海拔變化對(duì)鳳陽(yáng)山針闊混交林地土壤微生物群落的影響

孟苗婧,郭曉平,張金池,*,趙友朋,吳家森,葉立新,瞿承偉,劉勝龍

1 南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇省水土保持與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,南京 210037 2 環(huán)保部南京環(huán)境科學(xué)研究所,南京 210042 3 浙江農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,臨安 311300 4 鳳陽(yáng)山-百山祖國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)鳳陽(yáng)山管理處,龍泉 323700

土壤微生物是土壤的重要組成部分,對(duì)土壤肥力的形成和轉(zhuǎn)化起著積極作用,是土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)不可缺少的土壤生物學(xué)指標(biāo)[1- 3],同時(shí),土壤微生物群落結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是土壤生態(tài)系統(tǒng)的預(yù)警及敏感指標(biāo)之一[4],它在調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分和生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程中起著重要的作用,是植物生長(zhǎng)和維持的關(guān)鍵[5-6]。土壤細(xì)菌對(duì)土壤微生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)化作用顯著[7],土壤真菌及放線菌可以在土壤顆粒間形成菌絲橋[8],從而影響土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)[9]。真菌主導(dǎo)的土壤微生物類群對(duì)改善土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性比細(xì)菌更加重要[10],因此土壤真菌與細(xì)菌的相對(duì)豐度也對(duì)土壤生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展有著作用[11]。

然而,微生物類群對(duì)植被及生境的選擇有明顯的對(duì)應(yīng)性[12],所以群落的組成和多樣性在很大程度上受土壤環(huán)境條件,特別是土壤理化因子的影響[13-14]。森林土壤的養(yǎng)分積累和平衡狀況存在差異[15],其空間變異主要受海拔、地形、植被等因素的影響[16-17]。海拔梯度是檢驗(yàn)地球物理影響下植物群落生態(tài)進(jìn)化反應(yīng)的最有力的“自然實(shí)驗(yàn)”[18]。海拔梯度的變化意味著短距離內(nèi)氣候因子的急劇變化[19],如溫度,降水等[20]。近年來(lái)溫室效應(yīng)加劇,高海拔地區(qū)的生態(tài)環(huán)境也隨之改變[21],研究典型植被類型對(duì)海拔變化的響應(yīng)可以解釋植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)[22],研究微生物多樣性對(duì)海拔梯度的響應(yīng)也為幫助我們更好的理解微生物對(duì)氣候變化的響應(yīng)[23]。

鳳陽(yáng)山自然保護(hù)區(qū)是森林生態(tài)類型自然保護(hù)區(qū),原始植被類型為亞熱帶常綠闊葉林[24],這也是亞洲東部的主要自然植被類型之一[25]。20世紀(jì)60—70年代,鳳陽(yáng)山自然保護(hù)區(qū)進(jìn)行了間伐等措施,對(duì)森林進(jìn)行管理。后又補(bǔ)植了黃山松、杉木、柳杉等針葉樹種,形成了了杉木純林、柳杉純林、竹林及針闊混交林等植被類型[26]。作為我國(guó)東部亞熱帶山地有代表性的針葉樹種之一[27],黃山松在高山植被恢復(fù)、固碳、水源涵養(yǎng)及應(yīng)對(duì)全球氣候變化方面比其他松科植物更為重要的價(jià)值[28]。黃山松為重要組成樹種的黃山松闊葉混交林主要分布在800—1800 m,有關(guān)黃山松的研究較少,且多集中在黃山松的分類、群落、生長(zhǎng)特性及遺傳分化等方面[29- 32],但有關(guān)黃山松為重要組成部分的高海拔針闊混交林對(duì)氣候變化的響應(yīng)研究仍有欠缺。磷脂脂肪酸(PLFA) 技術(shù)作為一類較為常見并且快捷、準(zhǔn)確的微生物生物標(biāo)記法[33],目前已在國(guó)內(nèi)外土壤微生物群落組成和種群變化方面得到廣泛應(yīng)用。本文主要利用PLFA方法研究了鳳陽(yáng)山不同海拔黃山松林土壤微生物群落結(jié)構(gòu),為黃山松的利用、保護(hù)及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于浙江省龍泉市南部鳳陽(yáng)山—百山祖國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)(119°06′—119°15′E,27°46′—27°58′N),保護(hù)區(qū)現(xiàn)有管理面積15171 hm2,鳳陽(yáng)山保護(hù)區(qū)主峰為黃茅尖,海拔1929 m,是江浙第一高峰。保護(hù)區(qū)所處位置屬中亞熱帶溫暖濕潤(rùn)氣候區(qū),年均降水量達(dá)2400 mm,年均氣溫12.3℃,四季分明,雨量充沛。保護(hù)區(qū)內(nèi)森林植被類型豐富,有11個(gè)植被類型,其中主要植被型有5個(gè),分別為針葉林(800—1600 m)、針闊混交林(1200—1800 m)、常綠落葉闊葉混交林(1200—1650 m)、常綠闊葉林(1300—1700 m)、山頂矮曲林(1400 m以上)。以黃山松(Pinustaiwanensis)為重要建群種的黃山松闊葉混交林是保護(hù)區(qū)內(nèi)針闊混交林中的典型群系,分布在海拔800—1800 m,其中闊葉樹種主要為木荷 (Schimasuperba)、青岡(Cyclobalanopsisglauca)、柃木(Euryajaponica)等。

