大興安嶺北部主要森林類型根際與非根際土壤微生物研究

姜煜鋆，滿秀玲，劉玉杰，劉海亮

(東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040)

土壤微生物是陸地生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)者和分解者，參與生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)，是維護(hù)森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分。土壤微生物數(shù)量大，種類多，生物學(xué)特性各異，繁殖迅速，對(duì)土壤肥力的形成、植物營(yíng)養(yǎng)的轉(zhuǎn)化起著極其重要的作用［1-2］。微生物在土壤中的分布與活動(dòng)既反映了土壤各因素對(duì)微生物的生態(tài)分布、生化特性的影響和作用，同時(shí)也反映了微生物對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育、土壤肥力的影響和作用。

林木根際是林木和土壤進(jìn)行物質(zhì)、能量交換的場(chǎng)所，也是生化活性最強(qiáng)的區(qū)域，林木根系通過分泌各類有機(jī)物質(zhì)和吸收元素來影響土壤性質(zhì)［3］，同時(shí)這也會(huì)影響根際土壤微生物的分布。目前我國(guó)關(guān)于森林土壤微生物的研究較多，主要研究?jī)?nèi)容集中在林地微生物數(shù)量的影響因素、微生物數(shù)量和土壤肥力的關(guān)系［4］等方面，對(duì)土壤根際微生物的主要研究?jī)?nèi)容集中在根際與非根際的微生物數(shù)量、養(yǎng)分含量、酶活性的比較［5-6］，而對(duì)林木周圍微生物數(shù)量的分布研究較少。研究林地土壤微生物的數(shù)量可以在深層次上揭示森林生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)過程［7］。因此，筆者通過對(duì)大興安嶺北部3種主要森林類型，即落葉松林、樟子松林和白樺林根際與非根際土壤微生物進(jìn)行研究，為探討我國(guó)寒溫帶地區(qū)森林類型生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能提供幫助，同時(shí)也為大興安嶺地區(qū)土壤質(zhì)量的研究提供基礎(chǔ)資料。

1 研究地概況和研究方法

1.1 研究區(qū)域概況 研究區(qū)設(shè)在黑龍江漠河森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站，海拔800～1 700 m，地理坐標(biāo)為122°06'～122°27'E，53°17'～53°30'N。該地區(qū)屬于寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季漫長(zhǎng)寒冷，夏季短暫濕熱。年平均氣溫為-4.9℃。年平均降水量431.2 mm，降雨多集中在7～8月份。降雪期為9月末至翌年5月初。無霜期約89 d。太陽輻射總量年平均為401.93～447.99 kJ/cm2，日照時(shí)數(shù)為2 377～2 625 h，積溫為1 436～2 062℃。區(qū)域植被屬歐亞寒溫帶明亮針葉林。主要喬木樹種有興安落葉松(Larix gmelinii)、樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica)、白樺(Betula platyphylla)、山楊(Popolus davidiana)等。灌木有杜香(Ledumpalustre var.dilatatum)、興安杜鵑(Rhododendron dauricum)、篤斯越橘(Vaccinium uliginosum)、越橘(Vaccinium vitis-idaea)等。土壤以棕色針葉林土為主，局部地帶有草甸土和沼澤土，并有永凍層存在。

1.2 研究方法

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置及樣品采集。在前期踏查的基礎(chǔ)上，于2013年7月選擇大興安嶺北部3種典型林型，即落葉松林、樟子松林和白樺林，在每一林型中選擇典型地段設(shè)置調(diào)查樣地，面積為20 m×30 m，對(duì)樣地進(jìn)行每木檢尺，樣地基本情況調(diào)查結(jié)果見表1。

