桉樹人工林土壤微生物多樣性研究技術(shù)進(jìn)展

楊福超　曹歐華　闕祖森　覃斌　龐云鵬

摘? ? 要：在植物生長過程中，土壤微生物是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)，對保持整個(gè)森林的健康生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要。通過介紹桉樹人工林土壤微生物多樣性的研究技術(shù)進(jìn)展，了解土壤微生物多樣性的研究方法，從而為桉樹人工林可持續(xù)發(fā)展與實(shí)現(xiàn)自然環(huán)境生態(tài)保護(hù)提供依據(jù)和參考。

關(guān)鍵詞：桉樹人工林;土壤微生物;多樣性

文章編號： 1005-2690（2021）03-0063-02? ? ? ?中國圖書分類號： S714.3? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分，對于森林中的微生物生長、繁殖具有重要意義，土壤中的微生物既是人工生態(tài)系統(tǒng)中的消費(fèi)者，也是其中的分解者。通過研究桉樹人工林土壤微生物多樣性研究技術(shù)，從而有效地提升桉樹人工林的生物多樣性與經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)我國桉樹人工林栽植的健康發(fā)展。

1? ?人工林土壤微生物多樣性研究現(xiàn)狀

土壤微生物多樣性指的是對真菌、放線菌、細(xì)菌等微生物族群在其遺傳、種類及生態(tài)系統(tǒng)方面所發(fā)生的變化進(jìn)行研究。土壤微生物多樣性可以對土壤脅迫及土壤生態(tài)機(jī)制對群落的影響有直接反映，也能夠從另一方面反映該土壤中生物群落的穩(wěn)定性[1]。

根據(jù)目前我國研究成果來看，如果土壤中的細(xì)菌含量高，則該土壤水肥充足;如果土壤中的真菌含量高，則該土壤較貧瘠;如果土壤中的含水量低，則堿性土壤中的放線菌含量高。根據(jù)林區(qū)的微生物分布情況來看，在一些闊葉林等易分解的環(huán)境中多為細(xì)菌，在一些針葉等難分解的環(huán)境中則多為放線菌和真菌。

目前，我國對土壤微生物多樣性的研究主要包括土壤微生物遺傳多樣性、土壤微生物分類多樣性、土壤微生物系統(tǒng)發(fā)育多樣性及土壤微生物功能多樣性幾方面。由于土壤微生物多樣性本身很難預(yù)測，因此還需要持續(xù)研究與探索。

2? ?桉樹人工林土壤微生物多樣性研究現(xiàn)狀

2.1? ?桉樹純林研究現(xiàn)狀

在很長一段時(shí)間內(nèi)，為了擴(kuò)大我國森林面積，提升人工林的經(jīng)濟(jì)效益，在栽培桉樹人工林的時(shí)候通常是采取純林栽植的管理方式。在桉樹人工純林栽植管理中通常會長期、大量撒施氮肥，這就導(dǎo)致人工林下的土壤微生物含量逐漸改變，進(jìn)而導(dǎo)致了桉樹人工林的生物群落功能和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[2]。通過分析大量的早期研究文獻(xiàn)資料不難發(fā)現(xiàn)，桉樹林下土壤微生物數(shù)量與土壤肥力之間存在緊密的聯(lián)系，桉樹土壤微生物主要集中在0～20 cm的林下土層范圍內(nèi)，細(xì)菌數(shù)量則呈現(xiàn)為第二代、對照林、第三代、第一代逐漸遞減趨勢;放線菌和真菌數(shù)量則呈現(xiàn)為第三代、第二代、第一代、對照林、桉樹人工林逐漸遞增趨勢。在桉樹人工林的造林初期，桉樹人工林土壤微生物在較短時(shí)間之內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)迅速繁殖且微生物種類豐富[3]。在桉樹人工林生長輪伐期前后，則可以發(fā)現(xiàn)其中的土壤微生物數(shù)量顯著下降，通過分析，導(dǎo)致土壤微生物數(shù)量下降的主要原因是養(yǎng)分輸入降低、化感作用增大及林分郁閉度增高等。在桉樹人工林栽植年限增加之后，部分樹齡為5年以上的桉樹人工林，其根際土壤微生物多樣性顯著提高，這也從另一方面說明，桉樹人工林的土壤微生物多樣性要想穩(wěn)定發(fā)展，還需要經(jīng)過長時(shí)間的演化。相關(guān)研究數(shù)據(jù)表明，與天然次生林凋落物相比，桉樹純林凋落物為土壤微生物提供生態(tài)環(huán)境和食物的能力相對較匱乏，天然次生林凋落物可以更好地被土壤微生物利用，從而合成土壤微生物需要的物質(zhì)。

