不同干擾強(qiáng)度對(duì)華北落葉松-云杉混交林土壤細(xì)菌群落組成及多樣性的影響

閆海冰，李璟，陳頌，周朵朵

（1.太原工業(yè)學(xué)院 環(huán)境與安全工程系，山西 太原 030008；2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 森林生態(tài)環(huán)境與自然保護(hù)研究所，北京 100000；3.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，山西 晉中 030801）

土壤微生物參與了土壤中腐殖質(zhì)形成［1］、有機(jī)質(zhì)分解［2］、養(yǎng)分循環(huán)［3］等過程，在土壤生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用［4］。其中，土壤細(xì)菌作為土壤微生物的重要組成部分，在數(shù)量上占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)［5］，細(xì)菌群落的組成及多樣性結(jié)構(gòu)與其直接參與的枯落物分解、生物固氮、無機(jī)營(yíng)養(yǎng)釋放等一系列土壤生態(tài)學(xué)過程密切相關(guān)［6］。研究表明，植物基因型顯著影響土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)［7］；Guoyu 等［8］認(rèn)為，細(xì)菌群落分布的尺度變化存在歷史偶然性，小尺度范圍的差異受到季節(jié)變化的顯著影響；Yunfu 等［9］研究發(fā)現(xiàn)，土壤環(huán)境的改變是導(dǎo)致土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化的重要因素。在華北關(guān)帝山林區(qū)，喬莎莎等［10］發(fā)現(xiàn)不同林下土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性的顯著差異是由擴(kuò)散限制環(huán)境的選擇造成的。在此基礎(chǔ)上，周永娜等［11］的研究結(jié)果表明林下土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)受土壤理化性質(zhì)的影響較大。然而，森林生態(tài)系統(tǒng)多元復(fù)雜，林分類型變化多樣，林分狀況參差不齊，導(dǎo)致森林土壤理化性質(zhì)在區(qū)域尺度或局域尺度均有差異［12］。因此，森林土壤細(xì)菌群落分布與森林樹木的存在密切相關(guān)。

有研究表明，干擾改變了森林植被的存在格局［13］，與森林生物群落的多樣性和分布特征緊密相關(guān)［14］。干擾通過改變森林植被的分布特征而影響林分的密度、郁閉度、林下光照等林分因子，從而影響植物-土壤的互作關(guān)系及土壤的水養(yǎng)循環(huán)，造成森林地上及地下生物多樣性發(fā)生變化。近年來，諸多學(xué)者開展了有關(guān)土壤細(xì)菌群落對(duì)干擾的響應(yīng)研究。駱娟等［15］的研究表明旅游活動(dòng)顯著影響了土壤細(xì)菌群落多樣性；陳香碧等［16］的研究發(fā)現(xiàn)，變形菌門的相對(duì)豐度在人為干擾的生態(tài)系統(tǒng)中顯著減少。還有學(xué)者認(rèn)為，人為或植物干擾會(huì)使土壤pH 值、有機(jī)質(zhì)等土壤因素發(fā)生改變，進(jìn)而影響土壤細(xì)菌群落的分布［17-18］。這些研究有助于我們深入了解干擾在土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和功能演變中發(fā)揮的重要作用。然而，針對(duì)干擾對(duì)我國(guó)華北亞高山暖溫帶寒溫性森林土壤細(xì)菌群落分布的影響及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制的研究尚未見報(bào)道。