表1 樣地基本特征

通過計(jì)算得出標(biāo)準(zhǔn)木的樹高和胸徑，在每個(gè)樣地選擇3株標(biāo)準(zhǔn)木為調(diào)查樣木，挖掘土壤剖面，按照0～5，5～10，10～15，15～20，20～30 cm的土層厚度取樣。采樣時(shí)，取帶完整根系的土塊，抖落物作為非根際土，附在根系周圍、小于1 cm粒徑土壤作為根際土。取樣后，帶回實(shí)驗(yàn)室4℃冷藏保鮮，盡快進(jìn)行土壤各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定。

1.2.2 微生物測(cè)定方法。微生物數(shù)量分析采用稀釋平板法，微生物計(jì)數(shù)培養(yǎng)基分別為:細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基，放線菌采用高氏1號(hào)培養(yǎng)基，真菌采用馬丁氏孟加拉紅-鏈霉素培養(yǎng)基。每個(gè)土樣選取3個(gè)濃度梯度，每個(gè)濃度梯度3次重復(fù)，取其平均值作為該土樣中微生物的數(shù)量。根土比(R/S)通過根際土壤微生物數(shù)量與臨近的非根際土壤微生物數(shù)量之比來計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 各林型土壤細(xì)菌分布特征 由表2可知，由于林型、地被物、郁閉度以及土壤的水熱狀況不同，各林型根際與非根際土壤細(xì)菌數(shù)量有明顯的差異。3種林型中根際土壤細(xì)菌數(shù)量均大于非根際土。

2.1.1 落葉松林。落葉松林根際細(xì)菌數(shù)量在垂直方向有先增大后減小的趨勢(shì)，10～15 cm厚土層最大，為54.05×106個(gè)/g，在20～30 cm厚土層最小，為32.67×106個(gè)/g，最小值與最大值相比減小了39.56%。5～10 cm厚土層與10～15 cm厚土層差異性不顯著(P＞0.05)，說明落葉松林根際細(xì)菌在垂直方向5～15 cm的范圍內(nèi)均勻分布且主要集中在該土層中。非根際細(xì)菌數(shù)量隨著土層的加深而逐漸減小，可見根際細(xì)菌數(shù)量分布并未對(duì)非根際產(chǎn)生明顯影響。0～5 cm厚土層非根際細(xì)菌數(shù)量最大，為11.06×106個(gè)/g，20～30 cm厚土層非根際細(xì)菌數(shù)量最小，為6.06×106個(gè)/g，最小值與最大值相比減小了45.21%，與根際土壤相比減小幅度較大。

2.1.2 樟子松林。樟子松林根際細(xì)菌數(shù)量垂直分布規(guī)律也有先增大后減小的趨勢(shì)，5～10 cm厚土層根際細(xì)菌數(shù)量達(dá)到最大值，為37.24×106個(gè)/g，20～30 cm厚土層根際細(xì)菌數(shù)量最小，為14.50×106個(gè)/g，最小值與最大值相比降低了61.06%。樟子松林非根際細(xì)菌數(shù)量呈逐漸減小的趨勢(shì)，0～5 cm厚土層非根際細(xì)菌數(shù)量最大，為10.14×106個(gè)/g，20～30 cm厚土層非根際細(xì)菌數(shù)量最小，為4.60×106個(gè)/g，最小值與最大值相比降低了54.64%。

2.1.3 白樺林。白樺林土壤深厚，有機(jī)質(zhì)含量較高，根際土壤與非根際土壤的細(xì)菌數(shù)量較為接近，根際土壤細(xì)菌數(shù)量有先增大后減小的趨勢(shì)。在白樺林根際土壤5～10 cm厚土層細(xì)菌數(shù)量最大，這可能是因?yàn)樵?～10 cm厚的土壤中植物根系分布較多，根際分泌物也多，致使微生物更加活躍。其中白樺林根際細(xì)菌最大值達(dá)到41.83×106個(gè)/g。20～30 cm厚土層根際細(xì)菌數(shù)量最小，低至24.97×106個(gè)/g，最小值比最大值降低了40.31%。非根際細(xì)菌數(shù)量垂直方向則有逐漸減小的規(guī)律，最小值比最大值降低了27.66%。白樺林垂直方向0～20 cm厚的范圍內(nèi)土壤各層非根際細(xì)菌數(shù)量相互之間差異性不顯著(P＞0.05)。說明白樺林在該范圍內(nèi)細(xì)菌數(shù)量分布較均勻。

