3種人工林土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與可溶性有機(jī)氮的相關(guān)性

郭新春，曹裕松，劉苑秋，邢世和

(1.福建農(nóng)林大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，福建 福州 350002;2.井岡山大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，江西 吉安 343009;3.井岡山大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，江西 吉安 343009;4.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 園林與藝術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330045)

可溶性有機(jī)氮(Soluble Organic Nitrogen，SON)是指可溶于水或鹽溶液(如CaCl2，KCl，K2SO4)的有機(jī)氮[1]，是土壤中溶解態(tài)有機(jī)氮(Dissolved Organic Nitrogen，DON)的潛在來源[1-2]，是土壤有機(jī)氮中最活躍的組分。同時(shí)，土壤SON能反映土壤有機(jī)氮礦化的難易程度，可作為反映土壤氮素礦化能力的一個(gè)指標(biāo)[3-4]。土壤中至少部分SON(例如氨基酸可以直接被一些植物吸收[5-9]。因此，SON與土壤氮素礦化、固持、淋失和植物吸收等有密切的聯(lián)系，是土壤生態(tài)系統(tǒng)中不可忽視的氮素組分[10]，在森林生態(tài)系統(tǒng)和全球氮循環(huán)中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用[11-14]。

土壤SON在微生物生化循環(huán)中起著關(guān)鍵作用[15]，能促進(jìn)礦物風(fēng)化，而且還對(duì)生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分的有效性和流動(dòng)性有直接影響[16-18]，但是，土壤SON含量對(duì)植物營(yíng)養(yǎng)的貢獻(xiàn)有多大很不確定[11，19-20]，土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)組成與SON含量的相關(guān)性少見報(bào)道[14]。本研究以福州地區(qū)毗鄰的3種同齡人工林為研究對(duì)象，研究其土壤SON含量和微生物群落多樣性，并探討兩者之間的關(guān)聯(lián)性，以期找出影響土壤SON含量的微生物因素，為進(jìn)一步深入研究SON在土壤氮素轉(zhuǎn)化中的作用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況及土樣的采集

實(shí)驗(yàn)樣地位于福建省南平市西芹鎮(zhèn)的福建農(nóng)林大學(xué)教學(xué)林場(chǎng)，該區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，土壤類型為花崗片麻巖發(fā)育而來的酸性巖紅壤，地貌類型為武夷山南伸和戴云山北延支脈的低山丘陵(坡向?yàn)闁|南坡，海拔介于300～350 m)。在該林場(chǎng)相鄰區(qū)域選擇同齡(12 a)人工林為研究區(qū)域，3種人工林分別為闊葉林(楠木，Phoebe Bournei(Hemsl.)Yang)、針闊混交林(池杉 ×竹柏，Nageia nagi(thumb.)O.Ktze×Taxodium ascendens Brongn)和針葉林(杉木，Cunninghamia lanceolata(Lamb)Hook)，分別在每一林地生態(tài)系統(tǒng)的坡上部、坡中部和坡下部各設(shè)1個(gè)取樣小區(qū)作為重復(fù)，小區(qū)面積為10×15 m2。3種覆被類型林地長(zhǎng)勢(shì)良好，郁閉度較高，闊葉林和針闊混交林的地表凋落物數(shù)量相近，但明顯高于針葉林。

在每一調(diào)查小區(qū)采用“S”型隨機(jī)采樣法布設(shè)10個(gè)采樣點(diǎn)，利用采樣刀去除地表的枯枝落葉層，然后分別采集0～20 cm和20～40 cm土層樣品，混合均勻后采用四分法分別獲得各小區(qū)不同土層的混合新鮮土樣，隨即將鮮樣置于4℃車載冰箱恒溫存放運(yùn)輸。在室內(nèi)采用多點(diǎn)取樣法均勻取出一定數(shù)量的新鮮土樣，通過2 mm篩后置于4℃冰箱恒溫保存，供土壤微生物區(qū)系測(cè)定，其余樣品經(jīng)風(fēng)干后分別通過2 mm、1 mm和0.149 mm篩在室溫下保存，供土壤相關(guān)性質(zhì)測(cè)定。

