楊有芳，字洪標(biāo)，劉敏，阿的魯驥，陳焱，王長(zhǎng)庭

(西南民族大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都610041)

高寒草甸土壤微生物群落功能多樣性對(duì)廣布弓背蟻蟻丘擾動(dòng)的響應(yīng)

楊有芳1，字洪標(biāo)1，劉敏1，阿的魯驥1，陳焱1，王長(zhǎng)庭*

(西南民族大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都610041)

為了解螞蟻在高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)中的功能和作用，評(píng)估和認(rèn)識(shí)高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況和穩(wěn)定性，利用Biolog-ECO生態(tài)板法對(duì)蟻丘干擾后高寒草甸土壤理化性質(zhì)以及土壤微生物功能多樣性進(jìn)行研究分析，結(jié)果表明，1)蟻丘擾動(dòng)后0～10 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、速效磷、速效鉀含量均顯著高于蟻丘10～20 cm土層(P<0.05)，而蟻丘擾動(dòng)與土層深度的交互作用對(duì)理化性質(zhì)均無(wú)顯著影響(P>0.05)；2)蟻丘干擾后高寒草甸土壤微生物多樣性指數(shù)(Shannon-Weiner指數(shù)、Pielou指數(shù)、McIntosh指數(shù)和底物碳源利用數(shù))有所增加；3)主成分分析表明蟻丘干擾對(duì)土壤微生物功能多樣性產(chǎn)生了影響，改變了微生物代謝功能特征，土壤微生物利用的主要碳源是碳水化合物、氨基酸類和羧酸類；4)冗余分析表明土壤養(yǎng)分影響土壤微生物碳源代謝特征和功能。因此，由于螞蟻的挖掘活動(dòng)、有機(jī)質(zhì)的累積等改變了蟻丘土壤微環(huán)境，進(jìn)而改變了土壤微生物的碳源利用類型和代謝功能。

蟻丘；Biolog-ECO；土壤微生物群落；高寒草甸

高寒草甸是青藏高原的代表性草地類型，該類型的草甸雖然草層低矮，但分布面積廣，草質(zhì)柔軟，營(yíng)養(yǎng)豐富，適口性好，比較耐牧，是牦牛和藏羊放牧的優(yōu)良場(chǎng)地[1]。近幾十年，因?yàn)闅夂颦h(huán)境的改變以及人為不合理的利用行為，導(dǎo)致高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的功能和穩(wěn)定性逐漸下降。氣候變化降低了牧草開花期和籽粒成熟期的發(fā)育百分率，影響了牧草的產(chǎn)籽量和次年牧草的返青[2]，氣候變化通過(guò)光、熱、水等要素變化影響土壤有機(jī)質(zhì)、土壤微生物的活動(dòng)和繁殖，從而影響土壤肥力[3]。而持續(xù)地超載過(guò)牧不但降低草地生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)力，而且明顯改變草地植物群落的組成和結(jié)構(gòu)[4]，家畜等大型食草動(dòng)物通過(guò)則改變草地地上和地下凋落物的數(shù)量和品質(zhì)，以及排放尿液和糞便來(lái)間接影響植被和生態(tài)系統(tǒng)特征[5]，適度的放牧干擾有利于地表凋落物的分解和輸入，增加土壤養(yǎng)分含量，有利于土壤微生物的繁殖[6]。

