短期OTC增溫對晉北農(nóng)牧交錯(cuò)帶溫性草地土壤微生物的影響

摘要：土壤微生物作為參與生物地球化學(xué)循環(huán)的重要生物類群，對陸地生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要，但溫度升高如何影響農(nóng)牧交錯(cuò)帶溫性草地土壤微生物群落的豐度仍不清楚。本研究依托山西右玉黃土高原草地生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站2017年建立的開頂式同化箱（Open-Top chamber，OTC）增溫實(shí)驗(yàn)平臺，處理5年后進(jìn)行土壤樣品的采集，測定土壤真菌和細(xì)菌的豐度以及土壤微生物生物量碳（Microbial biomass carbon，MBC）和氮（Microbial biomass nitrogen，MBN）含量等指標(biāo)，探討農(nóng)牧交錯(cuò)帶溫性草地土壤微生物對不同增溫處理的響應(yīng)。結(jié)果表明：增溫顯著降低土壤真菌豐度，對土壤微生物生物量碳、氮含量沒有產(chǎn)生顯著影響，細(xì)菌豐度隨著增溫處理的溫度上升呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢；增溫處理下，微生物生物量與土壤全磷、硝態(tài)氮和可溶性有機(jī)氮含量呈正相關(guān)關(guān)系。未來需要加強(qiáng)針對氣候變化對該類脆弱生態(tài)系統(tǒng)影響的監(jiān)測，為農(nóng)牧交錯(cuò)帶溫性草地管理提供預(yù)警及科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：環(huán)境因子；微生物生物量；細(xì)菌；增溫；真菌

中圖分類號：S154.3""" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A"""" 文章編號：1007-0435（2024）06-1789-11

Responses of Soil Microorganism to Short-Term OTC Warming in A Temperate

Grassland of Agro-pastoral ecotone in Northern Shanxi

QI Zhi-yuan1，2，3， MA Teng-fei1，2，3， YI Li-kai1，2，3， NING Ya-nan1，2，3， WU Shuai-kai1，2，3，

DIAO Hua-jie1，2，3， SU Yuan1，2，3， XU Pei-dong1，2，3， HAO Jie1，2，3， DONG Kuan-hu1，2，3*

（1.College of Grassland Science， Shanxi Agricultural University，Taigu， Shanxi Province 030801， China; 2.Shanxi Key

Laboratory of Grassland Ecological Protection and Native Grass Germplasm Innovation， Taigu， Shanxi Province 030801， China;

3.Youyu Loess Plateau Grassland Ecosystem Research Station， Youyu， Shanxi Province 037200， China）

Abstract：As an important group of organisms involved in biogeochemical cycles，soil microorganisms play an important role in terrestrial ecosystems. However，how temperature rise affects the abundance of soil microbial communities in temperate grasslands in the agro-pastoral ecotone remains unclear. In this study，soil samples were collected after 5 years of treatment based on the Open-Top chamber （OTC） temperature increase experimental platform established in 2017 at Youyu Loess Plateau Grassland Ecosystem Positioning Observation and Research Station in Shanxi Province. The abundance of soil fungi and bacteria as well as microbial biomass carbon （MBC） and nitrogen （MBN） were measured to investigate the response of soil microorganisms to different warming treatments in the temperate grassland in the farming-grazing zone. The results showed that increasing temperature significantly decreased the abundance of soil fungi，and the abundance of bacteria increased first and then decreased with the gradient of increasing temperature，which had no significant effect on soil microbial biomass carbon and nitrogen. The microbial biomass was positively correlated with soil total phosphorus，nitrate nitrogen and soluble organic nitrogen. In the future，it is necessary to strengthen the monitoring of such vulnerable ecosystems in response to climate change，so as to provide early warning and scientific basis for the management of temperate grassland in the agro-pastoral ecotone.

Key words：Environmental factors;Microbial biomass;Bacteria;Warming;Fungi

由于化石燃料燃燒和土地利用變化導(dǎo)致的大氣CO2濃度升高和效應(yīng)帶來的全球變暖是21世紀(jì)最重要的科學(xué)問題之一［1］。全球氣候系統(tǒng)正在經(jīng)歷一場以氣候變暖為特征的重大變化［2］，據(jù)世界氣象組織調(diào)查數(shù)據(jù)表明，2020年全球平均氣溫約為14.9℃，比工業(yè)化前水平高出1.2℃［3-4］。高海拔和高緯度地區(qū)氣溫上升的速度和幅度要高于全球平均增加的溫度［5-6］。農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地生態(tài)系統(tǒng)屬于生態(tài)脆弱區(qū)并對氣候變化敏感，同樣面臨著全球溫度升高對該類生態(tài)系統(tǒng)影響的威脅，但是目前對于農(nóng)牧交錯(cuò)帶溫性草地生態(tài)系統(tǒng)對增溫響應(yīng)的研究并不多見，尤其土壤微生物對增溫的響應(yīng)是否敏感還不清楚。

