桉樹與火力楠、米老排等混交林土壤養(yǎng)分和微生物群落結(jié)構(gòu)研究

蔡 錚 鄧海勇 陳志偉

(1.懷集縣甘灑鎮(zhèn)農(nóng)林水綜合服務(wù)站,廣東 懷集 526000;2.懷集縣林業(yè)局,廣東 懷集 526000;3.廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 柳州 545000)

桉樹作為一種快速生長(zhǎng)的樹種,在短時(shí)間內(nèi)可以達(dá)到高產(chǎn)量,但也面臨著土壤養(yǎng)分衰退、酸化和養(yǎng)分貧瘠化等挑戰(zhàn)。為了解決這些問題,研究人員進(jìn)行了混交種植的實(shí)踐與研究。混交種植桉樹與具有固氮能力的樹種如馬占相思,能夠改善土壤養(yǎng)分狀況,提高氮含量,減少對(duì)化肥的依賴,并增加桉樹和混交林的單位面積蓄積量。此外,將桉樹與米老排、火力楠等耐蔭樹種進(jìn)行間作混交,不僅增加土壤表層的枯枝落葉物質(zhì),還提高了土壤肥力,促進(jìn)了桉樹人工林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)。

1 研究目的

土壤養(yǎng)分對(duì)于林地的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。養(yǎng)分的來源包括土壤礦質(zhì)成分、腐殖質(zhì)、降水、滲水和施肥等。養(yǎng)分含量過高或過低都會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生影響。植物通過根系吸收養(yǎng)分,并通過凋落物將養(yǎng)分返還給土壤［1］。天然林具有完整的養(yǎng)分循環(huán),而人工林的養(yǎng)分輸出量較高。研究土壤養(yǎng)分特征有助于理解植物與土壤之間的相互作用,為合理施肥和可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。精確的養(yǎng)分管理策略可以確保植物的健康生長(zhǎng)和高產(chǎn)量,并減少養(yǎng)分流失和環(huán)境影響。這樣的研究對(duì)于推動(dòng)農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)的發(fā)展和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)和林業(yè)發(fā)展目標(biāo)至關(guān)重要。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣本采集

在桉樹種植區(qū)內(nèi),選取了四片生長(zhǎng)情況良好、土壤肥力狀況良好的林地進(jìn)行間伐,并與常綠鄉(xiāng)土闊葉樹種進(jìn)行混交間作。這四片林地之間相距約1 000 m?；旖婚g作選用了1年生的灰木蓮、火力楠和米老排,它們是典型的南亞熱帶本地樹種,能夠迅速適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境。在2018年3月,對(duì)桉樹純林進(jìn)行了選擇性伐除,每片林地保留了500棵/hm2的尾巨桉,并在林下分別補(bǔ)植了灰木蓮、火力楠和米老排,密度均為1 185棵/hm2。這是試驗(yàn)林地的布置方式,對(duì)照組包括常綠闊葉林和桉樹純林。桉樹純林是9年生的二代桉樹萌芽林,林分密度為825棵/hm2。常綠闊葉林經(jīng)歷了30年左右的近自然演替歷史,主要樹種包括灰木蓮、米老排、火力楠、紅錐、觀光木等,郁閉度高達(dá)80%以上。經(jīng)過一段時(shí)間的次生演替,桉樹純林的現(xiàn)狀很有可能與這片常綠闊葉林相似［2］。常綠闊葉林沒有進(jìn)行施肥,而桉樹純林和混交林每年分別施用0.4和0.8 t/hm2的復(fù)合肥料(N∶P∶K = 15∶16∶18)。