干擾是自然界無(wú)處不在的一種普遍現(xiàn)象，一定程度的干擾可以使生物多樣性、群落結(jié)構(gòu)的分化與復(fù)雜性及生態(tài)位的增加[7-8]。隨著人為活動(dòng)的加劇，干擾越來(lái)越受到人們的關(guān)注，干擾的生態(tài)學(xué)作用也在近年來(lái)受到廣泛的重視[9]。螞蟻是陸地生態(tài)系統(tǒng)中分布最廣的生物之一，其活動(dòng)是草地生態(tài)系統(tǒng)中不可忽視的生物干擾因子[10]。它們不僅是土壤動(dòng)物生物量的主要組成部分，而且通過(guò)生物擾動(dòng)和刺激土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化影響土壤養(yǎng)分循環(huán)[11]。螞蟻在筑巢過(guò)程中收集大量木質(zhì)碎屑、昆蟲獵物和蜜糖類物質(zhì)作為食物。因此，活躍的蟻丘比相鄰的非蟻丘表層土壤富含有機(jī)質(zhì)和無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)元素[12]。螞蟻的活動(dòng)也可以改變土壤的理化性質(zhì)、土壤濕度、土壤有機(jī)質(zhì)及N、P、K等各元素的含量[13-14]，改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和其他動(dòng)物的生物量[15]，影響有機(jī)質(zhì)的分解率[16]。國(guó)內(nèi)外關(guān)于螞蟻群落物種多樣性、螞蟻的行為活動(dòng)與植物的關(guān)系等的研究均有報(bào)道[8,10,17]。然而，螞蟻活動(dòng)形成的蟻丘對(duì)高寒草甸土壤微生物群落組成和功能多樣性的影響以及土壤微生物群落與地上植被的關(guān)系、反饋機(jī)制等方面的研究鮮有報(bào)道。

土壤微生物通過(guò)分解枯枝落葉以及動(dòng)物殘?bào)w等參與高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)，從而影響地上植被的生長(zhǎng)發(fā)育，是碎屑養(yǎng)分系統(tǒng)的基本組成成分[18]，也是土壤系統(tǒng)的主要組分、判斷土壤肥力的重要指標(biāo)之一。土壤微生物功能多樣性可以反映土壤中微生物的生態(tài)特征，通過(guò)對(duì)土壤微生物群落功能多樣性的研究，可以反映土壤有效肥力的供應(yīng)情況，并能夠反映某個(gè)地區(qū)土壤退化或恢復(fù)的程度[19]。本研究通過(guò)調(diào)查川西北高寒草甸上的蟻丘，利用Biolog-ECO板測(cè)定蟻丘土壤微生物代謝活動(dòng)和功能多樣性，分析蟻丘對(duì)土壤理化性質(zhì)、土壤微生物功能多樣性的影響，為正確評(píng)價(jià)螞蟻在高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)特別是土壤生態(tài)系統(tǒng)中的功能和作用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)自然概況

本試驗(yàn)的研究區(qū)位于青藏高原東緣四川省阿壩州紅原縣境內(nèi)(31°50′-33°22′ N，101°51′-103°23′ E)，地勢(shì)由東南向西北傾斜，平均海拔3500 m，草地面積6293 km2，占全縣總面積的76.8%，大部分屬于高寒草甸類型；屬大陸高原寒溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年降水量650～800 mm，80%集中在5-8月份。年平均氣溫1.1 ℃，最高溫度24.6 ℃，最低溫度-10.3 ℃，年平均積溫1432.3 ℃，年平均日照2417.9 h。植被平均蓋度超過(guò)80%，植被高度可達(dá)45～60 cm，植被以莎草科和禾本科為主，如四川嵩草(Kobresiasetschwanensis)和高山嵩草(Kobresiapygmaea)，四川剪股穎(Agrostisclavata)和垂穗披堿草(Elymusnutans)，雜類草中條葉銀蓮花(Anemonetrullifolia)、鈍苞雪蓮(Saussureanigrescens)和委陵菜屬(Potentillaspp.)比較常見[20]。試驗(yàn)區(qū)土壤為亞高寒草甸土，土壤速效氮含量較高，有機(jī)質(zhì)豐富，速效鉀含量一般豐富，速效磷含量較少[8]，pH值為4.6左右[21]。

1.2 研究方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和樣品采集 本研究于2011年8月在四川省紅原縣西南民族大學(xué)青藏高原生態(tài)保護(hù)與畜牧業(yè)高科技研發(fā)基地試驗(yàn)園區(qū)進(jìn)行。廣布弓背蟻(Camponotusherculeanus)是實(shí)驗(yàn)樣地中最為常見的螞蟻，喜在落葉和枯枝下營(yíng)巢[22]，在四川省紅原縣高寒草甸分布較多。設(shè)置2個(gè)平行樣地，選取廣布弓背蟻筑巢自然形成的直徑大小為30～50 cm，高度為10～20 cm的蟻丘各3個(gè)，面積約為0.5 m×0.5 m，共計(jì)6個(gè)蟻丘，分別編號(hào)為Ant-hill 1#、Ant-hill 2#、Ant-hill 3#、Ant-hill 4#、Ant-hill 5#、Ant-hill 6#；與蟻丘樣地相距4～5 m處且沒(méi)有蟻丘擾動(dòng)的草地作為對(duì)照樣地，隨機(jī)選取6個(gè)對(duì)照樣方(0.5 m×0.5 m),分別編號(hào)為CK 1#、CK 2#、CK 3#、CK 4#、CK 5#、CK 6#。