1.2 分析方法

土壤無(wú)機(jī)氮(NO3--N，NH4+-N):采用1 mol/L KCL溶液浸提(水∶土=10∶1)土樣，220 r/min振蕩1 h，先用粗濾紙過濾，然后將濾液用0.45 m的濾膜再次過濾。用流動(dòng)分析儀分別測(cè)定濾液中NO3--N和NH4+-N含量;土壤可溶性全氮(TSN):采用0.15 mol/L的NaOH和3%K2SO4配比溶液浸提土樣，置于120℃高壓鍋中氧化30 min，采用紫外分光光度法測(cè)定可溶性全氮含量[21];土壤可溶性有機(jī)氮(SON):土壤可溶性全氮(TSN)含量和無(wú)機(jī)氮(NO3--N與NH4+-N之和)含量之差即為SON的含量。

土壤微生物區(qū)系測(cè)定采用磷脂脂肪酸(PLFA)提取和分析[22-23]，在下述色譜條件下采用美國(guó)Agilent 6890N型氣相色譜儀測(cè)定平行分析脂肪酸甲酯混合物標(biāo)樣和待檢樣本:二階程序升高柱溫，170℃起始，5℃/min升至260℃，而后40℃/min升溫至310℃，維持90 s;汽化室溫度250℃，檢測(cè)器溫度300℃;載氣為氫氣(2 mL/min)，尾吹氣為氮?dú)?30 mL/min);柱前壓l0.00 psi(1psi=6.895 kPa);進(jìn)樣量1 μL，進(jìn)樣分流比100∶1。土壤微生物種類應(yīng)用美國(guó)MIDI公司開發(fā)的Sherlock MIS4.5系統(tǒng)，根據(jù)PLFA分析譜圖作為微生物群落中不同群體的標(biāo)記物確定。PLFA譜圖中某些特征脂肪酸分別對(duì)細(xì)菌、真菌和放線菌是特異的，采用對(duì)應(yīng)的PLFA特征峰反應(yīng)值(Response)表示各微生物種類的相對(duì)生物量[24]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)

表層土壤NO3--N、全氮(TN)和總有機(jī)碳(TOC)含量均以針闊混交林為最高(分別為4.21，183.38和19.83 mg/kg)，顯著高于針葉林和闊葉林表層土壤NO3--N 含量(P ＜0.05)。NH4+-N含量以針葉林最高(4.21 mg/kg)，顯著高于闊葉林和針闊葉混交林(P＜0.05)(表1)。針闊混交林下層土壤(20～40 cm)NO3--N含量(1.66 mg/kg)顯著高于針葉林和闊葉林下層土壤NO3--N 含量(P ＜0.05)，針闊混交林下層土壤NH4+-N、TOC和TN含量也均高于針葉林和闊葉林，但差異不顯著。

表1 3種人工林土壤理化性質(zhì)Tab.1 The physicochemical characters of soil in the 3 forests mg/kg

2.2 土壤可溶性有機(jī)氮含量

闊葉林、針闊混交林和針葉林表層土壤SON含量分別為 12.26、11.50 和 11.72 mg/kg，而深層土壤SON含量分別為 7.45、7.12 和 7.15 mg/kg(圖1)。3種人工林之間表層土壤(0～20 cm)土壤水溶性SON含量無(wú)顯著差異，深層土壤(20～40 cm)水溶性 SON含量也無(wú)顯著差異。但是，3種林分土壤水溶性SON含量垂直分布明顯，表層土壤SON含量顯著高于深層土壤SON含量(圖1，P ＜0.05)。具體而言，闊葉林表層土壤SON含量極顯著地高于闊葉林深層土壤SON含量(P＜0.001)，也顯著高于其它兩種林分的深層土壤SON含量(P＜0.001);針闊混交林表層土壤SON含量高于闊葉林、針闊混交林和針葉林深層土壤SON 含量(P ＜0.05);針葉林表層土壤SON含量也顯著高于針葉林、闊葉林和針闊混交林深層土壤SON含量(P ＜0.05)。

圖1 3種人工林不同深度土壤可溶性有機(jī)氮的含量Fig.1 Concentration of SON in different depth in the three forest types

圖2 3種人工林不同深度土壤微生物群落組成Fig.2 Composition of soil microbie in different depth soil in the three forests

