科研| 西北研究院：青藏高原一年生和多年生耕地草地土壤性质及微生物群落（国人佳作）

编译：微科盟居居，编辑：微科盟茗溪、江舜尧。

导读  

      为提高粮食、纤维和饲料产量，实现全球粮食安全，已将天然草地转变为人工草地。全球草地管理的变化对土壤性质和微生物群落的定量影响对生态系统功能至关重要，但这在很大程度上仍未得到探索，特别是在中国的青藏高原。因此，本文研究了多年生垂穗披碱草草地(PEG)和一年生燕麦草地(AAG)对该地区土壤性质和微生物群落的影响，以研究它们对保持土壤碳和养分的贡献。在每个草地类型的三个地点，PEG位点土壤水分含量(45.55%)、土壤有机碳(48.97 g kg-1)、土壤总氮(5.13 g kg-1) 和土壤铵态氮(298.32 mg kg-1)比AAG位点高19%-32%，而土壤pH(7.81)、土壤总磷(0.44 g kg-1)和土壤有效磷(0.81 mg kg-1)低2%-31%。AAG和PEG位点土壤的细菌和真菌β多样性不同，α-多样性相似。与PEG位点相比，芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)、壶菌门(Chytridiomycota)和罗兹菌门(Rozellomycota)的相对丰度在AAG与PEG位点土壤中分别较高和较低。这表明，在青藏高原，不同的草地耕作方式对土壤性质和微生物有不同的影响。考虑到土壤与其微生物群之间的强相互作用，土壤微生物群落结构的变化可以预计将极大地改变土壤功能。这将具有重要的生态服务意义，特别是在这一生态脆弱地区的碳储存和水资源保护方面。

论文ID

原名：Soil properties and microbiome of annual and perennial cultivated grasslands on the Qinghai-Tibetan Plateau 

译名：青藏高原一年生和多年生耕地草地土壤性质及微生物群落

期刊：Land Degradation & Development

IF：4.977

发表时间：2021.9.28

通讯作者：冯起

通讯作者单位：中国科学院西北生态环境资源研究院阿拉善荒漠生态水文试验站

DOI号：10.1002/ldr.4110

实验设计

图1 3个样点(a)和2种草地类型(b)多年生垂穗披碱草草地(PEG)和一年生燕麦草地(AAG)在中国青藏高原门源回族自治县。

结果

1 AAG和PEG位点土壤性质的差异

       除细砂含量外，两种草地类型0-0.30 m土层土壤参数均存在显著差异。在PEG位点，土壤pH、全磷(Ppot)、有效磷(Pavail)、粘粒含量和粉粒含量分别比AAG位点低1.64%、25.42%、31.36%、5.41%和9.63%。相比之下，PEG位点的土壤含水量(SWC)、有机碳(SOC)、全氮(Ntot)、有效氮(Navail)和粗砂含量分别比AAG位点高26.63%、19.03%、20.71%、31.51%和451.47%(表1)。

表1 多年生垂穗披碱草草地(PEG)和一年生燕麦草地(AAG)土壤性质差异(平均值±SD, n = 27)。

注： 不同小写字母表示AAG位点和PEG位点之间0-0.30 m土层参数的差异(p≤0.05)。NH 4 + -N：土壤铵态氮；NO 3 - -N：土壤硝态氮；AG：一年生草地；N tot ：土壤全氮；P avail ：土壤有效磷；P tot ：土壤全磷；SOC：土壤有机碳；SG：季节性放牧草地；SWC：土壤含水量。   2 AAG和PEG位点土壤微生物丰富度和多样性的差异

       土壤细菌和真菌分别注释到了5308和1648个可操作分类单元(OTUs)。土壤细菌隶属43门109纲205目412科761属1610种，而土壤真菌隶属8门、28纲77目160科325属495种。土壤细菌和真菌的丰富度和α-多样性在AAG和PEG位点之间差异不大(表2)。

       在OTU水平上，土壤细菌的PCoA图显示，PCoA1和PCoA2分别贡献了土壤细菌总变异的44.25%和12.44%(图2a)。相比之下，土壤真菌对土壤真菌总变异的贡献率分别为24.82%和17.39%(图2b)。ANOSIM检验表明，AAG和PEG对土壤细菌和真菌β-多样性有明显影响(p≤0.05)。

