光伏園區(qū)建設(shè)對青藏高原高寒荒漠草地土壤原核微生物群落的影響

丁成翔，劉 禹

(1.青海大學(xué)畜牧獸醫(yī)科學(xué)院，青海 西寧 810016；2.北京林業(yè)大學(xué)，北京 100083)

當(dāng)今世界不斷增長的能源需求以及低碳能源對生態(tài)環(huán)境的友好性促進了可再生能源的發(fā)展[1]。在所有可再生能源中太陽能光伏發(fā)電具有最大的發(fā)展?jié)摿2-3]，2017年全球光伏裝機容量為404.5 GW，相比2000年(1.8 GW)高出近225倍，而中國的太陽能裝機容量占據(jù)全球總量的53.3%[4]。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，其對陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響也日益增大。光伏園區(qū)的建設(shè)可能會對地域微氣候、生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)、生物多樣性、土壤風(fēng)化以及生態(tài)系統(tǒng)的能量流動產(chǎn)生影響[5]。例如，射向地面的太陽輻射通量被光伏板吸收、導(dǎo)致光伏板下大氣溫度以及土壤溫度的降低，同時降低了土壤水分的蒸散發(fā)；此外，光伏板的放置還改變了地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中大氣降水的分布，導(dǎo)致了大氣降水不均勻的聚集于光伏板下沿的土壤區(qū)域[6]?？紤]到氣候變化對生態(tài)系統(tǒng)過程的影響[7-8]，探究光伏陣列建設(shè)對植被、土壤和近地表氣候的影響至關(guān)重要。

土壤微生物是有機物質(zhì)分解、養(yǎng)分礦化和土壤結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參與者[9]，其對外源物質(zhì)的分解及再合成是C，N，P和S等元素循環(huán)的決定因素和限速因素[10-12]，極大的影響著土壤肥力和植物生產(chǎn)力[13]。土壤微生物對生態(tài)系統(tǒng)變化具有相對較高的敏感性[14]，微氣候的改變直接和間接的影響著土壤微生物圈和養(yǎng)分循環(huán)[15-16]。一方面，地區(qū)氣溫和降水變化導(dǎo)致的土壤溫度和水分的變化會直接改變土壤微生物群落的多樣性和組成[8,17]。Yang等人[18]發(fā)現(xiàn)，沿著青藏高原海拔梯度的變化，微氣候出現(xiàn)顯著變化，細(xì)菌功能基因多樣性和自養(yǎng)微生物豐度均發(fā)生顯著變化；Barnard和Maestre等人[10,19]發(fā)現(xiàn)，干旱加劇顯著降低了微生物的生長速率和對凋落物的分解速率；Delgado和Evans等[11,20]發(fā)現(xiàn)，微生物分解凋落物的速率降低導(dǎo)致了土壤中C，N，P元素的解耦合，化學(xué)計量比失衡。另一方面，微氣候的變化會間接影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能。Bardgett[21]發(fā)現(xiàn)大氣溫度和降水改變了植被凋落物的數(shù)量和成分，進而導(dǎo)致微生物利用的碳源改變，最終影響土壤微生物群落；Bragazza[22]發(fā)現(xiàn)，土壤溫度升高和土壤水分的減少導(dǎo)致植被蓋度的降低，進而造成了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的改變。微氣候的變化從多個方面影響著土壤微生物圈的改變，然而當(dāng)前關(guān)于光伏園區(qū)對生態(tài)系統(tǒng)的研究大多僅關(guān)注微氣候和植被因子的變化，沒有進一步研究微氣候和植被因子的變化對地下最敏感的生態(tài)指標(biāo)——土壤微生物群落的影響。因此本試驗將從微氣候、植被特征、土壤理化性質(zhì)以及土壤微生物群落等多個維度綜合分析光伏園區(qū)建設(shè)對生態(tài)系統(tǒng)的具體影響。

