全 文 ：贝加尔针茅草原土壤微生物功能多样性
对氮素和水分添加的响应
王杰，李刚，修伟明，赵建宁，王慧，杨殿林
（农业部产地环境质量重点实验室 农业部环境保护科研监测所，天津３００１９１）
摘要：应用Ｂｉｏｌｏｇ技术研究了连续２年氮素与水分添加处理对贝加尔针茅草原土壤微生物功能多样性的影响。结
果表明，水分添加能够减少氮肥对微生物的抑制作用，增强微生物的代谢活性和微生物对碳源的利用能力，水分添
加与Ｎ１５水平氮处理的交互作用显著提高了土壤微生物对碳源的利用能力和功能多样性。与对照相比，高氮处理
（Ｎ１００、Ｎ１５０、Ｎ２００和Ｎ３００）下微生物群落丰富度指数和均匀度指数降低，而优势度指数升高。氮素与水分添加处理不
仅改变了微生物的功能多样性，也使微生物对碳源的利用模式发生转变。主成分分析表明，低氮肥与高氮肥处理
下土壤微生物对碳源利用模式上存在较大差异，氮肥是主要影响因子。糖类、氨基酸类和代谢中间产物及次生代
谢物是土壤微生物利用的主要碳源。土壤总有机碳、全氮、铵态氮、硝态氮含量与微生物群落功能多样性密切相
关。
关键词：贝加尔针茅草原；氮素与水分添加；土壤微生物群落；功能多样性；ＢｉｏｌｏｇＥｃｏ
中图分类号：Ｓ８１２．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４５７５９（２０１４）０４０３４３０８
犇犗犐：１０．１１６８６／ｃｙｘｂ２０１４０４４１
化石燃料和氮肥的大量使用，加速了全球活性氮的固定和排放［１］，大气氮沉降的增加已成为全球变化的重要
现象之一［２］。大量氮的输入（自然氮沉降和人为施氮）不仅影响陆地生态系统可利用氮素的状况，改变与氮相关
的多种土壤生化过程［３］，造成土壤富营养化，同时还会导致土壤生态系统结构与功能的改变，进而导致一系列环
境问题的产生。气候变暖与降水变化总是相伴而生，降水能增加土壤湿度，有助于氮肥肥效的发挥，同时对土壤
微生物活性和群落结构也有一定的影响［４］。氮素与水分已成为影响陆地生态系统的重要因子，因此，研究氮素与
水分交互作用对陆地生态系统微生物的影响具有重要的意义。
草地生态系统的分布面积较广，占地球陆地表面的１６．４％［５］，中国的草地面积是世界草地总面积的６％～
８％［６］，草地生态系统对陆地和大气的物质循环和能量流动至关重要［７］。土壤微生物是草地生态系统的重要组成
部分，是草地土壤质量变化的重要指示指标，其生物量对土壤条件的变化非常敏感，微生物功能多样性既代表了
土壤的生物活性，又能反映出生态胁迫机制下微生物群落的生态特征［８］。贝加尔针茅（犛狋犻狆犪犫犪犻犮犪犾犲狀狊犻狊）草原是
欧亚大陆草原的重要组成部分，是内蒙古草甸草原的代表类型之一，在我国畜牧业生产中占有重要的地位［９］。对
于氮沉降和降水对草原生态系统的研究，以往主要集中于对草原群落地上植被的影响，而作为草原生态系统的重
要生命组分，土壤微生物群落对二者的响应机制尚不清楚［１０１１］。本研究旨在探讨氮沉降和降水对草原土壤微生
物功能多样性的影响，为深入了解我国温带草原土壤微生物生态系统功能和草原合理化利用提供理论依据和技
术支撑。
１ 材料与方法
１．１ 试验地概况
试验地位于大兴安岭西麓，内蒙古自治区鄂温克自治旗伊敏苏木境内，地理位置为北纬４８°２７′～４８°３５′，东
第２３卷 第４期
Ｖｏｌ．２３，Ｎｏ．４
草 业 学 报
ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ
３４３－３５０
２０１４年８月
收稿日期：２０１３０８１９；改回日期：２０１３１０３１
基金项目：国家自然科学基金项目（３１１７０４３５，３１０００２４２）和“十二五”国家科技计划项目（２０１２ＢＡＤ１３Ｂ０７）资助。
作者简介：王杰（１９８６），女，黑龙江黑河人，在读硕士。Ｅｍａｉｌ：ｗａｎｇｊｉｅ＿１９８６＠１２６．ｃｏｍ
通讯作者。Ｅｍａｉｌ：ｙａｎｇｄｉａｎｌｉｎ＠ｃａａｓ．ｃｎ
经１１９°３５′～１１９°４１′，海拔为７６０～７７０ｍ。地势平坦，属于温带草甸草原区。半干旱大陆性季风气候。年均气温
－１．６℃，年降水量３２８．７ｍｍ，年蒸发量１４７８．８ｍｍ，≥０℃年积温２５６７．５℃，年均风速４ｍ／ｓ，无霜期１１３ｄ。土
