沙化和人工植被重建对高寒草地土壤细菌群落特征的影响

doi:10.11686/cyxb2021120

草业学报 ›› 2022, Vol. 31 ›› Issue (5): 26-39.DOI: 10.11686/cyxb2021120

沙化和人工植被重建对高寒草地土壤细菌群落特征的影响

王亚妮¹^,³(), 胡宜刚¹(), 王增如¹, 李以康², 张振华², 周华坤²

^1.中国科学院西北生态环境资源研究院沙坡头沙漠研究试验站，甘肃兰州 730000
^2.中国科学院西北高原生物研究所，青海西宁 810008
^3.中国科学院大学，北京 100049

收稿日期:2021-03-29 修回日期:2021-04-26 出版日期:2022-05-20 发布日期:2022-03-30
通讯作者: 胡宜刚
作者简介:Corresponding author. E-mail： huyig@lzb.ac.cn
王亚妮（1996-），女，甘肃庆阳人，在读硕士。E-mail： wangyn45@163.com
基金资助:
青海省重点研发与转化科技成果转化项目(2019-SF-152);国家自然科学基金面上项目(31971749);青海省创新平台建设专项(2017-ZJ-Y20)

Impacts of desertification and artificial revegetation on soil bacterial communities in alpine grassland

Ya-ni WANG¹^,³(), Yi-gang HU¹(), Zeng-ru WANG¹, Yi-kang LI², Zhen-hua ZHANG², Hua-kun ZHOU²

^1.Shapotou Desert Research and Experiment Station，Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China
^2.Northwest Institute of Plateau Biology，Chinese Academy of Sciences，Xining 810008，China
^3.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

Received:2021-03-29 Revised:2021-04-26 Online:2022-05-20 Published:2022-03-30
Contact: Yi-gang HU

摘要/Abstract

摘要：

土壤微生物群落特征指示着草地的质量和健康状况。本研究以青海省贵南县的天然草地（NG）、沙化草地（DG）、草本人工恢复草地（AG）和灌木人工恢复草地（AS）4种草地类型为研究对象，采用qPCR和Illumina MiSeq高通量扩增子测序技术研究了土壤细菌群落生物量、多样性及其结构的变化，结合植被和土壤属性剖析了高寒草地土壤细菌群落演变的关键影响因子及其贡献。结果表明：草地沙化显著（P<0.05）降低了土壤细菌群落的生物量和α多样性，人工植被重建则促进了土壤细菌群落生物量和α多样性的恢复，22年后基本达到未退化前的水平。草地沙化显著（P<0.05）增加了芽单胞菌门（Gemmatimonadota）的相对丰度，而变形菌门（Proteobacteria）和浮霉菌门（Planctomycetota）的相对丰度则显著降低（P<0.05）；人工植被重建促进了优势细菌门逐渐向NG方向演变，22年后绝大部分优势细菌的相对丰度基本恢复到未退化之前的状态。然而，DG、AG和AS与NG的土壤细菌群落结构相似性不高，而AG和AS的群落结构则高度相似。土壤细菌群落结构与绝大多数植被和土壤理化指标显著（P<0.05）正相关，植被属性对其群落结构变化的解释度（10.0%）比土壤物理属性（6.3%）和化学属性（1.9%）更高，植被与土壤所有指标共解释了72.0%的土壤细菌群落结构的变化，表明植被和土壤通过相互作用共同决定了高寒草地土壤细菌群落结构的演变。因此，加强对植被和土壤的保护，防止草地退化，并对沙化草地进行人工植被重建，对于保护和恢复青藏高原高寒草地土壤细菌群落具有重要的生态意义，而选择利用灌木或草本进行人工植被重建对表层土壤细菌群落的影响区别不大。

关键词: 沙化, 植被重建, 草地沙化, 土壤细菌, 高寒草地

Abstract:

