落葉松人工林林地土壤微生物邊緣效應(yīng)研究

徐輝，屈惠蕾，孟春

(東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040)

落葉松人工林林地土壤微生物邊緣效應(yīng)研究

徐輝，屈惠蕾，孟春*

(東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040)

采用稀釋倒平板法和氯仿熏蒸法，以東北林業(yè)大學(xué)哈爾濱實驗林場落葉松林人工地0～80 cm土層范圍為研究對象，研究落葉松人工林土壤微生物邊緣效應(yīng)特征及邊緣效應(yīng)的主要影響因子，結(jié)果表明：①土壤微生物數(shù)量及生物量碳均隨土壤深度加深呈指數(shù)減少，80%左右的微生物數(shù)量和生物量碳存在于地表至地表下40 cm的土層中。土壤微生物存在邊緣效應(yīng)。生態(tài)交錯帶下限可以采用積分的方式求得。②土壤微生物數(shù)量以及生物量碳的垂直分布與土壤全C、全N、孔隙度呈顯著正相關(guān)。在全C、全N不成為限制因素時，土壤孔隙度是影響土壤微生物邊緣效應(yīng)的關(guān)鍵因素。

落葉松人工林；土壤微生物；邊緣效應(yīng)

0 引言

土壤微生物在土壤剖面上存在明顯的垂直分異[1]，通常土壤表層的微生物數(shù)量和生物量碳較多，且其隨土層深度的增加而減少[2-3]，至1 m深處減少約20倍。

土壤微生物在土壤垂直剖面上的這種分布特征可以從土壤的物理結(jié)構(gòu)及其與大氣相接處的界面來分析。

從物理結(jié)構(gòu)上看，土壤由固、液和氣三項物質(zhì)組成，其存在的狀態(tài)和容積比例，對土壤生態(tài)學(xué)過程起著重要的作用。尤其是土壤的孔隙體系，它不僅是土粒相互作用形成的支架產(chǎn)物、水分存在的空間、生物棲息之地，而且由于土壤孔隙在垂直空間的分異性造成了土壤與大氣相接的界面實際上是土、氣交錯帶，并由此導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)、土壤生物在表層土壤與底層土壤間存在很大的變異，或者說，影響了土壤微生物的結(jié)構(gòu)和功能，因此，在土壤和大氣間存在著生態(tài)交錯地帶，并由此產(chǎn)生交錯帶的特殊功能。由此，引入“邊緣效應(yīng)”一詞來表征土壤微生物在土氣交錯地帶的特殊功能，即在土氣生態(tài)交錯地帶，土壤微生物存在“邊緣效應(yīng)”，邊緣效應(yīng)決定了土壤微生物的多樣性和微生物量、土壤微生物活性，而邊緣效應(yīng)的產(chǎn)生決定于土壤因子和近地表氣候因子(圖1)。

落葉松是北方重要的速生樹種，而近年來落葉松人工林地出現(xiàn)衰退現(xiàn)象比較嚴(yán)重，本實驗以落葉松人工林為研究對象，主要的研究目的：①以落葉松人工林林地土壤微生物為特例，研究其邊緣效應(yīng)特征；②通過土壤微生物數(shù)量和生物量碳與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析，探討影響土壤微生物邊緣效應(yīng)的主要影響因子。從而為落葉松人工林地的生產(chǎn)經(jīng)營和管理提供生物學(xué)上的依據(jù)。

圖1 土壤微生物邊緣效應(yīng)示意簡圖Fig.1 Schematic diagram of soil microbial edge effect

1 材料與方法

1.1 試驗土樣采集

土壤取自于東北林業(yè)大學(xué)哈爾濱試驗林場落葉松人工林地。林分狀況和土壤理化性質(zhì)詳見參考文獻(xiàn)[4]和[5]。

采用Z型5點取樣法，于林中選取3個樣方(10 m×10 m)。2015年6月、8月和10月，分別在每個樣方內(nèi)挖掘1個土壤剖面，深至80 cm。在土壤剖面上每10 cm分一層取土。土樣有2種取法：①取三個剖面相同土層內(nèi)的土壤均勻的混合后分為三份，一份用來測微生物數(shù)量，一份用來測定微生物生物量碳，另一份供測定土壤營養(yǎng)元素。②用環(huán)刀(直徑50.46 mm×高50 mm)在每個剖面各層取樣1個，供測定孔隙度和容重使用。

