南亚热带乡土树种人工纯林及混交林土壤微生物群落结构_罗达.pdf

1 南亚热带乡土树种人工纯林及混交林土壤微生物群落结构 南亚热带乡土树种人工纯林及混交林土壤微生物群落结构 罗 达 1 史作民1 唐敬超1 刘世荣1 卢立华2 1中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所国家林业局森林生态环境重点实验室 北京 100091 2中国林业科学研究院 热带林业实验中心 广西凭祥 532600 摘摘 要要以我国南亚热带格木 马尾松人工纯林及二者混交林林地土壤为对象 运用磷脂脂肪酸 PLFAs 法研究了 3 种人工林 土壤微生物生物量和群落结构特征 结果表明 旱季土壤微生物的PLFAs总量及各菌群的PLFAs量显著高于雨季 旱季土壤微 生物的 PLFAs 总量 细菌 PLFAs 量 真菌 PLFAs 量 放线菌 PLFAs 量均为马尾松人工林最高 混交林次之 格木林最低 而雨 季格木人工林土壤微生物的 PLFAs 总量 细菌 PLFAs 量 真菌 PLFAs 量 丛枝菌根真菌 PLFAs 量高于混交林 并显著高于 马尾松人工林 主成分分析表明 土壤微生物群落结构组成受林分类型和季节的双重影响 冗余分析表明 土壤温湿度 pH 值 全氮及铵态氮含量与特征磷脂脂肪酸之间呈显著相关关系 此外 在全年水平上 混交林土壤真菌 细菌比始终高于格木林和马 尾松林 表明格木与马尾松混交更有利于提高土壤生态系统的稳定性 关键词 固氮树种 人工纯林和混交林 土壤微生物群落 磷脂脂肪酸 南亚热带 中图分类号中图分类号 S154 3 S714 3 文献标识码文献标识码 A Soil microbial community structure of monoculture and mixed plantation stands of native tree species in south subtropical China LUO Da1 SHI Zuo min1 TANG Jing chao1 LIU Shi rong1 LU Li hua2 1Key Laboratory of Forest Ecology and Environmental Sciences of State Forestry Administration Institute of Forest Ecology Environment and Protection Chinese Academy of Forestry Beijing 100091 China 2Experimental Center of Tropical Forestry Chinese Academy of Forestry Pingxiang 532600 Guangxi China Abstract The effects of three plantation stands Erythrophleum fordii EF Pinus massoniana PM and their mixed plantation MP on soil microbial biomass and microbial community structure in south subtropical China were studied by the method of phospholipid fatty acids PLFAs analysis The results showed that the amounts of microbial total PLFAs and PLFAs of each microbial group in these three plantation stand soils were significantly higher in dry season than in rainy season In dry season the amounts of microbial total PLFAs bacteria PLFAs fungi PLFAs and actinomycetes PLFAs were the highest in the PM soil moderate in the MP soil and the lowest in the EF soil But in rainy season the amounts of microbial total PLFAs bacteria PLFAs fungi PLFAs and arbuscular mycorrhizal fungi AMF PLFAs in the EF soil were higher than in the MP soil and were significantly higher than in the PM soil Principal component analysis PCA indicated that the variations in soil microbial community structure composition were affected by both plantation types and seasons Redundancy