南亞熱帶混交人工林樹(shù)種豐富度與土壤微生物多樣性和群落組成的關(guān)系

宋戰(zhàn)超,王 暉,*,劉世榮,胡佳佳,明安剛,陳 海,李朝英,伍俊廷,史作民,盧立華,蔡道雄

1 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所,國(guó)家林業(yè)和草原局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 1000912 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心,廣西友誼關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站, 憑祥 532600

土壤微生物在森林生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著不可替代的重要作用,積極參與到森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)[1],對(duì)維持森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和功能以及植物多樣性至關(guān)重要[2]。森林土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性受林下凋落物性質(zhì)和土壤根系分泌物等生物因子及土壤環(huán)境等非生物因子的共同影響[3- 5]。同時(shí),土壤微生物通過(guò)對(duì)土壤理化性質(zhì)和土壤肥力作用,影響森林植被生物量和生產(chǎn)力[6]。

近年來(lái),研究生態(tài)系統(tǒng)地上和地下生物多樣性之間的聯(lián)系一直是生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)。針對(duì)土壤微生物群落與植物群落關(guān)系的研究越來(lái)越多,但多以草地生態(tài)系統(tǒng)或天然林生態(tài)系統(tǒng)為主。Zak等[7]研究了植物多樣性對(duì)土壤微生物的影響,發(fā)現(xiàn)隨著植物多樣性的增加,土壤真菌生物量明顯增加。青藏高原天然草原的研究發(fā)現(xiàn),隨著植物多樣性的增加,真菌α和β多樣性分別相應(yīng)增加[8]。Chen等[9]在我國(guó)亞熱帶森林的不同樹(shù)種多樣性梯度實(shí)驗(yàn)研究顯示,樹(shù)種特性是主導(dǎo)土壤細(xì)菌和真菌群落多樣性和結(jié)構(gòu)變化主要因素,且對(duì)土壤真菌的影響比土壤細(xì)菌效果更強(qiáng),而樹(shù)種多樣性并非是主要影響因子?；谖覈?guó)亞熱帶森林生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)了不同功能型土壤真菌驅(qū)動(dòng)亞熱帶森林群落多樣性的作用模式[10]。有關(guān)生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能關(guān)系的研究表明,生物多樣性是生態(tài)系統(tǒng)功能的主要驅(qū)動(dòng)力[11]。不同樹(shù)種在森林群落中占據(jù)不同的高度和空間從而創(chuàng)造了更多的生態(tài)位,促進(jìn)了群落利用陽(yáng)光等環(huán)境資源的能力,提高了森林生態(tài)系統(tǒng)生物量和生產(chǎn)力。而我國(guó)人工林以單一樹(shù)種種植為主,由于生物多樣性下降,森林各種功能與生產(chǎn)力得不到充分發(fā)揮,降低了森林適應(yīng)能力和穩(wěn)定性,還會(huì)造成地力衰退、森林系統(tǒng)功能退化等問(wèn)題[12]。如在我國(guó)南方地區(qū)大面積分布的桉樹(shù)人工純林,叢枝菌根真菌的種豐度隨種植年份的增加逐漸下降,優(yōu)勢(shì)種Funneliformsgeosporus的豐度在2年生和10年生林地中顯著降低[13]。但是,樹(shù)種多樣性增加使森林植被組成和生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能趨于復(fù)雜,更多樹(shù)種混交后樹(shù)種多樣性會(huì)隨之增加以及樹(shù)種功能特性發(fā)生重疊,不同氣候區(qū)、不同類型森林生態(tài)系統(tǒng)植物種類和環(huán)境等條件差異也比較大,因此尚需通過(guò)研究進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)森林植物多樣性與土壤微生物多樣性關(guān)系以及潛在機(jī)制的認(rèn)知,進(jìn)而提高有關(guān)土壤微生物對(duì)“樹(shù)種多樣性與土壤理化性質(zhì)和肥力”關(guān)系影響機(jī)制的理解。

亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)是我國(guó)陸地碳匯潛力的主要來(lái)源[14]。我國(guó)南方亞熱帶地區(qū)樹(shù)種多樣性豐富,人工林的面積和蓄積均居全國(guó)之首。Huang等[15]通過(guò)野外多樹(shù)種新造林實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)隨樹(shù)種多樣性增加林分生產(chǎn)力顯著增加。本研究面向人工林生態(tài)系統(tǒng)固碳增匯功能提升的國(guó)家需求,針對(duì)土壤微生物群落組成與樹(shù)種多樣性關(guān)聯(lián)機(jī)制這一關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題,選取我國(guó)南亞熱帶經(jīng)近40年近自然管理形成的多樹(shù)種、多層次、天然更新良好的異齡混交人工林生態(tài)系統(tǒng)為對(duì)象,采用高通量測(cè)序技術(shù)研究隨樹(shù)種豐富度變化土壤微生物α多樣性和群落組成的變化,以及主要的生物和環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子,旨在探討多樹(shù)種混交如何對(duì)南亞熱帶人工林土壤微生物生物量和群落結(jié)構(gòu)組成產(chǎn)生影響,為進(jìn)一步揭示樹(shù)種多樣性與地下土壤微生物多樣性關(guān)系提供科學(xué)依據(jù),并為制定該區(qū)域人工林通過(guò)樹(shù)種豐富度合理組配調(diào)控提升生態(tài)系統(tǒng)功能的經(jīng)營(yíng)策略提供科技支撐。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)憑祥市中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心國(guó)家林業(yè)和草原局廣西友誼關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站(22°06′50″—22°07′27″N,106°46′48″—106°47′22″E)。該地區(qū)屬典型南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),海拔約300 m,年平均氣溫20.5—21.7℃,年平均降雨量1200—1500 mm,多集中在4—9月份。主要地貌類型以低山丘陵為主,土壤以磚紅壤和紅壤為主,成土母巖主要有泥巖夾砂巖、礫狀灰?guī)r和石灰?guī)r等。本研究的試驗(yàn)區(qū)在杉木林采伐跡地,自1979年選取21個(gè)鄉(xiāng)土樹(shù)種以塊狀混交布局建立的試驗(yàn)林,經(jīng)過(guò)近40年的人工經(jīng)營(yíng)和天然更新,試驗(yàn)區(qū)已形成多樹(shù)種、復(fù)層結(jié)構(gòu)的混交人工林,試驗(yàn)區(qū)面積100 hm2。

在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)隨機(jī)設(shè)置54個(gè)20 m × 20 m樣地,并對(duì)每個(gè)樣地內(nèi)胸徑(Diameter at breast height,DBH)≥1 cm林木的胸徑、樹(shù)高和坐標(biāo)進(jìn)行每木調(diào)查。依據(jù)每個(gè)樣地內(nèi)的樹(shù)種豐富度將54個(gè)樣地劃分成10組,形成由1—10個(gè)樹(shù)種的豐富度梯度。其中第一組(1個(gè)樹(shù)種)有7個(gè)樣地,第二組(2個(gè)樹(shù)種)有7個(gè)樣地,第三組(3個(gè)樹(shù)種)有3個(gè)樣地,第四組(4個(gè)樹(shù)種)有4個(gè)樣地,第五組(5個(gè)樹(shù)種)有4個(gè)樣地,第六組(6個(gè)樹(shù)種)有7個(gè)樣地,第七組(7個(gè)樹(shù)種)有5個(gè)樣地,第八組(8個(gè)樹(shù)種)有10個(gè)樣地,第九組(9個(gè)樹(shù)種)有3個(gè)樣地,第十組(10個(gè)樹(shù)種)有4個(gè)樣地,各樣地的樹(shù)種組成詳見(jiàn)附件7。

1.2 樣品采集與處理

1.3 土壤理化性質(zhì)、細(xì)根生物量和碳化學(xué)組分的測(cè)定

土壤pH值采用FE20 pH計(jì)測(cè)定,土水比為1∶2.5。采用重鉻酸鉀外加熱法和凱氏定氮法分別測(cè)定土壤有機(jī)碳和全氮含量[16]。采用鹽酸和硫酸萃取后分光度法測(cè)定土壤有效磷含量[17]。采用2 mol/L KCl浸提,靛酚藍(lán)比色法測(cè)定銨態(tài)氮,紫外分光光度法測(cè)定硝態(tài)氮[18]。