關(guān)帝山華北落葉松（Larix principis-rupprechtii）-云杉（Picea asperata）混交林是我國(guó)華北地區(qū)典型的山地暖溫帶寒溫性森林類型，對(duì)華北山地森林生物多樣性維持具有重要意義［19］?；诖耍狙芯吭谏轿魇￡P(guān)帝山龐泉溝國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)建立不同干擾等級(jí)的華北落葉松-云杉混交林樣地，并在對(duì)樣地本底調(diào)查基礎(chǔ)上進(jìn)行土壤采樣工作。通過土壤細(xì)菌高通量測(cè)序及9 個(gè)土壤理化性質(zhì)的測(cè)定工作，對(duì)比分析不同干擾等級(jí)林下土壤細(xì)菌群落的相對(duì)豐度及多樣性的差異，并探究土壤理化性質(zhì)對(duì)細(xì)菌群落分布的相對(duì)貢獻(xiàn)。結(jié)果有助于深入了解華北亞高山森林土壤細(xì)菌群落分布特征對(duì)干擾的響應(yīng)及其潛在的生態(tài)學(xué)驅(qū)動(dòng)機(jī)制，對(duì)進(jìn)一步探測(cè)森林土壤生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生規(guī)律具有重要意義。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地位于山西省關(guān)帝山龐泉溝國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)（11°22′E～111°33′E，37°45′N～37°55′N）。本地區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，具有典型的山地氣候特征。年平均氣溫低（4.3 ℃），1 月最低氣溫可達(dá)-23 ℃，7 月最高氣溫30.5 ℃，年平均降水量和蒸發(fā)量分別為822.6 mm 和1268 mm。土層平均厚度為70～80 cm，其中腐殖質(zhì)層厚度為10 cm［20］。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置與樣地調(diào)查

2020 年選擇保護(hù)區(qū)內(nèi)柴祿溝分布的華北落葉松-云杉混交林為樣地布設(shè)點(diǎn)（圖1A），根據(jù)林分密度、郁閉度及伐樁數(shù)量，建立3 個(gè)不同干擾程度的研究樣地（40 m×40 m），利用全站儀將每個(gè)樣地劃分為4 個(gè)20 m×20 m 樣方，然后將每個(gè)樣方劃分為16 個(gè)小5 m×5 m 小樣方并以順時(shí)針方向進(jìn)行本地調(diào)查。準(zhǔn)確測(cè)量并記錄每個(gè)小樣方內(nèi)所有喬木（胸徑≥1 cm）的種名、胸徑、樹高，同時(shí)記錄了海拔、坡度、郁閉度和伐樁數(shù)量等環(huán)境因子，調(diào)查結(jié)果見表1。3 個(gè)樣地主要喬木樹種為云杉和華北落葉松，伴生種有白樺（Betula platyphylla）、山楊（Populus davidiana）等；灌木主要有刺梅（Euphorbia Milii）、土莊繡線菊（Spiraea pubesceni）、華北衛(wèi)矛（Euonymus maackii）等；草本主要有藜蘆（Veratrum nigrum）、茜草（Rubia cordifolia）、野草莓（Fragaria vesca）等。

表1 不同干擾等級(jí)樣地概況Table 1 Overview of plots with different interference level

圖1 樣地選址及土壤采樣點(diǎn)Fig.1 Plot selection and soil sampling sites

依據(jù)各樣地調(diào)查結(jié)果，計(jì)算相對(duì)郁閉度、相對(duì)林分平均密度和相對(duì)伐樁密度。以郁閉度最小的3 號(hào)樣地為參照（相對(duì)郁閉度為1.00），求得1、2 號(hào)樣地相對(duì)郁閉度分別為1.16（0.848/0.730）和1.11（0.815/0.730），依此方法分別計(jì)算各指標(biāo)相對(duì)值。各樣地干擾度值為樣地各指標(biāo)相對(duì)值之和。參照左政等［21］干擾等級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)，劃分3 個(gè)樣地為不同的干擾等級(jí)并進(jìn)行命名（表2），其中，1 號(hào)樣地（N）干擾度值為4.43（FDI＜13.4），其干擾等級(jí)命名為“未干擾（NI 級(jí)）”；2 號(hào)樣地（S1）干擾度值為14.07（13.4≤FDI＜30.9），為“Ⅰ級(jí)干擾”；3號(hào) 樣 地（S2）干 擾 度 值 為31.33（30.9≤FDI＜48.5），為“Ⅱ級(jí)干擾”。

