彭思利，武仁杰，張 鑫，葛之葳，楊 楠

（南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心 / 南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院, 江蘇 南京 210037）

干熱河谷是我國西南地區(qū)一種特有的生態(tài)現(xiàn)象，主要分布于金沙江、怒江、元江和南盤江等地[1]。元謀干熱河谷地處滇中高原北部，云貴高原北緣金沙江一級支流龍川江下游的河谷地帶，是西南干熱河谷的典型代表區(qū)。該區(qū)屬低緯度高原季風(fēng)氣候，年日照率約為60%，年降水量615.1 mm，90%以上集中在6 月 - 10 月的雨季，年蒸發(fā)量大，為降水量的5～6 倍[2]，自然植被以灌草叢植被為主[1]。特殊的氣候、地理和植被類型導(dǎo)致該區(qū)生態(tài)環(huán)境十分脆弱。不過，由于光熱資源豐富，河谷地區(qū)適宜種植多種糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物，是全國少有的冬季蔬菜露天種植區(qū)，為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了重要支撐[3]。

在全球氣候變暖的背景下，干熱河谷區(qū)近幾十年來與該變化有相背離的趨勢：年平均氣溫、最冷月均溫、年日照時(shí)數(shù)及年均蒸發(fā)量都下降，年均降水量整體上具有增長之勢[2-4]。從理論上講，該區(qū)轉(zhuǎn)涼變濕的氣候變化趨勢，能緩解該區(qū)突出的水熱矛盾，一定程度上改善土壤環(huán)境。土壤微生物作為陸地生態(tài)系統(tǒng)重要功能組分，土壤環(huán)境變化將使土壤微生物及其生態(tài)功能發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)地球化學(xué)循環(huán)發(fā)生根本改變[5-6]。已有研究表明，水熱條件是限制該區(qū)植物生長和分布的主要因素[7-8]，而溫度和水分變化對土壤微生物特征的研究相對較少。因此，本研究以元謀干熱河谷兩種典型土地利用方式下的土壤（耕地和草地土壤)為研究對象，在不同的溫度（15、25 和35 ℃)和水分（80%、60%和40%最大田間持水量)條件下進(jìn)行純培養(yǎng)試驗(yàn)，測定了不同溫度和水分處理7、14 和28 d 后土壤微生物呼吸速率、累積呼吸量和微生物代謝熵，以及培養(yǎng)28 d 的土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)，為預(yù)測全球氣候變化背景下該區(qū)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能變化提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況和樣品采集

本研究中純培養(yǎng)所用土壤采自中國科學(xué)院元謀干熱河谷溝蝕崩塌觀測研究站附近，選擇干熱河谷區(qū)兩種典型土地利用方式下的土壤，即草地和耕地土壤。草地以耐干熱的多年生草本植物為主，優(yōu)勢種為扭黃茅（Heteropogon contortus)和孔穎草（Bothriochloa pertusa)，零星分布小灌木車桑子（Dodonaea viscosa)；耕地種植模式為玉米（Zea mays)和蔬菜套種，蔬菜為菜豆（Phaseolus vulgaris)或番茄（Lycopersicon esculentum)。土壤樣品采集于2013 年4 月，取樣深度為0 - 20 cm。將野外采集的新鮮土壤過2 mm 篩后置于室內(nèi)風(fēng)干后，冷藏備用。供試土壤基本理化性質(zhì)如表1所列。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Properties of experimental soils

1.2 培養(yǎng)試驗(yàn)

稱取約150 g 土壤放置于350 mL 的組培玻璃瓶中，分別在3 個(gè)溫度條件（15、25 和35 ℃)和3 個(gè)水分條件[80% 、60%和40% 的田間最大持水量（WHC)]下進(jìn)行避光培養(yǎng)。溫度采用RGX 型人工氣候培養(yǎng)箱進(jìn)行控制，在培養(yǎng)過程中通過稱重法適時(shí)補(bǔ)水以保證土壤水分穩(wěn)定。試驗(yàn)設(shè)置溫度、水分和土壤類型3 個(gè)因素，共18 個(gè)處理，每個(gè)處理9 個(gè)重復(fù)，共162 瓶。

