騰格里沙漠固沙植被區(qū)微生境土壤微生物功能群時(shí)空格局*

楊貴森，呂星宇，虎 瑞，黃 磊，張志山?

（1. 中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院沙坡頭沙漠研究試驗(yàn)站，蘭州 730000；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，北京 100871）

土壤微生物是植物生長(zhǎng)過(guò)程中養(yǎng)分循環(huán)的重要調(diào)控者，其種類、數(shù)量及空間分布直接或間接反映了生境土壤的特征及轉(zhuǎn)化規(guī)律，是評(píng)估土壤發(fā)育狀況和植被演替的重要指標(biāo)。土壤微生物根據(jù)功能可劃分為不同的類群。依據(jù)在碳、氮、磷循環(huán)過(guò)程中的作用，土壤微生物可劃分為纖維素分解菌、產(chǎn)甲烷菌、甲烷氧化菌，氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌、固氮菌、溶磷菌等生理類群。植被恢復(fù)過(guò)程與土壤微生物功能群落密切相關(guān)，不同功能群在養(yǎng)分循環(huán)中生物學(xué)功能各異。纖維素是植物組織的主要成分，是一種非常穩(wěn)定的化合物。土壤中植物殘?bào)w的分解主要由纖維素分解菌完成，如噬纖維素菌屬鐮狀纖維菌屬、包子桿菌、產(chǎn)甲烷纖維芽孢桿菌等，均為分解纖維素能力很強(qiáng)的微生物。它們是碳元素循環(huán)中最主要的一類微生物類群，也是自然界生態(tài)系統(tǒng)中大氣碳元素循環(huán)的重要基礎(chǔ)。氨化細(xì)菌能使得動(dòng)植物殘?bào)w中的蛋白質(zhì)氨化，這類細(xì)菌具有蛋白酶和肽酶，能夠水解蛋白質(zhì)為氨基酸和氨，如枯草芽孢桿菌等。氨化作用產(chǎn)生的銨鹽本身已適用于作為綠色植物的養(yǎng)料，但綠色植物更適合的養(yǎng)料是硝酸鹽，因此，氨化細(xì)菌和硝化細(xì)菌類群在土壤氮元素循環(huán)中發(fā)揮重要作用。而芽孢桿菌中的蠟質(zhì)芽孢桿菌等溶磷菌微生物使土壤中難以被植物吸收利用的磷轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀焕玫牧姿猁}。因此，對(duì)土壤微生物以功能為單位進(jìn)行研究，可更好地掌握生物地球化學(xué)循環(huán)及生態(tài)系統(tǒng)的演替規(guī)律，特別是對(duì)退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)及提高其生物學(xué)功能均有重要的理論和實(shí)踐意義。

