南方紅壤區(qū)西南樺和馬尾松人工林土壤微生物活性及細(xì)菌多樣性比較

楊尚東，吳俊，譚宏偉，劉永賢，熊柳梅，周柳強(qiáng)，謝如林，黃國勤，趙其國

1. 廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣西 南寧 530004；2. 廣西作物遺傳改良生物技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室/廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院，廣西 南寧 530007；3. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)，江西 南昌 330045；4. 中國科學(xué)院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008

南方紅壤區(qū)西南樺和馬尾松人工林土壤微生物活性及細(xì)菌多樣性比較

楊尚東1,2，吳俊1，譚宏偉2*，劉永賢2，熊柳梅2，周柳強(qiáng)2，謝如林2，黃國勤3，趙其國4

1. 廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣西 南寧 530004；2. 廣西作物遺傳改良生物技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室/廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院，廣西 南寧 530007；3. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)，江西 南昌 330045；4. 中國科學(xué)院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008

目前，西南樺（Betula alnoides）和馬尾松（Pinus massoniana）均是廣西紅壤區(qū)大規(guī)模種植的人工林樹種。為了分析和評價這兩個樹種對土壤肥力和生態(tài)質(zhì)量的影響，本文采用了稀釋平板法和氯仿熏蒸提取法等傳統(tǒng)方法分析了兩種人工林土壤可培養(yǎng)微生物數(shù)量、微生物量碳、微生物量氮、涉及土壤碳、氮、磷循環(huán)相關(guān)酶活性等表征微生物活性的指標(biāo)。同時，采用聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)-變性梯度凝膠電泳（PCR-DGGE）技術(shù)分析了兩種人工林土壤細(xì)菌多樣性。結(jié)果表明，西南樺人工林土壤中可培養(yǎng)真菌數(shù)量與馬尾松人工林雖無明顯差異，但可培養(yǎng)細(xì)菌和放線菌數(shù)量均明顯高于相應(yīng)的馬尾松人工林。土壤中β-葡萄糖苷酶、磷酸酶和蛋白酶活性在兩種人工林之間雖無明顯差異，但西南樺人工林各土層土壤的微生物生物量碳、氮指標(biāo)均優(yōu)于對應(yīng)的馬尾松林，表現(xiàn)出比馬尾松更優(yōu)的生態(tài)效果。此外，西南樺人工林土壤中各土層細(xì)菌多樣性指數(shù)（Shannon-Wiener index）均高于相應(yīng)的馬尾松人工林土層。綜上，比馬尾松相比，西南樺是更有利于提高紅壤區(qū)土壤肥力和維持林地土壤生態(tài)質(zhì)量的造林樹種。

紅壤；西南樺；馬尾松；土壤肥力；生態(tài)質(zhì)量

紅壤（包括紅壤、赤紅壤和磚紅壤，下同）是廣西主要的土壤類型，面積達(dá)1.07×107hm2，占廣西土地總面積的65.55%（廣西土壤肥料工作站，1994）。廣西水熱資源豐富，夏季的高溫多雨不僅加快了土壤中有機(jī)質(zhì)的分解速度，而且容易造成大面積的水土流失。根據(jù)我國近年來水利和土壤普查數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)（分區(qū)考察組，2009），目前，南方紅壤區(qū)是我國水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域之一。一方面，嚴(yán)重的水土流失不僅導(dǎo)致了土壤質(zhì)量惡化，影響區(qū)域糧食安全，而且造成區(qū)域河流、水庫的泥沙淤積，加劇了“水質(zhì)性缺水”以及人居環(huán)境惡化等社會問題。另一方面，南方紅壤區(qū)的水土流失是一個漸變的過程，其危害性不易被人們發(fā)覺或意識，可一旦達(dá)到突變狀態(tài)，其危害性將十分嚴(yán)重。因此，紅壤區(qū)的水土流失治理任務(wù)迫在眉睫。

西南樺（Betula alnoides）是一種可做為更新刀耕火種、采伐跡地等荒地的先鋒樹種，其生長快、壽命長，樹干通直，尖削度小，是適宜培育大徑材的闊葉樹種。馬尾松（Pinus massoniana）是我國南方主要的用材針葉樹種，占全國造林面積的20%，具有適應(yīng)性強(qiáng)、用途廣、速生豐產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在我國林業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位（劉文飛等，2008）。目前，這兩個樹種在南方紅壤區(qū)均被大規(guī)模栽植，然而，長期栽植單一樹種將對土壤生態(tài)環(huán)境造成不良影響，而其具體影響尚未明確。