1.3 樣品采集與測定

分別在培養(yǎng)1、2、3、4、5、6、7、9、11、14、16、18、21、24 和28 d 時(shí)測定土壤微生物呼吸速率，土壤微生物呼吸速率乘以時(shí)間即可得到土壤微生物累積呼吸量，計(jì)算培養(yǎng)7、14 和28 d 時(shí)的土壤微生物累積呼吸量；并在培養(yǎng)7、14和28 d 時(shí)每種處理取3 個(gè)平行破壞性取樣（3 個(gè)取樣時(shí)間 × 3 個(gè)平行，共設(shè)置9 個(gè)重復(fù))測定土壤微生物生物量碳（microbial biomass carbon, MBC)，將土壤微生物呼吸速率與MBC作比值得到微生物代謝熵（qCO2)；最后，在各處理進(jìn)行后的28 d，將同種土壤同種溫度和水分處理的3 個(gè)平行土樣混勻后取樣測定土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)。

土壤微生物呼吸速率采用NaOH 吸收法測定：將裝有10 mL 0.2 mol·L-1NaOH 溶液的杯子放入組培瓶中，用以吸收土壤呼吸釋放出的CO2，密封培養(yǎng)2 h 后，通過HCl 反滴定NaOH 的方法計(jì)算出CO2的釋放量，同時(shí)設(shè)置兩個(gè)不加入土壤的培養(yǎng)瓶作為對照。MBC 采用氯仿熏蒸K2SO4提取-TOC 儀測定法。土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)采用高通量測序的方法進(jìn)行測定[9]，具體步驟：使用土壤DNA 試劑盒（OMEGA，E.Z.N.A)抽提DNA，1%瓊脂糖凝膠電泳檢測抽提的DNA 后進(jìn)行PCR 擴(kuò)增。細(xì)菌16S rRNA擴(kuò)增采用通用引物27F 5′-AGAGTTTGATCCTGG CTCAG-3′和533R 5′-TTACCGCGGCTGCTGGCA C-3′（測序端)。PCR 儀為ABI GeneAmp? 9700 型，采用TransGen：TransStart Fastpfu DNA Polymerase，20 μL反應(yīng)體系，參數(shù)如下：95 ℃預(yù)變性2 min；95 ℃變性30 s，55 ℃退火30 s，72 ℃延伸30 s，重復(fù)25 個(gè)循環(huán)；72 ℃延伸5 min。使用AXYGEN 公司的AxyPrepDNA凝膠回收試劑盒切膠回收PCR 產(chǎn)物，Tris-HCl 洗脫；2%瓊脂糖電泳檢測，2 μL 上樣檢測電泳圖。將已構(gòu)建好的PCR 產(chǎn)物文庫參照電泳初步定量結(jié)果，使用藍(lán)色熒光定量（Promega Corporation, CA, USA)，經(jīng) 過emPCR 之 后（Roche, Mannheim, Germany)，采用Roche GS-FLX 454 （Roche, Mannheim, Germany)平臺(tái)測序，測序送至上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司完成。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 18.0 軟件對土壤微生物呼吸速率、累積呼吸量和微生物代謝熵進(jìn)行雙因素（溫度和水分處理)方差分析，并在同一水分水平下對各指標(biāo)進(jìn)行單因素（溫度處理)方差分析（One-way ANOVA)，采用LSD 法（P＜ 0.05)對各指標(biāo)在不同處理間的差異進(jìn)行顯著性分析。為了得到溫度每增加10 ℃時(shí)土壤微生物呼吸速率增加的倍數(shù)，采用指數(shù)關(guān)系模型計(jì)算Q10，即R=a×ebT，Q10= e10b，式中：R為土壤微生物呼吸，T為溫度，a和b為擬合參數(shù)。將測序后的數(shù)據(jù)剔除標(biāo)簽（Barcode)和引物（Primer)序列，F(xiàn)lash軟件進(jìn)行序列拼接，并將長度 ＜ 200 bp 或質(zhì)量較低的序列從數(shù)據(jù)集中刪除，再用UCHIME 軟件去除嵌合體序列[10]，得到有效序列。所有有效序列使用軟件Mothur 通過歸類操作，將序列按照彼此的相似性（相似性水平≥ 97%)分歸為不同的分類操作單元（OTUs)，根據(jù)SILVA 庫中的參考序列對OTUs 進(jìn)行種屬鑒定，并計(jì)算細(xì)菌群落多樣性（Shannon 指數(shù))[11]。在門（Phylum)水平和屬（Genus)水平統(tǒng)計(jì)各樣本細(xì)菌群落優(yōu)勢類群（平均相對豐度≥ 0.2%)相對豐度，并進(jìn)行雙因素（溫度和水分處理)方差分析。采用R 語言vegan 軟件包對細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)（基于OTUs)進(jìn)行非度量多維度分析（Non-metric multidimensional scaling，NMDS)，并采用ANOSIM 基于土壤類型、溫度和水分處理進(jìn)行差異顯著性分析[12]。最后用Origin 2018 作圖。