Characteristics of the soil microbial communities indicate the health of grasslands and quality of the environment. To elucidate the effects of desertification and artificial revegetation on the respective soil bacterial communities， four alpine grassland types including natural grassland （NG）， desertified grassland （DG）， grass-based artificial grassland （AG） and shrub-basedartificial grassland （AS） in a small watershed of Guinan County， Qinghai Province were selected and qPCR and Illumina MiSeq high-throughput amplicon sequencing technologies were used to study the variation between the communities in bacterial biomass， diversity and structure. We also analyzed the key factors shaping soil bacterial community structure and their contributions based on variations in vegetation and soil properties. It was found that grassland desertification significantly reduced bacterial community biomass and α diversity （P<0.05）， but that bacterial community biomass could be almost restored to the level of undegraded grassland after 22 years of artificial revegetation. Desertification significantly increased the relative abundance of Gemmatimonadota， while abundance of Proteobacteriaand Planctomycetota significantly decreased （P<0.05）. Artificial revegetation promoted the succession of dominant bacteria towards the community structure found in NG， and after 22 years of artificial revegetation， most of the bacterial relative abundances paralleled those of the undegraded status. Dissimilarity in bacterial community structure was noted between NG and DG， AG and AS， community structure in AG and AS were very similar. Soil bacterial community structure significantly positively correlated with the majority of vegetation and soil physiochemical properties （P<0.05）. However， compared to soil physical （6.3%） and chemical （1.9%） properties， vegetation properties explained more variation （10.0%） in bacterial community structure. In total， the measured vegetation and soil indices explained 72.0% of variation in soil bacterial community structure， implying that vegetation and soil determine the shifts of soil bacterial community structure. Accordingly， it is essential and meaningful to strengthen vegetation and soil protection， and implement artificial revegetation in desertified grassland for protection and restoration of soil bacterial communities in Tibetan alpine grassland. However， the choice between shrub and grass planting during revegetation made little difference to the superficial soil bacterial community structure in artificial revegetation.

Key words: desertification, artificial revegetation, grassland desertification, soil bacteria, alpine grassland

王亚妮, 胡宜刚, 王增如, 李以康, 张振华, 周华坤. 沙化和人工植被重建对高寒草地土壤细菌群落特征的影响[J]. 草业学报, 2022, 31(5): 26-39.

Ya-ni WANG, Yi-gang HU, Zeng-ru WANG, Yi-kang LI, Zhen-hua ZHANG, Hua-kun ZHOU. Impacts of desertification and artificial revegetation on soil bacterial communities in alpine grassland[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2022, 31(5): 26-39.

图/表 9

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指标Index	天然草地NG	沙化草地DG	草本人工恢复草地AG	灌木人工恢复草地AS
植被盖度PC （%）	61. 67±2.42a	0b	59.00±1.63a	54.95±2.05a
植物物种丰富度PR （%）	12.60±1.29a	0c	7.40±0.75b	10.80±0.37a
植物香农指数PS （%）	2.41±0.14a	0b	1.90±0.18a	2.28±0.04a
植物地上生物量Abs （g·m^-2）	167.38±19.45a	0b	104.75±9.39a	344.51±79.67a
土壤水分SM （%）	8.36±0.21a	5.42±0.50b	8.28±0.13a	7.32±0.29a
土壤容重BD （g·m^-3）	124.04±2.00c	148.78±1.70a	139.59±1.31b	141.34±1.81b
pH	8.37±0.03b	8.85±0.03a	8.71±0.05a	8.66±0.05a
电导率EC （us·cm^-1）	161.20±3.31a	113.42±3.03c	132.92±1.71b	136.32±1.78b
土壤总有机碳TOC （%）	0.77±0.06b	0.37±0.03c	0.74±0.02b	0.97±0.03a
土壤全氮TN （%）	0.06±0.00a	0.01±0.00b	0.02±0.00b	0.04±0.00a
土壤全磷TP （g·kg^-1）	0.49±0.01a	0.44±0.02b	0.44±0.01b	0.39±0.01c
土壤有效磷AP （mg·kg^-1）	4.31±0.27b	2.75±0.37b	4.40±0.50b	6.56±0.55a
速效钾AK （mg·kg^-1）	251.00±3.32a	173.20±6.54c	183.20±7.37c	224.80±7.30b
硝态氮NO₃^--N （mg·kg^-1）	1.14±0.09a	0.50±0.02c	1.23±0.06a	0.82±0.01b
铵态氮NH₄⁺-N （mg·kg^-1）	0.40±0.09b	0.86±0.02a	0.46±0.08b	0.87±0.05a