1.2 樣品采集

選取鳳陽(yáng)山主峰黃茅尖海拔800—1800 m范圍內(nèi)的黃山松針闊混交林為研究對(duì)象。2016年8月,在此范圍內(nèi)設(shè)置5個(gè)海拔梯度(900、1100、1300、1500、1700 m),在每個(gè)海拔梯度的陽(yáng)坡內(nèi)選取排水較好、坡度較緩、長(zhǎng)勢(shì)適中的3個(gè)樣方,每個(gè)樣方20 m×20 m。由于海拔差異較大,黃山松針闊混交林內(nèi)闊葉林組成不同,因此我們?cè)诿總€(gè)樣方內(nèi)用蛇形法設(shè)置5個(gè)樣點(diǎn),取樣時(shí)將土壤表面枯落物和腐殖質(zhì)層移開,采集表層(0—20 cm土層)的土壤樣品500 g,然后將5個(gè)樣點(diǎn)所采集的土壤進(jìn)行混合,作為該樣地的土壤樣品,并用密封袋密封之后,放入冰盒帶回實(shí)驗(yàn)室。土樣過(guò)2 mm篩后,分為兩份,一份風(fēng)干進(jìn)行土壤養(yǎng)分等的測(cè)定,另一份放入-20℃冰箱待測(cè)。樣地基本特征見表1。

表1 樣地林分基本特征

1.3 測(cè)定方法

土壤理化性質(zhì)測(cè)定：土壤pH采用pH計(jì)測(cè)定(水土比2.5∶1);土壤容重及含水量用環(huán)刀取樣后稱量法測(cè)定[34];土壤有效磷含量采用鉬銻抗比色法測(cè)定,土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定[35];總氮、總磷采用流動(dòng)分析儀測(cè)定(Bran+Luebbe); 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性采用磷脂脂肪酸方法(PLFA)[36],采用修正的Bligh-Dyer 方法進(jìn)行脂類提取和磷脂脂肪酸分析：土樣用體積比為1∶2∶0.8的氯仿∶甲醇∶檸檬酸緩沖液振蕩提取總脂類,然后經(jīng)SPE硅膠柱分離得到磷脂脂肪酸,將得到的磷脂脂肪酸進(jìn)行堿性甲酯化,用Agilent 6890N 氣相色譜儀分析PLFA的成分,內(nèi)標(biāo)為正十九烷酸甲酯(19:0)[37]。

