2023, Vol. 44
2. 青海大学高原生态与农业国家重点实验室, 西宁 810016
2. State Key Laboratory of Plateau Ecology and Agriculture, Qinghai University, Xining 810016, China
黄河源区是青藏高原的重要组成部分, 是中国重要的生态腹地, 具有重要的生态功能和经济价值[1].但由于气候变化和过度放牧等不利条件的干扰, 黄河源区高寒草甸生态系统出现了不同程度的退化[2], 导致鼠害频发, 使其生态功能和经济价值弱化.甚至局部地区因高原鼠兔种群数量大量暴发, 草甸层丢失, 地表裸漏, 造成严重的斑块化退化[3].因此, 为保护生态安全, 实现草地的可持续发展, 退化草地的恢复不容忽视.当地政府和牧民采取了一系列修复措施来缓解草地退化.其中, 围栏封育是高寒草甸生态修复中最常用的方式之一, 具有操作简单、成本低和可推广性强等优势[4, 5].有研究指出围栏封育能显著增加高寒草甸植被覆盖率和生物量, 可有效缓解草地退化[6, 7].Erfanzadeh等[8]研究表明4 a围栏能够改善土壤肥力, 提高地上生物量, 但延长封育年限会使植物多样性减少, 养分循环失衡.聂莹莹等[9]研究发现, 封育5 a的草甸群落多样性和丰富度达到峰值, 但长期封育后的退化草地应进行适度利用来维持其多样性.李润富等[10]认为围栏封育能够显著提高高寒草原地上生物量和植被盖度, 但土壤理化性质和植物养分却相对稳定.此外, 生物学家认为围栏封育会限制野生动物的活动, 使野生动物的迁徙和繁衍受阻.由此可见, 围栏封育会影响草地生态系统的物质循环和能量流动, 进而改变植被健康状况和土壤肥力, 但由于围封年限、海拔、气候和封育前草地退化状况的不同, 封育对草地恢复的效果还存在很大差异[11], 且由于围栏对野生动物的影响等, 围栏的建设还存在很大的争议.另外, 由于黄河源区气候寒冷, 封育产生的凋落物不能及时分解, 其物质循环和能量流动相对缓慢, 有必要将不同封育年限下对高寒草甸的封育效果做进一步研究.
土壤微生物是土壤最活跃的组分, 参与土壤团粒结构的形成和养分循环过程, 其多样性可以在一定程度上代表整个生态系统的稳定性[12].土壤微生物(特别是细菌和真菌)的群落结构及其复杂程度直接影响整个草地生态系统的结构、功能和演替过程, 在土壤肥力评估和生态系统稳定性等方面有着重要作用[13].但土壤微生物对环境的变化非常敏感, 土壤细菌因种类多、含量大、与植被演替一致性强等特点而被用来表征土壤的健康状况和土壤肥力[14], 而土壤真菌因对环境胁迫反应迅速常被用来反映陆地生态系统质量[15].在连续放牧的草地上, 土壤细菌和植物群落是平行演替的, 且细菌的演替速度较真菌快[16].尹亚丽等[17]研究表明, 封育能增加土壤细菌的α多样性.李玉洁等[18]研究表明, 封育9 a的草地土壤微生物多样性显著高于放牧草地.但魏亚兰[19]研究发现, 在高寒草地生态系统中封育与放牧相比, 土壤微生物的差异仅表现在丰度水平上, 微生物群落结构组成无明显变化.目前, 对封育效果的评价多集中在地上地下生物量和土壤理化性质等方面, 对不同封育年限下高寒草甸土壤微生物多样性及其和环境因子的关系研究得较少, 但这对揭示封育的内在过程具有重要作用.基于此, 本文设置不同围封样地(围封E1、E4和E10), 深入研究不同围封年限下黄河源区高寒草甸土壤微生物多样性及其对环境因子的响应, 旨在探究围栏封育对黄河源区斑块化退化高寒草甸修复的关键影响因素, 并提出围栏封育时间的对策建议.
