黄土丘陵区垂直陡壁表面不同类型生物土壤结皮养分与微生物养分限制特征

来源：SCI期刊网 分类：农业论文 时间：2022-01-19 09:52 热度：

　　摘 要：生物土壤结皮的发育类型对土壤养分和微生物代谢起着重要作用。为进一步明确在生物结皮发育过程中微生物的限制性养分与影响因 素，研究选择黄土丘陵区垂直陡壁表面上的裸土(CK)、浅 色 藻 结 皮(LA)、深 色 藻 结 皮(DA)、藻藓混合结皮(AM)和藓结皮(M)为研究对象，分析了不同生物土壤结皮类型下碳(C)、氮(N)、磷(P)养分状况与胞外酶活性，并通过胞外酶化学计量来量化微生物的代谢限制。结 果 表 明：LA，DA，AM 和 M 这4种 类 型 生 物 土壤结皮 C，N，P养分含量和微生物生物量 C，N，P均 显 著 高 于 CK(p<0.05)，并 且 SOC，TN，TP和微生物生物量 C，N，P随 CK，LA，DA，AM 和 M 的顺序逐渐增大，藓结皮微生物量 C，N，P分别是 CK 处理的18.3，27.6，14.1倍。生物土壤结皮的发育显著提高了 C，N，P循环酶的活性，冗余分析结果表明土壤养分与酶活性密切相关。此外，通过酶计量的矢量模型结果来看，生物土壤结皮的发育造成微生物相对碳限制的增大与相对磷限制的减小，并受到速效养分含量的影响。偏最小二乘路径模型结果也表明生物土壤结皮的类型会间接影响微生物的代谢限制。总的来说，生物土壤结皮类型的变化会改善土壤养分状况与微生物量等性质，养分资源的供应状况会造成微生物养分代谢的变化。

　　关键词：生物土壤结皮;养分;酶活性;微生物代谢限制

　　在植被恢复的过程中，生物土壤结皮成为干旱和半干旱地区最具特色的微自然景观[1-2]，也是干旱荒漠区、极地地区等生态脆弱区植被演替的重要基础[3]。生物土壤结皮在调节土壤养分、稳定表层土壤、为土壤生物提供栖息地等方面起着至关重要的作用[4-6]。生物土壤结皮 按 照 藻 结 皮—地 衣 结 皮—苔 藓 结 皮 的 顺 序 演替[7-8]，在某些特定环境条件下，可以跳跃地衣阶段，直接由藻结皮发育为苔藓结皮[9]。随着生物结皮的演替，生态系统中的群落组成也在发生变化，处在不同的发育演替阶段时期具有不同的生态价值，在土壤性能、抗减压力、水文过程以及固碳(C)、氮(N)效能等方面也有较大差别[10-11]。生物结皮的发育类型会影响到微生物的代谢，而微生物代谢的变化也被认为是影响土壤养分循环的最大不确定因素之一[12-13]。因此明确生物结皮发育过程中微生物的代谢至关重要。

　　碳、氮、磷(P)代谢是土壤微生物最重要的代谢过程，并且营养化学计量是控制微生物代谢的关键驱动力[14]。生物结皮在不同发育阶段下养分状况会存在差异[15]，当养分化学计量处于不平衡时，微生物代谢就会受到限制[16]。生物土壤结皮在不同发育阶段下微生物受到何种养分限制以及限制如何变化尚不明确。而生态酶化学计量可用于估计微生物养分需求和土壤养分供应之间的平衡[17]，用于揭示以碳、氮或磷为代表的微生物代谢限 制 的 特 征[18]。另 外，在 黄 土 垂 直 节 理 发育的陡壁上所生长的生物结皮更为集中。因此，本研究选择黄土丘陵区垂直断面上所发育的不同类型生物结皮为研究对象，探究其发育过程中的养分与生态酶化学计量特征，进一步明确在生物结皮发育过程中微生物的限制性养分与影响因素，为科学认识生物结皮的生态功能以及微生物代谢状况提供理论依据。

　　1 材料与方法

　　1.1 研究区概况

　　研究地点位于陕西省安塞县的纸坊沟(109°15′E，36°44′N)、马家沟(109°16′E，36°50′N)和腰鼓山(109° 18′E，36°51′N)3个地区。该地区是典型的黄土丘陵沟壑区，平均海拔1200m 左右。该区年均温8.8℃，年均降水量300～650mm，年日照时数约2400h，属于暖温带半干旱季风气候。土壤类型以黄绵土为主，分布的地带性植被 主 要 有 沙 棘(Hippophaerhamnoides)、长芒草(Stipabungeana)、茵陈蒿(Artemisiacapillar-ies)、胡枝子(Lespedezabicolor)等。

