中國不同氣候類型森林土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及其影響因素

姜懿珊，孫迎韜，張干，羅春玲*

1. 武漢科技大學綠色制造工程研究院，湖北 武漢 4880011；2. 中國科學院廣州地球化學研究所/有機地球化學國家重點實驗室，廣東 廣州 510640

森林土壤微生物在森林生態(tài)系統(tǒng)中擔任著分解動植物的重要使命，是生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的部分，推動著生態(tài)系統(tǒng)的能量流動和物質(zhì)循環(huán)（丁爽等，2023）。森林土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)是森林生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境評價的重要依據(jù)之一，可以反映微生物在生態(tài)系統(tǒng)中的生物化學特征在土壤環(huán)境因素作用下的變化情況（李雪等，2020）。例如，通過分解植被凋落物，土壤微生物可直接影響植物的生長和土壤肥力的保持，并間接對森林生物防治、養(yǎng)分供給等生態(tài)進程產(chǎn)生影響（朱萬澤等，2023）。微生物的群落結(jié)構(gòu)受到生態(tài)系統(tǒng)中多種環(huán)境因素的共同影響，在不同地理氣候條件下，隨土壤環(huán)境而改變，在全球森林生態(tài)系統(tǒng)中形成了不同的生態(tài)結(jié)構(gòu)分布，反映了微生物對環(huán)境的適應性（White et al.，1979）。

磷脂脂肪酸（PLFAs）在真核生物和細菌的細胞膜中分別占50%和98%（Lechevalier et al.，1976），且具有在細胞死亡后迅速降解的特征（Lewe et al.，2021），因此是一種代表所有活體生物的標志物（Campbell，2010）。PLFAs 的組成和質(zhì)量分數(shù)在同一種微生物中十分穩(wěn)定且具有可遺傳性，其化學性質(zhì)穩(wěn)定，不易在提取過程中喪失或轉(zhuǎn)化（張秋芳等，2009；吳則焰等，2014）。因此，其結(jié)構(gòu)和質(zhì)量分數(shù)可以用于指示特定生物或生物種群的生存活動情況（畢明麗等，2010）。PLFA 方法現(xiàn)已被廣泛應用于土壤微生物群落的動態(tài)監(jiān)測（趙帥等，2011；譚紅妍等，2015；韋應莉等，2018）中。PLFAs 定量分析可用于表征微生物活細胞生物量，PLFAs 定性分析可用于表征土壤微生物群落結(jié)構(gòu)（王衛(wèi)霞，2013；徐德英等，2020）。

目前，針對中國森林生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的研究主要集中在單一或區(qū)域范圍內(nèi)，對土壤微生物在空間上的整體分布差異還缺乏了解（張瑞娟等，2011）。在全球變暖、環(huán)境污染等因素影響下，土壤微生物的種類、數(shù)量、功能及營養(yǎng)元素的生物地球化學循環(huán)也可能發(fā)生變化（徐文煦等，2009）。因此，比較不同氣候帶上微生物空間分布規(guī)律，探究環(huán)境影響因素，對于了解中國森林土壤微生物群落特征、維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和應對全球氣候變化等均具重要意義。本研究擬考慮地理位置和森林生態(tài)系統(tǒng)類型的變化，采集中國地帶性森林土壤樣品，應用PLFA 方法研究不同氣候類型的森林土壤微生物生物量和群落結(jié)構(gòu)的特征，揭示影響森林土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的環(huán)境因子。