環(huán)境變化直接或間接地影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性，進(jìn)而對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。大量研究表明，土壤類型、土壤理化性質(zhì)（水分、溫度、pH 和碳氮磷元素含量等）、植被類型及物種多樣性等是影響土壤微生物功能群的重要因素，而在干旱區(qū)土壤微生物對(duì)上述因素的變化更加敏感。此外，植被恢復(fù)年限、植物種、生物土壤結(jié)皮（BSC）、季節(jié)變化等均被證實(shí)能顯著影響干旱沙區(qū)土壤微生物數(shù)量。已有的研究大多從固沙植被建植后土壤微生物整體的恢復(fù)情況及結(jié)構(gòu)和功能等方面進(jìn)行描述。然而，針對(duì)不同年代（老固沙區(qū)和新固沙區(qū)）、植物種（先鋒種和穩(wěn)定種）及微生境（灌叢下和灌叢間），以指示碳、氮、磷元素循環(huán)中承擔(dān)的微生物功能為目標(biāo)，探索土壤微生物時(shí)空變化規(guī)律的研究甚少。固沙植被建立后，一方面，物種多樣性增加，植物的凋落物及根系分泌物向土壤中輸入有機(jī)質(zhì)，能夠?yàn)槲⑸锏纳L(zhǎng)和代謝提供基質(zhì)。另一方面，隨著植被恢復(fù)年限增加，BSC的繁衍和拓殖，流動(dòng)沙丘逐漸被固定，植被的建立減少太陽(yáng)輻射，有效降低地表溫度并減少土壤水分蒸發(fā)，改善土壤水熱狀況。那么，不同的恢復(fù)年限、植物種及微生境對(duì)土壤微生物數(shù)量的空間分布、季節(jié)變化以及與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系是本研究關(guān)心的科學(xué)問(wèn)題。基于此，本研究以騰格里沙漠東南緣沙坡頭地區(qū)不同年代建植的固沙植被區(qū)土壤微生物為對(duì)象，采用傳統(tǒng)培養(yǎng)法研究微生物功能群，是由于該方法在分離具有一定功能的微生物時(shí)非常有效，可獲得具有特定功能的微生物種類。雖然可培養(yǎng)的微生物種類有限，但可分離培養(yǎng)的才是人類可利用的微生物，也是該方法在國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究中被長(zhǎng)久應(yīng)用的原因之一。此外，傳統(tǒng)培養(yǎng)法同目前的微生物研究新技術(shù)相比，如功能基因芯片雖然能夠獲得更多的微生物多樣性和功能群的基因數(shù)據(jù)，但它們不一定在環(huán)境中表達(dá)，這是上述新技術(shù)的不足之處。本文比較了沙區(qū)植被恢復(fù)過(guò)程中不同土壤微生物功能群的時(shí)空動(dòng)態(tài)，分析了不同因素（建植年代、微生境、土層和采樣時(shí)間）對(duì)微生物功能群數(shù)量的影響，最后，討論了土壤理化性質(zhì)與微生物數(shù)量的關(guān)系。旨在揭示土壤微生物功能群對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)機(jī)制。研究結(jié)果期望為干旱沙區(qū)荒漠化防治和沙化土地恢復(fù)實(shí)踐提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于騰格里沙漠東南緣寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市境內(nèi)的中國(guó)科學(xué)院沙坡頭沙漠研究試驗(yàn)站（37°32′N，105°02′E）。沙坡頭站自1956 年至2010年于不同年代建立的人工固沙植被演替序列為開展沙區(qū)恢復(fù)生態(tài)學(xué)的研究提供了理想的試驗(yàn)平臺(tái)。該區(qū)處于草原化荒漠與荒漠化草原過(guò)渡帶，氣候干旱多風(fēng)，平均海拔1 300 m，年均氣溫9.6℃，年均降水量180 mm 左右，2017 年降水總量為186.4 mm，主要集中在5—9 月（圖1），年蒸發(fā)量3 000 mm，土壤基質(zhì)為稀疏貧瘠的風(fēng)沙土。以油蒿（）和檸條（）為主的固沙植被建立后，有利于大量物種的繁殖和定居，使原有的流沙演變成一個(gè)復(fù)雜的人工-天然復(fù)合的荒漠生態(tài)系統(tǒng)。

圖1 2017 年1—12 月空氣溫度和降雨量的日變化Fig. 1 Daily air temperatures and precipitations from January to December 2017

1.2 土壤樣品采集

為探究不同恢復(fù)年限、不同微生境下的微生物動(dòng)態(tài)特征，分別在沙坡頭站2010 年和1990 年建植的固沙植被區(qū)設(shè)置樣地，在每個(gè)樣地內(nèi)選擇長(zhǎng)勢(shì)較好、植株大小均勻的檸條和油蒿各3 株作為重復(fù)，植株間隔5 m。然后分別在檸條和油蒿灌叢下、灌叢間設(shè)置1 m×1 m 的樣方各3 個(gè)，對(duì)每個(gè)樣方進(jìn)行編號(hào)標(biāo)記，共24 個(gè)樣方（2 個(gè)年代×2 種植物×2種微生境×3 次重復(fù)）。樣方中的草本植物主要有霧冰藜（）、小畫眉草（）、蟲實(shí)（）、刺沙蓬（）、虎尾草（）、沙米（）。沙面形成了BSC，指示土壤碳、氮、磷元素循環(huán)為主的微生物得到了較好的發(fā)育。