2.2? ?桉樹混交林研究現(xiàn)狀

在桉樹人工林大面積種植一段時(shí)間后，桉樹純林栽植中所潛藏的問題也逐漸顯現(xiàn)出來，引起了人們的關(guān)注與研究。因?yàn)殍駱淙斯ち植扇¤駱浼兞值脑灾卜绞?，?dǎo)致桉樹人工林的結(jié)構(gòu)、功能與天然林相比較為單一，缺乏抵御害蟲的能力，長期栽植桉樹人工林還容易導(dǎo)致林區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重的土壤肥力缺失問題，嚴(yán)重影響桉樹純林的生物多樣性[4]。為了解決桉樹純林中存在的問題，提升桉樹人工林的經(jīng)濟(jì)效益，越來越多的專家、學(xué)者開始研究桉樹純林問題的解決策略。部分研究人員提出，可以在桉樹人工林中栽培一些鄉(xiāng)土樹種，對人工林的土壤質(zhì)量與林下土壤群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善。

一些學(xué)者通過在桉樹純林與桉樹、相思混交林的對照試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，混交林中的土壤微生物總量與桉樹純林的土壤微生物相比具有顯著優(yōu)勢，在不同林型中土壤微生物三大類群數(shù)量呈現(xiàn)為細(xì)菌、放線菌、真菌逐漸遞增趨勢。

還有部分研究人員將桉樹混交林、馬尾松×5年生馬尾松純林和馬尾松×苦竹混交林進(jìn)行比較，則發(fā)現(xiàn)馬尾松×桉樹混交林的生物多樣性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于5年生馬尾松純林、馬尾松×苦竹混交林。該研究中的5年生馬尾松純林還處于幼林期，因此該研究與人工混交林生物多樣性指數(shù)大于純林的研究結(jié)果是可以并存的，這也說明5年生馬尾松純林與桉樹人工林的土壤多樣性規(guī)律同樣需要經(jīng)過一段時(shí)間的演變。

以上研究成果表明，與純林相比，混交林可以更加充分地利用有限的資源，在一定程度上改善林地生態(tài)環(huán)境，提升林區(qū)抵御病蟲害的能力。

3? ?多種研究技術(shù)比較

從目前研究成果來看，只有0.1%～10%的環(huán)境微生物是通過純培養(yǎng)技術(shù)分離和培養(yǎng)出來的。比較常見的土壤微生物多樣性研究技術(shù)主要為磷脂脂肪酸分析技術(shù)、基于PCR的核酸分析技術(shù)與基于群落水平的生理學(xué)譜圖分析。

3.1? ?磷脂脂肪酸分析技術(shù)

對于磷脂脂肪酸技術(shù)的應(yīng)用，通常在分析復(fù)雜的微生物群落中微生物多樣性應(yīng)用較為廣泛。應(yīng)用磷脂脂肪酸技術(shù)的基本原理就是要分析該細(xì)胞發(fā)生凋亡后破裂降解微生物的細(xì)胞膜，重點(diǎn)對微生物的生物量與磷脂含量相對固定的比例關(guān)系進(jìn)行觀察。應(yīng)用磷脂脂肪酸技術(shù)，需要研究人員直接將土壤微生物群落的磷酸脂肪酸提取后對其進(jìn)行測定，該測量方式可以有效避免培養(yǎng)過程中各微生物之間的相互作用，對不同生長狀況下土壤微生物的多樣性有一定了解[5]。但是應(yīng)用磷脂脂肪酸技術(shù)對于儀器的要求較高，且操作復(fù)雜。有研究人員通過該方法對二代桉樹混交林和純林對其在旱季、雨季的土壤微生物情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，其細(xì)菌含量相對較高，真菌含量相對較低。

3.2? ?基于PCR的核酸分析技術(shù)

