淺談杉木人工林土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征

袁愛蘭

（福建省龍巖市武平縣萬安林業(yè)工作站，福建 武平364300）

1 引言

杉木人工林是我國南方地區(qū)林區(qū)的重要森林類型之一，其中杉木作為南方地區(qū)亞熱帶氣候下特有的優(yōu)良樹種，對(duì)于緩解我國木材需求增長的壓力和保護(hù)生態(tài)環(huán)境等方面均有著重要意義。而土壤微生物則是有機(jī)物分解過程中的重要承擔(dān)者，整個(gè)微生物群落所表現(xiàn)出的一系列結(jié)構(gòu)特征以及相關(guān)的活性組成都對(duì)整個(gè)人工林生態(tài)圈的物質(zhì)循環(huán)以及養(yǎng)分供應(yīng)有著直接影響。同時(shí)，群落特征的變化也反映著整個(gè)人工林生態(tài)環(huán)境下土壤肥力、土壤質(zhì)量、溫度、濕度等一系列因素。在這樣的背景下，研究杉木人工林土壤環(huán)境與土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征的因果關(guān)系，無論是對(duì)進(jìn)一步促進(jìn)杉木人工林生態(tài)環(huán)境循環(huán)，還是降低不恰當(dāng)操作導(dǎo)致的土壤負(fù)面生態(tài)效應(yīng)均有著積極意義。

2 杉木人工林與土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征的相關(guān)理論分析

2.1 土壤微生物群落的作用分析

在生物學(xué)的研究中，土壤微生物群落往往作為一個(gè)極其特別的生物學(xué)總體來看待。宏觀上而言，土壤微生物群落指的是由同種生物中的不同個(gè)體在一定環(huán)境下（如土壤）組成的具有相互作用的群體。一般情況下，陸地生態(tài)系統(tǒng)中的生物化學(xué)過程均需要土壤中的生物參與，例如礦化同化過程、氧化還原過程、有機(jī)碳代謝過程等等。因此，土壤微生物群落在生態(tài)系統(tǒng)的研究過程中也被稱為修復(fù)土壤生態(tài)環(huán)境和降解污染物質(zhì)的先鋒者。此外，土壤微生物還推動(dòng)者生態(tài)系統(tǒng)中的土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程和能量流動(dòng)過程，例如雖然土壤微生物的含碳量僅僅只占有生態(tài)環(huán)境中土壤總有機(jī)碳的2%，但這部分的有機(jī)含碳量卻在有機(jī)質(zhì)和無機(jī)物的降解轉(zhuǎn)化、植物營養(yǎng)及土壤肥力的保持等方面起到重要作用。因此，研究杉木人工林中壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征具有深層次的現(xiàn)實(shí)意義。

2.2 杉木人工林面臨的問題分析

杉木在我國南方亞熱帶地區(qū)已有了近千年的栽培歷史，相關(guān)的栽培制度也隨著建國以來我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展不斷趨于完善。根據(jù)我國森林資源統(tǒng)計(jì)局在2013年公布的數(shù)據(jù)，我國的杉木林面積已超過18000hm2，蓄積量更是達(dá)到了0.47億 m2，超出了我國人工林蓄積量50%。但現(xiàn)階段，我國杉木人工林的建設(shè)還存在著一些生態(tài)問題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。其一是我國杉木人工林大多由天然闊葉林砍伐后形成，故與天然闊葉林相比在樹種、群落結(jié)構(gòu)、生態(tài)多樣性方面還不夠完善，自身缺乏有效的生態(tài)抵抗性。其二是杉木人工林作為人工栽植的群落，較易受到人類活動(dòng)的干擾，導(dǎo)致林地土壤在物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、生物性質(zhì)等多個(gè)方面容易發(fā)生突變，從而給生態(tài)環(huán)境帶來難以預(yù)知的影響。其三是我國近幾年來對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征的相關(guān)研究尚處于起步階段，對(duì)于人工林集約經(jīng)營是否引起土壤衰退、林地的物質(zhì)代謝和肥力的發(fā)展存在何種聯(lián)系等重要課題還缺乏完善的研究體系，造成實(shí)踐工作缺乏行之有效的指導(dǎo)體系。

