人工針闊混交林土壤微生物群落碳代謝特征1)

張萌萌 張鈺瑩 吳迪 孫廣玉

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

土壤圈是地球系統(tǒng)的組成部分，土壤微生物是土壤中最活躍的部分，是土壤中分解者的主要成分之一，在推動土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)換、能量流動和生物地化循環(huán)中起著重要作用[1]。在土壤生態(tài)系統(tǒng)中，土壤微生物在土壤形成、生態(tài)系統(tǒng)的生物地球化學(xué)循環(huán)、污染物質(zhì)的降解和維持地下水質(zhì)量等方面都具有重要作用[2-4]。

針闊混交林是指介于針葉林和落葉闊葉林兩者之間的一種過渡類型的林型。通常情況下，針闊葉混交林可以分為3大種主要類型：溫性針闊混交林、暖性針闊混交林和人工形成的針闊混交林。但是其它的任何以針葉樹與闊葉樹所形成的林地均可被稱為針闊混交林[5]。

在針闊混交林生態(tài)系統(tǒng)中，各生物種類相互制約，從某種程度上，可以控制病蟲害的大量發(fā)生。與針葉林純林相比，針闊混交林對維持森林生態(tài)系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定性有著十分重要的作用。在研究西南樺(Betulaalnoides)×紅椎(Castanopsishystrix)混交林碳貯量時發(fā)現(xiàn)，混交林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及碳固定速度均高于純林[6]；紅椎-馬尾松(Pinusmassoniana)混交林生物量高于紅椎純林，卻低于馬尾松純林[7]；杉木(Cunninghamialanceolata)混交林相關(guān)研究表明[8]，杉木與馬尾松混交提高了土壤氮素、磷素和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，杉木和毛竹(Phyllostachysheterocycla)混交會提高土壤氮素和鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)。目前，關(guān)于混交林方面的研究多集中在混交林林分生長情況[9]、混交林小氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)[10]、混交林凋落物[11]和混交林植物多樣性[12]等方面，而對針闊混交林土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及多樣性報道較少。土壤微生物作為土壤碳輸入與輸出的重要橋梁和紐帶，與土壤C、N、P等營養(yǎng)元素循環(huán)轉(zhuǎn)化的生物化學(xué)過程之間存在非常密切的關(guān)系，因此，了解針闊混交林土壤微生物碳代謝多樣性具有十分重要的意義。本研究選取帽兒山尖砬溝森林培育試驗(yàn)站1987年?duì)I建的人工針闊混交林(28 a)為研究對象，探討針闊混交林土壤微生物群落中的碳代謝微生物多樣性變化特征，為人工混交林的培育提供基礎(chǔ)資料。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)樣地設(shè)于黑龍江省尚志市境內(nèi)的東北林業(yè)大學(xué)帽兒山林場尖砬溝森林培育試驗(yàn)站(45°21′～45°25′N,127°30′～127°34′E)，低山丘陵地貌，溫帶大陸性季風(fēng)氣候，全年平均氣溫2.8 ℃，1月平均氣溫-23 ℃，7月平均氣溫20.9 ℃。全年無霜期120～140 d。全年平均降水量723 mm，蒸發(fā)量1 094 mm。地帶性土壤為暗棕壤，平均土層厚度在40 cm左右，剖面呈酸性(pH=4.3～6.0)。地帶性頂極群落為闊葉紅松林。試驗(yàn)站所在區(qū)域經(jīng)過多次破壞，形成以白樺(Betulaplatyphylla)、紅松(Pinuskoraiensis)、水曲柳(Fraxinusmandshurica)及胡桃楸(Juglansmandshurica)等為主要樹種的次生林。

選用1987年春營建的試驗(yàn)林中的5種林型，分別為紅松純林、胡桃楸純林、紅松和胡桃楸混交林、水曲柳純林、紅松和水曲柳混交林。混交方式為帶狀混交，株行距為1.5 m×1.5 m，各混交林試驗(yàn)林型之間被次生林間隔。各林分處于同一地塊，坡度平均為7°。