在每個(gè)測(cè)定過(guò)地上生物量的樣方內(nèi)，用土鉆(直徑3 cm)采用“V”字形法鉆取5鉆，按0～10 cm、10～20 cm 土層分別取樣，做好標(biāo)記，其中一部分過(guò)0.25 mm土壤篩，風(fēng)干后用于測(cè)定土壤pH值和養(yǎng)分；另一部分揀去石塊和雜物等做好標(biāo)記，迅速放入保鮮盒，帶回實(shí)驗(yàn)室放入4 ℃冰箱保存，用于土壤微生物功能多樣性的測(cè)定。蟻丘干擾試驗(yàn)區(qū)(ant-hill disturbance experiment)概況如表1所示。

表1 試驗(yàn)區(qū)概況Table 1 General properties of the study sites

1.2.2 土壤pH和土壤養(yǎng)分測(cè)定 土壤pH采用電極法測(cè)定，土壤有機(jī)質(zhì)(soil organic matter, SOM)采用重鉻酸鉀容量法(外加熱法)測(cè)定，土壤全氮(total nitrogen, TN)采用凱氏定氮法測(cè)定，土壤速效氮(available nitrogen, AN)采用擴(kuò)散皿法測(cè)定[23]，土壤全磷(total phosphorus, TP)和土壤速效磷 (available phosphorus, AP)分別采用鉬銻抗比色法和碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定，土壤全鉀(total potassium, TK)和土壤速效鉀(available potassium, AK)含量分別采用醋酸銨法和四苯硼鈉法測(cè)定[24]。

1.2.3 土壤微生物多樣性的測(cè)定和計(jì)算 土壤微生物功能多樣性的測(cè)定采用Biolog-ECO生態(tài)板，每個(gè)0～10 cm、10～20 cm土壤樣品進(jìn)行3次重復(fù)測(cè)定。具體操作方法參照Chaerun等[25]、Biolog生態(tài)板每孔的平均顏色變化率(average well color development, AWCD)的計(jì)算采用Classen等[26]的方法。AWCD值是一個(gè)用于評(píng)價(jià)土壤微生物對(duì)碳源的利用程度，指示土壤微生物的代謝活性的重要指標(biāo)。Shannon-Weiner指數(shù)(H)是反映群落物種及其個(gè)體分布均勻程度的綜合指標(biāo)，受群落物種豐富度影響較大，能較全面地測(cè)度物種的多樣性(公式2)；Pielou指數(shù)(J)是群落物種豐富度均一性的度量(公式3)；McIntosh指數(shù)(U)則是反映土壤中微生物群落均勻度的指標(biāo)(公式4)。各指標(biāo)計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Ci為第i孔的590和750 nm下的吸光值之差；R為對(duì)照孔的吸光值；n為Biolog微平板的碳源種類數(shù)目，n=31；Pi為第i孔的相對(duì)吸光度值與整個(gè)平板相對(duì)吸光度值總和的比率；S為產(chǎn)生顏色變化的孔的數(shù)目；ni為第i孔的相對(duì)吸光度值[27]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 19.0對(duì)微生物群落多樣性指數(shù)、底物碳源利用數(shù)進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)，對(duì)土壤理化數(shù)據(jù)進(jìn)行雙因素方差分析(two-way ANOVA)，最小顯著差數(shù)法(LSD法)進(jìn)行多重比較。用Pearson相關(guān)系數(shù)評(píng)價(jià)AWCD值、微生物物種多樣性指數(shù)、6類碳源利用能力與土壤理化性質(zhì)間的相關(guān)關(guān)系。用軟件CANOCO for Windows 4.5對(duì)培養(yǎng)72 h的土壤微生物進(jìn)行主成分分析 (principal component analysis, PCA)來(lái)解釋土壤微生物功能特征的變化；使用線性冗余分析(redundancy analysis, RDA)來(lái)解釋土壤理化性質(zhì)與土壤微生物功能多樣性間的關(guān)系(α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 蟻丘擾動(dòng)對(duì)高寒草甸土壤理化性質(zhì)的影響