1.2 分析方法

土壤細(xì)菌用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基培養(yǎng)，土壤放線菌用高氏1號培養(yǎng)基培養(yǎng)，土壤真菌采用馬丁(Martin)氏孟加拉紅瓊脂培養(yǎng)基培養(yǎng)[6]。采用稀釋倒平板計數(shù)法測定和計算可培養(yǎng)微生物的數(shù)量[7]并且每個稀釋度進(jìn)行三次重復(fù)試驗[8]

土壤微生物菌落數(shù)=平均每皿菌落數(shù)×稀釋倍數(shù)/干土質(zhì)量(cfu/g干土)。

土壤生物量碳采用氯仿(CHCl3)熏蒸浸提法[9]測定，每層土壤生物量碳測定進(jìn)行三次重復(fù)試驗。

土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)=(v0-v1)×c×3×ts×1 000/m

土壤生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)=2.64×Ec。

式中：v0為滴定空白所消耗的FeSO4溶液體積mL；v1為滴定土壤浸提液消耗的FeSO4溶液體積mL；c為FeSO4溶液的濃度mol/L；ts為稀釋倍數(shù)；m為烘干土質(zhì)量g；Ec為不熏蒸與熏蒸土壤有機(jī)碳的差值[10]。

土壤容重、孔隙度采用環(huán)刀法測定，采用半微量凱氏法測定土壤全N，采用火焰光度法測定土壤全K，采用氫氧化鈉-鉬銻抗比色法測定土壤全P，土壤pH值采用水浸電位法測定，全C采用水合熱法測定[4-5]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

實驗測得數(shù)據(jù)利用Excel、SPSS19.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析，繪制微生物數(shù)量和生物量碳的誤差條形圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 落葉松林地土壤微生物數(shù)量不同月份垂直分布

6月、8月和10月土壤微生物總數(shù)變化范圍分別是0.70×106～15.46×106、1.55×106～39.09×106、0.55×106～10.59×106cfu/g干土，其中，6月、8月和10月細(xì)菌變化范圍分別是0.68×106～15.29×106、1.53×106～38.89×106、0.53×106～10.42×106cfu/g干土，真菌變化范圍分別是0.46×104～5.87×104、0.72×104～9.42×104、0.38×104～3.49×104cfu/g干土，放線菌變化范圍分別是1.76×104～16.52×104、1.08×106～10.51×106、1.15×104～13.64×104cfu/g干土(如圖2所示)。

注：細(xì)菌(×106)；真菌(×104)；放線菌(×104)。圖2 土壤微生物數(shù)量垂直分布圖Fig.2 Vertical distribution of soil microbial quantity

對不同地區(qū)、不同起源的落葉松林地土壤微生物數(shù)量的諸多研究表明，土壤微生物數(shù)量隨土壤深度增加而減少[11]，本研究也有相同的實驗結(jié)果，即6月、8月和10月土壤微生物中，細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量均呈現(xiàn)出隨土壤深度增加而逐漸減少的趨勢(圖2)，微生物總數(shù)量及3種微生物數(shù)量隨土壤深度均呈指數(shù)變化，其相關(guān)系數(shù)(R2)分別達(dá)到0.895～0.988(表1)。

表1 落葉松土壤微生物數(shù)量、生物量碳(y)與土壤深度(x)相關(guān)模型

細(xì)菌、真菌和放線菌主要集中在0～30 cm范圍的土層內(nèi)。在0～30 cm的土層內(nèi)，6月微生物總數(shù)量占整個剖面(0～80 cm)微生物總量的78.04%，在此范圍內(nèi)的細(xì)菌占細(xì)菌總數(shù)的80.36%，真菌占真菌總數(shù)的61.25%，放線菌占放線菌總數(shù)的64.43%；8月微生物總數(shù)量占整個剖面深度(0～80 cm)微生物總量的77.66%，這范圍內(nèi)的細(xì)菌占細(xì)菌總數(shù)的77.78%，真菌占真菌總數(shù)的63.24%，放線菌占放線菌總數(shù)的66.23%；10月3種微生物數(shù)量占微生物總量的72.33%，此范圍內(nèi)的細(xì)菌占細(xì)菌總數(shù)的72.51%，真菌占真菌總數(shù)的62.33%，放線菌占放線菌總數(shù)的64.09%。有學(xué)者講土壤表層微生物含量高的原因歸咎于地表水熱、通氣良好，積聚了大量的枯枝落葉，營養(yǎng)充分，為微生物提供良好的生長繁殖環(huán)境[12]

