1,2

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2.農(nóng)業(yè)部牧草資源與利用重點實驗室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

為研究庫布齊沙地生態(tài)恢復(fù)過程中不同植被恢復(fù)類型對土壤微生物群落功能多樣性的影響，采用Biolog-ECO微平板檢測法，對庫布齊沙地自然恢復(fù)19年的油蒿群落、人工種植19年的中間錦雞兒群落土壤微生物群落功能多樣性進行研究。結(jié)果表明：1)土壤微生物群落利用全部碳源的代謝活性和土壤微生物功能多樣性指數(shù)均表現(xiàn)為兩種植被恢復(fù)類型顯著高于流沙對照，其中，自然恢復(fù)的油蒿群落根際、非根際土壤分別高于人工種植的中間錦雞兒群落根際和非根際土壤；2)隨著植被恢復(fù)，從流沙對照土壤微生物以氨基酸類、胺類和芳香類為主要碳源，轉(zhuǎn)為主要利用糖類、羧酸類、多聚物類碳源。不同植被恢復(fù)類型對碳源的利用不同，油蒿群落以糖類、羧酸類、多聚物類為主要利用碳源，中間錦雞兒群落以羧酸類、氨基酸類和胺類為主要利用碳源；3)主成分分析表明，不同植被恢復(fù)類型土壤微生物碳源利用特征出現(xiàn)分異，在主成分分離中主要貢獻者是糖類碳源；4)土壤氮素含量與土壤微生物群落功能多樣性密切相關(guān)。冗余分析表明，土壤有機質(zhì)、全氮、速效鉀、速效氮、pH和全磷是土壤微生物群落利用碳源的主要控制因子。綜合分析認為，植被恢復(fù)改變了沙地土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性，自然恢復(fù)的油蒿群落更有利于增加利用多類碳源的微生物種群，在提高微生物利用碳源的整體代謝活性方面具有顯著優(yōu)勢。

植被恢復(fù)；土壤微生物；Biolog；功能多樣性

土壤微生物群落功能多樣性是表達土壤微生物群落狀態(tài)與功能的重要指標，對闡明不同環(huán)境中微生物群落的作用具有重要意義，不僅與土壤元素循環(huán)轉(zhuǎn)化的過程密切相關(guān)[1]，能夠敏感反映土壤質(zhì)量的變化[2]，而且對植物的生長發(fā)育和群落演替具有重要作用，是生態(tài)環(huán)境恢復(fù)過程中的有效指示指標[3]。

Biolog分析方法因其能夠簡單快捷地反映微生物群落的生理代謝水平而被廣泛應(yīng)用于土壤微生物功能多樣性研究，尤其是對不同環(huán)境引起的土壤微生物群落變化的研究和評價[3-5]。目前有關(guān)土壤微生物功能多樣性的研究主要集中在土壤、環(huán)境因子、植被類型、根際和非根際、人為措施等方面[6-11]，從植被恢復(fù)角度探索根際土壤微生物功能多樣性的報道還相對較少。

庫布齊沙地及其周緣地處中國北方農(nóng)牧交錯帶，是我國西北沙漠與東部農(nóng)業(yè)的生態(tài)屏障。該地區(qū)長期以來存在植被破壞、土壤沙化和荒漠化嚴重等問題，已成為退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建的重點區(qū)域。當?shù)匾约涌熘脖换謴?fù)和提高土壤質(zhì)量為防風(fēng)固沙和生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的主要目標，在生態(tài)恢復(fù)過程中逐步形成了自然恢復(fù)和人工種植的植被群落類型。隨著植被的恢復(fù)，大量有機質(zhì)進入土壤中，土壤質(zhì)量得到改善，土壤微生物種群及結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[12]，其代謝功能也隨之改變，進而影響土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化利用，對植物生長發(fā)育和土壤生態(tài)系統(tǒng)功能具有重要影響[13]。植被恢復(fù)對沙地土壤微生物群落結(jié)構(gòu)究竟有何影響？不同植被恢復(fù)方式下土壤微生物的群落又有何變化？哪種植被恢復(fù)方式能更有效恢復(fù)沙地土壤生態(tài)系統(tǒng)？目前關(guān)于庫布齊沙地生態(tài)恢復(fù)的研究主要集中在植被群落、土壤結(jié)構(gòu)、土壤酶活性、微生物數(shù)量和生物量等方面[14-17]，有關(guān)微生物群落代謝功能方面的研究較少?；诖?，本文選取庫布齊沙地兩種植被恢復(fù)類型為研究對象，采用Biolog-ECO微平板檢測法對其土壤微生物群落功能多樣性開展研究，旨在揭示不同植被恢復(fù)類型下土壤微生物學(xué)過程，以期在根際土壤微生物層面對植被恢復(fù)措施提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

