東北4種人工林土壤碳代謝微生物多樣性特征

劉程麗，郭璇璇，牛 涵，陳振寶，吳 迪

(東北林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

東北4種人工林土壤碳代謝微生物多樣性特征

劉程麗，郭璇璇，牛 涵，陳振寶，吳 迪

(東北林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

以土壤微生物為研究對象，應(yīng)用Biolog方法研究4種人工林(白樺、興安落葉松、紅皮云杉、水曲柳)土壤微生物群落對Biolog不同類型碳源底物的利用情況。培養(yǎng)基平均顏色變化率(AWCD)以及微生物多樣性指數(shù)均為紅皮云杉和白樺林型較高，表明二者土壤微生物群落的碳源代謝能力高于興安落葉松和水曲柳人工林。4種針、闊葉林型土壤微生物群落對氨基酸、羧酸和糖類等3類碳源的利用率較高；而在主成分中有主要貢獻的也是這3類碳源，因此認為這3類碳源是導(dǎo)致土壤微生物群落變化的敏感碳源。

人工林；土壤微生物多樣性；Biolog微平板法；單一碳源利用

土壤微生物是土壤不可缺少的組成部分，是陸地生態(tài)系統(tǒng)中的分解者和調(diào)節(jié)者，能夠參與生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)以及能量流動[1]；其分布及活性不僅反映土壤中各因素對微生物的生態(tài)分布或者生化特性的影響和作用[2]，還能反映土壤微生物對土壤肥力的影響[3]。因此，土壤微生物特征常被作為評價土壤生物學(xué)肥力的重要指標(biāo)，同時該指標(biāo)又能揭示土壤的變化規(guī)律和演變趨勢[4]。微生物群落多樣性格局的分布可能受到植物群落類型的影響，也就是土壤微生物群落多樣性與其土壤表面分布的植物群落呈正相關(guān)關(guān)系[5]。姜煜鋆等[1]對大興安嶺北部地區(qū)3種主要森林類型土壤微生物生物量、微生物分布特征進行研究發(fā)現(xiàn)，不同林型對土壤微生物具有顯著影響。此外，Kennedy等[6]認為植被差異對土壤中微生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)的影響顯著；而Johnson等[7]認為土壤細菌多樣性與植物群落多樣性之間無明顯的相關(guān)性，但是植物的功能型對土壤細菌種群的影響更為明顯。因此，探明植物與土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和分布特性間的規(guī)律及相關(guān)性對植被恢復(fù)和生態(tài)重建具有重要的意義。

Biolog微孔板鑒定系統(tǒng)通過土壤微生物對微平板中單一碳源利用能力的差異反映土壤中微生物群落碳代謝能力的不同，可以進一步表征土壤微生物功能的多樣性[8]。而研究森林土壤微生物碳代謝能力可以在微生物層面上揭示森林生態(tài)系統(tǒng)能量流動和碳循環(huán)過程。黑土是我國東北地區(qū)一種主要的土壤類型。目前，關(guān)于黑土林地土壤微生物群落碳代謝功能特征的研究尚少。因此，本研究以位于黑龍江省東北林業(yè)大學(xué)哈爾濱實驗林場中的4種針、闊葉林的人工純林為研究對象，采用Biolog方法研究林地生長旺季時土壤微生物多樣性及其碳代謝能力，闡明樹種建造人工林后，其土壤微生物群落結(jié)構(gòu)組成的變化，為該地區(qū)森林恢復(fù)的樹種選擇、合理搭配以及人工碳匯林的經(jīng)營管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究地點為東北林業(yè)大學(xué)哈爾濱實驗林場，位于黑龍江省南部的哈爾濱市中心(44°04′—46°40′N、125°42′—130°10′E)，海拔136～140 m，區(qū)域面積48.83 hm2，土壤類型為黑土，土層深厚，土質(zhì)肥沃；該地屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫3.6 ℃，年均降水量569.1 mm。7月最高氣溫達38 ℃，平均降水量占全年的60%～70%。秋季降雨明顯減少，冬季漫長寒冷干燥，1月最低氣溫曾達-37.7 ℃[9]。該實驗林場始建于20世紀50年代，種植了東北林區(qū)十幾個主要造林樹種，包括白樺(BetulaplatyphyllaSuk.)、水曲柳(FraxinusmandshuricaRupr.)、興安落葉松(Larixgmelinii(Rupr.) Rupr.)、紅皮云杉(Piceakoraiensis)、黑皮油松(Pinustabulaeformisvar.mukdensis)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolicaLitv.)、胡桃楸(JuglansmandshuricaMaxim.)、黃菠蘿(PhellodendronamurenseRupr.)等[10]。

