小興安嶺3種闊葉紅松林土壤微生物多樣性

鄒 莉，郭 靜，于 洋，孫婷婷，張 健，張國權(quán)，唐慶明

（1.東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150040；2.內(nèi)蒙古呼倫貝爾市林業(yè)科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾021008）

森林草本層植被具有豐富的物種組成及多樣性，在增加林下生物量、維持物種豐富度、保持林內(nèi)生態(tài)環(huán)境平衡等方面起著重要作用［1－2］。土壤微生物作為土壤中最活躍的生物因子影響著土壤酶活性、理化性質(zhì)及養(yǎng)分含量等指標(biāo)，并且在分解有機(jī)物、養(yǎng)分循環(huán)等方面扮演著重要角色［3－5］。然而，近年來小興安嶺原始紅松林出現(xiàn)了生態(tài)系統(tǒng)退化嚴(yán)重、森林面積銳減和水土流失加劇等問題，這與地表植被破壞有著密切關(guān)系。因此，研究草本層植被土壤微生物多樣性能夠?yàn)榛謴?fù)森林地表植被及生態(tài)系統(tǒng)提供合理依據(jù)，通過分析林下土壤微生物種群分布的時(shí)空動(dòng)態(tài)可以為森林植被多樣性進(jìn)行評價(jià)［6］。目前，關(guān)于土壤微生物的研究主要集中在物種多樣性、遺傳多樣性和功能多樣性等方面，但是對于森林地表草本層土壤微生物的研究還比較少［7］。本研究以探索小興安嶺原始闊葉紅松林草本層植被土壤微生物為目的，通過對其平均吸光值（AWCD）季節(jié)變化指數(shù)、多樣性指數(shù)等進(jìn)行分析，以期為恢復(fù)原始森林地表植被多樣性及生態(tài)穩(wěn)定性提供基礎(chǔ)理論。

1 材料與方法

1.1 研究地概況 試驗(yàn)地位于黑龍江省伊春市帶嶺區(qū)涼水國家自然保護(hù)區(qū)（128°53′20″E，47°10′50″N），區(qū)內(nèi)天然林總面積5 430.5hm2。氣候特點(diǎn)為春季降水較少；夏季降水集中，氣溫較高；秋季降溫急劇，多出現(xiàn)早霜；冬季漫長多風(fēng)雪，嚴(yán)寒而干燥。年平均氣溫－0.3℃，年均降水量676mm，積雪期130～150d，無霜期100～120d，年平均地溫1.2℃，凍土深度2.0mm左右，屬溫帶大陸性夏雨氣候。

1.2 土樣采集 土壤采集時(shí)間按照春、夏、秋、冬4個(gè)季節(jié)進(jìn)行；采集地點(diǎn)位于伊春市涼水國家自然保護(hù)區(qū)原始蒙古櫟（Quercusmongolica）紅松林、椴樹（Tiliaamurensis）紅 松 林 及 白 樺 （Betula platyphylla）人工林內(nèi)；采集方式為：按照“之”字形取樣法選擇各林型內(nèi)采土點(diǎn)，再于各林地草本層植被下進(jìn)行土壤采集；采集深度分別為：表層（腐殖質(zhì)層）、0－10cm層和0－20cm層；每個(gè)土樣采集500 g，裝入無菌聚乙烯袋后帶回實(shí)驗(yàn)室于4℃冰箱保存，以備微生物多樣性的測定。

1.3 土壤微生物功能多樣性分析 采用BI－OLOG微平板法，稱取相當(dāng)于10g烘干土壤的新鮮土壤，加入帶玻璃珠，含100mL磷酸緩沖液的三角瓶中。在150r·min－1轉(zhuǎn)速下振蕩15min后靜置2 min，取3mL上清液至27mL 0.145mol·L－1的NaCl溶液中稀釋，重復(fù)稀釋至1／1 000倍后吸取150μL溶液接種至BIOLOG板中，在25℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)10d，每24h在595nm處用VAMAX自動(dòng)讀盤機(jī)讀數(shù)。

1.4微生物多樣性計(jì)算 按如下公式計(jì)算溶液AWCD及微生物多樣性SW指數(shù)、SP指數(shù)和Mc－Intosh指數(shù)［8－10］。

物種優(yōu)勢度SP指數(shù)

群落物種均勻度McIntosh指數(shù)：

式中，C為各培養(yǎng)基孔吸光值，R為對照孔吸光值，n為孔數(shù)。Pi為第i孔的相對吸光值與所有反應(yīng)孔相對吸光值總和的比值。ni為第i孔的相對吸光值，N為所有反應(yīng)孔相對吸光值總和。

1.5 數(shù)據(jù)分析與處理 使用Excel 2003軟件及SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果

2.1 土壤微生物群落AWCD分析 各林型草本層植被表層土壤微生物的AWCD值均以春季最低，隨后呈先增加再降低的趨勢（圖1）。蒙古櫟紅松林表現(xiàn)為春季到夏季間急劇增加，秋季時(shí)急劇下降，冬季繼續(xù)小幅下降。椴樹紅松林AWCD值在四季變化中表現(xiàn)比較平穩(wěn)，以夏季最高。白樺人工林則以春、秋兩季最低，冬季最高。各季節(jié)中，春季和秋季以椴樹紅松林AWCD值最高、夏季以蒙古櫟紅松林最高、冬季則以白樺人工林和椴樹紅松林最高。