由于光伏園區(qū)的建設(shè)需要大量廉價的可利用土地及較強的太陽輻射總量，因此大部分光伏園區(qū)建設(shè)于半干旱和干旱地區(qū)，如美國的內(nèi)華達州、墨西哥的下加利福尼亞州、中國和俄羅斯的戈壁灘、非洲的撒哈拉等[23-25]。塔拉灘地處青藏高原共和盆地的中東部，太陽能資源豐富，是我國太陽能光伏裝機容量最大的地區(qū)，極大地促進了當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展，但是其對當(dāng)?shù)馗吆哪菰鷳B(tài)系統(tǒng)的影響機制還不清楚。本研究對位于青藏高原共和塔拉灘高寒荒漠草地不同建立年限光伏園區(qū)進行了隨機采樣調(diào)查，結(jié)合實驗室分析和高通量測序技術(shù)，試圖從時間尺度的角度探究光伏園區(qū)建設(shè)對地區(qū)微氣候、植被-土壤特征以及地下微生物群落結(jié)構(gòu)，從生態(tài)系統(tǒng)角度為今后光伏園區(qū)的建設(shè)管理提供實例參考。

1 材料和方法

1.1 研究地點

研究地點位于青藏高原共和盆地塔拉灘(36°9′47″ N，100°35′14″ E)，所選光伏園區(qū)分別建設(shè)于2013年和2018年，占地585 hm2。光伏板尺寸為16.5 m×9.91 m，板間隙為5.4 m，南向，傾斜角為39°。該地生態(tài)類型為高寒荒漠，土壤類型主要為風(fēng)沙土，年平均降水量為278～523 mm，年際差異較大，年平均氣溫為4.8～6.0℃，干旱指數(shù)為0.15～0.27。園區(qū)優(yōu)勢植物為醉馬草(Achnatheruminebrians(Hance)Keng)、冷蒿(ArtemisiafrigidaWilld.)和針茅(StipacapillataL.)。

1.2 試驗設(shè)計

為了確定光伏園區(qū)對植物-土壤特性和土壤微生物群落的影響，在2019年8月中旬，根據(jù)不同建設(shè)年限光伏園區(qū)內(nèi)的面積大小選取了46個樣點進行植被和土壤數(shù)據(jù)的采集，其中9個樣點位于未建設(shè)光伏園區(qū)的對照區(qū)(CK)，25個樣點位為2018年建設(shè)的光伏園區(qū)(建設(shè)1年)，12個樣點位于2013年建設(shè)的光伏園區(qū)(建設(shè)6年)(圖1)。每個采樣點為0.5 m× 0.5 m，采集土壤前測量植被豐富度和物種蓋度等，齊地面刈割后的植物樣在65℃烘干后稱重，以確定地上總生物量。在采集植物樣的同一地點使用直徑5 cm的土鉆采集0～10 cm的土壤樣品。將采集的土壤樣品分為3部分，第一部分土壤樣品在-20℃保存，用于高通量16S測序；第二部分土壤風(fēng)干，并通過0.1 mm篩子供土壤養(yǎng)分測定；第三部分土壤樣品取樣后馬上進行土壤速效養(yǎng)分的測定。植物和土壤樣品的采集均在2019年8月進行。

圖1 采樣點示意圖

1.3 樣品測定

土壤pH值采用pH計(UB-10 PH meter,Denver Instrument,America)測定。土壤有機質(zhì)(Soil organic matter，SOM)含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定[26]；土壤全氮(Total nitrogen，TN)含量采用凱氏定氮法測定[27]；土壤總磷(Total phosphorus，TP)含量采用鉬銻抗比色法測定[28]；土壤有效磷(Available phosphorus，AP)含量用Olsen法測定[26]；銨態(tài)氮含量用浸提-靛酚藍(lán)比色法測量[26]；硝態(tài)氮含量用紫外分光光度法測量[26]；全鉀(Total potassium，TK)采用酸熔火焰光法測定[29]；土壤水分含量(Soil water content，SWC)采用烘干法測定；土壤蒸散量(Evaporation，Evap)取從早晨6∶00時至傍晚18∶00時0～10 cm深度土壤含水量的差值為日蒸散量[30]。

1.4 DNA提取與PCR擴增

樣品按照MOBIO PowerSoil?DNA Isolation Kit試劑盒提取樣品基因組DNA[31]。以提取的樣品基因組DNA為模板針對微生物 16S rRNA基因V4區(qū)(515F與806R)進行PCR擴增[32]。Illumina MiSeq平臺進行高通量測序。

