生物结皮演替对黄土高原水蚀风蚀交错区土壤氮素转化及微生物活性的促进效应

图1 不同生物结皮类型的有机碳含量

不同大写字母表示结皮层不同生物结皮类型的差异显著（P<0.05）；不同的小写字母表示结皮下层不同生物结皮类型的差异显著（P<0.05）；**表示结皮上下层之间差异达极显著水平（P<0.01），*表示差异达显著水平（P<0.05）

Fig.1 Soil organic carbon in different types of biological soil crusts

生物结皮层土壤中TN含量在苔藓结皮层中最高，是裸地对照的2.9倍，藻结皮次之（图2）；苔藓结皮层的NH $_{4}^{+}$ -N含量为24.92±0.45 g·kg^-1，显著高于其他3个演替阶段（P<0.05）；结皮层土壤中的NO $_{3}^{-}$ -N含量随结皮演替呈增加趋势，其中苔藓结皮层的NO $_{3}^{-}$ -N含量分别是裸地对照、藻结皮、地衣结皮的1.2、1.2、1.1倍，地衣结皮层土壤中的NO $_{3}^{-}$ -N含量仅次于苔藓结皮层，说明生物结皮发育后期能显著提高土壤NO $_{3}^{-}$ -N含量。

图2

图2 不同生物结皮类型的土壤氮素含量

Fig.2 Soil TN，NH $_{4}^{+}$ -N，NO $_{3}^{-}$ -N contents in different types of biological soil crusts

生物结皮下层土壤中的NH $_{4}^{+}$ -N、NO $_{3}^{-}$ -N含量在生物结皮不同演替阶段无显著差异。生物结皮下层土壤中TN含量均显著低于结皮层（P<0.05）；裸地上层和苔藓结皮层中的NH $_{4}^{+}$ -N含量显著高于结皮下层；结皮层与结皮下层土壤的NO $_{3}^{-}$ -N含量以及藻结皮、地衣结皮层与其下层土壤的NH $_{4}^{+}$ -N含量均无显著差异。

3.2　土壤氮转化相关酶活性对生物结皮演替的响应

在生物结皮层中土壤固氮酶、蛋白酶、硝酸还原酶活性均随结皮演替呈显著增加趋势（图3）。生物结皮演替过程中苔藓结皮层的固氮酶活性最高，为3.58±0.71 µmol·m^-2·h^-1，显著高于裸地（P<0.05）；藻结皮、地衣结皮和苔藓结皮层的脲酶活性均显著高于裸地（P<0.05），其中地衣结皮层中脲酶活性最高，分别是裸地对照、藻结皮层、苔藓结皮层的3.5、1.5、1.2倍；生物结皮层中蛋白酶活性变化趋势最明显，藻结皮、地衣结皮、苔藓结皮层的蛋白酶活性分别是裸地的1.9、2.5、2.9倍；生物结皮层的亚硝酸还原酶活性变化趋势不明显，值为718.53~848.86 μg·h^-1·g^-1；苔藓结皮层的硝酸还原酶活性为0.39±0.11 μg·h^-1·g^-1，显著高于藻结皮层和裸地，地衣结皮层的硝酸还原酶活性亦显著高于裸地（P<0.05）。

图3

图3 不同生物结皮类型氮转化相关酶活性

Fig.3 Nitrogen conversion related enzyme activities in different types of biological soil crusts

生物结皮层土壤中的脲酶、蛋白酶、硝酸还原酶活性均高于结皮下层（图3）。在裸地、藻结皮阶段，结皮下层土壤中的固氮酶活性高于结皮层，但随着结皮的演替，地衣结皮层、苔藓结皮层的固氮酶活性均高于结皮下层土壤；藻结皮、地衣结皮、苔藓结皮层的脲酶活性极显著高于其下层土壤（P<0.01）；且苔藓结皮与其下层土壤中的蛋白酶活性差异也呈极显著水平（P<0.01）；裸地和藻结皮阶段，结皮下层土壤中的亚硝酸还原酶活性是高于结皮层的，同样随着结皮的演替，地衣结皮和苔藓结皮阶段的亚硝酸还原酶活性均明显高于结皮下层土壤；硝酸还原酶酶活性在苔藓结皮与其结皮下层土壤之间的差异达显著水平（P<0.05）。