在典型樣地中,設(shè)置了一片常綠闊葉林(BL)和一片桉樹純林(EP)作為對(duì)照組,同時(shí)設(shè)置了三片桉樹與灰木蓮(EMa)、桉樹與火力楠(EMi)、桉樹與米老排(EMy)混交林作為試驗(yàn)組。在試驗(yàn)組和對(duì)照組中,隨機(jī)設(shè)置了4個(gè)20 m×30 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地進(jìn)行調(diào)查和采樣。于2020年8月中旬對(duì)試驗(yàn)組和對(duì)照組下方的0～10 cm土壤進(jìn)行了樣品采集,并進(jìn)行了背景調(diào)查。在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi),分別在上、中、下不同坡度位置設(shè)置了1、2、1個(gè)土壤剖面,使用環(huán)刀取樣,共獲得40個(gè)土樣,用于測(cè)定土壤的物理性質(zhì)。同時(shí),在林地的標(biāo)準(zhǔn)樣地中,按照S形取樣方式取得了7個(gè)土樣,去除碎石等雜物后進(jìn)行混合均勻,然后分為四等份,取對(duì)角線上的兩份進(jìn)行混合均勻,一部分放入塑封袋和試管中,并用干冰保存。這些樣品將用于土壤化學(xué)性質(zhì)、酶活性、微生物碳氮磷含量的測(cè)定,以及擴(kuò)增子測(cè)序等分析［3］。

2.2 土壤物理化學(xué)性質(zhì)測(cè)定

土壤物理性質(zhì)的測(cè)定包括土壤粒徑分析、容重、持水量、孔隙度和含水量的測(cè)定,采用環(huán)刀法進(jìn)行。土壤化學(xué)性質(zhì)的測(cè)定包括pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、有效氮、有效磷、速效鉀、氨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有效鈣、有效鎂、有效銅、有效鋅和有效硼的測(cè)定,采用不同的方法進(jìn)行測(cè)定。此外,還可以通過測(cè)量土壤中的酶活性和微生物生物量來評(píng)估土壤的生物學(xué)特性。這些測(cè)定方法能夠提供關(guān)于土壤理化性質(zhì)和養(yǎng)分狀況的重要信息,幫助了解土壤的質(zhì)量和適宜的農(nóng)業(yè)管理措施［4］。

2.3 士壤微生物PCR擴(kuò)增和測(cè)序

通過對(duì)微生物群落總DNA的測(cè)序和分析,可以獲得土壤微生物群落的組成、豐度和多樣性信息。進(jìn)一步,可以探索土壤微生物與土壤環(huán)境因子的相互關(guān)系,如土壤pH、有機(jī)質(zhì)含量、養(yǎng)分水平等。此外,還可以利用群落功能基因的測(cè)序數(shù)據(jù),探索土壤微生物的功能潛力,如氮循環(huán)、碳循環(huán)、抗生素合成等。

綜合微生物群落組成和功能分析的結(jié)果,可以對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況、養(yǎng)分循環(huán)和生態(tài)功能進(jìn)行評(píng)估和理解。這些信息對(duì)于農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)、土壤改良和生態(tài)恢復(fù)等方面具有重要意義,有助于制定科學(xué)合理的土壤管理策略和措施,促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)平衡［4］。

通過使用E.Z.N.A.Rsoil DNA kit進(jìn)行微生物群落總DNA提取,結(jié)合PCR擴(kuò)增、文庫(kù)構(gòu)建和高通量測(cè)序等技術(shù)手段,可以深入研究土壤微生物群落的組成、多樣性和功能,為土壤生態(tài)系統(tǒng)研究提供重要的數(shù)據(jù)支持和科學(xué)依據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林地土壤養(yǎng)分特征差異

土壤是植被生長(zhǎng)的基本介質(zhì),其理化性質(zhì)在很大程度上決定了不同林地的土壤結(jié)構(gòu)、土壤養(yǎng)分含量、肥力水平和整體健康狀況等。這些理化性質(zhì)不僅直接影響著植被在不同林地中的生長(zhǎng)情況和空間分布,還對(duì)土壤微生物的生存和活動(dòng)產(chǎn)生顯著影響。因此,通過對(duì)不同林地土壤的主要理化性質(zhì)進(jìn)行調(diào)查,特別是在桉樹純林轉(zhuǎn)化為混交林后,了解土壤的理化特性和土壤質(zhì)量的現(xiàn)狀,對(duì)于研究和改善桉樹人工林土壤質(zhì)量具有重要意義,并為相關(guān)工作提供科學(xué)依據(jù)［5］。