1 材料与方法 1.1 研究区概况研究区位于青海省黄南州河南蒙古族自治县, 地处青南高原东北缘, 是青海省唯一的蒙古族自治县, 也是全国有机畜牧业示范县.全县牧业人口3.32万人, 共7 854户, 占全县总人口的96%.有蒙古、藏、汉、回和撒拉这5个民族, 其中蒙古族占90%.当地优势畜种有欧拉羊、雪多牦牛和河曲马.全县平均海拔3 600~3 800 m, 高原大陆性气候特征明显, 春秋季短, 四季不分明, 无绝对无霜期.每年5~10月温暖、多雨, 11月至次年4月寒冷、干燥, 多大风天气.年均气温在9.2~14.6℃, 年降水量597.1~615.5 mm, 土壤类型多为亚高山草甸土.
河南县草场面积66.15万hm2, 可利用草场64.50万hm2, 不可利用草场1.65万hm2.截至2021年, 全县实行黑土滩综合治理和草原有害生物防控, 共治理黑土滩3.06万hm2, 黑土坡0.20万hm2, 草原有害生物防控鼠害防治95.07万hm2, 禁牧围栏8.13万hm2, 划区轮牧围栏4.67万hm2, 休牧围栏22.67万hm2, 退化草原改良2.73万hm2.全县落实禁牧面积43.56万hm2, 草畜平衡面积15.43万hm2.但在围封草地的后续利用等方面还存在很多问题.
1.2 试验设计本研究利用2011年、2017年和2020年7月, 分别在河南县高寒草甸上围栏封育内地形地貌、植被组成、群落特征和退化程度基本一致的地段作为试验样地, 面积均为300 m×250 m, 即7.50 hm2.截至2021年8月, 各试验样地已封育10、4和1 a, 其中10 a为长期封育(E10), 4 a为短期封育(E4), 1 a为较短期封育(E1), G为自由放牧.各样地位置、海拔及植物群落主要组成见表 1.
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表 1 各样地位置、海拔和植物群落主要组成 Table 1 Location, altitude, and main composition of plant community |
1.3 样品采集与分析 1.3.1 土壤样品采集
在4个试验样地中随机选择6个50 cm×50 cm的样方, 同时避开斑块地.在每个样方中采用5点取样法取0~20 cm根际土壤样品5份混匀, 用酒精消毒后的钥匙取混匀土样装满50 mL灭菌离心管中, 加盖并用锡箔纸包裹后编号, 最后放入便携式液氮罐中保存.另用挖掘法, 取0~20 cm土块的根际土壤样品, 每个样方取500 g, 进行土壤含水量的测定, 重复3次.所获得的综合土样用2 mm和0.25 mm的筛子分离石砾和植物根系, 阴干后用以测定土壤pH、有机碳、全量和速效养分.
1.3.2 土壤理化性质测定参照鲍士旦[20]的土壤农化分析, 进行土壤养分含量的测定.其中, 土壤pH采用电位法(水∶土=2.5∶1); 土壤含水量(SOC)采用烘干法测定(105℃, 24 h); 土壤有机碳(organic carbon, SOC)含量采用重铬酸钾容量法测定; 土壤全氮(total nitrogen, TN)、铵态氮(ammonium nitrogen, NH4+-N)、硝态氮(nitrate nitrogen, NO3--N)、全磷(total phosphorus, TP)和速效磷(available phosphorus, AP)利用AA3连续流动分析仪(德国, SEAL)测定.
1.3.3 土壤微生物群落的测定委托北京禾诺基因科技有限公司, 采用高通量测序分别对土壤细菌16S rDNA V3+V4区域, 土壤真菌ITS1区进行基因序列测定.本研究分析平台为Qiime平台, 测定步骤为：基因组DNA提取-基因组DNA质检-PCR扩增-PCR产物电泳检测-PCR产物纯化-MiSeq文库构建-MiSeq文库质检-Illumina MiSeq平台上机测序.为研究各样本的物种组成, 对所有样本的有效数据(effective tags), 以97%的一致性(identity)进行OTUs(operational taxonomic units)聚类, 然后对OTUs的序列进行物种注释.
1.4 数据分析与作图采用Microsoft Excel 2010进行原始数据的整理, 运用SPSS 19.0进行数据统计分析：采用单因素方差分析(P < 0.05)检验不同围封年限下土壤理化性质和微生物丰度的差异.Venn图和物种组成柱状图由R语言工具统计和作图.并使用Canoco5.0对微生物、植被和土壤特征进行冗余分析(redundancy analysis, RDA), 并绘图.
