彭詩陽， 鐘仁華， 吳岸松， 蔡紅春， 何 勇， 張燕茹

(1.湖南鑫恒環(huán)境科技有限公司， 湖南 長沙 410000; 2.湖南鑫恒生態(tài)研究院有限公司， 湖南 益陽 413002;3.湖南省林業(yè)科學(xué)院， 湖南 長沙 410004)

中國西北部的黃土高原區(qū)是世界上土壤侵蝕程度最嚴(yán)重的區(qū)域。由于該區(qū)的人類活動密集，以及降雨集中且量大，導(dǎo)致其土壤可侵蝕性高，致使其中60%以上的土地遭受侵蝕[1]。土壤侵蝕不僅對生態(tài)環(huán)境和糧食安全造成威脅，還會影響碳循環(huán)過程。相關(guān)研究主要集中于侵蝕對土壤有機(jī)碳流失以及再分布的影響，對于與土壤碳循環(huán)緊密相關(guān)的土壤固碳微生物在侵蝕影響下的變化規(guī)律卻報(bào)道甚少。土壤固碳是大部分干旱土壤的主要碳源[2]，然而，土壤微生物在土壤固碳中的作用往往被忽視。自養(yǎng)細(xì)菌可以利用大氣中的CO2進(jìn)行正常的代謝活動，并直接參與大氣中CO2的同化[3]。Calvin-Benson-Basham(CBB)循環(huán)是主要的CO2固定途徑[4]，核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶(RuBisCO)是調(diào)節(jié)CBB循環(huán)中光合作用的關(guān)鍵酶[5]，編碼I型RuBisCO大亞基的cbbL基因則是作為分析自養(yǎng)微生物的功能基因[6]。近年來，基于RuBisCO編碼cbbL基因的固碳分子生態(tài)學(xué)研究主要集中在特定的生態(tài)環(huán)境上。有研究發(fā)現(xiàn)，高海拔地區(qū)的貧瘠土壤中往往含有光自養(yǎng)細(xì)菌群落，其多樣性高于其他地區(qū)的[2]。也有學(xué)者從DNA水平揭示了黃土高原生態(tài)系統(tǒng)固碳細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)和多樣性，并利用測序技術(shù)發(fā)現(xiàn)了許多新型固碳細(xì)菌基因[7]。目前，對黃土高原土壤中CO2同化細(xì)菌與非典型土壤條件之間關(guān)系，以及土壤微生物，特別是自養(yǎng)細(xì)菌對土壤侵蝕響應(yīng)的研究報(bào)道甚少。本研究分析了不同侵蝕-沉積坡面土壤固碳細(xì)菌的群落分布特征，以及土壤理化參數(shù)與攜帶cbbL基因細(xì)菌群落的關(guān)系，以期為土壤侵蝕誘發(fā)碳循環(huán)微生物機(jī)制的研究提供參考。

1 研究區(qū)概況

以甘肅省天水市水土保持試驗(yàn)站內(nèi)羅峪溝流域的主要分支—橋子溝流域(105°30′—105°45′E，105°30′—105°45′N，海拔1 438 m)為研究區(qū)域。該流域?qū)儆邳S土高原丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū)，屬于溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，以半干旱氣候?yàn)橹饕卣鳌Ｆ淠昶骄鶜鉁丶s為10.7 ℃，年平均降水量為 496～628 mm，降雨一般集中在7—9月[8]。分布最廣的土壤類型為黑褐土和黃綿土，占整個(gè)流域面積的 82%以上，其土壤質(zhì)地呈粉質(zhì)。降雨是造成該地區(qū)土壤侵蝕的主要自然驅(qū)動力，其土壤平均侵蝕率為1 599.50～2 877.76 t· km-2a-1，年產(chǎn)沙量為2 026 mg·km-2[9]。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品采集