3 杉木人工林土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征的研究方法

本文選用最常用的平板涂布培養(yǎng)法作為杉木人工林土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征的研究方法，具體步驟如下。

3.1 樣品采集

在杉木人工林地的山脊、山坡、山洼3處設(shè)定采樣點(diǎn)，采樣時(shí)每個(gè)樣品取3份1kg左右共3kg，然后用保鮮袋和透明膠帶做好密封與保存工作，在當(dāng)天帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究。

3.2 土壤溶液的配制

將10g待測土壤與90mL經(jīng)無菌處理的蒸餾水放入250mL三角瓶中，經(jīng)恒溫振蕩儀中振蕩1h后取出并靜置，從而配成最大濃度的稀釋液，然后取上層清液與9mL經(jīng)無菌處理的蒸餾水分別放入不同的試管中，混合均勻后制成濃度按梯次降低的稀釋液。

3.3 培養(yǎng)基制備

細(xì)菌、真菌和放線菌的培養(yǎng)基分別選用牛肉膏蛋白脈瓊脂培養(yǎng)基、PDA培養(yǎng)基和高氏1號(hào)培養(yǎng)基，具體材料參考常用的材料制備表，完成基本的材料配備工作后，將初步完成的培養(yǎng)基放入37攝氏度溫箱中培養(yǎng)一天，確保滅菌工作的徹底進(jìn)行。

3.4 微生物接種與計(jì)數(shù)

將按梯度配置的土壤溶液用移液器打入滅菌過的培養(yǎng)皿中，按照溶液提出分別倒入培養(yǎng)基中，待到培養(yǎng)基初步凝固后放入不同溫度的生化培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)，24h后進(jìn)行細(xì)菌的計(jì)數(shù)工作，48h后進(jìn)行真菌的計(jì)數(shù)工作，6d后進(jìn)行放線菌的計(jì)數(shù)工作。

4 杉木人工林土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征分析

土壤微生物是土壤的重要組成部分，因此土壤中微生物的種類、數(shù)量的分布特征可視為是對(duì)土壤肥力和物質(zhì)循環(huán)過程的最直接反映。在杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)中，占據(jù)主要地位的微生物為細(xì)菌、真菌、放線菌三大類，其對(duì)于有機(jī)物的分解，硫、氮化合物的轉(zhuǎn)化起到了最主要的作用。

4.1 土壤微生物群落的數(shù)量分布

表1為利用顯微鏡對(duì)平板涂布培養(yǎng)法所得的微生物進(jìn)行數(shù)量統(tǒng)計(jì)的相關(guān)數(shù)據(jù)，不難發(fā)現(xiàn)，無論是哪種土壤層次和立地類型，細(xì)菌數(shù)量皆在所有的微生物中占據(jù)了主要地位，其平均數(shù)值分別為山脊的91.69%、山坡的92.83%和山洼的92.71%，在其余兩類微生物中，放線菌數(shù)量略高于真菌數(shù)量。因此，在杉木人工林地土壤微生物中，細(xì)菌是有機(jī)物質(zhì)分解轉(zhuǎn)化過程中的最主要的參與者。而即使是在相同土層的不同立地類型中，微生物的數(shù)量分布特征也不盡相同。

表1 杉木人工林地土壤微生物數(shù)量的分布特征 萬個(gè)/g干土

由表1不難得出，山坡的微生物的數(shù)量總數(shù)大于山脊的微生物的數(shù)量，約為山脊的微生物的數(shù)量的1.18倍，但低于山洼處的微生物的數(shù)量，僅為山洼處微生物的數(shù)量的87%。其原因在于山脊處的地形較為陡峭，容易在雨雪天氣因雨水大量沖刷造成養(yǎng)分流失，形成較薄的土壤層次也不利于杉木人工林中凋落物的聚集，造成后期微生物群落參與分解活動(dòng)時(shí)，腐生微生物數(shù)量嚴(yán)重下降。而山洼處則由于地形呈現(xiàn)出盆地狀，在整個(gè)杉木林面臨相同環(huán)境時(shí)，山洼處也不易水土流失，這就造成山洼地區(qū)的土壤層次較厚、水分含量較多，所帶來的較多的林中凋落物的聚集進(jìn)一步使得土壤中微生物的活動(dòng)頻繁。這也恰恰與杉木人工林中山洼林木生產(chǎn)力遠(yuǎn)高于山坡和山脊地區(qū)的林木生產(chǎn)力的現(xiàn)狀相吻合，驗(yàn)證了結(jié)果的有效性和正確性。

