尉建埔　張潔　王文娜　王政權(quán)　谷加存

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

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施氮肥對(duì)東北帽兒山云杉人工林土壤微生物生物量和群落結(jié)構(gòu)的影響1)

尉建埔張潔王文娜王政權(quán)谷加存

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

摘要采用磷脂脂肪酸(PLFA)方法，研究了施氮肥對(duì)東北帽兒山地區(qū)云杉人工林的土壤微生物生物量和群落結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明：與對(duì)照相比，施肥使土壤微生物總生物量在表層(0～10 cm)和亞表層(>10～20 cm)分別下降了28.5%和11.5%。施肥也使細(xì)菌、真菌、革蘭氏陽(yáng)性菌生物量比對(duì)照顯著降低，但是革蘭氏陰性菌比對(duì)照組顯著增加，而對(duì)放線菌無(wú)顯著影響。施肥導(dǎo)致土壤部分理化因子也發(fā)生了顯著改變，特別是施肥處理下硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)在表層和亞表層分別提高了10倍和6倍，而pH值在表層和亞表層顯著下降。因此，施氮肥可以顯著改變?cè)粕既斯ち滞寥赖睦砘再|(zhì)，導(dǎo)致土壤微生物生物量下降和土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的改變。

關(guān)鍵詞云杉人工林；群落結(jié)構(gòu)；土壤微生物；生物量；磷脂脂肪酸

分類(lèi)號(hào)S725.5

Effect of Nitrogen Fertilization on Soil Microbial Biomass and Community Structure ofPiceakoraiensisPlantation in Maoershan Mountains of Northeastern China//

Wei Jianpu, Zhang Jie, Wang Wenna, Wang Zhengquan, Gu Jiacun

(Northeast Forestry University, Harbin150040, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(5)：52-56.

KeywordsPicea koraiensis; Community structure; Soil microbe; Biomass; PLFA

土壤微生物在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳(C)和養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程中發(fā)揮重要作用(參與凋落物分解過(guò)程、調(diào)節(jié)土壤有機(jī)質(zhì)的儲(chǔ)存和礦化等)[1-3]。土壤微生物的組成是土壤健康的重要指標(biāo)，對(duì)維持陸地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定、林木生長(zhǎng)以及森林凈初級(jí)生產(chǎn)力具有重要意義[4-7]。

土壤微生物對(duì)生境變化反應(yīng)敏感，受氣候和土壤狀況等影響顯著[8]。大量研究表明，氮(N)添加會(huì)導(dǎo)致林地土壤微生物生物量、群落結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化[9]。He Yating et al.[10]研究證實(shí)，長(zhǎng)期施N肥可導(dǎo)致闊葉林土壤微生物生物量顯著降低。Treseder[11]在總結(jié)82個(gè)研究案例的Meta分析中發(fā)現(xiàn)，在施N肥條件下土壤微生物生物量平均降低15%，長(zhǎng)期或大量施N肥可導(dǎo)致細(xì)菌和真菌豐富度顯著降低。在野外林地和實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)條件下，施N肥均對(duì)土壤微生物生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用[9]，這主要是因?yàn)橥寥览砘再|(zhì)發(fā)了顯著的變化[9-12]。土壤N增加還對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響，如導(dǎo)致真菌/細(xì)菌比值[8]及革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌(G+)/革蘭氏陰性細(xì)菌(G-)比值發(fā)生變化[13]。這些微生物群落結(jié)構(gòu)的改變可能會(huì)對(duì)一系列的土壤生態(tài)學(xué)過(guò)程有重要的影響，如影響凋落物和土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率[2]，改變硝化和反硝化的微生物過(guò)程[14]，增加溫室氣體N2O的排放[15]等。因此，研究N添加對(duì)土壤微生物生物量和群落結(jié)構(gòu)的影響對(duì)于了解土壤健康狀況，評(píng)估土壤肥力及有針對(duì)性的進(jìn)行土壤改良和優(yōu)化林地管理措施等有重要的意義。

紅皮云杉(Piceakoraiensis)是東北地區(qū)常見(jiàn)的針葉樹(shù)種，其蓄積量占黑龍江省天然林總面積的23%[16]，目前已營(yíng)造大面積人工林。雖然以往針對(duì)東北地區(qū)云杉人工林的土壤特征進(jìn)行了較多研究[6，14]，但是施N肥對(duì)云杉林土壤微生物的影響了解甚少。為此，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)28年生云杉人工林進(jìn)行短期(1 a)的硝酸銨施肥處理，研究土壤N有效性增加對(duì)土壤理化性質(zhì)、微生物(包括細(xì)菌、真菌和放線菌)生物量和群落結(jié)構(gòu)(G+和G-)的影響，目的是為優(yōu)化東北地區(qū)云杉人工林林地營(yíng)養(yǎng)管理措施提供參考。

1研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于東北林業(yè)大學(xué)帽兒山實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)尖砬溝試驗(yàn)站(127°30′～127°34′E，45°21′～45°25′N(xiāo))。該地區(qū)氣候?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年均降水量723.8 mm，年均氣溫2.8 ℃，其中1月份平均氣溫為-19.6 ℃，7月份平均氣溫為20.9 ℃，年無(wú)霜期120～140 d。該地區(qū)平均海拔300 m，土壤類(lèi)型為暗棕壤，土層平均厚度在40～50 cm,有機(jī)質(zhì)豐富，排水狀況良好。