各林型草本層0－10cm層土壤微生物AWCD值均以秋季最低，變化幅度最大的仍為蒙古櫟紅松林，春、夏、秋3個(gè)季節(jié)的AWCD值有明顯的增減規(guī)律，但冬季與秋季相比略有上升（圖1）。椴樹紅松林繼續(xù)表現(xiàn)出平穩(wěn)的變化趨勢，以夏季最高。白樺人工林AWCD則表現(xiàn)為春季到夏季持續(xù)下降，到了冬季卻有明顯的增加，且達(dá)到四季中的最高值。在春季和冬季中AWCD值以白樺林最大、夏季以蒙古櫟紅松林最大、秋季則以椴樹紅松林最大。

在10－20cm的土層中，夏季蒙古櫟紅松林AWCD值最高，在秋季卻最低，其總體變化趨勢與0－10cm層基本一致（圖1）。椴樹紅松林四季中夏季AWCD值仍然最高，總體趨勢與蒙古櫟紅松林基本一致，呈現(xiàn)明顯的“N”字形。白樺人工林AWCD的變化呈現(xiàn)出比較平穩(wěn)的趨勢，秋、冬兩季較低，春、夏兩季較高。在各季節(jié)中，春、夏兩季以蒙古櫟A(chǔ)WCD值最高、秋季白樺人工林最高、冬季椴樹紅松林最高。

圖1 各林型草本層植被土壤微生物AWCD值隨季節(jié)變化規(guī)律Fig.1 Variation of microbial community AWCD in soil during four seasons

2.2 土壤微生物功能多樣性指數(shù)分析 不同的多樣性指數(shù)能夠反映出土壤微生物群落多樣性的不同特征。SW指數(shù)反映微生物群落物種的豐富度，SP指數(shù)反映微生物群落的常見物種及物種優(yōu)勢度，而McIntosh指數(shù)則反映微生物群落均勻性特征［11－13］。在不同林型的3個(gè)土層中均以蒙古櫟紅松林土壤微生物SW指數(shù)最高，且在0－10cm和10－20cm土層顯著高于白樺人工林及椴樹紅松林（P＜0.05），而各土層椴樹紅松林與白樺紅松林土壤微生物SW指數(shù)無顯著差異（圖2）。在同一林型的3個(gè)土層中白樺人工林及椴樹紅松林以表層SW指數(shù)最高，蒙古櫟紅松林中則以0－10cm層最高。

不同林型各土層內(nèi)仍以蒙古櫟紅松林土壤微生物SP指數(shù)最高，且與其他兩種林型相比差異顯著（P＜0.05）（圖2）。椴樹紅松林在0－10cm土層中的SP指數(shù)顯著高于白樺人工林，其余兩層的SP指數(shù)差異不顯著。相同林型不同土層中均以表層SP指數(shù)最高，白樺人工林中0－10cm層最低，蒙古櫟及椴樹林中10－20cm層最低。

圖2 各土層SW，SP和McIntoch指數(shù)比較分析Fig.2 Variation of the SW、SP and McIntoch index of microbial diversity in different soil layer in three forest types

在各林型中蒙古櫟紅松林土壤微生物McIntosh指數(shù)顯著高于其他兩種林型，在椴樹紅松林中0－10cm土的McIntosh指數(shù)也顯著高于白樺人工林的表層土，但其它土層間的McIntosh指數(shù)無明顯差異。相同林型中，白樺及椴樹林的McIntosh指數(shù)以表層最高，蒙古櫟紅松林則以10－20cm層最高（圖2）。

3 討論

蒙古櫟紅松林草本層植被土壤微生物的AWCD值隨著季節(jié)而顯著變化是因?yàn)槠洳荼緦油寥牢⑸锸芗竟?jié)影響較大，在今后的研究中可以根據(jù)季相特征來探討其微生物特征；而本研究中椴樹紅松林AWCD值在四季中表現(xiàn)的較為平緩，受溫度、季節(jié)變化影響不大則可能與其林下具有更為豐富的草本層植被有關(guān)［14－15］。植被的多樣性在一定程度上影響著土壤微生物的多樣性［16］；白樺人工林AWCD值低于兩種原始紅松林的結(jié)果則反映出，其林下草本植被多樣性與原始紅松林相比較低是造成AWCD 值偏低的原因［17］。

本研究表明，蒙古櫟紅松林草本層植被土壤微生物多樣性指數(shù)隨土層深度的變化不明顯，并且高于其他兩種林型，是因?yàn)槠渫寥牢⑸锒鄻有灾饕芗竟?jié)、溫度的影響較大［18］，而與土壤的深度無關(guān)；而另外兩種林型草本層植被土壤微生物多樣性則與土壤深度有關(guān)與環(huán)境因子關(guān)系不大［19］。

綜上所述，原始闊葉紅松林的草本層植被土壤微生物較人工林相比具有更高的多樣性和活性，在維持林內(nèi)養(yǎng)分循環(huán)、物質(zhì)代謝、生產(chǎn)力等方面起著不可替代的作用。因此，在保護(hù)原始紅松林過程中可以從林下土壤微生物多樣性的角度著手，為其保護(hù)措施提供新的方法。

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