壤类型为暗栗钙土［１２］。植被类型为贝加尔针茅草甸草原，建群种贝加尔针茅在群落中占绝对优势，羊草（犔犲狔
犿狌狊犮犺犻狀犲狀狊犻狊）为优势种，日荫菅（犆犪狉犲狓狆犲犱犻犳狅狉犿犻狊）、变蒿（犃狉狋犲犿犻狊犻犪犮狅犿犿狌狋犪狋犪）、扁蓿豆（犘狅犮狅犮犽犻犪狉狌狋犺犲狀犻
犮犪）、草地麻花头（犛犲狉狉犪狋狌犾犪狔犪犿犪狋狊狌狋犪狀狀犪）、多茎野豌（犞犻犮犻犪犿狌犾狋犻犮犪狌犾犻狊）、祁洲漏芦（犚犺犪狆狅狀狋犻犮狌狌狀犻犳犾狅狉狌犿）、
寸草苔（犆犪狉犲狓犱狌狉犻狌狊犮狌犾犪）、肾叶唐松草（犜犺犪犻犮狋狉狌犿狆犲狋犪犾狅犻犱犲狌犿）等为常见种或伴生种。共有植物６６种，分属
２１科４９属。
１．２ 样地设置和土壤样品采集
１．２．１ 样地设置 于２０１０年６月在围栏样地内设置长期氮素和水分添加试验，试验采用裂区设计，主区为水分
添加处理，副区为施氮素水平。氮处理设８个水平，依次为：０（ＣＫ），１５，３０，５０，１００，１５０，２００，３００ｋｇＮ／
（ｈｍ２·ａ），分２次施入，第１次６月１５日施氮５０％处理水平；第２次７月１５日施氮５０％处理水平，氮素为
ＮＨ４ＮＯ３。为能够尽可能均匀施肥，根据氮处理水平，将每个小区每次所需要施加的硝酸铵（ＮＨ４ＮＯ３）溶解在８
Ｌ水中（全年增加的水量相当于新增降水１．０ｍｍ），水溶后均匀喷施到小区内。ＣＫ小区同时喷洒相同量的水。
水分添加设置２个处理，分别为非水分添加、模拟夏季增雨１００ｍｍ的水分添加，模拟增雨的时间自６月１５日开
始，每７ｄ模拟增雨１０ｍｍ，共１０次。共１６个处理小区，６次重复，小区面积８ｍ×８ｍ。
１．２．２ 土壤样品采集 ２０１２年８月，用直径为５ｃｍ的土钻，按照“随机”、“等量”和“多点混合”的原则，在各个
处理小区内按照Ｓ型取样法选取２０个点，去除表面植被，取０～１５ｃｍ土壤混匀，去除根系和土壤入侵物，采用
“四分法”选取１ｋｇ土壤，迅速装入无菌封口袋，将其分成两部分，一部分于－７０℃超低温冰箱中保存，用于土壤
微生物分析。一部分土样于室内自然风干后研磨过筛，用于土壤理化性状分析。
１．３ 分析方法
１．３．１ 土壤理化性质 土壤中的总有机碳、ｐＨ值、全氮、硝态氮、铵态氮的测定分别参照鲍士旦［１３］的方法。
１．３．２ 土壤微生物功能多样性 在超净工作台中将１０ｇ鲜土加入盛有９０ｍＬ０．８５％无菌ＮａＣｌ溶液的三角瓶
中，用封口膜封好，以２５０ｒ／ｍｉｎ的速度振荡３０ｍｉｎ，取出静置１０ｍｉｎ后，取５ｍＬ上清液加入４５ｍＬ０．８５％的
无菌ＮａＣｌ溶液，重复以上过程，稀释土壤悬浮液的最终浓度到１０－３，用８道移液器吸取１５０μＬ稀释液加入到
３×３１种碳源物质的ＢｉｏｌｏｇＥｃｏ微平板中［１４］，最后将ＢｉｏｌｏｇＥｃｏ微平板置于２８℃恒温培养箱中培养，分别于２４，
４８，７２，９６，１２０，１４４和１６８ｈ在Ｂｉｏｌｏｇ微孔板读数仪上读数［１５］。
１．４ 数据统计与分析
采用ＳＡＳ９．１统计软件进行方差分析（ＡＮＯＶＡ），ＳＰＳＳ１６．０进行主成分分析（ｐｒｉｎｃｉｐａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔａｎａｌｙ
ｓｉｓ，ＰＣＡ），Ｄｕｎｃａｎ法进行多重比较和显著性分析。
对于Ｂｉｏｌｏｇ数据，培养７２ｈ的微生物生长代谢处于旺盛时期，因此选取培养时间７２ｈ的试验结果进行分
析［１６］，利用平均颜色变化率（ａｖｅｒａｇｅｗｅｌｃｏｌｏｒｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，犃犠犆犇）来反映可培养细菌的活性，其中单孔平均
光密度值计算按照Ｇａｒｌａｎｄ和 Ｍｉｌｓ［１７］的方法，Ｓｈａｎｎｏｎ－Ｗｉｅｎｅｒ丰富度指数（Ｈ）、Ｓｈａｎｎｏｎ－Ｗｉｅｎｅｒ均匀度指
数（Ｅ）、Ｓｉｍｐｓｏｎ优势度指数（Ｄ）用来表示土壤微生物功能多样性［１８１９］。计算公式为：
犃犠犆犇＝∑（犆５９０－犆７５０）／３１
式中，犆为每孔的吸光值，犆５９０、犆７５０分别为５９０，７５０ｎｍ的吸光值，３１为ＢｉｏｌｏｇＥｃｏ微平板上碳源的种类数。
Ｓｈａｎｎｏｎ－Ｗｉｅｎｅｒ丰富度指数：犎＝－∑犘犻ｌｎ犘犻