表2 各樣地的干擾程度Table 2 Disturbance intensity of various plots

1.2.2 土壤采樣及有關(guān)指標(biāo)的測(cè)定

參照5 點(diǎn)取樣法土壤取樣技術(shù)規(guī)范，在每個(gè)樣地的4 個(gè)頂點(diǎn)及中心點(diǎn)處進(jìn)行取樣。為保證所取土壤樣本能更好地代表樣地內(nèi)土壤狀況，將每個(gè)樣地劃分成4 個(gè)均等的20 m×20 m 的小樣方，至少于每個(gè)小樣方的中心點(diǎn)取樣，并在樣方內(nèi)其它位置隨機(jī)取樣，由此共計(jì)每個(gè)樣地至少9 個(gè)取樣點(diǎn)（圖1B）。每個(gè)取樣點(diǎn)的取樣面積為0.2 m×0.2 m，取樣厚度為0～10 cm（去除凋落物層），取樣同時(shí)測(cè)量并記錄各采樣點(diǎn)土壤溫度（T），由WET-2-K1 分析儀（英國(guó)）測(cè)得。將采得的土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，去除枝條、根系等雜質(zhì)后過2 mm 篩并備份2份，分別用于土壤細(xì)菌的高通量測(cè)序（保存至-80 ℃環(huán)境）及土壤理化性質(zhì)的測(cè)定。

土壤細(xì)菌測(cè)定采用16S rRNA 擴(kuò)增子技術(shù)［22］對(duì)超低溫保存的土壤細(xì)菌樣本進(jìn)行高通量測(cè)序。分別利用特定引物-338F（5'-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3'）和806R（5'-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3'）對(duì)16S rRNA 的V3-V4區(qū)進(jìn)行測(cè)序。測(cè)序工作由上海阿趣生物科技有限公司完成（http：//www. biotree. cn），測(cè)序獲取內(nèi)容為各采樣點(diǎn)的土壤細(xì)菌多樣性、細(xì)菌在各生物分類級(jí)別中的相對(duì)豐度（門、綱、目、科、屬、種）等。

土壤理化性質(zhì)參照鮑士旦［23］《土壤農(nóng)化分析》（第三版）對(duì)常溫保存的土壤樣本進(jìn)行土壤理化性質(zhì)測(cè)定，包括土壤含水率（SMC）、土壤pH 值、土壤有機(jī)質(zhì)（OM）、土壤有效氮（AN）、土壤有效磷（AP）、土壤有效鉀（AK）、土壤有效鋅（AZn）、土壤有效鐵（AFe）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

利用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，對(duì)每個(gè)樣地內(nèi)各采樣點(diǎn)所測(cè)土壤細(xì)菌群落的相對(duì)豐度進(jìn)行均值處理，在門水平（Phylum）、屬水平（Genus）分別統(tǒng)計(jì)各樣點(diǎn)相對(duì)豐度＞1%的土壤細(xì)菌，以反映不同干擾等級(jí)樣地內(nèi)土壤細(xì)菌群落的總體分布狀況。數(shù)據(jù)分析由R 4.0.3 實(shí)現(xiàn)。

1.3.2 方差顯著性分析

計(jì)算各樣地OTU 水平上的細(xì)菌群落在97%一致性閾值下的Alpha 多樣性指數(shù)。其中，ACE指數(shù)表示一個(gè)群落中OTU 數(shù)量的估計(jì)值；Chao 1指數(shù)表示細(xì)菌群落樣本中包含物種總數(shù)的值；Simpson 指數(shù)體現(xiàn)了細(xì)菌群落分布的多樣性和均勻性；Shannon 指數(shù)表示樣本中分類的總數(shù)和比例；PD_whole tree 指數(shù)表示各細(xì)菌群落內(nèi)物種的關(guān)系-譜系多樣性。數(shù)據(jù)分析由Mothur 1.30實(shí)現(xiàn)。

基于此，分別將不同樣地間各細(xì)菌群落豐度、各Alpha 多樣性指數(shù)、各土壤理化性質(zhì)進(jìn)行單因素方差（One-Way ANOVA）分析，以反映不同干擾情況下土壤細(xì)菌群落Alpha 多樣性、土壤理化性質(zhì)的差異性（置信區(qū)間為95%）。 數(shù)據(jù)分析由R 4.0.3 實(shí)現(xiàn)。

1.3.3 非度量多維尺度分析

對(duì)各樣地細(xì)菌群落進(jìn)行非度量多維尺度（NMDS，Non-Metric Multi-Dimensional Scaling）分析，通過對(duì)比二維排序圖上點(diǎn)與點(diǎn)間的距離，反映不同樣本間的差異程度，以進(jìn)一步說明不同干擾等級(jí)下土壤細(xì)菌結(jié)構(gòu)的相異性。數(shù)據(jù)分析由R4.0.3實(shí)現(xiàn)。

