土壤肥力质量评价是对土壤内部物理、化学和生物学属性变化的总体描述^[1]，森林土壤肥力质量评价对了解林地土壤质量状况有重要意义^[2]，常用的土壤质量定量评价方法是土壤肥力综合指标评价法^[3]。土壤微生物量和代谢功能的变化可作为监测土壤质量短期和长期变化的敏感指标^[4]。高质量的土壤有稳定的微生物群落组成和良好的微生物活性^[5]。土壤微生物是表征土壤质量最有潜力的敏感性指标^[6]，研究土壤质量演变中微生物多样性的响应是必要的。

“塔里木沙漠公路防护林生态工程”位于塔克拉玛干沙漠腹地，对塔里木沙漠公路的安全运行提供重要保障。然而，高温、高盐碱、多风沙等恶劣自然条件对防护林构成巨大威胁，在这种背景下，揭示咸水滴灌条件下防护林内风沙土肥力质量演变趋势以及微生物的响应规律，可为塔里木沙漠公路防护林生态工程的可持续发展提供理论指导。

有关干旱区土壤微生物与土壤质量方面的研究较多，研究认为微生物是沙漠生态系统林地土壤有效氮的重要来源^[7]，人工植被建立后微生物推动着土壤肥力水平向较高方向发展^[8]。邵玉琴等^[9]、王志等^[10]、曹成有等^[11]分别在内蒙古库布齐沙漠油篙地、毛乌素沙地南缘半流动沙地改良的麻黄地、科尔沁沙地流动沙丘种植小叶锦鸡儿林地中，对土壤微生物与土壤质量关系进行了研究，发现沙漠栽种固沙植物后，固沙植物根系产生的代谢产物为微生物提供了丰富营养，促进根际微生物发育；根际微生物代谢活动影响着植物和土壤间养分吸收传递，对风沙土形成有促进作用^[12]。

可见，前人围绕干旱区土壤微生物开展了大量研究，但多集中于干旱与半干旱区沙地免灌林地和淡水灌溉林地，关于极端干旱区的相关研究较少，而有关咸水滴灌条件下防护林风沙土肥力质量评价方面的研究更为鲜见。

因此，本研究以不同滴灌用水下林地风沙土为研究材料，通过探讨林地土体条件对微生物的影响，阐明防护林地土壤微生物与土壤肥力质量演变的互馈关系，最后揭示塔里木沙漠公路防护林地土壤微生物多样性对土壤质量演变的响应规律。

塔克拉玛干沙漠腹地的自然环境极为严酷，气候极端干燥、地表水资源匮乏、地下水矿化度高、风沙活动强烈、土壤贫瘠。塔里木沙漠公路防护林位于塔克拉玛干沙漠腹地，于2005年建成，全长446 km，林带宽度72—78 m，总面积312835 hm²，主栽树种有梭梭、沙拐枣和柽柳，株行距1 m×1 m。

2 012年7月中旬，在塔里木沙漠公路防护林区，控制防护林其它条件(地貌类型、配置方式、灌水周期、滴头间距等)基本一致的前提下，设置林龄相同(2003年定植)、滴灌水矿化度不同的防护林地样地(2003年定植)(表 1)。分0—5 cm (D₁)、5—15 cm (D₂)、15—30 cm (D₃)、30—50 cm (D₄) 4个深度，采集防护林地土壤。

采样时紧贴防护林木根部^[13]。同一样地随机设置5个平行采样点(重复5次)，不同样点的同层土样弃去植物残体，过2 mm筛后混和均匀，装入对应编号的无菌样品袋，迅速放入-4℃车载冰箱并运回实验室。用于理化性质、生物量和酶活性测定的样品实验室风干；用于分析风沙土微生物多样性的样品在-20℃冰箱保存，四周内分析完毕。

(1)土壤微生物群落多样性

采用BIOLOG-ECO法：包括配制缓冲液、获得提取液、接种、培养、测定等步骤^[14]。

聚合链式反应-变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)法：包括土壤DNA提取、PCR扩增、变性梯度凝胶电泳、割胶回收、DGGE图谱分析和DNA克隆及序列分析^[15]。

磷脂脂肪酸分析(PLFA)法：微生物 PLFA分析包括脂肪酸提取、甲酯化和鉴定等步骤^[16]。

(2)土壤理化性质

土壤有机质用重铬酸钾氧化-外加热法，全氮用高氯酸-硫酸消化法，速效氮用碱解蒸馏法，全磷用硫酸-高氯酸-氢氟酸溶-钼锑抗比色法，有效磷用0.5 mol/L NaHCO₃浸提-钼锑抗比色法，全钾用硫酸-高氯酸-氢氟酸溶-火焰光度法，速效钾用NH4OAc浸提-火焰光度法。