3.3　生物结皮不同演替阶段的微生物数量变化特征

通过对微生物的培养，发现在结皮演替后期，即地衣结皮与苔藓结皮层的细菌数量显著高于裸地（P<0.05，图4）；放线菌数量随结皮演替变化趋势不明显，藻结皮和苔藓结皮层的放线菌数量高于地衣结皮和裸地，但差异不显著；苔藓结皮层的真菌数量为3 973.33±238.78 cfu·g^-1，显著高于其他3个演替阶段。生物结皮下层中细菌、真菌、放线菌随结皮演替变化趋势不明显；生物结皮层的细菌、真菌数量均高于结皮下层土壤，结皮层与结皮下层土壤中的放线菌差异不显著。

图4

图4 不同生物结皮类型的微生物数量

Fig.4 Microbial biomass in different types of biological soil crusts

在生物结皮不同演替阶段，结皮层土壤中的MBC、MBN均随生物结皮演替而显著升高，其中苔藓结皮层土壤中的MBC、MBN最高，显著高于裸地和藻结皮层；在结皮下层土壤中MBC、MBN也具有类似的变化趋势，且MBN在不同演替阶段差异显著。

3.4　生物结皮层中土壤养分、氮转化相关酶活性及微生物量三者间的相关性

生物结皮层中土壤SOC与细菌数量、MBC、MBN均呈显著（P<0.05）或极显著正相关关系（P<0.01），TN含量与真菌数量、NH $_{4}^{+}$ -N含量与MBN、NO $_{3}^{-}$ -N含量与MBC和MBN均呈显著正相关关系（P<0.05，表1），表明土壤碳氮含量对微生物的生长和繁殖具有明显的促进作用。细菌与脲酶活性呈显著正相关（P<0.05），与蛋白酶活性、亚硝酸还原酶活性、硝酸还原酶活性呈极显著正相关（P<0.01）；而真菌与亚硝酸还原酶活性呈显著负相关（P<0.05，表2），表明微生物对与氮转化相关的酶活性有显著的调控作用。SOC与脲酶活性和蛋白酶活性呈极显著正相关（P<0.01），与硝酸还原酶活性呈显著正相关（P<0.05），体现了SOC含量与SOC的矿化分解的耦合作用；TN与固氮酶活性呈显著正相关（P<0.05），说明生物结皮的固氮作用对土壤N素有积累作用；而TN、NH $_{4}^{+}$ -N、NO $_{3}^{-}$ -N与亚硝酸还原酶活性均呈显著负相关（P<0.05，表3）。

表1 生物结皮层土壤养分与微生物数量的相关性分析

Table 1 Correlation analysis of soil nutrients and microbial biomass in the biological soil crusts

土壤养分	细菌	真菌	放线菌	微生物量碳(MBC)	微生物量氮(MBN)
有机碳(SOC)	0.423^*	0.192	-0.041	0.610^**	0.421^*
全氮(TN)	0.206	0.516^*	0.003	0.386	0.246
铵态氮(NH $_{4}^{+}$ -N)	0.003	0.134	0.073	0.120	0.409^*
硝态氮(NO $_{3}^{-}$ -N)	-0.141	0.208	0.009	0.447^*	0.599^**
碳氮比(C/N)	-0.066	-0.232	-0.027	-0.288	-0.326

*P<0.05，**P<0.01。

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表2 生物结皮层微生物数量与氮转化相关酶活性的相关性分析

Table 2 Correlation analysis of microbial biomass and nitrogen invertase activity in the biological soil crusts

