极端干旱区防护林地土壤微生物多样性分析

摘 要：极端干旱区的生态系统不稳定，是对气候变化和人类活动较为敏感的陆地生态系统之一。极端干旱区的土壤微生物多样性是否可以持续性维持，不仅影响当地的气候环境和生态平衡，同时也会影响全球的生态平衡与稳定。研究发现，土壤微生物多样性将影响植物多样性，进而影响生态系统功能和稳定性。因此，在极端干旱区保护植物多样性的同时，要保护土壤微生物多样性。

关键词：极端干旱区；防护林地；土壤微生物多样性

中图分类号：S714 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）05–0-03

经研究发现，提高土壤微生物多样性对于极端干旱区生态平衡具有重要的作用。极端干旱区最突出的特点就是缺水，不仅地面水资源匮乏，而且全年降水量非常少。因此，防护林地覆盖极端干旱区，能够有效改善当地的生态环境，保证当地生物的多样性，改善气候条件，同时借助森林涵养水源的优势防止水土流失。为了深入研究极端干旱区防护林地土壤微生物多样性保持情况，下面进行了相关方面的分析研究。

1 土壤微生物多样性的内涵及研究方法

土壤微生物多样性主要是指土壤生态系统中的微生物种类、具体数量、功能等与生态环境之间的关系，是检测土壤生态环境质量的一个重要指标。土壤微生物多样性主要体现在4个方面：第一是物种多样性，主要是指在一个空间范围内的土壤微生物种类多且分布均匀；第二是基因多样性，主要是指微生物在基因组大小、数目及成分等方面存在的差异；第三是结构多样性，主要是指土壤微生物群落的具体组成结构及具体的分布情况；第四是功能多样性，主要是指这些微生物在生态系统中起到的作用，如分解功能、抑制生物生长功能等。

研究土壤微生物多样性的方法较多，第一种是土壤宏基因组测序法，先确定目标物，然后从土壤中提取微生物群体的基因组，依据鸟枪法建立数据库，在进行基因检测后，将结果放入高通量的测序平台中按照一定的方法测序。第二种是末端限制性酶片段长度多态性分析法，具体步骤与第一种方法相似，也是先从土壤中提取微生物的DNA，然后进行分析，研究土壤微生物的多样性信息。此外，上述检测方法也适用于土壤微生物多样性与植物种类关系研究，可以依据实际情况灵活选用。

2 土壤微生物多样性对土壤环境的影响

2.1 土壤养分的有序循环

土壤微生物多样性对土壤环境的影响较大，可以有效促进土壤养分的有序循环。土壤中蕴含着大量的养分，土壤中的微生物会持续分解有机物质，然后获得更多有助于植物吸收利用的营养元素，植物也会在光合作用下生成各种养分，在一段时间后变成土壤的养料，以此形成闭合的养分循环。土壤中的养分循环是一个复杂的过程，需要进行氮、硫及磷等多种元素的循环转化和移动，进而完成无机物到有机物的转换。例如，土壤中的氮元素主要来自降水和施肥，在生态环境允许的条件下，雨水和肥料中的氮元素会进入土壤，进行微生物分解，完成无机物到有机物的转换。此时，土壤的温湿度、氮元素含量，以及土壤的pH值等都会影响土壤中氮元素的有序循环质量和效果。

2.2 土壤的保持和改良

通常情况下，为了有效保持并改良土壤，所采取的方法多是使用生物肥料，科学、合理地施肥，以及定期的轮作与间作有利于改良土壤。而土壤中微生物多样性可以促进土壤中的养分进行有序循环，提高土壤的质量，有利于微生物生存及植物生长。保护土壤微生物多样性实际上是保持并改良土壤的自然方法。微生物在土壤改良中发挥的作用较大。微生物的代谢活动有助于土壤中的有机废弃物通过分解转化成可用的有机质，可将无机物转化为有机物，让土壤的肥力因有机物含量的增加而得到有效提高。同时，微生物可以通过分解的方式降低土壤中有害物质的含量，从而达到改良土壤的目的。土壤中也蕴含一些特殊的可有效改良土壤的微生物，如硝酸盐降解细菌，可以将过多的硝酸根离子变成氮气。总之，土壤微生物多样性可提高土壤中有益物质的含量，为生物提供良好的生存和生长环境，进而达到保持并改良土壤的效果。

2.3 影响全球气候变化

大气中的二氧化碳及甲烷等气体的含量增加是导致气候变暖的主要原因。有研究发现，当气候变暖后，一些对气候较为敏感的微生物会因此消亡，进而使微生物多样性发生变化。反之，提高土壤微生物的多样性会使土壤环境发生明显变化，微生物分解有机物质及植物残体时会释放出大量的二氧化碳及甲烷等气体，进而导致气温上升。气温上升或下降都会对全球生态环境产生影响，因此，土壤中微生物多样性的稳定和持续至关重要。当土壤中微生物多样性发生变化时，全球气候将受到影响，气候变化会进一步影响土壤中微生物的多样性，此时微生物群落需要重新适应新的气候环境，进而导致土壤中微生物的多样性再次发生变化，形成一个循环。