式中，犘犻为第犻孔的相对吸光值与整个平板相对吸光值总和的比率。
Ｓｈａｎｎｏｎ－Ｗｉｅｎｅｒ均匀度指数：犈＝犎／犎ｍａｘ＝犎／ｌｎ犛
式中，犎 是Ｓｈａｎｎｏｎ丰富度指数，犛是有颜色变化孔的数目。
Ｓｉｍｐｓｏｎ优势度指数：犇＝１－∑犘犻２
式中，犘犻为第犻孔相对吸光值与整个平板相对吸光值总和的比率。
４４３ ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ（２０１４） Ｖｏｌ．２３，Ｎｏ．４
２ 结果与分析
２．１ 土壤微生物平均颜色变化率的动态特征
对不同的氮素和水分添加处理每隔２４ｈ测定ＯＤ值，计算平均颜色变化率（犃犠犆犇）的值。由图１和图２可
知，随着培养时间的延长，不同处理土壤微生物犃犠犆犇 值均呈增长的趋势，说明土壤微生物利用碳源的能力随
时间的延长而增强，其中水分添加条件Ｎ１５处理的犃犠犆犇 值升高很快，说明在此处理下微生物利用碳源的能力
较强，非水分添加Ｎ５０处理在１２０ｈ前的犃犠犆犇值较高，说明此时间段内微生物有较强的碳源利用能力，随后对
碳源的利用率降低。各处理的犃犠犆犇值在７２ｈ前有相似的斜率，犃犠犆犇 值很小，说明微生物对Ｂｉｏｌｏｇ微平板
上的碳源基质利用量很小，但水分添加处理７２ｈ后的斜率明显比非水分添加处理的高，犃犠犆犇 值升高较快，碳
源已被大幅度利用，说明水分添加处理能提高土壤微生物的活性，增强微生物对碳源的利用率。
图１ 水分添加下土壤微生物群落平均颜色
变化率随时间的动态变化
犉犻犵．１ 犃犠犆犇犱狔狀犪犿犻犮狊狑犻狋犺犻狀犮狌犫犪狋犻狅狀
狋犻犿犲狌狀犱犲狉狑犪狋犲狉犪犱犱犻狋犻狅狀
图２ 非水分添加下土壤微生物群落平均颜色
变化率随时间的动态变化
犉犻犵．２ 犃犠犆犇犱狔狀犪犿犻犮狊狑犻狋犺犻狀犮狌犫犪狋犻狅狀
狋犻犿犲狌狀犱犲狉狀狅狑犪狋犲狉犪犱犱犻狋犻狅狀
２．２ 土壤微生物群落多样性指数的变化
由表１可见，不同氮素处理水平下，贝加尔针茅草原土壤微生物群落的功能多样性指数不同。与对照相比，
高氮肥处理（Ｎ１００、Ｎ１５０、Ｎ２００和Ｎ３００）的丰富度指数与均匀度指数随氮处理水平的升高呈下降的趋势，方差分析表
明，非水分添加条件下Ｎ１００、Ｎ１５０、Ｎ３００的丰富度指数显著低于对照（犘＜０．０５），下降幅度为５３．７１％～１９．０１％，而
水分添加条件下各处理与对照的差异不显著。水分添加条件下Ｎ２００处理与非水分添加条件Ｎ１００、Ｎ３００处理的均
匀度指数显著低于对照（犘＜０．０５），分别下降２８．０５％和４４．１６％，２２．２７％。随施氮量的增加，优势度指数有升
高的趋势，但较对照来说，差异不显著。总体来看，水分添加条件下Ｎ１５处理的均匀度指数与优势度指数最高。
２．３ 主成分分析
为了探讨氮素和水分添加处理下土壤微生物群落结构变化，将土壤微生物７２ｈ时测定的吸光度值进行标准
化处理，然后进行主成分分析。由表２可见，前９个主成分（ｐｒｉｎｃｉｐａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔ，ＰＣ）可以解释８０％以上的原变
量的特征，主成分的重要性逐渐降低。取前３个主成分作图进行分析，从图３可以看出，无论是水分添加还是非
水分添加，低氮肥ＩＮ０、ＩＮ３０、ＩＮ５０、ＮＮ１５处理，主要分布在ＰＣ３轴，且向ＰＣ２轴正端漂移，其微生物群落碳源代
谢特征较为接近；高氮肥ＩＮ１００、ＩＮ１５０、ＩＮ２００、ＩＮ３００、ＮＮ３０、ＮＮ１００、ＮＮ１５０、ＮＮ２００、ＮＮ３００处理较密集的分布在
ＰＣ１与ＰＣ２轴的负方向，有相似的碳源利用模式和微生物代谢功能；ＮＮ５０处理有较大的离散，但主要分布在
ＰＣ２轴的正方向，ＰＣ１轴的负方向；ＩＮ１５处理则分布于ＰＣ１的正方向，ＰＣ２的负方向，与相应的低肥处理相比，发
生了较大的偏移；对照处理ＮＮ０主要分布于ＰＣ１和ＰＣ３轴上，具有独特的碳源利用模式。由此可知，不同氮素
与水分添加处理方式下的微生物主要有５种碳源利用模式，对照、低氮、高氮处理下的微生物对利用ＰＣ１、ＰＣ２、
５４３第２３卷第４期 草业学报２０１４年
ＰＣ３代表的碳源有不同程度的偏好，但对ＰＣ１代表的碳源利用量较高，水分添加与低氮处理（ＩＮ１５）下的微生物