2 结果与分析 2.1 土壤理化性质分析由表 2可知, E4处理的土壤pH最高, E10次之, 且E4和E10处理显著高于G(对照)处理(P < 0.05), E1处理最低, 且显著低于G处理(P < 0.05); E10处理的土壤含水量最高, 且显著高于G、E1和E4处理(P < 0.05); E10处理的土壤有机碳含量最高, E4次之, 且E10和E4处理显著高于E1处理(P < 0.05); E10处理的土壤全氮含量最高, 且显著高于E4和G处理(P < 0.05), E1次之; E10处理的土壤全磷含量最高, 且显著高于G处理(P < 0.05), E1次之; 各处理间的土壤铵态氮含量无显著差异; E4处理的土壤硝态氮含量最高, 且显著高于E1和E10处理; E4处理的土壤速效磷含量最高, 且显著高于G、E1和E10处理, E1和E10处理与G处理间无显著差异.由此看出, 相对于对照G, E1封育能显著降低土壤pH, E10长期封育能显著提高土壤pH、土壤含水量和全氮含量, E4短期封育能显著提高土壤pH和速效磷含量.
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表 2 不同封育年限间土壤理化性质的差异 Table 2 Differences in soil physical and chemical properties between different enclosure years |
2.2 微生物群落结构分析 2.2.1 OTUs统计分析
对图 1(a)进行分析可得, 各样地土壤样品中细菌共有的OTUs总数为2 918个, 占比为34.64%. G、E1、E4和E10所特有的OTUs数目依次为666、753、411和1 015个, 占比分别为7.91%、8.94%、4.88%和12.05%.围封和对照处理的土壤细菌门类多集中于变形菌门(Proteobacteria)和酸杆菌门(Acidobacteriota).相较于对照G, E4封育会使土壤细菌中的OTUs数量减少, 而E1和E10封育均会使土壤细菌中的OTUs数量增加.
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图 1 不同封育年限下细菌和真菌OTUs数量 Fig. 1 Number of bacterial and fungal OTUs under different enclosure years |
不同封育年限下, 各样地土壤样品中真菌共有的OTUs总数为1 215, 占比为17.48%. G、E1、E4和E10所特有的OTUs数目分别为1 091、722、456和1 010个, 占比分别为15.70%、10.39%、6.56%和14.53%.围封和对照处理的土壤细菌门类多集中于子囊菌门(Ascomycota)和担子菌门(Basidiomycota).由此看出, E1、E4和E10封育均会使土壤真菌中的OTUs数量减少[图 1(b)].
2.2.2 微生物丰度从门水平分析可知, 封育和对照处理的土壤细菌组成多样性较高, 已鉴定的优势菌门是变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteriota)、放线菌门(Actinobacteriota)、厚壁菌门(Firmicutes)和疣微菌门(Verrucomicrobiota), 相对丰度分别为20.51%~23.41%、11.96%~18.06%、6.28%~10.77%、2.92%~4.57%和2.90%~4.77%.不同封育年限下, E10处理的变形菌门丰度显著高于G、E1和E4处理(P < 0.05), E4处理的酸杆菌门丰度显著高于G、E1和E10处理(P < 0.05)[图 2(b)].对各处理门水平所包含的细菌进行聚类分析, 然后根据聚类后各处理中的OTUs所含序列的丰度制作样本聚类柱状图.门水平聚类分析表明, E4和E10聚为一支, G和E1聚为一支, 共聚为两支, 说明E4和E10封育与E1及自由放牧细菌群落在门水平上存在差异性[图 1(a)].
