不同林齡杉木根際與非根際土壤微生物群落特征

郭 文, 高李文, 彭紫薇, 韋明倩, 王玉哲, 胡亞林, 劉 先

(福建農林大學 林學院, 福州 350002)

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其參與有機質分解、養(yǎng)分循環(huán)和能量流動等生態(tài)過程，在維護生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分平衡中起著重要的作用[1-2]。土壤微生物不僅是土壤有效養(yǎng)分轉化的動力，并且其本身也是土壤有效養(yǎng)分的供源和儲源[3]，其數(shù)量和組成對土壤環(huán)境變化具有高敏感性，能夠對土壤環(huán)境變化快速做出改變，可以綜合反映土壤質量和肥力在不同時間及不同環(huán)境內的變化情況[4-5]。同時，土壤微生物群落結構還可以反映土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，能夠很好地指示在人工林經營管理過程中土壤生態(tài)功能的變化[6]。

土壤微生物群落受植被類型[7]、氣候[8]、土壤環(huán)境狀況等[9]因子的影響，這些因子相互作用共同影響土壤微生物數(shù)量和群落組成。同時，在人工林林分發(fā)育過程中，林內凋落物輸入量、根系活力和微氣候隨林齡變化發(fā)生顯著變化，從而使土壤微生物數(shù)量和群落組成在不同林齡間產生較大差異[10]。根際作為植物與外界進行物質和能量交換的主要場所，是土壤微生物活動最頻繁的區(qū)域[11-12]。植物根系通過分泌各類有機物質來影響根際環(huán)境內的土壤性質[13]，從而影響微生物在根際土壤中的數(shù)量和組成。使得不同林齡林木間根際和非根際土壤間微生物含量及組成產生較大差異。根際和非根際土壤微生物群落的差異使根際有效養(yǎng)分含量發(fā)生變化，直接影響林木的生長。因此，探究不同林齡根際和非根際土壤微生物含量及組成對了解林木生長發(fā)育過程中土壤質量變化具有重要意義。

杉木(Cunninghamialanceolata)是我國南方重要的速生用材樹種，種植面積廣泛，在我國南方林業(yè)生產中占有重要的地位[14]，然而，隨著杉木人工林面積的增加及長期的純林經營及連栽等不良的經營措施，杉木人工林出現(xiàn)土壤理化性質惡化、養(yǎng)分循環(huán)失調、土壤地力衰退等問題[15-16]，已經嚴重制約了杉木人工林的可持續(xù)性經營。磷酸脂肪酸(PLFA)在自然生理條件下相對恒定，許多PLFA可以作為微生物群落結構的生物標記物[17]。本文采用PLFA技術分析不同林齡杉木根際非根際土壤微生物群落特征，探究土壤微生物群落隨林齡的變化特征和影響因子，以及不同林齡根際和非根際土壤微生物群落的差異。以期為中亞熱帶杉木人工林可持續(xù)性經營和維持其土壤肥力提供科學依據(jù)，以實現(xiàn)更大的效益和價值。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)與樣地概況

試驗區(qū)位于福建省中北部福建農林大學西芹教學林場，地理位置大致為北緯26°34′15″，東經118°05′41″，地處南方低山丘陵區(qū)，海拔180～200 m，坡度為25°左右。屬中亞熱帶季風氣候，年均溫為17.3℃，年降水量為1 817 mm。本試驗區(qū)土壤為黃紅壤，土體含有少許石礫。主要林下植被主要有粗葉榕(FicushirtaVahl)、半邊旗(PterissemipinnataL)、狗脊蕨(Woodwardiajaponica)、鐵芒萁(Dicranopterislinearis)、海金沙(Lygodiumjaponicum)、藎草(Arthraxonhispidus)等。

在研究區(qū)內選取位置相近，立地條件基本一致的3個不同林齡(7，24，34 a)杉木人工林作為研究對象。在每個林齡杉木人工林分別設置4個20 m×20 m的樣方，各樣地間隔大于50 m，對樣地基本情況進行調查，杉木不同林齡人工林樣地基本概況見表1。