表2 多年生垂穗披碱草草地(PEG)和一年生燕麦草地(AAG)土壤细菌和真菌的丰富度和α-多样性(平均值±SD, n = 5)。

注:不同小写字母表示在p≤0.05水平上的显著差异。AAG，一年生燕麦草地；PEG，多年生垂穗披碱草草地。

 图2 通过OTU水平的主坐标分析表征多年生垂穗披碱草草地(PEG)和一年生燕麦草地(AAG)之间土壤细菌和土壤真菌的β-多样性。

3 AAG位点与PEG位点间土壤微生物群落组成

       无论是AAG位点还是PEG位点，门水平土壤细菌群落主要由变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)和绿弯菌门(Chloroflexi)组成，约占总序列的80%(图3a)。两个站点类型有77%的共有物种，其中AAG站点有124种，PEG站点有244种(图3b)。在土壤细菌门中，只有芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)在位点之间存在差异，PEG位点的芽单胞菌明显少于AAG位点(图4a)。

       无论是AAG位点还是PEG位点，门水平土壤真菌群落主要由子囊菌门(Ascomycota)、接合菌门(Zygomycota)、担子菌门(Basidiomycota)和unclassified_k_Fungi组成，这4个门约占总序列的98%(图3c)。其中，47%的物种在两个位点间共享，137个物种特异性分布于AAG位点，124个物种特异性分布于PEG位点(图3d)。在土壤真菌门(Eumycophyta)中，AAG位点壶菌门(Chytridiomycota)的水平显著高于PEG位点，而罗兹菌门(Rozellomycota)的水平则相反(图4b)。

图3 多年生垂穗披碱草草地(PEG)和一年生燕麦草地(AAG)土壤细菌群落组成(a, b)和土壤真菌群落组成(c, d)。

 图4 多年生垂穗披碱草草地(PEG)和一年生燕麦草地(AAG)土壤细菌门(a)和真菌门(b)的差异(n = 5)。

4 环境性质与土壤微生物群落的关系

       根据主成分分析(PCA)中选取的变量，土壤细菌的RDA第一轴和第二轴的特征值分别为0.55和0.23，表明这两个轴可以解释约78%的土壤细菌群落总变异(图5a)。对于土壤真菌，RDA的第一个轴值为0.33，第二个轴值为0.28，表明这两个轴可以解释大约61%的土壤真菌群落变异(图5b)。对土壤细菌而言，除粗砂含量和土壤全磷(Ptot)外，土壤性质与这两个轴均存在显著相关关系，其中土壤全氮(Ntot) (R2 = 0.86)是影响土壤细菌的主要因素，SWC (R2 = 0.82)次之(表3)。土壤真菌群落中，土壤粉砂含量和粗砂含量与土壤真菌群落显著相关(表3)，土壤理化性质中，土壤有机碳(SOC) (R2= 0.69)和Ntot (R2 = 0.63)与土壤真菌群落显著相关(表3)。

       在所有采样点，Pearson相关分析(图6)显示土壤性质主要与芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)和硝化螺旋菌门(Nitrospirae)土壤细菌相关。土壤真菌主要与罗兹菌门(Rozellomycota)相关。含砂量、SWC、SOC、Ntot和NH4+-N呈正相关，而含砂量和pH与硝化螺旋菌门和罗兹菌门呈负相关。土壤性质与芽单胞菌门以及它们与硝化螺旋菌门之间的关系总体趋势相反。其他土壤细菌和真菌门很少与任何土壤性质相关(图6)。

表3 每个测量的土壤性质与RDA分析中的RDA1和RDA2的关系。

注: 加粗数字表示在p≤0.05水平上显著。NH4+-N：土壤铵态氮；NO3--N：土壤硝态氮；Ntot：土壤全氮；Ptot：土壤全磷；SOC：土壤有机碳；SWC：土壤含水量。

 图5 在PEG和AAG的一般水平上对环境特性和土壤细菌属(a)以及土壤真菌属(b)进行冗余分析(RDA)。NH4+-N：土壤铵态氮；SOC：土壤有机碳；STN：土壤全氮；STP：土壤全磷；SWC：土壤含水量。

