增溫對(duì)結(jié)皮土壤系統(tǒng)氮轉(zhuǎn)化速率及微生物生物量碳氮與酶活性的影響*

徐軍山，蘇 雪，賈志鵬，杜梅娜

（西北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，蘭州 730070）

氣候變暖是全球變化的重要方面，也是目前全世界要面臨的巨大挑戰(zhàn)。根據(jù)氣候模型預(yù)測(cè)[1]，中國西北沙漠氣溫將會(huì)持續(xù)上升，預(yù)計(jì)至2050年可能升高1.5℃。騰格里沙漠地區(qū)長期觀測(cè)發(fā)現(xiàn)該區(qū)域呈現(xiàn)出氣溫升高而降水減少的趨勢(shì)[2]。在此背景下，增溫對(duì)各個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。因此，闡明荒漠生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)過程對(duì)氣候變化的響應(yīng)機(jī)制就顯得十分重要。

氮素是土壤的重要養(yǎng)分限制因子之一[3]。土壤氮庫是植物吸收氮素的重要來源，土壤有機(jī)氮作為土壤氮庫的核心成分，占土壤全氮的95%左右，但卻不能被植物直接吸收利用，需要通過礦化作用才能轉(zhuǎn)化成為植物有效利用的氮素。土壤氮礦化作用是指土壤中有機(jī)態(tài)氮在微生物的作用下轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮和硝態(tài)氮形式的無機(jī)氮的過程。氮礦化過程是氮循環(huán)的關(guān)鍵過程，在一定程度上決定了土壤供氮能力水平的高低，是當(dāng)前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[4]。研究土壤氮素礦化特征有利于全面認(rèn)識(shí)和深入了解生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和氮循環(huán)過程。

眾多研究表明，溫度是限制土壤氮礦化作用最重要的環(huán)境因子之一[5]。目前，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于室內(nèi)增溫對(duì)土壤氮礦化作用的影響已開展大量研究[6]；然而，相較室內(nèi)增溫研究，野外增溫研究能夠有效模擬氣候變暖，對(duì)正確認(rèn)識(shí)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)和適應(yīng)機(jī)制具有重要意義。關(guān)于野外增溫對(duì)土壤氮礦化作用的研究主要集中在森林[7]、草地[8]和濕地[9]等生態(tài)系統(tǒng)，由于研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的差異，增溫對(duì)氮礦化作用的影響表現(xiàn)為促進(jìn)[10]、抑制[11]和無影響[12]。有關(guān)荒漠生態(tài)系統(tǒng)，尤其是該生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分——生物土壤結(jié)皮[13]覆蓋土壤氮循環(huán)特征對(duì)增溫的響應(yīng)也有一些研究[14]，但從不同水平（功能基因→微生物生物量→酶活性）闡明土壤氮礦化對(duì)增溫的響應(yīng)機(jī)制方面的研究涉及較少。

生物土壤結(jié)皮廣泛分布于荒漠生態(tài)系統(tǒng)中，其繁衍和拓殖對(duì)土壤氮循環(huán)過程起著重要的調(diào)節(jié)作用[15]。因此，本研究以該區(qū)域蘚類結(jié)皮為研究對(duì)象，采用開頂式生長室（open-top chamber，OTC）模擬增溫，通過野外培養(yǎng)原狀土柱的方法，探究增溫對(duì)蘚類結(jié)皮土壤氮轉(zhuǎn)化特征、微生物生物量、酶活性和功能基因的影響，揭示蘚類結(jié)皮土壤氮轉(zhuǎn)化特征對(duì)增溫的響應(yīng)機(jī)制，為進(jìn)一步認(rèn)知未來氣候變暖背景下蘚類結(jié)皮在土壤氮循環(huán)中的生態(tài)功能提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏中衛(wèi)市（37°25′N，104°36′E）以西50 km處的一碗泉天然植被區(qū)。該區(qū)位于騰格里沙漠東南緣，海拔1 339 m，屬于典型的草原化荒漠向荒漠化草原的過渡帶。年均氣溫10.6℃，極端最低氣溫為-25.1℃，極端最高氣溫為38.1℃，最明顯的特征是冬夏季具有較大的晝夜溫差；年降水量和年均潛在蒸發(fā)量分別為186 mm和2 900 mm；平均風(fēng)速2.6 m·s-1，年降塵天數(shù)59 d。