analysis RDA of soil microbial community structure and environmental factors showed that soil temperature and moisture pH total nitrogen content and ammonium nitrogen content had significant correlations with PLFA signatures In addition the ratio of fungi PLFAs to bacteria PLFAs in the MP soil was the highest among the three stand soils within the whole year indicating that mixed plantation stands could facilitate the stability of the soil ecosystem Key words nitrogen fixing tree species monoculture and mixed plantations soil microbial community phospholipid fatty acid south subtropical China 土壤微生物作为构成土壤和整个生态系统的重要组成部分 与土壤中的能量流动 营养循环和有机物的 转化密切相关 并在生态系统多样性和功能的重建过程中扮演着重要角色 1 2 土壤微生物对外界环境的变化 非常敏感 其生物量和群落结构是土壤特征变化的早期响应指标 3 被认为是比有机质更可信的环境变化指 示因子 4 中国科学院碳专项 固碳效应评价方法及碳增汇对策措施 XDA05060100 和林业公益性行业科研专项 森林增汇技术 碳计量 与碳贸易市场机制研究 201104006 资助 通讯作者 E mail shizm 2014 01 12 收稿 2014 05 30 接受 网络出版时间 2014 06 11 09 59 网络出版地址 2 在我国亚热带地区 人工造林 再造林已成为森林培育和经营的重要方式 然而 随着大规模 持续单一 人工针叶林 如马尾松 Pinus massoniana 和杉木 Cunninghamia lanceolata 等 或桉树 Eucalyptus 等外来树种 短周期工业用材林的发展 造成了诸如生物多样性丧失 土壤退化 生态系统稳定性降低等问题 5 为促进人 工林的多目标经营 提高人工林的生态功能和经济价值 许多乡土珍贵阔叶树种 包括固氮树种 逐渐被用于 亚热带人工林营建的生产实践中 近年来 有关不同林分对土壤微生物生物量和群落结构的影响方面的研究 国内外已有报道 6 8 然而 对固氮阔叶树种人工纯林和混交林营建后土壤微生物响应的研究相对缺乏 为此 本文以南亚热带具有相同经营历史与立地条件的阔叶固氮树种格木 Erythrophleum fordu EF 针叶树种马 尾松 PM 及二者混交林 MP 为对象 运用磷脂脂肪酸 PLFA 法研究比较不同营林模式下人工林土壤微生物 生物量和群落结构的季节变化 以及土壤微生物与环境因子的相关关系 以期为深入认识该地区不同模式人 工林的生态功能 特别是土壤微生物的生态功能 以及该地区人工林经营过程中的树种选择及合理的营林方 式提供科学依据 1 研究区域与研究方法研究区域与研究方法 1 1 研究区概况 研究地点位于广西西南边陲的中国林业科学研究院热带林业实验中心大青山实验场 22 10 N 106 42 E 地处南亚热带季风气候区的西南部 属湿润半湿润气候 境内光照 水热资源丰富 干湿季节明显 年均气温 20 5 21 7 极端高温40 3 极端低温 1 5 10 活动积温6000 7600 年均降雨量1200 1500 mm 年蒸发量1261 1388 mm 相对湿度80 84 地貌类型以低山丘陵为主 坡度25 左右 土壤为砖红壤性 红壤 选择2006年以该区域主要的造林 再造林树种营建的格木纯林 马尾松纯林及其混交林生态系统为研 究对象 其中格木为该地区主要的乡土珍贵阔叶固氮树种 造林地均为马尾松采伐迹地 立地条件基本一致 混交林为隔行隔株混交 即一行马尾松 一行马尾松与格木隔株种植 混交比3 1 长方形配置 格木林林下植 被以海金沙 Lygodium japonicum 五节芒 Miscanthus floridulus 铁芒萁 Dicranopteris dichotoma 为主 混 交林林下植被主要为海金沙 蔓生莠竹 Microstegium vagans 弓果黍 Cyrtococcum patens 马尾松林下植 被则以蔓生莠竹 弓果黍和淡竹叶 Lophatherum gracile 为主 林分基本情况见表1 表表1 研究样地林分基本情况研究样地林分基本情况 Table 1 General information of the experimental plantation stands 林分类型 Stand type 胸径 DBH cm 树高 Tree height m 密度 Density trees hm 2 年枯落物量 Annual litter biomass t hm 2 a 