1 材料和方法

1.1 樣品采集

采樣區(qū)所在的27 個國家自然保護區(qū)地理位置和所處氣候帶、森林類型如表1 所示。其中，1 個位于寒溫帶：大興安嶺；5 個位于溫帶：小興安嶺，長白山，賽罕烏拉，塞罕壩，白草洼；5 個位于暖溫帶：五岳寨，關(guān)帝山，秦嶺，青峰山，鰲山；11個位于亞熱帶：神農(nóng)架，天目山，梵凈山，武功山，雷公山，南嶺，井岡山，哀牢山，戴云山，鼎湖山，十萬大山；4 個位于熱帶：西雙版納，尖峰嶺，霸王嶺，海南島。此外，貢嘎山由于其處于青藏高原特殊的地理位置，單獨采集作為高原氣候區(qū)森林類型的代表。27 個采樣區(qū)所在的氣候類型分別對應中國6 種地帶性森林類型，即寒溫帶針葉林，溫帶針闊混交林，暖溫帶落葉闊葉林，亞熱帶常綠闊葉林，熱帶雨林和高原山地森林。每個采樣區(qū)分別參考采樣區(qū)面積和山地森林所在山體海拔高度，設置了1－8 個不同海拔高度的采樣點（27 個采樣區(qū)共設置108個采樣點），并參考當?shù)貧庀笳緮?shù)據(jù)結(jié)合聯(lián)合國糧農(nóng)組織FAO 出品的Loc_clim 軟件計算結(jié)果收集每個采樣點的氣象信息（年均溫和年降水量），如表1 所示。108 個采樣點的海拔高度范圍為143－4 031 m，年均溫范圍為-3.6－25.1 ℃，年降水量范圍為77－2 084 mm。其中年均溫最高的采樣點為尖峰嶺和霸王嶺（25.1 ℃），最低為大興安嶺（-3.6 ℃）；年降水量最高的采樣點為井岡山（2 084 mm），最低的采樣點為霸王嶺（77 mm）。所有氣候類型中，熱帶采樣點的平均年均溫達24.0 ℃，而寒溫帶的采樣點平均年均溫僅為-2.8 ℃；平均年降水量最高的是亞熱帶，為1 715 mm，最低的是寒溫帶，為441 mm。

表1 采樣點的氣候森林類型和環(huán)境氣象信息Table 1 Climate type, forest type and environmental information of sampling sites

在每個采樣點10 m×10 m 范圍內(nèi)分別采集3 個存在腐殖質(zhì)層（O 層）、淋溶層（A 層）、沉積層（B層）和母質(zhì)層（C 層）的森林土壤剖面，取微生物主要活動的淋溶層（A 層）（陳慶強等，2005）土壤，3 個樣品等量混勻后作為該采樣點的土壤樣品。去除土壤中的石礫、雜物和較粗的植物根系后，用干冰冷卻密封保存并立即帶回實驗室，取適量土壤進行土壤PLFA 的提取，適量土壤烘干后測定含水率和pH，適量土壤冷凍干燥后過篩或研磨以備元素分析，其余部分于-20 ℃下冷凍保存。土壤表面如存在未完全腐爛的枯枝落葉，單獨采集用于計算凋落物碳質(zhì)量分數(shù)。采樣同時，記錄土壤溫度，并用容重環(huán)采集土壤以分析土壤容重。

1.2 土壤理化性質(zhì)分析

土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)、凋落物碳質(zhì)量分數(shù)、土壤總氮質(zhì)量分數(shù)和土壤碳氮比測定（Liu et al.，2017）：取適量烘干研磨土壤樣品、凋落物樣品，用錫舟包好，稱質(zhì)量后，用Elementar 元素分析儀（Vario EL III）測定總碳和總氮質(zhì)量分數(shù)，每個樣品重復測定2 次。

土壤總磷質(zhì)量分數(shù)測定（Allen，1974）：使用硫酸-過氧化氫消解法。在消解管中分別加入0.2 g研磨好的土壤，防止爆沸的小沙粒和4.4 mL 消解劑。放置于消解單元中溫和加熱，直至反應平息。升溫到350 ℃，繼續(xù)加熱約2 h 至消解完全。放置冷卻后，用去離子水稀釋5 次，使酸體積分數(shù)為1%。用Whatman No.44 濾紙過濾消解液后，用常規(guī)無機方法分析無機磷質(zhì)量分數(shù)。

土壤溶液pH 值測定（Liu et al.，2017）：取5 g土壤置于50 mL 的燒杯中，加入25 mL 濃度為1 mol·L-1的KCl 溶液，搖勻。靜置半小時，待溶液浸提至平衡后，用pH 計（上海雷磁PHSJ-4F 型）測定土壤溶液pH 值，并用pH 試紙進行2 次復測校驗。