图6 取样点土壤性质与土壤微生物群落在门水平的关系。NH4+-N：土壤铵态氮；NO3--N：土壤硝态氮；AP：土壤有效磷（Pavail）；SOC：土壤有机碳；STN：土壤全氮；STP：土壤全磷；SWC：土壤含水量。* p ≤ 0.05，** p ≤ 0.01，*** p ≤ 0.001。

讨论

       土地利用和覆盖变化是QTP的一个重要问题。随着天然草地向人工草地的转变，其利用和管理方式发生了根本性的变化，导致了植被、土壤性质和土壤微生物的变化。由于植物土壤-微生物连续体，这反过来又对植被产生反馈(图7)。

图7 两种栽培草地，披碱草草地(PEG)和燕麦草地(AAG)的影响示意图。

1 AAG和PEG位点土壤性质的差异

       除细砂含量外，PEG位点和AAG位点的土壤性质存在显著差异(表1)，这部分支持了Li等人的假设#1。PEG (vs. AAG)位点的SWC更高是由于多年生植被保护土壤表面不过度蒸发。当SWC越低时，pH值越高，蒸发蒸腾作用会导致可溶性盐从深层向表层向上移动。在AAG(相对于PEG)位点，较低的有机碳(表1)也通过减少根系和有机质释放H+而促进了土壤pH的升高。

       在AAG(相对于PEG)位点(表1)，较低的SOC和Ntot可能是由于两个因素：(i)凋落物输入量和地下生物量降低，导致土壤有机质减少；(2)耕作使土壤呼吸速率增大，土壤有机质矿化加快。此外，SWC增强了土壤微生物活性，有利于土壤有机质的矿化和分解，AGG位点较低的SWC可能有助于降低土壤有机碳和Ntot水平。放牧牦牛的富氮尿(22 g N kg-1，占牲畜氮摄入量的75%-90%)在PEG位点的贡献进一步说明了PEG位点的土壤氮比AAG位点高。相反，放牧条件下，AAG点土壤ptt和Pavail值显著高于PEG点，正如Zhu等人所指出的。虽然PEG地点土壤中的P因牦牛尿（7.3 g P2O5 kg-1）而升高，但牲畜觅食可以增加植物P吸收率和叶P浓度以改善牧场质量，但以土壤Ptot为代价（即土壤Ptot)。此外，如第2节所述，在AAG位点的P修正可能会增强Ptot和Pavail。在这种情况下，施肥的效果可能会影响目前研究结果的可靠性，但这需要进一步研究。

      在本研究中，PEG位点的细粒土壤(即粘粒和粉粒含量)占土壤的比例明显小于AAG站点，而粗砂含量则呈现相反趋势(表1)。这是动物踩踏破坏了不稳定土壤的机械强度的结果，可能导致土壤中细颗粒的数量减少。

2 土壤微生物的丰富度和多样性在AAG和PEG位点之间的变化

      土壤肥力和其他土壤条件的变化可以直接影响土壤微生物群落、生物地球化学循环指标以及植物多样性和生产力。

2.1 AAG位点和PEG位点的丰富度和α-多样性

      与我们的假设#2相反，PEG和AAG位点的土壤微生物多样性应该有所不同，但两个位点的土壤细菌和真菌的物种丰富度和α-多样性相似(表2)。这表明土壤微生物维持了丰富度和α-多样性，为自己提供了广泛的生理特性，从而使它们能够成功地适应变化。因此，它们对土地利用或覆盖变化不是特别敏感。

       这一发现与Yang等人的研究结果形成了对比，Yang等人报道了耕地转为草地后细菌和真菌的Chao1和ACE指数的不同趋势；Zhang等人也发现，经过10年的放牧排除后，真菌的Chao1值较低，而细菌Chao1指数在放牧和不放牧草地之间没有差异。这些不一致的结果表明，细菌和真菌对土地利用/覆盖变化的响应机制值得进一步关注。