土樣過(guò)2 mm篩時(shí),挑選出直徑 ≤ 2 mm的細(xì)根活體,用水反復(fù)沖洗去除附著在根系表面的泥土后,放置烘箱用65℃烘干至恒重,用電子天平稱重(精確到0.001 g),依據(jù)如下公式計(jì)算各樣地的細(xì)根生物量：

細(xì)根生物量(g/m2)=平均每個(gè)土芯中細(xì)根干重(g)/[π(Φ/2)2× (m2/104cm2)](Φ=5.0 cm)

采用13C固體核磁共振波譜(13C CPMAS NMR)分析土壤有機(jī)碳不同化學(xué)組分比例。13C固體核磁共振波譜被分為四組化學(xué)位移區(qū)域,以此區(qū)分土壤有機(jī)碳的不同組分：烷基碳(δ=0—45，alkyl C),氧烷基碳(δ=45—110，O-alkyl C),芳香碳(δ=110—160，aromatic C),羰基碳(δ=160—210，carbonyl C)。

1.4 土壤微生物總DNA提取和高通量測(cè)定

稱取約0.25 g經(jīng)冷凍干燥處理的土壤樣品,使用MO BIO PowerSoil(MO BIO Laboratories,Carlsbad,USA)試劑盒提取土壤微生物總DNA,采用NanoDrop分光光度計(jì)進(jìn)行定量提取DNA的質(zhì)量和濃度,并用1%瓊脂糖凝膠電泳對(duì)提取的DNA質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè),合格后用于構(gòu)建文庫(kù)；以各土壤樣品微生物總DNA為模板,以細(xì)菌V4和V5區(qū)特異性引物(15F 5′-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA- 3′；926R 5′-CCGTCAATTCMTTTGAGTTT- 3′)[19]和真菌ITS1區(qū)特異性引物(ITS1F 5′-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA- 3′；2043R 5′-GCTGCGTTCTTCATC GATGC- 3′)[20]進(jìn)行PCR(polymerase chain reaction)擴(kuò)增；采用Illumina MiSeq測(cè)序平臺(tái)對(duì)PCR擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行雙端測(cè)序分析,微基生物科技(上海)有限公司完成測(cè)序。

土壤微生物目標(biāo)片段的PCR產(chǎn)物測(cè)序完成后,對(duì)有效序列進(jìn)行質(zhì)控、拼接和精確去雜等處理,得到優(yōu)化序列。優(yōu)質(zhì)序列利用Usearch軟件基于97%的相似水平進(jìn)行分類操作單元(operational taxonomic units,簡(jiǎn)稱OTUs)。根據(jù)Silva細(xì)菌數(shù)據(jù)庫(kù)[21]和Unite[22]真菌數(shù)據(jù)庫(kù)利用 RDP Classifier進(jìn)行物種注釋和分類。利用QIIME(Version l.7.0)軟件依據(jù)樣本文庫(kù)的OTUs豐度信息計(jì)算土壤樣品的細(xì)菌和真菌多樣性(Faith′s Phylogenetic Diversity,Faith′s PD指數(shù))。利用R語(yǔ)言軟件VEGAN包對(duì)土壤細(xì)菌和真菌β多樣性進(jìn)行了距離冗余分析(Distance-based redundancy analyses,db-RDA),并篩選主要解釋變量。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

