光伏园区建设对青藏高原高寒荒漠草地土壤原核微生物群落的影响

丁成翔，刘 禹

(1.青海大学畜牧兽医科学院，青海 西宁 810016；2.北京林业大学，北京 100083)

当今世界不断增长的能源需求以及低碳能源对生态环境的友好性促进了可再生能源的发展[1]。在所有可再生能源中太阳能光伏发电具有最大的发展潜力[2-3]，2017年全球光伏装机容量为404.5 GW，相比2000年(1.8 GW)高出近225倍，而中国的太阳能装机容量占据全球总量的53.3%[4]。随着光伏产业的迅速发展，其对陆地生态系统的影响也日益增大。光伏园区的建设可能会对地域微气候、生态系统碳循环、生物多样性、土壤风化以及生态系统的能量流动产生影响[5]。例如，射向地面的太阳辐射通量被光伏板吸收、导致光伏板下大气温度以及土壤温度的降低，同时降低了土壤水分的蒸散发；此外，光伏板的放置还改变了地区生态系统中大气降水的分布，导致了大气降水不均匀的聚集于光伏板下沿的土壤区域[6]。考虑到气候变化对生态系统过程的影响[7-8]，探究光伏阵列建设对植被、土壤和近地表气候的影响至关重要。

土壤微生物是有机物质分解、养分矿化和土壤结构的关键参与者[9]，其对外源物质的分解及再合成是C，N，P和S等元素循环的决定因素和限速因素[10-12]，极大的影响着土壤肥力和植物生产力[13]。土壤微生物对生态系统变化具有相对较高的敏感性[14]，微气候的改变直接和间接的影响着土壤微生物圈和养分循环[15-16]。一方面，地区气温和降水变化导致的土壤温度和水分的变化会直接改变土壤微生物群落的多样性和组成[8,17]。Yang等人[18]发现，沿着青藏高原海拔梯度的变化，微气候出现显著变化，细菌功能基因多样性和自养微生物丰度均发生显著变化；Barnard和Maestre等人[10,19]发现，干旱加剧显著降低了微生物的生长速率和对凋落物的分解速率；Delgado和Evans等[11,20]发现，微生物分解凋落物的速率降低导致了土壤中C，N，P元素的解耦合，化学计量比失衡。另一方面，微气候的变化会间接影响土壤微生物群落结构和功能。Bardgett[21]发现大气温度和降水改变了植被凋落物的数量和成分，进而导致微生物利用的碳源改变，最终影响土壤微生物群落；Bragazza[22]发现，土壤温度升高和土壤水分的减少导致植被盖度的降低，进而造成了土壤微生物群落结构的改变。微气候的变化从多个方面影响着土壤微生物圈的改变，然而当前关于光伏园区对生态系统的研究大多仅关注微气候和植被因子的变化，没有进一步研究微气候和植被因子的变化对地下最敏感的生态指标——土壤微生物群落的影响。因此本试验将从微气候、植被特征、土壤理化性质以及土壤微生物群落等多个维度综合分析光伏园区建设对生态系统的具体影响。

由于光伏园区的建设需要大量廉价的可利用土地及较强的太阳辐射总量，因此大部分光伏园区建设于半干旱和干旱地区，如美国的内华达州、墨西哥的下加利福尼亚州、中国和俄罗斯的戈壁滩、非洲的撒哈拉等[23-25]。塔拉滩地处青藏高原共和盆地的中东部，太阳能资源丰富，是我国太阳能光伏装机容量最大的地区，极大地促进了当地社会经济发展，但是其对当地高寒荒漠草原生态系统的影响机制还不清楚。本研究对位于青藏高原共和塔拉滩高寒荒漠草地不同建立年限光伏园区进行了随机采样调查，结合实验室分析和高通量测序技术，试图从时间尺度的角度探究光伏园区建设对地区微气候、植被-土壤特征以及地下微生物群落结构，从生态系统角度为今后光伏园区的建设管理提供实例参考。

1 材料和方法

1.1 研究地点

研究地点位于青藏高原共和盆地塔拉滩(36°9′47″ N，100°35′14″ E)，所选光伏园区分别建设于2013年和2018年，占地585 hm2。光伏板尺寸为16.5 m×9.91 m，板间隙为5.4 m，南向，倾斜角为39°。该地生态类型为高寒荒漠，土壤类型主要为风沙土，年平均降水量为278～523 mm，年际差异较大，年平均气温为4.8～6.0℃，干旱指数为0.15～0.27。园区优势植物为醉马草(Achnatheruminebrians(Hance)Keng)、冷蒿(ArtemisiafrigidaWilld.)和针茅(StipacapillataL.)。