該區(qū)灌木、半灌木群落主要以檸條（Caragana korshinskii）和油蒿（Artemisia ordosica）為主，優(yōu)勢(shì)草本植物有茵陳蒿（Artemisia capillaries）、小畫眉草（Eragrostis poaeoides）和刺沙蓬（Salsola ruthenica）。稀疏的植被間大量分布著發(fā)育良好的蘚類結(jié)皮，形成獨(dú)特的地表微景觀。具體土壤理化性質(zhì)見表1。

1.2 土壤樣品采集

以蘚類結(jié)皮和無結(jié)皮為主的兩個(gè)微生境進(jìn)行采樣，兩個(gè)微生境相距5～10 m。采樣時(shí)，首先去除地上部分凋落物層，用硬質(zhì)聚氯乙烯（PVC）管（直徑和高度均為10 cm）在每個(gè)微生境中隨機(jī)采集30個(gè)樣品，樣品間間隔1～3 m，為保證氣體交換，土壤樣品底部用細(xì)網(wǎng)狀尼龍密封。共采集了60個(gè)土壤樣品（每個(gè)微生境30個(gè)樣品，2個(gè)微生境）。

1.3 模擬增溫試驗(yàn)

增溫裝置OTC采用1m×1m×1m的透光性極好的玻璃板制成，使用數(shù)據(jù)記錄器（Mlog5W-rt，德國）記錄了OTC中的空氣溫濕度，研究期間平均氣溫增加0.7℃，平均降水減少10 mm。然后將每個(gè)微生境采集的樣品隨機(jī)選取5個(gè)分別放進(jìn)3個(gè)OTC中（3個(gè)重復(fù)）進(jìn)行增溫處理。同時(shí)用數(shù)據(jù)采集器（EM50，UGT，美國）監(jiān)測(cè)土壤表層（0～5 cm）溫濕度。經(jīng)過3年（2016年1月至2018年12月）增溫處理后，去除表層結(jié)皮后，采集表層土壤，為了降低空間異質(zhì)性，將5個(gè)樣品混合成為一個(gè)樣品，每種處理設(shè)三個(gè)重復(fù)，然后保存于干冰中，立即帶回實(shí)驗(yàn)室。所有樣品立即過1 mm篩，一部分土樣用于各理化指標(biāo)、無機(jī)氮含量、微生物生物量和酶活性測(cè)定，另一部分土樣保存于-80℃冰箱中，用于宏基因組測(cè)序。

表 1 研究區(qū)0～5 cm土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of the top soil（0～5 cm）in the study area

1.4 測(cè)定方法

土壤理化指標(biāo)測(cè)定：土壤pH采用玻璃電極法測(cè)定（水︰土=5︰1）；粒徑采用激光粒度儀法測(cè)定；土壤全碳含量采用元素分析儀（Vario EL III型，Elementar，德國）測(cè)定；土壤全氮含量采用凱氏定氮法測(cè)定，樣品分析在取樣后24 h內(nèi)完成。

無機(jī)氮含量、微生物生物量和酶活性測(cè)定：運(yùn)用2 mol·L-1KCl溶液浸提土壤，采用全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀（SmartChem140，AMS/Westco，意大利），利用靛酚藍(lán)比色法和硫酸肼法分別測(cè)定銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量，計(jì)算土壤凈氨化速率、凈硝化速率和凈氮礦化速率。采用氯仿熏蒸法測(cè)定土壤微生物生物量碳和氮；N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶的活性用黑色聚苯乙烯96孔板進(jìn)行熒光檢測(cè)；測(cè)定脲酶活性的方法是使用10%尿素溶液作為基質(zhì)，在37℃恒溫箱中培養(yǎng)24 h，然后用分光光度計(jì)（721型，上海欣茂）測(cè)定578 nm波長處的濃度。