2 研究方法

于2014年7月進(jìn)行采樣，取上述5種林型所對應(yīng)的7種根際土壤：紅松純林根際土壤、胡桃楸純林根際土壤、胡桃楸和紅松混交林中的胡桃楸林根際土壤、胡桃楸和紅松混交林中的紅松林根際土壤、水曲柳純林根際土壤、水曲柳和紅松混交林中的水曲柳林根際土壤、水曲柳和紅松混交林中的紅松林根際土壤。在每個樣地隨機(jī)選取3個20 m×20 m的樣方，作為3次重復(fù)，運(yùn)用“10點(diǎn)”取樣法在各個樣方進(jìn)行取樣，首先去除植株表面0～5 cm的表層土壤，然后輕輕去除根系的周圍土壤，將附于根際表面的土壤用軟毛刷輕輕刷下，裝入無菌夾口袋，放于裝有冰袋的泡沫盒中保存，并帶回實(shí)驗(yàn)室，過2 mm篩后即刻進(jìn)行BiologMT試驗(yàn)。

微生物群落碳代謝功能多樣性，采用有31種碳源的生態(tài)板(Biolog-ECO)對紅松純林、胡桃楸純林、胡桃楸林(胡桃楸-紅松混交林)、紅松林(胡桃楸-紅松混交林)、水曲柳純林、水曲柳林(水曲柳-紅松混交林)、紅松林(水曲柳-紅松混交林)7種試驗(yàn)林型土壤進(jìn)行分析[13]。Biolog平板的接種液采用Classen et al.[14]的方法制備。用8通道加樣器向Biolog微平板中分別添加150 μL稀釋液。最后，放于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中，在0、24、48、72、96、120、144、168、192和240 h時用酶標(biāo)儀測定各孔在590 nm波長下的光吸收值。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[15]～[17]提供的公式計(jì)算以下指標(biāo)：

(1)平均顏色變化率(DAWC)，該指標(biāo)代表微生物的代謝強(qiáng)度，即利用單一碳源的水平。

DAWC∑(Ci-R)/31。

其中，Ci是第i個碳源孔的吸光值，R為對照孔的吸光值。

(2)多樣性指數(shù)Shannon，該指標(biāo)代表了物種的豐富度。

H=-∑Pi×ln(Pi)。

其中，Pi為第i個孔的相對吸光值與整個平板的相對吸光值總和的比率。

(3)優(yōu)勢度指數(shù)Simpson，該指標(biāo)可以評估某些最常見種的優(yōu)勢度。

D=1-∑(Pi)2。

其中，Pi為第i個孔的相對吸光值與整個平板的相對吸光值總和的比率。

(4)均勻度指數(shù)McIntosh，該指標(biāo)可以代表群落物種均勻度。

其中，ni是第i個孔的相對吸光度值。

(2)、(3)、(4)選用數(shù)據(jù)為培養(yǎng)了72 h的BiologMT板各孔吸光度值，因?yàn)榇丝處缀跛形⑸锒家堰M(jìn)入碳源代謝過程，所以此時的數(shù)據(jù)能夠全面的反映微生物群落的信息[18-19]。

采用Microsoft Excel 2013軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和作圖，通過SPSS 19.0軟件進(jìn)行主成分分析和單因素方差分析。顯著性水平定為α=0.05。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林型下根際土壤微生物利用總碳源的動力學(xué)特征