土壤微生物在土壤生物地球化學(xué)循環(huán)過程中起著非常重要的作用［7-8］，尤其在土壤氮磷循環(huán)、土壤有機(jī)質(zhì)降解以及土壤團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定性方面發(fā)揮著重要功能［9-11］。氣溫升高直接影響土壤溫度和土壤水分含量，但在不同的生態(tài)系統(tǒng)中增溫對植物群落組成以及地上和地下生物量的影響并不一致［12］。溫度升高首先影響土壤溫度和水分，進(jìn)一步影響土壤有機(jī)質(zhì)組成，影響微生物活性及群落結(jié)構(gòu)，包括細(xì)菌和真菌的比例等［13］。細(xì)菌對水分改變敏感［14］，革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌對水分變化的響應(yīng)也不同，后者更適宜在水分充足的棲息地生存。Guo等人的研究表明，增溫促進(jìn)了土壤微生物群落的分化演替，并顯著改變了細(xì)菌和真菌的群落結(jié)構(gòu)［15］。最新的一項(xiàng)研究也表明，長期變暖增加了不穩(wěn)定碳降解和固氮作用，但減少了頑固性碳降解和反硝化作用［16］。土壤細(xì)菌真菌群落的變化影響生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)，但在全球變暖條件下，對溫度變化響應(yīng)不同的生態(tài)系統(tǒng)，尤其農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地生態(tài)系統(tǒng)的細(xì)菌真菌群落結(jié)構(gòu)如何變化還不清晰，為了探究農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地土壤微生物對全球氣溫升高的響應(yīng)，在晉北農(nóng)牧交錯(cuò)帶溫性草地進(jìn)行了為期5年的開頂式同化箱（Open-Top chamber，OTC）模擬增溫試驗(yàn)，設(shè)置不同的OTC高度控制增溫幅度，通過定量PCR獲得土壤細(xì)菌真菌豐度、微生物生物量以及土壤理化等指標(biāo)，旨在解析氣候變暖如何通過影響土壤微環(huán)境調(diào)控農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物群落，為中國北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)地概況及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于山西右玉黃土高原草地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站（E112°19′39.6″，N39°59′48.5″，海拔1 348 m），自2017年建立了OTC增溫控制實(shí)驗(yàn)平臺。該區(qū)域年均降水量為425 mm，年平均氣溫4.6℃。生長季降雨主要集中在7～8月，無霜期100～120 d，年日照率為30%。土壤pH值為9～10，優(yōu)勢種有賴草（Leymus secalinus）、堿茅（Puccinellia distans）和堿蒿（Artemisia anethifolia）等。

模擬增溫采用不同高度開頂式同化箱，根據(jù)具有代表性的濃度路徑（RCP）情景設(shè)置的，該情景模擬了大約30～40年的CO2大氣濃度和溫度升高［17］。該實(shí)驗(yàn)小區(qū)的布設(shè)采取隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)小區(qū)面積為3 m2，通過調(diào)整OTC高度，模擬了4個(gè)溫度水平，包括對照處理（只安放框架不加裝透明板，CK）和4個(gè)增溫處理：W1（高度40 cm），W2（高度60 cm），W3（高度80 cm）和W4（高度100 cm）。每個(gè)處理5個(gè)重復(fù)，共25個(gè)實(shí)驗(yàn)小區(qū)，小區(qū)周圍用鐵絲網(wǎng)圍欄隔開。

1.2 土壤微生物生物量碳、氮的測定

采用氯仿熏蒸法測定土壤微生物生物量碳（Microbial biomass C，MBC）和氮（Microbial biomass N，MBN）含量。2021年8月中旬用直徑6 cm的土鉆分別取0～10，10～20，20～30，30～40 cm的土壤，挑出植物根和小石子后過2 mm篩。根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選用土水比1∶2.5進(jìn)行浸提，稱取20 g新鮮土樣至100 mL錐形瓶中，其中一份放入熏蒸干燥器內(nèi)放置恒溫培養(yǎng)箱中，抽氣后25℃避光培養(yǎng)24 h，后加入50 mL濃度為0.5 mol·L-1的K2SO4溶液，蓋緊瓶蓋放入振蕩器振蕩1 h，取出后靜置15 min，后利用定性濾紙過濾到50 mL的小方瓶內(nèi)，置于-20℃保存，作為未熏蒸樣品；另一份放入熏蒸干燥器內(nèi)，在熏蒸干燥器中分別放入帶無醇氯仿和0.5 mol·L-1氫氧化鈉溶液的燒杯，密封后連接抽氣泵進(jìn)行抽氣，至氯仿開始沸騰后，計(jì)時(shí)5 min，然后關(guān)緊活塞，同時(shí)將氣泵關(guān)閉，熏蒸干燥器放置于通風(fēng)恒溫培養(yǎng)箱中，25℃避光培養(yǎng)24 h，后取出熏蒸土壤，同未熏蒸土壤處理方法相同，得到熏蒸樣品。使用總有機(jī)碳分析儀（Elementar vario，德國，TOC）測定熏蒸及未熏蒸樣品浸提液中的可溶性總有機(jī)碳和可溶性總氮含量。MBC［18］和 MBN［19］計(jì)算計(jì)算公式如下：