2 結(jié)果

2.1 土壤微生物呼吸速率和累積呼吸量

不同溫度和水分處理下，草地土壤在各個(gè)培養(yǎng)期內(nèi)土壤微生物呼吸速率均高于對應(yīng)時(shí)期耕地土壤（表2)。溫度處理對各個(gè)培養(yǎng)時(shí)期土壤微生物呼吸速率均產(chǎn)生顯著影響（P＜ 0.05)：隨著溫度升高，土壤微生物呼吸速率有增加趨勢。水分處理僅對培養(yǎng)28 d 后的耕地土壤微生物呼吸速率有顯著影響，即供水水平60% WHC 下的土壤微生物呼吸速率顯著高于80%供水下的值；而水分處理對培養(yǎng)7 d 和14 d 后的草地土壤微生物呼吸速率有顯著影響，且60% WHC 和80% WHC 供水水平下的土壤微生物呼吸速率顯著高于40% WHC 下的值（P＜ 0.05)。溫度和水分交互效應(yīng)對培養(yǎng)前期（7 d)土壤微生物呼吸速率產(chǎn)生顯著影響（P＜ 0.05)?？偟膩碚f，隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，土壤微生物呼吸速率逐漸減小，培養(yǎng)7 d 的土壤呼吸速率均高于培養(yǎng)28 d 時(shí)的值。

表2 不同溫度和水分處理下土壤微生物呼吸速率的變化Table 2 Soil microbial respiration rate under different temperature and water treatments

土壤微生物呼吸速率乘以時(shí)間得到土壤微生物累積呼吸量（表3)。不同溫度和水分處理下，草地土壤在各個(gè)培養(yǎng)期內(nèi)土壤微生物累積呼吸量均高于對應(yīng)時(shí)期耕地土壤（表3)。在3 個(gè)取樣時(shí)間節(jié)點(diǎn)（7、14 和28 d)，溫度處理均顯著影響著累積呼吸量（P＜ 0.001)：隨著溫度的升高累積呼吸量顯著增加。水分處理對培養(yǎng)14 和28 d 后的耕地土壤累積呼吸量有顯著影響，且供水水平60% WHC 下的土壤微生物累積呼吸量顯著高于80% WHC 條件下的值；而水分處理對所有培養(yǎng)時(shí)期草地土壤微生物累積呼吸量均有顯著影響，且60% WHC 和80% WHC 供水水平下的土壤微生物累積呼吸量顯著高于40% WHC 下的值（P＜ 0.05)。溫度和水分交互效應(yīng)對培養(yǎng)7 和14 d 后的土壤微生物累積呼吸量有顯著影響（P＜ 0.05)。總的來說，隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，土壤微生物累積呼吸量逐漸增加，耕地土壤平均微生物累積呼吸量從426.1 mg·kg-1（7 d)增加至1 360.7 mg·kg-1（28 d)；草地土壤平均微生物累積呼吸量從924.0 mg·kg-1（7 d)增加至2 560.1 mg·kg-1（28 d)，且3 個(gè)培養(yǎng)時(shí)期土壤微生物累積呼吸量間均有差異。