1.3.4 冗余分析

利用冗余分析（Redundancy analysis，RDA），將各樣地內(nèi)相對(duì)豐度＞1%的土壤優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門和土壤優(yōu)勢(shì)細(xì)菌屬與土壤理化性質(zhì)進(jìn)行RDA 排序，通過999 次蒙特卡洛（Monte Carlo）隨機(jī)置換檢驗(yàn)環(huán)境因子與土壤細(xì)菌群落分布的顯著性，并在RDA 中 使用層次分 割（Hierarchical partitioning，HP）分析土壤理化性質(zhì)分別對(duì)土壤細(xì)菌門水平和屬水平的貢獻(xiàn)度和重要性［24］，進(jìn)而探究華北亞高山森林土壤細(xì)菌群落分布的驅(qū)動(dòng)因素。數(shù)據(jù)分析由R 4.0.3 實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同干擾強(qiáng)度下土壤細(xì)菌的群落組成

由圖2 可見，3 種干擾強(qiáng)度的華北落葉松-云杉混交林樣地土壤細(xì)菌組成有差異。在門水平上，3個(gè)樣地主要細(xì)菌有：變形菌門（Proteobacteria）相對(duì)豐度變化范圍為：23.71%～24.90%，N＞S2＞S1；未明確細(xì)菌門（unidentified_Bacteria）相對(duì)豐度變化范圍為：19.78%～20.45%，S1＞S2＞N；放線菌門（Actinobacteriota）相對(duì)豐度變化范圍為：13.57%～15.95%，N＞S1＞S2；酸桿菌門（Acidobacteriota）相對(duì)豐度變化范圍為：12.09%～13.33%，S1＞S2＞N；疣微菌門（Verrucomicrobiota）相對(duì)豐度變化范圍為：4.25%～4.98%，S2＞N＞S1；綠彎菌門（Chloroflexi）相對(duì)豐度變化范圍為：3.79%～4.03%，S1＞N＞S2；粘 球 菌 門（Myxococcota）相對(duì)豐度變化范圍為：2.59%～2.94%，S1＞S2＞N；擬桿菌門（Bacteroidota）相對(duì)豐度變化范圍為：2.33%～2.80%，N＞S1＞S2（圖2A）。在屬水平上，3 個(gè)樣地土壤細(xì)菌主要以RB41屬相對(duì)豐度變化范圍為：3.55%～5.97%，S1＞N＞S2；Candidatus_Udaeobacter屬相對(duì)豐度變化范圍為：2.33%～2.94%，N＞S2＞S1；大豆根瘤菌屬（Bradyrhizobium）相對(duì)豐度變化范圍為：2.21%～2.88%，N＞S2＞S1；MND1屬相對(duì)豐度變 化 范 圍 為1.08%～1.62%，S2＞S1＞N；Ellin6067屬相對(duì)豐度變化范圍為：1.16%～1.47%，S2＞S1＞N。（圖2B）。結(jié)果表明，在門水平上，變形菌門、未明確細(xì)菌門、放線菌門、酸桿菌門是3 個(gè)樣地土壤中最豐富的細(xì)菌群，其中，3 種干擾強(qiáng)度土壤樣品細(xì)菌群落豐度在酸桿菌門呈顯著性差異（P＜0.05）；在 屬 水 平 上，RB41屬、Candidatus_Udaeobacter屬、大豆根瘤菌 屬、MND1屬 是3個(gè)樣地土壤中最豐富的細(xì)菌群，其中，3 種干擾強(qiáng)度土壤樣品細(xì)菌群落豐度在RB41屬、MND1屬呈顯著性差異（P＜0.05）。

圖2 不同干擾等級(jí)樣地細(xì)菌門水平（A）和屬水平（B）的組成Fig.2 Composition of bacteria at Phylum level（A）and Genus level（B）in plots with different interference gradients