本文通過對廣西田林縣八渡鄉(xiāng)福達(dá)鎮(zhèn)西南樺和馬尾松人工林土壤理化性質(zhì)、土壤微生物活性及細(xì)菌多樣性進(jìn)行分析，試圖從土壤微生物學(xué)角度評價不同造林樹種對土壤肥力和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響，以期為紅壤區(qū)生態(tài)修復(fù)造林樹種的選擇提供理論依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

調(diào)查地位于廣西田林縣八渡鄉(xiāng)福達(dá)鎮(zhèn)林場（北緯24°36′，東經(jīng)105°92′），該林場屬南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫20.0 ℃，平均降雨量1657.2 mm。林地均為丘陵山地，土壤由砂頁巖發(fā)育而來。研究區(qū)造林樹種以西南樺（8年樹齡）和馬尾松(樹齡8年)人工林為主。

1.2 樣品采集

土壤樣品于2012年4月17日采集，分別取自林齡均為8 a的西南樺林（闊葉林）和馬尾松林（針葉林）人工林地，采集地點(diǎn)海拔均在560～590 m之間。具體采樣方法：兩類型林地隨機(jī)選取5個點(diǎn)，去除地表的凋落物層，然后挖取剖面。分表層（0～5 cm）、中層（5～35 cm）、下層（35 cm以下）采集。先取下層，再取中層，最后取表層。每個土壤樣品采集混勻后收集于無菌袋中，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室過2 mm篩后置于4 ℃冰箱中保存，用于土壤生物學(xué)性狀及細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的分析。兩林地土壤的理化性質(zhì)分析如下：西南樺人工林pH值5.02～5.91，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)7.7～40.6 g·kg-1，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.57～1.88 g·kg-1，全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.81～1.20 g·kg-1，全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)32.48～33.48 g·kg-1，堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)31.94～156.02 mg·kg-1，速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.78～9.34 mg·kg-1，速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)40.0～252.0 mg·kg-1；馬尾松人工林pH值5.24～5.35，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)7.7～28.1 g·kg-1，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.43～1.62 g·kg-1，全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.84～1.26 g·kg-1，全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)20.62～23.60 g·kg-1，堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)41.77～126.13 mg·kg-1，速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)5.20～11.34 mg·kg-1，速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)52.5～140.5 mg·kg-1。

1.3 分析測定方法

土壤微生物活性的測定：微生物土壤數(shù)量采用稀釋平板法(李振高等，2008)；微生物生物量碳、氮測定采用氯仿熏蒸提取法測定（Vance等，1987；Joergense和Brookes，1990）；β-葡萄糖苷酶（β-Glucosidase）活性采用Hayano法測定（Hayano，1973）；蛋白酶（protease）活性采用Ladd 法測定（Ladd，1971）；磷酸酶（phosphatase）活性采用Tabatabai and Bremner的方法測定（Tabatabai和Bremner，1969）。

土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)：土壤基因組總DNA的提取參照Krsek M和Welington的方法（Kresk和Wellington，1999）稍加修改進(jìn)行。具體操作如下：稱取5 g土壤，采用提取液和回收試劑盒（Biospin gel extraction kit，Bioflux，產(chǎn)品號：bsc02m1）進(jìn)行基因組總DNA的提取和純化，粗提和純化結(jié)果采用1.0%(w/V)瓊脂糖凝膠電泳檢測；純化后樣品置于-20 ℃冰箱保存?zhèn)溆?。土壤?xì)菌16SrDNAV3可變區(qū)的PCR擴(kuò)增，采用對大多數(shù)細(xì)菌的16SrRNA基因V3區(qū)具有特異性的引物對F338GC和R518進(jìn)行擴(kuò)增（Van等，1999；Li等，2008；劉瑋等，2010），它們的堿基序列分別為：上游引物F338GC（5'-CGCCCGCCGCGCGCGGCGGGCGGGGCGGG GGCACGGGGGGACTCCTACGGGAGGCAGCAG -3'）；下游引物R518（5'-AT-TACCGCGGCTGCTGG-3'）。PCR產(chǎn)物用1.5%（w/V）瓊脂糖凝膠電泳檢測；變性梯度凝膠電泳(DGGE)分析采用Bio-Rad公司DCodeTM基因突變檢測系統(tǒng)對PCR反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行分離。樣品在濃度為30%到60%的變性劑（100%的變性膠為7 mol·L-1的尿素和40%的去離子甲酰胺的混合物）的8%聚丙烯酰胺凝膠中，在100 V的恒定電壓下，置于60 ℃電泳槽中電泳6 h。電泳完畢后，樣品經(jīng)凝膠銀染20～30 min后用GelDoc凝膠成像分析系統(tǒng)（北京賽百奧科技有限公司）觀察并拍照。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