土壤樣品于2017 年1 月15 日、4 月15 日、7月15 日、10 月15 日分四次進(jìn)行取樣。采樣時(shí)，在樣方中按3 個(gè)方向120°夾角分3 層（0～5、5～10和10～20 cm）用土鉆采集土樣，然后將3 個(gè)點(diǎn)各土層樣品進(jìn)行混合形成一個(gè)復(fù)合樣品。新鮮土樣除去草屑、石頭和植物凋落物，過(guò)2 mm 網(wǎng)篩。所有的土樣被分成兩部分，一部分分析土壤微生物群落，另一部分分析土壤有機(jī)碳（SOC）、全碳（TC）、全氮（TN）、全磷（TP）、堿解氮（AN、NH-N 與NO-N之和）、有效磷（AP）、pH 和電導(dǎo)率（EC）。

1.3 土壤微生物功能群的測(cè)定方法

本研究區(qū)固沙植被檸條和油蒿樣地中的 BSC發(fā)育較好且具有生物固氮作用，沙區(qū)土壤偏堿性，低含水量有利于氨化和硝化作用而不利于反硝化作用。鑒于以上特點(diǎn)，在傳統(tǒng)培養(yǎng)法研究土壤微生物中，本研究選擇纖維素分解菌、氨化細(xì)菌和硝化細(xì)菌、溶磷菌分別作為指示碳、氮和磷元素循環(huán)的微生物功能群。采用稀釋培養(yǎng)計(jì)數(shù)法測(cè)定不同微生物功能群數(shù)量，通過(guò)各種微生物的生理生化特征及外觀形態(tài)等進(jìn)行鑒定。其中，纖維素分解菌使用羧甲基纖維素鈉培養(yǎng)基，氨化細(xì)菌使用蛋白胨培養(yǎng)基，硝化細(xì)菌使用改良的斯蒂芬遜培養(yǎng)基，溶磷菌使用溶磷菌活化培養(yǎng)基。以纖維素分解菌為例，具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：接種 0.05 mL 稀釋度為10g·mL、10g·mL、10g·mL的土壤懸濁液至冷凝的培養(yǎng)基上，用玻璃涂布棒均勻涂抹于培養(yǎng)基表面。30 ℃倒置恒溫培養(yǎng)14 d。分別計(jì)算黏液菌、弧菌、真菌和放線菌的數(shù)目。最后換算成每克干土中微生物數(shù)量。

1.4 土壤理化性質(zhì)測(cè)定

TC 采用總有機(jī)碳分析儀（Multi N/C 2100，德國(guó)）測(cè)定，SOC 采用總有機(jī)碳分析儀（vario TOC，Elementar，德國(guó)）測(cè)定，TN 采用濃 HSO消煮—半自動(dòng)凱氏定氮儀法測(cè)定，NH-N 采用KCl 浸提—蒸餾法測(cè)定，NO-N 采用飽和CaSO浸提—酚二磺酸比色法測(cè)定，TP 采用 NaOH 熔融—鉬銻抗比色法測(cè)定，AP 采用NaHCO浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定，土壤pH 采用水溶液浸提法（水∶土=5∶1）測(cè)定，EC 用電導(dǎo)法測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)分析

土壤微生物功能群分析：采用重復(fù)性再裂區(qū)三因素方差分析比較土壤微生物功能群時(shí)空變化差異的影響因素，采樣時(shí)間為重復(fù)因子，樣地、微生境、土層為固定因子。

環(huán)境因子分析：將SOC、TN、TC、TP、AN、AP、pH、EC 與纖維素分解菌、氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌和溶磷菌進(jìn)行冗余分析（RDA），確定土壤微生物功能群和土壤理化性質(zhì)間的關(guān)系，選擇影響極顯著因子采用擬合函數(shù)進(jìn)行最優(yōu)擬合，進(jìn)一步探究理化性質(zhì)和微生物功能群的關(guān)系。

數(shù)據(jù)預(yù)處理方法：利用Excel 2016 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；采用SPSS22.0 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，通過(guò)變量的正態(tài)性檢驗(yàn)（Kolmogorov-Smirnov）和方差的同質(zhì)性檢驗(yàn)（Levenes）滿足重復(fù)性方差分析；樣地、微生境、土層及季節(jié)變化的顯著差異采用最小顯著差異法（LSD）比較；采用多因素方差分析檢驗(yàn)不同因素或處理交互作用的差異顯著性；采用Origin9.1 作圖；利用Canoco5.0 軟件進(jìn)行RDA 分析。本文中所有數(shù)據(jù)均為樣方中三次重復(fù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差。

