降水水平对荒漠草原生物土壤结皮碳、氮和微生物的影响

吴旭东，蒋齐，任小玢，俞鸿千，王占军，何建龙，季波，杜建民

（宁夏农林科学院荒漠化防治研究所，宁夏银川750002）

在干旱半干旱地区，降水格局正在影响生态系统的物质循环和系统稳定性［1−3］，中国北方荒漠草原生态系统异常脆弱，对极端干旱气候极其敏感，降水是荒漠草原区关键限制性因素和土壤水分的主要来源，降水通过改变土壤的干湿条件和微生物群落直接影响土壤的生物化学过程［4−5］。由苔藓、蓝藻和地衣组成的生物土壤结皮是北方荒漠草原区地表景观的主要组成部分［6−7］，生物土壤结皮能够适应贫瘠的土壤和有限的降水条件，并局部调节水文、土壤碳和氮循环［8−9］，生物土壤结皮的发育和演替对荒漠生态系统成土过程和土壤质量演变至关重要［10−11］。认识生物土壤结皮对气候变化响应对预测干旱区生态状态变化非常重要。

土壤微生物作为生态系统的重要组成部分，主要包括细菌、真菌、藻类和原生动物等，对构建土壤微生物生物量过程中资源获取和调控碳、氮循环非常关键，土壤微生物也能敏感地预警土壤生态系统的微小变化［12］。在全球范围内，土壤水分有效性是预测土壤微生物生物量的最佳指标，然而，并不是所有的微生物类群在土壤中同样丰富，细菌和真菌在土壤中占绝对优势，其生物量是其他土壤微生物类群的102～104倍［13］。土壤微生物生物量碳、氮在一定程度上反映了生态系统物质循环能力，对环境的响应尤为敏感［14−16］。研究发现生态系统对降水变化的响应首先会发生于土壤微生物群落［17］，因此，土壤微生物以及微生物生物量可以作为表征荒漠草原生态系统土壤质量变化的指示性指标。

在干旱和半干旱地区，生物土壤结皮可以固定碳、氮，并将其分泌到下层土壤中，生物土壤结皮介导了荒漠土壤表面边界物质的输入、转运和输出［6，18］。有研究发现，细菌和真菌群落是生物土壤结皮发挥功能和改善质量的先锋种群，其丰富度是衡量生物土壤结皮发育程度和土壤质量的指示性指标［19−20］。尹瑞平等［21］研究发现，结皮层微生物数量大于结皮下层，细菌和真菌数量与土壤细颗粒组分百分比以及土壤养分正相关。也有研究发现，干湿交替使得细菌数量∶真菌数量发生跃变，再次湿润的干旱土壤中微生物生物量受到激发，而潮湿的土壤微生物生物量受到抑制［22］。因此，环境因素通过改变土壤养分的初始条件，土壤微生物区系将会发生明显变化，从而影响土壤中营养物质循环［23］。荒漠草原区降水稀少、分布不均匀、极端降水频发，而生物土壤结皮能够改变降水入渗过程和土壤水分的再分配，地表生物土壤结皮可能受降水的影响限制土层间的养分交换。基于此，通过人为增加和减少降水措施，开展降水对生物土壤结皮及其下垫面土壤碳氮、微生物生物量碳氮和微生物数量的影响研究，对荒漠草原生态系统物质循环和生态系统稳定性的维持机理具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于宁夏回族自治区盐池县大水坑草原研究站（东经 106°58′，北纬 37°24′，平均海拔 1560 m）。研究站位于毛乌素沙地南缘，属干旱和半干旱过渡带，典型的中温带大陆性气候，年平均气温为7.5 ℃，降水集中在6−9 月，近60 年平均降水量约为298.3 mm，年均蒸发量超过2700 mm，年均无霜期164 d。土壤类型以易沙化的淡灰钙土和风沙土为主。自2001 年以来，研究区一直处于围封状态。植被类型主要是沙生植被和荒漠植被，优势种有猪毛蒿（Artemisia scoparia）和蒙古冰草（Agropyron mongolicum），生物土壤结皮覆盖率为30%～50%，主要由藻类、地衣和苔藓结皮组成（表1）。