　　1.2 样品采集

　　本研究于2020年8月对生物土壤结皮样品进行采集。在纸坊沟、马家沟和腰鼓山3个地区选择海拔一致，生物结皮发育完整的垂直陡壁为采样点并作为样地重复，样 地 的 坡 度 均 接 近 90°。在 每 个 样 地 中，按照藓的盖度[19]采集4种类型的生物结皮：浅 色 藻结皮(LA)、深色 藻 结 皮(DA)、藻 藓 混 合 结 皮(AM)和藓结皮(M)(藓 盖 度 分 别 为0，0%～30%，30%～70% 和 70% ～100%)。其平均厚度分别为 2.76，4.03，5.70，7.58mm。每个采样斑块中的生物结皮应均匀分布且每个斑块间距离在2m 以上。在每个样地中，按照随机采样和多点混合的原则采集每种类型的生物结皮层，每种类型的结皮分5～7点采样，最终混合作为一个分析样。另外，采集垂直面上没有生物结皮发育的裸土作为对照处理(CK)。每个样本分为两个子样本，一 份 样 本 立 即 放 在4℃冰 箱 中 保 存，两周内用于分析酶活性和微生物量，其他样本风干后用于理化性质分析。

　　1.3 样品测定

　　用烘干法测定土壤含水量;pH 用 电 位 法(水 土比为2.5∶1)测定;采用重铬酸钾—外加热法测定土壤有机碳(SOC)的 含 量;凯 氏 定 氮 法 测 定 土 壤 全 氮(TN)含 量 (KjeltecTM2399，瑞 典);可 溶 性 有 机 碳(DOC)和可溶性有机氮(DON)提取后由 MultiC/N3100测定。分别用浓硫酸—高氯酸和0.5mol/L 的碳酸氢钠处理土壤，用钼锑抗—紫外分光光度法测定全 磷 (TP)和 速 效 磷 (Olsen-P)含 量 (HitachiUV2300)。采用氯仿熏蒸法测定微生物生 物 量[20](MBC，MBN，MBP)，将未熏蒸和熏蒸样品间的差异作为微生物量，MBC，MBN 和 MBP的转化系数分别为0.45，0.54，0.40。保存在4℃中的样品用来测定参与碳氮磷 循 环 的 水 解 酶 活 性。包 括：β-1，4-葡 萄 糖 苷 酶(BG)，β-D-纤维二糖水解酶(CBH)，β-1，4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)，L-亮氨酸氨肽酶(LAP)，碱性磷酸酶(AP)。5种酶活性均采用微孔板荧光法进行测定[21-22]，所有酶活性均以nmol/(gSOMh)来表示。

　　1.5 数据分析

　　采用单因素方差分析(One-wayANOVA)和 Tukeytest多重比较检验各处理间的差异性。采用广义线性模型来确定微生物相对 C限制和相对 P限制间的关系。利用R 软件的“Vegan”包进行冗余分析(RDA)，利 用 “plspm”包中的“innerplot”函数进行偏最小二乘路径模型(PLS-PM)分析结皮类型，土壤性质和微生物量对微生物养分限制的直接和间接效应。所有分析和绘图分别在软件R(v.3.6.3)和软件 Origin2021中进行。

　　2 结果与分析

　　2.1 不同类型生物土壤结皮性质特征

　　不同结皮类型下的土壤理化性质存在显著差异(表1)。4种结皮类型(LA，DA，AM 和 M)的土壤总有机碳、全氮、全磷、可溶性有机碳、可溶性有机氮和土壤含水 量 均 显 著 高 于 CK 处 理(p<0.05)，CK 的速效磷含量(1.29 ± 0.08mg/kg)在数值上也小于各个结皮类型。尽管pH 在各处理间的差异不显著，但在数值上CK的pH 最高(8.13±0.10)。除了 DOC和pH外，藓结皮的SOC，TN，TP，DON，Olsen-P和含水量均为最高(p<0.05)，分别为(9.78 ± 0.41)g/kg，(0.87± 0.02)g/kg，(0.51±0.01)g/kg，(118±6.09)mg/kg，(4.32±0.52)mg/kg，19.3%±0.75%，并且在大小顺序上均表现为 M>AM>DA>LA。DOC与其他不同，DA处理最高(p<0.05)，为(304±8.07)mg/kg。总的来说，生物土壤结皮的生长促进了土壤中养分含量以及含水量的增加，并且随着裸土、浅色藻结皮、深色藻结皮、藻藓混合结皮和藓结皮的顺序逐渐增加。