宏基因組測(cè)序法：1）DNA提取及測(cè)序：利用Fast DNA Spin Kit（MP Biomedicals，Santa Ana，CA，美國）試劑盒進(jìn)行樣品DNA的提取，提取后利用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)DNA完整性；后通過Covaris M220（基因公司，中國）將DNA片段化，篩選約300 bp的片段；接著使用NEXTFLEX Rapid DNA-Seq（Bioo Scientific，美國）構(gòu)建PE文庫；然而進(jìn)行橋式PCR擴(kuò)增，擴(kuò)增后使用Illumina Hiseq（Illumina，美國）測(cè)序平臺(tái)進(jìn)行宏基因組測(cè)序。2）數(shù)據(jù)質(zhì)控和基因豐度的預(yù)測(cè)：利用軟件Fastp對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)控，質(zhì)控后使用基于succinct de Bruijn graphs原理的拼接軟件MEGAHIT對(duì)優(yōu)化序列進(jìn)行拼接組裝，拼接組裝后篩選大于等于300 bp的重疊群（contigs）；接著使用MetaGene軟件對(duì)重疊群（contig）進(jìn)行開放閱讀框（ORF）預(yù)測(cè)；然后使用CD-HIT軟件對(duì)所有樣品預(yù)測(cè)出來的基因序列進(jìn)行聚類，構(gòu)建非冗余基因集；最后使用SOAPaligner軟件將每個(gè)樣品中的高質(zhì)量序列（reads）與非冗余基因集進(jìn)行比對(duì)（95% identity），統(tǒng)計(jì)基因在對(duì)應(yīng)樣品中的豐度信息。

1.5 數(shù)據(jù)處理

土壤凈氨化速率=（培養(yǎng)后的銨態(tài)氮濃度-培養(yǎng)前的銨態(tài)氮濃度）/培養(yǎng)時(shí)間

土壤凈硝化速率=（培養(yǎng)后的硝態(tài)氮濃度-培養(yǎng)前的硝態(tài)氮濃度）/培養(yǎng)時(shí)間

土壤凈氮礦化速率=（培養(yǎng)后的無機(jī)氮濃度-培養(yǎng)前的無機(jī)氮濃度）/培養(yǎng)時(shí)間

其中，公式中培養(yǎng)時(shí)間均為3年。

采用SPSS20.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析、雙因素方差分析和配對(duì)樣本T檢驗(yàn)：單因素方差分析（One-way ANOVA）用來比較不同處理之間各個(gè)參數(shù)的差異顯著性；雙因素方差分析（Two-way ANOVA）用來分析增溫與蘚類結(jié)皮及其交互作用對(duì)土壤凈氮轉(zhuǎn)化速率和酶活性等指標(biāo)的影響；配對(duì)樣本T檢驗(yàn)用來分析土壤凈氮轉(zhuǎn)化速率、酶活性等參數(shù)在對(duì)照與增溫處理之間的差異顯著性；利用多重比較（Tukey HSD）法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)（α=0.05）；對(duì)基因豐度與凈氮轉(zhuǎn)化速率的關(guān)系做了相關(guān)性分析。運(yùn)用Origin 8.5軟件作圖，圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié) 果

2.1 增溫處理土壤溫度和濕度的動(dòng)態(tài)變化

如圖1所示，增溫處理后蘚類結(jié)皮土壤和無結(jié)皮土壤溫度均呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，分別較對(duì)照增加了3.57℃和3.62℃；而土壤濕度則明顯減少，分別較對(duì)照減少了1.26%和2.43%。