MBC=Ec/0.45（1）

MBN=En/0.54（2）

其中，EC，En分別為熏蒸與未熏蒸樣品中有機(jī)碳、全氮含量的差值，0.45和0.54為校正系數(shù)。

1.3 土壤理化性質(zhì)和生物量測定

OTC裝置內(nèi)氣溫測定選用RC-4溫濕度記錄儀記錄，記錄儀固定在OTC裝置側(cè)壁，將探針放置具土壤表層10 cm處，采用美國METER公司提供的EM50土壤溫度濕度計(jì)監(jiān)測0～10 cm土壤的溫度和水分。在試驗(yàn)進(jìn)行前，將其探針埋入10 cm土層，均將其設(shè)置為每10分鐘讀取一個(gè)數(shù)據(jù)。

地上生物量（Above ground biomass，AGB）采用收獲法，在2021年8月中旬生長高峰期。隨機(jī)在每個(gè)小區(qū)內(nèi)選取1個(gè)100 cm×20 cm的樣方，用剪刀齊地面分種剪取植物的地上部分分別裝進(jìn)標(biāo)記好的信封內(nèi)。繼續(xù)在取完地上生物量的樣方內(nèi)撿取凋落物（Litter），將樣品帶回室內(nèi)105℃下殺青30 min之后，溫度調(diào)至65℃（約48 h）烘干樣品至恒重后用天平稱量，記錄各處理小區(qū)的地上生物量和凋落物量數(shù)據(jù)。

地下生物量（Below ground biomass，BGB）采用鉆土芯法，于2021年8月中旬在取地上生物量的樣方內(nèi)，用直徑7 cm土鉆，取0～40 cm土層的土壤，按0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm和30～40 cm分為4層，每層土取4鉆分別混合，然后過0.1 mm的土壤篩自來水清洗收集根系，并在65℃下持續(xù)烘干48 h，然后稱重。

用電位測定法測定土壤pH值。將風(fēng)干的土樣稱取10 g，按照1∶5的比例在10 g風(fēng)干土樣中加入50 mL蒸餾水，將水土混合均勻后靜置澄清，用pH電位計(jì)測定，充分洗滌電極后再更換標(biāo)準(zhǔn)液或供試液。

取 80 mg 研磨后的風(fēng)干土用錫紙包樣后采用元素分析儀（Elementar vario MACRO cube，德國）測定土壤碳（Carbon，C）、氮（Nitrogen，N）含量。取 0.5 g 研磨后的風(fēng)干土用高氯酸-硫酸法消煮后，使用流動(dòng)分析儀（SEAL AA3-全自動(dòng)流動(dòng)分析儀，德國）測定土壤磷（Phosphorus，P）含量。

過篩的土壤樣品稱取10 g，利用K2SO4浸提，加入K2SO4溶液50 mL，用振蕩器振蕩1 h后充分混勻，靜置過濾，獲取提取液，用流動(dòng)分析儀（SEAL Auto Analyzer 3）測定NH+4-N和NO－3-N含量［20］。用硫酸鉀浸提土壤后，用總有機(jī)碳分析儀（Elementar vario，德國，TOC）測定硫酸鉀提取液中的土壤可溶性有機(jī)碳（Dissolved organic C，DOC）和氮（Dissolved organic N，DON）含量，TDN減去無機(jī)氮（NH+4-N和NO－3-N的和）含量最終計(jì)算得到DON含量

1.4 土壤細(xì)菌和真菌豐度的測定

在2021年8月，對試驗(yàn)區(qū)的25個(gè)OTC內(nèi)的土壤進(jìn)行破壞性取樣，為了減少微生物生物量及群落結(jié)構(gòu)的時(shí)空變異性，隨機(jī)在每個(gè)小區(qū)內(nèi)選取 1個(gè) 100 cm×20 cm 的樣方，用剪刀齊地面剪掉植物的地上部分，然后用直徑 7 cm 土鉆，取 0～40 cm 土層的土壤，按 0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm 和 30～40 cm 分為 4 層，每層土取 6鉆后分別混合均勻。將土樣去除大的根系后，迅速過2 mm篩，樣品保存于-80℃冰箱，用來測定細(xì)菌、真菌豐度。使用FastDNAΔSPIN Kit for Soil提取土壤DNA，采取實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀（Quantitative Real-time PCR）對細(xì)菌、真菌豐度進(jìn)行測定。擴(kuò)增體系為25 μL，配置如下：SYBYGreen Ex Taq buffer（10×）5 μL，dNTP Mix 4 μL，DNA模板1 μL，ddH2O補(bǔ)足至25 μL。采用Applied Biosystems ABI7300 型熒光定量 PCR 儀擴(kuò)增，擴(kuò)增程序及引物見表1，擴(kuò)增斜率為-3.3～-3.7之間，擴(kuò)增效率gt;80%，R2gt;0.99，溶解曲線為單一峰［21-22］。

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析采用 SPSS 24.0，使用Origin 2021軟件作圖，差異水平定義為P＜0.05。用單因素和雙因素方差分析不同增溫強(qiáng)度對土壤理化性質(zhì)和微生物豐度特征的影響，用回歸分析探討土壤理化性質(zhì)和微生物生物量之間的關(guān)系。利用CANOCO 4.5.1軟件，對微生物（生物量、細(xì)菌和真菌豐度）與土壤溫度、土壤理化性質(zhì)間的關(guān)系進(jìn)行冗余分析（Redundancy analysis，RDA）。