采用Quantity one分析軟件（Bio-Rad）對各土壤樣品的電泳條帶數(shù)量及密度進(jìn)行定量分析。多樣性指數(shù)（H）、豐度（S）和均勻度（EH）的計算方法參照羅海峰等（2004）的方法進(jìn)行。數(shù)據(jù)處理采用Excel2003。

2 結(jié)果

2.1 西南樺和馬尾松人工林土壤可培養(yǎng)微生物數(shù)量特征

由表1可知，無論是西南樺還是馬尾松人工林土壤可培養(yǎng)微生物數(shù)量大小的順序均呈：細(xì)菌＞放線菌＞真菌，并且可培養(yǎng)微生物數(shù)量都隨著土層深度的增加而顯著減少。這一分布趨勢與馮建和張?。?005）對桉樹人工林土壤微生物的研究結(jié)果相似。土壤微生物數(shù)量受土壤溫度、濕度、有機(jī)質(zhì)含量、耕作制度及作物種類等因素共同影響（劉久俊等，2008）。西南樺人工林各土層中可培養(yǎng)細(xì)菌和放線菌數(shù)量均極顯著高于馬尾松人工林相應(yīng)土層的細(xì)菌和放線菌，但兩種人工林土壤中可培養(yǎng)真菌數(shù)量差異不顯著。這一現(xiàn)象可能與兩種人工林土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀等養(yǎng)分含量的差異性有關(guān)。而有關(guān)兩種人工林土壤中可培養(yǎng)真菌數(shù)量近似的原因，除了與土壤養(yǎng)分含量差異有關(guān)外，其具體原因還有待進(jìn)一步的探究。

表1 西南樺和馬尾松人工林土壤微生物數(shù)量Table 1 Number of Soil Microorganisms in Betula alnoides and Pinus massoniana Plantations

2.2 西南樺和馬尾松人工林土壤酶活性特征

β-葡萄糖苷酶是表征土壤碳素循環(huán)速度的重要指標(biāo)之一。由圖1（a）可知，西南樺和馬尾松人工林土壤中β-葡萄糖苷酶活性均隨著土層深度的增加而減弱；在西南樺人工林表層土壤的β-葡萄糖苷酶活性高于馬尾松林的，而其它土層中該酶活性在不同林分間無顯著差異。此結(jié)果表明，不同造林樹種對土壤（尤其是表層土壤）的碳素循環(huán)速度具有顯著影響。其原因之一可能是西南樺是落葉樹種，而馬尾松是常綠樹種，落葉腐爛提高了西南樺人工林表層土壤中的有機(jī)質(zhì)含量。同時，西南樺人工林土壤中微生物數(shù)量顯著高于馬尾松人工林這一事實(shí)可能也是導(dǎo)致其表層土壤β-葡糖苷酶活性顯著高于馬尾松林的原因之一。

土壤磷酸酶是一類催化土壤有機(jī)磷化合物礦化的酶，其活性高低直接影響著土壤的有機(jī)磷分解轉(zhuǎn)化及其生物有效性。土壤磷酸酶包括酸性磷酸酶、中性磷酸酶和堿性磷酸酶（和文祥等，2003）。本試驗(yàn)供試土壤pH均在6以下，所以僅測定其中的酸性磷酸酶。由圖1（b）可知，西南樺和馬尾松人工林土壤中的酸性磷酸酶活性均隨著土層深度的增加而減弱；馬尾松人工林表層土壤（0～5 cm）和中層土壤（5～35 cm）的磷酸酶活性顯著高于西南樺的，而下層土壤（＞35 cm）兩者剛好相反。