1.2 试验设计

为了确定光伏园区对植物-土壤特性和土壤微生物群落的影响，在2019年8月中旬，根据不同建设年限光伏园区内的面积大小选取了46个样点进行植被和土壤数据的采集，其中9个样点位于未建设光伏园区的对照区(CK)，25个样点位为2018年建设的光伏园区(建设1年)，12个样点位于2013年建设的光伏园区(建设6年)(图1)。每个采样点为0.5 m× 0.5 m，采集土壤前测量植被丰富度和物种盖度等，齐地面刈割后的植物样在65℃烘干后称重，以确定地上总生物量。在采集植物样的同一地点使用直径5 cm的土钻采集0～10 cm的土壤样品。将采集的土壤样品分为3部分，第一部分土壤样品在-20℃保存，用于高通量16S测序；第二部分土壤风干，并通过0.1 mm筛子供土壤养分测定；第三部分土壤样品取样后马上进行土壤速效养分的测定。植物和土壤样品的采集均在2019年8月进行。

图1 采样点示意图

1.3 样品测定

土壤pH值采用pH计(UB-10 PH meter,Denver Instrument,America)测定。土壤有机质(Soil organic matter，SOM)含量采用重铬酸钾外加热法测定[26]；土壤全氮(Total nitrogen，TN)含量采用凯氏定氮法测定[27]；土壤总磷(Total phosphorus，TP)含量采用钼锑抗比色法测定[28]；土壤有效磷(Available phosphorus，AP)含量用Olsen法测定[26]；铵态氮含量用浸提-靛酚蓝比色法测量[26]；硝态氮含量用紫外分光光度法测量[26]；全钾(Total potassium，TK)采用酸熔火焰光法测定[29]；土壤水分含量(Soil water content，SWC)采用烘干法测定；土壤蒸散量(Evaporation，Evap)取从早晨6∶00时至傍晚18∶00时0～10 cm深度土壤含水量的差值为日蒸散量[30]。

1.4 DNA提取与PCR扩增

样品按照MOBIO PowerSoil®DNA Isolation Kit试剂盒提取样品基因组DNA[31]。以提取的样品基因组DNA为模板针对微生物 16S rRNA基因V4区(515F与806R)进行PCR扩增[32]。Illumina MiSeq平台进行高通量测序。

1.5 统计分析

通过QIIME平台去除原始序列中的低质量序列[33]，根据标签序列分开来自不同样品的序列。利用Uchime软件去除在PCR过程中形成的嵌合体[34]，获得的高质量序列用Usearch方法进行聚类[35]，以16S rRNA基因序列97%相似度作为分类操作单元(Operational taxonomic units,OTUs)的划分标准。通过RDP分类鉴定OTU代表性序列的微生物分类相对丰度[36]。方差分析(ANOVA)用SPSS Statistics 19.0完成。α和β多样性采用Microeco包(R3.5.1)计算，相关性分析及绘图采用corrplot包(R3.5.1)进行分析，α多样性指数为香农指数、系统发育多样性指数、物种丰富度指数和均匀度指数[37-38]。网络分析采用MENA平台[39]构建，相关性计算方法为“Spearman”，相关性阈值见表3。

2 结果与分析

2.1 不同建设年限下土壤微生物α多样性的变化

由表1可知，光伏园区建设6年后土壤原核微生物的系统发育多样性、物种丰富度、香农指数均显著低于CK和建设1年的处理(P<0.05)，而均匀度无显著差异。

表1 不同建设年限下土壤原核微生物多样性指数

2.2 不同建设年限下土壤原核微生物的类群分布

根据OTU物种注释的结果，在门水平上挑选相对丰度前10的菌门用于展示不同建设年限间原核微生物物种组成差异。如图2所示，在门分类水平上，高寒荒漠原核微生物丰度最高的物种分别是放线菌门、变形菌门、酸杆菌门、奇古菌门、芽单胞杆菌门、绿弯菌门、浮霉菌门、厚壁菌门、疣微菌门和己科河菌门。其中，总丰度最高的3个菌门[放线菌门(29.5%)、变形菌门(24.1%)和酸杆菌门(11.1%)]在不同建设年限下相对丰度没有显著差异。而奇古菌门、芽单胞杆菌门、绿弯菌门、浮霉菌门、疣微菌门呈现相似的变化趋势，即随着建设年限增加，相对丰度降低，且在对照和建设6年处理之间差异显著(P<0.05)。