形成了独特的代谢方式，说明水分添加对微生物的新陈代谢有一定的影响。
表１ 土壤微生物群落多样性指数
犜犪犫犾犲１ 犇犻狏犲狉狊犻狋狔犻狀犱犻犮犲狊犳狅狉狊狅犻犾犿犻犮狉狅犫犻犪犾犮狅犿犿狌狀犻狋犻犲狊
处理
Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
丰富度指数Ｒｉｃｈｎｅｓｓｉｎｄｅｘ（Ｈ）
水分添加
Ｗａｔｅｒａｄｄｉｔｉｏｎ
非水分添加
Ｎｏｗａｔｅｒａｄｄｉｔｉｏｎ
均匀度指数Ｅｖｅｎｎｅｓｓｉｎｄｅｘ（Ｅ）
水分添加
Ｗａｔｅｒａｄｄｉｔｉｏｎ
非水分添加
Ｎｏｗａｔｅｒａｄｄｉｔｉｏｎ
优势度指数 Ｄｏｍｉｎａｎｃｅｉｎｄｅｘ（Ｄ）
水分添加
Ｗａｔｅｒａｄｄｉｔｉｏｎ
非水分添加
Ｎｏｗａｔｅｒａｄｄｉｔｉｏｎ
Ｎ０ ２．５９±０．１５ａ ２．４２±０．０６ａ ０．８２±０．０４ａｂｃ ０．７７±０．０２ａ ０．７９±０．０３ａｂｃ ０．８８±０．００ａｂ
Ｎ１５ ２．６４±０．１２ａ ２．０８±０．０３ａｂ ０．９３±０．０４ａ ０．７３±０．０１ａｂ ０．９４±０．０１ａｂ ０．８５±０．０４ａｂ
Ｎ３０ ２．７９±０．４６ａ ２．４８±０．１１ａ ０．８７±０．１４ａｂ ０．７８±０．０３ａ ０．６８±０．０７ａｂ ０．７１±０．０８ａｂ
Ｎ５０ ２．１１±０．１７ａ ２．４４±０．０１ａ ０．５９±０．０４ｃ ０．６８±０．００ａｂ ０．７７±０．０５ａｂ ０．８７±０．０１ａｂ
Ｎ１００ １．９９±０．２８ａ １．１２±０．１４ｃ ０．７８±０．１１ａｂｃ ０．４３±０．０５ｃ ０．９０±０．０２ａｂ ０．８６±０．１１ａｂ
Ｎ１５０ ２．２０±０．１３ａ １．５２±０．２９ｃ ０．６５±０．０３ｂｃ ０．６６±０．１２ａｂ ０．８２±０．０２ｂ ０．６８±０．１１ｂ
Ｎ２００ ２．３０±０．２０ａ ２．５１±０．０１ａ ０．５９±０．０５ｃ ０．６５±０．００ａｂ ０．８６±０．０２ａ ０．９１±０．００ａ
Ｎ３００ ２．２１±０．１２ａ １．９６±０．１９ｂ ０．６３±０．０３ｂｃ ０．５６±０．０５ｂｃ ０．８８±０．０１ａ ０．９２±０．０３ａ
注：同列不同字母表示差异显著（犘＜０．０５）。
Ｎｏｔｅ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｅｔｔｅｒｓｗｉｔｈｉｎｔｈｅｓａｍｅｃｏｌｕｍｎｉｎｄｉｃａｔｅｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅａｔ０．０５ｌｅｖｅｌ．
表２ 前９个主成分因子的贡献率与累积贡献率
犜犪犫犾犲２ 犆狅狀狋狉犻犫狌狋犻狅狀狉犪狋犲狊犪狀犱犪犮犮狌犿狌犾犪狋犻狏犲犮狅狀狋狉犻犫狌狋犻狅狀
狉犪狋犲狊狅犳狋犺犲犳犻狉狊狋９狆狉犻狀犮犻狆犪犾犮狅犿狆狅狀犲狀狋狊 ％
主成分
Ｐｒｉｎｃｉｐａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔ
（ＰＣ）
贡献率
Ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎ
ｒａｔｅ
累积贡献率
Ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｖｅｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎ
ｒａｔｅ
主成分１ＰＣ１ ２７．５ ２７．５
主成分２ＰＣ２ １０．６ ３８．１
主成分３ＰＣ３ ９．８ ４７．９
主成分４ＰＣ４ ７．１ ５５．０
主成分５ＰＣ５ ６．５ ６１．５
主成分６ＰＣ６ ５．９ ６７．４
主成分７ＰＣ７ ４．９ ７２．３
主成分８ＰＣ８ ４．１ ７６．４
主成分９ＰＣ９ ３．８ ８０．２
图３ 微生物群落碳源利用的主成分分析
犉犻犵．３ 犘狉犻狀犮犻狆犪犾犮狅犿狆狅狀犲狀狋狊犪狀犪犾狔狊犻狊犳狅狉犮犪狉犫狅狀
狌狋犻犾犻狕犪狋犻狅狀狅犳狊狅犻犾犿犻犮狉狅犫犻犪犾犮狅犿犿狌狀犻狋犻犲狊
Ｉ表示水分添加处理，Ｎ表示非水分添加处理。Ｉｓｔａｎｄｆｏｒｔｈｅｔｒｅａｔ
