降水水平對荒漠草原生物土壤結(jié)皮碳、氮和微生物的影響

吳旭東，蔣齊，任小玢，俞鴻千，王占軍，何建龍，季波，杜建民

（寧夏農(nóng)林科學(xué)院荒漠化防治研究所，寧夏銀川750002）

在干旱半干旱地區(qū)，降水格局正在影響生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和系統(tǒng)穩(wěn)定性［1?3］，中國北方荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)異常脆弱，對極端干旱氣候極其敏感，降水是荒漠草原區(qū)關(guān)鍵限制性因素和土壤水分的主要來源，降水通過改變土壤的干濕條件和微生物群落直接影響土壤的生物化學(xué)過程［4?5］。由苔蘚、藍(lán)藻和地衣組成的生物土壤結(jié)皮是北方荒漠草原區(qū)地表景觀的主要組成部分［6?7］，生物土壤結(jié)皮能夠適應(yīng)貧瘠的土壤和有限的降水條件，并局部調(diào)節(jié)水文、土壤碳和氮循環(huán)［8?9］，生物土壤結(jié)皮的發(fā)育和演替對荒漠生態(tài)系統(tǒng)成土過程和土壤質(zhì)量演變至關(guān)重要［10?11］。認(rèn)識生物土壤結(jié)皮對氣候變化響應(yīng)對預(yù)測干旱區(qū)生態(tài)狀態(tài)變化非常重要。

土壤微生物作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，主要包括細(xì)菌、真菌、藻類和原生動(dòng)物等，對構(gòu)建土壤微生物生物量過程中資源獲取和調(diào)控碳、氮循環(huán)非常關(guān)鍵，土壤微生物也能敏感地預(yù)警土壤生態(tài)系統(tǒng)的微小變化［12］。在全球范圍內(nèi)，土壤水分有效性是預(yù)測土壤微生物生物量的最佳指標(biāo)，然而，并不是所有的微生物類群在土壤中同樣豐富，細(xì)菌和真菌在土壤中占絕對優(yōu)勢，其生物量是其他土壤微生物類群的102～104倍［13］。土壤微生物生物量碳、氮在一定程度上反映了生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)能力，對環(huán)境的響應(yīng)尤為敏感［14?16］。研究發(fā)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)對降水變化的響應(yīng)首先會(huì)發(fā)生于土壤微生物群落［17］，因此，土壤微生物以及微生物生物量可以作為表征荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)土壤質(zhì)量變化的指示性指標(biāo)。

在干旱和半干旱地區(qū)，生物土壤結(jié)皮可以固定碳、氮，并將其分泌到下層土壤中，生物土壤結(jié)皮介導(dǎo)了荒漠土壤表面邊界物質(zhì)的輸入、轉(zhuǎn)運(yùn)和輸出［6，18］。有研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌和真菌群落是生物土壤結(jié)皮發(fā)揮功能和改善質(zhì)量的先鋒種群，其豐富度是衡量生物土壤結(jié)皮發(fā)育程度和土壤質(zhì)量的指示性指標(biāo)［19?20］。尹瑞平等［21］研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)皮層微生物數(shù)量大于結(jié)皮下層，細(xì)菌和真菌數(shù)量與土壤細(xì)顆粒組分百分比以及土壤養(yǎng)分正相關(guān)。也有研究發(fā)現(xiàn)，干濕交替使得細(xì)菌數(shù)量∶真菌數(shù)量發(fā)生躍變，再次濕潤的干旱土壤中微生物生物量受到激發(fā)，而潮濕的土壤微生物生物量受到抑制［22］。因此，環(huán)境因素通過改變土壤養(yǎng)分的初始條件，土壤微生物區(qū)系將會(huì)發(fā)生明顯變化，從而影響土壤中營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)［23］?；哪菰瓍^(qū)降水稀少、分布不均勻、極端降水頻發(fā)，而生物土壤結(jié)皮能夠改變降水入滲過程和土壤水分的再分配，地表生物土壤結(jié)皮可能受降水的影響限制土層間的養(yǎng)分交換?；诖?，通過人為增加和減少降水措施，開展降水對生物土壤結(jié)皮及其下墊面土壤碳氮、微生物生物量碳氮和微生物數(shù)量的影響研究，對荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的維持機(jī)理具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)鹽池縣大水坑草原研究站（東經(jīng) 106°58′，北緯 37°24′，平均海拔 1560 m）。研究站位于毛烏素沙地南緣，屬干旱和半干旱過渡帶，典型的中溫帶大陸性氣候，年平均氣溫為7.5 ℃，降水集中在6?9 月，近60 年平均降水量約為298.3 mm，年均蒸發(fā)量超過2700 mm，年均無霜期164 d。土壤類型以易沙化的淡灰鈣土和風(fēng)沙土為主。自2001 年以來，研究區(qū)一直處于圍封狀態(tài)。植被類型主要是沙生植被和荒漠植被，優(yōu)勢種有豬毛蒿（Artemisia scoparia）和蒙古冰草（Agropyron mongolicum），生物土壤結(jié)皮覆蓋率為30%～50%，主要由藻類、地衣和苔蘚結(jié)皮組成（表1）。