2.2 不同干擾等級(jí)下土壤細(xì)菌群落Alpha 多樣性

對(duì)不同干擾等級(jí)的3 個(gè)樣地內(nèi)土壤細(xì)菌群落進(jìn)行Alpha 多樣性分析，結(jié)果如表3 所示，未干擾樣地各項(xiàng)多樣性指數(shù)均顯著低于Ⅰ、Ⅱ級(jí)干擾樣地（P＜0.05），而Ⅰ、Ⅱ級(jí)干擾樣地間的各項(xiàng)多樣性指數(shù)差異均不顯著（P＞0.05）。在未干擾樣地中，OTU 個(gè)數(shù)（2 679.05）、ACE 指數(shù)（3 204.38）和Chao 1 指數(shù)（3 090.88）與其余2 個(gè)樣地的差異說明，在未干擾的條件下，土壤細(xì)菌群落的物種數(shù)目相對(duì)較低；Simpson 指數(shù)（0.995 0）和Shannon 指數(shù)（9.59）的差異則說明，未干擾的樣地中物種豐富度和均勻度相對(duì)較低。而Ⅰ、Ⅱ級(jí)干擾樣地間，Ⅰ級(jí)干擾樣地的各項(xiàng)指數(shù)均高于Ⅱ級(jí)干擾樣地，結(jié)合上述結(jié)果表明，隨干擾的增強(qiáng)，土壤細(xì)菌群落Alpha 多樣性各項(xiàng)指數(shù)呈先增后降的趨勢(shì)。

表3 不同干擾等級(jí)樣地土壤細(xì)菌群落多樣性Table 3 Diversity of soil bacterial community in plots with different interference gradients

2.3 不同干擾強(qiáng)度下土壤細(xì)菌群落差異分析

在OTU 水平上，采用基于Bray-Curtis 距離的非度量多維尺度分析（NMDS）分析了不同干擾強(qiáng)度下土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的差異（圖3），模型應(yīng)力函數(shù)值Stress＜0.2，說明排序模型合理。結(jié)果表明，Ⅰ級(jí)干擾樣地和Ⅱ級(jí)干擾樣地樣點(diǎn)分布相對(duì)獨(dú)立，而未干擾樣地樣點(diǎn)分布相對(duì)較為分散。利用相似性分析（ANOSIM）進(jìn)一步對(duì)3 個(gè)干擾等級(jí)樣地土壤細(xì)菌群落的群落結(jié)構(gòu)差異性進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，土壤細(xì)菌群落組成有顯著性差異（R=0.145，P=0.002），R＞0，說明組間差異大于組內(nèi)差異。其中，Ⅰ級(jí)干擾樣地和Ⅱ級(jí)干擾樣地呈顯著性差異；Ⅱ級(jí)干擾樣地和未干擾樣地呈顯著性差異；Ⅰ級(jí)干擾樣地和未干擾樣地差異不顯著（表4）。這表明干擾影響了土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)，隨干擾強(qiáng)度增大，干擾對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響變得顯著。

表4 不同干擾等級(jí)樣地土壤細(xì)菌群落ANOSIM 兩兩比較分析Table 4 Pairable ANOSIM comparative analysis of soil bacterial community of plots with different interference gradients

圖3 土壤細(xì)菌群落非度量多維尺度分析（NMDS）分析Fig.3 Non-metric multidimensional scaling（NMDS）of soil bacterial community

2.4 不同干擾強(qiáng)度土壤理化性質(zhì)分析

在不同干擾等級(jí)的樣地中，土壤理化性質(zhì)存在差異（表5）。其中，未干擾樣地的土壤有機(jī)質(zhì)含量（114.96 g·kg-1）和有效鉀含量（195.23 mg·kg-1）顯著高于Ⅰ、Ⅱ級(jí)干擾樣地；Ⅰ級(jí)干擾強(qiáng)度樣地的土壤有效氮含量（125.74 mg·kg-1）顯著低于未干擾和Ⅱ及干擾樣地；Ⅱ級(jí)干擾樣地的土壤溫度（13.79℃）顯著低于未干擾和Ⅰ級(jí)干擾樣地。土壤含水率、pH 值、有效鋅和有效鐵在各干擾等級(jí)樣地中含量的差異均不顯著。土壤含水率和pH 值隨干擾等級(jí)的增加呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)；土壤溫度和土壤有效磷隨干擾等級(jí)的增加呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)；土壤有機(jī)質(zhì)、有效氮、有效鉀、有效鋅和有效鐵隨干擾等級(jí)的增加呈現(xiàn)先減后增趨勢(shì)，但增幅較低。這表明，干擾的增加是導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)變化的關(guān)鍵因素。