2.4 维持土壤生态系统的稳定性

从整体视角分析，土壤微生物多样性可以维持土壤生态系统稳定性，这是因为土壤中的微生物种类繁多、数量庞大，已经形成了共生或竞争关系。从相对论角度分析，这样的关系对土壤稳定性有直接影响，只要其中某一个重要的微生物种群及其数量没有发生实质性的变化，土壤生态系统就会处于稳定状态。反之，若其中某一个重要的微生物种群及其数量发生了明显变化，则土壤生态系统形成的“链”会断裂，进而影响其稳定性。土壤微生物多样性不仅表现在微生物的种类及数量上，还体现在土壤微生物的群落结构上，如土壤中的蚯蚓数量增多，那么土壤中的微生物群落结构也会因此而发生变化，进而对土壤生态系统的稳定性造成一定程度的影响。此外，土壤微生物分解有机物的质量及频率发生变化后，土壤中氮与磷等元素的含量及功能也将发生变化，进而导致土壤微生物多样性发生变化，并影响了土壤生态系统的稳定性。

2.5 提高土壤营养物质的利用率

首先，土壤中的微生物可以通过分解土壤中的有机物质以及自身的新陈代谢，有效转化一些不能利用或者难以利用的物质，将其变成可以吸收利用的物质。其次，土壤中的微生物可以分解、消灭一些有害生物，从而让土壤中的有益物质含量大于有害物质含量，从根本上抑制有害菌的生成与繁殖[1]。最后，土壤中的微生物是持续活动的，在活动过程中会对土壤环境产生一定影响，如土壤中的微生物含量增加、土壤中酶的活性增强等，会使得土壤中的养分循环速度加快，促进植物有效吸收和利用土壤中的营养物质，提高营养物质的整体利用率。土壤中的营养物质因微生物多样性存在而一直被吸收，同时也一直被生产，已经形成良性的生成与分解循环，可以保证植物所需营养物质的持续供应。

3 土壤微生物多样性的影响因素

极端干旱区防护林地土壤微生物多样性会对植物成长产生重要影响。为了增强极端干旱区防护林地的种植效果，需要加大对土壤微生物多样性的影响因素的研究力度，为后续土壤微生物多样性的调控管理提供方向指引，从而确保土壤环境的稳定性。

3.1 植被类型

土壤可以为植被生长提供养分，而微生物代谢作用可以为土壤供给养分。植被的生长代谢会间接影响土壤生物多样性，如植被生长会影响土壤中有机碳氮水平、温度、pH值等，间接影响土壤微生物多样性，且植被凋落物可以为微生物提供有机物、能量，优化土壤微生物的生存环境，如植物疏密度会影响土壤含水量，进而影响土壤微生物生物量。植物种类不同也会影响土壤中微生物群落多样性。若植被生产力下降，会减少微生物可利用的新鲜植物资源，增加生态环境筛选压力，进而改变微生物功能和基因多样性。

3.2 土壤条件

土壤特性与土壤微生物多样性息息相关，且与动植物生物活性存在紧密联系。其中影响土壤中微生物多样性、菌群结构的因素主要有磷酸盐磷、有机氮含量、pH值等。例如，盐水灌溉会在一定程度上改变土壤环境，影响土壤微生物组成，灌溉水盐度越高，土壤微生物多样性越强，细菌门类减少。

3.3 管理方式

人类的土壤管理方式有耕作、施加肥料、施加农药等，这会在一定程度上改变土壤理化特性，进而影响土壤微生物多样性。例如，耕作会削弱丛枝菌根真菌多样性，而地理位置、土壤类型等因素不会影响丛枝菌根真菌的多样性。有机农耕表层的土壤微生物生物量、有机碳氮量、土壤酶活性较高。

3.4 土壤理化性质

土壤理化性质为土壤物理化学特点，如土壤pH值、有机质、氮磷含量等，与土壤微生物资源库存在紧密联系。当森林砍伐过度时会降低土壤多孔性，进而影响土壤理化性质，致使不同地区土壤微生物群落发生定性、定量变化。定性变化主要体现在物种的数量上，定量变化主要体现在微生物物种的丰度和均匀度上。土壤pH值上升会促使土壤固氮微生物群落的多样性增强。

3.5 温度与水分

温度与水分会对土壤微生物多样性产生较大的影响，季节、气候会对太阳辐射热量、降雨量产生一定的影响，改变温度和水分。土壤温度、含水量发生变化，会改变植物新陈代谢速度，进而影响土壤中微生物的多样性。