表1 不同降水水平下生物土壤結(jié)皮生長發(fā)育情況Table 1 Growth and development of biological soil crusts under different precipitation levels

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2018 年3 月上旬，采用單因素完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，設(shè)置3 種降水處理：自然降水（CK），減水50%處理（?50%），增水50%處理（+50%），每個(gè)降水處理設(shè)置4 個(gè)6 m×6 m 的重復(fù)小區(qū)，小區(qū)四周采用寬度1 m、厚度0.5 mm 的聚乙烯膜圍成1 m 深隔水層防止水分?jǐn)U散，小區(qū)間設(shè)計(jì)3 m 寬的緩沖區(qū)。減水50%處理小區(qū)上面采用不銹鋼結(jié)構(gòu)和帶凹槽的1 mm 厚聚碳酸酯透明塑料板對50%的雨水進(jìn)行遮雨處理（遮雨板透光率90%以上，距離地面1.5～2.5 m，對地面溫度影響可以忽略不計(jì)），遮雨收集的雨水匯集于1000 L 的裝置中，利用水泵和噴灌系統(tǒng)將收集的雨水均勻噴灑至對應(yīng)的增水50%處理區(qū)（圖1）。水分控制時(shí)間為2019 年1 月中旬到2020 年8 月中旬，2019 和2020 年觀測期降水量（CK）分別為311.7 和299.8 mm。

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Test device

1.3 土樣采集和分析

經(jīng)過兩年的降水控制試驗(yàn)，于2020 年8 月中旬，在每個(gè)處理小區(qū)隨機(jī)選取5 點(diǎn)，按照結(jié)皮形成層，利用鏟刀分別采取生物土壤結(jié)皮層（0～0.5 cm，crust layer，CL）、中間層（0.5～3 cm，middle layer，ML）和深層（3～10 cm，deep layer，DL）土壤樣品，同層樣品混合后分成兩份，其中一份置于冷藏箱，迅速帶回實(shí)驗(yàn)室用于分析土壤真菌、細(xì)菌數(shù)量和微生物生物量碳氮含量，其中土壤微生物生物量碳（soil microbial biomass carbon，SMB-C）、土壤微生物生物量氮（soil microbial biomass nitrogen，SMB-N）含量采用氯仿熏蒸?K2SO4浸提法，浸提液中的碳和氮分別采用重鉻酸鉀外加熱法和凱氏定氮法測定［24?25］；土壤微生物的分離和計(jì)數(shù)采用稀釋平板法［26］，細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基，真菌采用馬丁?孟加拉紅培養(yǎng)基［27］；另外一份樣品帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干，過0.25 mm 篩后分別采用重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機(jī)碳（soil organic carbon，SOC）、凱氏定氮法測定總氮（total nitrogen，TN）［28］含量。