試驗樣地位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市達拉特旗黃河南岸的庫布齊沙帶東段，農(nóng)業(yè)部鄂爾多斯沙地草原生態(tài)環(huán)境重點野外科學(xué)觀測試驗站內(nèi)，是典型的荒漠草原，具干旱、半干旱風(fēng)沙地貌，土壤為風(fēng)成沙性母質(zhì)上形成的風(fēng)沙土，地層多數(shù)由侏羅系和白堊系的砂巖、砂礫巖組成，交接程度松散，極易形成風(fēng)化沙粒。氣候類型為溫帶大陸性氣候，年均溫為6.1 ℃，最高溫度可達38.3 ℃，最低溫度為-32.3 ℃。年蒸發(fā)量為2130.2 mm，年均降雨量為350～380 mm，無霜期為145 d。試驗區(qū)天然植被在長期的人類活動影響下，形成天然灌叢、人工灌叢、人工草地等多種植被群落類型，主要為耐風(fēng)蝕、耐干旱的灌木和半灌木：油蒿(Artemisiaordosica)、羊柴(Hedysarummongolicum)、中間錦雞兒(Caraganaintermedia)、沙柳(Salixpsammophila)、白沙蒿(Artemisiasphaerocephala)等。

1.2樣地選擇與樣品采集

本試驗在研究區(qū)內(nèi)選擇2種不同的植被恢復(fù)類型：油蒿群落(YH)、中間錦雞兒群落(NT)，并以流動沙地(LS)作為對照(表1)。其中，油蒿群落是研究區(qū)固定沙地自然恢復(fù)19年的植被群落；中間錦雞兒群落是研究區(qū)人工種植19年后形成的植被群落。文中以YH_R表示油蒿根際，NT_R表示中間錦雞兒根際，YH_S表示油蒿非根際，NT_S表示中間錦雞兒非根際。

于2014年8月進行土壤樣品采集，在每個植被類型區(qū)設(shè)置3個樣地，在各樣地中按“S”型選取9株植物，采集0～20 cm深度根際、非根際土壤，多點混合，3次重復(fù)。采集方法參考Riley等[18]的抖落法，附著植物根系周圍1 cm的土壤作為根際土壤，采集離植物根系20 cm以外的土壤作為非根際土壤，將土樣分為兩部分，一部分用于土壤理化性質(zhì)測定，另一部分裝入無菌袋中包扎密封，低溫條件下帶回實驗室，于4 ℃保存用于土壤微生物功能多樣性分析。各樣地土壤理化性質(zhì)見表2。

表1　研究樣地基本情況

表2　不同樣地土壤的基本理化性質(zhì)

同一列中不同字母表示差異顯著(P<0.05)。The different letters in the same column indicate significant difference atP<0.05 level.YH_R: 油蒿根際Rhizosphere soil ofArtemisiaordosica；YH_S: 油蒿非根際Non-rhizosphere soil ofArtemisiaordosica；NT_R: 中間錦雞兒根際Rhizosphere soil ofCaraganaintermedia；NT_S: 中間錦雞兒非根際Non-rhizosphere soil ofCaraganaintermedia；LS: 流沙對照Untreated sandy land.下同The same below.