表1 不同降水水平下生物土壤结皮生长发育情况Table 1 Growth and development of biological soil crusts under different precipitation levels

1.2 试验设计

2018 年3 月上旬，采用单因素完全随机设计，设置3 种降水处理：自然降水（CK），减水50%处理（−50%），增水50%处理（+50%），每个降水处理设置4 个6 m×6 m 的重复小区，小区四周采用宽度1 m、厚度0.5 mm 的聚乙烯膜围成1 m 深隔水层防止水分扩散，小区间设计3 m 宽的缓冲区。减水50%处理小区上面采用不锈钢结构和带凹槽的1 mm 厚聚碳酸酯透明塑料板对50%的雨水进行遮雨处理（遮雨板透光率90%以上，距离地面1.5～2.5 m，对地面温度影响可以忽略不计），遮雨收集的雨水汇集于1000 L 的装置中，利用水泵和喷灌系统将收集的雨水均匀喷洒至对应的增水50%处理区（图1）。水分控制时间为2019 年1 月中旬到2020 年8 月中旬，2019 和2020 年观测期降水量（CK）分别为311.7 和299.8 mm。

图1 试验装置Fig.1 Test device

1.3 土样采集和分析

经过两年的降水控制试验，于2020 年8 月中旬，在每个处理小区随机选取5 点，按照结皮形成层，利用铲刀分别采取生物土壤结皮层（0～0.5 cm，crust layer，CL）、中间层（0.5～3 cm，middle layer，ML）和深层（3～10 cm，deep layer，DL）土壤样品，同层样品混合后分成两份，其中一份置于冷藏箱，迅速带回实验室用于分析土壤真菌、细菌数量和微生物生物量碳氮含量，其中土壤微生物生物量碳（soil microbial biomass carbon，SMB-C）、土壤微生物生物量氮（soil microbial biomass nitrogen，SMB-N）含量采用氯仿熏蒸−K2SO4浸提法，浸提液中的碳和氮分别采用重铬酸钾外加热法和凯氏定氮法测定［24−25］；土壤微生物的分离和计数采用稀释平板法［26］，细菌采用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基，真菌采用马丁−孟加拉红培养基［27］；另外一份样品带回实验室风干，过0.25 mm 筛后分别采用重铬酸钾外加热法测定土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）、凯氏定氮法测定总氮（total nitrogen，TN）［28］含量。

为了定量描述不同降水处理对土壤养分的恢复作用，采用土壤养分恢复指数［10］（nutrient recovery index，NRI）。土壤养分恢复指数是以某种处理类型为基准，假设其他处理类型都是由作为基准的处理类型转变而来，然后计算土壤各个属性在其他处理类型与基准处理类型之间的差异（以百分数表示），最后将各个属性的差异求和平均，得到各处理的土壤养分恢复指数：

式中：NRI为土壤养分恢复指数；xi为土壤在减水50%或增水50%后第i个土壤属性值为自然降水处理的第i个土壤属性值；n为选择的土壤属性数。土壤养分恢复指数可以是正数，也可以是负数，负数表明土壤退化，正数说明土壤不仅没有退化，而且质量还有所提高。本研究以自然降水作为基准，以土壤性质之间的相关性为依据，选取SOC、TN、C∶N、SMB-C、SMB-N、SMB-C∶SMB-N、真菌数量、细菌数量以及真菌数量∶细菌数量进行土壤养分恢复指数计算。

1.4 数据处理

使用SPSS 18.0 软件单因素方差分析（One-way ANOVA）降水处理和土壤深度因素的影响，采用多因素方差分析（multiple comparisons ANOVA）检验不同因素或处理的交互作用的效应显著性，使用Origin 9.0 软件进行图表绘制。