方差分析表明，蟻丘擾動(dòng)對(duì)TN、TK、AP和AK具有顯著影響(P<0.05)；不同土層深度對(duì)SOM、TN、AN、AP、AK有顯著影響(P<0.05)；蟻丘擾動(dòng)與土層深度的交互作用對(duì)土壤理化性質(zhì)均無(wú)顯著影響(P>0.05)(表2)。SOM、TN、AN、AP、AK在蟻丘擾動(dòng)土壤中和對(duì)照土壤中的含量均表現(xiàn)出0～10 cm>10～20 cm(P<0.05)，蟻丘擾動(dòng)土壤中的SOM、TN、AN、AP和AK含量相對(duì)于對(duì)照土壤分別增加了30.45 g/kg，1.63 g/kg,89.16 mg/kg，5.49 mg/kg，220 mg/kg，其中，蟻丘擾動(dòng)與對(duì)照間相同土層土壤AK含量以及10～20 cm土層AP含量均表現(xiàn)出蟻丘擾動(dòng)顯著大于對(duì)照(P<0.05)，對(duì)其余理化性質(zhì)均無(wú)顯著影響(P>0.05)(圖1)。

表2 蟻丘擾動(dòng)不同土壤深度對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響的方差分析結(jié)果Table 2 Result of two-way analyses of variance showing the effects of ant-hill disturbance and soil depth on soil physicochemical properties (Mean±SE, n=5)

2.2 蟻丘對(duì)高寒草甸土壤微生物功能多樣性的影響

2.2.1 蟻丘對(duì)高寒草甸土壤微生物生長(zhǎng)曲線的影響 高寒草甸土壤微生物AWCD值對(duì)蟻丘干擾的響應(yīng)如圖2所示，蟻丘干擾后高寒草甸土壤微生物的AWCD值顯著增加(P<0.05)，各土壤樣品從開始到培養(yǎng)24 h，AWCD值為0，表明在24 h內(nèi)碳源基本未被利用；在24～168 h內(nèi),AWCD值近似指數(shù)型的方式急劇升高，底物碳源被大幅度消耗利用；168～240 h時(shí)間段，AWCD 值緩慢增長(zhǎng)，微生物生長(zhǎng)進(jìn)入穩(wěn)定期，土壤微生物底物利用率降低。

2.2.2 土壤微生物多樣性指標(biāo) 從表3可知，蟻丘干擾后高寒草甸土壤微生物Shannon-Weiner指數(shù)、Pielou指數(shù)、McIntosh指數(shù)和碳源利用數(shù)顯著高于對(duì)照土壤(P<0.05)，分別比對(duì)照增加了0.06，0.03，0.51和0.67。說(shuō)明蟻丘對(duì)高寒草甸土壤微生物群落的代謝活性有促進(jìn)作用，有利于其代謝活性的提高。

圖1 蟻丘擾動(dòng)對(duì)高寒草甸土壤養(yǎng)分的影響Fig.1 Effects of ant-hill on soil nutrients in alpine meadow不同小寫字母表示相同土層土壤理化性質(zhì)顯著性差異(P<0.05)，不同大寫字母表示不同土層土壤理化性質(zhì)顯著性差異(P<0.05)。The different lowercase letters indicated that significant difference of soil physicochemical properties at same soil depth at P<0.05，while different uppercase letters indicated that significant difference of soil physicochemical properties at different soil depth at P<0.05.