1.3測定方法

1)土壤理化性質(zhì)測定。土壤含水量采用烘干法，pH值采用1∶2.5土水比浸提酸度計法，有機質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱容量法，全氮采用凱氏定氮法，速效氮采用堿解蒸餾法，全磷采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法，速效磷采用Olsen法，速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度計法測定[19]。

2)Biolog-ECO測定。采用Biolog-ECO 板技術(shù)分析微生物群落碳源代謝特征，即碳代謝功能多樣性[9]。每個混合土樣稱取相當于4 g 烘干質(zhì)量的新鮮土，加入含36 mL 0.145 mol/L NaCl無菌溶液的三角瓶中，封口后在搖床上震蕩(150 r/min) 15 min，按10倍稀釋法用0.145 mol/L NaCl無菌溶液將其稀釋至原來的1/1 000，取上清液150 μL于Biolog-ECO 微孔板中，置于25 ℃暗箱培養(yǎng)；連續(xù)培養(yǎng)240 h，期間每24 h用ELISA 反應(yīng)微平板讀數(shù)器在590 nm處讀取吸光值。

1.4數(shù)據(jù)分析

采用平均顏色變化率(average well color development, AWCD)表示土壤微生物群落整體代謝活性[20]。土壤微生物群落功能多樣性指數(shù)分析采用Shannon指數(shù)、Evenness均勻度指數(shù)、Simpson指數(shù)、Brillouin指數(shù)和McIntosh指數(shù)[21]。

平均顏色變化率(AWCD)：AWCD=∑(Ci-R)/n。其中，Ci為所測定的31個碳源孔吸光值，R為對照孔吸光值，n為碳源數(shù)目。

Shannon指數(shù) (H′):H′=- ∑Pi×ln(Pi)。其中，Pi=(Ci-R)/∑(Ci-R)。

Evenness均勻度指數(shù)(E)：E=H′/lnS。其中，H′通過Shannon指數(shù)計算得出，S為顏色變化孔的數(shù)目。

Simpson指數(shù)(D):D=N(N-1)/∑ni(ni-1)。其中，ni是第i孔的相對吸光值(C-R)，N是相對吸光值總和。

Brillouin指數(shù)(H)：H=(1/N)×ln(N!/n1!n2!n3!...)。其中，ni是第i個物種的個體數(shù)量，N是所有物體的個體總和。

采用DPS軟件計算土壤微生物群落功能多樣性指數(shù)，進行方差分析、主成分分析和相關(guān)分析。運用Canoco軟件對土壤理化數(shù)據(jù)和土壤微生物群落代謝特征進行冗余分析。應(yīng)用Excel軟件進行作圖。

2　結(jié)果與分析

圖1　不同樣地土壤微生物群落平均顏色變化率Fig.1　Soil AWCD from different sample plots

2.1兩種植被恢復(fù)類型土壤微生物利用全部碳源的代謝活性變化特征

平均顏色變化率(AWCD)反映了微生物群落對碳源利用的總體能力，是土壤微生物活性及功能多樣性的重要指標[22]。AWCD 值越大表明微生物密度越大，活性越高；反之，微生物密度越小，活性越低。從圖1可以看出，各樣地土壤微生物AWCD的總體變化趨勢一致，均表現(xiàn)為隨培養(yǎng)時間的延長而逐漸增加，但各培養(yǎng)時段的增加幅度有所不同，24～120 h期間AWCD增加幅度較大，120 h之后AWCD增加幅度減緩并趨于穩(wěn)定。油蒿和中間錦雞兒群落根際土壤的AWCD在整個培養(yǎng)過程中均保持較高水平，油蒿和中間錦雞兒群落非根際土壤次之，流沙對照土壤AWCD增加幅度較小，始終維持較低水平。確定培養(yǎng)120 h作為土壤微生物生長對數(shù)期和穩(wěn)定期的臨界值，從各樣地的AWCD值推斷，土壤微生物對碳源利用的總體代謝活性總體上表現(xiàn)為YH_R>NT_R>YH_S>NT_S>LS，表明兩種植被恢復(fù)類型土壤微生物代謝活性均顯著高于流沙對照，其中，自然恢復(fù)的油蒿群落土壤微生物代謝活性高于中間錦雞兒群落。

2.2兩種植被恢復(fù)類型土壤微生物群落功能多樣性指數(shù)