2 结果与分析

2.1 降水水平对结皮及下层土壤SOC，TN 的影响

由表2 和表3 可知，降水水平和土层均对土壤SOC 含量的影响极显著（P＜0.01），不同降水处理下各土层土壤SOC 含量表现为：−50%＞CK＞+50%，相同降水水平下土壤SOC 含量随土层深度表现为：CL＞ML＞DL，降水水平、土层及其交互作用对土壤SOC 含量的影响极显著（P＜0.01），−50%处理和生物土壤结皮对土壤SOC固定明显；−50%处理下结皮层（0～0.5 cm）和中间层（0.5～3.0 cm）土壤TN 含量极显著高于CK 和+50%处理（P＜0.01），降水处理对深层（3～10 cm）土壤N 含量影响不显著，−50%处理有利于结皮层以及中间层土壤N 的积累，降水水平和土层交互作用对土壤N 含量的影响也达到极显著水平（P＜0.01）；降水水平、土层深度及其交互作用对C∶N 的影响均达到极显著水平（P＜0.01），土壤C∶N 在降水水平上的差异（偏η2=0.890）高于土层（偏η2=0.732），+50% 处理显著降低了各土层土壤C∶N，−50% 处理下各土层土壤C∶N 极显著高于+50% 处理（P＜0.01）。

表2 不同降水水平下生物结皮及下层土壤有机碳、全氮含量Table 2 Soil SOC and TN contents in soil layers under different precipitation levels

表3 降水水平、土层及其交互作用对土壤SOC、TN、C∶N 的影响Table 3 Effects of precipitation levels，soil depth and their interaction on the contents of soil SOC，TN and C∶N

2.2 降水水平对结皮及下层土壤SMB-C，SMB-N 的影响

由表4 和表5 可知，不同降水处理下各土层土壤SMB-C 含量表现为：−50%＞CK＞+50%，−50%处理对土壤SMB-C 积累极为明显，随着降水量增加，各土层土壤SMB-C 含量极显著下降（P＜0.01）；相同降水水平下土壤SMB-C 含量随土层深度表现为：CL＞ML＞DL，降水水平、土层及其交互作用对土壤SMB-C、SMB-N 含量的影响极显著（P＜0.01），其中土层对SMB-N 含量的影响（偏η2=0.997）高于降水水平（偏η2=0.959），各降水处理下土壤SMB-N 含量随土层深度极显著下降（P＜0.01），−50%和+50%处理均显著提高了结皮层和中间层SMB-N 含量，CK 和+50%处理对深层土壤SMB-N 的积累显著高于−50%处理；降水水平、土层及其交互作用对土壤微生物生物量碳氮比的影响也达到极显著水平（P＜0.01），显著性表现为降水水平（偏η2=0.974）＞土层（偏η2=0.925）＞交互作用（偏η2=0.910），+50%处理显著降低了各土层土壤微生物生物量碳氮比，土壤微生物生物量碳氮比与降水量表现出负相关，−50% 处理下土壤微生物生物量碳氮比极显著高于+50% 处理（P＜0.01）。

表4 不同降水水平下土壤微生物生物量碳、氮含量Table 4 Soil microbial biomass carbon and nitrogen contents in soil layers under different precipitation levels

表5 降水水平、土层及其交互作用对SMB-C、SMB-N 和SMB-C∶SMB-N 的影响Table 5 Effects of precipitation levels，soil depth and their interaction on the contents of SMB-C，SMB-N and SMB-C∶SMB-N