通過對(duì)土壤的調(diào)查和分析,可以獲得關(guān)于土壤的多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)和性質(zhì)的信息。例如,土壤的質(zhì)地、容重、孔隙度等結(jié)構(gòu)特征,以及土壤中的有機(jī)質(zhì)含量、氮、磷、鉀等養(yǎng)分水平。這些信息能夠反映土壤的肥力狀況、養(yǎng)分供應(yīng)能力和水分保持能力,進(jìn)而影響植被的生長(zhǎng)狀況和分布格局。同時(shí),土壤中的微生物群落也會(huì)受到土壤理化性質(zhì)的影響,因?yàn)橥寥赖睦砘再|(zhì)直接關(guān)系到微生物的生存環(huán)境和生命活動(dòng)。

3.1.1 不同林地土壤物理化學(xué)性質(zhì)差異

土壤是由黏粒和粉粒為主要組成的,它們的含量總和在土壤中占據(jù)了很大的比例,通常在83.8%到94.3%之間。不同林地的土壤在砂粒、粉粒和黏粒的含量上存在一定的差異。當(dāng)林地轉(zhuǎn)化為桉樹純林時(shí),土壤中的砂粒含量會(huì)下降,而粉粒和黏粒的含量則會(huì)有所增加。而當(dāng)桉樹純林進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為混交林時(shí),土壤中的砂粒和粉粒含量會(huì)上升,而黏粒的含量則會(huì)有所下降［6］。

在不同林地類型中,土壤中的砂粒、粉粒和黏粒的含量有所不同。桉樹純林中的土壤砂粒含量最低,僅占土壤總量的56.9%。而桉樹與米老排混交林中的砂粒含量最高,達(dá)到162.25‰。在粉粒的含量方面,常綠闊葉林的土壤含量最低,為309.7‰,而桉樹與灰木蓮混交林的土壤含量最高,達(dá)到428.48‰。至于黏粒的含量,桉樹與米老排混交林中的土壤含量最低,為453.48‰,而桉樹純林中的土壤含量最高,達(dá)到589.9‰。

這些數(shù)據(jù)表明不同林地類型的土壤組成存在顯著差異。林地的轉(zhuǎn)化會(huì)對(duì)土壤中黏粒、粉粒和砂粒的含量產(chǎn)生影響。桉樹純林的形成導(dǎo)致土壤中黏粒含量的增加,而轉(zhuǎn)化為混交林后,土壤中的粉粒和砂粒含量相對(duì)增加。這些變化可能與植被類型、土壤養(yǎng)分循環(huán)以及土壤結(jié)構(gòu)的調(diào)整等因素有關(guān)。

3.1.2 不同林地士壤微生物生物量碳氮磷差異研究

混交林土壤微生物生物量碳氮磷和常綠闊葉林、桉樹純林之間存在顯著差異,這些差異反映了不同植被類型對(duì)土壤微生物群落的影響。根據(jù)研究結(jié)果,在不同林地類型中,土壤微生物生物量碳、氮和磷的含量呈現(xiàn)出一定的變化。

基于主成分分析的結(jié)果,將主要關(guān)注桉樹與灰木蓮混交林和桉樹與米老排混交林的微生物測(cè)定分析。這兩種混交林類型在土壤理化性質(zhì)和土壤微生物生物量方面具有特殊的特征和差異,因此對(duì)其微生物群落進(jìn)行詳細(xì)的研究和分析將有助于了解混交林生態(tài)系統(tǒng)的功能和土壤質(zhì)量的變化。

3.2 不同林地土壤細(xì)菌差異

在進(jìn)行97%分級(jí)水平下的分析時(shí),不同處理之間的土壤細(xì)菌OUTs總值存在顯著差異,這表明處理方式對(duì)土壤細(xì)菌群落的組成產(chǎn)生了影響。通過Venn分析,發(fā)現(xiàn)四種處理方式共有的OTUs值為1206,占總OTUs值的31.40%。與其他處理相比,桉樹與灰木蓮混交林的OTUs總值和特殊OTUs值顯著高,而桉樹純林的OTUs總值和特殊OTUs值顯著低。常綠闊葉林、桉樹與灰木蓮混交林、桉樹與米老排混交林與桉樹純林、桉樹與灰木蓮混交林、桉樹與米老排混交林之間的共有OTUs值相差較小。特殊的OTUs種類是導(dǎo)致微生物群落結(jié)構(gòu)差異的原因之一。