在同一的土層中，6月、8月和10月細(xì)菌占微生物總數(shù)量分別為96.55%～98.66%、98.32%～99.52%和96.36%～98.39%；真菌占微生物總數(shù)分別為0.34%～1.44%、0.24%～0.87%和0.31%～0.69%；放線菌占微生物總數(shù)分別為1.00%～2.48%、0.26%～0.84%和1.28%～2.95%。各月份各土層中，細(xì)菌數(shù)量占據(jù)絕對優(yōu)勢，真菌和放線菌的數(shù)量相對較少，總體表現(xiàn)為細(xì)菌>放線菌>真菌。這與于洋等人[13]河北省木蘭圍場華北落葉松人工林林緣樣地的土壤微生物的研究結(jié)果相同。

2.2 落葉松林地土壤生物量碳不同月份垂直分布

6月、8月和10月土壤生物量碳變化范圍分別是19.09～286.86、18.32～430.15 、15.14～317.03 mg/kg(如圖3所示)，其月際變化趨勢類似于邸雪瑩等人興安落葉松林土壤生物量碳的月際變化[14]。土壤生物量碳隨土壤深度增加呈指數(shù)變化，其相關(guān)系數(shù)(R2)分別達(dá)到0.988、0.980和0.983(表1)。土壤表層10 cm范圍內(nèi)土壤生物量碳含量最大，6月、8月和10月分別為286.86、430.15 、317.03 mg/kg，此組數(shù)值均低于楊凱等人[15]寧東部地區(qū)40年生落葉松人工林林地各季節(jié)土壤表層(0～5 cm)生物量碳的含量。70～80 cm處土壤生物量碳含量最小，6月、8月和10月分別為19.09、18.32 、15.14 mg/kg。土壤生物量碳主要集中在0～40 cm范圍內(nèi)，在此范圍內(nèi)，6月、8月和10月土壤生物量碳分別占總量的82.36%、88.29%和87.27%。

圖3 土壤生物量碳垂直分布圖Fig.3 Vertical distribution of soil biomass carbon

2.3 落葉松林地土壤微生物數(shù)量、微生物碳與土壤理化性質(zhì)相關(guān)性分析

對土壤微生物數(shù)量和生物量碳與土壤理化性質(zhì)之間進(jìn)行偏相關(guān)分析。結(jié)果顯示(表2)，微生物總數(shù)量及3種微生物數(shù)量與全C、孔隙度呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)(P<0.01)；與全N在8月和10月呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)(P<0.01)，在6月表現(xiàn)顯著正相關(guān)(P<0.05)；與全P在8月和10月呈現(xiàn)顯著正相關(guān)性(P<0.05)，在6月呈現(xiàn)相關(guān)性略差(P<0.05)；與全K在6月和8月兩月份內(nèi)呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)(P<0.01或P<0.05)，在10月相關(guān)性略差(P<0.05)；與容重呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)；微生物總數(shù)量和放線菌與土壤pH值僅在10月表現(xiàn)為顯著相關(guān)(P<0.05)，其他月份均不顯著(P<0.05)。生物量碳與全C、全P、全N、全K、孔隙度呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)(P<0.01)；與土壤pH值在6月和8月表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，在10月則表現(xiàn)為正相關(guān)，相關(guān)性均不顯著(P<0.05)。這一結(jié)果與邸雪瑩等人[14]研究結(jié)果有相同或相似之處。

由此可見，土壤微生物數(shù)量垂直分布受環(huán)境因子的影響，隨深度的變化，全C、全N、全K、孔隙度和容重起到主要的影響作用，土壤生物量碳垂直分布同樣受環(huán)境因子的影響，其中全C、全N、全K、孔隙度起主要影響作用。

表2 土壤里化特性與微生物指標(biāo)的偏相關(guān)性系數(shù)

注：**P<0.01，*P<0.05。

3 討論

3.1 土壤微生物隨深度變化趨勢分析

Scheibe A認(rèn)為[16]，樹種多樣性不影響土壤微生物群落，拓展至不同植被覆蓋情況，美國黑松林[17]微生物的研究均呈現(xiàn)出隨土壤深度呈指數(shù)減少的現(xiàn)象。本文的研究也有相同的結(jié)論，不論微生物總數(shù)量還是3種微生物分類計，均出現(xiàn)隨土壤深度增加指數(shù)減少的現(xiàn)象。在0～30 cm包含了微生物總量的72.33%～78.04%，在這個層次內(nèi)，細(xì)菌、真菌和放線菌占各自總量的百分比介于61.25%～80.33%，其中，細(xì)菌所占比例最高，真菌所占比例最低。生物量碳也表現(xiàn)出了同樣的變化趨勢，在0～40 cm土層內(nèi)，生物量碳占總量82.36%～88.29%。在這里，將土壤微生物沿垂直方向上的這種分布特點，稱之為土壤微生物的邊緣效應(yīng)。