2.3 降水水平对结皮及下层土壤微生物数量的影响

由表6 和表7 可知，与自然降水处理相比，+50%处理显著降低了各土层土壤真菌数量和真菌∶细菌，相反显著提高了各土层细菌数量（P＜0.01），−50%处理显著提高了结皮层和中间层土壤真菌数量，真菌数量随降水减少而递增，细菌数量随降水增加而递增，增加降水和减少降水均导致真菌数量∶细菌数量发生跃变（−50%＞CK＞+50%）；在垂直剖面上，不同降水处理下土壤真菌和细菌数量均随土层深度增加呈递减趋势，而真菌数量∶细菌数量随土层深度表现出逐渐增大的趋势；多因素方差分析表明，降水水平、土层及其交互作用对土壤微生物数量的影响极显著（P＜0.01），真菌比细菌更能抵御干旱土壤条件，而细菌比真菌对降水减少更敏感，生物土壤结皮和降水增加有利于提高土壤细菌丰富度，真菌和细菌对降水变化存在不同的适应策略。

表6 降水量对土壤微生物数量的影响Table 6 Effects of precipitation levels on the quantity of soil microorganisms

表7 降水水平、土层及其交互作用对土壤微生物数量的影响Table 7 Effects of precipitation levels，soil depth and their interaction on the quantity of soil microorganisms’number

2.4 降水水平对土壤养分恢复的影响

由图2 可知，以自然降水处理为对照，−50%处理下结皮层、中间层和深层土壤养分恢复指数（NRI）呈极显著性差异（P＜0.01），+50% 处理下中间土层土壤养分恢复指数与结皮层和深层间呈极显著性差异（P＜0.01），−50%处理下结皮层、中间层和深层土壤养分均得到不同程度恢复，其中中间层NRI 最高，达到70.67%，其次为结皮层，NRI 达到47.60%，深层土壤NRI为17.02%；+50%处理下中间层NRI为7.03%，而结 皮 层 NRI 为 −7.24%，深 层 土 壤 NRI 为 −11.79%。+50%处理和−50%处理均对中间层土壤养分的恢复有极显著（P＜0.01）影响，减水处理有利于荒漠草原土壤养分的积累，而增加降水后结皮层和深层土壤养分略有退化。

图2 降水对土壤养分恢复的影响Fig.2 Effects of precipitation on the recovery of soil nutrients

3 讨论

在干旱半干旱区，降水稀少、分布不均匀、极端降水频发，而生物土壤结皮对生态环境的演化趋势和气候变化异常敏感［29］，生物土壤结皮对碳、氮固定作用明显，并能将其分泌到下层土壤中，生物土壤结皮介导了荒漠土壤表面边界的物质输入、转运和输出［30］，同时，生物土壤结皮能够改变降水入渗过程和土壤水分的再分配，地表生物土壤结皮可能受降水的影响限制土层间的养分交换，进而影响土壤的质量演变［31−33］。本研究发现荒漠草原生物土壤结皮及下层土壤碳、氮、微生物生物量以及微生物数量对降水的响应明显不同，−50%降水处理显著提高了各土层土壤SOC、SMB-C 含量和土壤真菌数量，并显著提高结皮层、中间层土壤TN 含量和土壤真菌数量，而+50%处理显著提高了土壤细菌数量、结皮层和中间层SMB-N 含量，而显著降低了各土层土壤C∶N、SMB-C∶SMB-N 和真菌数量∶细菌数量，说明在极端干旱条件下，土壤SOC、SMB-C 含量积累明显，提高了结皮层及下层土壤氮的积累，这可能是由于干旱条件下土壤碳矿化速率下降，导致土壤碳积累，相反+50%降水处理能明显改善土壤水热状况，加速土壤碳矿化速率，不利于土壤碳的积累，+50%降水处理下生物土壤结皮能为结皮层以及下土层土壤微生物提供较多的食物来源，并改善了微生物水热环境，促进了土壤微生物的生长与繁殖，进而增加了土壤微生物生物量氮，同时过高的水分条件导致土壤碳矿化作用加强，微生物呼吸受到抑制，不利于土壤微生物生物量碳的积累，说明土壤微生物生物量碳、氮对降水变化的响应存在差异［16］。另外，由于土壤中细菌和真菌对降水变化存在不同的适应对策，进而影响土壤对碳氮的输入和输出［31−33］。减水处理下土壤真菌占优势，对土壤有机碳的固定作用显著，导致碳氮比下降，增水处理下细菌占优势，土壤微生物优先固定微生物生物量氮，有研究发现，当降水量较高时，土壤微生物优先固定微生物生物量氮，导致土壤C∶N、SMB-C∶SMB-N 下降。另外有研究发现，在草地生态系统，细菌比真菌对干旱反应敏感，相对于细菌，真菌通常被认为更具有耐水分胁迫的能力，当缺水时，真菌有可能促进碳和氮循环的维持，随着土壤变得更加干燥，微生物的分散在物理保护的土壤孔隙内变得更受限制，真菌的菌丝有助于弥合空间上的离散资源［34］。