2 結(jié)果與分析

2.1 增溫對環(huán)境因子的影響

2019—2021年3個(gè)生長季，不同梯度增溫處理大氣溫度、土壤溫度變化規(guī)律一致，隨增溫強(qiáng)度的增強(qiáng)而升高，土壤含水量隨增溫強(qiáng)度的增強(qiáng)而降低（表2）。綜合三年的平均值，生長季W(wǎng)1，W2，W3，W4處理分別比CK的平均大氣溫度升高1.93℃，1.95℃，2.32℃，3.55℃，與對照相比，不同增溫梯度使得土壤溫度（0～10 cm）分別升高0.37℃，0.40℃，0.41℃，0.68℃，表層0～10 cm土壤含水量分別降低了0.89%，1.40%，1.87%，2.10%。

增溫對0～40 cm不同土層的pH值的均值沒有顯著影響（圖1）。0～40 cm土壤pH值在8.18～9.61之間，0～10 cm土壤pH值為8.18～8.44，10～20 cm土層pH值為8.38～9.20，20～30 cm土層pH值為8.60～9.61，30～40 cm土層pH值為8.86～9.60。增溫處理顯著增加10～20 cm土層pH值（Plt;0.05，圖1），隨著增溫強(qiáng)度的提高，土壤pH值呈現(xiàn)先升高的趨勢，W1，W3和W4處理均顯著影響10～20 cm土層pH值，與CK相比W1，W3，W4分別增加0.17，0.30，0.20。

2.2 增溫對土壤微生物生物量碳、氮及其微生物生物量碳氮比的影響

在0～40 cm不同增溫強(qiáng)度對土壤MBC，MBN和MBC/MBN沒有產(chǎn)生顯著影響（圖2）。MBC含量在33.69～50.52 mg·kg-1之間波動(dòng)，MBN含量在12.85～15.94 mg·kg-1之間波動(dòng)。但W2處理下MBC低于其他處理，而MBN高于其他處理。另一方面不同增溫強(qiáng)度對不同土層MBC和MBN有顯著影響。在0～10 cm土層MBC含量隨著增溫強(qiáng)度的增加而減少；在20～30 cm土層，MBN含量隨增溫強(qiáng)度的增加而減少（Plt;0.05，圖2）。不同增溫強(qiáng)度對生長季MBC/MBN沒有顯著差異（圖2），其均值為2.80～4.46。

2.3 增溫對土壤細(xì)菌、真菌豐度的影響

增溫顯著影響土壤細(xì)菌和真菌豐度（Plt;0.05），其中，細(xì)菌的豐度呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢，真菌的豐度隨增溫強(qiáng)度的增加而減少，細(xì)菌與真菌的比值隨著增溫處理效應(yīng)的增強(qiáng)呈上升趨勢（圖3）。在0～10 cm，20～30 cm，30～40 cm土層增溫處理下細(xì)菌豐度顯著高于對照組（Plt;0.05），增溫處理下真菌豐度顯著低于對照組（Plt;0.05）；增溫處理0～40 cm土層細(xì)菌與真菌豐度的比值顯著高于對照組（Plt;0.05）。

2.4 土壤微生物特征與土壤環(huán)境因子的關(guān)系

冗余分析結(jié)果表明土壤NH+4-N與細(xì)菌豐度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜ 0.05，表3，圖4）。土壤DOC與MBC和MBC/MBN呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.05，表2），而土壤DON與MBC和MBC/MBN呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01，表2）。土壤NO-3-N和TP與MBN呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜ 0.05，表2），土壤pH值、AGB，BGB和ST與土壤微生物細(xì)菌真菌豐度及生物量的相關(guān)性不顯著（表2）。冗余分析結(jié)果表明細(xì)菌豐度與MBC/MBN成正相關(guān)，真菌豐度與SM和BGB成正相關(guān)（圖4）。

3 討論

3.1 土壤微生物量對增溫處理的適應(yīng)性響應(yīng)

在青海湖河源濕地OTC增溫實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)模擬增溫使0～10 cm土壤增溫約1.3℃，使10～20 cm土層增溫約1.0℃［23］。在甘南高寒草甸四年OTC增溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明模擬增溫使高寒草甸0～10 cm土壤增溫約0.74℃，土壤含水量降低了2%［24］。趙建琪等對鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉進(jìn)行紅外增溫使0～10 cm和0～20 cm土層平均溫度分別上升了1.24℃和1.17℃，而土壤濕度在0～10 cm和10～20 cm分別下降了0.61%和0.69%［25］。這些結(jié)果表明增溫效果與增溫方式、增溫持續(xù)時(shí)間、土層深度和生態(tài)系統(tǒng)類型有關(guān)。但總體來看，不同方式的模擬增溫均使表層土壤溫度增加（0～2℃），土壤水分含量降低，與本研究結(jié)果一致。