1.5 統(tǒng)計分析

通過QIIME平臺去除原始序列中的低質(zhì)量序列[33]，根據(jù)標(biāo)簽序列分開來自不同樣品的序列。利用Uchime軟件去除在PCR過程中形成的嵌合體[34]，獲得的高質(zhì)量序列用Usearch方法進行聚類[35]，以16S rRNA基因序列97%相似度作為分類操作單元(Operational taxonomic units,OTUs)的劃分標(biāo)準(zhǔn)。通過RDP分類鑒定OTU代表性序列的微生物分類相對豐度[36]。方差分析(ANOVA)用SPSS Statistics 19.0完成。α和β多樣性采用Microeco包(R3.5.1)計算，相關(guān)性分析及繪圖采用corrplot包(R3.5.1)進行分析，α多樣性指數(shù)為香農(nóng)指數(shù)、系統(tǒng)發(fā)育多樣性指數(shù)、物種豐富度指數(shù)和均勻度指數(shù)[37-38]。網(wǎng)絡(luò)分析采用MENA平臺[39]構(gòu)建，相關(guān)性計算方法為“Spearman”，相關(guān)性閾值見表3。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同建設(shè)年限下土壤微生物α多樣性的變化

由表1可知，光伏園區(qū)建設(shè)6年后土壤原核微生物的系統(tǒng)發(fā)育多樣性、物種豐富度、香農(nóng)指數(shù)均顯著低于CK和建設(shè)1年的處理(P<0.05)，而均勻度無顯著差異。

表1 不同建設(shè)年限下土壤原核微生物多樣性指數(shù)

2.2 不同建設(shè)年限下土壤原核微生物的類群分布

根據(jù)OTU物種注釋的結(jié)果，在門水平上挑選相對豐度前10的菌門用于展示不同建設(shè)年限間原核微生物物種組成差異。如圖2所示，在門分類水平上，高寒荒漠原核微生物豐度最高的物種分別是放線菌門、變形菌門、酸桿菌門、奇古菌門、芽單胞桿菌門、綠彎菌門、浮霉菌門、厚壁菌門、疣微菌門和己科河菌門。其中，總豐度最高的3個菌門[放線菌門(29.5%)、變形菌門(24.1%)和酸桿菌門(11.1%)]在不同建設(shè)年限下相對豐度沒有顯著差異。而奇古菌門、芽單胞桿菌門、綠彎菌門、浮霉菌門、疣微菌門呈現(xiàn)相似的變化趨勢，即隨著建設(shè)年限增加，相對豐度降低，且在對照和建設(shè)6年處理之間差異顯著(P<0.05)。

圖2 不同建設(shè)年限下土壤原核微生物群落門水平物種組成

2.3 不同建設(shè)年限下土壤原核微生物群落結(jié)構(gòu)差異

如圖3所示，不同建設(shè)年限土壤微生物β多樣性存在顯著差異，建設(shè)6年后的樣點與對照樣點明顯分離。PERMANOVA和ANOSIM的分析結(jié)果同樣表明，3種樣地原核微生物群落結(jié)構(gòu)差異顯著(圖3)。

圖3 基于Bray-Curtis距離的PCoA分析

2.4 不同建設(shè)年限下環(huán)境因子的變化

土壤有機質(zhì)、全氮、水分含量,地上總生物量,植被總蓋度隨著建設(shè)年限增加而增加(表2)，CK和建設(shè)6年處理的土壤有機質(zhì)和土壤全氮含量顯著差異(P<0.05)，各處理之間的土壤水分含量、地上總生物量及植被總蓋度均存在顯著差異(P<0.05)。土壤蒸發(fā)量在建設(shè)1年后即顯著下降(P<0.05)，建設(shè)6年后的蒸發(fā)量與建設(shè)1年的無顯著差異。土壤酸堿度在建設(shè)1年后有顯著升高(P<0.05)，在建設(shè)6年后下降至與CK相同的水平。

表2 不同建設(shè)年限下土壤和植被性質(zhì)的差異

2.5 原核微生物與環(huán)境因子的關(guān)系

將環(huán)境因子與土壤原核微生物門水平豐度進行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)(圖4)，變形菌門、酸桿菌門、浮霉菌門、疣微菌門以及奇古菌門與土壤有機質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，芽單胞菌門、綠彎菌門、浮霉菌門以及疣微菌門與土壤水分及地上總生物量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，表明隨著土壤養(yǎng)分含量及水分增加，土壤原核微生物主要菌門豐度降低。