2 結(jié) 果

2.1 土壤微生物功能群數(shù)量時(shí)空格局

取樣時(shí)間、樣地、微生境和土層均顯著影響土壤微生物功能群纖維素分解菌、氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、溶磷菌的數(shù)量。其中，取樣時(shí)間、樣地和土層對(duì)其影響極顯著，微生境對(duì)其影響顯著，并且各因素存在明顯的交互作用；取樣時(shí)間和樣地、取樣時(shí)間和土層、樣地和土層兩兩交互作用及取樣時(shí)間、樣地和土層三者交互作用均對(duì)微生物功能群數(shù)量影響顯著，其他交互作用不顯著（表1）。

表1 土壤微生物功能群數(shù)量三因素方差分析Table 1 Variance analysis of three factors affecting the number of soil microbial functional groups

2.1.1 土壤微生物功能群數(shù)量空間分布特征 1990年和2010 年建植樣地0～20 cm 土層中纖維素分解菌、氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌和溶磷菌數(shù)量均差異顯著（＜0.05）。1990 年油蒿樣地中四種菌數(shù)量分別為2010 年樣地中的4.40 倍、1.50 倍、1.70 倍、1.60倍；1990 年檸條樣地中四種菌數(shù)量分別為2010 年的4.40 倍、1.70 倍、1.90 倍、1.80 倍。此外，油蒿生境中微生物纖維素分解菌和溶磷菌數(shù)量顯著高于氨化和硝化作用的微生物數(shù)量（＜ 0.05）；而在檸條樣地中四種菌數(shù)量差異不顯著（＞ 0.05）（圖2）。不同微生境0～20 cm 土層微生物功能群數(shù)量不同，油蒿和檸條樣地土壤微生物功能群均表現(xiàn)為灌叢下含量高于灌叢間，1990 年油蒿和檸條地均表現(xiàn)為：從纖維素分解菌、溶磷菌、硝化細(xì)菌到氨化細(xì)菌依次遞減；但2010 年油蒿地微生物功能群數(shù)量表現(xiàn)為：從溶磷菌、硝化細(xì)菌、氨化細(xì)菌到纖維素分解菌依次遞減（圖2）。

圖2 不同樣地和微生境0～20 cm 土層微生物功能群數(shù)量Fig. 2 Numbers of microbial functional groups of 0-20 cm soil layer in different plots and microhabitats

隨著土壤深度的增加各微生物功能群數(shù)量呈減少趨勢(shì)。除1990 年油蒿樣地 5～10 和10～20 cm土層氨化細(xì)菌數(shù)量及2010 年檸條樣地0～5 和5～10 cm 土層硝化細(xì)菌數(shù)量外，其他微生境中各土層微生物功能群數(shù)量均差異顯著（＜ 0.05）；尤其固沙植被建立后，0～5 cm 土層不同微生境各土層微生物功能群數(shù)量變化最顯著（圖3）。

圖3 不同土層微生物功能群數(shù)量Fig. 3 Numbers of microbial functional groups of different soil layers

2.1.2 土壤微生物功能群數(shù)量季節(jié)變化 不同樣地（1990 油蒿、1990 檸條、2010 油蒿、2010 檸條）土壤微生物功能群季節(jié)變化規(guī)律表現(xiàn)一致，本研究?jī)H以1990 年油蒿樣地為例對(duì)微生物功能群季節(jié)變化展示，發(fā)現(xiàn)土壤微生物功能群數(shù)量具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律。不同土層（0～5、5～10 和10～20 cm）土壤纖維素分解菌季節(jié)變化均表現(xiàn)為春低、夏高、秋冬持平，呈現(xiàn)出“V”字型變化特征（圖4a）；氨化細(xì)菌和硝化細(xì)菌微生物量從冬、春到秋季逐漸上升（圖4b）和圖4c）；溶磷菌含量則表現(xiàn)為從冬季、秋季到春夏季依次遞減（圖4d）。