2.3 土壤微生物對(duì)碳源的利用

用主成分分析方法(PCA)對(duì)土壤微生物群落利用碳源情況進(jìn)行分析，進(jìn)而了解土壤微生物功能的綜合差異。將72 h的AWCD值轉(zhuǎn)化為幾個(gè)綜合變量，以更好地反映微生物群落功能特征對(duì)蟻丘干擾的響應(yīng)，結(jié)果如圖3所示。前2個(gè)主成分的數(shù)據(jù)變異貢獻(xiàn)率為61.4%，其中第1主成分(PC1)的數(shù)據(jù)變異貢獻(xiàn)率為32.9%，第2主成分(PC2)的數(shù)據(jù)變異貢獻(xiàn)率為28.5%。蟻丘土壤(Ant-hill 1#、Ant-hill 2#、Ant-hill 3#、Ant-hill 4#、 Ant-hill 5#、Ant-hill 6#)和CK土壤(CK 1#、CK 2#、CK 3#、CK 4#、 CK 5#、CK 6#)分別位于坐標(biāo)圖的不同區(qū)域，兩種土壤很好地區(qū)分開來(lái)。這表明蟻丘干擾對(duì)土壤微生物功能多樣性產(chǎn)生了影響，改變了微生物代謝功能特征，從而導(dǎo)致了不同的碳源利用圖譜。

通過(guò)對(duì)主成分的因子載荷分析可知(表4)，與PC1顯著相關(guān)的碳源有15種，其中碳水化合物有5種，分別為 β-甲基-D-葡萄糖苷、D-半乳糖酸-γ-內(nèi)酯、D-半乳糖醛酸、D-纖維二糖、α-D-乳糖；氨基酸類有L-精氨酸、L-苯基丙氨酸、L-絲氨酸、L-蘇氨酸和甘氨酰-L-谷氨酸5種；羧酸類有丙酮酸甲酯和α-丁酮酸2種；多聚類有吐溫40和α-丁酮酸2種；胺類只有腐胺1種。與PC2顯著相關(guān)的碳源有14種，其中碳水化合物有5種，分別是D-木糖、i-赤蘚糖醇、D-甘露醇、D-葡萄糖胺酸、α-D-葡萄糖-1-磷酸；氨基酸類有4種，分別是L-天門冬氨酸、L-蘇氨酸、L-絲氨酸和甘氨酰-L-谷氨酸；酚酸類有2-羥基苯甲酸和4-羥基苯甲酸；羧酸類、多聚物及酚酸類各1種。這一結(jié)果表明土壤微生物利用的主要碳源是碳水化合物、氨基酸類和羧酸類，蟻丘擾動(dòng)土壤和對(duì)照土壤微生物群落在對(duì)上述碳源的利用能力上存在差異。

圖2 高寒草甸土壤微生物AWCD值對(duì)蟻丘的響應(yīng)Fig.2 Response of AWCD value of alpine meadow soil microbial communities to ant-hill

圖3 蟻丘試驗(yàn)土壤微生物群落對(duì)碳源利用的主成分分析Fig.3 PCA for carbon source utilization of soil microbial communities on the ant-hill experimentA2：β-甲基-D-葡萄糖苷β-methyl-D-glucoside；A3：D-半乳糖酸-γ-內(nèi)酯D-galactonic acid lactone；A4：L-精氨酸L-arginine；B1：丙酮酸甲酯Pyruvic acid methyl ester；B2：D-木糖D-xylose；B3：D-半乳糖醛酸D-galacturonic acid；B4：L-天門冬酰胺L-asparagine；C1：吐溫40 Tween 40；C2：i-赤蘚糖醇i-erythritol；C3：2-羥基苯甲酸2-hydroxybenzoic acid；C4：L-苯基丙氨酸L-phenylalanine；D1：吐溫80 Tween 80；D2：D-甘露醇D-mannitol；D3：4-羥基苯甲酸4-hydroxybenzoic acid；D4：L-絲氨酸L-serine；E1：α-環(huán)式糊精α-cyclodextrin；E2：N-乙酰-D-葡萄糖胺N-acetyl-D-glucosamine；E3：γ-羥基丁酸γ-hydroxybutyric acid；E4：L-蘇氨酸L-threonine；F1：肝糖Glycogen；F2：D-葡萄糖胺酸D-glucosaminic acid；F3：衣康酸Itaconic acid；F4：甘氨酰-L-谷氨酸Glycyl-L-glutamic acid；G1：D-纖維二糖D-cellobiose；G2：α-D-葡萄糖-1-磷酸α-D-glucose-1-phosphate；G3：α-丁酮酸α-ketobutyric acid；G4：苯乙胺Phenylethylamine；H1：α-D-乳糖α-D-lactose；H2：D,L-α-磷酸甘油D,L-α-glycerol phosphate；H3：D-蘋果酸D-malic acid；H4：腐胺Putrescine.