分別選擇位于橋子西小流域并種植有刺槐的坡地(面積0.23 km2)截面和位于橋子?xùn)|小流域的未開墾坡地(面積0.21 km2)截面各一個(gè)。2個(gè)坡地相隔1.65 km，2個(gè)坡面均呈“S”型，且平均坡度為 12°。將每個(gè)截面分為侵蝕區(qū)(上坡)和沉積區(qū)(下坡)。分別于未開墾坡面的侵蝕點(diǎn)(UE)、未開墾坡面的沉積點(diǎn)(UD)，刺槐坡面的侵蝕點(diǎn)(RE)和刺槐坡面的沉積點(diǎn)(RD)共4個(gè)采樣點(diǎn)設(shè)置土壤侵蝕與沉積處理。為了采集表層(0～10 cm)土樣，首先清除石塊、生物結(jié)皮以及表層土壤約1 cm的可見植物殘留物，然后在4個(gè)采樣點(diǎn)分別設(shè)置3個(gè)2 cm×2 cm的樣方，用內(nèi)徑為 5 cm 的土壤螺旋鉆在每個(gè)樣方中隨機(jī)采集 5～9 個(gè)土樣并將土樣混合，每種處理重復(fù) 3次。采集的土壤樣本立刻存于自封袋中低溫運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室，然后將一部分樣品冷凍干燥(溫度為-80 ℃)并保存在50 ml無菌離心管中，用于分子生物學(xué)分析；剩余的土壤樣品自然風(fēng)干并過0.25 mm的篩，用于測量土壤理化性質(zhì)。

2.2 土壤理化性質(zhì)測定

采用烘干法測定含水率。將新鮮土樣中的石頭、根系去除，風(fēng)干并過2 mm篩后，用電極儀測定土壤pH值。采用吸管法測定土壤機(jī)械組成。采用油浴重鉻酸鉀外加熱法測定有機(jī)碳(SOC)含量。用總有機(jī)碳分析儀(TOC.VCPH，日本島津)測定土壤溶解性有機(jī)碳(DOC)含量。土樣過0.25 mm 篩后，分別采用凱氏定氮法、氫氧化鈉熔融比色法和氫氧化鈉熔融火焰光度法測定總氮(TN)、總磷(TP)和總鉀(TK)。分別采用堿水解擴(kuò)散法、Mo-Sb比色法以及火焰光度法分別測定土壤速效氮(AN)、速效磷(OP)和速效鉀(AK)。用超純鋰漂移鍺探測器和DSPEC多通道γ射線分光光度計(jì)(GMX50，PerkinElmer，美國)測量137Cs活性，平均計(jì)數(shù)時(shí)間超過20000s，最后用661.6kev的峰面積計(jì)算137Cs含量。

2.3 DNA提取和PCR擴(kuò)增

使用E.Z.N.A.土壤DNA試劑盒(Omega Bio-tek，Norcross，GA，美國)提取土壤微生物基因組總 DNA，按照試劑盒說明書進(jìn)行操作。提取物保存于-20 ℃冰箱中備用。

利用cbbL引物(K2f-V2r)擴(kuò)增自養(yǎng)細(xì)菌，其中K2f引物組成為5′-ACCAYCAAG CCSAAGCTSGG-3′ ，V2r引物組成為5′-GCCTTCSAGCTCT CTCACCRC-3′[10]。對cbbL基因進(jìn)行PCR擴(kuò)增[11]。PCR反應(yīng)條件為：先在95 ℃下3 min，然后在95 ℃下35個(gè)周期30 s，55 ℃下30 s，72 ℃下45 s，最后在72 ℃下延伸10 min。PCR反應(yīng)體系為：4 μL 5×快速Pfu緩沖液、2 μL 2.5 mM脫氧核苷酸三磷酸(dNTPs)、每個(gè)引物(5 μM)0.8 μL、0.4 μL快速Pfu DNA聚合酶和10 ng模板DNA，加無菌水使反應(yīng)總體系為 20 μL，每個(gè)樣品設(shè)置3組平行試驗(yàn)。使用ABI GeneAmp?9700(美國)進(jìn)行PCR擴(kuò)增。PCR 產(chǎn)物進(jìn)行瓊脂糖電泳，并對 DNA 進(jìn)行切膠回收，使用QuantiFluor(Promega，美國)檢測試劑盒對回收的 DNA 精確定量，等量混合后測序。

2.4 Illumina MiSeq測序和數(shù)據(jù)處理

在Illumina MiSeq平臺上進(jìn)行配對末端測序(2×250)。測序步驟大致如下：①根據(jù) barcode 序列將各樣本區(qū)分開并去除 barcode；②使用QIIME(版本1.91)對原始的FASTQ文件進(jìn)行解復(fù)用和質(zhì)量過濾; ③利用Uclust軟件根據(jù)序列之間的相似度(97%)將cbbL基因序列歸為不同的操作分類單元(OTU)[12]; ④使用BLAST程序[13]，對照GeneBank(國家生物技術(shù)信息數(shù)據(jù)庫中心)中已知的cbbL序列，對序列進(jìn)行分類鑒定，得到自養(yǎng)細(xì)菌的分類學(xué)信息。所有原始序列都保存在GenBank中，數(shù)據(jù)編號為PRJNA350577。

