大興安嶺林區(qū)森林退化對土壤微生物群落功能的影響

逄好勝，張會慧，李 鑫，丁偉鵬，胡舉偉，林晗婧，敖 紅，孫廣玉

(東北林業(yè)大學生命科學學院，哈爾濱150040)

植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要覆蓋部分，在保持水土、涵養(yǎng)土地和生態(tài)系統(tǒng)的固碳等方面具有重要的作用)［1］。大興安嶺是我國森林最集中也是我國最大的林區(qū)之一［2］。但是長期以來由于人為過度的采伐和林火等原因?qū)е略摰貐^(qū)出現(xiàn)了森林退化，原生的蒙古櫟(Quercus Mongolica)和興安落葉松(Larix gmelini)混交林等優(yōu)勢群落逐漸退化，成為了以蒙古櫟林、灌木叢、灌草叢和草地等為優(yōu)勢的單一群落，使森林資源遭受不同程度的破壞，森林生產(chǎn)力降低，已嚴重制約該區(qū)森林的生態(tài)功能發(fā)揮［3］，一些山地已成為退化嚴重的草原化，植被覆蓋度下降，巖石裸露，土壤流失嚴重，土壤肥力降低，生物多樣性銳減。

森林退化是整個森林生態(tài)系統(tǒng)的退化，包括植被退化、土壤退化以及鏈接各功能組分能流的衰減。土壤不但是是許多物質(zhì)的儲存庫，還是是動植物分解和循環(huán)的場所［4］，森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是林木生存的物質(zhì)基礎［5］。植物對土壤環(huán)境的重要影響之一是改變土壤微生物群落特征［6］。微生物是土壤中的活力成分，研究表明土壤中微生物量是土壤養(yǎng)分的源或庫［7］。土壤中物質(zhì)的流動和能量的循環(huán)都是在不同種類微生物協(xié)同作用下完成的，因此，土壤微生物群落多樣性較土壤微生物量對反映土壤質(zhì)量的變化更具代表性［8］。通過Biolog微孔板描述微生物的群落功能特性，能夠簡單、快速、靈敏地反映微生物群落水平的生理代謝輪廓(CLPP)，該方法可有效地評估不同生態(tài)環(huán)境所引起的土壤微生物群落變化［9-10］。目前，有關不同恢復模式下土壤微生物量和土壤酶活的研究較多［11-12］，但對不同退化階段土壤微生物功能多樣性的研究還相對較少。因此，本文以大興安嶺加格達奇林區(qū)不同退化階段的蒙古櫟林、灌草叢和草地土壤為研究對象，采用Biolog技術，研究不同退化階段土壤微生物功能多樣性的差異，旨在為大興安嶺地區(qū)的植被恢復工作提供理一些基礎數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2013年7月在位于大興安嶺林區(qū)南緣的加格達奇林區(qū)進行。試驗地點位于大興安嶺伊勒呼里山南部東坡(124°01'～124°07'E，50°15'～50°18'N)，地帶性土壤為暗棕壤。該地區(qū)屬于寒溫帶大陸性季風氣候。年平均氣溫為-1.2℃，有效積溫為1 100～2 000℃，無霜期85～130 d，年均降水量為 494.8 mm［13］。

試驗共選取3塊樣地:蒙古櫟林、灌草叢和草地坡地試驗樣地。其中，所選取的蒙古櫟林試驗樣地存在時間較長，原生植被為蒙古櫟和興安落葉松混交林，經(jīng)長時間的火災和人為破壞后形成了以蒙古櫟和白樺等闊葉樹為主的次生林，優(yōu)勢樹種是蒙古櫟，植被覆蓋度大。樹底下伴生有地榆(Sanguisorba officinalis)、芍藥(Paeonia lactiflora)、唐松草(Thalictrum aquilegifolium)、藜蘆屬(Veratrum Linn..)、單花鳶尾(Iris uniflora)、蒼術(Atractylodes lancea)、野豌豆(Vicia sepium Linn.)等草本以及一年生的木本植物。灌草叢坡地植物相對高度較低，約40 cm，除低矮的灌木外，樹木間生長著大量的草本植物。主要植被為榆樹(Ulmus pumila L.)、和胡枝子(Lespedeza bicolor Turcz.)等低矮的灌木，樹木間生長著大量的草本植物，如苔草(Carex tristachya)、巖敗醬(Patrinia rupestris)、矮蒿(Artemisia lancea Van)、苦參(Sophora flavescens)、狼毒大戟(Euphorbia fischeriana Steud.)、山萵苣(Mulgedium sibiricum)和黃岑(Scutellaria baicalensis)等。草地植物相對高度最低，主要分布有委陵菜(Potentilla aiscolor Bunge)、野豌豆(Vicia sepium Linn.)、苔草(Carex tristachya)、蚊子草［Filipendula palmata(Pall)Maxim.］、繡線菊(Spiraeasalicifolia L.)、珍珠梅(Sorbaria kirilowii)、地榆(Sanguisorba officinalis)等草本植物，周圍伴生有興安胡枝子(Lespedeza davurica)、山杏(Prunus armeniaca)等矮小灌木。