為了定量描述不同降水處理對土壤養(yǎng)分的恢復(fù)作用，采用土壤養(yǎng)分恢復(fù)指數(shù)［10］（nutrient recovery index，NRI）。土壤養(yǎng)分恢復(fù)指數(shù)是以某種處理類型為基準(zhǔn)，假設(shè)其他處理類型都是由作為基準(zhǔn)的處理類型轉(zhuǎn)變而來，然后計(jì)算土壤各個(gè)屬性在其他處理類型與基準(zhǔn)處理類型之間的差異（以百分?jǐn)?shù)表示），最后將各個(gè)屬性的差異求和平均，得到各處理的土壤養(yǎng)分恢復(fù)指數(shù)：

式中：NRI為土壤養(yǎng)分恢復(fù)指數(shù)；xi為土壤在減水50%或增水50%后第i個(gè)土壤屬性值為自然降水處理的第i個(gè)土壤屬性值；n為選擇的土壤屬性數(shù)。土壤養(yǎng)分恢復(fù)指數(shù)可以是正數(shù)，也可以是負(fù)數(shù)，負(fù)數(shù)表明土壤退化，正數(shù)說明土壤不僅沒有退化，而且質(zhì)量還有所提高。本研究以自然降水作為基準(zhǔn)，以土壤性質(zhì)之間的相關(guān)性為依據(jù)，選取SOC、TN、C∶N、SMB-C、SMB-N、SMB-C∶SMB-N、真菌數(shù)量、細(xì)菌數(shù)量以及真菌數(shù)量∶細(xì)菌數(shù)量進(jìn)行土壤養(yǎng)分恢復(fù)指數(shù)計(jì)算。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS 18.0 軟件單因素方差分析（One-way ANOVA）降水處理和土壤深度因素的影響，采用多因素方差分析（multiple comparisons ANOVA）檢驗(yàn)不同因素或處理的交互作用的效應(yīng)顯著性，使用Origin 9.0 軟件進(jìn)行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水水平對結(jié)皮及下層土壤SOC，TN 的影響

由表2 和表3 可知，降水水平和土層均對土壤SOC 含量的影響極顯著（P＜0.01），不同降水處理下各土層土壤SOC 含量表現(xiàn)為：?50%＞CK＞+50%，相同降水水平下土壤SOC 含量隨土層深度表現(xiàn)為：CL＞ML＞DL，降水水平、土層及其交互作用對土壤SOC 含量的影響極顯著（P＜0.01），?50%處理和生物土壤結(jié)皮對土壤SOC固定明顯；?50%處理下結(jié)皮層（0～0.5 cm）和中間層（0.5～3.0 cm）土壤TN 含量極顯著高于CK 和+50%處理（P＜0.01），降水處理對深層（3～10 cm）土壤N 含量影響不顯著，?50%處理有利于結(jié)皮層以及中間層土壤N 的積累，降水水平和土層交互作用對土壤N 含量的影響也達(dá)到極顯著水平（P＜0.01）；降水水平、土層深度及其交互作用對C∶N 的影響均達(dá)到極顯著水平（P＜0.01），土壤C∶N 在降水水平上的差異（偏η2=0.890）高于土層（偏η2=0.732），+50% 處理顯著降低了各土層土壤C∶N，?50% 處理下各土層土壤C∶N 極顯著高于+50% 處理（P＜0.01）。

表2 不同降水水平下生物結(jié)皮及下層土壤有機(jī)碳、全氮含量Table 2 Soil SOC and TN contents in soil layers under different precipitation levels

表3 降水水平、土層及其交互作用對土壤SOC、TN、C∶N 的影響Table 3 Effects of precipitation levels，soil depth and their interaction on the contents of soil SOC，TN and C∶N