	固氮酶活性	脲酶活性	蛋白酶活性	亚硝酸还原酶活性	硝酸还原酶活性
细菌	0.030	0.326^*	0.412^**	0.425^**	0.512^**
真菌	0.130	0.088	0.085	-0.274^*	-0.031
放线菌	0.428^**	0.124	0.215	0.178	0.132
微生物量碳(MBC)	-0.179	0.089	0.444^*	-0.021	0.110
微生物量氮(MBN)	0.055	0.224	0.275	0.092	0.028

*P<0.05，**P<0.01。

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表3 生物结皮层土壤养分与氮转化相关酶活性的相关性分析

Table 3 Correlation analysis of soil nutrients and nitrogen invertase activity in the biological soil crusts

土壤养分	固氮酶活性	脲酶活性	蛋白酶活性	亚硝酸还原酶活性	硝酸还原酶活性
有机碳(SOC)	0.175	0.333^**	0.390^**	0.095	0.264^*
全氮(TN)	0.355	0.427	0.306	-0.520^*	0.081
铵态氮(NH $_{4}^{+}$ -N)	0.320	0.071	0.204	-0.257^*	-0.132
硝态氮(NO $_{3}^{-}$ -N)	0.930	0.188	0.244	-0.354^**	-0.089
碳氮比(C/N)	0.119	-0.289	-0.251	0.235	-0.241

*P<0.05，**P<0.01。

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4 讨论

4.1　生物结皮演替中SOC的积累是微生物数量增加的关键

生物结皮在演替过程中，物种组成发生明显的变化，裸地阶段光合微生物数量极少，其固定的SOC含量最低，当发育到藻结皮时，结皮中有丰富的丝状蓝藻以及真核藻类，它们通过光合作用，向土壤中输入SOC；当生物结皮进一步发育到地衣结皮或苔藓结皮时，其光合固碳能力更强，即可向土壤中输入更多的SOC^［25］。诸多研究表明，随生物结皮的演替，其光合固碳能力显著增强，固定的SOC亦显著提高^［4，26］。本研究中MBC、MBN随生物结皮演替呈显著升高趋势，细菌与真菌数量在结皮演替后期也逐渐增加，是因为生物结皮演替过程中逐渐增加的SOC为异养细菌和真菌提供了能源物质，促进了微生物的生长和繁殖。在不同土壤层次中，结皮层SOC含量显著高于下层土壤已成研究共识^［9，27］，本研究中，氮素含量、氮转化相关酶活性和微生物数量在结皮层和结皮下层土壤中多数具有明显的差异，主要是结皮层和结皮下层积累的SOC巨大差异所致。