1.3 PLFA 的提取和甲酯化

PLFA 的提取使用Bligh et al.（1959）方法。首先，使用氯仿/甲醇/檸檬酸緩沖液（2∶1∶0.8）混合溶劑超聲提取土壤中的脂肪酸（Frosteg?rd et al.，1996），之后使用硅膠柱進行層析，淋洗收集含PLFAs 的甲醇相。使用溫和堿性甲醇分解法（White et al.，1979），將吹干后的PLFAs 溶解于含0.2 mol·L-1氫氧化鉀的甲醇溶液中，于37 ℃下保溫15 min，然后加入乙酸中和，之后用正己烷/氯仿（4∶1）溶液萃取上層有機相。將萃取所得磷脂脂肪酸甲酯（Fatty Acid Methyl esters，F(xiàn)AMEs）在氮吹儀上吹干，加入3 mL 正己烷定容，隨后加入十九酸甲酯（0.086 mg·cm-3），于-20 ℃下保存以待儀器分析。

1.4 PLFA 的定性和定量分析

磷脂脂肪酸甲酯分析所用儀器為安捷倫7890A/5975C 氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS）聯(lián)用儀。根據(jù)GC-MS 測定總離子流圖中磷脂脂肪酸甲酯標樣的相對保留時間（Relative Retention time，RRT），結(jié)合標樣中磷脂脂肪酸甲酯的保留時間，盡可能多地識別出樣品中不同種類的PLFAs 及其質(zhì)量分數(shù)，計算總PLFAs，以此代表該樣品中微生物的生物量。用來定性分析的兩種標樣為：美國NU-CHEK 公司生產(chǎn)的型號為GRS617 的40 種標準脂肪酸甲酯的混合樣品和美國Sigma 公司生產(chǎn)的型號為BAME 47080-U 的26 種標準脂肪酸甲酯的混合樣品。

PLFAs 在土壤中的質(zhì)量分數(shù)計算公式如下：

wPLFA——目標PLFA 質(zhì)量分數(shù)；

S——目標PLFA/空白/內(nèi)標C19:0 的峰面積；

m——內(nèi)標C19:0/樣品的質(zhì)量。

使用不同PLFAs 作為生物標記物統(tǒng)計4 種微生物種群，分別為：細菌（C14:0，iC15:0，aC15:0，C15:0，iC16:0，C16:1，iC17:0，cyC17:0，C17:0），真菌（C18:2），革蘭氏陽性菌（iC15:0，aC15:0，iC16:0，iC17:0）和革蘭氏陰性菌（C14:0，C15:0，C16:1，cyC17:0，C17:0）。

1.5 統(tǒng)計分析

采用SPSS 19.0 的單變量方差分析（Analysis of variance，ANOVA）及多重比較（LSD）對土壤環(huán)境和微生物參數(shù)的差異進行檢驗，Pearson 相關(guān)性分析對土壤環(huán)境參數(shù)和理化性質(zhì)與土壤微生物參數(shù)之間的相關(guān)性進行分析；在R 軟件（3.5.3 版本，vegan package 2.5-4）對土壤環(huán)境參數(shù)及理化性質(zhì)與PLFAs 組分相關(guān)性進行冗余分析（RDA）。

2 結(jié)果和討論

2.1 研究區(qū)土壤的理化性質(zhì)及土壤微生物參數(shù)