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(a)样本间层次聚类分析, (b)样品的群落结构柱状图; 显示的是相对丰度1%以上的物种信息 图 2 不同封育年限下门水平细菌群落结构组成 Fig. 2 Composition of bacterial community at the phylum level under different enclosure years |
已鉴定的真菌优势门是子囊菌门(Ascomycota)、担子菌门(Basidiomycota)、被孢霉门(Mortierellomycota)、壶菌门(Chytridiomycota)和毛霉亚门(Mucoromycota), 相对丰度分别为50.66%~58.83%、7.18%~22.10%、4.26%~7.67%、0.32%~2.25%和0.12%~1.14%.不同封育年限下, E10处理的子囊菌门丰度显著高于G、E1和E4处理(P < 0.05), E10和E4处理的担子菌门丰度显著低于G和E1处理(P < 0.05)[图 3(b)].对各处理门水平所包含的真菌进行聚类分析, 然后根据聚类后各处理中的OUTs所含序列的相对丰度制作样本聚类柱状图.结果表明, E4和E10聚为一支, G和E1聚为一支, 共聚为两支, 说明E4和E10封育与E1及自由放牧真菌群落在门水平上存在差异性[图 3(a)].
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(a)样本间层次聚类分析, (b)样品的群落结构柱状图, 显示的是相对丰度1%以上的物种信息 图 3 不同封育年限下门水平真菌群落结构组成 Fig. 3 Composition of fungal community at the phylum level under different enclosure years |
已鉴定的细菌优势属为RB41、芽孢杆菌属(Bacillus)、假诺卡氏菌属(Pseudonocardia)、Candidatus_Udaeobacter和慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium), 相对丰度分别为4.90%~8.71%、0.89%~2.44%、1.06%~3.19%、1.63%~3.14%和1.30%~2.63%.不同封育年限下, E4处理的RB41丰度显著高于G、E1和E10处理(P < 0.05), 但E4处理的芽孢杆菌属丰度显著低于G、E1和E10处理(P < 0.05), E1处理的假诺卡氏菌属和Candidatus_Udaeobacter丰度显著高于G、E4和E10处理(P < 0.05)[图 4(a)].
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图 4 不同封育年限下属水平细菌和真菌群落结构组成 Fig. 4 Composition of bacterial and fungal community structures at subordinate level under different enclosure years |
由图 4(b)可知已鉴定的真菌优势属为Minutisphaera、蜡伞属(Hygrocybe)、帚枝霉属(Sarocladium)、黄胶黏柄菇属(Gliophorus)和古根茎菌属(Archaeorhizomyces), 相对丰度分别为0.22%~7.10%、0.13%~6.71%、0.053%~6.58%、0.23%~6.84%和4.69%~8.47%.不同封育年限下, G处理的Minutisphaera丰度显著高于E1、E4和E10处理(P < 0.05), E1处理的蜡伞属丰度显著高于G、E4和E10处理(P < 0.05), G处理的帚枝霉属和黄胶黏柄菇属丰度显著高于E1、E4和E10处理(P < 0.05).
2.3 微生物群落多样性分析通过对比细菌16S区和真菌ITS区rDNA的相似性, 对不同封育年限下土壤细菌和真菌丰富度及多样性指数进行分析(表 3).不同封育年限土壤细菌和真菌的Good's coverage指数为98.52%~99.20%, 说明测序能够比较真实地反映土壤样本的微生物群落特征.从整体来看, 细菌的丰富度与多样性由高到低依次为: E10＞E4＞E1＞G.随着封育年限的增加, 细菌的丰富度和多样性指数逐渐增加, E10和E4显著高于E1和G(P＜0.05), 但E10和E4间差异不显著(P＞0.05).真菌的丰富度由高到低依次为: E10＞E4＞E1＞G, 真菌的多样性由高到低依次为: E4＞E10＞G＞E1.随着封育年限的增加, 真菌的丰富度指数Chao1逐渐增加, E10和E4显著高于E1和G(P＜0.05), 但E10和E4差异不显著(P＞0.05), 真菌的多样性指数Shannon先增加后减小, 但E10和E4差异不显著(P＞0.05).