利用mothur軟件計(jì)算土壤細(xì)菌 α 多樣性指數(shù)，包括Chao1豐富度指數(shù)、ACE豐富度指數(shù)、Shannon多樣性指數(shù)以及Simpson多樣性指數(shù)。通過群落生態(tài)學(xué)軟件包R-forge進(jìn)行主坐標(biāo)分析(PCoA)。采用 SPSS 18.0 進(jìn)行方差分析(Duncan 檢驗(yàn)法)和主成分分析，用Origin 軟件(8.5版本)作圖。差異顯著性水平設(shè)為α=0.05。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤理化性質(zhì)及土壤養(yǎng)分含量

表1結(jié)果顯示：4個(gè)樣點(diǎn)的土壤質(zhì)地相似，均以粉粒為主，其次是砂粒，最后是黏粒。在2個(gè)侵蝕坡面中，沉積區(qū)的粉粒含量均高于侵蝕區(qū)的。4個(gè)樣點(diǎn)的土壤含水率和容重均無顯著差異。未開墾坡面的土壤pH值雖整體高于刺槐坡面的，但是侵蝕-沉積擾動沒有對未開墾坡面的pH值造成影響，UE和UD點(diǎn)的土壤pH值無顯著差異。刺槐坡面上，侵蝕區(qū)的土壤pH值顯著高于沉積區(qū)的。

表1 四個(gè)樣點(diǎn)土壤的理化性質(zhì)Tab.1 Physical and chemical properties of soil of four sample sites樣點(diǎn)砂粒/%粉粒/%黏粒/%含水率/%容重/(g·cm-3)pH值UE35.26±0.96 ab43.71±0.79 a21.03±0.32 c13.20±0.20 a1.17±0.07 a8.69±0.03 aUD36.00±0.39 a43.98±0.08 ab20.02±0.37 c13.17±0.48 a1.28±0.03 a8.71±0.02 aRE30.39±0.85 b44.27±0.22 c25.34±0.64 a13.04±1.39 a1.26±0.04 a8.44±0.02 bRD32.35±1.18 c44.53±0.71 d23.12±0.48 b12.07±0.67 a1.22±0.16 a8.35±0.04 c注: UE為未開墾坡面的侵蝕點(diǎn);UD為未開墾坡面的沉積點(diǎn);RE為刺槐坡面的侵蝕點(diǎn);RD為刺槐坡面的沉積點(diǎn)。

不同樣點(diǎn)土壤養(yǎng)分含量結(jié)果(表2)顯示：UE的土壤有機(jī)碳含量顯著低于UD的，RE的土壤有機(jī)碳含量顯著低于RD的。說明侵蝕擾動對土壤有機(jī)碳含量有明顯影響。UD的可溶性有機(jī)碳含量顯著高于UE的；RD的可溶性有機(jī)碳含量顯著高于RE的。由此可見，侵蝕-沉積擾動對于土壤中碳含量的影響也明顯。RE的TP含量略低于RD的， UE的TP含量與UD的無明顯差異；UD的 OP含量顯著低于UE的，UD的AK含量顯著高于UE的；TP和OP的含量在RE和RD間無明顯差異。同一坡面的侵蝕區(qū)和沉積區(qū)的TN、TK或AN含量均無顯著差異。

表2 四個(gè)樣點(diǎn)土壤的養(yǎng)分含量Tab.2 Nutrient content of four sample sites樣點(diǎn)TN/(g ·kg-1)TP/(g · kg-1)TK/(g ·kg-1)AN/(mg · kg-1)OP/(mg ·kg-1)AK/(mg ·kg-1)SOC/(g · kg-1)DOC/(mg ·g-1)UE1.00±0.02 a0.92±0.02 a19.21±0.06 a51.07±1.05 a4.80±0.00 a211.35±0.87 b7.29±0.72 b36.38±0.71 aUD1.05±0.04 a0.91±0.01 a19.33±0.03 a55.19±1.57 a3.77±0.01 b259.41±7.06 a7.91±0.88 a38.62±1.86 bRE1.07±0.03 a0.82±0.00 b19.79±1.01 a62.49±2.63 a3.76±0.00 b262.00±1.99 a8.10±0.57 a36.35±1.41 aRD1.06±0.01 a0.84±0.03 b19.70±1.63 a58.14±0.48 a3.75±0.00 b169.96±3.97 c8.94±0.00 c37.15±2.19 c