1 郁闭度 Canopy density 灌草盖度 Understory coverage 格 木 EF4 8 0 644 6 0 6225003 890 8525 混交林 MP7 5 0 375 4 0 1720003 540 6580 马尾松 PM7 3 0 115 4 0 1424003 360 6085 EF Erythrophleum fordu MP Mixed plantation PM Pinus massoniana 下同 The same below 1 2 研究方法 1 2 1 试验设计与土样采集 分别在 3 种人工林内 各设置 6 块 10 m 10 m 的固定样地 每块固定样地之间 至少间隔12 m以上 根据当地气候特点 分别于2013年1月 旱季 和7月 雨季 进行取样 采样时 在每块固定 样地内用土钻 直径 8 cm 采集 5 个表层土样 0 10 cm 除去动植物残体和石块等杂质后装入塑料袋中充分 混匀 密封保存于冰盒并迅速带回实验室 取样同时记录采样点的温度 采集的新鲜土样在实验室内一分为二 其中一份过 2 mm 土壤筛后置于 20 冰箱中保存 并尽快进行微生物群落结构分析 另一份自然风干后过 0 25 mm 细筛 用于土壤理化性质的分析 1 2 2 土壤理化性质分析 土壤有机碳采用重铬酸钾氧化外加热法 全氮采用凯氏定氮法 铵态氮和硝态氮 分别采用靛蓝比色法和酚二磺酸法 采用玻璃电极测定土壤 pH 值 水土比 2 5 1 9 3 1 2 3 土壤微生物群落结构分析 土壤微生物群落结构采用 PLFA 法进行测定与分析 土壤微生物 PLFA 的 提取过程和分析依据 Bossio 和 Scow 10 在 Bligh 和 Dyer 11 的方法上改进而来 主要过程分为土壤浸提 分离 提纯 萃取磷脂 并酯化 甲醇进行 形成脂肪酸甲酯 微生物各种 PLFA 的含量采用色谱法测定 然后利用土壤 微生物特定PLFA的含量和碳内标19 0的浓度来计算各微生物生物量及群落的丰富度 单个PLFA的含量采 用 nmol g 1干土进行描述 PLFA 的相对丰度用 mol 表示 并用标准命名法进行分类命名 本研究中 PLFA i14 0 i15 0 a15 0 i16 0 i17 0 和 a17 0 表征革兰氏阳性菌 16 1 7c cy17 0 18 1 7c cy19 0 表征革兰 氏阴性菌 i14 0 i15 0 a15 0 15 0 i16 0 16 1 7c 17 0 i17 0 a17 0 cy17 0 18 1 7c cy19 0 表征 细菌 18 1 9c和18 2 6 9c表征真菌 丛枝菌根真菌则由16 1 5c代表 放线菌群落由Me16 0 Me17 0 Me18 0 指示 用各真菌的生物量和各细菌指示物的总生物量代表真菌 细菌比 12 其他PLFA 种类 如16 0 16 1 2OH 10Me16 0 10Me17 0 等仍然用于分析土壤微生物的总量和群落组成 1 3 数据处理与分析 采用单因素方差分析 one way ANOVA 检验不同林分之间土壤理化性质 各类群微生物 PLFA 的含量 和相对丰度的差异 双因素方差分析 two way ANOVA 检验林分与季节及其交互作用对土壤微生物变量 总 微生物生物量 各类群微生物 PLFA 的相对丰度 真菌 细菌比等 的影响 利用主成分分析 principal component analysis PCA 检验土壤微生物群落结构的差异 冗余分析 redundancy analysis RDA 检验土壤环 境变量与微生物群落结构之间的相关性 所有方差分析均在统计分析软件 SPSS 16 0 中进行 显著性差异均 在 P 0 05 水平上 主成分分析和冗余分析在多元统计分析软件 Canoco for Windows 4 5 中进行 利用软件 Origin 9 0 完成绘图 2 结果与分析结果与分析 2 1 土壤理化性质 3 种人工林旱季 雨季土壤理化性质见表 2 结果表明 不同季节虽未能显著影响土壤有机碳 全氮和碳 氮比 却极显著地改变了土壤温湿度 pH 值 铵态氮和硝态氮含量 各理化因子均呈现雨季显著高于旱季 P 0 05 在全年 旱季和雨季 水平上 林分对土壤各理化性质的影响不同 具体表现为格木人工林土壤湿度 全氮和铵态氮含量高于混交林 并显著高于马尾松林 P 0 05 土壤碳氮比 温度和 pH 值则为马尾松人工林 最高 混交林次之 格木林最低 表表 2 不同人工林不同人工林 0 10 cm 土壤理化性质土壤理化性质 Table 2 Characteristics of 0 10 cm soil in different plantation stands mean SE n 6 旱季 Dry season雨季 Rainy season土壤性质 Soil property 格木 EF混交林 MP马尾松 PM格木 EF混交林 MP马尾松 PM 有机碳 SOC g kg 1 18 80 2 01a17 32 0 64a17 07 3 13a20 35 2 21a21 46 2 19a19 50 1 30a 全氮 TN g kg 1 1 21 0 08a1 01 0 04b0 82 0 12c1 43 0 17a1 28 0 33ab1 09 0 06b 碳氮比 