27 個采樣區(qū)土壤的7 個理化性質(zhì)指標（土壤容重、土壤pH、凋落物碳質(zhì)量分數(shù)、土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)、土壤總氮質(zhì)量分數(shù)、土壤碳氮比和土壤總磷質(zhì)量分數(shù)）和PLFAs 質(zhì)量分數(shù)計算所得2 種代表土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的參數(shù)（真菌與細菌比，革蘭氏陽性與陰性菌比）如表2 所示。土壤的理化性質(zhì)中，土壤容重范圍為0.2－1.3 g·cm-3，最高點是熱帶尖峰嶺（JFL，1.3 g·cm-3），最低點是溫帶長白山（CB，0.2 g·cm-3）；土壤pH 值范圍為3.8－6.4，最高點是溫帶塞罕壩和暖溫帶秦嶺（SH，6.4±0.4；QL，6.4±0.6），最低點是亞熱帶鼎湖山、戴云山和十萬大山（DH，3.8±0.2；DY，3.8±0.4；SW，3.8±0.2）；凋落物碳質(zhì)量分數(shù)范圍為27%－48%，最高點是亞熱帶戴云山（DY，48%±2%），最低點是溫帶長白山和亞熱帶武功山（CB，27%±5%；WG，27%±8%）；土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)范圍為1.5%－20%，最高點是暖溫帶鰲山（AS，20%±11%），最低點是熱帶尖峰嶺（JFL，1.5%）；土壤總氮質(zhì)量分數(shù)范圍為0.2%－1.2%，最高點是亞熱帶梵凈山（FJ，1.2%±0.4%），最低點是亞熱帶鼎湖山，熱帶尖峰嶺和霸王嶺（DH，0.2%±0.1%；JFL，0.2%；BWL，0.2%）；土壤碳氮比范圍為6.6－32.0，最高點是寒溫帶大興安嶺（DX，32±25），最低點是熱帶海南島（HN，6.6±0.1）；土壤總磷質(zhì)量分數(shù)范圍為0.2‰－10.5‰，最高點是熱帶西雙版納（BN，10.5‰±9.8‰），最低點是亞熱帶十萬大山（0.2‰±0.1‰）。

表2 27 個研究區(qū)土壤的理化性質(zhì)和微生物群落結(jié)構(gòu)信息Table 2 Physico-chemical properties and microbial structure information of soil samples from 27 sampling sites

2 種微生物群落結(jié)構(gòu)參數(shù)中，土壤真菌與細菌比范圍為0.27－0.80，最高點是亞熱帶神農(nóng)架（SN，0.8±0.2），最低點是亞熱帶十萬大山（0.27±0.1）；土壤革蘭氏陽性與陰性菌比范圍為0.50－1.94，最高點是熱帶西雙版納（BN，1.94±0.3），最低點是亞熱帶神農(nóng)架（SN，0.50±0.1）。

以土壤PLFA 種類和質(zhì)量分數(shù)所代表的5 種微生物生物量參數(shù)如圖1 所示：細菌、真菌、革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌的微生物生物量和總PLFAs。土壤細菌質(zhì)量分數(shù)范圍為 9.92－39.8 μg·g-1，最高點是溫帶小興安嶺（XX，(39.8±13)μg·g-1），最低點是亞熱帶鼎湖山和武功山（DH，(9.93±5) μg·g-1；WG，(9.92±3) μg·g-1）；土壤真菌質(zhì)量分數(shù)范圍為3.9－21.5 μg·g-1，最高點是暖溫帶鰲山（AS，(21.5±6) μg·g-1），最低點是亞熱帶十萬大山（SW，(3.9±2) μg·g-1）；土壤革蘭氏陽性菌質(zhì)量分數(shù)范圍為4.05－18.1 μg·g-1，最高點是溫帶小興安嶺（XX，(18.1±6) μg·g-1），最低點是亞熱帶鼎湖山（DH，(4.05±2) μg·g-1）；土壤革蘭氏陰性菌質(zhì)量分數(shù)范圍為4.26－18.9 μg·g-1，最高點是亞熱帶雷公山（LG，(18.9±1) μg·g-1），最低點是暖溫帶青峰山（QF，(4.26±6) μg·g-1）。溫帶土壤中總PLFAs 質(zhì)量分數(shù)最高（55.9 μg·g-1），但除亞熱帶和熱帶土壤（43.2－44.4 μg·g-1）略低于其他氣候帶外，其余幾個氣候類型中總PLFAs 質(zhì)量分數(shù)相差不大（52.5－55.9 μg·g-1）。這個結(jié)果與前人在海拔梯度上模擬氣候增溫實驗（李洪杰等，2016）中土壤生物量的結(jié)果相一致。