根據(jù)培養(yǎng)120 h的AWCD值計算得到土壤微生物群落的Shannon指數(shù)、Evenness指數(shù)、Simpson 指數(shù)、Brillouin指數(shù)和McIntosh指數(shù)(表3)。從表3可以看出，反映微生物群落豐富度和多樣性的Shannon指數(shù)和Brillouin指數(shù)，在各樣地間存在一定的差異，Shannon指數(shù)表現(xiàn)為兩種植被恢復(fù)類型均顯著高于流沙對照(P<0.05)，其中油蒿根際顯著高于中間錦雞兒根際土壤(P<0.05)，兩者非根際土壤間差異不顯著。Brillouin指數(shù)表現(xiàn)為各樣地間差異顯著(P<0.05)，以油蒿根際土壤最高、依次為油蒿非根際、中間錦雞兒根際、中間錦雞兒非根際，流沙對照最低，結(jié)果表明油蒿根際土壤微生物群落種類最多，較為豐富，碳源利用程度較高；反映微生物群落最常見物種的Simpson指數(shù)和反映碳源利用種類數(shù)的McIntosh指數(shù)在各樣地間差異較小，沒有顯著變化；反映群落均勻度的Evenness指數(shù)除流沙對照樣地較低外，其余樣地間均無顯著差異。可見不同的植被恢復(fù)方式對沙地土壤常見微生物類群影響不大，也沒有促使某些物種大幅度增長或減少，群落均一性無顯著差異?？傮w而言，兩種植被恢復(fù)類型土壤微生物功能多樣性均高于流沙對照，其中，自然恢復(fù)的油蒿群落微生物功能多樣性明顯高于中間錦雞兒群落。

表3　不同樣地土壤微生物群落碳代謝多樣性指數(shù)

2.3兩種植被恢復(fù)類型土壤微生物群落對不同碳源利用強度

按化學(xué)基團的性質(zhì)將Biolog-ECO板上的31種碳源分成六大類，即糖類10種，羧酸類7種，氨基酸類6種，多聚物類4種，芳香類2種和胺類2種，并將每類碳源的吸光值平均。由表4可知，不同樣地土壤微生物群落對6類碳源利用率差異顯著。對糖類和多聚物類碳源利用率表現(xiàn)為兩種植被恢復(fù)類型顯著高于流沙對照，其中以油蒿根際最高，油蒿根際、非根際土壤分別高于中間錦雞兒根際與非根際土壤。對氨基酸類和胺類碳源利用率總體表現(xiàn)為兩種植被恢復(fù)類型顯著高于流沙對照，其中以中間錦雞兒根際最高，中間錦雞兒根際、非根際土壤分別高于油蒿根際和非根際土壤。對羧酸類碳源的利用率則表現(xiàn)為油蒿根際最高，其次為中間錦雞兒根際、油蒿非根際、中間錦雞兒非根際，流沙對照最低。而對芳香類碳源的利用率總體表現(xiàn)為中間錦雞兒群落最高，流沙對照次之，油蒿群落最低。從各類碳源利用情況來看，自然恢復(fù)的油蒿群落根際、非根際土壤微生物對碳源的利用基本一致，比較偏好且利用率較高的碳源類型為糖類、羧酸類、多聚物類；人工種植的中間錦雞兒群落根際和非根際土壤微生物比較偏好且利用率較高的碳源類型為羧酸類、氨基酸類和胺類，而流沙對照土壤微生物比較偏好且利用率較高的碳源類型為氨基酸類、胺類和芳香類。結(jié)果表明隨著植被恢復(fù)，土壤微生物利用碳源的能力相較于流沙對照有明顯改變，油蒿群落土壤微生物對糖類、羧酸類、多聚物類碳源的利用率顯著增加，中間錦雞兒群落土壤微生物對氨基酸類、羧酸類碳源的利用率顯著增加。

2.4兩種植被恢復(fù)類型土壤微生物群落代謝功能主成分分析

利用培養(yǎng)120 h的AWCD值，對不同樣地土壤微生物利用31種碳源情況進行主成分分析，按照主成分提取原則[23]，提取了3個主成分，累計方差貢獻率為87.63%。其中第1主成分、第2主成分和第3主成分的方差貢獻率分別為50.53%、22.20%、14.90%。

表4　微生物群落對不同碳源的利用率

不同植被恢復(fù)類型土壤微生物碳源利用的主成分分析如圖2，前兩個主成分共解釋了72.73%的變異。由圖可知，PC1基本能夠區(qū)分不同樣地土壤微生物的群落特征，在PC1上，油蒿根際和非根際土壤位于坐標軸正端，各樣地土壤微生物碳源利用的主成分分析得分排序為：YH_R>YH_S>NT_R>NT_S>LS，這與土壤微生物群落功能多樣性指數(shù)結(jié)果相一致。進一步將主成分得分系數(shù)與單一碳源AWCD值進行相關(guān)分析(表5)，對PC1貢獻大的碳源有8種(相關(guān)系數(shù),r>0.88)，均呈正相關(guān)，屬于糖類和多聚物類，以糖類為主，可見，在主成分分離中主要貢獻者是糖類碳源。