C N ratio 15 54 1 02a17 15 1 25a20 82 1 64b14 23 1 03a16 77 2 07ab17 89 1 33b 温度 Temperature 10 86 0 05a11 27 0 05b11 34 0 08b26 82 0 23a27 38 0 15b27 01 0 50ab 湿度 Soil moisture 24 61 0 63a19 38 0 60b22 11 0 53c29 71 1 77a27 73 0 75ab27 37 0 50b pH4 51 0 04a4 67 0 01b4 61 0 02c4 72 0 06a4 75 0 02a4 86 0 01b 铵态氮 NH4 N mg kg 1 5 81 0 28a5 56 0 31b3 54 0 60b13 46 1 55a12 00 0 78ab10 76 0 62b 硝态氮 NO3 N mg kg 1 4 32 0 35a3 88 0 21a4 15 0 24a15 81 1 90a13 56 0 31b12 61 0 28c 同一季节同一指标的不同字母表示不同林分间差异显著 P 0 05 Different letters in the same variable in the same season indicated significant differences among plantation stands at 0 05 level 4 2 2 土壤微生物磷脂脂肪酸 PLFA 分析结果表明 在不同人工林和不同季节下 各菌群 PLFAs 量与真菌 细菌比均发生变化 图 1 其 中 土壤微生物的 PLFAs 总量 细菌 PLFAs 量 真菌 PLFAs 量 放线菌 PLFAs 量及丛枝菌根真菌 PLFAs 量变化趋势相似 表现为微生物的PLFAs总量和各菌群PLFAs量旱季显著高于雨季 P 0 05 图1A E 真菌 细菌比则是雨季高于旱季 图 1F 在旱季 土壤微生物的 PLFAs 总量 细菌 PLFAs 量 真菌 PLFAs 量和放 线菌 PLFAs 量均为马尾松人工林林最高 混交林次之 格木林最低 而在雨季 格木人工林土壤微生物的 PLFAs 总量 细菌 PLFAs 量 真菌 PLFAs 量及丛枝菌根真菌 PLFAs 量高于混交林 并显著高于马尾松人工 林 P 0 05 在全年 旱季和雨季 水平上 混交林土壤真菌 细菌比始终高于马尾松和格木林 P 0 05 旱季Dry season雨季Rainy season 0 00 0 15 0 30 0 45 F c b ac b 真菌 细菌比 Fungi Bacteria ratio a 0 5 10 15 20 25 B b b a b a 细菌PLFAs Bacteria PLFAs nmol g 1 a 0 10 20 30 40 50 b b a b a 总PLFAs Total PLFAs nmol g 1 格 木EF 混交林MP 马尾松PM a A 0 0 1 5 3 0 4 5 6 0 D 放线菌PLFAs Actinomycetes PLFAs nmol g 1 ab b a b a a 0 0 1 5 3 0 4 5 6 0 C b ab a b a 真菌PLFAs Fungi PLFAs nmol g 1 a 旱季Dry season雨季Rainy season 0 0 0 3 0 6 0 9 1 2 1 5 E b b a b a 丛枝菌根真菌PLFAs AMF PLFAs nmol g 1 ab 图图 1 不同人工林土壤微生物类群磷脂脂肪酸量 A E 及真菌 细菌 F Fig 1 Soil microbial PLFAs A E and fungi bacteria ratio F in different plantation stands mean SE n 6 EF Erythrophleum fordu MP Mixed plantation PM Pinus massoniana 同一季节同一指标的不同字母表示不同林分间差异显著 P 0 05 Different letters in the same variable in the same season indicated significant differences among plantation stands at 0 05 level 下同 The same below 2 3 土壤微生物群落结构 不同人工林在影响土壤微生物生物量的同时 也显著影响了土壤微生物的群落结构 P 0 05 表 3 此外 季节显著影响了绝大部分菌群 PLFA 的相对丰度 P 0 05 而林分与季节的交互作用对革兰氏阳性细菌 丛 枝菌根真菌的相对丰度以及真菌 细菌比的影响显著 P 0 05 表 3 PLFA 的相对丰度分析结果表明 土壤中细菌群落 革兰氏阳性细菌和革兰氏阴性细菌 占主导地位 其次 为真菌和放线菌群落 丛枝菌根真菌极少 图 2 在旱季和雨季 各菌群 PLFA 的相对丰度变化不大 无论是旱 季或是雨季 革兰氏阳性细菌 革兰氏阴性细菌 真菌 放线菌及丛枝菌根真菌群落的相对丰度变化趋势均 相似 具体表现为 格木人工林土壤革兰氏阳性细菌的相对丰度高于混交林与马尾松人工林 而革兰氏阴性细 