蛋白酶參與土壤中蛋白質(zhì)以及其它含氮有機(jī)化合物的轉(zhuǎn)化，其水解產(chǎn)物是高等植物吸收的氮源之一（關(guān)松蔭，1986），其活性受植物根系分泌物、微生物種類和群落結(jié)構(gòu)以及土壤特性等因素的影響（楊萬勤和王開運(yùn)，2002）。由圖1（c）可知，西南樺和馬尾松人工林土壤中的蛋白酶活性均隨著土層深度的增加而減弱，并且除中層土壤兩者蛋白酶活性差異較明顯之外，其余各土層中兩者該酶活性差異不明顯。此結(jié)果表明，這兩種造林樹種對土壤中涉及氮素循環(huán)的生物活動影響效果相近。

2.3 西南樺和馬尾松人工林土壤微生物生物量特征

土壤微生物生物量作為植物礦質(zhì)養(yǎng)分的源和匯，是穩(wěn)定態(tài)養(yǎng)分轉(zhuǎn)變?yōu)橛行B(tài)養(yǎng)分的催化劑（Carter和Rennie，1984）。微生物量越大，土壤保肥作用越強(qiáng)，土壤養(yǎng)分越趨于積累。由圖2可知，西南樺和馬尾松人工林土壤微生物生物量碳和氮均隨著土層深度的增加而遞減。但微生物量碳或氮在兩種人工林的表層土壤（0～5 cm）中均無明顯差異，而在中層土壤（5～35 cm）中，西南樺人工林土壤微生物生物量碳和氮均明顯高于馬尾松人工林土壤，至下層（35 cm以下）時，兩種林地土壤的微生物生物量碳、氮呈現(xiàn)出與表層土壤相一致的變化趨勢。

何友軍等（2006）對杉木人工林土壤微生物生物量碳氮特征的研究表明，土壤微生物生物量碳與土壤全氮、全鉀和速效鉀呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系；土壤微生物生物量氮也與土壤養(yǎng)分具有極顯著的正相關(guān)關(guān)系。本試驗(yàn)的結(jié)果同樣顯示，兩種人工林地土壤中，土壤微生物生物量碳和氮的空間變化趨勢與土壤養(yǎng)分的空間分布特征基本一致。其中，各土層土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷和速效鉀含量等土壤養(yǎng)分雖然都隨著土層深度的增加呈現(xiàn)遞減的趨勢，但在中層和下層中的分布極不規(guī)律?？傮w而言，作為表征土壤肥力的微生物生物量碳、氮指標(biāo)在兩種林型的表層土壤之間并無明顯的差異，但對表層以下土壤的肥力的保持能力而言，西南樺樹種優(yōu)于相應(yīng)的馬尾松樹種。

圖1 西南樺和馬尾松人工林土壤酶活性變化Fig.1 Spatial variations in Soil Enzyme Activities at Betula alnoides and Pinus massoniana Plantations

圖2 西南樺和馬尾松人工林土壤微生物量特征Fig.2 Spatial Variations in Soil Biomass at Betula alnoides and Pinus massoniana Plantations

2.4 西南樺和馬尾松人工林土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征

2.4.1 基因組DNA提取和PCR擴(kuò)增

分別于西南樺和馬尾松人工林土樣中提取微生物總DNA，取4 μL DNA樣用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測。從圖3可知，試驗(yàn)提取的總DNA亮度較好，無明顯拖帶現(xiàn)象，大小均約為23 kb左右。另外，在核酸蛋白測定儀上測定OD260和OD280值，OD260/OD280值介于1.8和2.0之間，說明所得到的總DNA質(zhì)量符合實(shí)驗(yàn)要求（徐曉宇等，2005）。

以提取的土壤微生物總DNA為模板，F(xiàn)338-GC和R518為擴(kuò)增引物，對16SrDNAV3可變區(qū)進(jìn)行PCR擴(kuò)增。如圖4所示，16SrDNA擴(kuò)增后的DNA片段長度是250 bp左右，特異性好、無雜帶，與理論值相符。說明該P(yáng)CR程序適用于16SrDNA的擴(kuò)增，并且能夠得到較好的產(chǎn)物。