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表 3 不同封育年限间微生物多样性指数的差异 Table 3 Differences in microbial diversity index under different enclosure years |
2.4 土壤理化性质与微生物群落多样性的关系
通过冗余分析探究围封土壤微生物优势门、属的多样性和环境因子的相关性可知, 围栏封育引起土壤细菌和真菌变化的土壤理化指标存在差异.在门水平上, 土壤pH和含水量对细菌丰度存在显著影响, 其中土壤pH与拟杆菌门和酸杆菌门呈正相关关系, 与厚壁菌门和放线菌门呈负相关关系, 土壤含水量表现出类似的规律[图 5(a)]; 土壤pH和土壤有机碳对真菌丰度存在显著影响, 其中土壤pH与被孢霉门和隐菌门呈正相关, 与担子菌门和捕虫霉门呈负相关, 土壤有机碳与隐菌门、壶菌门呈正相关与球囊菌门和子囊菌门呈负相关[图 5(b)].在属水平上, 土壤pH和土壤含水量对细菌丰度存在显著影响, 其中土壤pH与RB41和IS-44呈正相关关系, 与芽孢杆菌属、假诺卡氏菌属、慢生根瘤菌属、单红杆菌属和不动杆菌属呈负相关关系, 土壤含水量与土微菌属呈正相关, 与慢生根瘤菌属、丝氨酸球菌属呈负相关[图 5(c)]; 土壤有机碳对真菌丰度存在显著影响, 有机碳与黄胶黏柄菇属和布氏白粉菌属呈正相关, 与木霉属、帚枝霉属、Minutisphaera和Entoloma呈负相关[图 5(d)].土壤pH和速效磷显著影响细菌多样性, 其中pH和速效磷与Chao1、Simpson、Shannon和Observed species指数均为正相关, 但pH与Observed species指数和Shannon指数相关性较强, 速效磷与Chao1指数和Observed species指数相关性较强[图 5(e)]; 土壤速效磷、pH和含水量显著影响真菌多样性, 其中土壤速效磷、pH和含水量与Chao1、Simpson、Shannon和Observed species指数均为正相关, 但速效磷与Observed species指数和Shannon指数相关性较强, pH和含水量与Chao1指数和Observed species指数相关性较强[图 5(f)].
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(a)和(b)分别表示不同封育年限下优势细菌和真菌相对丰度和环境因子RDA分析, (c)和(d)分别表示不同封育年限下属水平优势细菌和真菌相对丰度和环境因子RDA分析, (e)和(f)分别表示不同封育年限下细菌和真菌多样性和环境因子RDA分析; 红色箭头表示环境因子, 蓝色箭头表示微生物丰度和多样性指数; A1~A10分别表示Proteobacteria、unidentified_Bacteria、Acidobacteriota、Actinobacteriota、Actinobacteriota、Firmicutes、Verrucomicrobiota、Bacteroidota、Crenarchaeota和Chloroflexi; B1~B10分别表示Ascomycota、Basidiomycota、Mortierellomycota、Chytridiomycota、Mucoromycota、Glomeromycota、Olpidiomycota、Aphelidiomycota、Zoopagomycota和Rozellomycota; C1~C10分别表示RB41、Bacillus、Pseudonocardia、Candidatus_Udaeobacter、Bradyrhizobium、Solirubrobacter、Oryzihumus、Acinetobacter、IS-44和Pedomicrobium; D1~D10分别表示Minutisphaera、Hygrocybe、Sarocladium、Gliophorus、Archaeorhizomyces、Clavulinopsis、Trichoderma、unidentified、Blumeria和Entoloma; Obs_spe表示Observed species指数, NH表示NH4+-N, NO表示NO3--N 图 5 土壤理化性质与微生物群落多样性的关系 Fig. 5 Relationship between soil physicochemical properties and microbial community diversity |
围封通过限制家畜采食、践踏和粪尿回归来影响土壤中水分和养分的固持、转移和再分配过程, 进而改变土壤理化性质[21].有研究表明, 土壤有机质、碱解氮和速效磷含量在0~6 a的围封年限内逐渐增加[22].本研究中, 相对于对照G, E1围封使土壤pH显著降低, E10长期围封和E4短期围封使土壤pH显著提高, 使其由弱酸性趋于中性, 这与程雨婷[23]研究土壤pH的有效性对封育的响应, 随着封育时间的延长出现先增加(pH降低)后降低(pH升高)的趋势一致.而E10长期围封的土壤pH却低于E4短期围封, 这可能是因为长期围封使地上植被凋落物增加, 其在土壤中的腐植化过程产生的腐植酸会降低土壤的pH.长短期围封均能显著提高土壤含水量, 这是因为长期围封增加了植被盖度和枯草层厚度, 减少了土壤水分的蒸发.长短期围封均能增加土壤有机碳含量, 但与对照自由放牧样地并无显著差异, 这是由于青藏高原气候寒冷干燥, 植物残体分解速度较慢.长短期围封均能增加土壤全氮和全磷含量, 且长期围封较自由放牧样地差异显著, 因为封育后极大地限制了家畜采食, 增加了地上地下生物量的积累, 从而使围封样地氮磷含量提高.短期围封增加了硝态氮和速效磷含量, 且显著高于长期围封.