3.2 土壤自養(yǎng)細(xì)菌的多樣性和豐度

表3結(jié)果顯示：從4個(gè)樣點(diǎn)土壤樣品中共提取了63 291個(gè)自養(yǎng)細(xì)菌cbbL基因的有效序列，同時(shí)，在UE、UD、RE和RD樣點(diǎn)的土壤樣品中分別檢測到349、337、419和372個(gè)自養(yǎng)細(xì)菌OTU。4個(gè)樣點(diǎn)的cbbL基因文庫有效序列為13 344～18 888條，Reads(測序讀長)個(gè)數(shù)為9 141～11 406條。覆蓋率是指對各類文本庫的覆蓋率，其值越大，在樣本中測量序列的概率就越大。表3結(jié)果中所有樣品的覆蓋率均達(dá)到99%以上，表明其序列的結(jié)果準(zhǔn)確地描述了樣品中微生物的情況。

表3結(jié)果還表明：4個(gè)樣點(diǎn)土壤自養(yǎng)細(xì)菌的ACE無明顯差異；以Chao1指數(shù)為尺度，2個(gè)坡面侵蝕區(qū)土壤自養(yǎng)細(xì)菌的豐富度均明顯低于沉積區(qū)的。以Shannon、Simpson指數(shù)為尺度，侵蝕區(qū)土壤自養(yǎng)細(xì)菌的多樣性均顯著低于沉積區(qū)的。以上結(jié)果說明，侵蝕擾動對自養(yǎng)細(xì)菌的豐富度和多樣性均有消減作用。

表3 四個(gè)樣點(diǎn)土壤自養(yǎng)細(xì)菌測序結(jié)果以及α多樣性指數(shù)Tab.3 Sequencing results of four sample sites and α diversity index樣點(diǎn)有效序列讀長OTU豐富度指數(shù)多樣性指數(shù)ACEChao1ShannonSimpson覆蓋率/%UE16 84511 314349377 ba387 b 4.41 c0.030 6 b99.60UD13 3449 141337376 ba391 ab4.63 b0.020 5 c99.40RE18 88811 406419436 a 411 a 4.27 a0.041 1 a99.70RD14 21410 102372407 ba438 ab4.74 d0.029 7 b99.43

3.3 土壤自養(yǎng)細(xì)菌群落在門、屬分類學(xué)水平上的構(gòu)成

將系統(tǒng)發(fā)育分析得到的cbbL基因序列分為不同的系統(tǒng)發(fā)育類群，探討微生物群落的動態(tài)變化。在門分類學(xué)水平上的細(xì)菌群落相對總豐度如圖1所示。圖1顯示，所有樣點(diǎn)土壤中的自養(yǎng)細(xì)菌主要隸屬于3個(gè)細(xì)菌門，即變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)和芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)。這也是本研究中鑒定出的已知僅有的3個(gè)主要自養(yǎng)細(xì)菌門，分別占cbbL基因總序列的7.8%～10.9%、0.72%～1.5%和0.11%～1.42%。約有10%的自養(yǎng)細(xì)菌群落尚未劃分為門級，有80%以上的自養(yǎng)細(xì)菌在環(huán)境樣品中被鑒定為無等級，意味著這些自養(yǎng)細(xì)菌群落在門的層次上沒有明確的分類信息和名稱。

圖1 四個(gè)樣點(diǎn)土壤自養(yǎng)細(xì)菌在門分類學(xué)水平上的物種相對豐度Fig.1 The relative abundance of autotrophic bacteria at the phylum taxonomic level of the four sample sites