ｍｅｎｔｏｆｗａｔｅｒａｄｄｉｔｉｏｎ，Ｎｓｔａｎｄｆｏｒｔｈｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆｎｏｗａｔｅｒａｄｄｉｔｉｏｎ．
碳源载荷值越高，表示其对主成分的影响越大，为阐明不同微生物群落对不同碳源的利用差异，根据微生物
群落对３大营养物质的代谢途径不同，将ＢｉｏｌｏｇＥＣＯ板的碳源底物分为４类：糖类及其衍生物、氨基酸类及其衍
生物、脂肪酸和脂类、代谢中产物和次生代谢物［２０］。由表３可见，３１种碳源中，对ＰＣ１影响较大（载荷值＞０．６）
的碳源主要有１１种，多为氨基酸和糖类，对ＰＣ２影响较大的碳源主要有４种，多为代谢中产物和次生代谢物，而
对ＰＣ３影响较大的碳源有３种，说明氮素与水分添加处理后，贝加尔针茅草原土壤微生物利用的碳源主要是糖
类及其衍生物、氨基酸类及其衍生物和代谢中间产物及次生代谢物。结合图３可知，低氮肥处理的土壤微生物利
用碳源的模式向ＰＣ２轴漂移，说明其利用碳源的方式由糖类、氨基酸类向代谢中产物和次生代谢物转移，氮素是
影响处理间碳源利用模式产生差异的主要原因。
６４３ ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ（２０１４） Ｖｏｌ．２３，Ｎｏ．４
２．４ 微生物功能多样性指数与理化性状之间的关系
将微生物的丰富度指数、均匀度指数与土壤的ｐＨ、全氮、铵态氮、硝态氮进行相关分析，由表４可以看出，无
论是水分添加还是非水分添加，微生物丰富度指数与全氮含量呈显著负相关（犘＜０．０５），均匀度指数与土壤ｐＨ
呈显著正相关（犘＜０．０５），水分添加条件下均匀度与全氮含量呈极显著负相关（犘＜０．０１），非水分添加条件下与
铵态氮含量呈显著负相关（犘＜０．０５），与硝态氮含量呈极显著负相关（犘＜０．０１）。由此说明，长期的氮素与水分
添加处理使土壤的理化性质发生变化，从而影响微生物的功能多样性，且长期的氮素处理对微生物的功能多样性
有抑制作用。
表３ 相关碳源在主成分上的载荷值
犜犪犫犾犲３ 犔狅犪犱犻狀犵狏犪犾狌犲狊狅犳狆狉犻狀犮犻狆犪犾犮狅犿狆狅狀犲狀狋狊狅犳犮狅狉狉犲犾犪狋犻狏犲狊狅犾犲犮犪狉犫狅狀狊狅狌狉犮犲狊
ＰＣ１相关碳源
ＰＣ１ｃａｒｂｏｎｓｏｕｒｃｅｓ
载荷值
Ｌｏａｄｉｎｇｖａｌｕｅｓ
ＰＣ２相关碳源
ＰＣ２ｃａｒｂｏｎｓｏｕｒｃｅｓ
载荷值
Ｌｏａｄｉｎｇｖａｌｕｅｓ
ＰＣ３相关碳源
ＰＣ３ｃａｒｂｏｎｓｏｕｒｃｅｓ
载荷值
Ｌｏａｄｉｎｇｖａｌｕｅｓ
β甲基Ｄ葡萄糖苷（糖类）
βｍｅｔｈｙｌＤｇｌｕｃｏｓｉｄｅ
０．７６７ Ｄ纤维二糖（糖类）
Ｄｃｅｌｏｂｉｏｓｅ
０．９１９ 丙酮酸甲酯（脂类）
Ｐｙｒｕｖｉｃａｃｉｄｍｅｔｈｙｌｅｓｔｅｒ
０．８０８
Ｌ精氨酸（氨基酸类）
Ｌａｒｇｉｎｉｎｅ
０．６３３ １磷酸葡萄糖（其他）
Ｇｌｕｃｏｓｅ１ｐｈｏｓｐｈａｔｅ
０．７２２ Ｌ天门冬酰胺（氨基酸类）
Ｌａｓｐａｒａｇｉｎｅ
０．６７１
Ｄ木糖（糖类）Ｄｘｙｌｏｓｅ －０．６０２ 苯乙胺（其他）Ｐｈｅｎｙｌｅｔｈｙｌａｍｉｎｅ ０．７６４ 肝糖（糖类）Ｇｌｙｃｏｇｅｎ ０．８１０
Ｄ半乳糖醛酸（糖类）
Ｄｇａｌａｃｔｕｒｏｎｉｃａｃｉｄ
０．８７７ Ｄ，Ｌα磷酸甘油（其他）
Ｄ，Ｌαｇｌｙｃｅｒｏｌｐｈｏｓｐｈａｔｅ
０．６５１
Ｌ天门冬酰胺（氨基酸类）
Ｌａｓｐａｒａｇｉｎｅ
０．６５１
４羟基苯甲酸（其他）
４ｈｙｄｒｏｘｙｂｅｎｚｏｉｃａｃｉｄ
０．７８０
Ｌ丝氨酸（氨基酸类）Ｌｓｅｒｉｎｅ ０．６０９
Ｎ乙酰Ｄ葡萄糖氨（糖类）
ＮａｃｅｔｙｌＤｇｌｕｃｏｓａｍｉｎｅ
０．６７１
甘氨酰Ｌ谷氨酸（氨基酸类）
ＧｌｙｃｙｌＬｇｌｕｔａｍｉｃａｃｉｄ
０．６７７
１磷酸葡萄糖（其他）
Ｇｌｕｃｏｓｅ１ｐｈｏｓｐｈａｔｅ
０．６２１
腐胺（其他）Ｐｕｔｒｅｓｃｉｎｅ ０．７２９
表４ 微生物功能多样性指标与土壤理化性质的相关关系
犜犪犫犾犲４ 犜犺犲犮狅狉狉犲犾犪狋犻狅狀犪狀犪犾狔狊犻狊狅犳犿犻犮狉狅犫犻犪犾犳狌狀犮狋犻狅狀犪犾犱犻狏犲狉狊犻狋狔犻狀犱犲狓狑犻狋犺狊狅犻犾狆犺狔狊犻犮狅犮犺犲犿犻犮犪犾狆狉狅狆犲狉狋犻犲狊
理化指标
Ｐｈｙｓｉｃｏｃｈｅｍｉｃａｌｉｎｄｅｘ
