腾格里沙漠东南缘不同生物土壤结皮细菌多样性及其季节动态特征

微生物多样性对于生物土壤结皮在沙漠生态系统中改善局部环境以及提升生态功能具有重要作用。本研究对腾格里沙漠东南缘沙坡头地区藻结皮、藓结皮及其下层的四季样品进行了16S rDNA高通量测序, 以期阐明细菌多样性及其在生物土壤结皮演替过程中的季节变化规律。结果表明4种类型样品的细菌丰富度在夏季显著低于其他3个季节。4种类型样品中主要的细菌类群为变形菌门、放线菌门、绿弯菌门、酸杆菌门、蓝细菌门等, 其中变形菌门和放线菌门为优势类群, 夏季时变形菌门的相对多度显著高于春季、秋季、冬季, 且在结皮层中相对多度显著高于结皮下层。放线菌门的相对多度在春季、夏季显著高于秋季、冬季, 且结皮下层相对多度高于结皮层。生物土壤结皮演替过程中细菌多样性及其相对多度季节动态变化表明其对沙漠土壤局部环境的变化作出了响应, 这为深入理解生物土壤结皮在沙漠生态系统中的生态功能提供了微生物多样性数据。     

腾格里沙漠东南缘生物土壤结皮的固氮潜力

以腾格里沙漠东南缘广泛分布的3类典型生物土壤结皮(藻类结皮、地衣结皮和藓类结皮)为研究对象,在野外环境下连续一年(2010年6月至2011年5月)测定了不同类型结皮的固氮潜力、季节变化,及其对环境因子的响应特征.结果表明：整个试验期间,藻类、地衣和藓类结皮的固氮活性分别为14～133、20～101和4～28 mol·m^-2·h^-1,差异显著,这种差异主要是由结皮种类组成的差异所致.3类结皮固氮活性对环境因子的响应特征基本一致.3类结皮固氮活性与降水量关系不显著,但与试验前3天小于3 mm的降水量均呈显著的正相关关系,说明该地区3类结皮在3 mm降水条件下即可达到最大固氮速率.3类结皮固氮活性与试验期温度均呈显著的二次函数关系,随气温升高均呈先上升后下降的趋势,藻类和地衣结皮的固氮活性在超过30 ℃后即迅速下降,而藓类结皮的固氮活性在超过25 ℃后即开始下降,说明不同类型结皮具有不同的固氮适宜温度区间.3类结皮固氮活性的季节变化均表现为秋季>春季>夏季>冬季,夏季高温和冬季低温抑制了结皮固氮酶活性,而春末秋初适宜的水热条件促进了其固氮活性的提高,结皮固氮活性的季节变化主要受水热因子的共同调控.温带荒漠区生物土壤结皮在湿润条件下全年均具有固氮能力,环境因子对其氮固定的控制作用层次分明,水分是影响其固氮速率和持续时间的关键因子,在水分和碳源充足的条件下,温度则是制约其固氮能力的主要因子.     

腾格里沙漠东南缘不同类型生物土壤结皮对土壤有机碳矿化的影响

生物土壤结皮(BSCs)是荒漠生态系统的重要组成部分,是该区土壤碳循环及碳平衡的关键影响因素。研究了腾格里沙漠东南缘不同类型生物土壤结皮覆盖下土壤碳矿化过程及其对温度(10℃、25℃和35℃)和水分(土壤含水量10%和25%)变化响应特征,分析了土壤碳矿化过程与土壤理化性质的关系。结果表明:(1)结皮的形成和发育显著影响土壤有机碳矿化过程,藻类、地衣和藓类结皮覆盖的土壤碳矿化速率和CO₂-C累积释放量均显著高于去除结皮的土壤,不同类型BSCs覆盖土壤和去除结皮土壤之间均表现为藓类结皮土壤>地衣结皮土壤>藻类结皮。(2)含结皮层土壤的平均和最大矿化速率均随温度升高和水分增加而逐渐增大,有结皮覆盖的土壤和去除结皮的土壤对温度和水分变化的响应规律相同。(3)有结皮土壤和去除结皮土壤碳矿化速率的温度敏感性(Q₁₀)与结皮类型密切相关,均表现为藓类结皮>地衣结皮>藻类结皮。结果表明生物土壤结皮由以藻类为主向以藓类为主的演变进一步促进了土壤碳矿化过程,结皮对土壤碳循环的调控作用受水热等环境因子的共同影响。     

