沙漠生物土壤结皮演替对微生物群落结构和土壤酶活力的影响

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00121

摘要/Abstract

摘要：

为了解沙漠生物土壤结皮（BSCs）演替过程中微生物群落结构及土壤酶活力变化特征，以库布齐沙漠不同演替阶段BSCs（对照样地、藻结皮、藻藓混生结皮和藓结皮）为研究对象，通过高通量测序分析BSCs中细菌、固氮菌和真菌群落组成、多样性以及土壤酶活力变化，探讨不同演替阶段BSCs对土壤微生物群落结构和土壤酶活力的影响。结果表明：随BSCs演替等级提高，优势细菌由蓝细菌门（对照样地：36.1%；藻结皮：46.9%；藻藓混生结皮：30.7%）转变为变形菌门（藓结皮：36.2%）；优势固氮菌由伪枝藻属（藻结皮：80.2%）转变为斯科曼氏球菌属（藓结皮：60.6%）；真菌担子菌门丰度（藻结皮：1.0%；藻藓混生结皮：5.0%；藓结皮：13.5%）随BSCs正向演替逐渐提高。藓结皮中细菌、固氮菌和真菌特有OTU数量较对照样地、藻结皮和藻藓混生结皮分别提高1.8~8.3、1.9~33.0倍和1.8~33.0倍；沙漠BSCs正向演替阶段微生物多样性提高顺序为固氮菌>细菌>真菌；土壤微生物多样性增加显著提高了土壤参与碳、氮循环的纤维素酶、蔗糖酶和脲酶活力（P<0.05）。随着沙漠BSCs演替等级提高，土壤微生物群落结构和酶活力逐步得到改善。

关键词: 沙漠, 生物土壤结皮, 微生物群落, 固氮菌, 酶活力

Abstract:

In order to understand the characteristics of microbial community structure and soil enzyme activities during the succession of biocrusts， biocrusts of differnt succession stages （CK， A30， AM30， and M30） in Hobq desert， China， was chosen as study objects， bacterial community structure， nitrogen-fixing bacterial community structure and fungal community structure in bioctrusts were sequenced via the high-throughput sequencing platform， biocrusts enzymatic activities were measured， and how biocrusts affect soil microbial community structure and enzyme activities were discussed. The results showed that the dominant bacteria changed from Cyanobacteria （CK： 36.1%， A30： 46.9%， AM30： 30.7%） to Proteobacteria （M30： 36.2%） as the succession level increased of biocrusts. The dominant nitrogen-fixing bacterial changed from Scytonema （A30： 80.2%） to Skermanella （M30： 60.6%）， the relatively abundance of Basidiomycota （A30： 1.0%， AM30： 5.0%， M30： 13.5%） gradually increased as the positive succession of biocrusts. The unique OTUs of bacterial， nitrogen-fixing bacterial and fungi in M30 significant increased 1.8-8.3 times， 1.9-33.0 times and 1.8-33.0 times compared with CK， A30 and AM30， respectively. The order of increasing microbial diversity in positive succession of biocrusts was nitrogen-fixing bacterial>bacterial>fungi. The exaltation of soil mibrobial diversity significantly enhanced soil cellulase， sucrase and urease activities involved in carbon and nitrogen cycling （P<0.05）. In conclusion， the soil microbial community structure and enzyme activities gradually improved as the succession level increase of desert biological soil crusts.

Key words: desert, biological soil crusts, microbial community, nitrogen-fixing bacterial, enzyme activity

中图分类号:

S154.4

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图/表 12

表1 不同演替阶段BSCs酶活力变化特征

Table 1 Characteristics of soil enzyme activities at different succession stage

样地	纤维素酶 /(mg·d^-1·g^-1）	蔗糖酶 /(mg·d^-1·g^-1）	脲酶 /(mg·d^-1·g^-1）	脱氢酶 /(μg·d^-1·g^-1）	过氧化氢酶 /(mg·d^-1·g^-1）
对照（CK）	0.96±0.04^b	7.99±0.85^c	12.01±0.72^c	5.30±0.43^c	26.55±0.54^d
藻结皮（A30）	1.59±0.19^a	26.38±0.07^a	14.05±1.00^b	15.95±1.54^a	35.91±0.54^a
藻藓混生结皮（AM30）	0.97±0.07^b	13.65±2.23^b	14.00±0.72^b	5.44±0.25^c	29.49±0.64^c
藓结皮（M30）	1.62±0.28^a	26.53±0.11^a	17.01±0.56^a	8.28±1.95^b	32.42±0.03^b

表2 α-多样性指数

Table 2 Alpha diversity indexs

样地	细菌			固氮菌			真菌
样地	Coverage	Shannon	Chao	Coverage	Shannon	Chao	Coverage	Shannon	Chao
对照（CK）	0.991	5.33	1939	0.999	1.85	41	0.998	2.84	421
藻结皮（A30）	0.992	4.90	1809	0.999	1.35	33	0.998	3.49	391
藻藓混生结皮（AM30）	0.991	5.31	2105	0.999	1.71	37	0.998	2.89	419
藓结皮（M30）	0.993	6.06	2103	0.999	2.42	67	0.998	2.70	395

图1 土壤细菌在门水平上的相对丰度

Fig.1 Relative abundance of soil bacteria at phylum level

图2 土壤细菌在OTU水平上的维恩图

Fig.2 Venn diagram of soil bacteria at the OTU level

图3 土壤酶活力与细菌属水平相对丰度热图(脲酶，Ur；纤维素酶，Ce；蔗糖酶，Su；脱氢酶，De；过氧化氢酶，Ca)

Fig.3 Heatmap of soil enzyme activities and relative abundance of bacteria at genus level

图4 土壤固氮菌在目水平上的相对丰度

Fig.4 Relative abundance of soil nitrogen-fixing bacteria at order level

图5 土壤固氮菌在属水平上的相对丰度

Fig.5 Relative abundance of soil nitrogen-fixing bacteria at genus level

图6 土壤固氮菌在OTU水平上的维恩图

Fig.6 Venn diagram of soil nitrogen-fixing bacteria at the OTU level

图7 土壤酶活力与固氮菌属水平相对丰度热图脲酶，Ur；纤维素酶，Ce；蔗糖酶，Su；脱氢酶，De；过氧化氢酶，Ca

Fig.7 Heatmap of soil enzyme activities and relative abundance of nitrogen-fixing bacteria at genus level

图8 土壤真菌在门水平上的相对丰度

Fig.8 Relative abundance of soil fungi at phylum level

图9 土壤真菌在OTU水平上的维恩图

Fig.9 Venn diagram of soil fungi at the OTU level

图10 土壤酶活力与真菌属水平相对丰度热图脲酶，Ur；纤维素酶，Ce；蔗糖酶，Su；脱氢酶，De；过氧化氢酶，Ca

Fig.10 Heatmap of soil enzyme activities and relative abundance of fungi at genus level

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