圖1 6 個氣候類型森林土壤微生物的生物量Figure 1 Microbial biomass of forest soil in six climate types

2.2 不同氣候類型土壤理化性質(zhì)、土壤微生物分布特征

我們對土壤樣品的理化性質(zhì)、微生物生物量和結(jié)構(gòu)參數(shù)在6 種氣候類型中進行了多重比較，用以說明不同參數(shù)在6 種氣候類型中是否具有顯著性差異。結(jié)果顯示，土壤的7 個理化性質(zhì)指標（土壤容重，土壤pH，凋落物碳質(zhì)量分數(shù)，土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)，土壤總氮質(zhì)量分數(shù)，土壤碳氮比和土壤總磷質(zhì)量分數(shù)）與3 個微生物參數(shù)（真菌生物量，真菌與細菌比，革蘭氏陽性與陰性菌比）在6 種氣候類型中存在顯著差異，如圖2 所示。熱帶和高原森林的土壤容重最高（1.03－1.22 g·cm-3），顯著高于亞熱帶土壤（0.60 g·cm-3），亞熱帶土壤又顯著高于寒溫帶、溫帶和暖溫帶土壤（0.36－0.42 g·cm-3）（圖2）。暖溫帶土壤的pH 值最高（5.8），亞熱帶土壤的pH 值最低（4.3）（圖2）。亞熱帶土壤的凋落物碳質(zhì)量分數(shù)最高（40.80%），顯著高于溫帶土壤（31.91%）（圖2）。寒溫帶土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)最高（17.32%），熱帶土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)最低（2.16%）。寒溫帶土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)（17.32%）顯著高于溫帶和亞熱帶土壤（9.82%－10.73%），溫帶和亞熱帶土壤（9.82%－10.73%）又顯著高于熱帶土壤（2.16%）（圖2）。同時，熱帶土壤總氮質(zhì)量分數(shù)最低（0.27%），顯著低于寒溫帶、溫帶、暖溫帶和亞熱帶土壤（0.42%－0.80%）（圖2）。寒溫帶土壤碳氮比最高，顯著高于其他氣候類型土壤（圖2）。高原森林土壤的總磷質(zhì)量分數(shù)最高（0.83‰），顯著高于寒溫帶和熱帶土壤（0.30‰－0.40‰），寒溫帶和熱帶土壤（0.30‰－0.40‰）又顯著高于溫帶土壤、暖溫帶土壤和亞熱帶土壤（0.07‰－0.11‰）（圖2）。

圖2 6 種氣候類型中存在顯著差異的土壤理化性質(zhì)和微生物指標Figure 2 Soil physicochemical properties and microbial indexes with significant differences in six climate types

土壤微生物PLFAs 質(zhì)量分數(shù)所代表的生物量結(jié)果顯示，幾種微生物生物量包括真菌、革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌群落生物量在6 個氣候類型中差異不大，只有真菌群落生物量在不同氣候類型中存在顯著差異（圖2）。真菌群落生物量隨氣候類型從寒帶-溫帶-熱帶的變化過程呈現(xiàn)先升后降的趨勢。其中，溫帶土壤真菌生物量較其他氣候類型高（15.16 μg·g-1），并顯著高于熱帶和高原土壤（6.7－8.0 μg·g-1）（圖2）。2 個土壤微生物群落結(jié)構(gòu)參數(shù)均在6 個氣候類型中存在顯著差異（圖2）。其中，暖溫帶土壤真菌與細菌比最高（0.69），并顯著高于亞熱帶和熱帶土壤（0.43－0.49）（圖2）。熱帶土壤和高原土壤革蘭氏陽性與陰性菌比（1.34－1.51）較其它氣候帶高，顯著高于溫帶土壤（0.94），溫帶土壤（0.94）又顯著高于亞熱帶土壤（0.72）（圖2）。