腾格里沙漠东南缘固沙植被区生物土壤结皮及下层土壤有机碳矿化特征

植被恢复与重建是沙区退化土地修复的有效途径,是生物土壤结皮(Biological Soil Crusts, BSCs)拓殖和发育的关键影响因素。采用室内恒温培养-碱液吸收法研究了腾格里沙漠东南缘不同恢复年限固沙植被区BSCs及其下层0—5 cm土壤的碳矿化特征,分析了其与水分及土壤理化性质的关系。结果表明:BSCs及其下层土壤有机碳的瞬时速率、最大和平均矿化速率以及累计释放量均随着恢复年限的延长而增大,同一植被区表现为BSCs大于下层0—5 cm土壤(P<0.001)。土壤含水量的增加显著促进了有机碳矿化过程(P<0.001),土壤水分含量从5%增加到20%时,BSCs有机碳的平均和最大矿化速率及累计释放量分别增加了1.48—2.08倍、1.60—2.00倍和1.48—2.08倍,下层土壤分别增大了1.36—2.08倍、1.21—2.00倍和1.36—2.08倍。土壤电导率、有机碳和黏粒含量是影响有机碳矿化的主要影响因素。结果表明沙区植被恢复与重建背景下BSCs的发生发展促进了土壤碳矿化过程,而BSCs参与的碳循环过程受其理化属性及水分等环境因子的共同影响。     

Warming effects on soil respiration in moss-dominated crusts in the Tengger Desert,northern China

Plant and Soil - Despite the important role of biological soil crusts in the soil carbon cycles of desert ecosystems, the responses of soil respiration in biological soil crust-dominated areas to...     

生物结皮影响下沙漠土壤表面凝结水的形成与变化特征

在水资源匮乏的沙漠生境,凝结水是植物、生物结皮、无脊椎和脊椎小动物的重要水分来源之一.采用微渗计法对比研究3种生物结皮类型(藻结皮、地衣结皮和苔藓结皮)和自然裸沙对地表凝结水量及凝结水蒸散过程的影响.微渗计的规格为内径6 cm,高3.5 cm的PVC管.研究结果表明:不同类型地表的总凝结水量之间存在极显著的差异(P < 0.01),总凝结水量随生物结皮发育水平呈显著增加的趋势,依次为:裸沙 < 藻结皮 < 地衣结皮 < 苔藓结皮,即生物结皮的存在有利于沙漠地表凝结水的形成.不同类型地表凝结水量的日均值有所差异.对于同一地表类型,凝结水量的最大值为最小值的数倍.黎明时,苔藓结皮的凝结水量最大,而裸沙的凝结水量最小,地衣结皮和藻结皮居中.凝结现象自20:00～22:00,次日8:00～9:00结束.大多数日出后凝结现象仍继续发生.不同类型地表的凝结及蒸散过程经历2个阶段:日出前凝结水量呈缓慢增加的趋势,日出后随温度的升高凝结水量快速减少,其中以苔藓结皮凝结水量下降最为迅速.凝结水量主要受温度、大气湿度、凝结面类型、气象条件和生境等方面因素的影响.     