2 結(jié)果與分析

2.1 樹(shù)種豐富度與土壤細(xì)菌和真菌α多樣性的關(guān)系

通過(guò)對(duì)本研究中的人工林樹(shù)種豐富度梯度序列樣地建立不同樹(shù)種豐富度梯度(1—10個(gè)樹(shù)種)與土壤細(xì)菌α多樣性之間的相關(guān)關(guān)系,樹(shù)種豐富度與土壤細(xì)菌α多樣性的關(guān)系如圖1所示。Pearson相關(guān)分析的結(jié)果表明,土壤細(xì)菌α多樣性隨樹(shù)種豐富度增加整體間存在增加的趨勢(shì),但影響不顯著(P>0.05)。通過(guò)對(duì)土壤細(xì)菌α多樣性和土壤理化性質(zhì)關(guān)系的分析,發(fā)現(xiàn)土壤細(xì)菌α多樣性與土壤pH和芳香碳組分呈顯著正相關(guān)(P< 0.05),而與有機(jī)碳、銨態(tài)氮、碳氮比、烷基碳組分及細(xì)根生物量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。采用逐步回歸分析揭示土壤理化性質(zhì)與土壤細(xì)菌α多樣性之間的關(guān)系,結(jié)果表明土壤pH和銨態(tài)氮是土壤細(xì)菌α多樣性變化的主要影響因素(表1)。

圖1 樹(shù)種豐富度與土壤細(xì)菌α多樣性和真菌α多樣性的關(guān)系Fig.1 Relationship of tree species diversity on soil bacterial α-diversity and fungal α-diversity

樹(shù)種豐富度與土壤真菌α多樣性的關(guān)系如圖1所示。Pearson相關(guān)分析的結(jié)果表明,土壤真菌α多樣性與樹(shù)種豐富度之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),隨樹(shù)種豐富度增加,土壤真菌α多樣性顯著提高。通過(guò)對(duì)土壤細(xì)菌α多樣性和土壤理化性質(zhì)關(guān)系的分析,發(fā)現(xiàn)土壤真菌α多樣性與土壤pH和碳氮比呈顯著正相關(guān)(P<0.05),而與細(xì)根生物量呈顯著負(fù)相關(guān)(P< 0.05)。逐步回歸分析表明土壤pH和有效磷是土壤真菌α多樣性變化的主要影響因素(表1)。

表1 土壤細(xì)菌和真菌α多樣性與環(huán)境因子的多元統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2 不同樹(shù)種豐富度土壤細(xì)菌和真菌群落組成變化

對(duì)不同樹(shù)種豐富度土壤微生物群落組成進(jìn)行PerMANOVA分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)土壤細(xì)菌β多樣性在不同樹(shù)種豐富度之間存在顯著差異(表2)。對(duì)54個(gè)土壤樣品進(jìn)行Illumina MiSeq高通量測(cè)序,數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)濾優(yōu)化,共得到1964785個(gè)細(xì)菌優(yōu)化序列,平均每個(gè)樣品36385個(gè)序列,共得到4769個(gè)OTUs。在綱水平上土壤細(xì)菌群落共鑒定48綱,相對(duì)豐度大于1%的綱共15個(gè)。樣品中土壤細(xì)菌群落主要由酸桿菌綱(13.19%)、α變形菌綱(13.06%)、γ變形菌綱(9.85%)、β變形菌綱(6.00%)和δ變形菌綱(5.61%)組成,其他微生物種類以低豐度(小于5.00%)存在,如：纖線桿菌綱(3.45%)、浮霉菌綱(0.80%)。樹(shù)種豐富度增加變化改變了土壤細(xì)菌β多樣性,在不同樹(shù)種豐富度梯度下α變形菌綱、迷蹤菌綱、γ變形菌綱、浮霉菌綱、Ignavibacteria(未命名)和螺旋體綱差異顯著(P<0.05)(圖2)。

圖2 不同樹(shù)種豐富度與土壤細(xì)菌群落和真菌群落組成變化Fig.2 Diversity of different tree species and composition of soil bacterial community and fungal community 細(xì)菌群落中Aα變形菌綱；G：γ變形菌綱；P：浮霉菌綱；E：迷蹤菌綱；I：Ignavibacteria,未命名；S：螺旋體綱;真菌群落中A：傘菌綱；L：茶漬綱；T：銀耳綱;**表示顯著水平P< 0.01,*表示顯著水平P< 0.05