1.2 樣品采集

于2014年7月在東北林業(yè)大學(xué)實驗林場選取4種針、闊葉人工純林樣地，樹齡約為60 a，分別為白樺林、興安落葉松林、紅皮云杉林、水曲柳林。每塊樣地隨機設(shè)置10個1 m × 1 m 樣方，采集0～10 cm土層的土壤樣品，每個樣品重復(fù)3次。每塊樣地采集30個樣點，每10個樣點的土壤混合均勻得到3個平行樣，過2 mm篩，樣地土壤基本情況見表1。

表1 不同林型下土壤理化性質(zhì)基本情況

1.3 測定方法

采用BIOLOG生態(tài)微平板(BIOLOG EcoPlateTM)測定。土壤樣品在25 ℃下活化24 h，稱取土樣10.00 g放置到250 mL三角瓶中，加入無菌0.85% NaCl溶液90 mL，充分振蕩1 min后，冰浴1 min，過程反復(fù)3次，靜置10 min后，用無菌NaCl溶液將土壤懸浮液稀釋為10-3，并向生態(tài)板的每個孔中加入土壤懸浮液150 μL，其中，對照孔內(nèi)無碳源底物，然后將微平板放置于25 ℃恒溫培養(yǎng)，每隔24 h用酶標(biāo)儀(Sunrise Remote，TECAN)于590 nm處測定光密度值，連續(xù)讀數(shù)10 d[11]。

1.4 計算方法

1.5 數(shù)據(jù)分析與處理

使用Excel 2010軟件及SPSS 16.0統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 碳源平均顏色變化率(AWCD)

平均顏色變化率(AWCD)是反映土壤微生物群落活性的重要指標(biāo)，通過顏色變化來體現(xiàn)微生物群落反應(yīng)速度以及對不同碳源的代謝情況，AWCD值增加得越快，表明微生物群落對該底物代謝活性越強[13]。本研究中，隨著培養(yǎng)時間的增加，各林型土壤樣品AWCD值均呈現(xiàn)增大的趨勢，但增加程度有所差異，說明土壤中微生物的代謝活性逐漸增強，但對碳源利用能力存在差異(圖1、圖2)。本研究中，在最初培養(yǎng)的24 h時，4種林型的土壤樣品AWCD值均較小，且變化較為平緩，說明在該時間段土壤微生物對微平板中的碳源利用能力較低；而在24 h后明顯上升；到72 h，微生物活性較旺盛，對碳源的利用明顯，各林型土壤微生物群落AWCD介于0.13～0.22，白樺和紅皮云杉AWCD高于興安落葉松和水曲柳，但差異未達顯著水平。培養(yǎng)192 h之后AWCD值變化相對趨于平緩。在培養(yǎng)240 h后不同林型土壤微生物對單一碳源利用強度由高到低依次為：紅皮云杉>白樺>興安落葉松>水曲柳。紅皮云杉和白樺的AWCD值增長幅度明顯高于興安落葉松和水曲柳，說明人工林不同林型土壤微生物存在差異，紅皮云杉和白樺土壤微生物碳源利用能力較強，微生物群落代謝活性強。

2.2 土壤微生物群落功能多樣性指數(shù)

多樣性指數(shù)能夠表征土壤微生物群落多樣性的不同特征。Shannon指數(shù)反映微生物群落物種的豐富度，Simpson指數(shù)反映微生物群落的常見物種及物種優(yōu)勢度，而Mclntosh指數(shù)則反映微生物群落均勻性特征[14-16]。通過對不同林型下土壤微生物培養(yǎng)72 h時，對獲得的Shannon多樣性指數(shù)、Simpson指數(shù)、McIntosh指數(shù)等數(shù)據(jù)進行多樣性分析，由表2可知，不同林型下土壤微生物碳源利用程度之間存在差異。培養(yǎng)72 h 后，白樺和紅皮云杉的土壤微生物群落多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)均高于興安落葉松和水曲柳，但3項指數(shù)在不同林型間差異未達顯著水平。

表2 不同林型土壤微生物群落多樣性指數(shù)