菌和放线菌群落的相对丰度则是混交林最低 混交林真菌群落的相对丰度显著高于格木与马尾松纯林 P 0 05 格木林丛枝菌根真菌群落的相对丰度显著高于其他两种人工林 P 0 05 5 0 10 20 30 c b a c b a c b a a a ab a 磷脂脂肪酸相对丰度 Relative abundances of PLFA mol 格 木EF 混交林MP 马尾松PM a 旱季Dry season A G G FAcAMF 0 10 20 30 B 雨季Rainy season b a b a a a bb a a a a b a b 图图 2 不同人工林土壤微生物群落磷脂脂肪酸相对丰度 Fig 2 Relative abundances of the microbial community PLFA in different plantation stands mean SE n 6 G 革兰氏阳性细菌 Gram positive bacteria G 革兰氏阴性细菌 Gram negative bacteria F 真菌 Fungi Ac 放线菌 Actinomycetes AMF 丛枝菌 根真菌 Arbuscular mycorrhizal fungi 表表 3 林分 季节及其交互作用对总微生物生物量和微生物菌群结构的影响林分 季节及其交互作用对总微生物生物量和微生物菌群结构的影响 P 值值 Table 3 Effects of stand types ST seasons S and their interactions on total microbial biomass and microbial community structure P values 因子 Factor 总 PLFAs Total PLFAs 细菌 B 真菌 F 放线菌 Ac 丛枝菌根 真菌 AMF 革兰氏阳性 细菌 G 革兰氏阴性 细菌 G 真菌 细菌 F B 林分 Stand type ST 0 3740 002 0 0010 003 0 0010 0010 005 0 001 季节 Season S 0 001 0 0010 0050 001 0 0010 467 0 001 0 001 林分 季节 ST S 0 1280 0590 0880 1350 0110 0320 6800 007 G 革兰氏阳性细菌 Gram positive bacteria G 革兰氏阴性细菌 Gram negative bacteria F 真菌 Fungi Ac 放线菌 Actinomycetes AMF 丛枝菌 根真菌 Arbuscular mycorrhizal fungi 统计检验达到显著水平 P 0 05 标记为黑体 Significant terms P 0 05 were in bold 下同 The same below 对 3 种人工林林地 0 10 cm 土壤提取的 21 种具有代表性的微生物 PLFA 进行主成分分析发现 前 2 个 主成分 PC1 和 PC2 解释了微生物群落结构总变异的 68 4 其中第一主成分的贡献值为 45 5 图 3 3 种人 工林在旱季和雨季的土壤微生物群落结构均存在显著差异 图 3A 在雨季 格木人工林与其他两种林分沿第 一主成分轴能明显地区分开 这种差异主要是因格木人工林具有相对较高的细菌和丛枝菌根真菌相对丰度 以及相对较低的真菌相对丰度而引起 图 2 在旱季 格木和马尾松人工林土壤微生物群落结构相似 二者分 布于第二主成分轴的负方向 混交林则分布于第二主成分轴的正方向 PLFA 初始载荷因子主成分分析结果表明 在单一 PLFA 中 对第一主成分起主要作用的是 16 0 a17 0 18 2 6 9c 而 PLFA i16 0 i17 0 10Me17 0 和 16 1 2OH 对第二主成分的贡献较大 图 3B 2 4 土壤理化性质对微生物群落结构的影响 对 3 种人工林的土壤总微生物生物量和微生物群落结构与土壤理化性质进行相关分析 结果表明 土壤 6 101 0 5 0 0 0 5 1 0 2 1012 2 1 0 1 2 i14 0 14 0 i15 0 a15 0 i16 0 16 1 7c 16 1 5c 16 0 10Me16 0 i17 0 a17 0 17 1 8c cy17 0 17 0 16 1 2OH 10Me17 0 18 2 6 9c 18 1 9c 18 1 7c 18 0 cy19 0 8c B 第二主成分PC2 22 9 第一主成分PC1 45 5 I II III IV V VI A 图图 3 土壤微生物群落结构主成分分析 A 和磷脂脂肪酸初始载荷因子主成分分析 B Fig 3 Principal component analysis of soil microbial community structure A and eigenvector of phospholipid fatty acids contributing to soil microbial communities ordination pattern B I 旱季格木 EF in dry season II 旱季混交林 MP in dry season III 旱季马尾松 PM in dry season IV 