通過測定BiologMT板中每個孔的吸光度值來計(jì)算平均顏色變化率，其能夠表征待測土壤樣本中微生物群落對某一種碳源的利用情況，反映了微生物群落碳代謝生理功能。根據(jù)不同針闊葉人工林土壤微生物群落在整個培養(yǎng)周期過程中的代謝強(qiáng)度，繪制了平均顏色變化率DAWC隨時間動態(tài)變化曲線(表1)。由表1可知，在整個培養(yǎng)周期過程中，不同林型下土壤微生物群落碳源利用趨勢均為“S”型，DAWC值會隨著培養(yǎng)時間的延長而增長，最后趨于不變。DAWC值在培養(yǎng)初期(t<24 h)變化甚小，說明土壤微生物未適應(yīng)當(dāng)下的生存環(huán)境，對碳源底物的利用率低。隨著土壤微生物對環(huán)境的不斷適應(yīng)，DAWC值呈現(xiàn)快速增長，說明土壤微生物對碳源底物的利用程度不斷加大。培養(yǎng)后期，DAWC值增長緩慢，最后趨于不變。在培養(yǎng)72 h，紅松和胡桃楸混交林與純林相比，平均顏色變化率的結(jié)果為紅松純林小于紅松林(紅松-胡桃楸混交林)、胡桃楸純林大于胡桃楸林(紅松-胡桃楸混交林)、胡桃楸純林大于紅松純林，表明胡桃楸純林的土壤微生物群落碳代謝活性高于紅松純林，紅松純林低于混交林，而且胡桃楸純林則高于混交林；培養(yǎng)后期，平均顏色變化率的結(jié)果卻為紅松純林大于紅松林(紅松-胡桃楸混交林)、胡桃楸純林大于胡桃楸林(紅松-胡桃楸混交林)。同時表1可知，在整個培養(yǎng)過程中，均表現(xiàn)為紅松純林大于紅松林(紅松-水曲柳混交林)、水曲柳純林大于水曲柳林(紅松-水曲柳混交林)，表明與純林相比，紅松和水曲柳混交后會降低土壤微生物群落的碳代謝活性。

表1 不同林型土壤微生物群落平均顏色變化率隨著培養(yǎng)時間變化

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

3.2 不同林型下土壤微生物群落多樣性指數(shù)分析

根據(jù)DAWC值(培養(yǎng)72 h)分別計(jì)算以下3種指數(shù)：Shannon、Simpson和McIntosh(表2)。結(jié)果表明，不同林型下相同土壤微生物群落多樣性指數(shù)均有所不同。Shannon指數(shù)表示土壤微生物群落的物種豐富度，該指數(shù)越高，說明該條件下土壤微生物種類越多且分布均勻。由表2中可知，Shannon指數(shù)表現(xiàn)由高到低分別為水曲柳純林、胡桃楸純林、紅松純林；紅松純林、紅松林(紅松-胡桃楸混交林)、紅松林(紅松-水曲柳混交林)；胡桃楸純林、胡桃楸林(紅松-胡桃楸混交林)；水曲柳純林、水曲柳林(紅松-水曲柳混交林)。表明胡桃楸純林和水曲柳純林(闊葉林)土壤微生物群落多樣性高于紅松純林(針葉林)，且水曲柳純林顯著高于其他兩種純林(p<0.05)；與純林相比，紅松與胡桃楸混交、紅松與水曲柳混交均會降低相應(yīng)紅松林土壤微生物群落多樣性，且與紅松混交后水曲柳林土壤微生物群落多樣性顯著低于純林(p<0.05)。Simpson指數(shù)可以用來評估某些最常見物種的優(yōu)勢度，具體比較結(jié)果由高到低分別為胡桃楸純林、紅松純林、水曲柳純林；紅松林(紅松-水曲柳混交林)、紅松純林、紅松林(紅松-胡桃楸混交林)；胡桃楸純林、胡桃楸林(紅松-胡桃楸混交林)；水曲柳林(紅松-水曲柳混交林)、水曲柳純林，表明胡桃楸純林土壤常見菌群優(yōu)勢度高于紅松，但水曲柳卻與此相反，顯著低于紅松(p<0.05)；與紅松純林相比，與胡桃楸混交會降低土壤常見菌群的優(yōu)勢度，而與水曲柳混交則會降低，但均未達(dá)到顯著水平(p>0.05)；與純林相比，和紅松混交會降低胡桃楸林土壤常見菌群的優(yōu)勢度(p>0.05)，但會顯著提高水曲柳林(p<0.05)。McIntosh指數(shù)表示了土壤微生物群落物種均勻度，具體比較結(jié)果由高到低分別為水曲柳純林，胡桃楸純林，紅松純林；紅松林(紅松-胡桃楸混交林)，紅松純林，紅松林(紅松-水曲柳混交林)；胡桃楸純林，胡桃楸林(紅松-胡桃楸混交林)；水曲柳純林，水曲柳林(紅松-水曲柳混交林)，表明水曲柳純林和胡桃楸純林土壤微生物群落均勻度顯著高于紅松純林(p<0.05)；與紅松純林相比，和胡桃楸混交會顯著提高土壤微生物群落均勻度(p<0.05)，然而與水曲柳混交會降低，但未達(dá)到顯著水平(p>0.05)；與純林相比，和紅松混交會顯著降低胡桃楸林和水曲柳林土壤微生物群落均勻度(p<0.05)。