2.2 增溫對(duì)土壤凈氮轉(zhuǎn)化速率的影響

增溫和土壤類型均對(duì)凈氨化速率、凈硝化速率和凈氮礦化速率具有顯著影響并且兩者之間存在明顯的交互作用（表2）。增溫顯著降低了蘚類結(jié)皮土壤凈氮轉(zhuǎn)化速率：凈氨化速率、凈硝化速率和凈氮礦化速率分別較對(duì)照處理降低了49.5%、63.2%和59.7%；而無結(jié)皮土壤凈氮轉(zhuǎn)化速率在增溫與對(duì)照處理之間差異不顯著。相同處理下，蘚類結(jié)皮土壤凈氮轉(zhuǎn)化速率明顯高于無結(jié)皮土壤（圖2）。

2.3 增溫對(duì)土壤酶活性的影響

增溫和土壤類型均對(duì)N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性和脲酶活性具有顯著影響并存在明顯交互作用（表2）。由圖2可以看出，經(jīng)增溫處理后，蘚類結(jié)皮土壤相關(guān)酶活性（N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性、亮氨酸氨基肽酶活性和脲酶活性）均顯著下降，分別較對(duì)照減少36.4%、21%和19.8%；而對(duì)于無結(jié)皮土壤，除土壤脲酶活性較對(duì)照顯著減少20.6%外，其余酶的活性在增溫前后差異不顯著。此外，蘚類結(jié)皮土壤酶的活性均顯著高于無結(jié)皮土壤。

2.4 增溫對(duì)土壤微生物生物量碳氮的影響

增溫和土壤類型均對(duì)微生物生物量碳氮具有顯著影響，增溫與土壤類型對(duì)微生物生物量碳的影響存在明顯交互作用，而對(duì)微生物生物量氮的影響無明顯交互作用（表2）。由表3可知，增溫處理后，蘚類結(jié)皮土壤微生物生物量碳氮含量顯著降低，分別較增溫前降低了28.4%和37.3%；無結(jié)皮土壤微生物生物量氮含量在增溫后處理下顯著降低了58.7%，而無結(jié)皮土壤微生物生物量碳含量在增溫后與增溫前處理之間差異不顯著。此外，蘚類結(jié)皮土壤微生物生物量碳氮含量明顯高于無結(jié)皮土壤。

表3 增溫處理下的土壤微生物生物量碳氮Table 3 Effects of warming on soil microbial biomass carbon and nitrogen

2.5 增溫對(duì)土壤氮轉(zhuǎn)化特征相關(guān)功能基因的影響

增溫和土壤類型均對(duì)基因gdh、hao和amoA具有顯著影響且存在明顯的交互作用（表2）。蘚類結(jié)皮土壤基因ureC、hao和amoA豐度在增溫處理后顯著降低，分別為增溫前的70%、68%和49%，而基因gdh豐度則無明顯變化；無結(jié)皮土壤基因ureC、gdh和hao豐度在增溫處理后顯著降低，分別為增溫前的61%、71%和49%，而基因amoA豐度則無明顯變化。相同處理下，蘚類結(jié)皮土壤中ureC、gdh、hao和amoA基因豐度明顯高于無結(jié)皮土壤（圖3）?；騯reC豐度和gdh豐度與凈氨化速率呈顯著正相關(guān)，基因hao豐度和amoA豐度與凈硝化速率呈顯著正相關(guān)（表4）。

表2 增溫（W）和土壤類型（S）對(duì)土壤凈氮轉(zhuǎn)化速率、酶活性、微生物生物量和氮轉(zhuǎn)化相關(guān)基因豐度影響的雙因素分析Table 2 Two-way analysis of the effects of warming（W）and soil type（S）on soil net nitrogen transformation rate，enzyme activity，microbial biomass and nitrogen transformation related gene abundances