2.4.2 土壤細(xì)菌群落DGGE圖譜分析

圖3 西南樺與馬尾松人工林土壤總DNA的瓊脂糖電泳圖譜Fig.3 Agarose Gel Electrophoresis of Total DNA Extracted from Betula alnoides and Pinus massonian Plantation Soils

應(yīng)用DGGE技術(shù)分離16SrDNAV3片段PCR產(chǎn)物，可分離到數(shù)目不等、位置各異的電泳條帶（圖5）。利用DGGE能分離長度相同而序列不同DNA的原理來反映土壤中的微生物種類和數(shù)量（kresk和Wellington，1999）。每一個條帶大致與群落中的一個優(yōu)勢菌群或操作分類單元（Operational taxonomic unit，OUT）相對應(yīng)，條帶數(shù)越多，說明生物多樣性越豐富；條帶染色后的熒光強(qiáng)度越亮，表示該種屬的數(shù)目越多。采用凝膠成像分析系統(tǒng)對DGGE圖譜進(jìn)行分析，結(jié)果表明：兩種人工林各土層土壤細(xì)菌DGGE圖譜的條帶數(shù)量均表現(xiàn)為西南樺人工林多于馬尾松人工林。西南樺人工林由上而下各土層細(xì)菌DGGE圖譜的條帶數(shù)量分別為16、11、11，馬尾松的則為10、8、10。這一結(jié)果表明西南樺對林地土壤細(xì)菌豐度的影響優(yōu)于馬尾松，原因可能與西南樺屬落葉深根樹種有關(guān)。深根和落葉腐爛均能增加西南樺人工林土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀、堿解氮和速效鉀等土壤養(yǎng)分含量，并使表層土壤微生物數(shù)量增加（表1）、酶活性及微生物生物量碳、氮提高（圖1、2），從而提高了西南樺人工林土壤的細(xì)菌豐度。

圖4 西南樺與馬尾松人工林土壤細(xì)菌16SrDNA基因V3區(qū)擴(kuò)增片段圖譜Fig.4 PCR Amplified Fragment 16SrDNA (V3) Gene of Betula alnoides and Pinus massonian Plantation Soils

2.4.3 土壤細(xì)菌多樣性分析

本文根據(jù)細(xì)菌16SrDNA的PCR-DGGE圖譜中條帶的位置和亮度的數(shù)值化結(jié)果計算了細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)指標(biāo)Shannon-Wiener指數(shù)，Shannon指數(shù)值越大，表明細(xì)菌群落多樣性越高（薛冬等，2007）。

兩種人工林地土壤細(xì)菌Shannon指數(shù)和均勻度指數(shù)如表2所示。結(jié)果表明：西南樺人工林各土層層土壤細(xì)菌多樣性指數(shù)均大于馬尾松人工林（2.264）。西南樺人工林由上而下各土層土壤細(xì)菌多樣性指數(shù)分別為2.727、2.358、2.373，馬尾松的則為2.264、2.025、2.259。此結(jié)果說明西南樺樹種比馬尾松更有利于提高南方紅壤區(qū)林地土壤細(xì)菌的多樣性。

均勻度是表征物種在環(huán)境中的分布狀況的指標(biāo)，各物種個體數(shù)目越接近，均勻度數(shù)值越高（吳展才等，2005）。由表2可知，西南樺和馬尾松人工林土壤中細(xì)菌均勻度指數(shù)無明顯差異，表明兩樹種雖然導(dǎo)致土壤細(xì)菌多樣性形成較大差異，但對細(xì)菌均勻度指數(shù)并無明顯影響。

2.4.4 土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)相似性分析

如表3所示為西南樺和馬尾松人工林土壤細(xì)菌多樣性的相似性分析。結(jié)果表明，西南樺與馬尾松人工林表層土壤細(xì)菌多樣性的相似性系數(shù)僅為41.8%，中層土和下層土則分別為63.3%和54.5%。一般認(rèn)為，相似性系數(shù)高于60%的兩個群體具有較好的相似性（陳法霖等，2011）。本研究結(jié)果說明雖然西南樺和馬尾松人工林所處位置相鄰，位于同一紅壤區(qū)內(nèi)，溫度、降雨等外界環(huán)境條件相似，但造林樹種的差異仍可導(dǎo)致土壤細(xì)菌多樣性發(fā)生明顯變化。