4.2 土壤微生物群落的垂直分布

根據(jù)表1中的既得數(shù)據(jù)，對(duì)同種類型的不同土層深度同一種類的微生物數(shù)量取加權(quán)平均值，建立起相關(guān)的線性回歸方程如表2所示，計(jì)算得出，0～20m土層中微生物總數(shù)為52.143萬個(gè)/g干土、20～40m土層中微生物總數(shù)為34.734萬個(gè)/g干土、但40～60m土層中的微生物總數(shù)僅為16.916萬個(gè)/g干土，且三種微生物的數(shù)量分布均符合這種隨土層深度數(shù)量逐漸降低的垂直分布特征，其中放線菌和真菌更是因?yàn)榭倲?shù)量稀少而表現(xiàn)的更為明顯。而根據(jù)所建立的回歸方程，不同微生物的數(shù)量和土壤的垂直深度的相關(guān)系數(shù)均為負(fù)，并呈現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)的態(tài)勢，其中真菌數(shù)量與土壤垂直深度的相關(guān)系數(shù)最大，為－0.688，細(xì)菌和放線菌與土壤垂直深度的相關(guān)系數(shù)則較低，分別為－0.426和－0.413，不難得出，土壤微生物群落的垂直分布與土壤深度有著密切的聯(lián)系。這其中的原因體現(xiàn)在三個(gè)方面。第一，有機(jī)物質(zhì)會(huì)因時(shí)間推移逐漸在土壤表層所積累，這這種有機(jī)物質(zhì)作為微生物能量和營養(yǎng)的最主要來源，對(duì)微生物的分布起到了至關(guān)重要的主導(dǎo)作用。第二，土壤的含水量會(huì)隨著土壤深度的增加而迅速降低，現(xiàn)階段生物研究的微生物大多需要在充足水分的情況下生存，因此，表層土壤富裕的含水量吸引著更多微生物的聚集。第三，好氣性土壤微生物占據(jù)了人工林中土壤微生物群落的60%以上，相較于透氣狀況較差的深層次土壤，這類好氣性土壤微生物更多地在具有豐富密集的植物根系以及優(yōu)秀通氣情況的表層土壤進(jìn)行繁殖。

表2 杉木人工林地土壤微生物的垂直分布線性回歸

4.3 土壤微生物群落的季節(jié)性變化

根據(jù)所采集的培養(yǎng)皿的微生物群落數(shù)量，得出的其季節(jié)性變化特征為春秋高、夏冬低，這與部分學(xué)者采用其它人工林進(jìn)行所得出的春季高、夏秋回歸、冬季最低的季節(jié)性變化特征存在一定的出入。本文認(rèn)為這可能與杉木人工林中土壤微生物群落中細(xì)菌數(shù)量超出90%有關(guān)，根據(jù)大數(shù)定律，在龐大細(xì)菌數(shù)量的影響下，整個(gè)微生物群落的季節(jié)性變化特征無限趨向于細(xì)菌數(shù)量的季節(jié)性變化特征，相關(guān)的不同季節(jié)土壤含水量的不同、不同季節(jié)溫度的不同成為了土壤微生物群落的次要制約因素。

5 結(jié)語

隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，有關(guān)人工林中土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征的相關(guān)研究也會(huì)越來越趨于完善。本研究采用顯微鏡技術(shù)和線性相關(guān)系數(shù)建立等研究方法對(duì)杉木人工林中的微生物群落結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了簡要分析，希望能對(duì)相關(guān)的研究人員帶來一定的幫助。

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