3 討 論

3.1 增溫對(duì)土壤氮轉(zhuǎn)化特征的影響

溫度是影響土壤氮轉(zhuǎn)化過程的關(guān)鍵因子之一。本研究結(jié)果表明，增溫抑制了蘚類結(jié)皮土壤氮轉(zhuǎn)化過程。這與武丹丹等[11]在青藏高原高寒草甸土壤的研究結(jié)果一致。然而，對(duì)增溫后草地[16]和森林生態(tài)系統(tǒng)[10]土壤氮轉(zhuǎn)化過程的研究則發(fā)現(xiàn)，溫度升高對(duì)土壤氮轉(zhuǎn)化過程具有明顯促進(jìn)作用。造成研究結(jié)果不一致的原因可能是以下三點(diǎn)：1）生態(tài)系統(tǒng)的差異；2）增溫會(huì)導(dǎo)致土壤濕度顯著降低（圖1），土壤水分的喪失限制了土壤微生物活性，進(jìn)而抑制土壤氮轉(zhuǎn)化過程；3）增溫會(huì)引起結(jié)皮特別是蘚類結(jié)皮生物量及蓋度的減少[17]，結(jié)皮的退化破壞了其維持土壤微環(huán)境的能力，溫度和水分的變化改變了微生物的活性，從而影響土壤氮素轉(zhuǎn)化過程。此外，相比較無結(jié)皮土壤而言，蘚類結(jié)皮土壤具有較高的凈氮轉(zhuǎn)化速率，這與結(jié)皮下較高的養(yǎng)分含量密切相關(guān)（表1），這些有機(jī)物質(zhì)為酶促反應(yīng)提供豐富基底物質(zhì)的同時(shí)也為微生物生長提供了養(yǎng)分[18]?？梢钥闯?，生物結(jié)皮參與并且調(diào)節(jié)了增溫對(duì)氮轉(zhuǎn)化速率的影響。

3.2 增溫對(duì)土壤微生物生物量、酶活性和功能基因的影響

土壤微生物生物量是土壤有機(jī)質(zhì)組分中最具活力的部分，在土壤氮轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮著主要作用[19]。溫度是影響土壤微生物生物量的主要環(huán)境因子[20]。本研究中，增溫顯著減少蘚類結(jié)皮土壤微生物生物量碳氮。Fu等[21]在青藏高原高寒草甸開展的研究得到的結(jié)論也支持該結(jié)果。然而，Zhang等[22]在青藏高原高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)利用紅外線加熱器進(jìn)行增溫（0.8～1.1℃）試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)土壤溫度升高可增加土壤微生物生物量碳氮；Schmidt等[23]在濕地苔原土壤使用塑料大棚進(jìn)行增溫處理（1～2℃），結(jié)果表明土壤微生物生物量碳對(duì)增溫?zé)o響應(yīng)。研究結(jié)果具有差異的原因可能是由于增溫方式的不同所造成的，本研究所采用的OTC不僅能夠增溫而且具有減雨的效果，進(jìn)而改變了土壤濕度（圖1）。此外，由于蘚類結(jié)皮土壤具有較高的土壤濕度（圖1）和養(yǎng)分含量（表1），這些土壤特性有助于土壤微生物的活動(dòng)和繁殖[24-25]，因此，微生物生物量碳氮相比無結(jié)皮土壤會(huì)出現(xiàn)明顯增加，之前的研究也證實(shí)了這一結(jié)果[26]。因此，增溫下蘚類結(jié)皮對(duì)土壤濕度和養(yǎng)分含量的調(diào)節(jié)會(huì)顯著影響微生物生物量碳氮，進(jìn)而對(duì)土壤氮轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生影響。