總體而言,桉樹純林的土壤特殊細(xì)菌種類下降較為嚴(yán)重,但土壤中的主要功能種類細(xì)菌得以保持。同時(shí),桉樹與灰木蓮混交林和桉樹與火力楠混交林增加了土壤中特殊細(xì)菌的種類(EP: 168,EMa: 339,桉樹與米老排混交林: 729)。

在門水平上,不同林地間的優(yōu)勢(shì)菌門包括變形桿菌門、放線菌門、酸桿菌門、綠彎菌門等。這四個(gè)菌門的相對(duì)豐度之和約占總數(shù)的80%(圖1)。

圖1 在門水平上,不同林地土壤細(xì)菌的相對(duì)豐度圖

混交處理使得林地土壤細(xì)菌群落組成發(fā)生了變化。通過對(duì)豐度排名前11的優(yōu)勢(shì)菌門進(jìn)行組間差異的Tukey檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)WPS-2、疣微菌門、粘球菌門、芽單胞菌門、擬桿菌門之間存在顯著差異。其中,處理桉樹純林的粘球菌門和擬桿菌門的相對(duì)豐度顯著低于處理常綠闊葉林、桉樹與灰木蓮混交林和桉樹與米老排混交林的情況。

4 結(jié)論與實(shí)踐的運(yùn)用

就土壤養(yǎng)分方面的研究表明,與純桉樹林相比,桉樹與火力楠、米老排等混交林土壤中的養(yǎng)分含量更加豐富和平衡。這是由于不同樹種具有不同的營(yíng)養(yǎng)需求和吸收方式,混交林能夠更好地利用土壤中的養(yǎng)分資源,提高養(yǎng)分利用效率。此外,混交林中不同樹種的根系分泌物和凋落物的分解也有助于養(yǎng)分的循環(huán)和再利用。

微生物群落結(jié)構(gòu)的研究顯示,桉樹與火力楠、米老排等混交林土壤中的微生物多樣性和功能群的豐富度較高?；旖涣值亩鄻有杂欣谛纬筛鼮閺?fù)雜和穩(wěn)定的微生物群落,不同樹種提供了不同的生態(tài)位和資源,吸引了更多種類的微生物生活在土壤中。這些微生物在土壤有機(jī)質(zhì)分解、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和生態(tài)系統(tǒng)功能維持等方面發(fā)揮著重要作用。

基于上述研究結(jié)果,可以在實(shí)踐中應(yīng)用以下方面。

(1)混交林的推廣:基于土壤養(yǎng)分和微生物群落結(jié)構(gòu)的研究成果,可以積極推廣桉樹與火力楠、米老排等樹種的混交林模式。混交林能夠改善土壤養(yǎng)分狀況,增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗逆性。

(2)養(yǎng)分管理策略:根據(jù)混交林土壤養(yǎng)分特點(diǎn),制定科學(xué)的養(yǎng)分管理策略?？梢酝ㄟ^合理施肥、循環(huán)利用有機(jī)肥料和優(yōu)化灌溉等措施,提高土壤養(yǎng)分的供給能力,促進(jìn)植物的生長(zhǎng)和發(fā)育。

(3)微生物管理措施:重視土壤微生物群落的保護(hù)和促進(jìn)。可以通過減少農(nóng)藥的使用、增加有機(jī)質(zhì)輸入、合理輪作等方式,維持土壤微生物的多樣性和功能,提高土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。

(4)實(shí)施可持續(xù)管理措施:結(jié)合土地生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分狀況和微生物群落結(jié)構(gòu),實(shí)施可持續(xù)的管理措施。這包括合理的林地規(guī)劃和設(shè)計(jì),避免過度清除和破壞植被,保護(hù)土壤表層覆蓋物,減少水土流失和養(yǎng)分流失,同時(shí)保持林地的多樣性和生態(tài)平衡。

5 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)混交林土壤的研究,深入了解了桉樹與火力楠、米老排等混交林土壤的特點(diǎn)和生態(tài)功能,為混交林的管理和保護(hù)提供了科學(xué)依據(jù)。進(jìn)一步研究混交林土壤中養(yǎng)分循環(huán)機(jī)制和微生物生態(tài)過程,有助于優(yōu)化土壤管理策略,促進(jìn)混交林生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。未來的研究可以進(jìn)一步探究混交林與其他植被類型之間的差異,以及混交林土壤中微生物群落的功能和生態(tài)意義。