本研究選取了6種指標(biāo),其中表征的磷脂脂肪酸如下：革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌(13:0iso,15:0iso,15:0anteiso,16:0iso,17:0iso,17:0anteiso,18:0iso);革蘭氏陰性細(xì)菌(10:0 2OH,16：1ω9c,16:1ω7c,17:1ω7c,17:1ω8c,17:1ω9c,16:0 2OH,18:1ω7c,18:1ω5c);放線菌(16:0 10-methyl,18:010-methyl);厭氧菌(17:0 ω7c,19:0cycloω9c,19:0cycloω7c);16:1ω5c;SEM真菌(18:2ω6c,18:1ω9c)。由于16:1ω5c被發(fā)現(xiàn)在G-和AM fungi中同時(shí)存在,且所占比重較大。同時(shí),16:1ω5c是表征AM fungi的一個(gè)重要的磷脂脂肪酸。因此,本研究選取16:1ω5c作為一個(gè)獨(dú)立的指標(biāo)來(lái)表征微生物的數(shù)量[24]。本文中我們用磷脂脂肪酸的相對(duì)豐度分析反映微生物群落組成[38]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

土壤理化性質(zhì)及微生物群落的相對(duì)豐度(革蘭氏菌、革蘭氏細(xì)菌、放線菌、厭氧菌、16:1ω5C和SEM真菌)在各海拔梯度之間的差異,使用單向方差分析(ANOVA)和最小顯著性差異(LSD)分析,數(shù)據(jù)不滿足正態(tài)分布時(shí),采用K檢驗(yàn)。土壤理化性質(zhì)與土壤微生物群落結(jié)構(gòu)之間的差異采用非度量多維標(biāo)度(NMDS),所用分析使用R語(yǔ)言進(jìn)行(“vagan”軟件包)[39]。

2 結(jié)果與分析

2.1 海拔變化對(duì)黃山松林地土壤理化性質(zhì)的影響

隨海拔升高,土壤理化性質(zhì)出現(xiàn)了顯著變化(表2)。土壤pH值、容重及土壤含水量無(wú)明顯的變化規(guī)律,但在各海拔之間有顯著性差異(P<0.05)。土壤有機(jī)碳、總氮、總磷及有效磷含量在中海拔(1100—1500 m)處較高,在海拔1700 m處均顯著降低(P<0.05)。但各指標(biāo)最大值并不出現(xiàn)在同一海拔高度。

表2 土壤理化性質(zhì)

TOC：total organic carbon; TN: total nitrogen; TP: total phosphorus; AP: available phosphorus,同列不同字母表示差異顯著P<0.05,n=3

2.2 海拔變化對(duì)黃山松林地土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

隨海拔變化,黃山松闊葉林土壤微生物各群落均顯示出一定差異(圖1)。高海拔處(1300—1700 m)革蘭氏陰性細(xì)菌豐度顯著低于低海拔 (900—1100 m,P<0.05,圖1),而相對(duì)豐度最高的革蘭氏陰性細(xì)菌則表現(xiàn)出相反的特征,高海拔處 (1500—1700 m) 相對(duì)豐度顯著高于其他海拔 (P<0.05,圖1)。1500 m海拔的放線菌和豐度顯著低于其他海拔 (P<0.05),其中900 m處的豐度值最高(圖1)。厭氧菌相對(duì)豐度同樣在1500 m處最低,但只顯著低于1100 m和1300 m處的豐度值(圖1)。16：1ω5c和真菌的相對(duì)豐度則是隨著海拔先升高后下降,在1300 m海拔處達(dá)到最高值。

圖1 5個(gè)海拔梯度不同微生物類群的相對(duì)豐度Fig.1 Relative abundance of different microbial groups at different elevations不同字母表示P<0.05時(shí)差異顯著

圖2 土壤微生物群落豐度的非度量多維尺度分析 Fig.2 Nonmetric multidimensional scaling analysis (NMDS) showing the overall composition of microbial communities

非度量多維標(biāo)度(NMDS)排序結(jié)果顯示(圖2)。從整個(gè)NMDS排序圖中(圖2)可以看出5個(gè)海拔梯度針闊混交林地土壤微生物群落結(jié)構(gòu)被劃分為3個(gè)類群,即海拔900、1100 m為主的較低海拔土壤微生物群落類群;海拔1300 m的中海拔土壤微生物群落類群及以海拔1500、1700 m為主的高海拔土壤微生物群落類群。從空間角度來(lái)看,地理空間上相近的樣點(diǎn)聚為一類。