圖5 西南樺與馬尾松人工林土壤細(xì)菌的DGGE圖譜(a)和DGGE條帶強(qiáng)度示意圖（b）Fig.5 DGGE Profile of Betula alnoides and Pinus massonian Plantation Soils and Sketch Map of Bands Distribution and Its Relative Luminance (b)

表2 西南樺和馬尾松人工林土壤細(xì)菌種群多樣性和均勻度指數(shù)Table 2 Shannon-Wiener(H) and Evenness( EH) of Each Soil Samples Estimated by the DGGE Bands Patterns of Betula alnoides and Pinus massonian Plantation Soils

表3 西南樺和馬尾松人工林土壤細(xì)菌相似性系數(shù)Table 3 Similarity Coefficient of Soil Bacterial Communities in Betula alnoides and Pinus massonian Plantation Soils

3 討論

3.1 不同造林樹種的林分土壤理化性質(zhì)

廣西人工林面積約占全國的1/9，是我國人工林面積最大的省區(qū)?！笆濉逼陂g，廣西已成為我國最大的商品材生產(chǎn)基地，年森林采伐限額超過全國的1/3，居全國之首，為滿足國家木材需求做出了巨大的貢獻(xiàn)。其中，馬尾松是我國特有的鄉(xiāng)土樹種，也是目前我國南方的主要造林樹種。然而，由于長期大面積經(jīng)營針葉純林，南方已出現(xiàn)了林地生產(chǎn)力降低、生物多樣性下降、病蟲害增多等生態(tài)問題（何友均等，2013）。導(dǎo)致該現(xiàn)象發(fā)生的原因可能是由于不同類型人工林的枯枝落葉中化學(xué)成分各異，從而使其林下土壤化學(xué)性質(zhì)各異，導(dǎo)致不同樹種人工林土壤肥力形成差異。國內(nèi)外學(xué)者針對不同森林類型土壤養(yǎng)分狀況展開了調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)闊葉林和針闊混交林林地土壤的生產(chǎn)力大于針葉林（Fahlvik等，2005；Kelty，2006）。本研究針對西南樺闊葉人工林和馬尾松針葉人工林的土壤理化性質(zhì)分析發(fā)現(xiàn)，除全磷和速效磷外，兩種林地表層土壤的理化性質(zhì)指標(biāo)均表現(xiàn)為西南樺人工林高于馬尾松人工林。

3.2 不同造林樹種的林分土壤微生物

土壤微生物數(shù)量的分布受林型、植被、林分組成和土壤有機(jī)質(zhì)含量等生態(tài)因素影響，尤其受林型的影響最為嚴(yán)重（胡承彪等，1990）。本文的分析結(jié)果表明，馬尾松人工林各土層土壤中可培養(yǎng)細(xì)菌數(shù)量均顯著低于相應(yīng)的西南樺人工林土壤。導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因一方面可能是針葉中含有大量諸如單寧、樹脂、纖維素和木質(zhì)素等細(xì)菌難以分解利用的成分，細(xì)菌得不到充足的養(yǎng)分，無法進(jìn)行大量繁殖；而闊葉林的落葉殘體中含有較高的氮素和水分，容易被細(xì)菌分解利用，充足的養(yǎng)分條件使得細(xì)菌大量繁殖；另一方面，作為土壤有機(jī)質(zhì)分解的主要參與者之一，真菌擁有較復(fù)雜的酶系統(tǒng)，能分解纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等很多難分解物質(zhì)，但真菌數(shù)量少，分解緩慢；放線菌同樣參與土壤中難分解物質(zhì)的分解過程，也在土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中扮演著重要角色。本研究針對兩種林地土壤可培養(yǎng)真菌和放線菌數(shù)量的分析結(jié)果表明，可培養(yǎng)真菌數(shù)量在西南樺和馬尾松人工林地土壤之間雖無明顯差異，但其數(shù)量級分別比放線菌和細(xì)菌數(shù)量少了1個和2個；而可培養(yǎng)放線菌數(shù)量則表現(xiàn)為西南樺人工林土壤明顯高于馬尾松人工林。由此說明，西南樺人工林土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化的能力優(yōu)于馬尾松人工林。