图2 不同建设年限下土壤原核微生物群落门水平物种组成

2.3 不同建设年限下土壤原核微生物群落结构差异

如图3所示，不同建设年限土壤微生物β多样性存在显著差异，建设6年后的样点与对照样点明显分离。PERMANOVA和ANOSIM的分析结果同样表明，3种样地原核微生物群落结构差异显著(图3)。

图3 基于Bray-Curtis距离的PCoA分析

2.4 不同建设年限下环境因子的变化

土壤有机质、全氮、水分含量,地上总生物量,植被总盖度随着建设年限增加而增加(表2)，CK和建设6年处理的土壤有机质和土壤全氮含量显著差异(P<0.05)，各处理之间的土壤水分含量、地上总生物量及植被总盖度均存在显著差异(P<0.05)。土壤蒸发量在建设1年后即显著下降(P<0.05)，建设6年后的蒸发量与建设1年的无显著差异。土壤酸碱度在建设1年后有显著升高(P<0.05)，在建设6年后下降至与CK相同的水平。

表2 不同建设年限下土壤和植被性质的差异

2.5 原核微生物与环境因子的关系

将环境因子与土壤原核微生物门水平丰度进行相关性分析发现(图4)，变形菌门、酸杆菌门、浮霉菌门、疣微菌门以及奇古菌门与土壤有机质呈显著负相关关系(P<0.05)，芽单胞菌门、绿弯菌门、浮霉菌门以及疣微菌门与土壤水分及地上总生物量呈显著负相关关系(P<0.05)，表明随着土壤养分含量及水分增加，土壤原核微生物主要菌门丰度降低。

图4 原核微生物丰度及与环境因子的相关性分析

环境因子与土壤原核微生物门水平丰度、土壤原核微生物α多样性的RDA结果如图5所示。由于植物地上总生物量和总盖度与土壤水分存在显著的共线性，故只用土壤水分表征。主坐标1(RDA1)解释了原核微生物门水平总变异的18.73%，主坐标2(RDA2)解释了总变异的3.07%，二者总计解释总变异的21.80%。原核微生物门水平丰度与土壤有机质、全氮、全磷、全钾等总养分呈负相关关系，与土壤水分呈极显著负相关关系(P<0.01)。RDA分析总计解释土壤原核微生物α多样性21.11%的变异程度，解释比例最大的变量为土壤水分和有机质含量。

图5 原核微生物丰度及α多样性与环境因子的RDA排序图

2.6 土壤原核微生物共发生网络分析

对不同建设年限下共发生网络的拓扑参数分析发现(表3)，3个处理下的幂律系数均较高，表明3个处理土壤原核微生物共发生网络均具有明显的幂律分布特征；实例网络的平均路径长度、平均聚类系数和模块化指数均高于随机生成的网络，表明生成的实例网络具有反映真实土壤原核微生物网络的可靠性。共发生网络的节点数在CK最高(531)，远大于建设1年(267)和6年(283)的节点度；网络连接度呈现U型趋势，未建设时连接度最高(2217)，在建设1年后大幅降低至533，建设6年之后回升至2 003；平均连接数与连接度呈现相同的趋势；模块化指数随着建设年限增加而降低，建设6年后模块化指数降低了45%。这些结果说明，在受到光伏园区建设的干扰下，土壤原核微生物之间的交互性出现先降低后增加的现象，而且由节点数和模块化指数的大幅下降可以发现，这种原核微生物交互性的增加并不是回到建设前的网络，而是演替出另一种模式的共发生网络——参与网络中的原核微生物种群更少，但连接更为紧密。