本研究對象為遠離人類活動的天然森林土壤，反映了在自然環(huán)境下形成的森林生態(tài)系統(tǒng)中土壤微生物的空間分布。我們的研究表明，在中國不同氣候區(qū)森林中，占主體地位的土壤微生物生物量及土壤中總PLFAs 質(zhì)量分數(shù)并沒有很大差異，但微生物群落結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出顯著差異。這可能說明了在中國空間范圍內(nèi)，森林生態(tài)系統(tǒng)在不同氣候環(huán)境下土壤肥力相當，但根據(jù)氣候環(huán)境下所形成的植被、土壤類型的顯著差異，形成了獨特的微生物群落結(jié)構(gòu)。

2.3 影響土壤微生物群落分布的環(huán)境因素

為了研究影響土壤微生物的環(huán)境因素，我們對土壤的12 個環(huán)境參數(shù)（經(jīng)度，緯度，海拔高度，年均溫，年降水量，土壤容重，土壤pH，凋落物碳質(zhì)量分數(shù)，土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)，土壤總氮質(zhì)量分數(shù)，土壤碳氮比和土壤總磷質(zhì)量分數(shù)）和7 個微生物參數(shù)（細菌生物量，真菌生物量，革蘭氏陽性菌生物量，革蘭氏陰性菌生物量，真菌與細菌比，革蘭氏陽性與陰性菌比和總PLFAs 質(zhì)量分數(shù)）做了相關(guān)分析（表3）。環(huán)境參數(shù)中，經(jīng)度、緯度代表地理位置，年均溫和年降水量代表氣候因素，土壤理化性質(zhì)代表土壤環(huán)境。結(jié)果顯示，緯度以及與緯度高度相關(guān)的年均溫都與細菌、真菌生物量和總PLFAs 質(zhì)量分數(shù)存在顯著相關(guān)關(guān)系。年降水量與真菌、革蘭氏陽性菌生物量和總PLFAs 的質(zhì)量分數(shù)都存在顯著相關(guān)關(guān)系（表3）。土壤的理化性質(zhì)中，土壤容重、土壤pH 值、土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)和土壤總氮質(zhì)量分數(shù)與微生物的生物量存在顯著的相關(guān)關(guān)系（表3）。而與2 個代表微生物群落結(jié)構(gòu)的參數(shù)（真菌與細菌比和革蘭氏陽性與陰性菌比）存在顯著相關(guān)性的環(huán)境因素包括：緯度、海拔高度、年均溫、年降水量、土壤容重、土壤pH、土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)、土壤總氮質(zhì)量分數(shù)、土壤碳氮比和土壤總磷質(zhì)量分數(shù)（表3）。

表3 土壤環(huán)境參數(shù)與生物參數(shù)的相關(guān)系數(shù)1)Table 3 Correlations between environmental factors and microbial indexes

土壤PLFAs 的組分分布代表了土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)。本研究中，我們對質(zhì)量分數(shù)最高且在108個采樣點中均存在的20 種PLFAs 的組分（iC15；aC15；C15:0；C16:1；iC16；C16:1；C16:1；C16:0；C17:1；brC17；brC17；iC17；cyC17；C17:0；C18:2；C18:1；C18:1；C18:0；brC19；cyC19）質(zhì)量分數(shù)進行了統(tǒng)計，將代表其質(zhì)量分數(shù)變化的RDA1 和RDA2 與土壤環(huán)境因子做了冗余分析，結(jié)果如圖3所示。解釋變量RDA1 代表了25.3%的PLFAs 組分變化，RDA2 代表了11.83%的PLFAs 組分變化（圖3）。圖中顯示，除了緯度以外，篩選的11 個環(huán)境因子均與兩個RDA 組分存在顯著的相關(guān)關(guān)系（圖3）。大部分樣點集中在排序軸所區(qū)分的第一、第二和第四象限。亞熱帶樣品主要聚集在左上第二象限，而寒溫帶樣品主要聚集在圖中右側(cè)第一象限和第四象限。在以上范圍內(nèi)，代表年均溫的箭頭長度最長且與排序軸間夾角最小，說明年均溫與PLFAs 的整體結(jié)構(gòu)變化相關(guān)性最高。年降水量和土壤pH 值與PLFAs 整體結(jié)構(gòu)的相關(guān)性相當，其次是土壤總氮質(zhì)量分數(shù)。代表土壤容重與土壤總磷質(zhì)量分數(shù)的箭頭雖然長度較長，但與其相關(guān)性高的樣點較少，僅為部分北方森林及山地森林（大興安嶺、五岳寨、貢嘎山）的零星樣點。各個環(huán)境因子中，年均溫與年降水量、土壤容重和土壤總磷質(zhì)量分數(shù)為正相關(guān)關(guān)系，與土壤pH 值和土壤總氮質(zhì)量分數(shù)為負相關(guān)關(guān)系；而年降水量與土壤pH 值、土壤總氮質(zhì)量分數(shù)為負相關(guān)關(guān)系；土壤pH 值與土壤總氮質(zhì)量分數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。結(jié)合表3 的結(jié)果，我們總結(jié)對土壤微生物的生物量有影響的環(huán)境因素為年均溫、年降水量、土壤容重、土壤pH 值、土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)和土壤總氮質(zhì)量分數(shù)。而對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)影響最大的幾個環(huán)境因素為年均溫、年降水量和土壤pH 值。