2.2 降水水平對結(jié)皮及下層土壤SMB-C，SMB-N 的影響

由表4 和表5 可知，不同降水處理下各土層土壤SMB-C 含量表現(xiàn)為：?50%＞CK＞+50%，?50%處理對土壤SMB-C 積累極為明顯，隨著降水量增加，各土層土壤SMB-C 含量極顯著下降（P＜0.01）；相同降水水平下土壤SMB-C 含量隨土層深度表現(xiàn)為：CL＞ML＞DL，降水水平、土層及其交互作用對土壤SMB-C、SMB-N 含量的影響極顯著（P＜0.01），其中土層對SMB-N 含量的影響（偏η2=0.997）高于降水水平（偏η2=0.959），各降水處理下土壤SMB-N 含量隨土層深度極顯著下降（P＜0.01），?50%和+50%處理均顯著提高了結(jié)皮層和中間層SMB-N 含量，CK 和+50%處理對深層土壤SMB-N 的積累顯著高于?50%處理；降水水平、土層及其交互作用對土壤微生物生物量碳氮比的影響也達(dá)到極顯著水平（P＜0.01），顯著性表現(xiàn)為降水水平（偏η2=0.974）＞土層（偏η2=0.925）＞交互作用（偏η2=0.910），+50%處理顯著降低了各土層土壤微生物生物量碳氮比，土壤微生物生物量碳氮比與降水量表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)，?50% 處理下土壤微生物生物量碳氮比極顯著高于+50% 處理（P＜0.01）。

表4 不同降水水平下土壤微生物生物量碳、氮含量Table 4 Soil microbial biomass carbon and nitrogen contents in soil layers under different precipitation levels

表5 降水水平、土層及其交互作用對SMB-C、SMB-N 和SMB-C∶SMB-N 的影響Table 5 Effects of precipitation levels，soil depth and their interaction on the contents of SMB-C，SMB-N and SMB-C∶SMB-N

2.3 降水水平對結(jié)皮及下層土壤微生物數(shù)量的影響

由表6 和表7 可知，與自然降水處理相比，+50%處理顯著降低了各土層土壤真菌數(shù)量和真菌∶細(xì)菌，相反顯著提高了各土層細(xì)菌數(shù)量（P＜0.01），?50%處理顯著提高了結(jié)皮層和中間層土壤真菌數(shù)量，真菌數(shù)量隨降水減少而遞增，細(xì)菌數(shù)量隨降水增加而遞增，增加降水和減少降水均導(dǎo)致真菌數(shù)量∶細(xì)菌數(shù)量發(fā)生躍變（?50%＞CK＞+50%）；在垂直剖面上，不同降水處理下土壤真菌和細(xì)菌數(shù)量均隨土層深度增加呈遞減趨勢，而真菌數(shù)量∶細(xì)菌數(shù)量隨土層深度表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢；多因素方差分析表明，降水水平、土層及其交互作用對土壤微生物數(shù)量的影響極顯著（P＜0.01），真菌比細(xì)菌更能抵御干旱土壤條件，而細(xì)菌比真菌對降水減少更敏感，生物土壤結(jié)皮和降水增加有利于提高土壤細(xì)菌豐富度，真菌和細(xì)菌對降水變化存在不同的適應(yīng)策略。

表6 降水量對土壤微生物數(shù)量的影響Table 6 Effects of precipitation levels on the quantity of soil microorganisms

表7 降水水平、土層及其交互作用對土壤微生物數(shù)量的影響Table 7 Effects of precipitation levels，soil depth and their interaction on the quantity of soil microorganisms’number

2.4 降水水平對土壤養(yǎng)分恢復(fù)的影響

由圖2 可知，以自然降水處理為對照，?50%處理下結(jié)皮層、中間層和深層土壤養(yǎng)分恢復(fù)指數(shù)（NRI）呈極顯著性差異（P＜0.01），+50% 處理下中間土層土壤養(yǎng)分恢復(fù)指數(shù)與結(jié)皮層和深層間呈極顯著性差異（P＜0.01），?50%處理下結(jié)皮層、中間層和深層土壤養(yǎng)分均得到不同程度恢復(fù)，其中中間層NRI 最高，達(dá)到70.67%，其次為結(jié)皮層，NRI 達(dá)到47.60%，深層土壤NRI為17.02%；+50%處理下中間層NRI為7.03%，而結(jié) 皮 層 NRI 為 ?7.24%，深 層 土 壤 NRI 為 ?11.79%。+50%處理和?50%處理均對中間層土壤養(yǎng)分的恢復(fù)有極顯著（P＜0.01）影響，減水處理有利于荒漠草原土壤養(yǎng)分的積累，而增加降水后結(jié)皮層和深層土壤養(yǎng)分略有退化。