2.3 土壤微生物群落組成

針闊混交林表層土層(0～20 cm)的微生物和真菌的相對(duì)生物量(分別為45 924.3 ±2 718.1 和 9 477.3±400.4 nmol PLFA/g)極顯著地高于闊葉林和針葉林(P ＜0.001)，闊葉林土壤微生物量顯著高于針葉林，但闊葉林土壤真菌的相對(duì)生物量顯著低于針葉林(P＜0.05)。3種森林(針闊混交林、闊葉林和針葉林)中，細(xì)菌和放線菌出現(xiàn)類似的規(guī)律，即針闊混交林(34 769.0±2 364.0，1 678.0 ±6.9 nmol PLFA/g)＞ 闊葉林(28 042.7 ±867.1，1 341.7 ±17.0 nmol PLFA/g)＞ 針葉林(24 267.7 ±318.6，1 197.3 ±44.6 nmol PLFA/g)，差異均達(dá)到極顯著水平(P ＜0.001)。假單孢菌和甲烷氧化菌的相對(duì)生物量以闊葉林為最高(分別為9 756.3±751.7和1 476.3±15.5 nmol PLFA/g)，顯著高于針闊混交林和針葉林，而針闊混交林顯著高于針葉林 (P＜0.05)。

深層(20～40 cm)土壤微生物群落各組分的相對(duì)生物量均以針闊混交林為最高，顯著高于闊葉林和針葉林(P＜0.05)。針闊混交林土壤的微生物、細(xì)菌和甲烷氧化菌的相對(duì)生物量(分別為 28 180.7 ± 2 281.1，21 721.3 ±1 705.0，1 151.7±53.2 nmol PLFA/g)與闊葉林和針葉林之間的差異達(dá)到極顯著水平(P ＜0.001)，而闊葉林土壤中三者的含量(19 614.3 ± 592.1，15 022.3±571.3，743.7 ± 85.0 nmol PLFA/g)顯著高于針葉林(P ＜0.05)，但是，針葉林土壤中真菌和假單胞菌的相對(duì)生物量(依次為4 801.7 ±662.6，4 298.7 ±32.6 nmol PLFA/g)則顯著高于闊葉林(4 592.0 ±22.5，4 121.0 ±85.0 nmol PLFA/g)。

圖3 3種人工林土壤微生物群落多樣性與可溶性有機(jī)氮的相關(guān)性Fig.3 Relations between soil SON and quality of microbial，bacteria，fungi and actionmycetes in 3 forests

2.4 土壤微生物群落與土壤可溶性有機(jī)氮的相關(guān)性

土壤微生物群落區(qū)系各組分的相對(duì)含量均與土壤可溶性有機(jī)氮含量之間存在顯著的相關(guān)性(P＜0.05，n=3)，隨著SON含量的升高而升高(圖3)。土壤微生物生物量與土壤SON含量之間存在較好的相關(guān)性，可以用線性方程y=3 117.20x+573.73(R2=0.733)進(jìn)行擬合。土壤放線菌數(shù)量與SON含量之間的相關(guān)性最強(qiáng)(R2=0.852 3)。細(xì)菌與SON含量的相關(guān)程度 (R2=0.712 8)高于與真菌SON含量的相關(guān)性(R2=0.580 5)。

3 討論

3.1 土壤微生物群落多樣性

土壤微生物是土壤中生理、生化等各種反應(yīng)的參與者和推動(dòng)者，其分布和組成是林地生物多樣性的重要特征[25]。供試的3種類型的森林中，土壤微生物、細(xì)菌和放線菌的相對(duì)生物量均以針闊混交林為最高，闊葉林次之，針葉林最低，而針葉林土壤的真菌相對(duì)生物量則高于闊葉林，說明針闊混交林可有利于土壤微生物、細(xì)菌和放線菌的生長(zhǎng)繁殖，而針葉林環(huán)境則有利于真菌的生存繁殖。這與已有的報(bào)道相一致。周碧青等[26]的研究結(jié)果表明不同覆被類型林地土壤微生物和細(xì)菌的相對(duì)生物量高低順序均表現(xiàn)為針闊混交林、闊葉林、針葉林，而針闊混交林和針葉林土壤的真菌相對(duì)生物量則高于闊葉林。出現(xiàn)這種結(jié)果的主要原因是森林中凋落物量、凋落物組分及其化學(xué)性質(zhì)的不同影響到土壤微生物生物量及其結(jié)構(gòu)。不同林型土壤的生物學(xué)特性與其相應(yīng)的林木種植結(jié)構(gòu)之間存在著密切相關(guān)性[27]，不同林分凋落物成分不同，直接影響土壤微生物區(qū)系和酶活性[28]，針闊混交林和闊葉林的凋落物量通常高于針葉林[29-31]，為微生物生存繁殖提供了充足的碳源和氮源，另一方面在針闊混交林中，針葉和闊葉凋落物混合在一起，難分解的針葉改善了林下凋落物層的通氣狀況，對(duì)微生物活性起到一定的促進(jìn)作用，從而增加了土壤微生物各組分的含量。而供試的針葉林為杉木林，存在凋落物宿存的現(xiàn)象[32]，林下凋落物量較低，并且，針葉林的枯枝落葉含水量少、葉厚、酯溶性物質(zhì)多及C/N值較大等因素不利于微生物生長(zhǎng)[33]，但有助于真菌生長(zhǎng)而提高真菌的生物量[34]。3種森林中表層土壤(0～20 cm)和深層土壤(20～40 cm)微生物各組成分均以針闊混交林為最高，顯著高于闊葉林和針葉林(P＜0.001)。