表2 不同樹(shù)種豐富度梯度下土壤細(xì)菌和真菌群落PerMANOVA分析

在不同樹(shù)種豐富度梯度下土壤真菌β多樣性存在顯著差異(表2)。真菌測(cè)序共得到2068537個(gè)優(yōu)化序列,聚集在8124個(gè)OTUs中,平均每個(gè)樣品38306個(gè)序列。在綱水平上土壤真菌群落共鑒定34綱,相對(duì)豐度大于1%的綱共8個(gè)。樣品中土壤真菌群落主要由傘菌綱(23.38%)組成,其他種群豐度相對(duì)較低,如茶漬綱(3.07%)、銀耳綱(2.84%)。土壤真菌群落中的傘菌綱、茶漬綱和銀耳綱在不同樹(shù)種豐富度梯度下差異顯著(P<0.05)(圖2)。

2.3 環(huán)境變量對(duì)土壤細(xì)菌和真菌群落組成的影響

采用db-RDA分析來(lái)評(píng)估環(huán)境變量對(duì)土壤細(xì)菌群落組成的影響。分析結(jié)果顯示,土壤細(xì)菌群落在第一主軸(橫軸)主要由土壤pH和芳香碳組分貢獻(xiàn),累計(jì)解釋變量達(dá)到92.86%。第二主軸(縱軸)累計(jì)解釋變量為5.81%,主要由土壤硝態(tài)氮貢獻(xiàn)。土壤細(xì)菌群落組成與土壤環(huán)境因子密切相關(guān),土壤pH、硝態(tài)氮和芳香碳組分是樹(shù)種豐富度梯度間土壤細(xì)菌群落組成差異的主要影響因素(圖3)。

圖3 土壤細(xì)菌和真菌群落組成與環(huán)境變量的db-RDA分析Fig.3 Distance-based redundancy analyses (db-RDA) plot showing the relationship of abiotic factors to community composition of bacteria and fungi

不同樹(shù)種豐富度梯度下環(huán)境變量與土壤真菌群落組成的db-RDA分析如圖3所示。兩軸共解釋土壤真菌群落結(jié)構(gòu)82.39%的變異，其中第一主軸(橫軸)累計(jì)解釋變量為50.15%,主要由土壤硝態(tài)氮貢獻(xiàn);第二主軸(縱軸)累計(jì)解釋變量為32.24%,主要由細(xì)根生物量貢獻(xiàn)。結(jié)果表明土壤硝態(tài)氮、有機(jī)碳、細(xì)根生物量和氧烷基碳組分是影響土壤真菌群落組成在不同樹(shù)種豐富度梯度間差異的主要因素。

3 討論

3.1 南亞熱帶混交人工林樹(shù)種豐富度與土壤微生物α多樣性的關(guān)系

前人有關(guān)植物多樣性與土壤微生物群落組成的研究主要在草原[25]和天然林生態(tài)系統(tǒng)[26]開(kāi)展,并發(fā)現(xiàn)植物多樣性增加會(huì)提高土壤真菌α多樣性。本研究中也得到了相似的結(jié)果,在南亞熱帶經(jīng)近40年近自然管理,形成的多樹(shù)種、多層次、天然更新良好的異齡混交人工林生態(tài)系統(tǒng)中,土壤真菌α多樣性隨著樹(shù)種豐富度增加而提高(圖1)。通過(guò)人工混交不同鄉(xiāng)土樹(shù)種,進(jìn)而構(gòu)建成自然恢復(fù)并天然更新的混交人工林生態(tài)系統(tǒng)中樹(shù)種豐富度與土壤微生物α多樣性的關(guān)系趨近于天然草地和森林所呈現(xiàn)的規(guī)律的現(xiàn)象一般性的解釋是有更高物種豐富度的生態(tài)系統(tǒng)能更有效地利用各種資源,有更高的生產(chǎn)力并創(chuàng)造了更多的生態(tài)位從而容納了更多的土壤微生物(互補(bǔ)假說(shuō))[5,27]。但在本研究中還發(fā)現(xiàn)不同樹(shù)種豐富度下土壤細(xì)菌α多樣性差異不顯著,說(shuō)明了樹(shù)種豐富度與土壤真菌α多樣性的相關(guān)性較之與土壤細(xì)菌α多樣性的相關(guān)性更明顯。Johnson[28]等研究認(rèn)為細(xì)菌多樣性和植物多樣性不相關(guān),這與本研究結(jié)果一致。有研究發(fā)現(xiàn),土壤微生物更依賴于某種特定植物的存在(單一假說(shuō)),而不是植物多樣性本身[29- 30]。因此,在下一步的研究中,將更深入的開(kāi)展樹(shù)種功能特性對(duì)土壤微生物功能類群影響機(jī)制的研究,并進(jìn)一步辨析地下微生物過(guò)程的變化是由樹(shù)種豐富度還是樹(shù)種特性主導(dǎo)。