古尔班通古特沙漠生物土壤结皮下土壤有机碳垂直分布特征及影响因素

为了探究沙漠不同生物土壤结皮类型覆盖下土壤有机碳(SOC)垂直分布特征及与土壤理化因素的关系,解析影响因素,以古尔班通古特沙漠腹地藻类、藓类生物土壤结皮和裸沙三种不同地被覆盖类型为研究对象,通过野外采集不同类型结皮样品及其下层0-2 cm、2-5 cm、5-10 cm、10-20 cm、20 -30 cm、30-50 cm、50-70 cm以及70-100 cm土层土壤(裸沙对照),测定不同土层的SOC含量及土壤理化指标,开展相关研究。结果表明:(1)不同地被类型下0-100 cm SOC含量随着土壤深度增加呈减小的趋势,在10-30 cm 土层存在SOC含量升高的现象,藓类、藻类和裸沙三种地被类型0-100 cm土层SOC含量范围分别在:1.61-2.70、1.41-2.56、1.21-1.92 g/kg;(2)不同地被类型下同一土层SOC含量在0-5 cm土层存在显著差异,5-100 cm土层SOC整体无显著差异,同层SOC含量均表现为:藓类>藻类>裸沙对照;(3)Pearson法分析结果表明不同地被覆盖下SOC含量与养分(全氮、全磷)呈现正相关关系,与pH和电导率(EC)呈现负相关关系。通过结构方程模型结果表明,土壤养分和粒径(砂粒占比)是影响垂直分布的主要因子,其中粒径是裸沙和藻类的最主要影响因子,藓类最重要的影响因子是养分(全磷)。生物土壤结皮的发育会逐步提高土壤碳的积累,改变SOC的垂直分布特征,对SOC的影响主要集中在5 cm以上土层,土壤理化特征对垂直分布特征具有调控作用。     

生物结皮对3种荒漠草本植物光合生理特性的影响

通过人工去除生物结皮实验,研究古尔班通古特沙漠生物结皮对3种荒漠草本植物生理特性的影响,根据生物结皮对土壤养分和水分的影响,综合分析生物结皮对3种草本植物光合生理特性的影响。结果表明,生物结皮对3种荒漠草本植物光合生理的影响基本一致,在植物生长早期,生物结皮区的尖喙牻牛儿苗（Erodium oxyrrhynchum M.Bieb.）、条叶庭荠（Alyssum linifolium Steph.ex Willd.）和琉苞菊（Hyalea pulchella（Ldb.） C.Koch）的叶片相对含水量（RWC）、净光合速率（P_n）、气孔导度（G_s）、蒸腾速率（E）、水分利用效率（WUE）、PSⅡ最大光化学量子效率（F_v/F_m）、PSⅡ实际光化学效率（φ_PSⅡ）和叶绿素（Chl）含量均高于去除生物结皮区;但是,在植物生长后期,却是去除生物结皮区的各项生理指标高。生物结皮对3种荒漠草本植物光合生理过程的影响与其对植物生长的影响基本一致,这与土壤养分和水分状况的变化密切相关。     

腾格里沙漠东南缘藓结皮微生物组基因多样性及功能

本研究对腾格里沙漠东南缘沙坡头地区藓结皮土壤样品进行了宏基因组测序, 以揭示该地区藓结皮土壤中参与固碳、固氮等生态功能的微生物基因及其代谢通路。结果表明, 藓结皮土壤中细菌域微生物最多, 其次为古生菌域和真核生物域。在细菌域中, 放线菌门(Actinobacteria)数量最多, 其次是变形菌门(Proteobacteria)和蓝细菌门(Cyanobacteria)。基于eggNOG和KEGG数据库对构建的非冗余基因集进行功能预测, 藓结皮土壤中微生物基因多样性和代谢路径多样性高。藓结皮土壤中与固氮相关的代谢通路丰度低可能是藓结皮固氮量微弱的根本原因, 造成利用大气中氮气合成氨的生态功能减弱。而藓结皮已经形成的氮库主要通过硝酸盐还原途径将硝酸盐还原成铵盐, 可能用于藓结皮微生物组自身的氨基酸合成, 也可能为藓类植物的生长提供有效氮源。     

古尔班通古特沙漠生物土壤结皮对土壤氮库垂直分布特征的影响

生物土壤结皮在干旱区氮素地球化学循环中具有重要作用,研究不同生物土壤结皮下不同形态氮素含量的变化,解析生物土壤结皮对土壤养分影响过程和范围,有助于进一步理解生物土壤结皮的生态功能。本研究以古尔班通古特沙漠藻-地衣混生结皮和藓类结皮两种生物土壤结皮为研究对象,以裸沙为对照,测定生物土壤结皮层和0—100 cm内8个土层全氮、无机氮、可溶性有机氮、游离态氨基酸氮、微生物生物量氮等氮库含量,和土壤脲酶、硝酸盐还原态酶、亮氨酸氨基肽酶等土壤胞外酶活性。结果表明：1)结皮层各形态氮素含量和各土壤酶活性显著高于其下层土壤,结皮层和结皮下各层土壤氮库整体上表现为藓类结皮>藻-地衣混生结皮>裸沙;土壤氮库各形态氮素含量和土壤酶活性在垂直分布上均呈现先显著下降(0—20 cm)后稳定(20—100 cm)的趋势;在20—30 cm土层,除裸沙的无机氮、铵态氮以及藻-地衣混生结皮的硝态氮外,其余速效氮(无机氮、硝态氮、铵态氮)含量具有增加的特点。2)土壤各氮库含量与全磷、有机碳、电导率、土壤脲酶和亮氨酸氨基肽酶活性呈正相关,与pH、土壤含水率呈负相关。3)利用氮循环相关指标建立土壤氮循环多功能...     