土壤酶主要來源于土壤微生物。土壤中有機(jī)質(zhì)的分解轉(zhuǎn)化，依賴于微生物所產(chǎn)生的酶具備的催化活性來推動。由圖1可知，西南樺人工林表層土壤中β-葡萄糖苷酶活性顯著高于馬尾松人工林土壤，說明西南樺人工林土壤中涉及碳素循環(huán)的生物活動作用強(qiáng)度高于馬尾松人工林。蛋白酶活性雖然也表現(xiàn)為西南樺人工林表層土壤高于對應(yīng)的馬尾松人工林，但兩者間未形成明顯差異，說明兩種人工林型土壤之間涉及氮素循環(huán)的生物活動作用強(qiáng)度相近。然而，磷酸酶活性卻呈現(xiàn)與β-葡糖苷酶和蛋白酶活性相反的狀態(tài)，該結(jié)果表明酶活性指標(biāo)不適宜作為評價造林樹種對林地土壤肥力或生態(tài)質(zhì)量的影響指標(biāo)。

土壤微生物生物量是衡量土壤質(zhì)量、維持土壤肥力和作物生產(chǎn)力的一個重要指標(biāo)（Powlson等，1987）。雖然土壤微生物生物量碳、氮指標(biāo)在西南樺和馬尾松人工林的表層土壤和下層土壤中均無明顯差異，但中層（5～35 cm）土壤中兩個指標(biāo)均表現(xiàn)為西南樺人工林高于相應(yīng)的馬尾松人工林。究其原因，可能是西南樺為深根性樹種，且屬落葉喬木，長期落葉腐爛后直接增加了表層土壤的有機(jī)質(zhì)和部分礦質(zhì)元素的含量，從而間接地提高了土壤微生物的數(shù)量、酶活性以及微生物生物量等表征土壤肥力的生物學(xué)指標(biāo)。部分針對西南樺的研究報道亦表明，西南樺人工林具有維持生物多樣性、涵養(yǎng)水源、保持地力以及固定碳素等優(yōu)良生態(tài)特性（孟夢和陳宏偉，2002；蔣云東和周鳳林，1999；李江等，2003）。

此外，土壤微生物指標(biāo)已被公認(rèn)為是土壤生態(tài)系統(tǒng)變化的預(yù)警及敏感指標(biāo)（任天志和Grego，2000）。土壤細(xì)菌占土壤微生物總數(shù)的70%～90%，是土壤中最活躍的生物（曹志平，2007）。研究不同造林樹種對林地土壤細(xì)菌多樣性的影響，不僅能評價造林樹種對林地土壤肥力的影響，同時也能評價不同樹種對人工林土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響。本文研究結(jié)果表明，西南樺人工林土壤細(xì)菌豐度和多樣性指數(shù)（Shannon-Wiener index）均高于相應(yīng)的馬尾松人工林。

綜上所述，西南樺不僅在提升林地土壤肥力和生物學(xué)性狀方面優(yōu)于馬尾松，而且對維持林地土壤細(xì)菌多樣性方面亦優(yōu)于馬尾松。

4 結(jié)論

目前，雖然西南樺和馬尾松林都是我國南方用于防止水土流失，改良生態(tài)環(huán)境的造林先鋒樹種，但西南樺在改良林地土壤養(yǎng)分，尤其是提高表層土壤肥力方面優(yōu)于馬尾松。

（1）西南樺和馬尾松人工林土壤中可培養(yǎng)微生物數(shù)量均表現(xiàn)為：細(xì)菌＞放線菌＞真菌。除真菌外，西南樺人工林土壤中可培養(yǎng)細(xì)菌和放線菌數(shù)量均明顯高于相應(yīng)的馬尾松人工林，而可培養(yǎng)真菌數(shù)量在這兩種人工林土壤中無明顯差異。