4 极端干旱区土壤微生物的种类及分布

极端干旱区土壤微生物主要有两种：一种是细菌，另一种是真菌。土壤中真菌的含量最高；其次是植物及其根部；蚯蚓、蜗牛等无脊椎动物也生存在土壤中，但其占比相对较少[2]。极端干旱区土壤微生物的种类及其分布受多方面因素的影响，如土壤中的水分含量、土壤的温湿度及光照时长等。通常情况下，在盐渍农田等极端干旱区，其土壤中微生物的种类及分布会受到土壤中盐分和全氮含量的影响。极端干旱区的植物种类及分布与干旱程度有直接关系，在极端干旱区温度持续升高，气候明显干燥的情况下，土壤中的有机氮水解酶活性会明显降低，进而导致土壤中微生物的生存环境受到影响，抑制土壤微生物对有机碳及植物残体的分解。

5 极端干旱区防护林对土壤微生物多样性的影响

5.1 土壤环境的影响

极端干旱区防护林地能有效改善土壤环境，使土壤环境朝着有利于微生物多样性的方向发展，保持其平衡与稳定。防护林地主要是指天然林和人工林，其存在的主要目的是有效保持水土、涵养水源、调节当地的气候、防风固沙、减少污染。防护林是防御自然灾害并改善环境和土壤质量的主要方式之一。在极端干旱区开垦种植防护林地，可以构建一个相对稳定的土壤生态系统，有效保持水土、涵养水源、优化土壤环境，从而促进微生物的生存与发展[3]。当极端干旱区防护林地的土壤环境得到有效改善之后，微生物种类和数量会逐渐增加，微生物的活性也会增强，并逐步形成相对稳定的土壤生态环境。此外，在极端干旱区，底层土壤中的有机氮水解酶的活性会随着水分的流失而逐渐降低，无机氮素的可利用率也会下降，而防护林地的营造，可以有效涵养水源和解决以上问题，进而保持土壤微生物的多样性。

5.2 防护林的影响

极端干旱区的存在会导致生态系统稳定性受到极大影响，因此，需要采取退耕还林、人工造林等方式来修复退化的生态系统，但同时要注意退耕还林、人工造林等方式会直接消耗深层的土壤水分，导致深层土壤与浅表土壤一样发生干化问题，从而影响土壤微生物多样性的稳定[4]。由此可知，极端干旱区防护林地对土壤微生物多样性的影响是间接性的，虽然不能确定关联程度，但可以确定影响程度，因此，防护林地的建造需要综合考量。从现有的研究中发现，当防护林的造林深度达到150～500 cm时，造林对土壤微生物群落和功能的影响最大，并导致细菌网络稳健性和功能降低，从而增加了深层土壤干化率，影响土壤微生物多样性的稳定性。因此，在极端干旱区进行防护林地改造时，需要重点考虑深层土壤微生物的负面影响。

5.3 生物土壤结皮的影响

生物土壤结皮由藻类、苔藓、地衣等孢子植物类群组成，在全球干旱区地表的分布非常广泛，是干旱生态系统中不可忽视的组织构建者。生物土壤结皮可以有效固定土壤环境中的碳和氮，进而使固定的氮经过微生物分解变成不同形态的可利用氮素，促进土壤微生物群的生存与生长。生物土壤结皮可以改变土壤结构，从而提高土壤质量，使土壤的物理特性突出[5]。对于极端干旱区的防护林地而言，生物土壤结皮会导致土壤膨胀的高度增加，进而导致防护林地林种生长环境发生变化，从而抑制林木生长，影响防护林地的稳定性。此时，防护林地的生态环境也会发生变化，致使土壤微生物多样性发生变化。此外，极端干旱区防护林地的水分分布也会因生物土壤结皮而发生变化，导致植被的生长受限，不利于形成稳定的生态环境。总而言之，生物土壤结皮的影响较大，需要引起重视并继续深入研究。

6 结束语

土壤微生物多样性可有效维持土壤生态系统的稳定性与和谐性，可以较早预测出土壤养分及环境质量的变化过程，可借助土壤微生物多样性的检验方法检验某一地区的土壤生态系统稳定情况。土壤微生物多样性对土壤环境的影响是多方面的，对于极端干旱区防护林地而言，让旱区不再干旱是目标，所以应重视分析和探究极端干旱区防护林地土壤微生物多样性的变化情况，获取相应的监测数据，并及时做出应对决策。

参考文献

[1] 周之栋，张锐，芦治国，等.洪泽湖大堤生态防护林生物多样性研究[J].江苏水利，2021（7）：44-51.

[2] 张岩，邓娇娇，朱文旭，等.辽西北风沙区典型人工防护林土壤微生物群落功能特征[J].生态学杂志，2019，38（6）：1688 -1696.

[3] 靳正忠，雷加强，徐新文，等.沙土微生物多样性与土壤肥力质量的咸水滴灌效应[J].生态学报，2014，34（13）：3720-3727.

[4] 靳正忠，雷加强，徐新文，等.流沙区不同立地条件下防护林土壤微生物多样性分析[J].中国沙漠，2011，31（6）：1430-1436.

[5] 靳正忠，雷加强，徐新文，等.极端干旱区防护林地土壤微生物多样性[J].生态学报，2009，29（8）：4548-4559.

作者简介：赵志慧（1991—），女，甘肃古浪人，工程师，研究方向为林地土壤微生物。