表1 不同林齡杉木人工林基本概況

1.2 土壤采樣與處理

2019年8月，根據(jù)樣地基本情況，在每塊樣地選取3棵生長狀況一致的杉木作為標準木，采集根際和非根際土壤樣品。根際土壤采用Riley等[18]的抖落法收集，先去除標準木地表凋落物及殘留覆蓋物，在基部順著根系挖取細根，去除塊不含根系的土壤，抖落粘附在根系表面的土壤作為根際土(Rhizosphere，R)，混勻并裝入自封袋內，共12個根際土壤樣品；同時在標準木樹冠投影范圍外，沿S型選取5個取樣點采集0—20 cm土壤樣品作為非根際土(Non-rhizosphere，S)，將各取樣點土壤混勻，共12個非根際土壤樣品，將采集后的土壤樣品密封低溫保存并迅速帶回實驗室。采集的土壤樣品過2 mm篩，去除石塊、根系以及土壤動植物，一部分土壤自然風干，研磨后用于土壤理化性質分析；另一部分置于-80℃冰箱中保存用于土壤微生物PLFA測定。

1.3 土壤理化性質和微生物PLFA分析

土壤微生物群落測定根據(jù)White等[20]的方法，將3 g冷凍干燥土壤加入土壤提取液(檸檬酸緩沖液∶甲醇∶氯仿=0.8∶1∶2)中浸提，用氮氣吹干后溶于氯仿并利用SPE-Si柱進行純化，純化后加入甲醇甲苯混合液和KOH-甲醇溶液甲酯化，氮氣吹干后用正己烷作為內標，上機用GC-MS分析儀進行分析，測定各磷脂脂肪酸含量，根據(jù)表2生物標記物表征各微生物群落。

表2 檢測土壤微生物群落磷脂脂肪酸標記物

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22.0進行雙因素方差分析，來檢驗林齡、根際及其交互作用對土壤理化性質和微生物群落特征的影響，事后檢驗采用最小顯著性差異法(Least-significant difference，LSD)法，考慮到森林土壤的異質性和重復樣品數(shù)，顯著性水平設為p<0.1。土壤微生物群落特征與土壤理化性質和養(yǎng)分的相關關系用Pearson相關分析檢驗。運用多元統(tǒng)計分析軟件Canoco 5.0對不同林齡土壤微生物特征與土壤環(huán)境因子的關系進行冗余分析(Redundancy analysis，RDA)。

2 結果與分析

2.1 不同林齡杉木人工林根際和非根際土壤理化性質

土壤養(yǎng)分含量在不同林齡間具有顯著差異(表3，p<0.1)，隨林齡增加，根際和非根際土壤全磷，可溶性有機碳含量(DOC)顯著降低，在34 a最小，硝態(tài)氮含量隨林齡增加顯著增加，在24 a最大。銨態(tài)氮含量在34 a非根際土壤高于根際土壤，可溶性有機氮含量在7 a根際土壤高于非根際土壤。而其他養(yǎng)分含量在不同林齡及根際和非根際土壤間均無顯著差異。根際土壤pH值隨林齡增加顯著降低，在非根際土壤中則先減后增；根際和非根際土壤含水率隨林齡增加均先增后減，在24 a達到最大。

表3 土壤基本理化性質

2.2 不同林齡杉木林土壤各類群微生物PLFAs含量特征

不同林齡杉木林根際和非根際土壤微生物PLFAs含量進行分析結果表明，無論在根際還是非根際土壤，細菌群落PLFA含量均為最高，叢枝菌根真菌PLFA含量為最低(圖1)。根際土壤各類微生物群落PLFAs含量在不同林齡間存在差異，均在34 a含量最高，7 a含量最低。根際土壤總PLFAs含量表現(xiàn)為34 a>24 a>7 a。而在非根際土壤中，細菌和放線菌PLFAs含量在7 a最高，在34 a最低，而真菌則在24 a最高。根際非根際土壤間，細菌PLFAs含量在34 a根際土壤顯著高于非根際土壤，但在7 a和24 a兩個人工林間沒有顯著差異，(表4，p<0.1)。其他微生物群落在根際非根際間均沒有顯著差異。

