放牧对天山荒漠草地土壤细菌群落的影响.pdf

DOI:10.11829/j.issn.1001-0629.2022-0682江康威，张青青，王亚菲，李宏，杨永强，吐尔逊娜依热依木.放牧对天山荒漠草地土壤细菌群落的影响.草业科学,2023,40(5):1243-1257.JIANGKW,ZHANGQQ,WANGYF,LIH,YANGYQ,TursunnayiReyimu.DifferencesinsoilbacterialcommunitiesofdesertgrasslandsinTianshanunderdifferentgrazingdisturbances.PrataculturalScience,2023,40(5):1243-1257.放牧对天山荒漠草地土壤细菌群落的影响江康威1，张青青2，王亚菲3，李宏1，杨永强2，吐尔逊娜依热依木1（1.新疆农业大学草业学院,新疆乌鲁木齐830052；2.新疆农业大学生命科学学院,新疆乌鲁木齐830052；3.新疆农业大学资源与环境学院,新疆乌鲁木齐830052）摘要：为了解不同放牧强度下天山北坡中段伊犁绢蒿(Seriphidium transiliense)荒漠草地土壤细菌群落的组成和结构特征，本研究通过植物群落调查和土壤微生物高通量测序技术对轻度放牧(LG)和重度放牧(HG)处理下荒漠草地生态系统土壤细菌群落组成及土壤理化性质进行研究，探讨放牧对草地生态系统土壤细菌群落和土壤理化因子的影响。结果表明：1)从土壤细菌多样性指数来看，HG 显著降低了土壤细菌群落的 Chao1 和 ACE 物种丰富度指数(P0.05)。2)从土壤细菌群落结构来看，LG 显著提高了放线菌门(Actinobacteria)和绿弯菌门(Chloroflex)的相对丰度，HG 显著提高了变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)和厚壁菌门(Firmicutes)的相对丰度(P0.05)。3)在 HG 和 LG 水平下土壤理化性质并未出现显著变化；4)从土壤细菌群落与土壤理化性质的冗余分析发现，土壤全氮是导致土壤细菌群落发生变化的决定性因素。该结果揭示了放牧条件下伊犁绢蒿荒漠草地土壤细菌群落的变化，同时为荒漠草地土壤与土壤细菌群落结构及多样性之间的作用机制提供理论依据，为荒漠草地生态系统的利用、保护与修复提供参考。关键词：放牧；天山北坡；伊犁绢蒿荒漠草地；土壤细菌群落；土壤理化性质；冗余分析；驱动因素文献标志码：A文章编号：1001-0629(2023)05-1243-15Differences in soil bacterial communities of desert grasslands inTianshan under different grazing disturbancesJIANGKangwei1,ZHANGQingqing2,WANGYafei3,LIHong1,YANGYongqiang2,TursunnayiReyimu1(1.GrassIndustryCollege,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi830052,Xinjiang,China;2.CollegeofLifeSciences,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi830052,Xinjiang,China;3.CollegeofResourceandEnvironment,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi830052,Xinjiang,China)Abstract:The objective of the study was to elucidate the effect of the composition and structure of the soil bacterialcommunityinthedesertgrasslandonSeriphidium transilienseinthemiddlepartofthenorthernslopeoftheTianshanMountainsunderdifferentgrazingintensities.Inthisstudy,weinvestigatedthecompositionofthesoilbacterialcommunityandsoilphysicalandchemicalpropertiesofdesertgrasslandecosystemsunderlightgrazing(LG)andheavygrazing(HG)treatments using plant community surveys and soil microbial high-throughput sequencing technology.We explored theeffectsofgrazingonsoilbacterialcommunitiesandsoilphysicalandchemicalfactorsingrasslandecosystems.Theresultsindicated:1)Fromtheperspectiveofthesoilbacterialdiversityindex,HGdecreasedtheChao1speciesrichnessindexandACEspeciesrichnessindex(P 0.05).2)From the soil bacterial community structure perspective,LG increased the relative abundance