在屬分類學(xué)水平下自養(yǎng)細(xì)菌群落的相對豐度見圖2。圖2顯示：在所有土壤樣品中，共鑒定出21個(gè)攜帶cbbL固碳功能基因的自養(yǎng)細(xì)菌屬，其中斯塔克亞菌屬(Starkeya)為優(yōu)勢自養(yǎng)細(xì)菌屬，平均占所有土壤樣品的3.68%；多態(tài)菌屬(Polymorphum)是第二優(yōu)勢屬，在UD和RD樣品中分別占1.64%和1.3%。變形桿菌屬(Ramlibacter)和貪噬菌屬(Variovorax)分別為UE和RE的第二優(yōu)勢屬，分別占2.19%、0.96%。值得關(guān)注的是，4個(gè)樣點(diǎn)中，只有在UE樣點(diǎn)發(fā)現(xiàn)了雷氏菌屬(Ralstonia)和紅假單胞菌屬(Rhodopseudomonas)。

圖2 四個(gè)樣點(diǎn)土壤自養(yǎng)細(xì)菌在屬分類學(xué)水平上的物種相對豐度Fig.2 The relative abundance of autotrophic bacteria at the genus taxonomic level of the four sample sites

從cbbL屬水平測序得到的OTU中，82.37%屬于no_rank，無法被鑒定。從4個(gè)樣點(diǎn)土壤中獲得的自養(yǎng)細(xì)菌克隆序列，有一些是與碳氮循環(huán)相關(guān)的功能細(xì)菌，例如具有光營養(yǎng)、固氮(藍(lán)藻)、硝化和共氧化功能的細(xì)菌(Ralstoniaeutropha)。此外，本研究鑒定的細(xì)菌屬多為兼性自養(yǎng)細(xì)菌，包括芽生殖菌屬(Gemmatirosa，豐度范圍為0.11%～1.42%)、貪銅菌屬(Cupriavidus，豐度范圍為0.04%～0.11%)和富養(yǎng)產(chǎn)堿菌屬(Ralstoniaeutropha，豐度范圍為0.001%～0.009%)。

3.4 自養(yǎng)細(xì)菌群落的結(jié)構(gòu)

基于定量非加權(quán)UniFrac度量的PCoA揭示了4個(gè)樣點(diǎn)土壤自養(yǎng)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的差異。圖3結(jié)果表明：RE和RD樣點(diǎn)的自養(yǎng)細(xì)菌群落在系統(tǒng)發(fā)育上比UE和UD樣點(diǎn)的類群更接近，即在未開墾坡面上，沉積區(qū)和侵蝕區(qū)的自養(yǎng)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異更為明顯。第一軸顯示細(xì)菌群落構(gòu)成的累積變化量為60.62%，第二軸顯示的為26.97%，橫縱2個(gè)PCoA軸顯示了87.59%的總變異。在同一坡面上，相似性的MANOVA分析表明，自養(yǎng)細(xì)菌群落在侵蝕部位和沉積部位存在差異(P>0.05)。

圖3 基于Unifrac距離對四個(gè)樣點(diǎn)土壤自養(yǎng)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的主坐標(biāo)分析(PCoA)Fig.3 Principal Coordinate Analysis (PCoA) of soil autotrophic bacteria community structure at four sample sites based on unifrac distance

基于cbbL基因型屬分類學(xué)水平上細(xì)菌群落剖面聚類熱圖和多個(gè)樣本的相似性樹分析揭示了同一侵蝕坡面上的自養(yǎng)細(xì)菌群落具有更高的相似性(見圖4a)。圖4b結(jié)果表明，根據(jù)自養(yǎng)細(xì)菌群結(jié)構(gòu)的相似性，4個(gè)菌群可分為2類，一類是UE和UD菌群，另一類是RE和RD菌群，且這2類菌群之間也有很好的分離，表明2個(gè)坡面的自養(yǎng)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)存在明顯的差異。UE樣點(diǎn)的土壤自養(yǎng)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和UD的相似，RE樣地的土壤自養(yǎng)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與RD的相似。

圖4 四個(gè)樣點(diǎn)土壤自養(yǎng)細(xì)菌群落的層次聚類分析Fig.4 Hierarchical cluster analysis of autotrophic bacterial communities in four sample sites