雨季格木 EF in rainy season V 雨季混交林 MP in rainy season VI 雨季马尾松 PM in rainy season 铵态氮 硝态氮 温度和 pH 值均与土壤微生物的 PLFAs 总量 细菌和革兰氏阴性细菌的相对丰度 真菌 细菌比呈极显著相关 土壤湿度则与微生物的 PLFAs 总量 细菌和革兰氏阴性细菌的相对丰度呈极显著正 相关 全氮与微生物的 PLFAs 总量呈显著负相关 与革兰氏阳性细菌 革兰氏阴性细菌 放线菌和丛枝菌根 真菌的相对丰度呈显著正相关 而土壤有机碳 C N 比与各菌群相对丰度间无显著相关性 表 4 表表 4 土壤总微生物生物量和微生物群落结构与环境因子间的相关系数土壤总微生物生物量和微生物群落结构与环境因子间的相关系数 Table 4 Correlation coefficients between soil total microbial biomass and microbial community structure and environmental variables n 36 变量 Variable 总 PLFAs Total PLFAs 细菌 B 真菌 F 放线菌 Ac 丛枝菌根 真菌 AMF 革兰氏阳性 细菌 G 革兰氏阴性 细菌 G 真菌 细菌 F B ratio 有机碳 SOC 0 3960 2660 1610 4290 2360 3000 4170 026 全氮 TN 0 504 0 172 0 2450 529 0 554 0 539 0 517 0 077 碳氮比 C N0 3840 0140 1390 365 0 328 0 4550 2080 082 铵态氮 NH4 N0 717 0 906 0 3280 3270 495 0 3310 857 0 630 硝态氮 NO3 N0 768 0 921 0 4010 504 0 4360 2460 912 0 691 湿度 Soil moisture0 723 0 676 0 1350 3880 073 0 0170 733 0 226 温度 Temperature0 828 0 895 0 3210 575 0 380 0 1190 935 0 629 pH 0 627 0 788 0 514 0 417 0 714 0 283 0 751 0 697 P 0 05 P 0 01 7 选取土壤有机碳 SOC 总氮 TN 碳氮比 C N 铵态氮 NH4 N 硝态氮 NO3 N 温度 ST 湿 度 SM 和 pH 值作为土壤环境因子 对 3 种人工林林地 0 10 cm 土壤的 21 种微生物特征 PLFA 进行冗余分 析发现 第一轴解释了45 8 的变异 第二轴解释了20 2 的变异 图4 所有土壤环境因子中 对微生物群落结 构产生显著影响的分别为土壤温度 F 9 60 P 0 002 湿度 F 5 39 P 0 006 pH 值 F 3 86 P 0 020 全 氮 F 2 74 P 0 036 和铵态氮 F 2 88 P 0 040 具体表现为 除铵态氮外的几种显著影响因子均与 PLFA a15 0 16 0 17 1 8c a17 0 18 0 18 2 6 9c 呈显著正相关 与其他特征 PLFA 呈显著负相关 而铵态氮则 表现出完全相反的影响 1 01 0 1 01 0 i14 0 14 0 i15 0 a15 0 i16 0 16 1 7c 16 1 5c 16 0 10Me16 0 i17 0 a17 0 17 1 8c cy17 0 17 0 16 1 2OH10Me17 0 18 2 6 9c 18 1 9c 18 1 7c 18 0 cy19 0 8c SOC TN C N NH4 NO3 SM ST pH 第二轴Axis 2 20 2 第一轴Axis 1 45 8 图图 4 土壤微生物群落结构与土壤理化性质的冗余分析 Fig 4 Redundancy analysis of soil microbial community structure and soil properties ST 土壤温度 Soil temperature SM 土壤湿度 Soil moisture TN 全氮 Total nitrogen SOC 有机碳 Soil organic carbon C N 碳氮比 Carbon nitrogen ratio NO3 硝态氮 NO3 N NH4 铵态氮 NH4 N 3 讨讨 论论 一般来说 土壤微生物群落的季节变化与土壤温度和湿度的季节变异密切相关 13 相比于旱季 雨季的土 壤温度和湿度条件往往更利于土壤微生物的生长 8 然而 本研究却得出了旱季土壤微生物的 PLFAs 总量和 各菌群 PLFAs 量均高于雨季的结论 图 1 与白震等 14 和 Rogers 等 15 研究发现雨季微生物生物量较高的结 果并不相同 他们认为雨季的温湿度更有利于植物凋落物的分解 加上植物因旺盛生长而向土壤中分泌的大 量有机碳等易降解底物 土壤中可利用底物丰富 有利于微生物的生长 而 Lipson 等 16 牛佳等 17 和王卫霞等 8 在研究不同季节条件下土壤微生物群落结构特征时 得到与本研究类似的结论 旱季 植物的凋落物量较大 加上土壤通气性较好 土壤中溶解性氧含量增多 