　　图1为不同类型结皮的微生物量特征。CK的微生物量碳、氮、磷均为最低(p<0.05)，分别是(127±4.32)mg/kg，(6.84±1.21)mg/kg，(2.02±0.71)mg/kg。与理化 性 质 的 结 果 类 似，藓 结 皮 的 微 生 物 量 最 高(p<0.05)，其微生物量碳、氮、磷分别是 CK 处 理 的18.3，27.6，14.1倍。各处理微生物量在数值上均表现为 M>AM>DA>LA>CK。可 见，生 物 结 皮 的发育促进了微生物量的逐渐增加。

　　2.2 不同类型生物土壤结皮胞外酶活性特征

　　生物结皮类型对土壤胞外酶活性具有显著影响(表2)。结皮下土壤胞外酶活性均显著高于裸土(p<0.05)。BG，CBH 和 NAG 的酶活性均表现为随着LA，DA，AM 和 M 的顺序逐渐增加，其中，M 处理的CBH 显著高于 AM，DA 和 LA 处理，分别是其1.83，2.14，2.19倍。LAP的最大值出现在 AM 处理(p<0.05)，为(1852±125)nmol/(gSOMh)。DA 处理的AP酶活性最大，为(7387±251)nmol/(gSOM·h)，但与其他结皮类型间没有显著差异。

　　2.3 矢量模型分析微生物代谢特征

　　利用酶计量的矢量模型计算不同类型结皮的向量长度和角度来量化微生物的相对 C 限制与相对 P限制(图2A 和2B)。结果发现，CK 处理表现为最低的相对 C 限 制(0.72±0.03)与 最 高 的 相 对 P 限 制(61.0±1.19)，而 M 处理相反，表现为最高的相对 C限制(0.89±0.03)与 最 低 的 相 对 P 限 制 (55.1± 1.29)。其他3种类型结皮的相对C和P限制处于二者之间且差异不显著。通过线性回归分析了向量长度与向量角度的关系发现，二 者 存 在 显 著 的 负 相 关关系(图2C)，其 回 归 方 程 为 y = -0.02x +1.98(R2=0.61，p<0.001)。

　　2.4 环境因子对生物土壤结皮酶活性及微生物养分限制的影响

　　利用RDA分析了生物土壤结皮下的土壤性质与土壤C，N，P获取酶的关系(图3)，土壤性质能够解释酶活性59.2%的 变 异，其 中 轴1与 轴2的解释率分别为56.1%和3.10%。微生物 C获取酶与土壤养分(SOC，TN，TP)和微生物量(MBC，MBN，MBP)存在正相关，P获取酶相反，N获取酶与pH 间存在较强正相关。

　　通过偏最 小 二 乘 路 径 模 型(PLS-PM)确 定 各 因素对微 生 物 C，P 限 制 的 直 接 和 间 接 效 应(图4A 和4B)。生物结皮类型直接影响养分含量、微生物量和含水 量，进而对微生物的相对 C，P 限 制 造 成 影 响。结皮类型(+0.75)、养 分 含 量(+0.43)和 微 生 物 量(+0.60)对微生物的相对C限制影响最大(图4C)，对微生物相对P限制影响最大的是结皮类型(-0.71)和养分含量(-0.72)(图4D)。

　　3 讨 论

　　3.1 生物土壤结皮的性质

　　生物土壤结皮的发育改善了土壤的养分状况。在本研究结果中，4种生物土壤结皮类型(LA，DA，AM 和M)的总有机碳、全氮、全磷、可溶性有机碳、可溶性有机氮和土壤速效磷含量均高于裸土(表1)，与以往的研究结果类似。Elbert等[24]研究表明每年由生物结皮对 C的吸收约为3.9Pg，相当于陆地植被净初级生产力的7%，同时生物结皮显著增加了表层土壤有机碳的含量[25]。生物结皮对氮元素的固定起着重要作用，Russ-ow等[26]通过研究生物结皮和大气氮沉降的关系，发现大气中84%以上的氮可以通过生物结皮进行固定;而生物结皮中的蓝藻和蓝藻共生地衣，能够将大气中的N2固定为可被植物利用的氮进入土壤，增加了表层土壤 N的输入[27];此外，明姣等[28]研究发现生物结皮的形成显著的提高了土壤全氮的含量，并且对土壤中氮素的贡献主要集中在结皮层。生物结皮的发育也可以加速土壤有效磷的积累，一方面生物结皮分泌的有机酸能够溶解磷酸盐而释放磷;另一方面，生物结皮通过提高结皮层土壤碱性磷酸酶的活性和有机质含量，降低土壤pH，进而提高了土壤磷素有效性[29-30]。尽管在本研究中各处理间的pH 没有显著差异，但是各结皮处理的 pH均小于裸土，这与上述结果是一致的。