2.2 AAG位点和PEG位点土壤微生物β多样性研究

       土壤细菌和真菌的β-多样性(各处理独特物种的差异)在PEG位点和AGG位点之间均存在显著差异(图2)，部分支持假设2：PEG位点和AGG位点之间土壤微生物多样性差异可以被区分。与Bastida等人和Wang等人的研究一致，本研究结果进一步表明，稀有微生物物种比普通物种对环境条件或土地利用的变化更敏感。随着土壤性质的变化，PEG和AAG之间的稀有微生物种类也不同，这支持了假设#3。一般来说，稀有微生物在土壤的某些关键功能中发挥着重要作用，由于其丰富度较低，在各种环境变化或人类干扰下，其多样性很容易丧失。因此，应该在未来给予它们更多的关注。

       在PEG和AAG位点之间，特化细菌的差异为50%(图3b)，而特化真菌的差异约为11%(图3d)。AAG位点土壤条件较差时真菌的数量较多(表1)，表明土壤真菌比土壤细菌具有更多在不利条件下生长的机制。真菌的生存机制包括抵抗结构的存在，如不透水的细胞壁，这为真菌提供了在干旱时期生存的能力。土壤微生物结构的差异表明，真菌和细菌的不同功能会改变土壤的某些性质。例如，真菌对有机物的分解能力高于细菌，占有机物分解总量的60-80% (细菌20%-40%)。在这种情况下，真菌主导的群落结构相对于细菌主导的群落结构的出现可能会增强有机物的分解过程，从而导致AAG(相对于PEG)位点的SOC和Ntot降低(表1)。

3 AAG位点与PEG位点间土壤微生物组成

在本研究的门水平上，土壤细菌门(Bacteriophyta，图3a)和真菌门(Eumycophyta，图3c)的组成与Yang等人报道的QTP相似。这支持了这样一种观点，即高寒草甸等生境在形成微生物群落方面起着主导作用。然而，由于单个微生物类群对环境变化有独特的生理响应曲线，不同位点的土壤微生物组成可能有所不同。

3.1 PEG和AAG位点的细菌群落组成

       AAG位点和PEG位点土壤细菌的唯一差异是在芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)(图4a)，这表明假设#2——PEG和AAG的土壤微生物组成不同表明研究区大部分细菌的相对丰度对土地利用变化不敏感。但这一结果与Zhu等人发现的不同草地类型土壤细菌门相对丰度存在显著差异的结果不同。这些研究之间缺乏一致性，表明土壤细菌组成对土地利用和覆盖格局的响应可能是依赖于区域的，需要进一步研究。

       虽然芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)目前只有一个有效属和种，但它们具有很强的耐干旱性，具有世界性的生物地理学特征。在AAG(相对于PEG)位点上，芽单胞菌门的丰度明显更高，这可能归因于前者的低SWC(表1)，因为它通常与芽单胞菌门呈负相关(在本研究中，图6)。随着AAG(相对于PEG)位点的芽单胞菌门数量增多，SOC、土壤Ntot和NH4+-N (与其存在负相关)下降(图6)，表明土壤生物群可以对土壤特性产生间接影响。这可能部分归因于这一事实，即芽单胞菌门表现出一种强大的光合燃料能力来氧化有机和无机化合物。在本研究中，由于芽单胞菌在PEG和AAG位点分别只占细菌种群的2.45%和4.55%，且大多数菌门是稳定的，两种人工草地土壤性质的显著差异表明，芽单胞菌门的微小变化可能对草地土壤产生较大影响。

       在属水平上，土壤性质解释了约78%的土壤细菌变异(图5a)，这与Yang等人的观点一致。在这些土壤性质中，Ntot、SOC和NH4+-N是影响土壤细菌群落组成的主导因素(表3)，与许多其他研究的报道类似。这是因为外部输入的数量和质量是土壤细菌活性和结构的重要驱动因素，并影响细菌所依赖的底物。

在本研究中，SWC对细菌类群也有显著影响(表3)。这可能是因为土壤水分变化影响氮有效性，而土壤微生物对氮的响应依赖于水分制度。土壤pH变化对资源获取和利用、膜结合质子泵和蛋白质稳定性的影响；因此，土壤pH值通过限制单个类群的存活率来抑制微生物的生理活性。有研究表明，土壤pH值是影响土壤细菌群落的重要因素(表3)。