2.3 土壤微生物群落利用碳源的類型

不同林型下土壤微生物對6大類碳源(氨/胺類、羧酸、氨基酸、聚合物、糖類、其它化合物)的利用強度存在差異(圖3)。本研究中，土壤微生物均呈現(xiàn)出對羧酸和糖類利用能力較強，而對氨/胺類底物利用能力最弱，其中白樺林土壤微生物對糖類利用能力是氨/胺類底物的10.7倍。

此外，不同林型的土壤微生物對同一類型碳源的利用也存在差異。白樺和紅皮云杉林的土壤微生物對6種碳源的利用能力均高于興安落葉松和水曲柳，其中各林型之間土壤微生物對氨/胺類、羧酸及其它化合物的利用差異顯著。除了對其它化合物外，水曲柳林土壤微生物對各類碳源的利用能力均為最低。由于土壤微生物對碳源利用能力的強弱反映土壤微生物群落活性高低，本研究中白樺和紅皮云杉土壤微生物對碳源利用率較高，說明該林型下土壤微生物群落活性較強。

2.4 土壤微生物群落碳源利用的主成分分析

應(yīng)用主成分分析，從31種因子中提取與土壤微生物碳源利用功能多樣性相關(guān)的3個主成分因子(PC1、PC2、PC3)，累積貢獻率達56.9%，可以分別解釋所有變量方差的26.0%、16.8%、14.1%；其中，主成分1和主成分2的累積貢獻率能夠解釋42.7%的變異，能夠構(gòu)成變異的主要來源，可以用來解釋變量的絕大部分信息(表3)。本研究中，不同林型土壤微生物群落對碳源利用在PC 軸上呈現(xiàn)了明顯差異(圖4)。紅皮云杉、白樺、落葉松在PC1軸上為正方向分布，得分系數(shù)為0.00～1.56；水曲柳分布在負方向上，得分系數(shù)為-0.16～0.17。在PC2 軸上，水曲柳分布在正方向上，而白樺、紅皮云杉、興安落葉松在正、負方向上都有分布。因此，PC1和PC2基本上能夠區(qū)分4種林型土壤微生物群落特征。

PCA中的因子載荷可反映不同土壤碳源利用的差異，絕對值越大，表明該基質(zhì)的影響越大，在碳源中起主要分異作用[17]。由表4可知，PC1載荷在0.5以上的有16種基質(zhì)，其中因子載荷在0.7以上的有6種，分別屬于氨基酸(3種)和羧酸(3種)；PC2載荷在0.5以上的有8種基質(zhì)，其中因子載荷在0.7以上的只有3種，分別屬于糖類(2種)和其它化合物(1種)。由此可知，PC1、PC2中因子載荷高的基質(zhì)能夠代表大部分林型間土壤微生物碳源利用的差異，其中占權(quán)重較大的基質(zhì)分別來自氨基酸、羧酸和糖類。因此，可以認為本研究中氨基酸、羧酸和糖類這3類基質(zhì)是導(dǎo)致微生物代謝呈現(xiàn)差異的碳源。

3 結(jié)論與討論

土壤微生物可作為指示森林健康狀況及生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的敏感指標(biāo)，在森林中發(fā)揮著保持水土、促進林內(nèi)養(yǎng)分循環(huán)、調(diào)節(jié)土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)換等重要的作用[18]。影響土壤微生物多樣性的因素主成分很多，包括土壤母質(zhì)、肥力水平、濕度、溫度以及根際分泌物等[11，19]；此外，林分因素也顯著地影響土壤微生物生物量及種類[20]。江玉梅等[21]認為闊葉林的土壤微生物代謝功能強于針葉純林，這可能歸因于闊葉混交林的凋落物較針葉林更易分解，在土壤中積累形成的有機質(zhì)相對較多，更有利于土壤微生物的代謝及利用[22]。本研究選擇東北地區(qū)4種針、闊葉林人工林林型，利用Biolog技術(shù)對其土壤微生物碳源利用多樣性開展研究，結(jié)果表明各土壤樣品的AWCD值均表現(xiàn)為隨著培養(yǎng)時間的增加，土壤微生物對碳源的利用量逐漸增大。4種林型土壤微生物對單一碳源利用能力由高到低依次為：紅皮云杉>白樺>興安落葉松>水曲柳，該結(jié)果與郭彥萃等[23]對涼水自然保護區(qū)人工林土壤微生物的研究一致，認為夏季時0～10 cm土層紅皮云杉土壤微生物AWCD值最高，白樺次之，而興安落葉松為最低。