圖2　不同樣地土壤微生物群落碳源利用主成分分析Fig.2　Principal component analysis of carbon sources utilization of soil microbial communities in different sample plots

2.5兩種植被恢復(fù)類型土壤微生物群落功能多樣性與土壤因子的關(guān)系分析

為進一步揭示微生物群落功能多樣性與土壤環(huán)境因子的內(nèi)在關(guān)系，將土壤微生物代謝多樣性指數(shù)與所測土壤理化性質(zhì)之間進行相關(guān)分析。結(jié)果顯示(表6)，Shannon指數(shù)、Evenness指數(shù)與土壤全氮含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，Brillouin指數(shù)與土壤全氮含量存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，與速效氮含量存在顯著正相關(guān)關(guān)系，McIntosh指數(shù)與含水量呈顯著負相關(guān)關(guān)系?？梢妿觳箭R沙地土壤氮元素與微生物群落功能多樣性密切相關(guān)。

本研究對各樣地土壤微生物群落代謝特征進行冗余分析(圖3)，第1軸、第2軸、第3軸和第4軸的特征值分別為0.382、0.190、0.144、0.116，土壤微生物群落碳源代謝特征和土壤理化性質(zhì)在4個軸上的累計解釋變異量達到83.2%，表明土壤理化性質(zhì)與土壤微生物群落碳源代謝密切相關(guān)，具有重要影響。第1軸和第2軸累計解釋變異量為57.2%。第1軸主要相關(guān)于OM(r=-0.9469)、TN(r=-0.8748)、AK(r=-0.8696)和AN(r=-0.8142)，第2軸主要相關(guān)于pH (r=-0.7149)和TP(r=-0.4789)。由此可以推測，OM、TN、AK、AN、pH和TP是微生物群落碳源代謝特征的控制因子。

表5　各樣地土壤中與PC1顯著相關(guān)的主要碳源

表6　土壤因子相關(guān)矩陣

r0.05=0.8783,r0.01=0.9587, “*”P<0.05，“**”P<0.01.

圖3　不同樣地土壤微生物群落碳源代謝與土壤性質(zhì)的冗余分析Fig.3　Redundancy analysis (RDA) on carbon sources utilization of soil microbial communities constrained by soil variables in different sample plotsYH_R: 油蒿根際Rhizosphere soil of Artemisia ordosica；YH_S: 油蒿非根際Non-rhizosphere soil of Artemisia ordosica；NT_R: 中間錦雞兒根際Rhizosphere soil of Caragana intermedia；NT_S: 中間錦雞兒非根際Non-rhizosphere soil of Caragana intermedia；LS: 流沙對照Untreated sandy land；OM: 有機質(zhì)Organic matter；TN: 全氮Total N；TP: 全磷Total P；TK: 全鉀Total K；AN: 速效氮Available N；AP: 速效磷Available P；AK: 速效鉀Available K；WC: 土壤含水量Soil water content；pH:pH值pH Value.

3　討論

本試驗中不同植被恢復(fù)類型土壤微生物利用全部碳源的代謝活性呈現(xiàn)出隨時間延長而增加的趨勢，與范瑞英等[24]、林生等[25]研究結(jié)果一致。在培養(yǎng)過程中，油蒿群落和中間錦雞兒群落土壤微生物利用碳源的代謝能力顯著高于流沙對照，這與吳則焰等[26]研究結(jié)果一致，天然林和人工林土壤微生物對碳源利用能力高于荒地。不同植被類型是土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能具有差異的主要因素之一[27]，本研究中自然恢復(fù)的油蒿群落根際和非根際土壤AWCD值分別高于中間錦雞兒群落根際和非根際土壤，即在相同立地條件下，自然恢復(fù)的油蒿群落土壤微生物代謝活性高于人工種植的中間錦雞兒群落，與前人研究結(jié)果一致[26，28-29]，天然林土壤微生物代謝活性明顯高于人工林。分析原因認為，在植被恢復(fù)過程中，自然恢復(fù)的植被群落更能適應(yīng)當?shù)丨h(huán)境，植物生長旺盛，植被覆蓋度高，地上部凋落物不斷積累，有機質(zhì)含量逐漸升高，根系代謝產(chǎn)物和分泌物增加，而根系分泌物和凋落物是微生物利用的主要能源物質(zhì)[30]，因此土壤環(huán)境更能促進微生物繁殖發(fā)育，微生物種類和數(shù)量增加，微生物碳源代謝活性也隨之不斷增加。此外，人工種植的植被群落樣地植物種類較為單一，植被群落結(jié)構(gòu)與天然恢復(fù)的植被群落樣地不同，而植物種類會影響土壤微生物多樣性和碳分配[31]。