五年的不同增溫強(qiáng)度對農(nóng)牧交錯(cuò)帶溫性草地（0～40 cm）MBC和MBN沒有產(chǎn)生顯著影響，這與王學(xué)娟等對長白山苔原生態(tài)系統(tǒng)利用OTCs開頂箱進(jìn)行短期增溫試驗(yàn)得到的結(jié)果一致，他們發(fā)現(xiàn)增溫改變了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，但對土壤MBC和MBN含量沒有顯著影響［26］。Domish 等觀測到溫度升高之后草地土壤MBC和MBN含量顯著降低［27］。張明乾對冬小麥農(nóng)田進(jìn)行被動(dòng)式夜間增溫試驗(yàn)，結(jié)果表明增溫顯著降低了土壤MBC和MBN的含量［28］。唐思頔等對杉木幼林表層土進(jìn)行增溫，結(jié)果發(fā)現(xiàn)增溫使土壤碳、氮、微生物量氮等含量顯著降低［29］。隨著土壤溫度的升高，土壤水分會(huì)相應(yīng)減少、pH值升高，由于增溫導(dǎo)致的水分散失可能會(huì)抑制微生物的生長和活動(dòng)，從而導(dǎo)致MBC的減少。然而，熊沛等在利用紅外線輻射加熱器進(jìn)行短期模擬增溫試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)增溫顯著增加了土壤MBC和MBN的含量［30］，這可能是中低增溫引起的空氣和土壤溫度的升高以及植物地上和地下部分的碳和能量供應(yīng)增加，進(jìn)而促進(jìn)了微生物的生長有關(guān)，使得MBC增加［31］。上述結(jié)果表明不同生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物生物量對增溫響應(yīng)的敏感性有顯著差異，換言之，增溫處理對土壤微生物量的影響可能存在生態(tài)系統(tǒng)特異性［32］。微生物生物量碳氮等指標(biāo)由于取樣時(shí)間和次數(shù)的不同，具有一定的時(shí)間變異性，在今后的研究中應(yīng)注意時(shí)間變異的不確定性影響。

此外，本研究發(fā)現(xiàn)增溫對土壤微生物生物量的影響與土層深度和增溫強(qiáng)度有關(guān)。隨著土壤深度的增加，凋落物等外源碳輸入逐漸減少，使得深層土壤中養(yǎng)分含量小于表層土壤。衡濤等對高寒草甸短期增溫實(shí)驗(yàn)得出模擬增溫對高寒草甸表層土壤（0～5 cm）和深層土壤（5～15 cm）MBC和MBN沒有影響［33］。姚世庭等對高寒草甸進(jìn)行5年OTC增溫實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明模擬增溫對高寒草甸0～15 cm土壤MBC影響顯著，對15～30 cm土層MBC和MBN影響不顯著［34］。李洪杰等對高山森林土壤的研究結(jié)果表明，增溫條件下，土壤層次對MBC和MBN有顯著影響［35］。茍小林等的研究結(jié)論表明，增溫條件下，表層土的土壤MBC和MBN顯著大于底層土的土壤MBC和MBN［36］。以上研究均與本研究結(jié)果一致，原因可能是晉北農(nóng)牧交錯(cuò)帶溫性草地土壤養(yǎng)分貧瘠且淺根系植物較多，大量根系分泌物給微生物帶來了養(yǎng)分，使淺層土的化學(xué)物質(zhì)含量顯著高于底層土。本研究中土壤微生物生物量碳與DOC呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而后者與土壤pH值呈正相關(guān)關(guān)系［37］。在本研究中，隨土層深度增加，土壤pH呈現(xiàn)顯著遞增趨勢，這可能是促進(jìn)土壤可溶性有機(jī)碳在深層土壤中的積累的原因之一。

在高鹽堿化土壤中，微生物的活性一般會(huì)受到抑制［38］，晉北賴草草地屬于中度鹽堿化土壤，隨著土層深度增加，pH值顯著增加，說明深層土壤中微生物量的累積可能會(huì)受到抑制，從而使DOC與微生物生物量碳呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。DOC和MBC含量決定于土壤水分、溫度、通氣、pH 等環(huán)境條件。這是因?yàn)樗疅釛l件越適宜，有機(jī)質(zhì)被分解的越快，同時(shí)取樣月份降水量較多，使得DOC通過淋溶損失而減少，適宜的土壤水熱條件會(huì)促進(jìn)微生物生長，導(dǎo)致MBC含量增加，DOC與MBC呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。土壤中DN，MBC還與土壤水運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)。這是因?yàn)镈N能夠溶解于水中，水分在土壤中運(yùn)移必須對這些有機(jī)氮化合物起到搬運(yùn)作用。DON，MBC隨水移動(dòng)至他處后，可能會(huì)被更快地分解，也會(huì)因環(huán)境條件不利于生物化學(xué)過程發(fā)生而被暫時(shí)積累或合成為其它化合物。所以DN與MBC呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

3.2 土壤真菌和細(xì)菌豐富度對增溫處理的差異性響應(yīng)