3.5 自養(yǎng)細(xì)菌群落與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

自養(yǎng)細(xì)菌前50位OTU與14個(gè)土壤理化性質(zhì)指標(biāo)之間的相關(guān)性熱圖(圖5)顯示：土壤理化性質(zhì)聚類為2類(第一類為土壤有機(jī)碳、粉粒含量、黏粒含量、TK、TN和AN；第二類為土壤pH、含砂量、TP、有機(jī)磷、AK、水分和容重)。2類菌群與自養(yǎng)菌的OTU的相關(guān)性正好相反；OTU 135和OTU 16是所有土壤樣品中自養(yǎng)細(xì)菌的優(yōu)勢OTU。第一類土壤理化性質(zhì)均與這2個(gè)優(yōu)勢OTU呈負(fù)相關(guān)，而第二類土壤理化性質(zhì)均與這2個(gè)優(yōu)勢OTU呈正相關(guān)。其中，土壤含水率、沙粒含量和TP含量與前23位OTU呈正相關(guān)；土壤粉粒含量、黏粒含量和TN含量與其余OTU呈正相關(guān)。

圖5 自養(yǎng)細(xì)菌前50位OTU與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性熱圖Fig.5 The correlation heat map between the top-fifty OTUs of autotrophic bacteria and the physical and chemical properties of soil

4 結(jié)論與討論

測序結(jié)果表明，甘肅省羅峪溝流域的主要分支—橋子溝流域的土壤固碳細(xì)菌以兼性自養(yǎng)菌為主，優(yōu)勢菌株主要為變形菌門、放線菌門和芽單胞菌門。在未開墾坡面和刺槐坡面中，侵蝕區(qū)的自養(yǎng)細(xì)菌多樣性明顯低于沉積區(qū)的。此外，PCoA分析和系統(tǒng)發(fā)育樹分析表明，在同一坡面，侵蝕區(qū)的土壤自養(yǎng)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與沉積區(qū)的也存在一定的差異。土壤質(zhì)地(沙粒、粉粒和黏粒含量)與自養(yǎng)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)顯示出較強(qiáng)的相關(guān)性。綜合以上結(jié)果，黃土高原土壤侵蝕-沉積擾動對土壤自養(yǎng)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的異質(zhì)性有一定影響。

甘肅省羅峪溝流域的主要分支—橋子溝流域的土壤顆粒細(xì)小，隨雨水徑流易遷移。因此，隨著土壤侵蝕量的增加，土壤中粉粒和黏粒的含量會減少，砂粒的比例則會相應(yīng)增加。同一坡面侵蝕點(diǎn)和沉積點(diǎn)的大部分養(yǎng)分(如TN、TK、TP和AN)含量沒有顯著差異。這可能是因?yàn)榇袒逼旅婧臀撮_墾坡面的土壤質(zhì)地以粉粒為主，因此土壤侵蝕不會對含量少的成分造成顯著影響。侵蝕區(qū)植被恢復(fù)減少了養(yǎng)分的流失，這可以解釋同一坡面上部分養(yǎng)分含量差異不顯著的原因。除此之外，植物殘?jiān)?、根系和根系分泌物也使土壤中有機(jī)質(zhì)有所增加[14]。

在刺槐坡面和未開墾坡面中，均發(fā)現(xiàn)沉積區(qū)的自養(yǎng)細(xì)菌多樣性高于侵蝕區(qū)的。土壤侵蝕引起的選擇性運(yùn)輸導(dǎo)致輕質(zhì)部分有機(jī)碳優(yōu)先運(yùn)輸?shù)匠练e地，并且大部分豐富的不穩(wěn)定有機(jī)碳和養(yǎng)分沉積物的積累有利于沉積地自養(yǎng)細(xì)菌群落的生長[15]。同時(shí)，侵蝕地的土壤微生物群落也可能直接受到水文過程的影響，雨滴和徑流引起的飛濺、碰撞和剪切力可以直接誘導(dǎo)土壤表面微生物的死亡，特別是對于團(tuán)聚體破碎后釋放的微生物[16]。因此，沉積區(qū)應(yīng)該更有利于微生物的累積，導(dǎo)致了豐度的增長。