表3 不同溫度和水分處理下土壤微生物累積呼吸量的變化Table 3 Cumulative soil microbial respiration under different temperature and water treatments

通過計(jì)算Q10來表示不同水分條件下的土壤微生物呼吸溫度敏感性（圖1)。Q10隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，即培養(yǎng)中期（14 d)的Q10明顯高于培養(yǎng)前期（7 d)和后期（28 d)。同時(shí)，在不同培養(yǎng)時(shí)期，水分處理對不同土壤Q10值的影響不同。耕地土壤在培養(yǎng)前期，60% WHC ＞ 80% WHC ＞ 40%WHC；培養(yǎng)中期，80% WHC ＞ 40% WHC ＞ 60% WHC；培養(yǎng)后期則表現(xiàn)為40% WHC ＞ 80% WHC ＞ 60%WHC。而對草地土壤而言，在所有培養(yǎng)時(shí)期80%WHC 下的Q10值均為最大，培養(yǎng)前期40% WHC ＞60% WHC；而在培養(yǎng)中期和后期，則表現(xiàn)為60%WHC ＞ 40% WHC。

圖1 不同培養(yǎng)時(shí)期不同水分處理下土壤微生物呼吸溫度敏感系數(shù)Q10Figure 1 Soil microbial respiratory temperature sensitivity coefficient Q10 under different water treatments and incubation stages

2.2 土壤微生物代謝熵

培養(yǎng)7、14 和28 d 后，草地土壤微生物代謝熵（qCO2)含量均低于對應(yīng)時(shí)期耕地土壤qCO2值（表4)。溫度處理對草地和耕地qCO2均有顯著影響（P＜0.05)；水分處理對各個(gè)培養(yǎng)時(shí)期草地土壤qCO2有顯著影響，而僅對培養(yǎng)7 d時(shí)的耕地土壤qCO2有顯著影響（P＜ 0.05)。耕地土壤不同培養(yǎng)時(shí)期下的土壤qCO2差異不明顯，而草地土壤培養(yǎng)7 d 的土壤qCO2明顯高于14 和28 d （P＜ 0.05)；同時(shí)，不同時(shí)期土壤qCO2值隨著溫度和水分的變化方式也有所不同。培養(yǎng)前期（7 d)，25 ℃下耕地土壤qCO2均顯著高于15 ℃和35 ℃下的值（P＜ 0.05)；耕地土壤80%WHC 供水條件下qCO2顯著低于60% WHC 和40%WHC 處理下的值，草地土壤各供水條件間的qCO2值差異均達(dá)到顯著水平（P＜ 0.05)，表現(xiàn)為60%WHC ＞ 80% WHC ＞ 40% WHC。培養(yǎng)中期（14 d)，隨著培養(yǎng)溫度的增加，耕地和草地土壤qCO2均呈增加趨勢，且大多在35 ℃下的值顯著高于15 ℃和25 ℃ （P＜ 0.05)。培養(yǎng)后期（28 d)，耕地和草地土壤qCO2均表現(xiàn)為35 ℃ ＞ 15 ℃ ＞ 25 ℃，35 ℃下的值分別為5.61 和3.13 μg·（mg·h)-1；且草地土壤qCO2在3 種水分條件間的差異達(dá)到顯著水平，表現(xiàn)為60% WHC ＞ 80% WHC ＞ 40% WHC。

表4 不同溫度和水分處理下土壤微生物代謝熵(qCO2)的差異Table 4 Microbial metabolic quotient (qCO2) determined under different temperature and water treatments