3.2 细菌群落对围封的响应土壤细菌群落是高寒草甸生态系统中影响生物地球化学循环的一个重要组成部分, 其多样性和稳定性对高寒草甸生态系统具有重要意义[24].有学者对青藏高原围封7 a的高山草地研究发现, 由于围栏的有效保护, 促进了微生境内的生物地化循环, 提高了土壤质量[25].而围栏引起的养分可利用性的变化会影响微生物群落本身的丰度和组成, 同时也会影响植物群落, 而且通过植物的生长和生存提供微环境和养分来影响微生物群[26].目前, 围栏对土壤细菌多样性的影响没有统一的结论.本研究中, 已鉴定的优势菌门是变形菌门、酸杆菌门和放线菌门.变形菌门是细菌中最大的一门, 其中的α变形菌包括光合自养型菌类、植物共生菌(如根瘤菌)和代谢C1化和物的菌类[27], 为土壤提供了多样化的能量输入途径; 其中的β变形菌包括很多好氧或兼性细菌, 其丰度的提高有利于分解土壤中的有机质, 为土壤中的物质循环和能量流动提供动力.酸杆菌门数量与变形菌门相当, 其与土壤pH的调节, 植物残体多聚体的降解密切相关[28].E10围封降低了酸杆菌门的相对丰度, 这在一定程度上可以解释为何在多年围封的土壤中植物残体降解缓慢.在属水平上, 不同围封年限间存在显著差异.本研究发现, RB41、芽孢杆菌属和假诺卡氏菌属是围封高寒草甸中最优势的类群, 但不同围封年限的丰度不同.E4围封的RB41丰度显著高于围封E1和E10围封, 这说明较短的围封年限有利于RB41的恢复, 但围封年限较长会使RB41的生长发育受到限制.芽孢杆菌属[29]具有解磷、解钾和固氮等生物活性, 是土壤肥力的活化剂, 有助于提高生物量.本研究中, E4围封的芽孢杆菌属丰度最低, 而E10围封的芽孢杆菌属丰度与E1围封类似, 这很可能是因为E4短期围封会使土壤养分利用率提高, 增加了土壤速效养分含量, 从而对芽孢杆菌的生长产生了抑制.
3.3 真菌群落对围封的响应土壤真菌作为土壤微生物群落的重要组成部分[30], 在高寒草甸生态系统过程中起着重要作用[31].如与众多植物共生形成菌根[32], 分泌胞外酶降解难以降解的有机物化合物, 从而释放矿物质养分和二氧化碳供植物生长发育[33].而围封会排除家畜对植物的采食和践踏, 提高草地盖度[34], 增强土壤团聚体的结构[35], 从而促进土壤真菌的活动并为不同微生物种间相互影响提供机会[36].本研究中, 长期封育的子囊菌门丰度显著高于短期封育.这是因为营腐生生活的子囊菌可将土壤中的有机质分解为简单的无机化合物和腐殖质, 无机化合物为植物生长发育提供养分, 腐殖质用于土壤发育, 且子囊菌也对土壤中难以分解的纤维素和木质素起主要作用[37], 而E10围封会使植物的凋落物增加, 植物残体中较多的纤维素和木质素对子囊菌有激发作用, 会提高子囊菌的丰度.E1围封和自由放牧土壤中的担子菌门丰度显著高于E4围封和E10围封, 这可能是因为担子菌门中的一类菌群能分解木质素[38], 而E1围封和自由放牧样地中的毒杂草残体所含木质素含量较高, 提高了担子菌门丰度.