邊緣效應(yīng)產(chǎn)生于生態(tài)交錯帶內(nèi)，生態(tài)交錯帶的大小可根據(jù)生態(tài)交錯帶內(nèi)微生物占土壤微生物總數(shù)的百分比求得，即，構(gòu)造一個指數(shù)函數(shù)來表示土壤微生物含量隨土壤深度變化的情況。

y=aebx。

(1)

式中：y為微生物數(shù)量或生物量碳；x為土壤深度，x

對公式(1)積分，得

(2)

由于土壤微生物是在一定厚度單位土壤內(nèi)存在，而在地表處不存在微生物數(shù)量或生物碳量的問題，所以，上限取值為x1，且x1<0。

(3)

在本文中，x1=-10 cm，λ=0.8，將表1中相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式(3)，得到土壤微生物生態(tài)交錯帶下限為地表下42.287～50.983 cm(表1)。此組數(shù)值略大于-40 cm深度。

3.2 土壤微生物隨深度變化影響因素分析

土壤微生物隨土壤深度不同的變化與土壤全碳和全氮表現(xiàn)出了極顯著或顯著相關(guān)性，而其他微量元素對土壤微生物變化的影響不如全碳和全氮的顯著性高。但是，對該林地土壤全碳、全氮、全磷和全鉀的研究表明，這4種土樣元素隨著深度的變化并沒有一致的變化趨勢，而且在不同深度方向上也未達(dá)到差異顯著性[4-5]。因此，全碳和全氮對土壤微生物隨土壤深度變化影響的極顯著或顯著相關(guān)性，只是表明在土壤中碳、氮含量未成為限制因素時，這兩種元素含量對土壤微生物具有重要作用，是構(gòu)成土壤微生物生命體的基本物質(zhì)。

土壤pH值對于土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)的影響是相當(dāng)復(fù)雜的[18]，因此，pH值與土壤微生物在深度方向上變化的相關(guān)性表現(xiàn)出了不確定性。同樣，磷、鉀2種微量元素與土壤微生物在深度方向上變化的相關(guān)性也表現(xiàn)出了不確定性。

土壤孔隙度是反映土壤結(jié)構(gòu)指標(biāo)之一，孔隙度的大小不僅影響到微生物能否進(jìn)入土體內(nèi)及其數(shù)量的多少[19]，還影響到土體中氧氣分維數(shù)的高低。研究表明，土壤孔隙度雖然不存在深度上的差異顯著性，但卻有隨土壤深度的增加而逐漸變小的變化趨勢[4]，這種變化趨勢使得越接近地表的土壤里氧氣分維數(shù)越高。微生物是多數(shù)為好氧型的，通氣良好對于細(xì)菌的生活與繁殖也是極為有利的[20-22]。，因此，單因素及多因素分析結(jié)果均表現(xiàn)出土壤微生物隨土壤深度的變化與土壤孔隙度呈顯著正相關(guān)，土壤孔隙度對土壤微生物隨土壤深度變化的具有決定性的作用。

4 結(jié)論

落葉松林地土壤微生物隨土壤深度呈指數(shù)減少，80%左右的微生物存在于地表至地表下40 cm的土層中，落葉松林地土壤微生物存在較強(qiáng)的邊緣效應(yīng)，其生態(tài)交錯帶下限可以采用積分的方式求得。

土壤全碳和全氮是構(gòu)成微生物生命體的兩種基本物質(zhì)，在碳、氮不成為限制因素時，土壤孔隙度變化對土壤微生物隨土壤深度的變化起著決定性作用。

[1]楊林章，徐棋.土壤生態(tài)系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[2]范瑞英，楊小燕，王恩姮，等.未干擾黑土土壤微生物群落垂直分布特征[J].土壤通報，2014，45(2)：389-393.

[3]Stanislav M，Premysl F，Dusan R，et al.The relationships among microbial parameters and the rate of organicmatter mineralization in forest soils，as influenced by forest type[J].Pedobiologia，2014，57：235-244.

[4]孟春，羅京，趙淑蘋，等.兩種人工林土壤物理性質(zhì)時空變異性[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012，40(11)：102-106.