圖4 土壤微生物功能群數(shù)量季節(jié)變化（以1990 年建植油蒿樣地為例）Fig. 4 Seasonal variation of the numbers of soil microbial functional groups（taking the planting A. ordosica plot in 1990 as an example）

2.2 影響土壤微生物功能群的土壤理化性質(zhì)因素

對(duì)土壤理化性質(zhì)和微生物功能群數(shù)量的冗余分析（RDA）表明，土壤理化性質(zhì)對(duì)微生物功能群數(shù)量總變異解釋率為75.7%，其中TN解釋率最高，高達(dá)66.1%（＜0.01），AP 解釋率為3.6%（＜ 0.01）。軸Ⅰ和軸Ⅱ的解釋率為73.4%和1.84%，分別占擬合變異累積解釋率的97.0%和99.5%。前兩個(gè)軸解釋了土壤微生物功能群的主要變異來(lái)源，能較好地反映土壤微生物與理化性質(zhì)間的關(guān)系。此外，纖維素分解菌、氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、溶磷菌與土壤SOC、TN、TC、TP、AN、AP、EC 均呈正相關(guān)，而與pH 顯著負(fù)相關(guān)（圖5）。將TN 和AP 兩個(gè)極顯著因素與微生物功能群數(shù)量函數(shù)擬合發(fā)現(xiàn)，TN 與纖維素分解菌和溶磷菌呈線性變化，與氨化細(xì)菌和硝化細(xì)菌變化對(duì)數(shù)函數(shù)擬合最優(yōu)；AP 與四種菌均呈對(duì)數(shù)函數(shù)變化（圖6）。

圖5 土壤微生功能群數(shù)量和土壤理化性質(zhì)的冗余分析排序圖（RDA 排序圖確定了土壤微生物功能群（虛線）和土壤理化性質(zhì)（實(shí)線）之間的關(guān)系）Fig. 5 Redundancy analysis ordination diagram of soil microbial functional groups and physicochemical properties（Ordination plots of the results from the RDA identify the relationships among the soil microbial functional groups（dashed lines）and soil physicochemical characters（solid lines）

圖6 土壤微生物功能群數(shù)量與全氮（TN）和有效磷（AP）的關(guān)系Fig. 6 The relationships between the number of soil microbial functional groups with TN and AP

3 討 論

3.1 土壤微生物功能群空間格局

土壤微生物動(dòng)態(tài)變化近年來(lái)倍受學(xué)者關(guān)注，人工植被恢復(fù)過(guò)程中土壤微生物動(dòng)態(tài)變化的研究主要集中在熱帶、亞熱帶和溫帶地區(qū)的闊葉林以及部分地區(qū)的針葉林，而干旱沙區(qū)開展的研究相對(duì)較少。本研究通過(guò)對(duì)干旱沙區(qū)人工固沙植被演替過(guò)程中與碳、氮、磷元素循環(huán)密切相關(guān)的功能群微生物時(shí)空變化規(guī)律及土壤恢復(fù)特征的研究，發(fā)現(xiàn)隨固沙年限增加，各微生物功能群數(shù)量顯著增加，這與其他學(xué)者研究結(jié)果一致。原因是流動(dòng)沙丘土壤貧瘠、生產(chǎn)力低，限制了微生物的發(fā)育，而在固沙植被建立后，隨著植被恢復(fù)年限增長(zhǎng)，歸還土壤的凋落物增加、植物根系的分泌物增多、土壤細(xì)粒物質(zhì)含量增多、土壤養(yǎng)分增加，共同促使微生物量逐漸增加。此外，本研究還表明表層土壤（0～5 cm）較亞表層（5～10 和10～20 cm）具有較高的微生物數(shù)量（圖3）。這可能由多種原因引起的，與土壤質(zhì)地及土地利用方式有關(guān)。本研究中，土層間氧氣濃度的差異是非常重要的原因，表層氧氣充足，有利于微生物活動(dòng)。其次，由于本研究區(qū)處于干旱沙區(qū)，土壤以流沙為主，且0～30 cm 深度土壤含水率極低，植被分布稀疏，地下生物量極其匱乏，土壤中腐殖質(zhì)含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，人工植被建立后，小畫眉草等草本及隱花植物的定居，改變了表層地下生物量和凋落物質(zhì)量的輸入。此外，深層土壤較低的含水量和孔隙率，不利于土壤中的離子交換，阻礙了養(yǎng)分的擴(kuò)散，進(jìn)而影響土壤微生物的生長(zhǎng)和分布。因此，養(yǎng)分資源匱乏及腐殖質(zhì)的分解受限是造成不同土層微生物數(shù)量差異的主要原因。這一結(jié)果與其他研究者在干旱沙區(qū)的研究結(jié)果一致。