對(duì)各海拔梯度樣點(diǎn)在NMDS 兩軸上得分進(jìn)行分析(表3)。沿NMDS 1 軸,海拔900、1100、1300 m與海拔1500、1700 m處得分有顯著差異(P<0.05)。而海拔1300 m處得分則與海拔900、1500、1700 m處沿NMDS 2軸有顯著差異(P<0.05)。

2.3 土壤微生物群落組成與土壤理化性質(zhì)間的關(guān)系

對(duì)各海拔針闊混交林土壤微生物群落組成與土壤因子漸進(jìn)進(jìn)行冗余分析(RDA),RDA軸1和軸2能共同解釋所有變量的71.3%,模擬效果較好(圖3)。冗余分析中,向量的長(zhǎng)度與該因子的重要性成正比;土壤理化性質(zhì)向量與微生物對(duì)碳源的利用向量之間的夾角余弦值表示他們之間的相關(guān)系數(shù)[40]。結(jié)果表明,土壤微生物群落結(jié)構(gòu)組成與土壤理化性質(zhì)之間相關(guān)性較好。土壤革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌與放線菌正相關(guān);土壤厭氧菌與革蘭氏陰性細(xì)菌豐度負(fù)相關(guān)。土壤pH值、有機(jī)碳含量與總氮含量顯著正相關(guān);但是這些因子與容重和總磷含量負(fù)相關(guān);土壤有效磷含量與含水量之間存在顯著正相關(guān);海拔高度的變化影響了土壤環(huán)境因子的變化。土壤微生物群落組成中,放線菌、革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌、革蘭氏陰性細(xì)菌及厭氧菌受土壤環(huán)境因子的影響較大。海拔高度的變化主要影響土壤放線菌及革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌豐度,與其顯著負(fù)相關(guān),此外還與革蘭氏陰性細(xì)菌正相關(guān),對(duì)其他微生物群落豐度的影響較小。

表3 各海拔梯度樣點(diǎn)在NMDS軸上的得分

圖3 不同海拔針闊混交林地土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與土壤因子分冗余分析Fig.3 Redundancy analysis (RDA) between soil microbial community and soil properties

3 討論

海拔高度的變化通常會(huì)在較短的地理距離內(nèi)引起氣候環(huán)境因子的變化及物質(zhì)周轉(zhuǎn)的劇烈變化[19]。土壤微生物群落結(jié)構(gòu)作為土壤生態(tài)系統(tǒng)中較為敏感的指標(biāo),對(duì)周圍環(huán)境的變化會(huì)產(chǎn)生極為迅速的響應(yīng)。本文研究發(fā)現(xiàn),隨海拔的升高,鳳陽(yáng)山針闊混交林地土壤微生物群落組成也發(fā)生了變化。

通過(guò)NMDS降維分析,將5個(gè)海拔梯度的微生物群落組成分為3個(gè)類型類群。海拔900 m及1100 m處,土壤微生物群落中,革蘭氏陽(yáng)性菌、放線菌及厭氧菌豐度較高;海拔1500 m及1700 m處,土壤革蘭氏陽(yáng)性菌豐度顯著高于其他海拔;海拔1300 m處則擁有較低的細(xì)菌豐度。僅從土壤微生物群落組成的海拔效應(yīng)上看,海拔變化主要影響土壤細(xì)菌及放線菌豐度的變化,對(duì)其他微生物群落影響較小。朱文杰研究了太白山北坡土壤放線菌的垂直分布,發(fā)現(xiàn)海拔800—1845 m范圍內(nèi),土壤放線菌 最高含量出現(xiàn)在1845 m,這與本文的研究結(jié)果相似[41]。土壤革蘭氏陽(yáng)性與陰性細(xì)菌變化趨勢(shì)相反,隨海拔升高,革蘭氏陽(yáng)性與陰性細(xì)菌的相對(duì)豐度分別呈現(xiàn)下降和升高趨勢(shì),革蘭氏陰性細(xì)菌對(duì)高海拔環(huán)境的適應(yīng)更有優(yōu)勢(shì)[42]。