4.2　生物结皮演替过程氮素含量和酶活性转化的生物学基础

土壤氮素的生物化学循环几乎全部依靠微生物介导的氧化还原反应完成^［28-29］。荒漠中藻结皮、地衣结皮和苔藓结皮的固氮速率差异显著，氮输入强烈依赖于生物结皮中的固氮微生物^［30-31］。本研究中，TN、NH $_{4}^{+}$ -N、NO $_{3}^{-}$ -N含量以及固氮酶活性随生物结皮演替其变化总体呈增加趋势，这在很大程度上取决于生物结皮固氮微生物的物种组成和丰度。在古尔班通古特沙漠中的相关研究表明，藻结皮和地衣结皮中固氮微生物以念珠藻属（Nostoc）和伪枝藻属（Syctonema）为主，且固氮微生物多样性与nifH基因丰度均在藻结皮阶段最高，其次为苔藓结皮^［32］；也有研究发现固氮蓝细菌是结皮演替早期主要的固氮功能群，随着生物结皮演替，地衣真菌（Leotiomycetes和Lecanoromycetes）及异养固氮菌（放线菌Actinomycetales、根瘤菌Rhizobiales等）成为地衣及苔藓结皮的主要固氮类群^［33］；而在浑善达克沙地，研究发现固氮微生物多样性指数随生物结皮的演替而上升，其中变形菌门的斯克尔曼氏菌（Skermanella）相对丰度显著增加，在苔藓结皮阶段成为仅次于未分类念珠藻科和伪枝藻属的第三优势固氮类群^［34］；这种固氮优势类群的差异可能与其多样性和群落组成相关。但在黄土高原水蚀风蚀交错区，生物结皮演替后期尤其是苔藓结皮的固氮酶活性最高，这可能是因为固氮微生物的组成在结皮演替后期发生了重要变化，还需进一步研究证实。在有机氮矿化过程中，有机氮常通过氨化作用被降解为NH $_{3}^{-}$ ^［19］，因此，NH $_{4}^{+}$ -N含量在生物结皮后期演替阶段显著升高可能也与有机氮矿化逐渐升高有关。本研究发现黄土高原水蚀风蚀交错区生物结皮演替过程中脲酶和蛋白酶活性显著升高，在苔藓结皮或地衣结皮达到峰值。而脲酶和蛋白酶是蛋白质降解和尿素水解的重要酶类，在有机氮矿化过程中发挥着重要作用^［35］，说明有机氮的矿化作用随生物结皮演替也呈升高趋势。这种变化趋势可能有两方面原因，一是生物结皮的演替在后期积累了丰富的有机氮，为蛋白酶和脲酶提供了丰富的底物^［1，25］；二是生物结皮的演替使微生物种类和数量增加，尤其是与编码蛋白酶和脲酶（ureC）相关的功能微生物可能会增加，但有待于实验进一步验证。执行反硝化反应第一步的硝酸还原酶（编码基因narG）是控制反硝化过程的关键酶^［36-37］，在本研究中，硝酸还原酶在生物结皮演替过程中呈显著升高趋势，预示着硝酸还原酶相关的功能微生物丰度可能在结皮演替过程中有明显的升高。

4.3　研究不足与未来研究展望

生物结皮具有丰富的微生物物种、生态功能和生态多样性，是研究“生物多样性-功能”的一个模式系统^{［25，36］}。本文集中研究了黄土高原水蚀风蚀交错区生物结皮不同演替阶段氮素含量、氮素转化过程（固氮过程、矿化过程和反硝化过程）中相关酶活性以及微生物数量，但因方法的限制，未对硝化过程的相关酶活性进行探讨，而硝化作用是连接固氮过程、有机氮矿化和反硝化过程的纽带，通过与以上过程偶联，共同决定着土壤生态系统中氮的收支与归趋^［19］。氮循环功能微生物在土壤氮元素生物化学循环过程中发挥着驱动作用，近十几年来，分子生物学技术和宏基因组学的快速发展，在农田、森林、草地生态系统开展了大量研究工作，在很大程度上揭示了氮循环过程的作用机制^{［33，38-39］}。本文还未对影响这些过程的功能微生物多样性开展相关研究，文中分析判断依据是基于生物结皮微生物多样性的已有文献。因此，在研究区系统研究生物结皮氮素各个转化过程的耦合关系，并利用现代分子生物学技术将微生物功能群多样性与其生态功能相结合，将为揭示氮素转化过程的微生物学机制提供科学依据，也是生物结皮研究领域的重要拓展。

5 结论

黄土高原水蚀风蚀交错区生物结皮演替显著增加了土壤碳、氮养分含量，提高了氮转化相关酶活性、MBC、MBN以及细菌、真菌数量，在结皮层的含量显著高于结皮下层土壤。在生物结皮演替过程中，土壤SOC的积累为微生物量与细菌和真菌数量的增加提供了物质基础，氮功能微生物提高了氮素含量和氮转化相关酶活性，在氮素积累和转化过程中发挥着关键作用。黄土高原生物结皮氮循环主要生态过程与微生物学机制将是未来重要研究方向。生物结皮的演替促进了结皮层土壤中氮养分的形成和积累，提高了结皮层与氮转化相关的土壤酶活性，增加了土壤中细菌、真菌、MBC、MBN的生物量，对放线菌微生物量的影响不明显。这些都为维管束植物的定居和生长提供了适宜的生存条件，因此，采取一定措施维护生物结皮的发育对黄土高原水蚀风蚀交错区的生态恢复具有重要意义。

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