把多樣性、均勻度、優(yōu)勢度等不同的微生物功能多樣性指數(shù)結(jié)合起來可以綜合分析土壤微生物群落功能多樣性，在一定程度上反映土壤微生物群落組成的差異。本研究結(jié)果表明，兩種植被恢復(fù)類型土壤微生物群落多樣性、豐富度、均勻度均顯著高于流沙對照，可見植被恢復(fù)改變了沙地土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，有效提高了土壤微生物功能活性。比較兩種植被恢復(fù)類型，無論從根際還是非根際界面，自然恢復(fù)的油蒿群落土壤微生物多樣性和豐富度均高于人工種植的中間錦雞兒群落。表明油蒿根際和非根際土壤微生物群落種類最多且分布較均勻，這可能與自然恢復(fù)的植被群落根系生長旺盛、枯落物量較大且易分解，適合土壤微生物繁殖發(fā)育有關(guān)。

研究表明，除植被狀況外，土壤理化性質(zhì)是影響土壤微生物群落種類、活性和分布的關(guān)鍵[32-33]。區(qū)余端等[34]、吳則焰等[26]研究發(fā)現(xiàn)土壤微生物群落功能多樣性各指標與土壤有機碳、全氮含量之間具有極顯著正相關(guān)關(guān)系，王杰等[35]研究認為微生物對碳源的利用主要受氮素的影響。Degens等[36]研究發(fā)現(xiàn)土壤有機質(zhì)是土壤微生物群落代謝多樣性的重要因子。Shen等[37]指出pH是驅(qū)動土壤細菌群落分布的關(guān)鍵因子。本研究中，對土壤微生物功能多樣性各指標與土壤因子相關(guān)性分析也得出土壤微生物多樣性和豐富度指數(shù)與土壤氮元素密切相關(guān)。對各樣地土壤微生物碳源代謝特征進行冗余分析，結(jié)果表明，土壤有機質(zhì)、全氮、速效鉀、速效氮、pH和全磷是土壤微生物群落碳源代謝特征的主要控制因子，具有一定的調(diào)控作用。

主成分分析結(jié)果表明，不同植被恢復(fù)類型土壤微生物群落功能多樣性能夠明顯區(qū)分，在主成分分離中主要貢獻者是糖類碳源。從各類碳源利用情況來看，隨著植被恢復(fù)，土壤微生物群落主要利用碳源類型發(fā)生了變化，從主要利用氨基酸類、胺類和芳香類碳源，轉(zhuǎn)為主要利用糖類、羧酸類、多聚物類碳源，尤其是油蒿群落土壤微生物利用的主要碳源類型與流沙對照土壤具有較大差異。研究表明，土壤微生物對糖類、羧酸類和氨基酸類碳源利用的提高，有利于土壤有效養(yǎng)分轉(zhuǎn)化[38]。張杰等[39]發(fā)現(xiàn)圍墾年限越長，土壤微生物群落代謝能力整體呈下降趨勢，對糖類、羧酸類和氨基酸類這3類碳源利用能力越差。吳則焰等[26]研究也指出糖類和羧酸類碳源是天然林土壤微生物的主要碳源，對胺類碳源的利用率最小。