表5 不同干擾等級(jí)樣地土壤理化性質(zhì)Table 5 Soil physicochemical properties in plots with different interference gradients

2.5 土壤細(xì)菌群落與土壤理化性質(zhì)的冗余分析

為進(jìn)一步明確樣地尺度上（40 m×40 m）造成土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異的關(guān)鍵環(huán)境因子，分別對(duì)土壤細(xì)菌群落優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門和優(yōu)勢(shì)細(xì)菌屬與土壤理化性質(zhì)進(jìn)行冗余分析。結(jié)果表明，在門水平上（圖4A），模型總解釋量為63.13%，第1 軸和第2 軸的解釋量分別為45.01%和13.18%。置換檢驗(yàn)結(jié)果顯示，土壤含水率、土壤溫度、有效氮、有效磷、有效鉀、有效鋅與優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門分布顯著相關(guān)，其中變形菌門與有效磷呈正相關(guān)，與土壤溫度呈負(fù)相關(guān)；放線菌門與土壤溫度、有效氮、有效磷、有效鉀、有效鋅呈正相關(guān)，與土壤含水率呈負(fù)相關(guān)；酸桿菌門與土壤含水率呈正相關(guān)，與有效氮、有效磷、有效鉀、有效鋅呈負(fù)相關(guān)。在屬水平上（圖4B），模型總解釋量為60.66%，第一軸和第二軸的解釋量分別為44.34%和7.75%。置換檢驗(yàn)結(jié)果顯示，有效氮、有效磷、有機(jī)質(zhì)與優(yōu)勢(shì)細(xì)菌屬分布顯著相關(guān)，其中RB41屬與有機(jī)質(zhì)、有效氮、有效磷呈負(fù)相關(guān)；Candidatus_Udaeobacter屬與有效磷呈負(fù)相關(guān)；大豆根瘤菌屬與有機(jī)質(zhì)、有效氮呈正相關(guān)。其余優(yōu)勢(shì)菌門與優(yōu)勢(shì)均屬均集中分布在原點(diǎn)周圍，表明其在3 個(gè)干擾等級(jí)樣地內(nèi)均呈均勻分布。同時(shí)對(duì)模型的層次分割分析表明，在模型包含的環(huán)境因素中，有效氮對(duì)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)影響最大，解釋了土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的15.61%（門水平）和18.56%（屬水平）（圖5），說明有效氮是影響土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。

圖4 優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門（A）、優(yōu)勢(shì)細(xì)菌屬（B）與土壤環(huán)境因子冗余分析Fig.4 Redundancy analysis（RDA）on soil dominant bacteria phyla（A）and soil dominant bacteria genus（B）constrained by soil variables

圖5 土壤環(huán)境因子對(duì)優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門（A）、優(yōu)勢(shì)細(xì)菌屬（B）群落結(jié)構(gòu)影響的解釋量Fig.5 Interpretation of the effects of soil variables on the community structure of soil dominant bacteria phyla（A）and soil dominant bacteria genus（B）