土壤含水量用烘干法，容重用环刀法，比重用比重瓶法，总孔隙度由容重和比重计算得出^[17]。土壤颗粒组成用马尔文激光粒度仪。

(3)土壤微生物生物量

土壤微生物生物量采用熏蒸浸提的方法。其中微生物量碳采用熏蒸提取-容量分析法，微生物量氮采用熏蒸提取-茚三酮比色法，微生物量磷采用熏蒸提取-全磷测定法^[18]。

(4)土壤酶活性

土壤酶活性测定用常规化学分析方法，其中蛋白酶、纤维素酶、蔗糖酶、磷酸酶、脲酶和过氧化氢酶比色法，过氧化氢酶采用滴定法^[19]。

BIOLOG代谢：孔的平均颜色变化率AWCD = ∑(C- R)/n，对于不同类型培养基n值不同，这里n值为31^[20]。

PLFA图谱：利用GC-MS确定脂肪酸种类，借助STATISTICA6.0软件，对脂肪酸图谱进行方差分析。

DGGE指纹图谱：利用Bio-Rad公司的凝胶成像系统(Quantity One 4.4.1，Bio-Rad，USA)，进行条带判读、迁移率、强度和面积计算。

多样性指数：采用Shannon-Wiener多样性指数公式，即H=-∑ S i=1 P_ilnp_i，E_H=H/H_max=H/lnS，土壤微生物碳源代谢、脂肪酸和DNA片段多样性用多样性指数(H)、丰度(S)和均匀度(E_H)表示。

土壤微生物的差异性：通过DPS9.5统计软件中的方差分析及其多重比较(LSD法)，揭示不同林地土壤微生物多样性的差异显著性。

土壤肥力是土壤物理、化学和生物性质的综合反映，本研究选择各肥力因子在0—5 cm、5—15 cm、15—30 cm、30—50 cm(不同土层数据为3次重复的均值)的测定值为评价指标的原始数据，采用主成分分析(PCA)的方法，建立了塔里木沙漠公路防护林地土壤肥力质量综合评价指标体系，土壤物理性质包括：容重、含水量和中值粒径；化学性质包括养分因子(有机质、全量氮、磷、钾和速效氮、磷、钾)和盐分因子(pH值、全盐和阳离子交换量CEC)，生物学性质包括微生物多样性指数(碳源代谢、脂肪酸和DNA片段种类)、土壤酶活性(过氧化氢酶、磷酸酶、脲酶、纤维素酶、蔗糖酶和蛋白酶)和微生物生物量(生物量碳、氮和磷)。

土壤肥力质量综合指数(IFI)是土壤各指标因子的综合。由于土壤肥力因子变化具有连续性质，故各评价指标采用连续性质的隶属度函数，并从主成分因子负荷量值的正负性(表 1)，确定隶属度函数分布的升降性。对于土壤容重、pH值、电导率和全盐含量，采用降型分布函数，即：

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而对土壤含水量、孔隙度及其它各项化学因子和生物因子，采用升型函数，即：

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式中，F(X_ij)表示各肥力因子的隶属度值，X_ij表示各肥力因子值，X_imax和X_imin分别表示第i项肥力因子中的最大值和最小值。

由于土壤肥力质量的各个因子状况与重要性不同，通常用权重系数表示各因子的重要性程度。确定各单因素的权重是综合评价的关键问题，以往研究中多采用人为打分来确定，为了避免受人为主观影响，本研究用SPSS软件多元统计分析中的主成分分析法来计算公因子方差，通过计算各个公因子方差占公因子方差总和的百分数，将公因子方差转换为0—1的数值，作为单项评价指标的权重值W_i。

根据加乘法则，对各个肥力指标值进行乘法合成，计算不同防护林地土壤肥力的综合指标值(IFI)^[21]：IFI=∑[W_i×F(X_ij)]，式中W_i表示各肥力因子的权重向量(表 3)；F(X_ij)表示各肥力因子的隶属度值。

由表 2看出，随着滴灌水矿化度的增大，土壤微生物的碳源代谢多样性指数、遗传基因多样性指数和脂肪酸多样性指数均有所减小。方差分析及多重比较后发现，遗传基因多样性指数H和丰富度S在不同滴灌水林地土壤之间的差异达到极显著水平(F>F_0.01)；表征碳源代谢的AWCD值、多样性指数H和丰富度指数S则在不同土壤间的差异达到显著水平(F > F_0.05)；而脂肪酸多样性指数H、丰富度指数S和均匀度指数E_H以及遗传基因均匀度指数E_H在不同土壤间的差异未达到显著水平(F ＜ F_0.05)。可见，就滴灌水矿化度对土壤微生物的影响而言，对遗传基因多样性的影响最大，碳源代谢多样性次之，脂肪酸多样性最小；表征土壤微生物遗传基因和脂肪酸种类分布的均匀度指数受滴灌水矿化度的影响不明显。因此，高矿化度滴灌水作用下的防护林地土壤微生物的代谢活性较低，遗传基因和脂肪酸种类较为单一。