2.3 土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成和多樣性

對純培養(yǎng)28 d 后的土壤進(jìn)行高通量測序，兩種土壤溫度和水分處理的18 個(gè)樣品共得到182 838 條16s rRNA 有效序列，將這些有效序列去雜得到優(yōu)化的135 653 條高效序列，每個(gè)樣品平均7 536 條。對所有樣本序列進(jìn)行隨機(jī)抽樣作稀釋曲線（圖2)，所有樣本的稀釋曲線均基本趨于平緩，表明本研究中的測序深度能夠反映土壤樣本中的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)。根據(jù)序列97%相似性的原則，共有122 295 條序列劃分到不同的OTUs 中。不同溫度和水分處理后，草地土壤細(xì)菌群落Shannon 指數(shù)明顯高于對應(yīng)處理下的耕地土壤（表5)，同時(shí)，25 ℃下的耕地土壤細(xì)菌群落多樣性顯著高于35 ℃；而溫度和水分處理對草地土壤細(xì)菌群落Shannon 指數(shù)無顯著影響。

表5 不同溫度和水分處理下土壤細(xì)菌群落多樣性(Shannon 指數(shù))的差異Table 5 The changes in soil bacterial community diversity (Shannon index) under different temperature and water treatments

圖2 土壤細(xì)菌群落豐度稀釋曲線Figure 2 Rarefaction curves for bacterial community of each soil sample

將所有處理土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成（基于OTUs)進(jìn)行NMDS 排序分析（圖3)。ANOSIM 相似性檢驗(yàn)結(jié)果表明，耕地土壤和草地土壤經(jīng)不同溫度和水分處理后細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成顯著差異（r= 0.715，P＜0.01)。同種土壤不同溫度和水分處理后細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異均不顯著，但相較于耕地土壤（溫度r= 0.119，P= 0.196；水分r= 0.136，P= 0.185)，溫度和水分處理對草地土壤（溫度r= 0.226，P= 0.056；水分r=0.202，P= 0.095)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響更大。

圖3 不同溫度和水分處理下細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)(基于OTUs)NMDS 排序圖Figure 3 Non-metric multidimensional scaling of soil bacterial community compositions (based on OTUs)under different temperature and water treatments after 28 d incubation

為了得到每個(gè)OTUs 對應(yīng)的物種分類信息，根據(jù)SILVA 庫中的參考序列對97%相似水平的OTUs代表序列進(jìn)行分類學(xué)分析，在土壤中存在門水平和屬水平的主要細(xì)菌優(yōu)勢類群（平均相對豐度 ≥0.2%)相對豐度變化如圖4 和圖5 所示。兩種土壤中檢測到的主要細(xì)菌群落有：厚壁菌門（Firmicutes)、綠彎菌門（Chloroflexi)、變形菌門（Proteobacteria)、酸桿菌門（Acidobacteria)、放線菌門（Actinobacteria)、擬桿菌（Bacteroidetes)、浮霉菌門（Planctomycetes)、芽單胞桿菌門（Gemmatimonadetes)、Candidate_division_TM7、Unclassified bacteria、硝化螺旋菌門（Nitrospirae)和藍(lán)菌門（Cyanobacteria)，其相對豐度之和達(dá)到99%以上。其中，厚壁菌門（Firmicutes)細(xì)菌99%以上屬于Bacillus和Lactococcus屬；綠彎菌門（Chloroflexi)中的優(yōu)勢類群為KD4-96_norank 屬；變形菌門（Proteobacteria)的優(yōu)勢類群有Thermomonas、Sphingomonas、GR-WP33-30_norank 和Defluviicoccus屬；酸桿菌門（Acidobacteria)則有約66%為Subgroup_6_norank、Subgroup_25_norank和Blastocatella屬；放線菌門（Actinobacteria)約58%為Marmoricola、 MB-A2-108_norank、 OCS155_marine_group_norank 和 uncultured_norank 屬； 擬 桿 菌 門（Bacteroidetes)主 要 是Flexibacter屬； 浮 霉 菌 門（Planctomycetes)中 有 25%為 WD2101_soil_group_norank 屬；芽單胞桿菌門（Gemmatimonadetes)中的優(yōu)勢種主要為S0134_terrestrial_group_norank 屬，約占芽單胞桿菌門的25%；硝化螺旋菌門（Nitrospirae)有約50%屬于Nitrospira屬。