圖4 原核微生物豐度及與環(huán)境因子的相關(guān)性分析

環(huán)境因子與土壤原核微生物門水平豐度、土壤原核微生物α多樣性的RDA結(jié)果如圖5所示。由于植物地上總生物量和總蓋度與土壤水分存在顯著的共線性，故只用土壤水分表征。主坐標(biāo)1(RDA1)解釋了原核微生物門水平總變異的18.73%，主坐標(biāo)2(RDA2)解釋了總變異的3.07%，二者總計解釋總變異的21.80%。原核微生物門水平豐度與土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀等總養(yǎng)分呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與土壤水分呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。RDA分析總計解釋土壤原核微生物α多樣性21.11%的變異程度，解釋比例最大的變量為土壤水分和有機質(zhì)含量。

圖5 原核微生物豐度及α多樣性與環(huán)境因子的RDA排序圖

2.6 土壤原核微生物共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)分析

對不同建設(shè)年限下共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋮?shù)分析發(fā)現(xiàn)(表3)，3個處理下的冪律系數(shù)均較高，表明3個處理土壤原核微生物共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)均具有明顯的冪律分布特征；實例網(wǎng)絡(luò)的平均路徑長度、平均聚類系數(shù)和模塊化指數(shù)均高于隨機生成的網(wǎng)絡(luò)，表明生成的實例網(wǎng)絡(luò)具有反映真實土壤原核微生物網(wǎng)絡(luò)的可靠性。共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)在CK最高(531)，遠(yuǎn)大于建設(shè)1年(267)和6年(283)的節(jié)點度；網(wǎng)絡(luò)連接度呈現(xiàn)U型趨勢，未建設(shè)時連接度最高(2217)，在建設(shè)1年后大幅降低至533，建設(shè)6年之后回升至2 003；平均連接數(shù)與連接度呈現(xiàn)相同的趨勢；模塊化指數(shù)隨著建設(shè)年限增加而降低，建設(shè)6年后模塊化指數(shù)降低了45%。這些結(jié)果說明，在受到光伏園區(qū)建設(shè)的干擾下，土壤原核微生物之間的交互性出現(xiàn)先降低后增加的現(xiàn)象，而且由節(jié)點數(shù)和模塊化指數(shù)的大幅下降可以發(fā)現(xiàn)，這種原核微生物交互性的增加并不是回到建設(shè)前的網(wǎng)絡(luò)，而是演替出另一種模式的共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)——參與網(wǎng)絡(luò)中的原核微生物種群更少，但連接更為緊密。

表3 不同建設(shè)年限下土壤原核微生物共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮?shù)

3 討論

光伏園區(qū)主要建設(shè)在人類較少居住的地區(qū)，如戈壁、沙漠和草原[40]。這些地區(qū)的共同特點是生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性低，對環(huán)境變化敏感。本試驗所在研究地共和塔拉灘常年遭受風(fēng)沙侵蝕，由于光伏陣列能吸收太陽輻射、增加風(fēng)阻以及固定土壤，光伏園區(qū)建設(shè)一定程度上將會改變當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)微氣候。殷代英等[41]對光伏園區(qū)內(nèi)外的氣候進行監(jiān)測后發(fā)現(xiàn)，園區(qū)內(nèi)風(fēng)況顯著改善，相比荒漠區(qū)風(fēng)速減小了53.92%；10 cm，20 cm，40 cm層的土壤溫度分別降低了2.97℃，2.90℃和2.73℃；10 cm層土壤濕度增加了71.61%。本研究中光伏園區(qū)建設(shè)后土壤蒸散值降低，土壤水分含量隨著建設(shè)年限增加顯著增加，這與前人的研究結(jié)果一致[6,42-43]，表明光伏園區(qū)的建設(shè)可以有效的提高土壤的含水量、減少土壤蒸散量，一定程度上提高了生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙、水土保持的能力。氣候改變通常影響著地上植被的變化[44-47]，本研究地上總生物量和地上總蓋度均與土壤含水量顯著正相關(guān)，并且出現(xiàn)了共線性現(xiàn)象，這與青藏高原其他地區(qū)的結(jié)果相似[44-45,47]，也證明了干旱半干旱地區(qū)土壤水分含量對植被特征的決定性作用[46]，同時也說明，隨著光伏園區(qū)建設(shè)年限的增加，土壤水分含量增加，植物生產(chǎn)力和覆蓋度均增加。地上生物量的增加導(dǎo)致植被凋落物的增加，地上部分向土壤的輸入增加，土壤有機質(zhì)含量顯著增加，由于碳氮的高度耦合性[48-49]，土壤總氮含量也呈現(xiàn)增加的趨勢，土壤總肥力明顯提升。土壤銨態(tài)氮含量在光伏園區(qū)建設(shè)后同樣顯著增加，這可能是由于地上總生物量和土壤有機質(zhì)含量增加導(dǎo)致的，Ma等[50]的研究發(fā)現(xiàn)，植被恢復(fù)過程中，土壤中氨化形成的銨態(tài)氮含量對總氮礦化量(凈氮礦化量)貢獻率為57.1%～76.2%，而氨化作用的底物大部分來自地上凋落物輸入地下形成的有機物，本研究中銨態(tài)氮含量同樣與植被地上總生物量成正相關(guān)。