有利于需氧微生物的生长 微生物生物量较高 17 18 因此 影 响土壤微生物的因素较多 其生物量的高低仍取决于起关键作用的影响因素 本研究发现 相比于混交林和马尾松林 雨季的格木人工林具有更高的土壤微生物生物量 包括微生物的 PLFAs 总量和各菌群 PLFAs 量 旱季则是马尾松人工林最高 图 1 考虑到研究对象的位置 立地条件与营 林管理措施均相同 林分类型 树种生物学特性 可能是造成这种差异的主要因素 Waid 19 认为植被可能是影 响土壤微生物的重要因素 这种影响主要基于植被凋落物的类型和数量 根系分泌物 尤其是其化学特性的 不同 不同的植物凋落物和根系分泌物的理化性质不同 对土壤微生物的生长具有选择性刺激作用 进而影响 微生物群落特征 本研究中 雨季各林地土壤温度均在 27 0 左右 土壤微生物均能够进行良好的代谢活动 4 土壤微生物主要取决于林地养分水平 阔叶固氮树种格木在促进枝叶与根系等器官氮素积累的同时 为林地 输送量多质优的枯落物 表 1 在高氮条件下 低 C N 比 地上枯落物与地下细根的有机残体分解过程强烈 能 8 为微生物提供更多可利用碳 氮源 相关分析也表明 土壤全氮与革兰氏阳性细菌 革兰氏阴性细菌 放线 菌以及丛枝菌根真菌的相对丰度之间呈显著正相关关系 表 4 这些在一定程度表明固氮树种可通过其凋落 物与细根基质的生物量和质量 影响其林地土壤底物水平 进一步直接或间接驱动土壤微生物群落结构的改 变 在旱季 土壤微生物活性主要受低温的限制 格木林地更低的土壤温度 表 2 可能是导致其在干冷季的微 生物生物量低于混交林与马尾松林的主要因素 土壤水分 pH 值和氮含量 全氮 铵态氮和硝态氮 与微生物各菌群的相对丰度间大多呈显著相关关系 表 4 表明在排除土壤温度为限制因子的前提下 其他土壤微环境条件对微生物群落的影响也很大 土壤水 分的增加会促进微生物活性 有利于微生物的生长 20 土壤 pH 值是影响微生物生长和活性的一个重要因素 对土壤微生物生物量和微生物群落结构有显著影响 4 21 23 研究表明 土壤真菌的相对丰度会随着土壤酸性 的增强而升高 22 24 阔叶森林土壤细菌的相对丰度随土壤 pH值增加而增加 22 25 然而本研究得出 土壤pH值 与真菌相对丰度之间呈正相关关系 与细菌相对丰度呈负相关关系 表 4 表明土壤微生物群落结构与环境因 素之间的相关关系可能因林分类型或林龄的不同而有差异 虽然微生物群落与土壤有机碳之间无显著相关 性 但与土壤氮含量呈极显著相关 说明相对于土壤碳源而言 本研究对象中土壤氮是影响微生物生长和发育 的重要因素 26 真菌 细菌比通常用来评价土壤微生物群落中真菌与细菌生物量的变化和两个群落的相对丰度及土壤 生态系统的稳定性 27 土壤真菌 细菌比较大时 较高的真菌 C N 比 真菌和细菌的C N 比分别为10 和 4 使得 真菌被食真菌动物分解后 土壤中氮底物水平较低 矿化速率较小 同时 较大的真菌 细菌比使得真菌生物量 以及真菌菌丝体增多 与土壤有效养分的接触面积增大 土壤养分元素的流失减少 因而土壤生态系统越稳定 28 30 本研究中 相比于纯林 格木与马尾松混交林的土壤真菌 细菌比增大 图 1 表明混交更有利于提高土壤 生态系统的稳定性 参考文献参考文献 1 Yao H He ZL Wilson MJ et al Microbial biomass and community structure in a sequence of soils with increasing fertility and changing land use Microbial Ecology 2000 40 223 237 2 Schloter M Dilly O Munch JC Indicators for evaluating soil quality Agriculture Ecosystems Environment 2003 98 255 262 3 Zelles L Bai QY Beck T et al Signature fatty acids in phospholipids and lipopolysaccharides as indicators of microbial biomass and community structure in agricultural soils Soil Biology and Biochemistry 1992 24 317 323 4 Zhang D 张地 Zhang Y X 张育新 Qu L Y 曲来叶 et al Effects of altitude on soil microbial community in Quercus liaotungensis forest Chinese Journal of Applied Ecology 应用生态学报 2012 23 8 2041 2048 in Chinese 5 Wang H Liu S Wang J et al Effects of tree species mixture on soil organic carbon stocks and greenhouse gas fluxes in subtropical plantations in China Forest