丰富度指数 Ｒｉｃｈｎｅｓｓｉｎｄｅｘ（Ｈ）
水分添加 Ｗａｔｅｒａｄｄｉｔｉｏｎ 非水分添加Ｎｏｗａｔｅｒａｄｄｉｔｉｏｎ
均匀度指数Ｅｖｅｎｎｅｓｓｉｎｄｅｘ（Ｅ）
水分添加 Ｗａｔｅｒａｄｄｉｔｉｏｎ 非水分添加Ｎｏｗａｔｅｒａｄｄｉｔｉｏｎ
ｐＨ ０．５０７８ ０．５７３４ ０．７００７ ０．８４０５
全氮 ＴｏｔａｌＮ －０．７０３３ －０．７３０１ －０．８５３７ －０．２２６５
铵态氮 ＮＨ４＋Ｎ －０．２８８９ －０．４９７４ －０．４９５８ －０．７４０２
硝态氮 ＮＯ３－Ｎ －０．３２０２ －０．６４３３ －０．５３０１ －０．９４９３
注：表示显著相关（犘＜０．０５），表示极显著相关（犘＜０．０１）。
Ｎｏｔｅ：ｉｎｄｉｃａｔｅｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ（犘＜０．０５），ｉｎｄｉｃａｔｅｄｈｉｇｈｌｙｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ（犘＜０．０１）．
７４３第２３卷第４期 草业学报２０１４年
３ 讨论
长期施氮肥不仅能够改变土壤理化性质，而且改变了土壤微生物代谢群落结构多样性，这与前人的研究结论
一致［２１２２］。本研究中的犃犠犆犇值（图１）表现为水分添加处理下较高，说明水分有利于氮肥肥效的发挥，能提高
土壤微生物的活性，是影响微生物功能多样性的重要因素，Ｃｅｄｅｒｌｕｎｄａ等［２３］的研究表明，含水量高的土壤有较高
的微生物量与微生物活性。有研究发现土壤湿度在调节微生物活性与多样性方面至关重要，它直接影响微生物
的生理状态，限制微生物分解某些化合物的能力，同时调节土壤酶和土壤理化性质，进而影响微生物组成与活
性［２４２５］。
Ｂｉｏｌｏｇ分析方法用于表征土壤微生物群落的功能潜力，是一种群落水平的生理特性分析方法。它基于微生
物利用碳源能力的不同来研究微生物的碳源利用模式［２６］，其中，犃犠犆犇 值是表征微生物活性的重要指标，本研
究中大部分处理犃犠犆犇值与土壤有机碳含量的顺序具有一致性，这可能是因为施用无机氮肥，土壤有效氮含量
增加，提高了植物生产力，增加了凋落物、植物根茬等的残留，使土壤中积累的有机碳总量增加。适当的水分添加
也可以提高植物生产力，增加土壤有机碳含量，而有机碳含量高的土壤能提供更多的有效碳源，有利于保持相对
高的微生物活性［２７］。Ｄａｌｍｏｎｅｃｈ等［２８］的研究也表明土壤微生物的活性与土壤有机碳的含量相关。
微生物功能多样性与土壤ｐＨ、全氮、铵硝氮含量具有相关性（表４）。相关研究表明ｐＨ是影响土壤微生物
多样性的重要因子［２９］。ｐＨ值的变化与氮素的添加强度呈负相关关系，与铵态氮硝态氮含量呈极显著负相关
（狉＝－０．８５６８４，犘＝０．００６６；狉＝－０．８６８４３，犘＝０．００５１）。分析认为长期施用氮肥，硝态氮与铵态氮含量显著增
加，而铵态氮的硝化作用引起土壤酸化，使土壤ｐＨ值降低，较低的ｐＨ值抑制了相关微生物的活性及其增长［３０］，
从而导致微生物功能多样性的降低。与低氮肥处理相比，高氮肥（Ｎ１００～Ｎ３００）土壤微生物的丰富度指数与均匀度
指数随施氮量的增加呈降低趋势，优势度指数则有升高的趋势（表１），可能是由于高量氮肥改变了土壤微生物的
优势种群，促进了某些微生物种群生长代谢，而抑制了其他种微生物种群的生长代谢［３１］，使某些微生物功能群与
其相关的特性消失，而使均匀度指数下降，优势度指数升高，水分与氮肥的交互作用使Ｎ１５处理微生物有较高的
多样性指数。
主成分分析能降低变量的数量，而又不损失太多的信息，样本在主成分轴上的分布体现了微生物对碳源的利
用能力［１７，３２］。主成分分析结果表明，贝加尔针茅草原在水分添加与施氮处理下，土壤微生物对碳源的利用模式
和能力不同，各处理在ＰＣ轴上出现了明显的分异，低氮处理（ＩＮ３０、ＩＮ５０和ＮＮ１５）分布于ＰＣ３轴且向ＰＣ２轴漂
移，有相似的碳源利用模式，对碳源的利用能力居中，高氮处理（ＩＮ１００、ＩＮ１５０、ＩＮ２００、ＩＮ３００、ＮＮ１００、ＮＮ１５０、Ｎ
Ｎ２００和ＮＮ３００）密集的分布在ＰＣ１与ＰＣ２轴负方向，对碳源的利用能力较低，Ｎ５０处理分布在ＰＣ２轴的正方向，对