由图 1可以看出，随着滴灌水矿化度的减小，土壤综合肥力质量表征指数IFI值明显升高(F = 71.21 > F_0.01)。滴灌水矿化度值为23.8 g/L(S₁)时，林地土壤综合肥力指数IFI值小于0.25；在18.10 g/L(S₂)时，IFI值略大于0.3；当矿化度值为13.99 g/L(S₃)时，IFI值接近0.5；当矿化度值为5.75 g/L(S₅)时，IFI值大于0.6；而矿化度值为2.58 g/L(S₆)时，IFI值超过0.65，为S₂时的2倍多。由此可见，高矿化度滴灌水不利于土壤肥力质量提高。

图 1 不同灌水条件下土壤肥力质量 Fig. 1 Soil fertility qualities in different forest lands under different saline waters

图选项

由图 2可以看出，土壤肥力质量在不同土层间的垂直差异明显(F = 3.138 > F_0.05)。各土层IFI值大小为D₃ > D₄ > D₂ > D₁。表层0—5 cm (D₁)的IFI值最小，小于0.3，与其它土层的差异在0.01的统计学显著水平上差异显著。而5—15 cm (D₂)、15—30 cm (D₃)和30—50 cm (D₄)的IFI值差异不大，介于0.5—0.55之间。

图 2 不同土层土壤肥力质量 Fig. 2 Soil fertility qualities in different soil layers

图选项

表征土壤微生物碳源代谢活性的AWCD值与土壤综合肥力指数IFI值之间存在幂函数关系，函数式为Y = 0.56X^0.66，决定系数R²值为0.82(图 3)。即土壤碳源代谢活性升高，土壤肥力指数以乘幂函数形式增大。

图 3 土壤微生物代谢多样性与土壤肥力质量的关系 Fig. 3 Relationship of soil microbial mechanism diversity and soil fertility quality

图选项

由图 4可知，土壤微生物脂肪酸多样性指数H与土壤综合肥力指数IFI值之间存在幂函数关系，函数式为Y = 2×10^-7X^15.35，决定系数R²值为0.889。表明土壤肥力指数IFI值随着土壤脂肪酸多样性指数H的增大而呈幂函数形式提高。

图 4 土壤微生物脂肪酸多样性与土壤肥力质量的关系 Fig. 4 Relationship of soil microbial fatty acid diversity and soil fertility quality

图选项

由图 5可知，土壤微生物DNA片段多样性指数H与土壤综合肥力指数IFI值之间存在多项式关系，函数式为Y = 1.07X²+4.28X-3.41，决定系数R²值为0.866。表明土壤肥力指数IFI值随着土壤DNA片段多样性指数H的增大而呈多项式函数的形式提高。

图 5 土壤微生物遗传多样性与土壤肥力质量的关系 Fig. 5 Relationship of soil microbial genetic diversity and soil fertility quality

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由图 6可知，塔里木沙漠公路防护林地土壤全盐中8大离子组成具有明显特征，含量大小基本表现为SO^2-₄> Cl^- > Na⁺ > Ca²⁺ > HCO^-₃ > K⁺ > Mg²⁺ > CO^2-₃，其中SO^2-₄、Cl^-、Na⁺ 3种离子在全盐中的含量之和大于80%，而CO^2-₃在全盐中的含量百分比最小，小于1%。说明塔里木沙漠公路防护林地土壤中的盐分类型是以Na⁺-Cl^--SO^2-₄类型为主。随滴灌水矿化度增大，土壤全盐含量明显增大，同时，土壤中SO^2-₄离子增大，而Na⁺和Cl^-含量有所降低。

图 6 不同矿化度滴灌水作用下土壤溶液中8大盐分离子含量 Fig. 6 Contents of salt ions in the soil water solution under different saline water 图中数字表示对应盐分离子在全盐中的含量百分比；圆环图中由内向外依次为土壤样品S6、S5、S4、S3、S2、S1；字母A、B、C、D、E、F、G、H分别代表CO2-3、HCO-3、Cl-、SO2-4、Ca2+、Mg2+、Na+和K+