由于生物土壤结皮能束缚和稳定表层土壤［35］，在垂直水平上，不同降水处理下土壤SOC、SMB-C、SMB-N 含量、细菌和真菌数量均随土层深度显著下降。这是由于不同土壤深度下土壤养分条件、水热情况和透气性存在差异，加上生物结皮通过光合作用增加了地表的有机质和氮含量，使土壤养分迅速积累［36］，加速表层土壤的恢复，较丰富的有机质和养分含量给微生物的繁殖提供了有利条件，造成了结皮层微生物数量显著大于结皮下层。另外，土壤生物结皮使得表层土壤结构疏松，与空气热交换频繁，促进了土壤微生物的生长，结皮层丰富的营养资源能给土壤微生物提供更多的能源物质，增加了微生物生物量的积累，结皮层同时对降水有截流作用，透过结皮层到达土壤的水分越少，长期抑制了土壤微生物的生长［35，37］。同时随着土层加深，土壤水热条件、通气性和有机物质下降，孔隙度变小，微生物活性受到了抑制，导致下层土壤微生物生物量积累减少［15−16，18］。交互作用结果分析表明，土壤碳氮、微生物生物量以及微生物数量与降水变化和土层深度密切相关，这些指标能敏感地反映土壤质量演变，并能够很好地指示土壤对降水变化的响应和土壤对微生物新陈代谢和发育繁衍所需要养分的供应情况。

4 结论

本研究通过野外模拟降水控制试验研究，初步揭示了降水水平变化对荒漠草原生物C、N、土壤微生物生物量以及土壤微生物数量的影响规律：

1）减水处理下SOC、SMB-C 含量和土壤真菌数量显著提高，同时显著提高了结皮层和中间层土壤TN 含量和真菌数量；降水增多有利于土壤细菌数量、结皮层和中间层SMB-N 含量的积累，同时显著降低了土壤C∶N、SMB-C∶SMB-N 和真菌数量∶细菌数量，降水量、土层及其交互作用对SOC、SMB-C、SMB-N 含量、细菌和真菌数量影响极显著（P＜0.01）。

2）土壤真菌和细菌对降水变化存在不同的适应策略，在降水较多时细菌占优势，微生物优先固定土壤N，在降水减少时真菌占优势，微生物优先固定土壤SOC，细菌对降水减少更敏感，真菌比细菌更能抵御干旱土壤条件。

3）减水处理有利于荒漠草原土壤养分的恢复，特别是结皮层以下土壤养分的恢复最为显著，而增加降水后结皮层和深层土壤养分略有退化。土壤SOC、N、土壤微生物生物量以及土壤微生物数量能很好地指示荒漠草原生物土壤结皮以及下层土壤质量对降水变化的响应。通过对荒漠草原生物土壤结皮碳、氮和微生物对降水量的响应研究，能够揭示荒漠草原区生物结皮对土壤养分循环的贡献，对生态恢复及管理提供科学依据。