本研究中相關(guān)分析結(jié)果表明,土壤細(xì)菌和真菌α多樣性與土壤理化因子呈現(xiàn)不同程度的相關(guān)性,說(shuō)明該區(qū)域土壤理化因子是影響微生物數(shù)量的關(guān)鍵因素。Shen等[31]在長(zhǎng)白山研究了6種典型植被類型,分析了隨海拔梯度土壤細(xì)菌群落組成和多樣性的變化趨勢(shì),發(fā)現(xiàn)土壤細(xì)菌分布主要受土壤pH驅(qū)動(dòng)。朱平等[32]通過(guò)研究祁連山4種不同植被類型對(duì)土壤微生物的影響也得出了相似的結(jié)論。在本研究中,試驗(yàn)區(qū)內(nèi)土壤細(xì)菌α多樣性與土壤pH和銨態(tài)氮顯著相關(guān)(P<0.05),印證了土壤pH同樣是影響本研究中南亞熱帶多樹(shù)種人工林生態(tài)系統(tǒng)樹(shù)種豐富度之間土壤細(xì)菌群落分布主要因子。本研究還發(fā)現(xiàn)樹(shù)種豐富度增加顯著提高了土壤pH,從而改善了研究區(qū)內(nèi)土壤微生物生存環(huán)境,可能是土壤微生物多樣性增加的原因。莊林杰等[33]研究了從湖泊到岸邊深層土壤中土壤微生物變化情況,發(fā)現(xiàn)細(xì)菌多樣性與土壤銨態(tài)氮呈負(fù)相關(guān),與本研究結(jié)果一致。其原因可能是土壤中銨態(tài)氮增加導(dǎo)致土壤酸化[34],而通常認(rèn)為土壤細(xì)菌群落在中性pH條件下豐富度和多樣性較高[35],本研究中pH與土壤細(xì)菌多樣性的正相關(guān)關(guān)系也為此提供了依據(jù)。在森林生態(tài)系統(tǒng)中樹(shù)種豐富度增加會(huì)改變森林凋落物輸入量和凋落物分解過(guò)程,進(jìn)而影響土壤中養(yǎng)分含量。有研究表明,真菌群落相較于細(xì)菌群落更直接的依賴于樹(shù)木凋落物,且許多真菌與樹(shù)種根系共生形成菌根,使得真菌類群與樹(shù)木的生物營(yíng)養(yǎng)相互作用更強(qiáng)[36]，這可能是本研究中真菌α多樣性受土壤有效磷影響的原因。

3.2 南亞熱帶混交人工林樹(shù)種豐富度變化影響土壤微生物群落組成

本研究的多樹(shù)種混交人工林生態(tài)系統(tǒng)中樹(shù)種豐富度增加顯著改變了土壤微生物群落組成,與以往在我國(guó)亞熱帶天然林開(kāi)展的研究結(jié)果相一致[9]。土壤微生物分布廣泛且適應(yīng)性強(qiáng),但在特定區(qū)域的土壤微生物群落組成受到林下特定環(huán)境因素的調(diào)控。許多研究表明,在森林生態(tài)系統(tǒng)中植物群落多樣性對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)具有顯著影響[28,37]。土壤細(xì)菌群落以酸桿菌和α變形菌為主,但就具體細(xì)菌菌群而言,隨樹(shù)種豐富度增加菌群并沒(méi)有表現(xiàn)出明顯增加或者減少的趨勢(shì)。Xia[38]等人對(duì)我國(guó)典型森林土壤細(xì)菌群落的研究發(fā)現(xiàn),土壤細(xì)菌豐度排在前五位的菌群分別為放線菌、酸桿菌、α變形菌、疣微菌和浮霉菌。本研究中不同樹(shù)種豐富度下土壤細(xì)菌群落中α變形菌差異性顯著。由此可見(jiàn),樹(shù)種豐富度增加通過(guò)改變相對(duì)豐度較高的土壤細(xì)菌菌群使土壤細(xì)菌群落組成差異性顯著(圖2)。在本研究中土壤真菌群落組成變化也表現(xiàn)出相似的現(xiàn)象,傘菌綱作為土壤真菌群落中的重要組成菌群,在不同樹(shù)種豐富度梯度下差異性顯著(圖2)。