表3 主成分的貢獻率和累積貢獻率

主成分分析(PCA)能夠解釋土壤微生物對6大類碳源利用能力之間的差異，本研究利用PCA方法分析4種森林類型土壤微生物群落代謝多樣性，結(jié)果表明不同林型之間土壤微生物群落代謝類型較為接近，但對碳源的代謝功能存在差異。紅皮云杉、白樺和興安落葉松主要分布在第1主成分的正方向上，水曲柳分布在第1主成分負方向；而興安落葉松在第2主成分上與紅皮云杉和白樺差異明顯。在主成分中起主要貢獻作用的是氨基酸、羧酸和糖類碳源，可以選擇其作為區(qū)分不同林型下土壤微生物碳源利用類型的依據(jù)。

多樣性指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)和均勻度指數(shù)可以表征土壤微生物群落多樣性情況，能夠反映土壤微生物結(jié)構(gòu)以及功能的差異[24]。與針葉林相比，闊葉林在森林郁閉度、林下透光率、水分狀況等方面都有著明顯的差異，一定程度上可能提高了土壤微生物群落多樣性[23]。本研究中白樺和紅皮云杉的土壤微生物比水曲柳土壤微生物多樣性特征更為豐富，然而各項指標(biāo)之間無顯著差異。江玉梅等[21]在研究4種重建森林土壤微生物的多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)時，發(fā)現(xiàn)雖然不同樹種土壤微生物量和優(yōu)勢種群變化很大，但總體群落多樣性差異不顯著。劉秉儒等[25]也認為不同植被帶土壤微生物群落結(jié)構(gòu)存在顯著差異，可能是由于土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性受到植物群落類型差異的影響，進而導(dǎo)致微生物群落功能多樣性發(fā)生相應(yīng)變化，所以土壤微生物群落功能多樣性作為重要指示因子能夠表征土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。因此，了解不同林型土壤微生物群落對碳源利用能力，對森林恢復(fù)時樹種的選擇、合理配置以及人工碳匯林的建造具有指導(dǎo)意義。

表4 31種碳源與PC1、PC2的相關(guān)系數(shù)

[1]姜煜鋆，滿秀玲，劉玉杰，等.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[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42(18)：5857-5859，5873.

[2]周碧青，陳成榕，張輝，等.不同覆被類型林地土壤微生物區(qū)系的差異性[J].福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，38(5)：542-547.

[3]姜培坤，徐秋芳，俞益武.土壤微生物量碳作為林地土壤肥力指標(biāo)[J].浙江林學(xué)院學(xué)報，2002，19(1)：17-19.

[4]胡斌，段昌群，王震洪，等.植被恢復(fù)措施對退化生態(tài)系統(tǒng)土壤酶活性及肥力的影響[J].土壤學(xué)報，2002，39(4)：604-608.

[5]孟好軍，劉賢德，金銘，等.祁連山不同森林植被類型對土壤微生物影響的研究[J].土壤通報，2007，38(6)：1127-1130.

[6]Kennedy N，Brodie E，Connolly J，et al.Impact of lime，nitrogen and plant species on bacterial community structure in grassland microcosms[J].Environmental Microbiology，2004，6(10)：1070-1080.

[7]Johnson D，Booth RE，Whiteley AS，et al.Plant community composition affects the biomass，activity and diversity of microorganisms in limestone grassland soil[J].European Journal of Soil Science，2003，54(4)：671-677.

[8]李云，孫波，李忠佩，等.不同氣候條件對旱地紅壤微生物群落代謝特征的長期影響[J].土壤，2011，43(1)：60-66.

[9]蘇平，牟長城，張彩虹.哈爾濱城市人工林木本植物的多樣性[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，35(5)：32-35.

[10]康穎，李聰，王秋玉.不同樹種純林對土壤生物學(xué)特性的影響[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2014，42(3)：93-98.

[11]李鑫，張會慧，岳冰冰，等.桑樹-大豆間作對鹽堿土碳代謝微生物多樣性的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2012，23(7)：1825-1831.

[12]鄒莉，郭靜，于洋，等.小興安嶺3闊葉紅松林土壤微生物多樣性[J].草業(yè)科學(xué)，2013，30(12)：1944-1947.