3 討論

有研究表明，變形菌門和放線菌門主要參與有機(jī)質(zhì)分解，是土壤中最豐富的細(xì)菌類群［25］。Fierer 等［26］研究發(fā)現(xiàn)在溫帶森林中酸桿菌是土壤中的優(yōu)勢(shì)菌門。劉洋等［27］研究發(fā)現(xiàn)黃土高原不同喬木林下土壤細(xì)菌群落中變形菌門為最主要的優(yōu)勢(shì)菌門。本研究中，華北亞高山華北落葉松-云杉混交林不同干擾強(qiáng)度下3 塊樣地的土壤細(xì)菌群落在門水平上具有相似性，均以變形菌門、未明確細(xì)菌門、放線菌門、酸桿菌門為主要菌門，與之前研究結(jié)果基本一致。本研究重點(diǎn)關(guān)注了不同強(qiáng)度干擾對(duì)森林土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明，3 種干擾強(qiáng)度土壤樣品細(xì)菌群落豐度在酸桿菌門呈顯著性差異，在RB41屬、MND1屬呈顯著性差異（P＜0.05）。這說明干擾影響了森林土壤細(xì)菌的群落組成，不同干擾強(qiáng)度引起了土壤中主要菌群在細(xì)菌群落中的占比發(fā)生變化。對(duì)3 個(gè)樣地土壤細(xì)菌群落Alpha 多樣性分析表明，干擾影響了森林土壤細(xì)菌群落的分布。未干擾樣地（N）物種豐富度和均勻度相對(duì)較低，隨干擾加大，Ⅰ級(jí)干擾樣地（S1）各項(xiàng)Alpha 多樣性指數(shù)均顯著提高。但隨著干擾強(qiáng)度由Ⅰ級(jí)增加至Ⅱ級(jí)，對(duì)應(yīng)干擾樣地S2 各項(xiàng)指數(shù)較S1 有所下降，這與王永強(qiáng)［28］的研究結(jié)果一致。表明干擾對(duì)土壤細(xì)菌群落多樣性的影響也符合“中度干擾假說”，適度的干擾可以提高土壤細(xì)菌多樣性，過輕或過重的干擾都將使土壤細(xì)菌多樣性降低［29］。對(duì)3 個(gè)樣地細(xì)菌群落的差異性分析發(fā)現(xiàn)，隨干擾強(qiáng)度增大，干擾對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響變得顯著。

土壤作為細(xì)菌賴以生存的重要基礎(chǔ)，土壤理化因子是影響土壤細(xì)菌群落分布［30］和細(xì)菌群落多樣性［31］的關(guān)鍵因素。冗余分析表明，土壤含水量、土壤溫度、有機(jī)質(zhì)、有效氮、有效磷、有效鉀、有效鋅對(duì)土壤細(xì)菌群落（門水平和屬水平）結(jié)構(gòu)影響顯著，這與喬莎莎［10］在關(guān)帝山的研究結(jié)果基本一致。土壤含水量的變化會(huì)改變土壤孔隙度，進(jìn)而影響土壤細(xì)菌呼吸，導(dǎo)致其生物量［32］及活性變化［33］。土壤溫度影響土壤細(xì)菌的活性，能夠改變土壤細(xì)菌群落的多樣性［34］。土壤pH 是土壤微生物重要的影響因子［35］。大多數(shù)土壤細(xì)菌通過分解有機(jī)質(zhì)獲得能量，有機(jī)質(zhì)是土壤細(xì)菌群落關(guān)鍵的生態(tài)驅(qū)動(dòng)因素［36］。土壤碳、氮循環(huán)及轉(zhuǎn)化過程離不開土壤細(xì)菌的參與，同時(shí)又影響著細(xì)菌在土壤中的活動(dòng)和群落構(gòu)建［37］。有效鋅對(duì)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)有影響，可能原因與重金屬脅迫或者土壤細(xì)菌參與重金屬降解作用有關(guān)［38］。本研究發(fā)現(xiàn)，變形菌門與有效磷呈正相關(guān)，與土壤溫度呈負(fù)相關(guān)；放線菌門與土壤溫度、有效氮、有效磷、有效鉀、有效鋅呈正相關(guān)，與土壤含水率呈負(fù)相關(guān)；酸桿菌門與土壤含水率呈正相關(guān)，與有效氮、有效磷、有效鉀、有效鋅呈負(fù)相關(guān)。結(jié)果符合具有典型r-策略（富營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌）和k-策略（貧營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌）生態(tài)屬性的微生物群落理論［39］。富營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌需要高營(yíng)養(yǎng)條件，如果資源充足，會(huì)保持高增長(zhǎng)率，占據(jù)群落的優(yōu)勢(shì)地位。在低資源濃度的脅迫條件下，貧營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌可能比富營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌更有競(jìng)爭(zhēng)力。變形菌門在富營(yíng)養(yǎng)的環(huán)境中生長(zhǎng)迅速，其相對(duì)豐度隨土壤碳、氮含量增加而增加［40］，而酸桿菌門是一種低營(yíng)養(yǎng)環(huán)境占據(jù)優(yōu)勢(shì)的貧營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌［41］。放線菌則生態(tài)幅較寬，對(duì)貧、富營(yíng)養(yǎng)土壤環(huán)境均有較好適應(yīng)性［42-44］，本研究中放線菌屬于富營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌。RB41屬、Candidatus_Udaeobacter屬、大豆根瘤菌屬僅表現(xiàn)出與有效氮等土壤養(yǎng)分因子的相關(guān)性，相較優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門，土壤細(xì)菌群落在屬水平上更高的多樣性可能是造成其與土壤含水量、土壤溫度等不相關(guān)的原因。研究未發(fā)現(xiàn)土壤pH 與細(xì)菌群落的相關(guān)性，可能與土壤pH 隨干擾強(qiáng)度變化不顯著有關(guān)。定量分析土壤變量對(duì)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的解釋度發(fā)現(xiàn)，有效氮對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響最大，表明有效氮為多數(shù)細(xì)菌利用的營(yíng)養(yǎng)元素，影響多數(shù)細(xì)菌的生存［45］，也證明土壤碳氮循環(huán)與土壤細(xì)菌之間的密切聯(lián)系。