我們發(fā)現(xiàn)增溫使真菌相對豐度降低，細(xì)菌相對豐度增加，細(xì)菌真菌比增加。已有研究發(fā)現(xiàn)紅外增溫加熱會(huì)引起土壤氮素利用率的增加而提高土壤細(xì)菌真菌之比［39］。與本研究一致，土壤微生物群落中細(xì)菌真菌比例的改變可能會(huì)使土壤微生物對碳氮的利用格局也發(fā)生變化，使得細(xì)菌與NH+4-N含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。細(xì)菌相對豐度的顯著增加，有利于易分解有機(jī)碳的降解，被降解的有機(jī)碳通過排放和淋溶流失，不利于土壤有機(jī)碳的積累。對南亞熱帶針闊葉混交林植物生理生態(tài)過程對增溫響應(yīng)的研究中也得到相同的結(jié)果，即在持續(xù)變暖條件下，微生物會(huì)主動(dòng)地下調(diào)其代謝，而這種生理適應(yīng)隨著實(shí)驗(yàn)變暖時(shí)間的延長，對微生物生物量的影響逐漸減弱［40］。最近的一項(xiàng)研究表明，溫度升高會(huì)增加微生物模型中的酶活性，這通常會(huì)導(dǎo)致土壤C的流失；如果微生物生長效率隨著升溫時(shí)間的延長而下降，并減少控制分解的微生物生物量，則這種影響可以完全抵消［41］。

Yu等對內(nèi)蒙古呼倫湖草甸草原進(jìn)行OTC增溫分析得到，增溫顯著提高了土壤細(xì)菌的豐度，與本研究一致［42］?？赡苁怯捎谕寥兰?xì)菌已經(jīng)適應(yīng)了變暖環(huán)境。通常細(xì)菌很容易適應(yīng)1℃～3℃的溫度升高，這意味著土壤細(xì)菌對該范圍內(nèi)的變暖不敏感［43］。本研究發(fā)現(xiàn)增溫后土壤真菌豐度顯著減少，這與以往研究結(jié)果一致。增溫會(huì)對森林和草原生態(tài)系統(tǒng)微生物群落組成產(chǎn)生影響，包括真菌與細(xì)菌比率降低［44-45］和革蘭氏陽性菌增加［46-47］。真菌數(shù)量隨氣溫升高而減少可能反映了這樣一個(gè)事實(shí)，即細(xì)菌具有在更高溫度下高競爭優(yōu)勢的特性，包括更快的生長速度和更好的營養(yǎng)競爭。由于草地生態(tài)系統(tǒng)土壤類型、植被覆蓋和取樣時(shí)空的差異，很難概括其對微生物群落功能和氣候反饋的長期影響。

眾所周知，微生物多樣性和生物量通常隨著土壤深度下降而下降［48］，但隨著草地生態(tài)系統(tǒng)土壤深度的增加，相關(guān)研究的數(shù)量變少。本研究結(jié)果表明真菌豐度與SM和BGB成正相關(guān)。這可能是因?yàn)楸韺油帘壬顚油寥澜?jīng)歷更頻繁的水分波動(dòng)和養(yǎng)分有效性的劇烈變化，這可以改變土壤真菌細(xì)胞的生理應(yīng)激和礦化過程［49］，并為真菌群落提供更多生態(tài)位［50］。因此，沿垂直土壤剖面，微生物生物量并未持續(xù)大幅減少，這與垂直方向的環(huán)境過濾有關(guān)。

由于土壤的生物和非生物特性差異很大，因此很難概括氣候變化對不同土壤生態(tài)系統(tǒng)中土壤微生物群落的影響［51］。在一個(gè)特定的土壤類別中，控制所存在的微生物類型的生物地球化學(xué)存在差異，包括pH值和鹽度［52-53］。此外，土壤結(jié)構(gòu)和土壤水分含量也影響著微生物生境和生態(tài)位的創(chuàng)建［54］，并對碳和養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化產(chǎn)生級聯(lián)效應(yīng)。因此，未來的研究還需要結(jié)合宏基因組學(xué)等多種工具來研究深層土壤微生物功能（例如與硝酸鹽相關(guān)的氮循環(huán)過程、植物殘留物降解策略以及細(xì)菌和真菌對有限水和養(yǎng)分資源的有效利用）以及氣候變化與深度微生物之間聯(lián)系的更深層次機(jī)制。

4 結(jié)論

本研究基于農(nóng)牧交錯(cuò)帶溫性草地和生態(tài)脆弱區(qū)開展的野外模擬增溫控制實(shí)驗(yàn)，通過5年（2017—2021）模擬不同增溫處理，探究了不同增溫強(qiáng)度對不同土層土壤微生物生物量、細(xì)菌和真菌豐度的影響，得到以下主要結(jié)論：MBC和MBN及其比值對增溫處理存在適應(yīng)性響應(yīng)，但與土壤全磷、硝態(tài)氮和可溶性氮含量呈正相關(guān)關(guān)系；土壤細(xì)菌和真菌豐度對增溫存在差異性響應(yīng)，農(nóng)牧交錯(cuò)帶溫性草地土壤真菌豐度隨溫度增加而逐漸降低，而細(xì)菌豐度隨著溫度增加呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢，細(xì)菌與真菌的比值隨著增溫而增加。細(xì)菌真菌豐度與微生物生物量碳氮比土壤含水量和地下生物量呈正相關(guān)關(guān)系。

參考文獻(xiàn)

［1］ LIVINGSTON J E，RUMMUKAINEN M. Making policy-relevant knowledge in the IPCC Special Report on 1.5 degrees：An analysis of reviewer comments［J］. Environmental Science amp; Policy，2023，147：305-314

［2］ KARL T R，ARGUEZ A，HUANG B. Possible artifacts of data biases in the recent global surface warming hiatus［J］. Science，2015，348（6242）：1469-1472