Ecology and Management 2012 300 4 13 6 Chen TH Chiu CY Tian G Seasonal dynamics of soil microbial biomass in coastal sand dune forest Pedobiologia 2005 49 645 653 7 Busse MD Beattie SE Powers RF et al Microbial community responses in forest mineral soil to compaction organic matter removal and vegetation control Canadian Journal of Forest Research 2006 36 577 588 8 Wang W X 王卫霞 Shi Z M 史作民 Luo D 罗达 et al Characteristics of soil microbial biomass and community composition in three types of plantations in southern subtropical area of China Chinese Journal of Applied Ecology 应用生态学 报 2013 24 7 1784 1792 in Chinese 9 Liu G S 刘光崧 Observation and Standard Analysis Method of Chinese Ecosystem Research Network Physiochemical Analysis and Profile Description of Soil Beijing China Standards Press 1996 in Chinese 10 Bossio DA Scow KM Impacts of carbon and flooding on soil microbial communities phospholipid fatty acid profiles and substrate utilization patterns Microbial Ecology 1998 35 265 278 9 11 Bligh EG Dyer WJ A rapid method of total lipid extraction and purification Canadian Journal of Biochemistry and Physiology 1959 37 911 917 12 Frosteg rd B th E The use of phospholipid fatty acid analysis to estimate bacterial and fungal biomass in soil Biology and Fertility of Soils 1996 22 59 65 13 Moore Kucera J Dick RP PLFA profiling of microbial community structure and seasonal shifts in soils of a Douglas fir chronosequence Microbial Ecology 2008 55 500 511 14 Bai Z 白震 He H B 何红波 Xie H T 解宏图 et al Influences of fertilization and seasonal variation on microbial community in a Chinese Mollisol Environmental Science 环境科学 2008 29 11 3230 3239 in Chinese 15 Rogers BF Tate RL Temporal analysis of the soil microbial community along a toposequence in Pineland soils Soil Biology and Biochemistry 2001 33 1389 1401 16 Lipson DA Schadt CW Schmidt SK Changes in soil microbial community structure and function in an alpine dry meadow following spring snow melt Microbial Ecology 2002 43 307 314 17 Niu J 牛佳 Zhou X Q 周小奇 Jiang N 蒋娜 et al Characteristics of soil microbial communities under dry and wet condition in Zoige alpine wetland Acta Ecologica sinica 生态学报 2011 31 2 474 482 in Chinese 18 Unger IM Kennedy AC Muzika RM Flooding effects on soil micro