3.2 PEG和AAG位点的真菌群落组成

       壶菌门(Chytridiomycota)的相对丰度在AAG位点显著高于PEG位点，而罗兹菌门(Rozellomycota)则相反(图4b)。这些结果也不完全支持假设2，即土壤微生物组成可以区分PEG和AAG位点，这与Zhang等人和Wang等人的发现相反。他们的研究发现，在放牧后，最占优势的真菌的相对丰度发生了显著变化，这表明真菌群落与细菌群落对土地利用变化产生了不同的响应。壶菌门的相对丰度与土壤性质无关(图6)，说明土壤性质可能对壶菌门没有影响。这可能是因为壶菌门的营养来源是植物而不是土壤；但这仍需要进一步的探索。AAG位点几乎没有罗兹菌门(图4b)，这表明罗兹菌门可能是共养菌，只能在PEG位点更高质量的环境条件下生存。罗兹菌门与土壤养分之间的正相关关系(图6)也支持这一假设。由于罗兹菌门是各种真核生物的专性病原体，其分布可能间接依赖于宿主生物的相互作用特异性和生境偏好。

       在属水平上，土壤性质解释了61%的土壤真菌变异(图5b)，正如其他人发现的那样，土壤有机碳和Ntot是主导因素(表3)。这主要是由于底物的可用性改变了微生物之间的竞争，导致了微生物群落组成的变化。如上所述，SWC影响土壤细菌，但对土壤真菌没有影响(表3)，因为土壤细菌和真菌对SWC的响应存在自然差异；水太多和太少的压力源对每一种都有不同的影响。同样，正如Siciliano等人所观察到的，土壤pH只影响土壤细菌，这表明在研究区域，土壤细菌和真菌可能对pH有不同的响应。

3.3 研究区土壤C、N、P等因子对土壤微生物群落组成的影响

       Ptot和Pavail在AAG和PEG之间存在差异(表1)，但对土壤细菌或真菌的相对丰度均无影响，这与Zhou等人的研究结果一致。然而，SOC和Ntot作为土壤微生物群落动态的关键生态驱动因素，对土壤细菌和真菌都有影响(表3)，Hu等人也发现了这一点。这表明，在研究区内，土壤C和N比P对土壤微生物群落的形成具有更重要的作用，但其潜在机制尚需进一步研究。此外，研究区土壤微生物群落也受粉砂含量和细砂含量的显著影响(表3)，这与Kirchmann等人和Zhang等人的研究相似。这可能是因为土壤颗粒的大小可以通过孔隙排除捕食者而影响栖息地，通过孔隙排除养分流失而影响养分有效性，这两者对土壤微生物来说都很重要。虽然本研究区土壤性质决定了土壤微生物群落的大部分变化，但土壤团聚体、共存植物和土壤动物等其他因素也可能对微生物群落产生影响。要充分了解研究区土壤细菌和真菌的变化规律，还需要进一步的研究。由于QTP在全球的重要性，这项工作是迫切需要的。

结论

       本研究比较了垂穗披碱草草地(PEG)和一年生燕麦草地(AAG)两种草地类型对QTP土壤性质和土壤微生物群落的影响。此外，尽管PEG和AAG土地利用类型的土壤细菌和真菌的α-多样性相似，但它们的β-多样性(或群落)却存在显著差异。土壤细菌群落受多种土壤性质的影响，而土壤有机碳和土壤Ntot是土壤真菌群落的主导决定因素。与PEG相比，AAG土壤微生物群落总体组成基本相似，但芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)和壶菌门(Chytridiomycota)的流行率较高，罗兹菌门(Rozellomycota)的流行率较低。这些微小的差异可能会由于土壤微生物相互作用而对土壤水分、碳氮保持功能产生显著影响。然而，土壤微生物及其与土壤性质的关系分析仍然存在一些不确定性，因为土壤和微生物样品都是来自单一地点。

       目前的结果表明，青藏高原多年生草地的经济效益(地上生物量)较一年生草地低，生态效益(土壤碳氮保持能力)较高。因此，多年生草地可能适合中国和亚洲其他地区的关键生态区域的经济和生态发展。但是，由于本研究的研究区域相对较小，需要在本地区其他地区或与QTP区域相似的其他国家进行研究，才能获得更广泛适用的共识。此外，与全球碳氮循环密切相关的土壤碳氮矿化依赖于微生物功能基因的活性。未来的研究可以进一步研究土壤微生物DNA中是否存在这些基因，从而探索一年生草地和多年生草地土壤性质差异的机制。

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