人工林不同樹(shù)種組成可通過(guò)影響森林生態(tài)系統(tǒng)中凋落物數(shù)量和質(zhì)量,根系生物量、根系周轉(zhuǎn)和根系分泌物等對(duì)土壤理化性質(zhì)和土壤養(yǎng)分產(chǎn)生不同的影響,進(jìn)而改變土壤微生物的生物量和群落組成[3-4,36]。土壤pH參與土壤生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程并對(duì)土壤理化性質(zhì)具有重要的調(diào)節(jié)作用,是影響細(xì)菌群落組成的重要因子。本研究中db-RDA分析表明土壤細(xì)菌群落組成差異中的98.67%能夠被土壤pH、硝態(tài)氮和芳香碳組分三個(gè)環(huán)境變量所解釋,其中土壤pH占主要貢獻(xiàn)(圖3),結(jié)合土壤pH對(duì)土壤細(xì)菌α多樣性的顯著影響,說(shuō)明了土壤pH是影響土壤細(xì)菌群落組成和多樣性的主要因素。適宜的pH為土壤微生物提供了良好的生存條件,土壤pH值能夠通過(guò)影響土壤基質(zhì)的組成、化學(xué)性質(zhì)從而改變土壤微生物多樣性和群落組成。本研究中土壤硝態(tài)氮、有機(jī)碳、細(xì)根生物量和氧烷基碳組分是導(dǎo)致土壤真菌群落差異的主要影響因素(圖3)。Wang[24]等人研究表明在南亞熱帶氮肥添加導(dǎo)致土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量增加,從而改變土壤pH,這可能是土壤硝態(tài)氮影響土壤真菌群落組成的原因。土壤有機(jī)質(zhì)作為土壤理化性質(zhì)的重要指標(biāo)之一,是土壤養(yǎng)分循環(huán)轉(zhuǎn)化的核心。土壤有機(jī)碳含量的變化能夠影響土壤肥力和土壤微生物群落的變化[39]。王淼等[40]研究結(jié)果也表明土壤理化性質(zhì)特別是土壤養(yǎng)分狀況的差異是土壤微生物群落結(jié)構(gòu)差異的主要影響因素。樹(shù)種豐富度增加,往往會(huì)對(duì)根系的分布和生物量產(chǎn)生較大影響[41],通過(guò)改變根系分泌物從而導(dǎo)致土壤微生物群落變化。字洪標(biāo)等[42]通過(guò)對(duì)青海7種不同林分土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的研究表明,細(xì)根生物量是導(dǎo)致土壤微生物群落差異的因素之一,與本文研究結(jié)果相一致。

4 結(jié)論

本研究選取了南亞熱帶多樹(shù)種混交人工林為研究對(duì)象,研究了人工林樹(shù)種豐富度對(duì)土壤微生物多樣性和群落組成的影響。結(jié)果表明,樹(shù)種豐富度增加對(duì)土壤微生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)具有一定的影響,其中土壤真菌表現(xiàn)出比細(xì)菌更加敏感的響應(yīng)。土壤pH是影響土壤細(xì)菌多樣性和群落組成的主要影響因子,土壤碳氮組分和細(xì)根是影響土壤真菌多樣性和群落組成關(guān)鍵因素。研究結(jié)果說(shuō)明了南亞熱帶不同鄉(xiāng)土樹(shù)種塊狀混交后天然更新形成多樹(shù)種混交林過(guò)程中,樹(shù)種組成和多樣性的變化通過(guò)改變土壤理化性狀和根系生物量對(duì)土壤微生物群落有顯著影響。