［3］ CHENG L，ZHANG N，YUAN M. Warming enhances old organic carbon decomposition through altering functional microbial communities［J］. The ISME Journal，2017，11（8）：1825-1835

［4］ FANG X，ZHOU G，QU C. Translocating subtropical forest soils to a warmer region alters microbial communities and increases the decomposition of mineral-associated organic carbon［J］. Soil Biology and Biochemistry，2020，142：107707

［5］ PENG M，JIA H，WANG Q. The effect of land use on bacterial communities in saline-alkali soil［J］. Current Microbiology，2017，74：325-333

［6］ OLIVERIO A M，BRADFORD M A，F(xiàn)IERER N. Identifying the microbial taxa that consistently respond to soil warming across time and space［J］. Global Change Biology，2017，23（5）：2117-2129

［7］ PUTTEN V D，WIM H，RICHARD D. Belowground biodiversity and ecosystem functioning［J］. Nature，2014，515（7528）：505-511

［8］ FIERER N. Embracing the unknown：disentangling the complexities of the soil microbiome［J］. Nature Reviews Microbiology，2017，15（10）：579-590

［9］ LI X R，WEI J Y，CHEN Y. Functional diversity of soil microorganisms in Casuarina equisetifolia woodlands of different stand ages in Hainan Island［J］. Chinese Journal of Plant Ecology，2014，38（6）：608

［10］YU H，MA Q，LIU X. Short-and long-term warming alters soil microbial community and relates to soil traits［J］. Applied Soil Ecology，2018，131：22-28

［11］ZHENG Q，HU Y，ZHANG S L. Soil multifunctionality is affected by the soil environment and by microbial community composition and diversity［J］. Soil Biology and Biochemistry，2019，136：107521

［12］?；勖簦斡晷?，卞嘉琛，等. 養(yǎng)分添加和淺耕翻對晉北賴草草地土壤呼吸的影響［J］. 草地學(xué)報(bào)，2023，31（11）：3436-3443

［13］XUE K，MA Y M，SHI Z. Tundra soil carbon is vulnerable to rapid microbial decomposition under climate warming［J］. Nature Climate Change，2016，6（6）：595-600

［14］GORDON H，HAYGARTH P M，BARDGETT R D. Drying and rewetting effects on soil microbial community composition and nutrient leaching［J］. Soil Biology and Biochemistry，2008，40（2）：302-311

［15］GUO X，F(xiàn)ENG J，SHI Z. Climate warming leads to divergent succession of grassland microbial communities［J］. Nature Climate Change，2018，8（9）：813-818

［16］GAO Y，DING J，YUAN M. Long-term warming in a Mediterranean-type grassland affects soil bacterial functional potential but not bacterial taxonomic composition［J］. Nature Partner Journal Biofilms and Microbiomes，2021，7（1）：17

［17］LI X，JIANG T，QI C. The core conclusions and interpretation of working group II contribution to the fifth assessment report of the intergovernmental panel on climate change［J］. Chinese Journal of Urban and Environmental Studies，2015，3（1）：1550004

［18］MANZON S，TAYLOR P，RICHTER A. Environmental and stoichiometric controls on microbial carbon-use efficiency in soils［J］. New Phytologist，2012，196（1）：79-91

［19］WU J S，SHEN J L，HUANG D Y. Is the C：N：P stoichiometry in soil and soil microbial biomass related to the landscape and land use in southern subtropical China？［J］. Global Biogeochemical Cycles，2012，26（4）：GB4002

［20］DIAO H J，CHEN X P，ZHAO X. Effects of nitrogen addition andprecipitation alteration on soil respiration and its components in a saline-alkaline grassland［J］. Geoderma，2022，406：115541

［21］LIU J，JIA X，YAN W. Changes in soil microbial community structure during long-term secondary succession［J］. Land Degradation amp; Development，2020，31（9）：1151-1166

［22］SEKARAN U，SANDHU S S，QIU Y. Biochar and manure addition influenced soil microbial community structure and enzymatic activities at eroded and depositional landscape positions［J］. Land Degradation amp; Development，2020，31（7）：894-908

［23］章妮，楊陽，陳克龍，等. 模擬增溫對青海湖河源濕地土壤微生物群落特征的影響［J］. 生態(tài)科學(xué)，2022（5）：46-54

［24］徐宜峰. 高寒草甸灌木長期移除和模擬增溫對土壤細(xì)菌拮抗作用與群落結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制研究［D］. 蘭州：蘭州大學(xué)，2022：3-6

［25］趙建琪，吳建平，張慧玲，等. 增溫對南亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林土壤微生物群落的影響［J］. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2019（5）：881-889

［26］王學(xué)娟，周玉梅，王秀秀，等. 長白山苔原生態(tài)系統(tǒng)土壤酶活性及微生物生物量對增溫的響應(yīng)［J］. 土壤學(xué)報(bào)，2014（1）：166-175

［27］DOMISCH T，LEENA F，LEHTE T. Effect of soil temperature on nutrient allocation and mycorrhizas in Scots pine seedlings［J］. Plant and Soil，2002，239（2）：173-185

［28］張明乾. 冬小麥根系和土壤環(huán)境對夜間增溫的響應(yīng)及其區(qū)域差異［D］. 南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012：4-5