腾格里沙漠东南缘藻结皮与藓结皮放线菌多样性及其潜在代谢功能

放线菌作为干旱、半干旱环境中生物土壤结皮(Biological Soil Crusts,BSCs)组成的重要生命存在形式之一,不仅是潜在临床有用天然产物化学多样性的重要来源,也是该生态系统物质循环与能量流动的重要参与者。以腾格里沙漠东南缘广泛分布的藻结皮和藓结皮为研究对象,通过宏基因组测序比较分析两种BSCs放线菌种群的分布特征、组成及其潜在代谢功能。结果表明,腾格里沙漠东南缘藻结皮与藓结皮土壤微生物组主要形成以地嗜皮菌属、红色杆菌属、类诺卡氏菌属、游动放线菌属、芽生球菌属、链霉菌属、贫养杆菌属、糖丝菌属、土壤红杆菌属、假诺卡氏菌属、小单孢子菌属、康奈斯氏杆菌属、大理石雕菌属、小月菌属以及弗兰克氏菌属等为主要类群的放线菌群落结构,在两种BSCs类型之间各属分布存在差异。藓结皮中放线菌参与的氨基糖与核苷酸糖代谢、原核生物中的碳固定途径、丁酸代谢、丙酸代谢、丙氨酸/天门冬氨酸和谷氨酸代谢、甲烷代谢、2-羰基羧酸代谢、肽聚糖生物合成、淀粉与蔗糖代谢以及缬氨酸/亮氨酸与异亮氨酸降解显著高于藻结皮。藓结皮中地嗜皮菌属和红色杆菌属对相对丰度前10的代谢功能分类的贡献度显著低于藻结皮,而类诺卡氏菌属...     

浑善达克沙地夏冬季浅色型生物土壤结皮中古菌的系统发育多样性

【目的】生物土壤结皮(Biological soil crusts,BSCs)对于遏制土壤荒漠化、恢复荒漠地区生态环境起着重要作用。BSCs形成和发展的关键角色是微生物。但关于BSCs中微生物组成的认识还不够全面和系统,特别是对其中的古菌鲜有研究报道。【方法】通过构建和分析古菌16S rRNA基因克隆文库,揭示浑善达克沙地BSCs中古菌多样性和系统发育类型组成,并比较它们夏季和冬季的变化。【结果】BSCs样品颜色为褐色,厚度较薄,所含氮和磷营养养分不高;8月份和11月份的BSCs古菌16S rRNA基因文库覆盖度均达95%以上,代表性强;两个文库共得到可用的142条古菌16S rRNA基因序列,以0.03为Cutoff值、这些序列分入10个OTUs中,两个季节的最优势种群相同;8月份和11月份的古菌均属于奇古菌门,但群落结构存在很大的不同,即各自所独有的种群分别有1个和4个;BSCs中古菌多样性均不高,但11月份的明显高于8月份的。【结论】温带沙地浅色型BSCs中古菌的主要为奇古菌、多样性低,其群落结构随季节变换而有较大变化。本研究为系统认识BSCs古菌的多样性及其生态作用提供了基础。     

Chlorophytes of biological soil crusts in Gurbantunggut Desert, Xinjiang Autonomous Region, China