綜上所述，本研究運用Biolog法分析庫布齊沙地不同植被恢復(fù)類型土壤微生物群落的代謝多樣性特征，研究得出，與流沙對照和人工種植的中間錦雞兒群落相比，自然恢復(fù)的油蒿群落更有利于增加利用多類碳源的微生物種群，在提高微生物利用碳源的整體代謝活性方面具有顯著優(yōu)勢；從各類碳源利用情況來看，隨著植被恢復(fù)，土壤微生物群落主要利用碳源類型發(fā)生了變化，從主要利用氨基酸類、胺類和芳香類碳源，轉(zhuǎn)為主要利用糖類、羧酸類、多聚物類碳源；土壤有機質(zhì)、全氮、速效鉀、速效氮、pH和全磷是土壤微生物群落碳源代謝特征的主要控制因子。雖然Biolog微平板測定結(jié)果在一定程度上可以代表整個微生物群落的一部分，定量比較微生物群落相對差異，但Biolog微平板的31種碳源不能全部反映土壤微生物的復(fù)雜底物環(huán)境，也就不能完整揭示土壤微生物功能多樣性[40]。因此，下一步工作是運用高通量技術(shù)對不同植被恢復(fù)類型土壤微生物群落進行基因組學(xué)分析，進一步揭示不同植被恢復(fù)類型土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能，為庫布齊沙地選擇適宜植被恢復(fù)模式提供依據(jù)。

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Rhizosphere microbial functional diversity affected by vegetation restoration in the Hobq Sand Land, Inner Mongolia, China

DAI Ya-Ting1,2, HOU Xiang-Yang1,2*, YAN Zhi-Jian1,2, XIE Ji-Hong1,2, WU Hong-Xin1,2

1.Grassland Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Hohhot 010010, China； 2.Key Laboratory of Grassland Resources and Utilization, Ministry of Agriculture, China, Hohhot 010010, China

Soil microbial functional diversity is an important indicator of the condition and function of soil microbial communities and is also a useful indicator in the process of ecological restoration. We sought to study the effects of different vegetation restoration techniques on microbial functional diversity during ecological restoration in the Hobq Sand Land. Two types of vegetation restoration were compared; natural restoration ofArtemisiaordosicaand reintroduction ofCaraganaintermedia, which began in 1995, using a Biolog micro-plate technique with untreated sandy soil as the control. The results demonstrated that: 1) compared to untreated land, vegetation restoration resulted in increases in the rate of soil microbial carbon source utilization and community metabolic diversity. Between the two restoration types, both soil microbial carbon source utilization rate and community metabolic diversity in the rhizosphere and non-rhizosphere soils were higher in sites restored withA.ordosicathan in sites restored withC.intermedia. 2) The carbon sources predominantly used by soil microbes in untreated soil were amino acids, amines, and phenolic acids; these were replaced by carbohydrates, carboxylic acids, and polymers as vegetation recovered; these differences were significant. 3) Principal component analysis demonstrated that there were differences in soil microbial metabolic activity among different vegetation restoration systems, in particular, carbohydrates. 4) Soil nitrogen (N) was strongly correlated with microbial functional diversity. Redundancy analysis (RDA) of microbial communities constrained by different soil factors showed that soil organic matter, total N, available K, available N, pH, and total P were important factors determining the rate of metabolism of carbon substrates. It was concluded that natural restoration of theA.ordosicacommunity was better at fostering soil microbial communities capable of using different carbon sources with enhanced microbial metabolic activity than reintroduction of theC.intermediaand the untreated approach.

vegetation restoration; soil microorganism; Biolog; functional diversity

10.11686/cyxb2015586

2015-12-31；改回日期：2016-01-26

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目(1610332014026)和國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)(2014CB138806)資助。

戴雅婷(1983-)，女，蒙族，河北邢臺人，助理研究員，碩士。E-mail:daiyating1983@163.com

Corresponding author. E-mail: houxy16@126.com

http://cyxb.lzu.edu.cn

戴雅婷, 侯向陽, 閆志堅, 解繼紅, 吳洪新. 庫布齊沙地兩種植被恢復(fù)類型根際土壤微生物群落功能多樣性研究. 草業(yè)學(xué)報, 2016, 25(10): 56-65.

DAI Ya-Ting, HOU Xiang-Yang, YAN Zhi-Jian, XIE Ji-Hong, WU Hong-Xin. Rhizosphere microbial functional diversity affected by vegetation restoration in the Hobq Sand Land, Inner Mongolia, China. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(10): 56-65.