[5]孟春，羅京，龐鳳艷.落葉松人工林主要營養(yǎng)元素時空變異[J].森林工程，2013，29(3)：33-38.

[6]許光輝，鄭洪元.土壤微生物分析方法手冊[M].北京：農(nóng)業(yè)出版社，1986.

[7]林先貴.土壤微生物研究原理與方法[M].北京：高等教育出版社，2010.

[8]李阜棣，喻子牛，何紹江.農(nóng)業(yè)微生物學(xué)實驗技術(shù)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，1996.

[9]Benizri E，Amiaud B.Relation between plants and soil microbial communities in fertilized grassland[J].Soil Biology & Biochemistry，2005，37(11)：2055-2064.

[10]姚槐應(yīng)，黃昌勇.土壤微生物生態(tài)學(xué)及其實驗技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[11]姜海燕，閆偉.大興安嶺興安落葉松林土壤微生物分布特征[J].浙江林學(xué)院學(xué)報，2010，27(2)：228-232.

[12]吳則焰，林文雄，陳志芳，等.武夷山國家自然保護(hù)區(qū)不同植被類型土壤生物群落特征[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2013，24(8)：2301-2309.

[13]于洋，王海燕，丁國棟，等.華北落葉松人工林土壤微生物數(shù)量特征及其與土壤性質(zhì)的關(guān)系[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報2011，39(3)：76-80.

[14]邸雪穎，耿瑩瑩，孫龍.興安落葉松林土壤微生物生物量季節(jié)動態(tài)及影響因素[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012，40(5)：1-4.

[15]楊凱，朱教君，張金鑫，等.不同林齡落葉松人工林土壤微生物生物量碳氮的季節(jié)變化[J].生態(tài)學(xué)報，2009，29(10)：5500-5507.

[16]Seheibe A，Steffens C，Seven J，et al.Effects of tree identity dominate over tree diversity on the soil microbial community structure[J].Soil Biology & Biochemistry，2015，81：219-227.

[17]Hartmann M，Lee S，Hallam S J，et al.Bacterial，archaeal and eukaryal community structures throughout soil horizons of harvested and naturally disturbed forest stands[J].Environmental Microbiology，2009，11(12)：3045-3062.

[18]Fierer N，Jackson R B.The diversity and biogeography of soil bacterial communities[J].Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.，2006，103(3)：626-631.

[19]Hassink J，Bouwman L A，Zwart K B，et al.Relationship between habitable pore space soil biota and mineralization rates in grassland soil[J].Soil Biology & Biochemistry，1993，25(1)：47-55.

[20]郎惠卿，白艷，李波.小興安嶺落葉松苔草沼澤土壤微生物[J].東北師大學(xué)報自然科學(xué)版，1994(4)：77-82.

[21]高天雷，尹學(xué)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，2014，35(3)：27-31.

[22]毛波，董希斌，唐國華.誘導(dǎo)改造對大興安嶺低質(zhì)山楊林土壤肥力的影響[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2015，43(8)：50-54.

Study on soil microbial edge effect inLarixgmelini Rupr plantation

Xu Hui，Qu Huilei，Meng Chun*

(College of engineering and technology，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

The 0～80 cm soil layer of Larix gmelini Rupr plantation in Harbin experimental forest stand of northeast forestry university was taken as research object，the main influence factors of microbial characteristics and edge effect of Larix gmelinii soil was studied by dilution plate and chloroform fumigation methods.The results showed that the microbial quantity of soil and microbial biomass carbon exponentially decreased with the increase of soil depth，and about 80% of them were in 40 cm-depth soil layer under the he earth's surface.Soil microbe had edge effect.The lower limit of ecological ecotone could be determined by the method of integral.Vertical distribution of soil microbial quantity and microbial biomass carbon positively related to soil total carbon，total nitrogen，and soil porosity.Soil porosity is the key factor that affects soil microbial edge effect when carbon and nitrogen don't become the limiting factors.

Larixgmelini Rupr plantation；soil microbe；edge effect

2016-08-11

徐輝，研究生。研究方向：森林作業(yè)與環(huán)境。

*通信作者：孟春，副教授。研究方向：森林作業(yè)與環(huán)境。E-mail:504973901@qq.com

徐輝，屈惠蕾，孟春.落葉松人工林林地土壤微生物邊緣效應(yīng)研究[J].森林工程，2017，33(2)：50-55.

S 714

A

1001-005X(2017)02-0050-06