表3 不同建设年限下土壤原核微生物共发生网络拓扑参数

3 讨论

光伏园区主要建设在人类较少居住的地区，如戈壁、沙漠和草原[40]。这些地区的共同特点是生态系统稳定性低，对环境变化敏感。本试验所在研究地共和塔拉滩常年遭受风沙侵蚀，由于光伏阵列能吸收太阳辐射、增加风阻以及固定土壤，光伏园区建设一定程度上将会改变当地生态系统微气候。殷代英等[41]对光伏园区内外的气候进行监测后发现，园区内风况显著改善，相比荒漠区风速减小了53.92%；10 cm，20 cm，40 cm层的土壤温度分别降低了2.97℃，2.90℃和2.73℃；10 cm层土壤湿度增加了71.61%。本研究中光伏园区建设后土壤蒸散值降低，土壤水分含量随着建设年限增加显著增加，这与前人的研究结果一致[6,42-43]，表明光伏园区的建设可以有效的提高土壤的含水量、减少土壤蒸散量，一定程度上提高了生态系统防风固沙、水土保持的能力。气候改变通常影响着地上植被的变化[44-47]，本研究地上总生物量和地上总盖度均与土壤含水量显著正相关，并且出现了共线性现象，这与青藏高原其他地区的结果相似[44-45,47]，也证明了干旱半干旱地区土壤水分含量对植被特征的决定性作用[46]，同时也说明，随着光伏园区建设年限的增加，土壤水分含量增加，植物生产力和覆盖度均增加。地上生物量的增加导致植被凋落物的增加，地上部分向土壤的输入增加，土壤有机质含量显著增加，由于碳氮的高度耦合性[48-49]，土壤总氮含量也呈现增加的趋势，土壤总肥力明显提升。土壤铵态氮含量在光伏园区建设后同样显著增加，这可能是由于地上总生物量和土壤有机质含量增加导致的，Ma等[50]的研究发现，植被恢复过程中，土壤中氨化形成的铵态氮含量对总氮矿化量(净氮矿化量)贡献率为57.1%～76.2%，而氨化作用的底物大部分来自地上凋落物输入地下形成的有机物，本研究中铵态氮含量同样与植被地上总生物量成正相关。

本研究中土壤原核微生物3种多样性指数(系统发育多样性、香农多样性以及物种丰富度)均在建设6年后显著降低，冗余分析(RDA)的结果表明，影响原核微生物多样性指数的主要因子为土壤水分，土壤水分与3种多样性指数均呈负相关关系，表明水分增加引起了土壤原核微生物多样性的降低，这与Li[51]在青藏高原的研究结果一致，土壤水分和氮含量增加会显著降低土壤原核微生物的多样性。总丰度前10的门中，奇古菌门、芽单胞杆菌门、绿弯菌门、浮霉菌门、疣微菌门丰度均在建设后显著降低，相关性分析和冗余分析均表明这一门水平丰度降低现象是因为其与土壤水分呈负相关，这一结果与前人研究相似，Bastida[52]在半干旱森林生态系统的研究发现水分变化显著影响了芽单胞菌门和浮霉菌门的丰度。

由于原核微生物不同类群之间联系紧密，对原核微生物群落的分类群分析无法反映群落中不同类群之间交互关系的变化，因此有必要深入分析由原核微生物相互关系构建的共发生网络。对原核微生物网络的分析发现，不同处理之间网络属性差异较大，随着建设年限增加，参与网络的节点数(微生物类群)减少，但是网络连接数(微生物相互关系)呈现先减少后增加的趋势，这与先前的研究报道一致[53]，脆弱生态系统(如荒漠)的弹性较低，在外部干扰来临时，原有网络坍塌，新生网络各节点之间的联系较松散，在应对长期干扰的过程中，无法适应新环境条件的原核微生物类群被逐渐筛选出去，而能够适应改变后环境的原核微生物彼此之间的关联则变得更为紧密。网络中平均连接数的先减后增也证明了这一结论。光伏建设6年后网络模块化指数的减少与微生物群落多样性的显著降低相匹配，原有网络中多模块化的原核微生物交互关系在外部干扰的长期过滤下趋向单一性，建设6年后微生物网络中交互关系中正相关性增加，负相关减少也证明群落中种间关系竞争减少、合作增加，竞争关系的减少意味着生态系统更脆弱，这一结果与微生物群落多样性降低一致，表明在光伏园区建设后地下原核微生物群落关联性增加，种间竞争减少，生态系统稳定性降低。

4 结论

高寒荒漠草地的气候条件在光伏园区建设后显著改善，土壤蒸散量减少，土壤水分含量增加。随着光伏园区建设年限增加，地上生物量、盖度和土壤肥力增加，原核微生物α多样性显著降低，群落结构显著改变，芽单胞菌门等类群丰度显著降低，主要原因是土壤水分含量、地上生物量和有机质含量增加。光伏园区建设6年后高寒荒漠草地土壤原核微生物网络交互关系更为密切且多为正相关关系，但参与网络的原核微生物类群减少，模块化程度降低，原核微生物群落稳定性降低。