1.2 試驗土樣的采集

土壤樣品采集于2013年7月22日，選取立地條件基本相似的蒙古櫟林、灌草叢和草地坡地，按五點取樣選取植株，用毛刷輕輕刷下沾附在植物根系上的根際土，剔除石塊和根系殘留后過2 mm篩，將過篩的土壤裝入無菌的封口袋中并用冰盒暫時存放帶回實驗室，4℃冰箱中保存，用于Biolog-Eco板測定微生物群落水平的生理活性。

1.3 測定項目和方法

Classen AT 等［14］采用 Biolog-Eco板測定土壤微生物群落功能多樣性。具體方法為:首先將土壤樣品在25℃的恒溫箱中活化24 h，然后稱取10 g新鮮土樣加入200 mL三角瓶中，再向三角瓶中注入90 mL滅菌的0.85%NaCl溶液，無菌棉塞塞緊瓶口，放在旋渦振蕩器上震蕩1 min，然后冰水浴1 min，反復3次，靜置2 min后依次稀釋至10-2和10-3土壤懸浮液。用八孔加樣器向生態(tài)板每孔中加入10-3的土壤懸浮液150 μL，將接種好的微孔板放在25℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)10 d，培養(yǎng)過程中每隔24 h用酶標儀(Sunrise Remote，TECAN)測定590 nm的吸光值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用李鑫等人的方法計算微生物代謝強度的平均顏色變化率AWCD、物種多樣性指數(shù)(H)、碳源豐富度指數(shù)(S)和均勻度指數(shù)(E)［15］。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用Excel 2003軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用SPSS 16.0軟件進行單因素方差分析(one-way ANOVA)和主成分分析(α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤微生物利用總碳源的動力學曲線

土壤微生物群落AWCD值隨時間的變化如圖1所示。由圖1結(jié)果可以看出，隨著培養(yǎng)時間的延長，不同處理土壤微生物利用碳源的總量均呈逐漸增加的趨勢。培養(yǎng)起始的24 h AWCD值較變化較小。培養(yǎng)24 h后進入對數(shù)增長期，AWCD快速增加直至96 h，此時微生物活性旺盛，碳源開始被明顯利用，隨后緩慢增長，直至趨于穩(wěn)定。本試驗中，隨著培養(yǎng)時間的增加，不同退化階段土壤中微生物對單一碳源利用程度存在明顯差異。其強度大小順序為:灌草叢土＞蒙古櫟林土＞草地土。各個階段的AWCD均為灌草叢最高，微生物的代謝活性最強;蒙古櫟林土次之;草地土AWCD最小，說明其微生物活性最低。從表1可以看出，各退化階段的AWCD在0.29～0.39之間，其中，灌草從和草地土之間的差異達顯著水平(P＜0.05)。

圖1 土壤微生物群落AWCD值隨培養(yǎng)時間的變化Fig.1 AWCD changes with incubation time of different treatments

2.2 土壤微生物對碳源利用模式的變化

不同退化階段土壤微生物群落多樣性指數(shù)分析見表1。由表1可以看出，多樣性指數(shù)的變化趨勢與AWCD相似，灌木叢顯著高于蒙古櫟和草叢土(P＜0.05)，而蒙古櫟和草叢土差異不顯著(P＞0.05)。灌木叢土的碳源豐富度指數(shù)最高，說明土壤中可供微生物利用的碳源最多，蒙古櫟層和草地土豐富度指數(shù)較灌草叢明顯降低，但后兩者之間的差異不顯著(P＞0.05);3個退化階段的均勻度指數(shù)大致相同，差異沒有達到顯著水平(P＞0.05)。