基于PCR的核酸技術(shù)通常是研究技術(shù)人員對土壤微生物中的DNA或者RNA用技術(shù)提取出來，對其進(jìn)行純化處理，然后先后應(yīng)用PCR擴(kuò)增、克隆等技術(shù)，用分子指紋技術(shù)對已獲取的分子進(jìn)行微生物群落結(jié)構(gòu)分析。PCR核酸分析技術(shù)與其他兩種技術(shù)相比，更加客觀、全面，可以更精確地揭示土壤微生物類型及遺傳多樣性。但是應(yīng)用該技術(shù)對含量較小的微生物群落進(jìn)行研究時(shí)，很難提取到含量少的DNA，而且提取過程中還會產(chǎn)生一定損耗，且操縱子數(shù)目可變性和基因組大小會對PCR擴(kuò)增效果產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響研究成果。

在研究桉樹人工林土壤肥力、桉樹林與天然闊葉林和馬尾松林等的土壤微生物時(shí)，可以應(yīng)用基于PCR的核酸分析技術(shù)，從土壤微生物數(shù)量來看，人工林、桉樹林、天然闊葉林和馬尾松林的土壤微生物差異不明顯。在應(yīng)用基于PCR的核酸分析技術(shù)的基礎(chǔ)上，對宏基因組學(xué)以及宏基因組文庫的建立分析技術(shù)持續(xù)地進(jìn)行研究與完善，可以促進(jìn)土壤微生物在森林生態(tài)系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)研究，且具有一定的預(yù)測作用。

3.3? ?基于群落水平的生理學(xué)譜圖分析

基于群落水平的生理學(xué)圖譜分析技術(shù)通常是應(yīng)用BiologGN技術(shù)，該技術(shù)的應(yīng)用原理就是在分析板上設(shè)有96個(gè)孔，其中1個(gè)孔設(shè)置為對照，剩余的95個(gè)孔則分別接種四氮唑藍(lán)、碳源和營養(yǎng)物，在分析板中接種微生物溶液，根據(jù)試驗(yàn)條件下的分析板上孔洞顏色變化、顏色變化速率來判斷該微生物底物的被利用速率與被利用程度，則可以了解該生物群落的代謝變化狀況。

與以上兩種微生物多樣性研究技術(shù)相比，基于群落水平的生理學(xué)圖譜分析技術(shù)的成本較低，且檢測速度較快，但只能大致、粗略地揭示該土壤代謝底物的多樣性，分析結(jié)果還不夠全面。有學(xué)者通過該研究技術(shù)對海南島桉樹林土壤多樣性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在土層越深處其多樣性指標(biāo)也就越優(yōu)越，伴隨著培養(yǎng)時(shí)間增長，其土壤微生物的代謝活性隨之增加。也有研究人員應(yīng)用該技術(shù)將廣西5個(gè)地區(qū)的桉樹林作為分析土壤微生物的對照試驗(yàn)林，桉樹林區(qū)的林下土壤微生物功能多樣性與活性最高的區(qū)域?yàn)槲嘀莸貐^(qū)。

4? ?結(jié)束語

從目前桉樹人工林土壤微生物多樣性研究相關(guān)文獻(xiàn)來看，植物群落的變化會對土壤微生物多樣性與功能產(chǎn)生一定影響。通過應(yīng)用多種研究技術(shù)來研究桉樹人工林土壤微生物多樣性，明確桉樹人工林對整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展有重要作用，也可以為更加深入地了解人工桉樹林土壤肥力狀況及土壤微生物與森林生態(tài)系統(tǒng)互相作用研究提供一定的數(shù)據(jù)支持與理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[ 1 ] 宋賢沖，項(xiàng)東云，楊中寧，等.廣西桉樹人工林根際土壤微生物群落功能多樣性[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，

37（1）：58-61.

[ 2 ] 陳超凡，吳水榮，覃林，等.南亞熱帶典型鄉(xiāng)土闊葉人工林土壤微生物碳源利用及功能多樣性[J].生態(tài)學(xué)雜志，2016，35（5）：1132-1139.

[ 3 ] 羅啟仁，梁立華，覃恒，等.我國桉樹人工林土壤微生物多樣性研究進(jìn)展[J].桉樹科技，2019，36（2）：45-51.

[ 4 ] 李超，吳志華，尚秀華.桉樹人工林土壤微生物多樣性研究技術(shù)進(jìn)展[J].桉樹科技，2017，34（3）：51-54.

[ 5 ] 陳法霖，張凱，王蕓，等.引進(jìn)種桉樹人工林取代天然次生林對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2018，38（22）：8070-8079.