干擾改變了林分密度、林分郁閉度，進(jìn)而導(dǎo)致林分中林窗大小、植被凋落物組成及含量發(fā)生變化，土壤理化性質(zhì)也因此而發(fā)生變化。本研究中，與未干擾樣地相比，受干擾樣地（Ⅰ、Ⅱ級(jí)干擾樣地）土壤溫度顯著下降，土壤有機(jī)質(zhì)、有效氮、有效鉀、有效鋅隨干擾等級(jí)的增加呈現(xiàn)先減后增的變化趨勢(shì)，為具有不同策略的細(xì)菌生存創(chuàng)造了條件，因此細(xì)菌群落的多樣性較未干擾樣地反而升高。干擾改變了華北亞高山森林土壤細(xì)菌生存的土壤環(huán)境［46-48］，從而影響了細(xì)菌群落組成及多樣性結(jié)構(gòu)。本文NMDS 結(jié)果也證明，對(duì)林分的不同干擾強(qiáng)度造成了土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)在空間上存在顯著差異。

4 結(jié)論

（1）亞高山華北落葉松-云杉混交林土壤細(xì)菌門水平上，變形菌門、未明確細(xì)菌門、放線菌門、酸桿菌門是3 個(gè)樣地土壤中最豐富的細(xì)菌群，其中，3種干擾強(qiáng)度土壤樣品細(xì)菌群落豐度在酸桿菌門呈顯著性差異；屬水平上，RB41屬、Candidatus_Udaeobacter屬、大豆根瘤菌屬、MND1屬是3個(gè)樣地土壤中最豐富的細(xì)菌群，其中，3 種干擾強(qiáng)度土壤樣品細(xì)菌群落豐度在RB41屬、MND1屬差異顯著。

（2）未干擾樣地（N）土壤細(xì)菌物種豐富度和均勻度較低，隨干擾加大，Ⅰ級(jí)干擾樣地（S1）各項(xiàng)Alpha 多樣性指數(shù)均顯著提高。隨干擾強(qiáng)度由Ⅰ級(jí)增至Ⅱ級(jí)，對(duì)應(yīng)干擾樣地S2 各項(xiàng)指數(shù)較S1 有所下降。適度干擾可提高土壤細(xì)菌多樣性，過輕或過重的干擾都將使土壤細(xì)菌多樣性降低。對(duì)3 個(gè)樣地細(xì)菌群落的差異分析表明，隨干擾強(qiáng)度增大，干擾對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響變得顯著。

（3）與未干擾樣地相比，受干擾樣地（Ⅰ、Ⅱ級(jí)干擾樣地）土壤溫度顯著下降，土壤有機(jī)質(zhì)、有效氮、有效鉀、有效鋅隨干擾等級(jí)的增加呈現(xiàn)先減后增的變化趨勢(shì)。這些土壤因子對(duì)土壤細(xì)菌群落（門水平和屬水平）結(jié)構(gòu)影響顯著。土壤理化性質(zhì)對(duì)細(xì)菌群落在門水平的模型解釋量為63.13%，屬水平的解釋量為60.66%。其中有效氮對(duì)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)影響最大，可解釋15.61%（門水平）和18.56%（屬水平）的土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)。