圖4 不同溫度和水分處理下土壤主要細(xì)菌群落在門水平相對豐度的變化Figure 4 The changes in relative abundance of the dominant bacterial groups at the phylum levels under different temperature and water treatments after 28 d incubation

圖5 不同溫度和水分處理下土壤主要細(xì)菌群落在屬水平相對豐度的變化Figure 5 The changes in relative abundance of the dominant bacterial groups at the genus levels under different temperature and water treatments after 28 d incubation

草地土壤中厚壁菌門（Firmicutes)、Bacillus屬、Lactococcus屬 和OCS155_marine_group_norank 屬 相對豐度顯著低于耕地土壤；而綠彎菌門（Chloroflexi)、變形菌門（Proteobacteria)、酸桿菌門（Acidobacteria)、放 線 菌 門 （Actinobacteria)、 芽 單 胞 桿 菌 門（Gemmatimonadetes)、Sphingomonas屬、GR-WP33-30_norank 屬、Defluviicoccus屬、Subgroup_6_norank 屬、Subgroup_25_norank 屬、Blastocatella屬、Marmoricola屬、MB-A2-108_norank 屬和Flexibacter屬相對豐度則明顯高于耕地土壤。

不同土壤中優(yōu)勢類群相對豐度隨溫度和水分變化方式有著明顯不同?？偟膩碚f，草地土壤40% WHC下的Actinobacteria 門、Sphingomonas屬、Marmoricola屬和MB-A2-108_norank 屬細(xì)菌相對豐度明顯高于60% WHC 和80% WHC；40% WHC 和60% WHC 水分條件下的Cyanobacteria 門細(xì)菌相對豐度明顯低于80% WHC。隨著處理溫度的增加，草地土壤KD4-96_norank 屬和Blastocatella屬細(xì)菌相對豐度逐漸減少，15 ℃下的值明顯高于25 ℃和35 ℃；對于耕地土壤而言，25 ℃下Firmicutes 門和Bacillus屬細(xì)菌相對豐度明顯低于15 ℃和35 ℃；而25 ℃下Nitrospirae 門和Nitrospira屬細(xì)菌相對豐度則明顯高于15 ℃。

3 討論和結(jié)論

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，其碳儲(chǔ)量相當(dāng)于大氣碳庫的3.3 倍和植物碳庫的4.5 倍[13]。土壤碳庫大小主要受動(dòng)植物殘?bào)w輸入量以及土壤有機(jī)質(zhì)分解速率影響。土壤有機(jī)質(zhì)的分解是由微生物介導(dǎo)的復(fù)雜過程，與土壤溫度和濕度密切相關(guān)[14]。土壤微生物呼吸是土壤呼吸的重要組成部分，在不同生態(tài)系統(tǒng)中對總呼吸的貢獻(xiàn)量可達(dá)30%～90%[15]。本研究中純培養(yǎng)所使用的耕地土壤和草地土壤，是元謀干熱河谷兩種典型土地利用類型下的土壤。干熱河谷不論是自然還是人工生態(tài)系統(tǒng)，土地生產(chǎn)力在雨季都非常高，有機(jī)碳通過植物凋落物向土壤輸入量不低[16]。草地土壤全碳含量顯著高于耕地土壤（分別為4.35%和1.49%) （表1)，即草地土壤中可供微生物呼吸利用的底物碳較多，導(dǎo)致草地土壤微生物呼吸速率和累積呼吸量明顯高于耕地土壤（表2、表3)。同時(shí)，草地土壤微生物代謝熵（qCO2)含量均低于對應(yīng)時(shí)期耕地土壤qCO2值（表4)，表明草地土壤微生物利用底物的效率較高，構(gòu)造微生物生物量碳比例相對較大，單位生物量中通過呼吸損失的碳較少[17]。