指标Index	天然草地NG	沙化草地DG	草本人工恢复草地AG	灌木人工恢复草地AS
植被盖度PC （%）	61. 67±2.42a	0b	59.00±1.63a	54.95±2.05a
植物物种丰富度PR （%）	12.60±1.29a	0c	7.40±0.75b	10.80±0.37a
植物香农指数PS （%）	2.41±0.14a	0b	1.90±0.18a	2.28±0.04a
植物地上生物量Abs （g·m^-2）	167.38±19.45a	0b	104.75±9.39a	344.51±79.67a
土壤水分SM （%）	8.36±0.21a	5.42±0.50b	8.28±0.13a	7.32±0.29a
土壤容重BD （g·m^-3）	124.04±2.00c	148.78±1.70a	139.59±1.31b	141.34±1.81b
pH	8.37±0.03b	8.85±0.03a	8.71±0.05a	8.66±0.05a
电导率EC （us·cm^-1）	161.20±3.31a	113.42±3.03c	132.92±1.71b	136.32±1.78b
土壤总有机碳TOC （%）	0.77±0.06b	0.37±0.03c	0.74±0.02b	0.97±0.03a
土壤全氮TN （%）	0.06±0.00a	0.01±0.00b	0.02±0.00b	0.04±0.00a
土壤全磷TP （g·kg^-1）	0.49±0.01a	0.44±0.02b	0.44±0.01b	0.39±0.01c
土壤有效磷AP （mg·kg^-1）	4.31±0.27b	2.75±0.37b	4.40±0.50b	6.56±0.55a
速效钾AK （mg·kg^-1）	251.00±3.32a	173.20±6.54c	183.20±7.37c	224.80±7.30b
硝态氮NO₃^--N （mg·kg^-1）	1.14±0.09a	0.50±0.02c	1.23±0.06a	0.82±0.01b
铵态氮NH₄⁺-N （mg·kg^-1）	0.40±0.09b	0.86±0.02a	0.46±0.08b	0.87±0.05a

门类 Phylum	相对丰度 Relative abundance （%）				P 值 P value	退化比例 Degradation proportion （%）	恢复比例 Recovery proportion （%）
门类 Phylum	NG	DG	AG	AS	P 值 P value	退化比例 Degradation proportion （%）	AG	AS
放线菌门Actinobacteriota	36.82ab	37.92a	34.62b	35.85ab	0.048	0.03	-0.09	-0.06
变形菌门Proteobacteria	24.26b	18.61c	29.68a	27.70ab	0.009	-0.23	0.46	0.37
绿弯菌门Chloroflexi	12.64a	11.05a	11.41a	11.70a	0.381	-0.13	0.03	0.05
酸杆菌门Acidobacteriota	14.19a	12.61a	10.02a	9.93a	0.087	-0.11	-0.18	-0.19
芽单胞菌门Gemmatimonadota	2.61b	8.71a	3.14b	2.86b	0.017	2.34	-2.13	-2.24
拟杆菌门Bacteroidota	2.81b	2.63b	4.45a	4.92a	0.009	-0.06	0.65	0.81
厚壁菌门Firmicutes	1.15a	2.10a	0.70a	0.85a	0.090	0.83	-1.22	-1.09
粘球菌门Myxococcota	1.13a	0.82b	1.19a	1.06ab	0.060	-0.27	0.32	0.21
浮霉菌门Planctomycetota	1.03a	0.28b	0.72ab	0.92a	0.025	-0.73	0.43	0.63

门类 Phylum	相对丰度 Relative abundance （%）				P 值 P value	退化比例 Degradation proportion （%）	恢复比例 Recovery proportion （%）
门类 Phylum	NG	DG	AG	AS	P 值 P value	退化比例 Degradation proportion （%）	AG	AS
放线菌门Actinobacteriota	36.82ab	37.92a	34.62b	35.85ab	0.048	0.03	-0.09	-0.06
变形菌门Proteobacteria	24.26b	18.61c	29.68a	27.70ab	0.009	-0.23	0.46	0.37
绿弯菌门Chloroflexi	12.64a	11.05a	11.41a	11.70a	0.381	-0.13	0.03	0.05
酸杆菌门Acidobacteriota	14.19a	12.61a	10.02a	9.93a	0.087	-0.11	-0.18	-0.19
芽单胞菌门Gemmatimonadota	2.61b	8.71a	3.14b	2.86b	0.017	2.34	-2.13	-2.24
拟杆菌门Bacteroidota	2.81b	2.63b	4.45a	4.92a	0.009	-0.06	0.65	0.81
厚壁菌门Firmicutes	1.15a	2.10a	0.70a	0.85a	0.090	0.83	-1.22	-1.09
粘球菌门Myxococcota	1.13a	0.82b	1.19a	1.06ab	0.060	-0.27	0.32	0.21
浮霉菌门Planctomycetota	1.03a	0.28b	0.72ab	0.92a	0.025	-0.73	0.43	0.63

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沙化和人工植被重建对高寒草地土壤细菌群落特征的影响

Impacts of desertification and artificial revegetation on soil bacterial communities in alpine grassland

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图/表 9

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