圖2 降水對土壤養(yǎng)分恢復(fù)的影響Fig.2 Effects of precipitation on the recovery of soil nutrients

3 討論

在干旱半干旱區(qū)，降水稀少、分布不均勻、極端降水頻發(fā)，而生物土壤結(jié)皮對生態(tài)環(huán)境的演化趨勢和氣候變化異常敏感［29］，生物土壤結(jié)皮對碳、氮固定作用明顯，并能將其分泌到下層土壤中，生物土壤結(jié)皮介導(dǎo)了荒漠土壤表面邊界的物質(zhì)輸入、轉(zhuǎn)運(yùn)和輸出［30］，同時(shí)，生物土壤結(jié)皮能夠改變降水入滲過程和土壤水分的再分配，地表生物土壤結(jié)皮可能受降水的影響限制土層間的養(yǎng)分交換，進(jìn)而影響土壤的質(zhì)量演變［31?33］。本研究發(fā)現(xiàn)荒漠草原生物土壤結(jié)皮及下層土壤碳、氮、微生物生物量以及微生物數(shù)量對降水的響應(yīng)明顯不同，?50%降水處理顯著提高了各土層土壤SOC、SMB-C 含量和土壤真菌數(shù)量，并顯著提高結(jié)皮層、中間層土壤TN 含量和土壤真菌數(shù)量，而+50%處理顯著提高了土壤細(xì)菌數(shù)量、結(jié)皮層和中間層SMB-N 含量，而顯著降低了各土層土壤C∶N、SMB-C∶SMB-N 和真菌數(shù)量∶細(xì)菌數(shù)量，說明在極端干旱條件下，土壤SOC、SMB-C 含量積累明顯，提高了結(jié)皮層及下層土壤氮的積累，這可能是由于干旱條件下土壤碳礦化速率下降，導(dǎo)致土壤碳積累，相反+50%降水處理能明顯改善土壤水熱狀況，加速土壤碳礦化速率，不利于土壤碳的積累，+50%降水處理下生物土壤結(jié)皮能為結(jié)皮層以及下土層土壤微生物提供較多的食物來源，并改善了微生物水熱環(huán)境，促進(jìn)了土壤微生物的生長與繁殖，進(jìn)而增加了土壤微生物生物量氮，同時(shí)過高的水分條件導(dǎo)致土壤碳礦化作用加強(qiáng)，微生物呼吸受到抑制，不利于土壤微生物生物量碳的積累，說明土壤微生物生物量碳、氮對降水變化的響應(yīng)存在差異［16］。另外，由于土壤中細(xì)菌和真菌對降水變化存在不同的適應(yīng)對策，進(jìn)而影響土壤對碳氮的輸入和輸出［31?33］。減水處理下土壤真菌占優(yōu)勢，對土壤有機(jī)碳的固定作用顯著，導(dǎo)致碳氮比下降，增水處理下細(xì)菌占優(yōu)勢，土壤微生物優(yōu)先固定微生物生物量氮，有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)降水量較高時(shí)，土壤微生物優(yōu)先固定微生物生物量氮，導(dǎo)致土壤C∶N、SMB-C∶SMB-N 下降。另外有研究發(fā)現(xiàn)，在草地生態(tài)系統(tǒng)，細(xì)菌比真菌對干旱反應(yīng)敏感，相對于細(xì)菌，真菌通常被認(rèn)為更具有耐水分脅迫的能力，當(dāng)缺水時(shí)，真菌有可能促進(jìn)碳和氮循環(huán)的維持，隨著土壤變得更加干燥，微生物的分散在物理保護(hù)的土壤孔隙內(nèi)變得更受限制，真菌的菌絲有助于彌合空間上的離散資源［34］。