　　与裸土相比，4种类型的生物结皮生长显著增加 了微生物生物量 碳 氮 磷(p<0.05，图1)。这 与 本 研究中土壤养分和土壤含水量的变化是一致的，在适宜的养分与水分条件下，可以为微生物的生长提供有利的条件[14]，偏最小二乘路径模型结果也展示出养分含量对微生物量的直接作用更为显著(图4)。当然，微生物的生长也可以促进养分的积累和 水分的涵养[31]。生物结皮一般会按照藻结皮—地衣结皮—苔藓结皮的顺序演替[7-8]，在本研究中土壤养分、水分和微生物量均随裸土、浅色藻结皮、深色藻结皮、藻藓混合结皮和藓结皮的顺序逐渐增加，反映出在生物结皮发育过程中有助于土壤性质的改善。

　　3.2 生物土壤结皮的酶活性和微生物养分限制

　　参与 C，N 和 P循环的相关酶活性均表现为结皮的酶活性显著大于裸土(p<0.05，表2)，这表示微生物在生物结皮中的 C，N，P代谢速率更快，与微生物量的结果相对应。此外，以往的研究表明，土壤酶活性受到土壤 养 分 状 况 影 响 较 大[32]，并 且 在 养 分 匮 乏时微生 物 可 以 分 泌 酶 到 环 境 中 来 获取所需的养分[33]。本研 究 中，RDA 结果表明土壤的养分状况(SOC，TN 和 TP)与酶活性存在较强的相关性，并且能够解释酶活 性 大 部 分 的 变 异(图3)。因 此 不 同 结皮类型间的养分差异会影响到土壤酶的活性。

　　酶计量的矢量模型结果表示在各个类型下微生物均受到相对 C 限制和相对 P限制，并且微生物相对 C，P限制间存在显著负相关关系(图2)。其中裸土的相对 C 限制低于各结皮处理，而相对 P限制高于各结皮处理(图2A 和2B)。这可能是由于土壤本身的 P元素较为匮乏，不能满足微生物生长需求，并且从裸土发育到浅色藻结皮、深色藻结皮和藻藓混合结皮的过程中，土壤速效磷含量并没有显著变化(p>0.05)。P元素的限制也会影响到微生物对其他养分的吸收和微生物代谢[34]。为了缓解P限制，微生物群落在分泌与P代谢相关的酶时会消耗掉一定的C[35];有机质分解也会释放P供微生物利用[36]，微生物需要分泌更多的C获取酶水解有机质来缓解自身 P的限制，这些过程都会导致微 生 物 相 对 C 限 制 的 增 加。此 外，从 裸土发育到结皮的过程中，微生物量显著增加，微生物间对资源的竞争也会造成相对 C限制的加剧。

　　在浅色藻结皮发育到藓结皮的过程中，尽管相对C限制在各类型间差异不显著，但是数值上表现为先降低后增加的趋势。DA 处理的相对 C限制最低，其可溶 性 有 机 碳 含 量 在 此 时 是 最 高 的 (表 1)。Sin-sabaugh等[33]指出速效养分对微生物生长影响更大，高的养分可利用性一定程度上能够缓解微生物的养分限制[18]。同理，藓 结 皮 的 速 效 磷 含 量 最 高 而 P 限制最低，与此观点是一致的。并且偏最小二乘路径模型结果也展示出速效养分含量对相对 C，P限制均有较大影响。另外，土壤水分在低水平时的微生物代谢活性会受到 抑 制[37]，在 裸 土 和 结 皮 发 育 初 期 的 水 分含量很低，微生物对有机物质的分解较慢也会造成较高的磷限制。结合偏最小二乘路径模型的结果来看，生物结皮的类型会直接影响到土壤中的养分状况、水分和微生物量进而间接影响微生物的代谢限制。本文主要基于酶活性及其计量模型对于微生物代谢情况进行判断和分析，在后续工作中需要结合微生物的群落特征以及参与碳氮磷循环的功能基因特征进行更全面以及深入的探讨。

　　4 结 论

　　(1)从裸土到生物土壤结皮各发育阶段，结皮养分、水分和微生物量均逐渐增加，表明生物结皮发育过程对土壤性质的改善起到积极作用。

　　(2)参与 C，N 和 P 循 环 的 相 关 酶 活 性 增 加，反映出微生物在生物土壤结皮中的 C，N，P代谢速率加快，并且受到不同结皮类型间养分差异的影响。

　　(3)生物土壤结皮的发育造成微生物相对碳限制的增大与相对磷限制的减小，受到养分可利用性的影响。另外，生物土壤结皮的类型会直接影响到其中的养分状况、水分和微生物量进而间接影响微生物的代谢限制。——论文作者：张尚鹏1，2，王百群1，2，王香香3，黄倩雪4，喻佳洛1，2，徐明哲1，2

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文章名称：黄土丘陵区垂直陡壁表面不同类型生物土壤结皮养分与微生物养分限制特征

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