表3 蟻丘對(duì)高寒草甸土壤微生物群落功能多樣性的影響Table 3 Effect of ant-hill on the alpine meadow soil microbial functional diversity

同列不同字母表示處理間在P<0.05水平上存在顯著差異。

Different lowercase letters in the same column indicate significant differences atP<0.05 level.

2.4 蟻丘擾動(dòng)高寒草甸土壤微生物功能冗余分析

為了探討環(huán)境因子對(duì)土壤微生物功能多樣性的影響，選擇冗余分析(RDA)對(duì)環(huán)境梯度進(jìn)行直接排序分析。排序結(jié)果表明，第1主成分軸和第2主成分軸分別解釋總變異的81.3%和18.6%，前2軸的解釋變異達(dá)到了99.9% (圖4)，說(shuō)明土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤微生物碳源代謝特征和功能多樣性有較大影響。全鉀對(duì)第1排序軸有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，速效磷和速效鉀與第1排序軸呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和速效氮與第2排序軸存在極顯著正相關(guān)(P<0.01)，而存在顯著負(fù)相關(guān)的為土壤pH(P<0.05)(圖4,表5)。

將31種碳源分為碳水化合物(carbohydrate)、氨基酸類(amino acid)、羧酸類(carboxylic acid)、多聚物(polymer)、酚酸類(phenolic acid)和胺(amine)六大類。土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤微生物碳源代謝特征具有顯著性影響，但對(duì)單獨(dú)6類碳源無(wú)顯著性影響(表5,表6)。

表4 主成分載荷因子Table 4 Loading factors of principle components

PC1: 主成分1 The first principal component;PC2:主成分2 The second principal component. *,**：分別表示在0.05和0.01水平下顯著相關(guān)(雙尾檢驗(yàn))。Significant correlations at the 0.05 and 0.01 levels(2-tailed test).

3 討論與結(jié)論

圖4 蟻丘擾動(dòng)高寒草甸土壤理化性質(zhì)與土壤微生物群落功能特征的RDA分析 Fig.4 RDA for soil physicochemical properties and soil microbial function diversity in alpine meadow with ant-hill disturbanceCAR: 碳水化合物Carbohydrate; AMA: 氨基酸類Amino acid; CAA: 羧酸類 Carboxylic acid; PLO: 多聚物Polymer；PHA: 酚酸類Phenolic acid; AMI: 胺Amine; SOM: 有機(jī)質(zhì)Organic matter; TN: 全氮 Total nitrogen; TP: 全磷Total phosphorus; TK: 全鉀Total potassium; AN: 速效氮Available nitrogen; AP: 速效磷Available phosphorus; AK: 速效鉀Available potassium.

3.1 蟻丘擾動(dòng)對(duì)高寒草甸土壤理化性質(zhì)的影響

螞蟻可以將土壤中的營(yíng)養(yǎng)成分“搬運(yùn)”到土壤表層。已有研究表明，與鄰近非蟻丘土壤相比，蟻丘擾動(dòng)土壤的有機(jī)質(zhì)、氮、磷和鉀的含量都增加[28]；劉任濤等[29]對(duì)科爾沁沙地流動(dòng)沙丘掘穴蟻(Formicacunicularia) 蟻丘的研究表明,蟻丘土壤有機(jī)質(zhì)和全氮增加；本研究中蟻丘干擾后，0～10 cm土層有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、速效磷、速效鉀含量均顯著高于10～20 cm土層(P<0.05)，高寒草甸土壤養(yǎng)分發(fā)生明顯改變，這與魚小軍等[30]就螞蟻對(duì)東祁連山高寒草地生態(tài)系統(tǒng)的影響的研究結(jié)果相似。蟻丘擾動(dòng)土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、速效磷、速效鉀含量均升高可能與螞蟻的糞便及排泄物、動(dòng)物尸體和蚜蟲蜜露等在巢內(nèi)聚集以及螞蟻在筑丘過(guò)程中巢內(nèi)土壤覆蓋了表層結(jié)皮和有機(jī)質(zhì)，導(dǎo)致土壤微生物結(jié)皮和凋落物的腐爛分解有關(guān)[31]。蟻丘擾動(dòng)對(duì)pH、全氮、全鉀含量的影響不明顯。螞蟻使其活動(dòng)范圍內(nèi)植物群落物種組成發(fā)生改變，引起植物產(chǎn)物的改變和凋落物有機(jī)質(zhì)組分的變化，進(jìn)而通過(guò)下行效應(yīng)影響回歸到土壤中養(yǎng)分的含量和組成。通過(guò)累積和分解，地上枯落物對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)有物理、化學(xué)和生物作用[32]。土壤母質(zhì)、養(yǎng)分本身特性等也影響著土壤的化學(xué)性質(zhì)[33]。