［29］唐偲頔，郭劍芬，張政，等. 增溫和隔離降雨對杉木幼林土壤養(yǎng)分和微生物生物量的影響［J］. 亞熱帶資源與環(huán)境學(xué)報(bào)，2017（1）：40-45

［30］熊沛，徐振鋒，林波，等. 岷江上游華山松林冬季土壤呼吸對模擬增溫的短期響應(yīng)［J］. 植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2010（12）：1369-1376

［31］LIU Q，YIN H，CHEN J. Belowground responses of Picea asperata seedlings to warming and nitrogen fertilization in the eastern Tibetan Plateau［J］. Ecological Research，2011，26（3）：637

［32］HARARUK O，SMITH M J，LUO Y. Microbial models with data-driven parameters predict stronger soil carbon responses to climate change［J］. Global Change Biology，2015，21（6）：2439-2453

［33］衡濤，吳建國，謝世友，等. 高寒草甸土壤碳和氮及微生物生物量碳和氮對溫度與降水量變化的響應(yīng)［J］. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2011（3）：425-430

［34］姚世庭. 模擬增溫對高寒草地土壤微生物多樣性的影響［D］. 青海：青海大學(xué)，2020：9-8

［35］李洪杰，劉軍偉，楊林，等. 海拔梯度模擬氣候變暖對高山森林土壤微生物生物量碳氮磷的影響［J］. 應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)，2016（4）：599-605

［36］茍小林. 模擬增溫對高山森林土壤碳氮轉(zhuǎn)化的影響［D］. 成都：四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014：7-6

［37］YANG N，ZOU D，YANG M. Variations in Soil Microbial Biomass Carbon and Soil Dissolved Organic Carbon in the Re-Vegetation of Hilly Slopes with Purple［J］. Plos One，2016，11（12）：0166536

［38］SINGH K. Microbial and enzyme activities of saline and sodic soils［J］. Land Degradation amp; Development，2016，27（3）：706-718

［39］FU G，ZHANG H R，LI S W. A Meta-analysis of the Effects of Warming and Elevated CO2 on Soil Microbes［J］. Journal of Resources and Ecology，2019，10（1）：69-76

［40］ZHOU W P，SHEN W J，LI D. Interactive effects of temperature and moisture on composition of the soil microbial community［J］. European Journal of Soil Science，2017，68（6）：909-918

［41］XU W，YUAN W. Responses of microbial biomass carbon and nitrogen to experimental warming：A meta-analysis［J］. Soil Biology and Biochemistry，2017，15：265-274

［42］YU C，HAN F，F(xiàn)U G. Effects of 7 years experimental warming on soil bacterial and fungal community structure in the Northern tibet alpine meadow at three elevations［J］. Science of the Total Environment，2019，655：814-822

［43］YU Y，LIU L，WANG J. Effects of warming on the bacterial community and its function in a temperate steppe［J］. Science of the Total Environment，2021，792：148409

［44］ZHANG B，CHEN S Y，ZHANG J F. Depth-related responses of soil microbial communities to experimental warming in an alpine meadow on the Qinghai-Tibet Plateau［J］. European Journal of Soil Science，2015（12）：105391

［45］MELILLO J M，F(xiàn)REY S D，DEANGELIS K M. Long-term pattern and magnitude of soil carbon feedback to the climate system in a warming world［J］. Science，2017，358（6359）：101-105

［46］EILERS K G，DEBENPORT S，ANDERSON S. Digging deeper to find unique microbial communities：the strong effect of depth on the structure of bacterial and archaeal communities in soil［J］. Soil Biology and Biochemistry，2012，50：58-65

［47］BRANGAR A C，LYONNARD B，ROUSK J. Soil depth and tillage can characterize the soil microbial responses to drying-rewetting［J］. Soil Biology and Biochemistry，2022，173：108806

［48］BRANGAR A C，MANZONI S，ROUSK J. A soil microbial model to analyze decoupled microbial growth and respiration during soil drying and rewetting［J］. Soil Biology and Biochemistry，2020，148：107871

［49］GUO X，F(xiàn)ENG J，SHI Z. Climate warming leads to divergent succession of grassland microbial communities［J］. Nature Climate Change，2018，8（9）：813-818

［50］HAYDEN H L，MELE P M，BOUGOURE D S. Changes in the microbial community structure of bacteria，archaea and fungi in response to elevated CO2 and warming in an A ustralian native grassland soil［J］. Environmental Microbiology，2012，14（12）：3081-3096

［51］FREY S D，DRIJBER R，SMITH H. Microbial biomass，functional capacity，and community structure after 12 years of soil warming［J］. Soil Biology amp; Biochemistry，2008，40（11）：2904-2907

［52］NAYLOR D，SADLER N，BHATTACHARJEE A. Soil microbiomes under climate change and implications for carbon cycling［J］. Annual Review of Environment and Resources，2020，45（1）：29-59

［53］THOMPSON L R，SANDERS J G，MCDONALD D. A communal catalogue reveals Earth’s multiscale microbial diversity［J］. Nature，2017，551（7681）：457-463

［54］FIERER N，JACKSON R B. The diversity and biogeography of soil bacterial communities［J］. Proceedings of the National Academy of Sciences，2006，103（3）：626-631

（責(zé)任編輯 閔芝智）