植被作為土壤微生物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與能量的重要來(lái)源，對(duì)微生物群落有重要影響。本研究發(fā)現(xiàn)，檸條和油蒿灌叢下微生物功能群落含量均高于灌叢間（圖2c 和圖2d）。一方面，灌叢下凋落物的輸入量高于灌叢間；另一方面，植被灌叢下較灌叢間根系發(fā)達(dá)。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)固沙植物種影響微生物功能群數(shù)量，即以油蒿和檸條為優(yōu)勢(shì)種的群落微生物功能群數(shù)量存在差異。相同恢復(fù)年限，多年生灌木檸條和壽命較短的半灌木油蒿微生物功能群變化規(guī)律不同。本研究表明：在植被恢復(fù)前期（7年左右）油蒿更利于氮元素循環(huán)的微生物（氨化細(xì)菌和硝化細(xì)菌數(shù)量）的恢復(fù)，而植被恢復(fù)后期（27年左右）檸條更有利于對(duì)碳元素循環(huán)的微生物纖維素分解菌的改善（圖2a 和圖2b）。這可能是由于多年生檸條的形態(tài)結(jié)構(gòu)、根系質(zhì)量和地上生物量特征（如木質(zhì)素與纖維素的比例更高）相對(duì)于壽命較短的半灌木油蒿不同，即植被的形態(tài)及更新周期對(duì)土壤恢復(fù)狀況影響不同。綜上，植被類型、生理特性及人為管理均對(duì)土壤微生物群落和土壤恢復(fù)有重要影響。因此，在干旱沙區(qū)土壤恢復(fù)過(guò)程中必須考慮物種選擇和配置方式，做到灌木和半灌木搭配，利于土壤生境的恢復(fù)。

3.2 土壤微生物功能群季節(jié)變化規(guī)律

土壤微生物對(duì)土壤溫度、濕度、理化性質(zhì)等環(huán)境因素波動(dòng)較敏感。因此，土壤微生物功能群數(shù)量季節(jié)變化與植被類型、氣候、土壤理化性質(zhì)等因子密切相關(guān)。本研究表明，碳循環(huán)微生物功能群落纖維素分解菌春季含量顯著低于其他季節(jié)（圖4），這與王貴的研究結(jié)果一致。季節(jié)性溫度及土壤含水量的差異能夠使土壤中微生物代謝活動(dòng)受限。參與氮素循環(huán)的氨化和硝化作用的微生物數(shù)量的季節(jié)變化較碳素循環(huán)中纖維素分解菌的數(shù)量季節(jié)變化更強(qiáng)。氨化和硝化作用從冬、春、夏到秋季表現(xiàn)為逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)，這與人工卷柏林參與土壤氮循環(huán)微生物的季節(jié)變化規(guī)律一致。冬季較低溫度限制了氨化和硝化作用的發(fā)生，隨著溫度升高，氮循環(huán)過(guò)程活躍。而溶磷菌季節(jié)變化規(guī)律與草地和森林土壤中磷酸酯酶和磷酸二酯酶活性的較為一致，均表現(xiàn)為冬季最高，秋季到春夏季呈上升趨勢(shì)。這可能由于溶磷菌和磷酸酯酶具有相似的生物過(guò)程或影響因素，生長(zhǎng)季植物需要土壤中的有機(jī)磷元素，故溶磷菌和磷酸酶作用均是促進(jìn)土壤中無(wú)機(jī)磷的礦化。但也有研究表明，在森林土壤中全磷的含量多年來(lái)保持相對(duì)穩(wěn)定，根系凋落物的輸入對(duì)磷元素含量的影響是有限的。因此，對(duì)于土壤中指示磷循環(huán)微生物功能群的動(dòng)態(tài)變化暫無(wú)確定性結(jié)論。