表2 培養(yǎng)72 h的根際土壤微生物群落多樣性指數(shù)

注：括號中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(3次重復(fù))，同列不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。

3.3 不同林型土壤微生物對6大類碳源的利用強(qiáng)度

6大類碳源由胺類、氨基酸類、羧酸類、其他化合物類，聚合物類和糖類組成，包括31種碳源類型。整體而言(表3)，不同林型土壤微生物群落對糖類、羧酸和氨基酸的利用程度明顯高于其他3類。由表3可知，胡桃楸純林土壤微生物對氨基酸、羧酸、聚合物和糖類的利用程度顯著大于紅松純林；紅松林(紅松-胡桃楸混交林)對胺類、其他化合物和聚合物的利用程度低于紅松純林(p>0.05)，而對氨基酸、羧酸和糖類的利用程度高于純林，且前兩種達(dá)到顯著水平(p<0.05)；胡桃楸林(紅松-胡桃楸混交林)土壤微生物對6大類碳源的利用程度均低于純林，且其中對氨基酸、羧酸、聚合物和糖類達(dá)到顯著水平(p<0.05)。同時由表3亦可知，水曲柳純林土壤微生物對6大類碳源的利用程度均顯著高于紅松純林(p<0.05)；紅松林(紅松-水曲柳混交林)土壤微生物對胺類的利用程度高于純林，但未達(dá)到顯著水平(p>0.05)，對其他5種碳源的利用程度均低于純林，其中氨基酸達(dá)到顯著水平(p<0.05)；水曲柳林(紅松-水曲柳混交林)土壤微生物對氨基酸的利用程度高于純林，但未達(dá)到顯著水平(p>0.05)，對其他5種碳源的利用程度均低于純林，其中胺類、羧酸類和糖類達(dá)到顯著水平(p<0.05)。

表3 不同混交林土壤微生物對不同碳源的利用強(qiáng)度

注：括號中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(3次重復(fù))；同列不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。

3.4 不同林型土壤微生物對碳源利用的主成分分析

主成分分析通過降維的方法來把不同樣本的多元向量變換成互不相關(guān)的主元向量，主元向量空間在降維之后，其中各點(diǎn)的位置就能夠直接地將不同樣本的土壤微生物群落的代謝特征反應(yīng)出來[20]。本試驗(yàn)從31種因子中提取出3個主成分因子(表4)，分別解釋所有變量方差的28.9%、14.8%、10.2%，其中主成分1(PC1)和主成分2(PC2)的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到為43.7%，說明主成分1和主成分2是變異的主要來源，基本可以用來解釋變量的大部分信息。