3種類型的森林土壤微生物區(qū)系中，以真菌的相對(duì)生物量最高，放線菌的相對(duì)生物量最低(圖2)。這是由于土壤的理化性質(zhì)明顯影響到不同微生物類型的生存和活性。一般認(rèn)為真菌多數(shù)在土壤上層中發(fā)育，在pH 4～5的酸性土壤中生長(zhǎng)旺盛;而放線菌適宜于堿性環(huán)境生存[35-36]，而供試林地土壤的pH值在4.5左右(表1)，均屬于強(qiáng)酸性土壤，有利于真菌而不利于放線菌生長(zhǎng)和繁殖。

3.2 土壤可溶性有機(jī)氮

針闊混交林、闊葉林和針葉林表層土壤SON含量分別為12.26、11.50和11.72 mg/kg，而深層土壤SON 含量分別為 7.12、7.45 和 7.15 mg/kg，高于溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)土壤 SON 含量[2，18，37]。Hannam and Prescott[18]的結(jié)果表明，在云杉林中土壤水提的 SON 含量為 6.5 ～7.6 mg/kg。Zhu and Carreiro[37]的結(jié)果表明，橡樹林土壤SON含量11.7～23.6 mg/kg。Zhong and Makeschin[2]的報(bào)道指出，挪威云杉林土壤SON含量為6.6～10.2 mg/kg。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，闊葉林土壤SON含量高于針葉林，而針葉林土壤SON含量又高于針闊混交林。這與已有的報(bào)道相符。Michalzik et al[38]的研究表明混交林和針葉林內(nèi)土壤溶液中SON流量常顯著高于闊葉林內(nèi)土壤溶液中SON流量?？赡苁且?yàn)橥寥繱ON含量在很大程度上受到凋落物層的影響，森林土壤滲濾液中的SON的濃度與凋落物的輸入量有顯著的相關(guān)性。Michalzik＆Matzner[19]研究表明，枯枝落葉層滲透濾液和土壤A層中SON濃度最高，而最大流量出現(xiàn)在枯枝落葉層。Huang＆Schoenau[15]的研究表明約80%的SON產(chǎn)生于新近凋落物層。而本研究中供試的3種人工林的凋落物均難分解，SON釋放速率均較慢，致使土壤SON含量差異較少。

土壤可溶性有機(jī)氮含量表現(xiàn)出明顯的垂直分異，在同一森林植被覆蓋下，表層土壤SON含量顯著高于深層土壤SON含量(P＜0.05)。一方面是因?yàn)楸韺油寥乐参锔岛臀⑸镙^豐富，根分泌物的增加和微生物活性增強(qiáng)，增加了土壤中SON含量。周碧青等[26]研究表明針葉林、針闊混交林和闊葉林土壤中總微生物、細(xì)菌和真菌的相對(duì)生物量均隨深度增加而明顯減少，土壤總微生物、細(xì)菌和真菌的相對(duì)生物量垂直差異均達(dá)極顯著水平。另一方面，在酸性土壤中，深層土壤中硝化現(xiàn)象非常顯著，隨著土層深度的增加，SON逐漸向硝酸鹽形態(tài)轉(zhuǎn)化[40]，從而降低了深層土壤中可溶性有機(jī)氮含量。

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