隨著溫度的升高，各培養(yǎng)期土壤微生物呼吸速率和累積呼吸量均顯著增加（表2、表3)。在一定的溫度范圍內(nèi)，土壤呼吸與溫度呈正相關(guān)關(guān)系[18-19]。Q10是反映土壤呼吸溫度敏感性的指標(biāo)，本研究中，Q10隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢（圖1)，即在培養(yǎng)中期（14 d)，無論是草地土壤還是耕地土壤，有機(jī)碳的微生物降解對溫度最敏感。土壤微生物呼吸的溫度敏感性主要受底物供應(yīng)水平和微生物活性的影響[20]。Conant 等[21]的培養(yǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，有機(jī)碳含量高的土壤養(yǎng)分利用效率越高，微生物活性越強(qiáng)，土壤呼吸作用增強(qiáng)，Q10值也越大。除有機(jī)碳含量外，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量（如抵抗分解的能力)也是影響Q10值的重要因素[22]。不同的試驗(yàn)方法、測定方法和計(jì)算方法會(huì)影響Q10值的大小，其變化范圍大致為1～12[23]。本研究中，耕地土壤和草地土壤Q10變化范圍為1.05～1.44，總體上屬于較低的水平，這可能與本研究所用培養(yǎng)方法只考慮了土壤微生物呼吸作用有關(guān)。此外，本研究中，溫度處理顯著影響著兩種土壤qCO2，培養(yǎng)14 和28 d 時(shí)35 ℃下qCO2值明顯增加，這與溫度增加后土壤微生物呼吸速率增加有關(guān)，qCO2值的增加也表明土壤有機(jī)碳降解會(huì)隨之增加[24]。

土壤水分一方面可以直接控制微生物生命活動(dòng)，另一方面可以通過控制可溶性有機(jī)質(zhì)的有效性和可移動(dòng)性，影響土壤微生物用于呼吸的底物和能量物質(zhì)，進(jìn)而影響土壤呼吸作用[25-26]。土壤水分狀況與土壤呼吸之間的關(guān)系模型有很多，包括線性、對數(shù)、二次式和拋物線等多種函數(shù)關(guān)系[27]。本研究中，水分處理對不同培養(yǎng)時(shí)期的土壤微生物呼吸速率產(chǎn)生顯著影響，且60% WHC 條件下土壤微生物累積呼吸量呈現(xiàn)增加的趨勢。由于干熱河谷區(qū)大部分時(shí)間處于干燥的環(huán)境中，蒸發(fā)量大于降水量，野外土壤水分含量常處于重度脅迫狀態(tài)，在該區(qū)轉(zhuǎn)暖變濕的情況下，耕地和草地土壤微生物累積呼吸量可能會(huì)隨著土壤水分脅迫狀態(tài)的改善而增加，在60% WHC 時(shí)達(dá)到最大值。