表5 RDA分析排序軸特征值及變異解釋Table 5 Eigenvalues and variance percentage of soil environment factors explained by RDA

*,**分別表示在0.05和0.01水平下顯著相關(guān)。

*,**:Significant correlations at the 0.05 and 0.01 levels.

表6 蟻丘干擾下土壤理化性質(zhì)與6類碳源的相關(guān)性分析Table 6 The Pearson correlation between soil physicochemical properties and six kinds of carbon resources

3.2 蟻丘對(duì)高寒草甸土壤微生物碳源利用代謝活性的影響

土壤微生物在土壤活躍成分中扮演著非常重要的角色，其代謝活性的變化可以反映土壤質(zhì)量、土壤肥力的演變，是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的生物指標(biāo)之一[34]。張萍等[35]的研究發(fā)現(xiàn)土地利用方式的不同對(duì)土壤微生物生物量和微生物多樣性的影響也不同。AWCD值可以用來(lái)評(píng)價(jià)土壤微生物利用單一碳源能力的大小來(lái)指示土壤微生物的代謝活性[24]。本研究中AWCD值隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)呈指數(shù)型增長(zhǎng)，蟻丘干擾后高寒草甸土壤微生物群落的代謝活性和代謝多樣性增加，這可能是因?yàn)槲浵佋诓煌５赝诰蚧顒?dòng)中將其排泄物和某些動(dòng)物的尸體進(jìn)行掩埋，而微生物則通過(guò)對(duì)動(dòng)物尸體以及糞便的進(jìn)一步分解，增加了微生物群落多樣性[8,10]，而植物根系本身和分泌物均是土壤微生物的主要碳源[33]，這使土壤中的碳源含量和分布都有所增加，微生物對(duì)碳源的利用能力也就相應(yīng)提高。土壤速效鉀含量與微生物活性呈極顯著正相關(guān)[36]，在本研究中，蟻丘樣地土壤速效鉀含量顯著高于對(duì)照樣地，這說(shuō)明土壤速效養(yǎng)分也是改變微生物代謝活性的原因之一。

土壤微生物多樣性指數(shù)反映了土壤微生物多樣性的不同方面，多樣性指數(shù)可用于評(píng)價(jià)不同土壤的微生物群落多樣性水平[37]。蟻丘擾動(dòng)下的土壤微生物對(duì)碳源的利用率，Shannon-Weiner、Pielou和McIntosh指數(shù)均比未受蟻丘干擾的要高，因?yàn)橄伹鹑郝渲参锒鄻有院头N子庫(kù)多樣性指數(shù)均顯著高于對(duì)照[8,10,38-39]。

3.3 蟻丘擾動(dòng)對(duì)高寒草甸土壤微生物功能多樣性的影響

通過(guò)蟻丘干擾樣地和對(duì)照樣地土壤微生物對(duì)第1主成分軸和第2主成分軸碳源利用量及利用能力的比較發(fā)現(xiàn)，蟻丘干擾下的土壤與未受干擾的土壤微生物在底物碳源的利用能力上存在差異，土壤微生物利用的主要碳源是碳水化合物、氨基酸類和羧酸類。不同的多樣性指標(biāo)反映土壤微生物群落組成的不同方面，綜合反映了土壤微生物群落的功能多樣性[24]。此外，土壤容重、土壤孔隙度等都能夠通過(guò)影響微生物的生存條件而影響其結(jié)構(gòu)和功能[34]。