本研究中土壤原核微生物3種多樣性指數(shù)(系統(tǒng)發(fā)育多樣性、香農(nóng)多樣性以及物種豐富度)均在建設(shè)6年后顯著降低，冗余分析(RDA)的結(jié)果表明，影響原核微生物多樣性指數(shù)的主要因子為土壤水分，土壤水分與3種多樣性指數(shù)均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明水分增加引起了土壤原核微生物多樣性的降低，這與Li[51]在青藏高原的研究結(jié)果一致，土壤水分和氮含量增加會顯著降低土壤原核微生物的多樣性?？傌S度前10的門中，奇古菌門、芽單胞桿菌門、綠彎菌門、浮霉菌門、疣微菌門豐度均在建設(shè)后顯著降低，相關(guān)性分析和冗余分析均表明這一門水平豐度降低現(xiàn)象是因為其與土壤水分呈負(fù)相關(guān)，這一結(jié)果與前人研究相似，Bastida[52]在半干旱森林生態(tài)系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)水分變化顯著影響了芽單胞菌門和浮霉菌門的豐度。

由于原核微生物不同類群之間聯(lián)系緊密，對原核微生物群落的分類群分析無法反映群落中不同類群之間交互關(guān)系的變化，因此有必要深入分析由原核微生物相互關(guān)系構(gòu)建的共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)。對原核微生物網(wǎng)絡(luò)的分析發(fā)現(xiàn)，不同處理之間網(wǎng)絡(luò)屬性差異較大，隨著建設(shè)年限增加，參與網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)(微生物類群)減少，但是網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)(微生物相互關(guān)系)呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢，這與先前的研究報道一致[53]，脆弱生態(tài)系統(tǒng)(如荒漠)的彈性較低，在外部干擾來臨時，原有網(wǎng)絡(luò)坍塌，新生網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點之間的聯(lián)系較松散，在應(yīng)對長期干擾的過程中，無法適應(yīng)新環(huán)境條件的原核微生物類群被逐漸篩選出去，而能夠適應(yīng)改變后環(huán)境的原核微生物彼此之間的關(guān)聯(lián)則變得更為緊密。網(wǎng)絡(luò)中平均連接數(shù)的先減后增也證明了這一結(jié)論。光伏建設(shè)6年后網(wǎng)絡(luò)模塊化指數(shù)的減少與微生物群落多樣性的顯著降低相匹配，原有網(wǎng)絡(luò)中多模塊化的原核微生物交互關(guān)系在外部干擾的長期過濾下趨向單一性，建設(shè)6年后微生物網(wǎng)絡(luò)中交互關(guān)系中正相關(guān)性增加，負(fù)相關(guān)減少也證明群落中種間關(guān)系競爭減少、合作增加，競爭關(guān)系的減少意味著生態(tài)系統(tǒng)更脆弱，這一結(jié)果與微生物群落多樣性降低一致，表明在光伏園區(qū)建設(shè)后地下原核微生物群落關(guān)聯(lián)性增加，種間競爭減少，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。

4 結(jié)論

高寒荒漠草地的氣候條件在光伏園區(qū)建設(shè)后顯著改善，土壤蒸散量減少，土壤水分含量增加。隨著光伏園區(qū)建設(shè)年限增加，地上生物量、蓋度和土壤肥力增加，原核微生物α多樣性顯著降低，群落結(jié)構(gòu)顯著改變，芽單胞菌門等類群豐度顯著降低，主要原因是土壤水分含量、地上生物量和有機質(zhì)含量增加。光伏園區(qū)建設(shè)6年后高寒荒漠草地土壤原核微生物網(wǎng)絡(luò)交互關(guān)系更為密切且多為正相關(guān)關(guān)系，但參與網(wǎng)絡(luò)的原核微生物類群減少，模塊化程度降低，原核微生物群落穩(wěn)定性降低。