（2）西南樺和馬尾松人工林土壤中β-葡萄糖苷酶、磷酸酶和蛋白酶活性變化均隨著土層深度的增加而減弱，但不同的造林樹種對β-葡萄糖苷酶、磷酸酶和蛋白酶活性的影響無明顯規(guī)律，此結(jié)果說明酶活性指標(biāo)不適宜作為評價不同造林樹種對土壤肥力和生態(tài)質(zhì)量影響的指標(biāo)。

（3）西南樺和馬尾松人工林土壤微生物生物量碳、氮指標(biāo)雖然都隨著土層深度的增加而遞減，但西南樺對提高整個土層的微生物生物量碳、氮指標(biāo)優(yōu)于馬尾松。

（4）西南樺人工林土壤細(xì)菌豐度和多樣性指數(shù)（Shannon-Wiener index）亦高于相應(yīng)的馬尾松人工林土層，此結(jié)果表明西南樺是一種比馬尾松更有利于提升紅壤區(qū)土壤肥力和維持林地土壤生態(tài)質(zhì)量的造林樹種。

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Comparison on soil microbial activities and bacterial diversity between Betula alnoides and Pinus massoniana plantations in red soil region, China

YANG Shangdong1,2, WU Jun1, XIONG Liumei2, LIU Yongxian2, ZHOU Liuqiang2, XIE Rulin2, TAN Hongwei2, HUANG Guoqin3, ZHAN Qiguo4

1. Agricultural College/State Key Laboratory for Consevation and Utilization Subtropical Agro-bioresource, Guangxi University, Nanning 530004, China;
2. Guangxi Crop Genetic Improvement and Biotechnology Lab/Guangxi Key Laboratory of Sugarcane Genetic Improvement/ Guangxi Academy of Agricultural Sciences, Nanning 530007, China;
3. Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China;
4. Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China

In recent years, Betula alnoides and Pinus massoniana has been planted on large scale in red soil region of Guangxi Province. To clarify their influences on soil fertility and ecological quality in plantations, a comparative study was conducted to analyze the spatial variability of soil fertility and biological properties using the methods of dilution-plates and chloroform fumigation extraction. Meanwhile, the soil bacterial diversity in plantations was also analyzed by the method of polymerase chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis (PCR-DGGE). The results showed that the numbers of culturable bacteria and antinomycetes in the Betula alnoides plantation were significantly higher than those in the Pinus massoniana plantation, excepting the fungi number without any significant difference. However, there are no significant difference of β–Glucosidase, phosphatase and protease activities in soils between Betula alnoides and Pinus massoniana. It indicated that the activities of these three enzymes were not suitable as bio-indictors for evaluating the soil fertility and ecological qualities in this case. In contrast, biomass C and N-was significantly increased in whole soil layers of Betula alnoides plantation than those of Pinus massoniana plantation. In addition, the bacterial diversity index（Shannon-Wiener index）in Betula alnoides plantation soils layers were all higher than those in Pinus massoniana plantation. Therefore, it has been concluded that the tree species of Betula alnoides is better than Pinus massoniana in improving the soil fertility and maintaining soil ecological quality of forestland in degraded red soil region.

red soil; Betula alnoides; Pinus massoniana; soil fertility; ecological quality

S718.5

A

1674-5906（2014）03-0415-08

楊尚東，吳俊，譚宏偉，劉永賢，熊柳梅，周柳強(qiáng)，謝如林，黃國勤，趙其國. 南方紅壤區(qū)西南樺和馬尾松人工林土壤微生物活性及細(xì)菌多樣性比較[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2014, 23(3): 415-422.

YANG Shangdong, WU Jun, TAN Hongwei, LIU Yongxian, XIONG Liumei, ZHOU Liuqiang, XIE Rulin, HUANG Guoqin, ZHAO Qiguo. Comparison on soil microbial activities and bacterial diversity between Betula alnoides and Pinus massoniana plantations in red soil region, China [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(3): 415-422.

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目（U1033004）；自治區(qū)重大項目（桂科大1347001）；IPNI項目；廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技發(fā)展基金重點(diǎn)項目（2007001Z）；（桂財〔2011〕314號），國家農(nóng)業(yè)部專項（201003014）

楊尚東（1970年生），男，副教授，博士，主要從事土壤生態(tài)學(xué)和園藝植物營養(yǎng)與調(diào)控方向的研究。

*通訊作者：譚宏偉。E-mail: hongwei_tan@163.com

2013-10-25