3.3 環(huán)境因素對(duì)土壤微生物功能群的影響

土壤微生物群落對(duì)環(huán)境變化敏感，土壤TN、pH等理化性質(zhì)是影響土壤微生物多樣性及分布的主要因素。本研究表明，TN 是引起土壤微生物功能群數(shù)量變化的關(guān)鍵因子，即隨TN 含量增大，纖維素分解菌和溶磷菌數(shù)量逐漸增加，但氨化細(xì)菌和硝化細(xì)菌數(shù)量前期快速繁殖，后期繁殖速度逐漸趨于平穩(wěn)（圖5），說(shuō)明植被恢復(fù)后期，土壤微生物數(shù)量可能受氮素含量的限制。這一發(fā)現(xiàn)支持了土壤養(yǎng)分（如TN 和SOC 含量）是影響土壤細(xì)菌等微生物群落的最重要土壤變量的假設(shè)。本研究結(jié)果也進(jìn)一步說(shuō)明，在干旱沙區(qū)，隨著人工固沙植被的恢復(fù)演替，氮元素相對(duì)碳元素依舊比較匱乏，而植物的生長(zhǎng)和土壤微生物對(duì)氮元素的需求更大，說(shuō)明固沙植被演替后期植物生長(zhǎng)和土壤微生物繁衍有可能主要受氮素的限制。但本研究結(jié)果與干旱地區(qū)森林土壤細(xì)菌群落相對(duì)豐度的研究結(jié)果不同，Zeng 等的研究表明，隨TN 和銨態(tài)氮含量的增加細(xì)菌相對(duì)豐度顯著降低，即氮素含量對(duì)微生物群落表現(xiàn)出抑制作用，這可能是由于研究區(qū)土壤類型及地理跨度的差異造成的。此外，Liu 等研究發(fā)現(xiàn)年齡較老的森林土壤中，AP 含量是影響土壤微生物種群的一個(gè)重要環(huán)境因子；Cleveland 等在熱帶雨林里也發(fā)現(xiàn)AP 含量是影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的主要因子。這與本研究結(jié)果一致，土壤AP 是微生物功能群數(shù)量的極顯著因子，且隨其呈對(duì)數(shù)函數(shù)變化（圖6a 和圖6b）。綜上，由于荒漠沙區(qū)氮和磷元素的匱乏，微生物功能群對(duì)其變化更加敏感，微生物功能群數(shù)量表現(xiàn)為先快速繁殖，后期受氮和磷含量的限制逐漸趨于平穩(wěn)。

4 結(jié) 論

本研究表明，從長(zhǎng)時(shí)間尺度上分析指示土壤碳、氮、磷元素循環(huán)的微生物功能群數(shù)量分布主要受固沙植被建植年代、微生境、土層影響，而短期波動(dòng)則受季節(jié)控制。在恢復(fù)初期半灌木油蒿的氮元素循環(huán)微生物恢復(fù)較快，而后期灌木檸條則對(duì)碳元素循環(huán)微生物的改善較好。由于沙區(qū)土壤中養(yǎng)分匱乏，固沙植被的建植要注重物種合理搭配。因此，固沙植物的物種選取和配置方式對(duì)沙區(qū)土壤恢復(fù)極其重要。此外，土壤理化性質(zhì)與土壤微生物功能群變化密切相關(guān)，其中，TN 和AP 含量是決定土壤微生物功能群數(shù)量的關(guān)鍵因素。由此可以看出，在該生態(tài)系統(tǒng)中，氮和磷較碳對(duì)土壤微生物功能群數(shù)量限制更大，即在干旱沙區(qū)植物生長(zhǎng)季，固沙植被演替后期植物生長(zhǎng)和土壤微生物繁衍有可能主要受氮素的限制。本研究結(jié)果為更好地理解干旱沙區(qū)植被恢復(fù)中微生物與土壤特性的相互作用奠定了基礎(chǔ)，并加強(qiáng)了對(duì)沙漠化地區(qū)土壤碳、氮、磷元素循環(huán)的理解。