3.4 土壤微生物多样性对环境因子的响应土壤是土壤微生物直接接触并赖以生存的外部空间, 土壤理化性质、海拔高度和气候等环境因素是土壤微生物群落结构和数量变化的主要驱动力[39].有研究表明, 土壤微生物属性是土壤质量变化的潜在早期指标[40~42], 且由于细菌和真菌是两类细胞结构、营养类型和繁殖方式都不同的微生物, 其对不同环境的敏感性表现出不同的变化趋势[43].本研究通过分析土壤理化性质与土壤细菌及真菌的关系发现, 在细菌菌落中, 土壤pH和含水量与拟杆菌门、酸杆菌门丰度呈显著正相关, 与厚壁菌门、放线菌门呈显著负相关, 这说明土壤pH和含水量是影响围封条件下细菌多样性的关键限制因子.根据文献[44]的研究, pH影响土壤的物理、化学和生物性质.Zimmermann等[45]研究表明pH在森林土壤微生物群落动态中起着关键作用.土壤pH与某些微生物类群密切相关, 且被认为是土壤细菌群落的最佳预测因子[46].在青藏高原整体的空间尺度上, 对甘南亚高寒草甸不同坡向土壤微生物群落分布的研究表明, 不同坡向土壤微生物群落分布的显著差异是土壤含水量、全磷和土壤pH等多种环境因子共同作用的结果[47].在西藏北部高寒草原, 土壤pH、全磷和有机碳的变化在丛枝菌根(AM)真菌群落组成中起着重要的作用[48].在青藏高原念青唐古拉山南坡不同深度土壤细菌群落中, 0~5 cm的浅层细菌群落主要受降水和土壤NH4+影响, 而5~20 cm土壤细菌群落主要受pH影响[49].这些研究充分证明土壤pH和含水量对微生物群落有重要作用.
土壤理化性质的变化会直接或间接地影响真菌的群落特征, 而真菌群落也在维持土壤养分平衡方面发挥重要作用[50].有研究发现, 细菌群落结构变化主要由土壤pH决定, 而真菌群落结构通常与土壤养分含量密切相关[51].丁玮等[52]在水稻土研究中发现, 真菌群落结构变化主要受土壤pH、全氮含量和碳氮比的影响.阳祥等[53]研究发现, 土壤真菌群落的组成和结构变化主要由土壤含水量和土壤碳氮比决定.本研究中, 土壤pH、含水量、有机碳和速效磷对真菌丰度存在显著影响, 但不能完全解释细菌组成和丰度的变化.这说明围封通过影响土壤pH、含水量、有机碳和速效磷来影响高寒草甸真菌群落的多样性.但不能完全解释是因为真菌的生长发育是一个复杂的生理生化过程, 其还受到气候、海拔和植物群落组成等多种因素的影响.
综上所述, E4短期围封就能明显改善黄河源区斑块化退化高寒草甸土壤理化性质和微生物多样性, 对土壤肥力的改善效果甚微.E10围封年限虽能提高土壤肥力, 但会使植物多样性锐减, 植物优势种会占据整个高寒草甸生态系统的主导地位, 使生态系统的稳定性和抗性减弱, 不利于草甸的次生演替.且大量的长期围封地会造成严重的草地资源浪费, 在家畜总量不变的情况下增加了整体的载畜量, 增加健康草甸的放牧压力.另外, 长期围封还会严重限制野生动物的迁徙和繁衍, 不利于野生动物的保护.因此, E4短期围封后, 就应当对围封地进行评估和采取适度放牧利用.
4 结论围栏封育是一种限制家畜放牧, 利用植被自然恢复力进行斑块化退化高寒草甸植被修复的一种简单有效的方式.E1封育显著降低土壤pH, 而长短期封育均显著提高土壤pH, 长期封育能显著提高土壤含水量和全氮含量, E4短期封育能显著提高土壤速效磷含量.长、短期封育均能提高细菌和真菌的丰富度和多样性, 但差异不显著.围栏封育主要通过提高土壤pH和含水量来改变微生物群落组成和结构.因此, E4短期封育能明显改善斑块化退化高寒草甸土壤理化性质并提高细菌和真菌的丰富度和多样性, 无需进行E10长期封育.
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