樟子松林各個(gè)土層的細(xì)菌根際與非根際細(xì)菌數(shù)量均小于落葉松林和白樺林。落葉松林各個(gè)土層的細(xì)菌根土比為3.34～6.82，樟子松林則在3.15～4.80的范圍內(nèi)，白樺林各個(gè)土層的根土比在1.61～2.19，遠(yuǎn)小于落葉松林、樟子松林的根土比，這說明白樺林根際與非根際土壤適合細(xì)菌生長(zhǎng)的微環(huán)境比較一致。落葉松林根土比在3種林型中最大，說明落葉松林根際與非根際土壤適合細(xì)菌生長(zhǎng)的微環(huán)境差距較大。

表2 各林型根際與非根際土壤細(xì)菌數(shù)量分布規(guī)律×106個(gè)/g

2.2 各林型土壤真菌分布特征

2.2.1 落葉松林。由表3可知，落葉松林根際與非根際真菌數(shù)量垂直方向均有隨著土層的加深而逐漸減小的趨勢(shì)，根際真菌數(shù)量在0～5 cm厚土層最大，最大值為34.02×104個(gè)/g，在20～30 cm厚土層根際真菌數(shù)量最小，最小值為15.39×104個(gè)/g，最大值是最小值的2.21倍。落葉松林非根際真菌最大值為18.01×104個(gè)/g，最小值為13.15×104個(gè)/g，各個(gè)土層非根際真菌數(shù)量與樟子松林和白樺林相比普遍較大，這可能與落葉松林土壤相對(duì)濕潤(rùn)，較適宜真菌生長(zhǎng)有關(guān)。

2.2.2 樟子松林。樟子松林土壤干燥，pH較高，根際真菌數(shù)量具有先增大后減小的趨勢(shì)。根際真菌在5～10 cm厚土層數(shù)量最大，為25.75×104個(gè)/g，20～30 cm厚土層根際真菌數(shù)量最小，為14.00×104個(gè)/g，最小值與最大值相比降低了45.63%。非根際真菌數(shù)量垂直方向逐漸減小，最大值為13.06×104個(gè)/g，最小值為8.39×104個(gè)/g，最大值為最小值的1.56倍。樟子松林非根際0～15 cm厚范圍內(nèi)3個(gè)土層真菌數(shù)量相互之間差異影響不顯著，說明非根際真菌在0～15 cm厚垂直范圍內(nèi)均勻分布，并未受到根際真菌數(shù)量的嚴(yán)重影響。

2.2.3 白樺林。白樺林根際真菌數(shù)量先增大后減小，在5～10 cm厚土層根際真菌數(shù)量最大，達(dá)到40.43×104個(gè)/g，20～30 cm厚土層根際真菌數(shù)量為最小值，為27.50×104個(gè)/g，與落葉松林、樟子松林相比，白樺林根際真菌數(shù)量普遍較大。非根際真菌數(shù)量垂直方向有逐漸減小的規(guī)律，0～5 cm厚土層非根際真菌數(shù)量為17.25×104個(gè)/g，為白樺林垂直方向的最大值，20～30 cm厚土層非根際真菌數(shù)量最小，為11.73×104個(gè)/g。垂直方向0～20 cm的范圍內(nèi)，各層土壤相互之間非根際真菌數(shù)量差異性不顯著，說明在白樺林垂直方向0～20 cm厚土層的范圍內(nèi)，非根際真菌數(shù)量均勻分布。