代谢中间产物和次生代谢物有较高的利用能力，而对糖类和氨基酸的利用能力极低，水分输入减缓了氮素对微生
物的抑制，Ｎ１５处理微生物对氨基酸和糖类有较高的利用能力，综合分析认为微生物对碳源的利用主要受氮素的
影响，而水分是影响微生物活性的重要因素，水分和过量的氮素打破了土壤原有养分的平衡，改变了土壤养分的
转化，加大了微生物群落的不稳定性。
本研究对氮素和水分输入处理下贝加尔针茅草原土壤微生物功能多样性的变化进行了比较分析，发现不同
的处理方式使土壤中的铵态氮、硝态氮、全氮、总有机碳等养分分配发生了变化，土壤养分的改变导致微生物群落
活性、代谢方式和功能多样性发生变化；微生物不同的群落结构和功能又会影响土壤中各种养分的循环转化过
程，从而影响土壤养分的数量及形态。
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犚犲狊狆狅狀狊犲狊狅犳狊狅犻犾犿犻犮狉狅犫犻犪犾犳狌狀犮狋犻狅狀犪犾犱犻狏犲狉狊犻狋狔狋狅狀犻狋狉狅犵犲狀犪狀犱狑犪狋犲狉犻狀狆狌狋犻狀
犛狋犻狆犪犫犪犻犮犪犾犲狀狊犻狊狊狋犲狆狆犲，犐狀狀犲狉犕狅狀犵狅犾犻犪，犖狅狉狋犺犲狉狀犆犺犻狀犪
ＷＡＮＧＪｉｅ，ＬＩＧａｎｇ，ＸＩＵ Ｗｅｉｍｉｎｇ，ＺＨＡＯＪｉａｎｎｉｎｇ，ＷＡＮＧＨｕｉ，ＹＡＮＧＤｉａｎｌｉｎ
（ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＯｒｉｇｉｎａｌＡｇｒｏｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＱｕａｌｉｔｙｏｆＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，ＡｇｒｏＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ
ＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００１９１，Ｃｈｉｎａ）
犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ（０，１５，３０，５０，１００，１５０，２００，３００ｋｇＮ／ｈｍ２）ａｎｄｗａｔｅｒｏｎｓｏｉｌｍｉ
ｃｒｏｂｉａｌｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｄｉｖｅｒｓｉｔｙｉｎ犛狋犻狆犪犫犪犻犮犪犾犲狀狊犻狊ｓｔｅｐｐｅｗｅｒｅｅｘｐｌｏｒｅｄｆｏｒ２ｙｅａｒｓｂｙｔｈｅＢｉｏｌｏｇｍｅｔｈｏｄ．Ｃｏｍ
ｐａｒｅｄｗｉｔｈｎｏｎｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ，ｗａｔｅｒｅｎｈａｎｃｅｄｓｏｉｌｍｉｃｒｏｂｉａｌｍｅｔａｂｏｌｉｃａｃｔｉｖｉｔｙａｎｄｔｈｅｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎａｂｉｌｉｔｙｏｆｃａｒｂｏｎ
ｓｏｕｒｃｅｓ．ＴｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｏｆｉｒｒｉｇａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅＮ１５ｌｅｖｅｌｏｆｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｄｔｈｅｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎａｂｉｌｉｔｙ
ｏｆｃａｒｂｏｎｓｏｕｒｃｅａｎｄｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｄｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆｓｏｉｌｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓ．ＨｉｇｈｅｒＮｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ（Ｎ１００，Ｎ１５０，Ｎ２００ａｎｄＮ３００）
ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｒｅｄｕｃｅｄｔｈｅｒｉｃｈｎｅｓｓａｎｄｅｖｅｎｎｅｓｓｉｎｄｅｘｏｆｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓ，ｂｕｔｉｎｃｒｅａｓｅｄｔｈｅｄｏｍｉｎａｎｃｅｉｎｄｅｘ．
ＩｒｒｉｇａｔｉｏｎａｎｄＮｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒｌｅｄｔｏｃｈａｎｇｅｓｎｏｔｏｎｌｙｏｆｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｄｉｖｅｒｓｉｔｙ，ｂｕｔａｌｓｏｏｆｃａｒｂｏｎｓｏｕｒｃｅｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ
ｍｏｄｅａｎｄｍｅｔａｂｏｌｉｃｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏｂｉａｌｃｏｍｍｕｎｉｔｉｅｓ．Ｐｒｉｎｃｉｐａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ（ＰＣＡ）ｓｈｏｗｅｄｔｈａｔ
ｔｈｅｒｅｗａｓａｖｅｒｙｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｉｎｔｈｅｃａｒｂｏｎｓｏｕｒｃｅｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｍｏｄｅｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏｂｉａｌｃｏｍｍｕｎｉｔｉｅｓｂｅ
ｔｗｅｅｎｔｈｅｌｏｗｅｒｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔｓａｎｄｈｉｇｈｅｒｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔｓｉｎｄｉｃａｔｉｎｇｔｈａｔＮｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒｗａｓｔｈｅｍａｉｎ
ｉｍｐａｃｔｆａｃｔｏｒ．Ｃａｒｂｏｈｙｄｒａｔｅｓ，ａｍｉｎｏａｃｉｄｓ，ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅｍｅｔａｂｏｌｉｔｅｓ，ａｎｄｓｅｃｏｎｄａｒｙｍｅｔａｂｏｌｉｔｅｓｗｅｒｅｔｈｅｍａｉｎ
ｃａｒｂｏｎｓｏｕｒｃｅｕｔｉｌｉｚｅｄｂｙｔｈｅｍｉｃｒｏｂｉａｌｃｏｍｍｕｎｉｔｉｅｓ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎ，ｔｏｔａｌＮ，ａｎｄａｖａｉｌａｂｌｅＮｉｎ
ｓｏｉｌｈａｄａｃｌｏｓｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｔｏｍｉｃｒｏｂｉａｌｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｄｉｖｅｒｓｉｔｙ．
犓犲狔狑狅狉犱狊：犛狋犻狆犪犫犪犻犮犪犾犲狀狊犻狊ｓｔｅｐｐｅ；Ｎｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄｗａｔｅｒａｄｄｉｔｉｏｎ；ｓｏｉｌｍｉｃｒｏｂｉａｌｃｏｍｍｕｎｉｔｙ；ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ
ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ；ＢｉｏｌｏｇＥｃｏ
０５３ ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ（２０１４） Ｖｏｌ．２３，Ｎｏ．４