作為土壤生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分,土壤微生物直接參與森林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化,同時(shí)對(duì)穩(wěn)定團(tuán)粒結(jié)構(gòu)等方面也有明顯作用[43]。土壤微生物種類、群落結(jié)構(gòu)、生物量等受氣候環(huán)境、植被群落結(jié)構(gòu)及土壤性質(zhì)等環(huán)境因子的影響。根據(jù)RDA分析的結(jié)果,海拔變化引起的土壤性質(zhì)的變化一定程度上導(dǎo)致了土壤微生物群落的變化[44],由于森林土壤的異質(zhì)性及植被類型的差異,各土壤因子對(duì)微生物群落的影響不同[45-46]。土壤性質(zhì)對(duì)不同土壤微生物類群的作用不同[47]：土壤革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌與放線菌豐度幾乎受到所有土壤因子的影響,這說(shuō)明影響它們豐度的因素較復(fù)雜;土壤革蘭氏陰性細(xì)菌豐度則主要受到土壤容重、含水量及土壤有效磷含量的影響,其中容重為負(fù)相關(guān),含水量及有效磷含量為正相關(guān)。許多研究都證明土壤N,P含量是影響土壤微生物群落的重要因素[48],但是在不同的研究區(qū)域影響效果有所差異。良好的土壤物理性質(zhì),也對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的豐富作用顯著[49]。土壤微生物群落結(jié)構(gòu)受土壤性質(zhì)的影響,大都是多個(gè)因子的綜合作用結(jié)果[50]。

植物群落組成也顯著影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)組成。一方面,大量研究探討了植物群落結(jié)構(gòu)多樣性與土壤微生物群落組成及豐度之間的相互關(guān)系,發(fā)現(xiàn)較高的植物群落結(jié)構(gòu)多樣性多伴隨著大的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性[14]。另一方面,有學(xué)者認(rèn)為每種植物對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)都是不同的,植物通過(guò)根系形態(tài)、分泌物及枯落物的分解影響著土壤微生物群落結(jié)構(gòu)組成[51]。這些觀點(diǎn)都說(shuō)明植物群落組成是影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的重要因素。海拔變化后,針闊混交林內(nèi)部植物種類及組成均發(fā)生改變,這種差異及其引起土壤環(huán)境差異也是土壤微生物群落結(jié)構(gòu)不同的重要因素[52-53]。

本研究利用磷脂脂肪酸(PLFA)技術(shù)測(cè)定土壤微生物群落組成,因?yàn)樗梢灾苯犹崛≡煌寥赖腜LFA,但是該方法的準(zhǔn)確性對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求較高,同時(shí)無(wú)法區(qū)分植物體與土壤的PLFA,因此利用分子生物學(xué)技術(shù)深入探討土壤微生物群落多樣性或許是我們進(jìn)一步研究方向。

4 結(jié)論

風(fēng)陽(yáng)山不同海拔梯度土壤理化性質(zhì)及土壤微生物群落組成均有差異。隨海拔升高,土壤養(yǎng)分含量大致呈現(xiàn)先升高后降低的變化特征,在海拔1100—1500 m范圍內(nèi)養(yǎng)分含量較高。土壤pH值及容重分別與海拔高度呈正、負(fù)相關(guān)關(guān)系。土壤微生物群落組成中,土壤革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌、革蘭氏陰性細(xì)菌及放線菌豐度與海拔高度的變化相關(guān)關(guān)系顯著,其他類群的土壤微生物豐度與海拔的相關(guān)性較弱。

土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤微生物群落豐度有一定的影響,土壤革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌及放線菌豐度收土壤理化性質(zhì)各因子的綜合影響,革蘭氏陰性細(xì)菌豐度則主要受到土壤含水量及有效磷含量的關(guān)系密切。