白樺林根際真菌數(shù)量范圍在27.50×104～40.43×104個(gè)/g，各個(gè)層次的根際真菌數(shù)量均大于落葉松林和樟子松林。樟子松林非根際真菌數(shù)量在8.39×104～13.06×104個(gè)/g，各個(gè)層次的非根際真菌數(shù)量均小于落葉松林和白樺林。

表3 各林型根際與非根際土壤真菌數(shù)量分布規(guī)律×104個(gè)/g

2.3 各林型土壤放線菌分布特征 放線菌耐貧養(yǎng)，耐干旱，在3種林型的根際與非根際土壤中的垂直分布均有先增大后減小的趨勢(shì)。在3種林型中放線菌主要集中在5～15 cm厚土層，20～30 cm厚土層的根際與非根際放線菌數(shù)量均為各個(gè)林型中的最小值。

2.3.1 落葉松林。由表4可知，落葉松林根際土壤中，10～15 cm厚土層的放線菌數(shù)量最大，為15.80×105個(gè)/g，根際放線菌最小值為7.65×105個(gè)/g。最小值與最大值相比減少了51.58%。落葉松林非根際土壤中5～10 cm厚土層放線菌數(shù)量最大，為7.18×105個(gè)/g，20～30 cm厚土層最小，為3.56×105個(gè)/g，20～30 cm厚土層與5～10 cm厚土層相比減小了50.42%，降低幅度小于根際放線菌減小的幅度。10～15 cm厚土層非根際放線菌數(shù)量與5～10 cm厚土層和15～20 cm厚土層的非根際放線菌數(shù)量差異性不顯著，說明非根際放線菌主要集中在5～20 cm厚土層的范圍內(nèi)，活躍旺盛且均勻分布。

2.3.2 樟子松林。樟子松林根際放線菌最大值在5～10 cm厚土層，為17.80×105個(gè)/g，20～30 cm厚土層放線菌數(shù)量為9.91×105個(gè)/g，為根際放線菌數(shù)量的最小值。根際放線菌最小值比最大值減少了44.32%。樟子松林非根際放線菌的最大值在10～15 cm厚土層，為16.70×105個(gè)/g，最小值在20～30 cm厚土層，為8.19×105個(gè)/g。最小值與最大值相比減少了50.96%，與落葉松林、白樺林非根際放線菌相比減少幅度最大，與樟子松根際放線菌相比減小幅度增大。

2.3.3 白樺林。白樺林根際放線菌數(shù)量的變化范圍在8.45×105～13.99×105個(gè)/g，非根際放線菌數(shù)量的變化范圍在6.02×105～10.98×105個(gè)/g。根際與非根際的最大值均在5～10 cm厚土層，分別為13.99×105個(gè)/g和10.98×105個(gè)/g。最小值均在20～30 cm厚土層，分別為8.45×105個(gè)/g和6.02×105個(gè)/g。最小值比最大值分別減少了39.60%和45.17%，根際放線菌減小的幅度小于非根際。

樟子松林各個(gè)土層根際與非根際放線菌數(shù)量均大于落葉松林和白樺林，由此可見樟子松林干燥的土壤環(huán)境與落葉松林和白樺林相比更適宜放線菌的生長(zhǎng)。落葉松林放線菌根土比在1.98～2.37，白樺林根土比在1.16～1.76，樟子松林根土比范圍在1.06～1.21。由此可見，和落葉松林、白樺林相比，樟子松林根際與非根際土壤適合放線菌生長(zhǎng)的微環(huán)境比較一致。

表4 各林型根際與非根際土壤放線菌數(shù)量分布規(guī)律×105個(gè)/g

2.4 各林型土壤微生物層化比率 土壤表層微生物數(shù)量與底層微生物數(shù)量的比值，即土壤微生物層化比率，可以此判定土壤的質(zhì)量狀況，比率明顯小于2或者異常的高，說明土壤存在退化現(xiàn)象，比率大于2或在2附近說明土壤狀況比較良好［8］。該研究中3種林分根際土壤微生物總數(shù)層化比率在1.44～1.80，非根際土壤微生物總數(shù)的層化比率在1.30～2.22(表5)，無異常高低狀況，總體表現(xiàn)為:根際微生物總數(shù)層化比率從大到小為樟子松林、白樺林、落葉松林，非根際微生物總數(shù)層化比率從大到小為樟子松林、落葉松林、白樺林，樟子松林根際與非根際三大類土壤微生物的層化比率均在2左右，說明此林分和落葉松林、白樺林相比土壤狀況更好。