由于生物土壤結(jié)皮能束縛和穩(wěn)定表層土壤［35］，在垂直水平上，不同降水處理下土壤SOC、SMB-C、SMB-N 含量、細(xì)菌和真菌數(shù)量均隨土層深度顯著下降。這是由于不同土壤深度下土壤養(yǎng)分條件、水熱情況和透氣性存在差異，加上生物結(jié)皮通過光合作用增加了地表的有機(jī)質(zhì)和氮含量，使土壤養(yǎng)分迅速積累［36］，加速表層土壤的恢復(fù)，較豐富的有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量給微生物的繁殖提供了有利條件，造成了結(jié)皮層微生物數(shù)量顯著大于結(jié)皮下層。另外，土壤生物結(jié)皮使得表層土壤結(jié)構(gòu)疏松，與空氣熱交換頻繁，促進(jìn)了土壤微生物的生長，結(jié)皮層豐富的營養(yǎng)資源能給土壤微生物提供更多的能源物質(zhì)，增加了微生物生物量的積累，結(jié)皮層同時(shí)對降水有截流作用，透過結(jié)皮層到達(dá)土壤的水分越少，長期抑制了土壤微生物的生長［35，37］。同時(shí)隨著土層加深，土壤水熱條件、通氣性和有機(jī)物質(zhì)下降，孔隙度變小，微生物活性受到了抑制，導(dǎo)致下層土壤微生物生物量積累減少［15?16，18］。交互作用結(jié)果分析表明，土壤碳氮、微生物生物量以及微生物數(shù)量與降水變化和土層深度密切相關(guān)，這些指標(biāo)能敏感地反映土壤質(zhì)量演變，并能夠很好地指示土壤對降水變化的響應(yīng)和土壤對微生物新陳代謝和發(fā)育繁衍所需要養(yǎng)分的供應(yīng)情況。

4 結(jié)論

本研究通過野外模擬降水控制試驗(yàn)研究，初步揭示了降水水平變化對荒漠草原生物C、N、土壤微生物生物量以及土壤微生物數(shù)量的影響規(guī)律：

1）減水處理下SOC、SMB-C 含量和土壤真菌數(shù)量顯著提高，同時(shí)顯著提高了結(jié)皮層和中間層土壤TN 含量和真菌數(shù)量；降水增多有利于土壤細(xì)菌數(shù)量、結(jié)皮層和中間層SMB-N 含量的積累，同時(shí)顯著降低了土壤C∶N、SMB-C∶SMB-N 和真菌數(shù)量∶細(xì)菌數(shù)量，降水量、土層及其交互作用對SOC、SMB-C、SMB-N 含量、細(xì)菌和真菌數(shù)量影響極顯著（P＜0.01）。

2）土壤真菌和細(xì)菌對降水變化存在不同的適應(yīng)策略，在降水較多時(shí)細(xì)菌占優(yōu)勢，微生物優(yōu)先固定土壤N，在降水減少時(shí)真菌占優(yōu)勢，微生物優(yōu)先固定土壤SOC，細(xì)菌對降水減少更敏感，真菌比細(xì)菌更能抵御干旱土壤條件。

3）減水處理有利于荒漠草原土壤養(yǎng)分的恢復(fù)，特別是結(jié)皮層以下土壤養(yǎng)分的恢復(fù)最為顯著，而增加降水后結(jié)皮層和深層土壤養(yǎng)分略有退化。土壤SOC、N、土壤微生物生物量以及土壤微生物數(shù)量能很好地指示荒漠草原生物土壤結(jié)皮以及下層土壤質(zhì)量對降水變化的響應(yīng)。通過對荒漠草原生物土壤結(jié)皮碳、氮和微生物對降水量的響應(yīng)研究，能夠揭示荒漠草原區(qū)生物結(jié)皮對土壤養(yǎng)分循環(huán)的貢獻(xiàn)，對生態(tài)恢復(fù)及管理提供科學(xué)依據(jù)。