表4 主成分的貢獻(xiàn)率和積累貢獻(xiàn)率 %

注：PC1,PC2,PC3分別代表從31種因子中提取出的3個主要成分因子。

圖1可知，在PC1軸上，胡桃楸純林、紅松林(紅松-胡桃楸混合林)、水曲柳純林和水曲柳林(紅松-水曲柳混合林)分布在正方向上，得分系數(shù)為1.08～3.54，紅松純林、胡桃楸林(紅松-胡桃楸混合林)和紅松林(紅松-水曲柳混合林)分布在負(fù)方向上，得分系數(shù)為-0.60～-0.16。在PC2軸上，紅松林(紅松-胡桃楸混合林)和水曲柳林(紅松-水曲柳混合林)分布在正方向上，得分系數(shù)為0.64～2.21；紅松純林、胡桃楸純林、胡桃楸林(紅松-胡桃楸混合林)、水曲柳純林和紅松林(紅松-水曲柳混合林)分布在負(fù)方向上，得分系數(shù)-0.56～-0.27。

主成分分析中的因子載荷可以反映不同碳源利用的差異，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[20]。由表5可知，有PC1載荷在0.5以上的有16種碳源，分屬于羧酸(5種)、氨基酸(3種)、糖類(2種)、胺類(2種)、其他化合物(2種)和聚合物(2種)(表3)；PC2載荷在0.5以上的有8種，分屬于氨基酸(2種)、羧酸(2種)、糖類(2種)、其他化合物(1種)和聚合物(1種)。由此可知，PC1、PC2中因子載荷高的基質(zhì)能夠解釋大部分不同人工林型土壤微生物碳源利用的差異，其中占權(quán)重較大的基質(zhì)分別來自羧酸、氨基酸和糖類。因此，可以認(rèn)為本研究中羧酸、氨基酸和糖類這3類基質(zhì)是導(dǎo)致微生物代謝呈現(xiàn)差異的碳源。

PK為紅松純林；JM為胡桃楸純林；JMPK為胡桃楸和紅松混交林中的胡桃楸林；PKJM為胡桃楸和紅松混交林中的紅松林；FM為水曲柳純林；FMPK為水曲柳和紅松混交林中的水曲柳林；PKFM為水曲柳和紅松混交林中的紅松林。

圖1 不同混交林林型土壤微生物群落碳源利用主成分分析

4 討論與結(jié)論

以BiologMT法分析營建28年的人工針闊混交林的土壤微生物變化特性，以及土壤微生物對多種碳底物的不同利用類型和程度來反應(yīng)微生物群落的功能多樣性[13]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)針葉林和闊葉林之間，混交林和其純林之間的根際土壤微生物群落的活性存在著明顯差異。從土壤微生物的整體活性變化來看，DAWC值變化幅度就能很好地反映土壤微生物利用碳源的能力以及微生物群落整體的代謝活性，一般情況下，DAWC變化幅度越大，微生物利用碳源的能力越強(qiáng)，微生物豐富度亦越高[21]。DAWC的變化幅度與植被類型有關(guān)，尤其是植被凋落物的種類和數(shù)量以及根系分泌物的成分會干擾土壤微生物的代謝活動，這是影響土壤微生物活性的主要因素[22-23]也有人認(rèn)為，森林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)會影響到DAWC變化，造成了闊葉林高于針葉林的結(jié)果[24]。本試驗(yàn)中，水曲柳和胡桃楸純林的DAWC值均高于紅松純林，表明闊葉林微土壤微生物群落代謝活性高于針葉林，出現(xiàn)這一結(jié)果與凋落物數(shù)量、根系分泌物等有很大關(guān)系。一般情況下，闊葉林植物凋落物的數(shù)量高于針葉林，而且闊葉林根系數(shù)量，尤其是細(xì)根數(shù)量，以及根系代謝活性均高于針葉林[25-26]。相比較于純林，胡桃楸林(紅松-胡桃楸混交林)和水曲柳林(紅松-水曲柳混交林)DAWC值均有所降低，表明與紅松混交會降低胡桃楸和水曲柳林土壤微生物代謝活性。劉繼明等[27]也發(fā)現(xiàn)了相似的現(xiàn)象，闊葉林土壤微生物對碳源的代謝能力強(qiáng)于混交林。這一現(xiàn)象可能與地表凋落物性質(zhì)以及其分解速度改變土壤表層微生物活性有關(guān)[28-29]。不同針闊葉混交林土壤微生物活性變化不同，混交可能對土壤微生物活性產(chǎn)生促進(jìn)作用或抑制作用，促進(jìn)作用可能是枯落物混合為分解者提供更為有利的微環(huán)境，而抑制作用可能是不同枯落葉在混合分解過程中釋放了一些次級化合物抑制枯落物分解。