在酶活性水平上，土壤酶推動(dòng)著地下生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)，并且酶活性是衡量微生物群落功能的一個(gè)重要指示參量，也是研究對(duì)環(huán)境變化響應(yīng)的有用指標(biāo)[27-29]。N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶和脲酶是參與氮轉(zhuǎn)化過程的主要酶類，其中N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶參與了幾丁質(zhì)和蛋白質(zhì)中氮的礦化作用，脲酶能將尿素水解成氨[30-31]。本研究中，蘚類結(jié)皮土壤酶活性在增溫條件下顯著下降，可能是由于增溫會(huì)導(dǎo)致土壤變干，使土壤濕度明顯降低（圖1），限制了土壤微生物活性，進(jìn)而抑制酶活性。陳曉麗等[32]在貢嘎山暗針葉林土壤進(jìn)行研究時(shí)也得到相同的結(jié)果。然而，Zhou等[30]和王學(xué)娟等[33]在半干旱溫帶草原和長白山苔原生態(tài)系統(tǒng)的研究也表明溫度升高增加了N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性和亮氨酸氨基肽酶活性以及脲酶活性?？梢钥闯?，土壤酶對(duì)土壤溫濕度變化的敏感性不同。此外，隨著溫度的升高，土壤微生物會(huì)減少酶的合成和分泌[34]。與無結(jié)皮土壤相比，蘚類結(jié)皮土壤呈現(xiàn)較高的酶活性，這與蘚類結(jié)皮較高的養(yǎng)分含量有關(guān)（表1），蘚類結(jié)皮可為土壤微生物提供更高的有機(jī)質(zhì)含量，從而為微生物創(chuàng)造更有利的環(huán)境[35]，本結(jié)論得到Liu等[36]研究結(jié)果的支持。因此，土壤酶活性的顯著變化主要是由于氣候變暖下蘚類結(jié)皮調(diào)節(jié)的土壤養(yǎng)分含量的影響，進(jìn)而調(diào)節(jié)氮轉(zhuǎn)化過程。

對(duì)于功能基因水平而言，氮轉(zhuǎn)化功能基因豐度在增溫條件下顯著改變，進(jìn)而會(huì)影響氮轉(zhuǎn)化過程[37]。本研究結(jié)果顯示，功能基因豐度與氮轉(zhuǎn)化過程密切相關(guān)（表4），增溫顯著降低蘚類結(jié)皮土壤氨化基因（ureC）和硝化基因（hao和amoA）豐度，進(jìn)一步抑制氨化作用和硝化作用。編碼蘚類結(jié)皮土壤脲酶、羥胺氧化酶和氨單加氧酶基因的豐度在增溫后顯著降低。ureC基因?qū)⒛蛩剞D(zhuǎn)化為氨，amoA基因催化氨氧化，得到羥胺，hao基因進(jìn)一步氧化得到亞硝酸。導(dǎo)致基因豐度下降的原因可能歸因于幾種主要細(xì)菌類群的豐度降低。Yang等[38]在高寒草原的研究也發(fā)現(xiàn)功能基因豐度與氮轉(zhuǎn)化過程密切相關(guān)，然而增溫后氨化基因ureC和硝化基因amoA豐度增加，促進(jìn)了氨化作用和硝化作用。造成研究結(jié)果差異的主要原因是本研究運(yùn)用的OTC模擬增溫裝置，其裝置本身具有增溫減雨的作用，因而造成土壤濕度存在差異。此外，研究還發(fā)現(xiàn)增溫會(huì)引起蘚類結(jié)皮的退化[17]，進(jìn)而改變土壤微環(huán)境，最終加速了這種抑制作用。

表4 功能基因與凈氮轉(zhuǎn)化速率的相關(guān)性Table 4 Correlations between functional genes and net nitrogen transformation rate

4 結(jié) 論

在增溫條件下，土壤變干的間接影響和蘚類結(jié)皮的退化喪失了對(duì)土壤微環(huán)境的調(diào)節(jié)作用，土壤微生物生物量碳氮和氮轉(zhuǎn)化功能基因豐度（ureC、hao和amoA）顯著降低，土壤酶活性受到明顯抑制，進(jìn)而影響土壤氮轉(zhuǎn)化過程。