注：*表示相同林齡根際非根際土壤差異性顯著，下圖同。圖1 不同林齡杉木林土壤各類群微生物PLFAs含量

表4 雙因素方差分析林齡、根際及兩者交互作用對土壤各類群微生物PLFAs的影響

隨林齡增加，根際土壤革蘭氏陽性菌革蘭氏陽性菌(G+)、革蘭氏陰性菌(G-)、支鏈飽和脂肪酸(TBSAT)、單烯不飽和脂肪酸(MONO)、環(huán)丙烷脂肪酸(Cy)PLFAs含量均在34 a最高，7 a最低，而飽和脂肪酸(SAT)PLFAs含量在7 a最高，24 a最低。非根際土壤細菌群落各類PLFAs含量均在34 a達到最低(圖2)。在7 a和24 a杉木人工林中，根際土壤和非根際土壤細菌群落各類PLFAs含量沒有顯著差異，但在34 a中，根際土壤革蘭氏陰性菌(G-)和環(huán)丙烷脂肪酸(Cy)顯著高于非根際土壤。

圖2 不同林齡杉木林土壤細菌群落PLFA含量

2.3 不同林齡杉木林根際和非根際土壤微生物群落結構

對表征土壤微生物群落結構的真菌∶細菌、革蘭氏陽性菌(G+)∶革蘭氏陰性菌(G-)、環(huán)丙烷脂肪酸(Cy)∶單烯不飽和脂肪酸(MONO)、MONO∶支鏈飽和脂肪酸(TBSAT)進行分析，林齡對各微生物結構沒有顯著影響，根際和非根際土壤間Cy∶MONO和MONO∶TBSAT具有顯著差異，林齡和根際的交互作用對MONO∶TBSAT具有顯著影響(表5)。7 a杉木人工林中，Cy∶MONO根際顯著高于非根際(圖3)，而34 a杉木人工林中，MONO∶TBSAT非根際土壤顯著高于根際土壤，Cy∶MONO根際土壤顯著高于非根際土壤。

表5 雙因素方差分析林齡、根際及兩者交互作用對微生物群落PLFAs結構的影響

圖3 不同林齡杉木林土壤微生物群落結構

2.4 土壤理化性質對土壤微生物群落特征的影響

相關性分析表明，細菌、總PLFA量和G+與土壤有效磷含量呈極顯著正相關(表6，p<0.05)，與銨態(tài)氮含量呈極顯著負相關；真菌與硝態(tài)氮含量呈顯著正相關(p<0.1)；叢枝菌根真菌與土壤碳磷比呈極顯著正相關，與氮磷比呈顯著正相關；放線菌與土壤有效磷含量呈顯著正相關；G-與土壤有效磷含量和土壤可溶性有機氮含量呈極顯著正相關；真菌/細菌與硝態(tài)氮含量呈顯著正相關；G+∶G-與土壤有效磷含量呈極顯著正相關(p<0.01)，與銨態(tài)氮含量呈顯著負相關。冗余分析(RDA)結果表明第一軸和第二軸分別解釋了土壤微生物群落結構變異的59.4%，13.4%(圖4)。土壤環(huán)境對微生物群落有顯著影響，其中土壤有效磷、銨態(tài)氮、可溶性有機氮、全碳、全氮含量對土壤微生物群落結構的影響較大，尤其是土壤有效磷、銨態(tài)氮含量的影響最大。