土壤微生物群落多樣性可以用Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)和McIntosh指數(shù)來衡量。本研究表明，水曲柳和胡桃楸純林土壤微生物多樣性和均勻度均高于紅松純林，這與張俊艷[30]的研究結(jié)果一致，胡桃楸純林較高的原因可能是，胡桃楸根系分泌物向土壤中分泌大量有機(jī)質(zhì)，其殘體也提供了豐富的有機(jī)質(zhì)[31]。紅松與胡桃楸或水曲柳混交均能夠顯著降低紅松土壤微生物群落的多樣性。這與彭艷等[32]、謝英荷等[33]所得結(jié)論相反，混交林土壤群落結(jié)構(gòu)并未在提高微生物群落多樣性方面起到促進(jìn)作用。

主成分分析能夠解釋不同人工林土壤微生物對碳源利用存在的差異[34]。本研究發(fā)現(xiàn)，無論是針闊葉純林，還是針闊葉混交林，其土壤微生物主要利用的碳源類型均為糖類、羧酸和氨基酸。胡桃楸純林對氨基酸、羧酸、糖類和聚合物的利用程度顯著高于紅松純林，水曲柳純林對6大類碳源的利用程度均顯著高于紅松純林，這可能是胡桃楸和水曲柳土壤微生物碳代謝活性高于紅松純林的原因之一。胡桃楸林(紅松-胡桃楸混交林)對氨基酸、羧酸、聚合物和糖類利用程度顯著低于胡桃楸純林，而水曲柳林(紅松-水曲柳混交林)對胺類、羧酸類和糖類的利用程度顯著低于水曲柳純林，這可能造成混交后胡桃楸和水曲柳林土壤微生物碳代謝活性純林。羧酸類中有5種碳源，氨基酸類中有3種碳源，糖類中有2種碳源使不同人工林型土壤微生物群落碳代謝功能在PC1上呈現(xiàn)差異；除氨基酸、羧酸和糖類，聚合物中有1種碳源及其他化合物中1種碳源使不同人工林土壤微生物群落碳代謝功能在PC2上呈現(xiàn)差異。因此，可以發(fā)現(xiàn)氨基酸、羧酸和糖類利用程度的不同造成紅松和胡桃楸混交林與相應(yīng)純林土壤微生物碳代謝功能差異的主要原因。6大類碳源中，氨基酸、羧酸和糖類是PC1、PC2中因子載荷高的基質(zhì)，說明這3類物質(zhì)是研究土壤微生物群落碳代謝功能多樣性變化的敏感碳源。

綜上所述，闊葉林(胡桃楸、水曲柳)土壤微生物碳代謝活性高于針葉林(紅松)。人工針闊葉混交林及純林土壤微生物群落利用的主要碳源類型為糖類、羧酸和氨基酸，利用碳源類型和程度的不同是造成土壤微生物代謝活性差異的原因之一。與針葉林紅松混交會降低闊葉林胡桃楸和水曲柳土壤微生物碳代謝活性及群落多樣性，反之，亦會降低紅松土壤微生物群落碳代謝功能多樣性，若需選擇，和胡桃楸混交降低程度稍低，可將其作為混交對象。在林地的經(jīng)營方式和樹種選擇上應(yīng)該合理配套，以實(shí)現(xiàn)其最大的生態(tài)價值。