ofActinobacteriaandChloroflex,andHGincreasedtherelativeabundanceofProteobacteria,Acidobacteria,andFirmicutes(P0.05).3)SoilphysicalandchemicalpropertiesdidnotchangesubstantiallyatHGandLGlevels.4)Fromtheanalysisoftherelationshipbetweenthesoilbacterialcommunityandsoilphysicalandchemicalproperties,itwasevidentthatsoiltotalnitrogenwasthedecisivefactorleadingtochangesinthesoilbacterialcommunity.OurresultsrevealthechangesinthesoilbacterialcommunityinthedesertgrasslandofSeriphidium transilienseundergrazingconditions,provideatheoreticalbasisforthemechanismofinteractionbetweenthesoilandthesoilbacterialcommunitystructureanddiversityinthedesertgrassland,andprovideareferencefortheutilization,protection,andrestorationofdesertgrasslandecosystems.Keywords:grazing;northern slope of Tianshan Mountains;desert grassland of Seriphidium transiliense;soil bacterialcommunity;soilphysicalandchemicalproperties;redundancyanalysis;drivingfactorsCorresponding author:ZHANGQingqingE-mail:草地生态系统是陆地生态系统重要组成之一，也是中国较为重要的生态系统1-3。根据第三次全国国土调查(简称“三调”)数据公布，我国的草地面积为 2.6106km24。草地的主要利用方式为放牧5。近些年来，受人类活动影响，全球草地面积锐减，草地生态系统正面临着生物多样性减少，植被高度和密度、毒害草比例增加，土壤裸露严重且遭受严重侵蚀，土壤板结盐碱化等现象6-10；而这些现象对畜牧业的发展严重造成阻碍，并且破坏了地区的可持续发展。在草地生态系统中，养分循环是维持草地生态系统稳定和可持续发展的基本保证11,而放牧会破坏植物土壤微生物形成的复合有机整体12-13，导致草地生态系统的养分循环功能遭受阻碍。长期以来，国内外学者关于放牧对土壤的研究主要集中于土壤碳、氮、磷等养分循环的研究，并且涉及到放牧干扰下土壤与土壤细菌群落关系的研究也相对较多。土壤细菌群落可以感受环境的变化，较为准确地评价土壤质量14-15，用于指示草地生态环境的变化11。已有研究结果显示，放牧对土壤细菌群落的影响主要是对其群落结构和组成、生物量以及多样性的影响16-17。一方面，土壤细菌较容易感受微环境的变化，可以对草地植物及土壤养分的变化做出响应18-19。一般来说，放牧对土壤细菌生物量的影响主要有 3 种情况20，一是随着放牧强度的增大而降低，二是随放牧强度的增大而增大，三是随着放牧强度的增大，先升高后降低。而造成这 3 种情况出现的原因主要是因为放牧与土壤细菌群落关系较为复杂，并且其中涉及到土壤理化性质参与21-22，进而导致结论并不统一。另一方面，不同的土壤细菌群落结构可以反映出其不同的生态功能23，放牧会引起土壤细菌群落结构的显著变化24，进而改变土壤细菌群落在土壤中的生态功能。土壤细菌多样性指数可以反映土壤细菌群落的多样性和丰富度。放牧对土壤细菌多样性的影响主要分为长期效应和短期效应25，短期途径是通过家畜采食刺激的植被根系分泌物26-27，家畜排泄粪尿返还以及家畜对土壤的践踏，改变土壤养分以及土壤物理结构来实现的28-29；长期途径是放牧改变了的植物的群落组成和净初级生产力，进而导致土壤的理化性质发生改变，进而改变土壤细菌多样性30-31。但也有研究表明，放牧并不改变土壤细菌多样性指数32-33。出现这种现象的原因可能是，导致土壤细菌群落发生变化的因素较多，草地生态系统中放牧家畜类型、植物物种类型、土壤质地、气候等因素均可能对土壤细菌群落的改变产生影响34-35。由此可见，放牧通过影响土壤理化性质从而改变土壤细菌群落，但所得结论并不相同，关于土壤细菌对放牧的响应规律并不一致，尚未有统一的结论。天山北坡中段的伊犁绢蒿荒漠草地是草地畜牧业较为重要的春秋牧场，是新疆较为特殊且重要的草地类型，主要分布于绿洲与荒漠的过渡地区以及盆地内部等地区，在新疆的草地生态系统中发挥着较为重要的作用。由于过度放牧等人为因素的长期作用，加上荒漠草地本身的脆弱性，荒漠草地生态系统出现失衡，严重威胁到草地畜牧业的发展。近年来围绕天山北坡的研究逐渐变多，但大多集中于对天山北坡植物群落特征和土壤理化性质的研究，及其两者之间关系的研究。而土壤微生物群落是荒漠草地生态系统的重要组成成分，且在天山北坡荒1244草业科学第40卷http:/漠草地上对放牧条件下土壤理化性质与土壤微生物的相互作用关系的研究相对较少。基于此，本研究对放牧干扰下的土壤细菌群落进行研究，并结合高通量测序技术，探讨土壤细菌群落的变化规律，解决放牧如何通过土壤理化因子对土壤细菌群落产生影响这一科学问题。本研究为掌握放牧干扰下土壤细菌群落的变化规律提供参考，为退化草地的保护和管理提供理论支撑。1 材料与方法 1.1 研究区概况研究区位于天山北坡中段，昌吉市阿什里乡(43594360N，86678671E)，海拔 22002400m36。气候干燥，每年降水多集中于夏季。研究区的年降水量为 150200mm，年均气温 6