基于RuBisCO基因的分子方法是探索這種系統(tǒng)發(fā)育上非常多樣化的細(xì)菌群特征的有力方法[17]。RuBisCO作為CBB循環(huán)中的關(guān)鍵基因，廣泛存在于多種分類中，包括α-變形桿菌、β-變形桿菌和γ-變形桿菌、厚壁菌和氯屈曲菌[18]。本研究根據(jù)測序結(jié)果發(fā)現(xiàn)的許多細(xì)菌與碳循環(huán)有關(guān)。比如革蘭氏陰性細(xì)菌(尤其是變形桿菌)與土壤中的無機(jī)碳固定密切相關(guān)[19]，屬于厚壁菌門的克氏桿菌屬(Ktedonobacter)其相對豐度隨著CO2濃度梯度增加而顯著增加[20]。厚壁菌門是黃土高原丘陵溝壑區(qū)土壤中的優(yōu)勢菌種之一，能產(chǎn)生降解底物的胞外酶(如纖維素酶、脂肪酶或蛋白酶)。它們的相對豐度與土壤水分呈負(fù)相關(guān)，這表明它們適應(yīng)了干燥的土壤[21]。此外還有一些細(xì)菌種，如本研究中發(fā)現(xiàn)的慢生根瘤菌(Bradyrhizobium)、紅假單胞菌(Rhodopseudomonas)和羅氏菌(Ralstonia)在現(xiàn)有研究中很少發(fā)現(xiàn)[13]。說明黃土高原侵蝕環(huán)境中自養(yǎng)細(xì)菌種群數(shù)量豐富，自養(yǎng)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成和形成是與環(huán)境條件長期相適應(yīng)的結(jié)果。

自養(yǎng)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的相似性和差異性分析結(jié)果表明，在同一侵蝕坡面上，侵蝕區(qū)的自養(yǎng)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與沉積區(qū)的有一定差異。其原因是，在同一坡面上，侵蝕區(qū)的土壤有機(jī)碳和可溶性碳含量與沉積區(qū)的均存在一定差異。本研究中的自養(yǎng)細(xì)菌分專性自養(yǎng)細(xì)菌和兼性自養(yǎng)細(xì)菌。其中，專性自養(yǎng)細(xì)菌在生長過程中只能將二氧化碳作為唯一碳源，而兼性自養(yǎng)細(xì)菌還可以使用有機(jī)物質(zhì)作為其替代碳源，代謝方式靈活。因此，兼性自養(yǎng)細(xì)菌在營養(yǎng)物質(zhì)豐富的環(huán)境中有優(yōu)勢，專性自養(yǎng)細(xì)菌則更能適應(yīng)有機(jī)質(zhì)和其他營養(yǎng)物質(zhì)含量較低的土壤環(huán)境[17,22]。黃壤土壤顆粒組成以粉粒為主，而紅壤土壤顆粒組成以粘粒為主，其土壤水分含量更為豐富，為有機(jī)物質(zhì)提供了穩(wěn)定的環(huán)境[23]。同時(shí)，黏粒相比于砂粒能攜帶更多表層土壤的輕有機(jī)物質(zhì)，其反復(fù)堆積會促進(jìn)大量有機(jī)物質(zhì)的埋藏，導(dǎo)致氧氣減少以至沒有足夠的有機(jī)物質(zhì)供給，有機(jī)物質(zhì)的周轉(zhuǎn)速率降低，有機(jī)物質(zhì)含量高[24]。因此，有機(jī)碳相較于其他土壤養(yǎng)分的含量，對細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響更為顯著。

土壤微生物群落組成能夠調(diào)節(jié)或改變生態(tài)系統(tǒng)的功能，同時(shí)與土壤理化特性有著密切的關(guān)系[25-26]。土壤pH值和含水率可以影響不同類型土壤中微生物群落的組成，對自養(yǎng)細(xì)菌群落中基質(zhì)(如氨和二氧化碳)的有效性有顯著影響，從而強(qiáng)烈影響土壤C循環(huán)。土壤pH值對土壤中的CO2濃度有著顯著的影響，因此，不同的CO2固定途徑受到土壤pH值的限制[27]。氮被認(rèn)為是微生`物生存最基本的元素之一，氮的濃度與某些特定分類群有關(guān)[28]。研究發(fā)現(xiàn)，土壤總氮通過影響有機(jī)碳和pH值的有效性在一定程度上影響土壤微生物群落，進(jìn)而影響土壤生物量[29]。cbbL基因主要存在于粉粒和粘粒中，而在不同管理的農(nóng)業(yè)土壤中，沙土中幾乎沒有cbbL基因[30]。以上研究結(jié)果表明，植被覆蓋和土壤處理都會影響土壤細(xì)菌群落，因?yàn)橥寥佬再|(zhì)控制著生物地球化學(xué)過程和生態(tài)系統(tǒng)功能。