In this paper, chlorophytes collected from 253 biological soil crust samples in Gurbantunggut Desert in Xinjiang Autonomous Region, China were studied by field investigation and microscopical observation in lab. The flora composition, ecological distribution of chlorophytes in the desert and dynamic changes of species composition of chlorophytes in different developing stages of biological soil crusts are preliminarily analyzed. Results showed that there were 26 species belonging to 14 genera and 10 families, in which unicellular chlorophytes were dominant. There existed some differences in distribution of varied sand dune positions. The taxa of chlorophytes in leeward of sand dunes are most abundant, but the taxa in windward, interdune and the top of sand dunes reduced gradually. Chlorophytes were mainly distributed within the crust and the taxa of chlorophytes decrease obviously under the crust. In the devel-oping stages of the biological soil crust, species diversity of chlorophytes changed a little, but species composition pre-sented some differences. Chlorococcum humicola, Chlorella vulgaris, Chlamydomonas ovalis and Chlamydomonas sp. nearly existed in all developing stages of biological crusts. In several former stages of the biological soil crust there were spherical chlorophytes and filamentous ones. When moss crust formed, filamentous chlorophytes disappeared, such as Microspora and Ulothrix.     

Chlorophytes of biological soil crusts in Gurbantunggut Desert, Xinjiang Autonomous Region, China

In this paper, chlorophytes collected from 253 biological soil crust samples in Gurbantunggut Desert in Xinjiang Autonomous Region, China were studied by field investigation and microscopical observation in lab. The flora composition, ecological distribution of chlorophytes in the desert and dynamic changes of species composition of chlorophytes in different developing stages of biological soil crusts are preliminarily analyzed. Results showed that there were 26 species belonging to 14 genera and 10 families, in which unicellular chlorophytes were dominant. There existed some differences in distribution of varied sand dune positions. The taxa of chlorophytes in leeward of sand dunes are most abundant, but the taxa in windward, interdune and the top of sand dunes reduced gradually. Chlorophytes were mainly distributed within the crust and the taxa of chlorophytes decrease obviously under the crust. In the developing stages of the biological soil crust, species diversity of chlorophytes changed a little, but species composition presented some differences. Chlorococcum humicola, Chlorella vulgaris, Chlamydomonas ovalis and Chlamydomonas sp. nearly existed in all developing stages of biological crusts. In several former stages of the biological soil crust there were spherical chlorophytes and filamentous ones. When moss crust formed, filamentous chlorophytes disappeared, such as Microspora and Ulothrix. __________ Translated from Arid Zone Research, 2006, 23(2): 189–193 [译自: 干旱区研究]     

古尔班通古特沙漠生物结皮不同发育阶段中藻类的变化

通过在古尔班通古特沙漠南缘相同的地貌部位,选择裸沙、藻结皮、地衣结皮和苔藓结皮4种不同演替阶段中的生物结皮,研究了藻类的种类组成、优势种和生物量的变化.结果表明:(1)在结皮的不同演替阶段,藻类种类组成不同,其常见物种有一定的差异,如裸沙中藻类常见种是脆杆藻2(Fragilaria sp.2)、威利颤藻(Oscillatoria willei)和奥克席藻(Phormidium okenii),藻结皮的常见种是小聚球藻(Synechococcus parvus)、颗粒常丝藻 (Tychonema granulatum)、韧氏席藻(Phormidium retzli);同时在不同发育阶段亦存在一些特有种.(2)在裸沙发育到成熟生物结皮的过程中,藻类的优势物种也发生相应的变化.裸沙、藻结皮、地衣结皮和苔藓结皮的优势种分别是脆杆藻1(Fragilaria sp.1)、具鞘微鞘藻(Microcoleus vaginatus)、具鞘微鞘藻、眼点伪枝藻(Scytonema ocellatum)或集球藻(Palmellococcus miniatus).(3)藻类生物量在生物结皮不同演替阶段差异极显著(P<0.01),在裸沙中藻类生物量最低,随着生物结皮的逐渐发育,藻类生物量明显升高,地衣结皮最高,约是裸沙的8.3倍,当发育至苔藓结皮时,藻类生物量又有所下降.(4)在裸沙中基本为松散的沙粒,随着生物结皮的演替,丝状种类占明显的优势,尤其是具鞘微鞘藻,另外真菌菌丝和苔藓假根分别在地衣结皮和苔藓结皮中起着重要作用.     