表1 不同退化階段土壤微生物群落多樣性指數(shù)分析Tab.1 Analysis of AWCD for soil microbial communities and diversity indices from different degradation stages

2.3 土壤微生物對碳源利用模式的變化

不同處理土壤微生物對6大類碳源的利用比率如圖2所示。從圖2可以看出，3個退化階段土壤微生物對6大類碳源的利用模式大體相同，蒙古櫟土和草地土對碳源利用程度由大到小排序均為:糖類＞氨基酸＞羧酸＞聚合物＞雙親化合物＞氨/胺類，灌草層土對碳源的利用大小順序為:糖類＞氨基酸＞羧酸＞聚合物＞雙親化合物＞氨/胺類，3個階段的碳源除羧酸和聚合物的利用比率發(fā)生明顯變化外，對其余四大類碳源整體的利用趨勢并沒有發(fā)生顯著改變。隨著退化程度的進一步加劇，土壤微生物對糖類和氨/胺類碳源的利用程度越來越低;對聚合物類碳源的利用，灌草叢土壤微生物能力最低，蒙古櫟層稍高，草層最高;微生物對羧酸類碳源的利用程度大小順序為灌草叢＞蒙古櫟林＞草地;對雙親化合物和氨基酸兩類碳源的利用程度，3種退化階段土壤無生物無明顯差異。

圖2 不同處理土壤微生物對6大類碳源的利用比率Fig.2 Utilization rates of 6 types of carbon sources by microbes under different treatments

2.4 土壤微生物對碳源利用能力多樣性的主成分分析

31種主成分的方差貢獻率如圖3所示。從圖3可以看出，在決定微生物對碳源利用多樣性的31個主成分中，前10個的累計方差貢獻率達到100%。其中，主成分1(PC1)的貢獻率最大，達到了28.34%，主成分2(PC2)的貢獻率次之，為20.81%，第3～10主成分的貢獻率相對較低，為0.11%～12.74%。主成分1和主成分2的累計方差貢獻率高達49.15%，可以解釋變量的大部分信息，是變異的主要來源。結(jié)果表明:不同退化階段土壤在PC軸上的空間分布差異明顯，其中，灌草叢土分布在第一象限，而草從土和蒙古櫟林土分別位于第二和第四象限，說明不同退化階段土壤微生物對碳源的利用種類及程度出現(xiàn)顯著差異。

圖3 31種主成分的方差貢獻率Fig.3 The variance contribution of 31 principal components

圖4 不同處理土壤微生物碳源利用圖譜主成分分析Fig.4 Principal component analysis of carbon sources utilization of soil microbes under different treatments

不同處理土壤微生物碳源利用圖譜主成分分析如圖4所示。從圖4可以看出，PC1軸上，草從土分布在負軸上，得分在-0.44～-1.40之間，灌草叢土和蒙古櫟林土為正，分別在0.88～1.77和0.49～0.73范圍內(nèi);在PC2軸上，蒙古櫟林土的得分分布在負軸，范圍是-2.29～-2.86，灌木叢土和草從土集中在正軸，得分分別是2.15～3.31和1.00～2.78。主成分空間分布的不同反映了土壤微生物利用碳源的種類和程度存在差異，其中，蒙古櫟層土離散程度最小，灌草叢土和草從土主成分得分的變異程度大，微生物群落功能穩(wěn)定較差。結(jié)合圖5可以說明，灌木叢土中可以被微生物利用的碳源種類最多，而草從土和蒙古櫟林土中可利用碳源種類較少。

圖5 31種碳源的PCA分析Fig.5 Principal component analysis of 31 carbon sourcesH4，G4:氨/胺類 Amines/amides;A4，B4，C4，D4，E4，F(xiàn)4:氨基酸 Amino acids;F2，A3，B3，C3，D3，E3，F(xiàn)3，G3，H3:羧酸 Carboxylic acids;G2，H2，B1:雙親化合物Miscellaneous;C1，D1，E1，F(xiàn)1:聚合物 Polymers;A2，B2，C2，D2，E2，G1，H1:糖類Carbohydrates.