圖3 土壤環(huán)境參數(shù)與土壤PLFAs 組分變化的冗余分析圖Figure 3 Bioplot of redundancy analysis with environmental factors and soil PLFA composition

本研究通過比較不同氣候類型土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)，證實了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)不只由氣候條件單一因素決定，而是受到不同因素的共同影響，符合普遍認知（Jumpponen et al.，2014）。過去較多研究普遍總結(jié)土壤pH 值對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)存在顯著影響（白曉旭等，2015；曹永昌等，2016；楊立賓等，2017；姜雪薇等，2021；趙雯等，2023），也少量研究提到是土壤碳氮比（谷曉楠等，2017）。針對中國地區(qū)森林土壤微生物的研究顯示，氣候條件（年平均溫度、相對濕度）、土壤理化性質(zhì)（pH、氨氮、有效氮）及植被是影響微生物群落結(jié)構(gòu)的主要因素（Liu et al.，2014；白曉旭等，2015；朱平等，2015；曹永昌等，2016；喬沙沙等，2017；楊立賓等，2017；高秀宏等，2019；姜雪薇等，2021；趙雯等，2023）。我們的研究在較大尺度空間范圍內(nèi)再次印證了氣候條件（年均溫及與其高度相關(guān)的年降水量）及土壤性質(zhì)（土壤pH 值）對微生物群落結(jié)構(gòu)建立的重要性，并強調(diào)了溫度在空間分布上對微生物群落結(jié)構(gòu)的決定性作用。結(jié)合以往的研究，我們推測溫度可以通過影響微生物的功能基因的多樣性（Zhao et al.，2014）、調(diào)節(jié)微生物的代謝速率與種群間的競爭關(guān)系（Liang et al.，2015），決定微生物的群落結(jié)構(gòu)。在全球氣候變化背景下，該結(jié)果對預測森林土壤微生物的活動、揭示森林土壤微生物的變化機理提供了指示。

3 結(jié)論

（1）中國6 種氣候類型（寒溫帶、溫帶、暖溫帶、亞熱帶、熱帶和高原氣候）森林土壤中總PLFAs質(zhì)量分數(shù)所代表的微生物生物量相差不大。

（2）中國6 種氣候類型森林土壤的理化性質(zhì)有顯著差異，主要體現(xiàn)在土壤容重，土壤pH，凋落物碳質(zhì)量分數(shù)，土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)，土壤總氮質(zhì)量分數(shù)，土壤碳氮比和土壤總磷質(zhì)量分數(shù)上；土壤真菌與細菌比和土壤革蘭氏陽性與陰性菌比所代表的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)顯著不同。

（3）在不同氣候類型森林土壤中，年均溫是微生物群落結(jié)構(gòu)的決定因素，土壤pH 值是對微生物群落結(jié)構(gòu)影響最大的土壤性質(zhì)。除此之外，對微生物的生物量和群落結(jié)構(gòu)具有主要影響的環(huán)境因素還包括：年降水量、土壤容重、土壤總氮質(zhì)量分數(shù)和土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)。