图选项

本研究中所采集的土壤样品均采自于防护林木非根际区，因此植物对土壤盐分含量的影响可不考虑，土壤盐分含量主要取决于滴灌水盐分含量，与滴灌水矿化度有关^[22]。

本研究发现，不同矿化度滴灌水作用下，塔里木沙漠公路防护林地土壤微生物多样性差异显著，表明滴灌水矿化度对土壤微生物的效应明显。滴灌水矿化度值大，土壤溶液中盐分含量高，土壤微生物所受盐胁迫程度大，微生物种群多样性下降，微生物活性降低。这是因为，土壤盐分积累不仅会直接影响土壤微生物的活性，还会通过改变土壤理化性质间接影响土壤微生物生存环境，从而导致土壤微生物种群、数量及活性发生变化^[23]。土壤盐分积累会对土壤养分的有效性造成影响，如Ca²⁺的大量累积会增加对磷的固定，导致磷的有效性降低^[24]；而土壤养分是土壤微生物生存的物质基础，土壤养分的丰富程度和成分决定了微生物的种类、数量和活性大小^[25]。因此，滴灌水矿化度增大，土壤通透性变差，不利于微生物存活。由此可见，在塔里木沙漠公路防护林地，土壤微生物的功能多样性、遗传多样性和种类多样性具有明显的滴灌水矿化度效应。

随着滴灌水矿化度的减小，土壤综合肥力质量指数IFI值明显升高，二者存在明显负相关关系。因此，高矿化度滴灌水不利于土壤肥力质量提高。这是由于，高矿化度滴灌水会使土壤积累大量盐分，不仅造成土壤物理性质变差，容重增大，同时不利于土壤养分的正常周转和速效养分的形成，最后导致土壤板结，结构性变差，养分水平低下，生物活性不足，土壤质量严重下降^[26]。

土壤肥力质量在不同土层间的垂直差异明显。这是由于表层土盐分含量较高，土壤板结现象突出；同时，表层土受沙尘暴影响，发育原始的流动风沙土较多，直接造成土壤肥力水平低于其下层土^[27]。总体来讲，不同咸水灌溉下，塔里木沙漠公路防护林土壤肥力质量的空间垂直分异主要来源于表层土。

顾峰雪等^[28]指出，在极端干旱的塔克拉玛干沙漠腹地，利用咸水灌溉建立人工植被后促进了风沙土的成土发育，使土壤内部发生了显著变化，土壤物理、化学性质得到改善，肥力提高，这种变化是随着植被建立时间的延长而逐渐增大。王志等^[10]对毛乌素沙地南缘改良4a的麻黄地土壤理化性质作了研究后认为，定植4a的麻黄地土壤养分含量与半流动沙地比大幅提高。曹成有等^[11]发现科尔沁沙地流动沙丘上建立人工小叶锦鸡儿后土壤理化性质改善，随着林龄的增长土壤酶活性逐渐提高。可见，与无灌溉条件类似，在人工咸水滴灌条件下人工植被的恢复与建设有益土壤养分水平和生物活性的提高。可能是由于林木定植后，高林龄的防护林地林木较为高大，枝叶茂密，相比幼龄林地，减少了进入林地表层的客沙量，同时林木根系逐渐发达，根际分泌物对土壤生物繁殖有促进作用。

微生物是土壤肥力形成的重要基础，由于微生物的存在，才使土壤中天然的与人工施入的营养物质由无效态向有效态转化成为可能。土壤生态系统的功能主要由土壤微生物机制所控制，土壤微小变动会引起微生物多样性变化^[29]。土壤微生物群落变化可作为土壤肥力状况的重要生物学指标，其变化有赖于土壤的肥力水平和环境状况^[30]。

在咸水滴灌作用下，塔里木沙漠公路防护林土壤微生物碳源代谢多样性与土壤综合肥力指数IFI值之间存在幂函数关系，即土壤碳源代谢活性升高，土壤肥力指数以乘幂函数形式增大。土壤微生物脂肪酸多样性与土壤综合肥力指数IFI值之间存在幂函数关系，表明土壤肥力指数IFI值随着土壤脂肪酸多样性指数的增大而呈幂函数形式提高。土壤微生物DNA片段多样性指数与土壤综合肥力指数IFI值之间存在多项式关系，表明土壤肥力指数IFI值随着土壤DNA片段多样性指数的增大而呈多项式函数的形式提高。

因此，矿化度值较低的滴灌水可避免土壤积盐、板结硬化，有利于土壤团粒结构形成和养分积累，微生物活性增强，对于风沙土壤养分的循环转化利用及其质量状况的改善有一定促进作用，可作为实践中灌溉水选择的参考依据。