2.5 不同處理土壤微生物碳源利用圖譜主成分分析

31種碳源的主成分荷載因子見表2。由表2可知，第一主成分荷載因子在0.5以上的有15種基質(zhì)，分別為羧酸(5種)、糖類(3種)、氨/胺類(2種)、氨基酸(2種)、雙親化合物(2種)和聚合物(1種)。其中，γ-羥丁酸的荷載因子大于0.8，說明羧酸類碳源對土壤微生物的碳代謝影響最大;第二主成分荷載因子在0.5以上的有11種，說明供試土壤微生物群落碳代謝差異主要體現(xiàn)在第一主成分荷載因子高的碳源上，特別是羧酸類碳源。

3 討論

AWCD值的變化曲線反映了土壤微生物群落的代謝特征，是反映土壤微生物整體活性的有效指標。本研究中，各培養(yǎng)階段AWCD值均表現(xiàn)為:灌木叢土＞蒙古櫟林土＞草地土，說明與蒙古櫟林和灌草叢相比，草地土壤微生物群落對碳源的利用最弱，其微生物群落功能多樣性最低，原因可能是草地群落多樣性較低，根系不發(fā)達，根系分泌物數(shù)量及種類較少，因此可供微生物利用的碳源底物較少。而灌草叢植被凋落枝葉、根系分泌物以及土壤生物代謝物和殘體分解等豐富了土壤碳源［16］，為土壤微生物提供了充足的代謝底物，從而表現(xiàn)為微生物的代謝活性及群落多樣增加。此外，灌草叢植物種類豐富，數(shù)量繁多，植物根系系統(tǒng)較為復雜，進而促進了微生物的活動［17］。土壤微生物的多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、對碳源利用的豐富度指數(shù)都能表征微生物群落的功能多樣性，可以反映土壤微生物種類和功能上的區(qū)別［18］。3種坡地中，灌草叢土壤的碳源豐富度指數(shù)和物種多樣性指數(shù)最高，與其他兩種坡地的差異達到了極顯著水平(P＜0.01)，說明灌草叢土壤中微生物可利用的碳源種類最多，微生物的)種類和功能多樣性與其他兩種坡地土壤相比較高，原因可能是灌草叢植物種類豐富，代謝物種類增加，豐富了土壤中可利用碳源的種類和數(shù)量，最終引起群落代謝活性的增強。均勻度指數(shù)三者之間沒有顯著差異，反映了土壤微生物的均勻度不會隨著退化的加劇發(fā)生明顯的變化。

表2 31種碳源的主成分荷載因子Tab.2 Loading factors of principal component of 31 carbon sources

土壤退化給碳源利用模式帶來的最大變化發(fā)生在羧酸和聚合物兩大類碳源上，說明羧酸類和聚合物類碳源的變化在影響土壤微生物群落功能多樣性方面起著主要的作用。其中，對聚合物類碳源的利用表現(xiàn)為草地最高最高，蒙古櫟土次之，灌草叢最低。而對羧酸類的利用能力為:灌草叢＞蒙古櫟土，草地，二者的趨勢相反，顯示了以羧酸類和聚合物類碳源為代謝能源的微生物在灌草叢和草地土壤中數(shù)量差異較大。主成分分析是分析土壤微生物對碳源利用模式上的差異的重要指標［19-21］。主成分荷載因子反映了各個主成分與土壤碳源利用的相關程度，結(jié)果顯示:主成分1和主成分2可以解釋變量的大部分信息(累計方差貢獻率49.15%)，且主成分1起主導作用(方差貢獻率28.34%)，各種碳源與主成分1的相關系數(shù)中，最大的是羧酸類碳源，也就是說3個階段土壤微生物群落碳代謝生理曲線的差異主要是由于微生物對羧酸類碳源利用能力的不同引起的。灌草叢因其復雜的植被群落結(jié)構(gòu)導致代謝物和營養(yǎng)物質(zhì)在土壤里累積較多，這為土壤中的微生物提供了豐富的可利用碳源，會使微生物的代謝活動加強，釋放出的水分和無機物又可作為營養(yǎng)物質(zhì)提高地上部分植被的覆蓋度和地下部分植物根系的生長，如此可形成一個良性循環(huán)，進而達到涵養(yǎng)土地、保持水土、控制土地荒漠化和水土流失等一系列生態(tài)目的。