表5 土壤微生物平均層化比率

3 結(jié)論與討論

(1)落葉松林根際細(xì)菌范圍在32.67×106～54.05×106個(gè)/g，在垂直方向有先增大后減小的趨勢(shì)，10～15 cm厚土層最大，在3種林型各個(gè)土壤層次中根際細(xì)菌數(shù)量最大。非根際細(xì)菌變化范圍在6.06×106～11.06×106個(gè)/g，垂直方向隨著土層的加深而逐漸減小，可見根際細(xì)菌數(shù)量分布并未對(duì)非根際產(chǎn)生嚴(yán)重影響。落葉松林根際與非根際真菌數(shù)量垂直方向均有隨著土層的加深而逐漸減小的趨勢(shì)，其各個(gè)土層中非根際真菌數(shù)量與樟子松林和白樺林相比普遍較大，這可能與落葉松林土壤相對(duì)濕潤(rùn)，較適宜真菌生長(zhǎng)有關(guān)。

(2)樟子松林根際細(xì)菌范圍在14.50×106～37.24×106個(gè)/g，垂直分布規(guī)律也有先增大后減小的趨勢(shì)。樟子松林根際真菌數(shù)量具有先增大后減小的趨勢(shì)，在5～10 cm厚土層數(shù)量最大。樟子松林各個(gè)土層的非根際真菌數(shù)量均小于落葉松林和白樺林。樟子松林各個(gè)土層根際與非根際放線菌數(shù)量均大于落葉松林和白樺林。樟子松林與落葉松林、白樺林非根際放線菌相比減少幅度最大，與樟子松根際放線菌相比減小幅度增大?？赡苁怯捎诖笈d安嶺北部地區(qū)樟子松林土層較薄，20～30 cm厚土層的非根際土壤有機(jī)質(zhì)含量少，在這種條件下細(xì)菌的適應(yīng)能力更強(qiáng)，所以放線菌數(shù)量大量減少，而垂直方向0～20 cm的范圍內(nèi)的土壤環(huán)境更適宜放線菌生長(zhǎng)。

(3)白樺林根際土壤細(xì)菌數(shù)量有先增大后減小的趨勢(shì)，變化幅度為24.97×106～41.83×106個(gè)/g。白樺林土壤相對(duì)干燥、土壤肥力較高，較適宜真菌生長(zhǎng)，根際真菌數(shù)量先增大后減小，在5～10 cm厚土層根際真菌數(shù)量最大。非根際真菌數(shù)量垂直方向有逐漸減小的規(guī)律。白樺林根際放線菌垂直方向有先減小后增加的趨勢(shì)。

(4)樟子松林微生物總數(shù)的層化比率最大，樟子松林微生物三大類群的層化比率均接近2，表明此林分下土壤狀況較好。土壤微生物三大類群數(shù)量以細(xì)菌所占比例最大，其次為放線菌，真菌所占比例最小。白樺林的土壤微生物最為活躍，各個(gè)土層微生物總量高于落葉松林和樟子松林。有些學(xué)者研究認(rèn)為當(dāng)一個(gè)區(qū)域土壤微生物層化比率大于2時(shí)，土地一般不會(huì)發(fā)生退化現(xiàn)象［9］。在研究的3塊試驗(yàn)區(qū)域中，林地存在一定的退化風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)當(dāng)采取合適的森林經(jīng)營(yíng)措施以調(diào)整土壤狀況。

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