草地和耕地土壤經(jīng)溫度和水分處理后細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成有著明顯的差異（r= 0.715，P＜ 0.01) （圖3)，這與前人的研究結(jié)果類似[28-29]，采自不同環(huán)境的土壤經(jīng)過相同的溫度和水分處理后，微生物群落結(jié)構(gòu)仍表現(xiàn)出較大差異。本研究中，草地土壤中厚壁菌門（Firmicutes， 含Bacillus屬 和Lactococcus屬)和OCS155_marine_group_norank 屬相對豐度顯著低于耕地土壤；而其綠彎菌門（Chloroflexi)、變形菌門（Proteobacteria， 含Sphingomonas屬、 GR-WP33-30_norank 屬和Defluviicoccus屬)、酸桿菌門（Acidobacteria，含Subgroup_6_norank 屬、Subgroup_25_norank 屬和Blastocatella屬)、 放 線 菌 門 （Actinobacteria， 含Marmoricola屬和MB-A2-108_norank 屬)和芽單胞桿菌門（Gemmatimonadetes)和Flexibacter屬相對豐度顯著高于耕地土壤。同種土壤不同溫度和水分處理后細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異均不顯著，相對于耕地土壤，溫度和水分處理對草地土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響更大（圖3)。這可能是由兩種土地類型在歷史環(huán)境中所經(jīng)歷的條件不同導(dǎo)致的：草地土壤受到的擾動(dòng)較小，土壤溫度和水分變化主要受氣候條件的影響；而耕地土壤在人為灌溉、翻耕等的影響下其土壤溫度和水分常常發(fā)生變化。同樣，采自北極不同海拔的土壤經(jīng)歷兩周的凍融交替處理后，相對于高海拔上的群落變化，氣候變暖使得低海拔土壤正在經(jīng)歷著凍融交替，細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)在低海拔上的變化相對較穩(wěn)定[30]。在不同溫度和水分處理下，各門水平的土壤細(xì)菌群落顯示出不同的應(yīng)對策略：相對豐度大的少數(shù)細(xì)菌群落變化幅度大；而其余相對豐度小的大多數(shù)變化幅度也較小。不同土壤細(xì)菌群落可能存在適宜其生長的水分和溫度生態(tài)位[31]。草地土壤40% WHC 下的放線菌門（Actinobacteria)以及其下的Marmoricola屬和MB-A2-108_norank 屬細(xì)菌相對豐度顯著高于60% WHC 和80% WHC （圖3)。Barnard等[32]也發(fā)現(xiàn)在干旱環(huán)境時(shí)放線菌門細(xì)菌豐度增加，而酸桿菌門細(xì)菌在濕潤時(shí)相對豐度較大。不過，本研究中酸桿菌門細(xì)菌相對豐度隨水分的變化方式不固定。由于土壤本身是個(gè)非常復(fù)雜的環(huán)境，在面對溫度水分變化時(shí)，一方面會(huì)直接對各細(xì)菌群落相對豐度產(chǎn)生影響；另一方面一種群落相對豐度的變化可能會(huì)導(dǎo)致另一群落豐度的變化。總的來說，從門水平上看，兩種土壤中主要的細(xì)菌群落變化不大，如厚壁菌門、變形菌門、酸桿菌門、放線菌門、綠彎菌門和芽單胞桿菌門，這些主要的細(xì)菌門在各溫度和水分處理下的耕地和草地土壤中均存在。

綜上，在各個(gè)培養(yǎng)時(shí)期，草地土壤微生物呼吸速率和累積呼吸量顯著高于耕地土壤，而草地土壤qCO2顯著低于耕地土壤。隨著溫度的升高，各培養(yǎng)期土壤微生物呼吸速率和累積呼吸量均顯著增加；水分處理對土壤微生物呼吸有顯著影響，但不同土壤影響方式有差異，60% WHC 條件下兩種土壤微生物累積呼吸量呈現(xiàn)增加的趨勢。土壤類型對細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響較大（R= 0.715，P＜ 0.01)，草地土壤中厚壁菌門相對豐度顯著低于耕地土壤；而綠彎菌門、變形菌門、酸桿菌門、放線菌門和芽單胞桿菌門相對豐度顯著高于耕地土壤。相對于耕地土壤，溫度和水分處理對草地土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成的影響更大：草地土壤放線菌門（含Marmoricola屬和MB-A2-108_norank 屬)、藍(lán) 菌 門 和Sphingomonas屬細(xì)菌相對豐度隨水分條件的變化發(fā)生顯著改變；隨著溫度條件的變化，草地土壤KD4-96_norank 屬和Blastocatella屬，以及耕地土壤厚壁菌門（含Bacillus屬)和硝化螺旋菌門（含Nitrospira屬)細(xì)菌相對豐度發(fā)生顯著改變。