冗余分析表明，第1主成分軸和第2主成分軸解釋總變異達(dá)到99.9%，土壤理化性質(zhì)中有機(jī)質(zhì)、全鉀、全磷、全氮、速效鉀、速效磷和速效氮是影響土壤微生物碳源代謝特征和功能的主要因素。土壤微生物對(duì)碳源利用的選擇性可能與土壤微生物的組成結(jié)構(gòu)和多樣性的變化有關(guān)，從而影響土壤微生物碳源代謝活性和功能多樣性的變化[20]。

總之，在草地生態(tài)系統(tǒng)中不同物種組成的群落可能存在著植物—土壤微生物特定的關(guān)系。例如：植物物種的共存可能會(huì)受到微生物群落組成和功能多樣性的影響，反過(guò)來(lái)土壤微生物組成和多樣性也會(huì)受到作為碳源基質(zhì)的植物凋落物和土壤養(yǎng)分的質(zhì)量和數(shù)量的影響。植物凋落物的化學(xué)特性較地上植物群落組成、物種豐富度、物種均勻度能更好地解釋土壤的內(nèi)部過(guò)程[40]。盡管螞蟻在高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)中的作用已有相關(guān)報(bào)道[8]，但蟻丘形成過(guò)程中植物多樣性與土壤微生物組成、多樣性之間的關(guān)聯(lián)性與反饋機(jī)制仍不清楚，值得更深入的研究。

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Responses of soil microbial community functional diversity to Camponotus herculeanus ant-hill disturbance in alpine meadows

YANG You-Fang1, ZI Hong-Biao1, LIU Min1, A DE Lu-Ji1, CHEN Yan1, WANG Chang-Ting*

CollegeofLifeScienceandTechnology,SouthwestUniversityforNationalities,Chengdu610041,China

To understand the function of the ants in the health and stability of an alpine meadow ecosystem we analyzed the effects of ant-hill disturbance on soil physical and chemical properties and microbial functional diversity in an alpine meadow using the Biolog-ECO microplate method. The results showed that while organic matter, total nitrogen, available nitrogen, available phosphorus and available potassium levels within the 0-10 cm soil depth were significantly higher than those in the 10-20 cm soil depth as expected (P<0.05), and that ant-hill disturbance had no significant effect on soil physicochemical properties (P>0.05). Ant-hill disturbance significantly improved soil microbial diversity index (specifically, values of Shannon-Weiner, Pielou, McIntosh and carbon utilization efficiency) and principal component analyses showed that ant-hill disturbance influenced soil microbial diversity and changed the microbial metabolism characteristics of soil microorganisms, to a status where carbohydrates, amino acids and carboxylic acid were the main carbon sources for the soil microbial community. Redundancy analyses indicated that metabolic rate and microbial functional diversity of soil microbial community was affected by soil nutrient levels. Therefore, the mining activities of the ants and associated accumulation of organic matter changed the soil microenvironment under the ant hills, resulting in changes to the soil microbial carbon source utilization and metabolism.

ant-hill; Biolog-ECO; soil microbial community; alpine meadows

10.11686/cyxb2016066

http://cyxb.lzu.edu.cn

2016-03-02；改回日期：2016-04-07

國(guó)家自然基金項(xiàng)目(31370542)，國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2013CBA01807)，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2014NZYTD01)和西南民族大學(xué)研究生創(chuàng)新型科研項(xiàng)目(CX2016SZ070)資助。

楊有芳(1993-)，女，青海互助人，在讀碩士。E-mail:yangruobing123@163.com*通信作者Corresponding author. E-mail：wangct@swun.edu.cn

楊有芳, 字洪標(biāo), 劉敏, 阿的魯驥, 陳焱, 王長(zhǎng)庭. 高寒草甸土壤微生物群落功能多樣性對(duì)廣布弓背蟻蟻丘擾動(dòng)的響應(yīng). 草業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 26(1): 43-53.

YANG You-Fang, ZI Hong-Biao, LIU Min, A DE Lu-Ji, CHEN Yan, WANG Chang-Ting. Responses of soil microbial community functional diversity toCamponotusherculeanusant-hill disturbance in alpine meadows. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(1): 43-53.