Changes in soil and vegetation following stabilisation of dunes in the southeastern fringe of the Tengger Desert, China

Properties of the soil and sand-binding vegetation were measured at five sites plus a control on dunes of the Tengger Desert stabilized for periods of up to 50 years. In the topsoil, fine particles, total N, P, K and organic matter increased significantly with increasing site age. However, there were no significant changes in deeper soil profiles (>0.4 m depth). Soil pH, calcium carbonate content, and total salt content tended to increase with age. Soil water in the topsoil changed little with increasing age, but was closely related to rainfall during the 50-year period. For deeper soil layers (0.4–3.0 m) soil water decreased significantly with age. After revegetation, the number of herbaceous species increased up to 30 years and then levelled off to 12–14 species, whereas the number of shrub species decreased from the 10 initial sand-binding species to only 3 species. Shrub cover decreased from a highest average of about 33% to the current 9%, whereas cover and biomass of herbaceous species increased throughout succession from 1956 to 2006. The development of soil and cryptogamic crusts on the surface of stabilized dunes enhanced the colonization and establishment of herbaceous plants due to increasing water availability, clay and silt content and soil nutrients. We propose that changes in properties of the surface soil led to increased interception of water, favoring shallow rooted grasses and forbs over perennial shrubs.     

古尔班通古特沙漠生物结皮固氮活性

利用乙炔还原法对新疆古尔班通古特沙漠不同类型的生物结皮(藻结皮、地衣结皮、苔藓结皮)的固氮活性(nmolC2H4m-2h-1)进行了定量研究。结果表明,不仅采样时段和结皮类型对生物结皮的固氮活性具有显著的影响(p<0.05),二者的交互效应同样对生物结皮的固氮活性具有极显著的影响(p<0.01)。各类型生物结皮固氮活性变化趋势表现为:3～5月间,藻结皮(2.26×103)>地衣结皮(6.54×102)>苔藓结皮(6.38×102)。6～10月份,各类型生物结皮的固氮能力显著提高(p<0.05),藻结皮的固氮活性最高(9.81×103),依次为地衣结皮9.06×103、苔藓结皮2.03×103。11月～翌年2月间,月均温都低于0℃,抑制了生物结皮的固氮活性,藻结皮、苔藓结皮的固氮活性降幅极显著(p<0.01),分别低达4.18×102、5.43×102,地衣结皮降低至2.78×103。生物结皮成为古尔班通古特沙漠除豆科植物外重要的氮源,为该沙漠1年生浅根系草本植物的种子萌发与植物体的生长提供丰富的有机质源,从而有利于这些植物种群的繁衍与更新,并与之共同促进对沙面的固定。     

荒漠地表生物土壤结皮形成与演替特征概述

土壤表面结皮是世界范围内干旱沙漠地区土壤表面广泛存在的自然现象,包括物理结皮和生物土壤结皮两大类型。其中,生物土壤结皮作为干旱沙漠地区特殊环境的产物,是由细菌、真菌、蓝绿藻、地衣和苔藓植物与土壤形成的有机复合体。它的形成使土壤表面在物理、化学和生物学特性上均明显不同于松散沙土,具有较强的抗风蚀功能和重要的生态效应,成为干旱沙漠地区植被演替的重要基础。随着形成生物土壤结皮的物种更替,维持结皮结构的主要胶结方式亦随之发生变化,即由胞外多糖的粘结作用逐渐转变为蓝藻和荒漠藻的藻丝体、地衣菌丝体以及苔藓植物假根的缠绕和捆绑作用,物种更替是结皮微结构和胶结方式转化的生物基础。生物土壤结皮的形成通常可以分为以下几个阶段:生物土壤结皮的早期阶段(土壤酶和土壤微生物),藻结皮阶段、地衣结皮阶段和苔藓结皮阶段。即随着土壤微生物在沙土表面的生长,随后出现丝状蓝藻和荒漠藻类植物,形成以藻类植物为主体的荒漠藻结皮;当土壤表面得到一定固定后,便开始出现地衣和苔藓植物,形成以地衣和苔藓植物为优势的生物结皮类型。其中,前一阶段的完成又为后一阶段的开始提供良好的环境条件。当环境条件适宜时,生物土壤结皮也可以不经历其中某个阶段而直接发育到更高级的阶段。