[13]田雅楠，王紅旗.Biolog法在環(huán)境微生物功能多樣性研究中的應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2011，34(3)：50-57.

[14]Classen AT，Overby ST，Hart SC，et al.Season mediates herbivore effects on litter and soil microbial abundance and activity in a semi-arid woodland[J].Plant and Soil，2007(295)：217-227.

[15]曹均，吳姬.北京9個典型板栗園土壤碳代謝微生物多樣性特征[J].生態(tài)學(xué)報，2010，30(2)：527-532.

[16]喬海莉，田呈明，駱有慶.新疆天然胡楊林土壤微生物多樣性的研究[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，29(5)：127-131.

[17]林青，曾軍，馬晶，等.新疆地震斷裂帶次生植物根際土壤微生物碳源利用[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2011，22(9)：2297-2302.

[18]鄭詩樟，肖青亮，吳蔚東，等.丘陵紅壤不同人工林型土壤微生物類群、酶活性與土壤理化性狀關(guān)系的研究[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2008，16(1)：57-61.

[19]李云，孫波，李忠佩，等.不同氣候條件對旱地紅壤微生物群落代謝特征的長期影響[J].土壤，2011，43(1)：60-66.

[20]王衛(wèi)霞，史作民，羅達，等.南亞熱帶3 種人工林土壤微生物生物量和微生物群落結(jié)構(gòu)特征[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2013，24(7)：1784-1792.

[21]江玉梅，謝晶，曹廣泮，等.江西退化紅壤人工重建森林土壤微生物碳源代謝功能研究[J].土壤學(xué)報，2014，51(1)：158-165.

[22]Graham MH，Haynes RJ.Catabolic diversity of soil microbial communities under sugarcane and other land uses estimated by Biolog and substrateinduced respiration methods[J].Applied Soil Ecology，2005，29(2)：155-164.

[23]郭彥萃，熊毅，張志.涼水自然保護區(qū)原始紅松林與人工林土壤微生物多樣性[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，41(11)：70-72.

[24]徐強，劉艷君，陶鴻.間套作玉米對線辣椒根際土壤微生物生態(tài)特征的影響[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2013，21(9)：1078-1087.

[25]劉秉儒，張秀珍，胡天華，等.賀蘭山不同海拔典型植被帶土壤微生物多樣性[J].生態(tài)學(xué)報，2013，33(22)：7211-7220.

Research on the Characteristic of Soil Carbon-metabolic Microbial Diversityfrom the Northeast Four Plantation

LIU Cheng-li，GUO Xuan-xuan，NIU Han，CHEN Zhen-bao，WU Di

(CollegeofLifeSciences，NortheastForestryUniversity，Harbin150040，Heilongjiang，China)

In this study，the Biolog assays was used to study the capability of soil microbial community from four plantation (BetulaplatyphyllaSuk.，Larixgmelinii(Rupr.) Rupr.，PiceakoraiensisandFraxinusmandshuricaRupr.) to utilize different carbon sources.The results showed that soil microbial functional diversity differed significantly from the different plantation types.BetulaplatyphyllaSuk.plantation andPiceakoraiensisplantation with the higher average well colour development (AWCD) and microbial diversity indices implied that the soil microbial community had the higher carbon source metabolism ability. Amino acids，carboxylic acid and carbohydrates were the main carbon sources with the main contribution for principal component analyses (PCA)，and possessed higher utilization efficiency and utilization intensity for different plantation types.Therefore，three carbon sources，considered as sensitive carbon sources，could cause the changes of soil microbial community.

plantation；soil microbial diversity；biolog micro plate method；sole carbon source utilization

2015-04-08；

2015-06-15

東北林業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201410225108)；中國博士后科學(xué)基金面上資助項目(2014M561314)；提高油氣采收率教育部重點實驗室開放課題(2013)

劉程麗(1993—)，女，河南新鄉(xiāng)人，東北林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院本科生，從事森林土壤微生物多樣性等方面的研究。E-mail：601682578@qq.com。

吳迪(1982—)，女，黑龍江哈爾濱人，東北林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院講師，從事土壤微生物結(jié)構(gòu)與功能等方面研究。E-mail：datou1425@126.com。

10.13428/j.cnki.fjlk.2016.01.003

S714.8；S718.8

A

1002-7351(2016)01-0014-06