表6 土壤微生物群落結構與土壤理化性質相關性分析

圖4 不同林齡杉木土壤微生物結構與土壤因子之間的冗余分析

3 討 論

在森林生態(tài)系統(tǒng)中，林木林齡的變化能夠改變土壤環(huán)境，使土壤微生物隨環(huán)境變化而發(fā)生改變[10]。本研究中，隨著杉木林齡的增加，根際土壤各類微生物PLFAs含量不斷增加，而在非根際土壤中不斷減少，并且細菌含量在34 a根際土壤顯著高于非根際土壤。這可能與杉木自身特性及土壤環(huán)境變化有關，在根際土壤中，杉木主要通過根系活動來改變根際環(huán)境，隨著杉木林齡的增加，根系顯著生長，根系活力和分泌速率增強[21]，并且根際沉積使養(yǎng)分在根際富集[22]，進而促進了根際微生物的生長。而非根際土壤直接與地表腐殖質層接觸，其土壤微生物受凋落物及土壤養(yǎng)分含量的影響較大[23]。在杉木人工純林的生長發(fā)育過程中，其凋落物較少，因而其對土壤養(yǎng)分具有高吸收，低歸還的特點[24]，而在其造林前期，采伐跡地保留了大量的枝葉，增加了養(yǎng)分歸還量，同時煉山等措施產生的黑炭能夠在短期內顯著提高土壤中有效養(yǎng)分含量[25-26]，使非根際土壤微生物含量在生長前期較低，隨著養(yǎng)分的消耗，土壤微生物含量逐漸增加。在土壤微生物群落中，細菌群落占主導地位，已有研究表明，土壤pH值是影響土壤細菌群落組成的重要因素[27]。相對較低的pH值適合細菌的生長，使得細菌在根際土壤高于非根際土壤。

真菌和細菌是土壤生態(tài)系統(tǒng)中重要的微生物群落，其參與有機質的分解，是土壤肥力的重要指標之一，細菌占主導地位的土壤肥力較高[28]，此外，真菌∶細菌能夠表征生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，比值越大，表明土壤系統(tǒng)越穩(wěn)定[29]。本研究發(fā)現(xiàn)，細菌在杉木人工林土壤處于主導地位，且真菌：細菌的比值隨林齡的增加沒有顯著差異，說明杉木人工林林齡的增加并沒有改變土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。G+∶G-常用來指示土壤營養(yǎng)狀況，比值越大營養(yǎng)脅迫越大[30]，同時Cy∶MONO和MONO∶TBSAT也可以表征養(yǎng)分限制和環(huán)境脅迫的程度[29]。本研究中，根際和非根際土壤G+∶G-，Cy∶MONO和MONO∶TBSAT在不同林齡間沒有顯著差異，但Cy∶MONO和MONO∶TBSAT在34 a根際土壤均顯著高于非根際土壤。這表明杉木人工林隨林齡變化營養(yǎng)狀況沒有較大變化，但在34 a中，非根際土壤微生物受到的環(huán)境脅迫(如養(yǎng)分含量、水分等)大于根際土壤。

土壤微生物結構與群落組成受多種因素影響，一方面，其受植被類型、氣候、人類活動等因素的影響，另一方面，還受到土壤養(yǎng)分含量的影響[31]。相關分析和冗余分析表明，土壤養(yǎng)分含量是土壤微生物群落結構和組成的主要影響因子，這與前人對土壤微生物含量的研究結果一致[32]。其中銨態(tài)氮與細菌、G-和總PLFAs含量呈顯著負相關。已有研究表明，土壤中過量的銨態(tài)氮會抑制微生物吸收利用其他形態(tài)的氮源，從而抑制微生物的生長[33]。土壤有效磷與各微生物群落(除真菌外)呈顯著正相關，在中亞熱帶森林中土壤普遍存在磷限制，當土壤存在磷限制狀況時，土壤微生物能夠分泌較多與磷相關的酶來提高有機磷的礦化，促進有效磷含量[34]。土壤真菌含量與硝態(tài)氮呈顯著正相關，叢枝菌根真菌與C∶P和N∶P呈顯著正相關，說明土壤中N和P含量一定程度上會影響土壤微生物群落。此外，可溶性有機物是土壤養(yǎng)分遷移及損失的主要形式，其主要來源于微生物的活動和有機質的分解[10]，本研究中，土壤DON和DOC對微生物群落呈顯著正相關關系，對微生物的活動具有顯著影響。

4 結 論

隨林齡的增加，杉木人工林根際土壤各類微生物數(shù)量不斷增加，而在非根際土壤中不斷減少，細菌數(shù)量在34 a根際土壤顯著高于非根際土壤，在其他微生物及其他林齡間均無顯著差異。

土壤有效磷和銨態(tài)氮含量是驅動土壤微生物變化的最主要因素，主要原因是中亞熱帶地區(qū)主要存在磷限制，土壤微生物能夠分泌更多的有效磷供杉木吸收利用。因此，在杉木人工林經營管理過程中，應當適當增施磷肥，以提高土壤微生物數(shù)量，確保杉木的良好發(fā)育。