綜上所述，大興安嶺林區(qū)的山地草原化引起了土壤微生物群落功能多樣性的下降，表現(xiàn)為碳源底物利用的微生物數(shù)量及活性和微生物對單一碳源底物的利用能力的降低。但是，灌叢土壤微生物代謝活性較高，對單一碳源利用能力也強。因此，在大興安嶺加格達奇土壤退化的林區(qū)，比較有效的恢復措施是營造灌草叢林地。

［1］胡嬋娟，郭 雷.植被恢復的生態(tài)效應研究進展［J］.生態(tài)環(huán)境學報，2012，21(9):1640-1646.

［2］周以良.中國大興安嶺植被［M］.北京:科學出版社，1991.

［3］王立中.大興安嶺森林資源變化分析［J］.中國林副特產(chǎn)，2005，76(3):61-62.

［4］陳佐忠，汪詩平.中國典型草原生態(tài)系統(tǒng)［M］.北京:科學出版社，2000.

［5］董希斌，楊學春，楊桂香.采伐對落葉松人工林土壤性質(zhì)的影響［J］.東北林業(yè)大學學報，2007，35(10):7-10.

［6］ O'Donnell A G，Seasman M，Macrae A，et al.Plants and fertilisers as drivers of change in microbial community structure and function in soils［J］.Plant and Soil，2001，232(1/2):135-145.

［7］ He Z L.Soil microbial biomass and its importance in evaluating nutrient cycling and environmental quality［J］.Chinese Journal of Soil Science，1997，2:61-69.

［8］ Young I M，Crawford J W.Interactions and self-organization in the soil-microbe complex［J］.Science，2004，304:1634-1637.

［9］ Zheng H，Ouyang Z Y，Wang X K，et al.Effects of regenerating forest cover on soil microbial communities:A case study in hilly red soil region，Southern China［J］.Forest Ecology and Management，2005，217(2-3):244-254.

［10］鄭 華，歐陽志云，方治國，等.BIOLOG在土壤微生物群落功能多樣性研究中的應用［J］.土壤學報，2004，41(3):456-461.

［11］劉滿強，胡 鋒，何園球，等.退化紅壤不同植被恢復下土壤微生物量季節(jié)動態(tài)及其指示意義［J］.土壤學報，2003，40(6)::937-944.

［12］閆 晗.露天煤礦排土場土壤微生物生態(tài)特征及土壤質(zhì)量評價［D］.葫蘆島:遼寧工程技術大學，2011.

［13］甘秋妹，孫海龍，鄭 紅，等.大興安嶺不同退化階段土壤和植物 C，N，P 濃度及其化學計量特征［J］.森林工程，2013，29(3):1-5.

［14］ Classen A T，Boyle S I，Haskins K E，et al.Community-level physiological profiles of bacteria and fungi:Plate type and incubation temperature influences on contrasting soils［J］.FEMS Microbiology Ecology，2003，44:319-328.

［15］李 鑫，張會慧，岳冰冰，等.堿土桑樹/大豆間作對土壤碳代謝微生物多樣性的影響［J］.應用生態(tài)學報，2012，23(7):1825-1831.

［16］ Liu L，Xu M K，Wang S L，et al.Effect of different Cunninghamia lanceolata plantation soil qualities on soil microbial community structure［J］.Acta Ecologica Sinica，2013，33(15):4692-4706

［17］歐陽威，劉 紅，于勇勇，等.高羊茅對微生物強化修復石油污染土壤影響的研究［J］.環(huán)境污染治理技術與設備，2006，7(1):94-97.

［18］田春杰，陳家寬，鐘 揚.微生物系統(tǒng)發(fā)育多樣性及其保護生物學意義［J］.應用生態(tài)學報，2003，14(4):609-612.

［19］ Juliet P M，Lynne B，Randerson P F.Analysis of microbial community functional diversity using sole-carbon source utilisation profiles:A critique［J］.FEMS Microbiology Ecology，2002，42:1-14.

［20］陸 昕，孫 龍，胡海清.森林土壤活性有機碳影響因素［J］.森林工程，2013，29(1):8-13.

［21］高天雷，尹學明.人造林窗對粗枝云杉人工林土壤微生物量的影響［J］.四川林業(yè)科技，2014(3):27-31.