2研究方法

樣地設(shè)置：2014年5月，在云杉人工林內(nèi)隨機(jī)設(shè)置6塊10 m×10 m的樣地，在每塊樣地核心區(qū)設(shè)置1塊4 m×4 m的施肥樣方和1個(gè)4 m×4 m對(duì)照樣方(每個(gè)處理3個(gè)重復(fù))。分別于2014年5、7、8月份在試驗(yàn)樣方內(nèi)施N肥(硝酸銨)?？偸㎞量為10 g·m-2·a-1，根據(jù)季節(jié)溫度變化調(diào)節(jié)施肥量，其中5月份施30%、7月份施40%、8月份施30%。

土壤微生物測(cè)定：采用磷脂脂肪酸分析法(PLFA)測(cè)定土壤微生物生物量總量、細(xì)菌、真菌和放線菌生物量以及群落結(jié)構(gòu)[18]。主要步驟為：精確稱取1.00 g凍干土樣，經(jīng)過(guò)脂類(lèi)抽提、固相抽提柱層析分離脂類(lèi)、磷脂的堿性甲醇水解和甲基化之后，應(yīng)用氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS:Varian 450-GC，Varian 240-MS，美國(guó))上機(jī)測(cè)試。磷脂脂肪酸的定性根據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(十九酸甲酯)的相對(duì)保留時(shí)間及質(zhì)譜圖與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比確定。磷脂脂肪酸的含量由內(nèi)標(biāo)法確定。代表微生物各種群的特征磷脂脂肪酸主要為：飽和脂肪酸及單不飽和脂肪酸代表細(xì)菌(12:0、i14:0、14:0、i15:0、a15:0、15:0、i16:0、a16:0、16:0、i17:0、17:0、16:1ω9,cy17:0、18:0、cy19:0、21:0,22:0)；其中i15:0、a15:0、15:0、i16:0、a16:0、i17:0代表革蘭氏陽(yáng)性菌，cy17:0、cy19:0、16:1ω9代表革蘭氏陰性菌；18:2ω6、18:3ω6、18:1ω9c、18:1ω9t代表真菌；10-Me分支飽和脂肪酸代表放線菌[19]。

數(shù)據(jù)處理：采用SPSS13.0軟件進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì)和正態(tài)檢驗(yàn)。運(yùn)用成對(duì)樣本T檢驗(yàn)，檢驗(yàn)土壤理化性質(zhì)和土壤微生物數(shù)量在施肥后變化的顯著性。

3結(jié)果與分析

3.1施肥對(duì)云杉林土壤理化性質(zhì)的影響

表1　施肥與對(duì)照處理的云杉林土壤化學(xué)特征

注：表中數(shù)值為“平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤”；同列不同字母表示同一土層內(nèi)差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

3.2施氮肥對(duì)土壤微生物總生物量的影響

施肥導(dǎo)致土壤表層和亞表層的土壤微生物總量均顯著低于對(duì)照(P<0.05)(見(jiàn)表2)。表層土壤微生物的PLFA標(biāo)記物量由1 479.0 nmol·g-1降低到1 057.4 nmol·g-1，降幅為28.5%；而在亞表層中則由836.5 nmol·g-1降低到739.9 nmol·g-1，降幅為11.5%。此外，無(wú)論施肥與否，表層土壤微生物總量均顯著高于亞表層。

3.3施氮肥對(duì)土壤細(xì)菌、真菌、放線菌生物量的影響

由表2可知，施肥導(dǎo)致云杉林土壤細(xì)菌數(shù)量顯著降低(P<0.05)。在表層土中，施肥使土壤細(xì)菌的PLFA標(biāo)記物量由1 267.2 nmol·g-1下降到885.9 nmol·g-1，降幅為30.1%；在亞表層土則由739.9 nmol·g-1下降到621.0 nmol·g-1，降幅為16.1%。細(xì)菌中G+細(xì)菌的PLFA標(biāo)記物含量在表層降低顯著(P<0.05)，由224.3 nmol·g-1下降到145.3 nmol·g-1，降幅為41.0%；而亞表層土的G+細(xì)菌標(biāo)記物含量下降不顯著(P>0.05)。與G+細(xì)菌不同，G-細(xì)菌的PLFA標(biāo)記物含量因施肥而顯著增加(P<0.05)，在表層和亞表層分別增加了51.8%和31.0%。因此，表層和亞表層土壤細(xì)菌的G+/G-分別由1.42和1.21降低至0.56和0.85。

表2　施肥與對(duì)照處理的云杉林各類(lèi)群微生物PLFA標(biāo)記物含量

注：表中數(shù)值為“平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤”；同列不同字母表示同一土層內(nèi)差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

施肥對(duì)真菌生物量也有顯著影響(P<0.05)。在表層土壤中，真菌PLFA標(biāo)記物的數(shù)量由135.7 nmol·g-1顯著降低到115.0 nmol·g-1，降幅為15.3%；而亞表層土的真菌生物量的變化并不顯著(P>0.05)。施肥對(duì)土壤細(xì)菌和真菌均產(chǎn)生了顯著的影響，但并沒(méi)有顯著影響土壤真菌/細(xì)菌的比例。此外，施肥對(duì)放線菌的影響不顯著(P>0.05)。

4討論與結(jié)論

施肥不但對(duì)土壤養(yǎng)分產(chǎn)生影響，而且對(duì)云杉林土壤的微生物生物量也產(chǎn)生重要影響。磷脂脂肪酸法(PLFA)的測(cè)定結(jié)果顯示，施N肥在短期內(nèi)直接導(dǎo)致了土壤各層的PLFA表征的微生物總生物量的顯著下降，說(shuō)明通過(guò)施肥引起的土壤N有效性增加，會(huì)抑制土壤微生物數(shù)量的增長(zhǎng)，該結(jié)果與以往的大部分研究一致[9]。Demoling et al[24]對(duì)瑞典挪威云杉林的研究發(fā)現(xiàn)，施N肥使挪威云杉(Piceaabies)林土壤微生物數(shù)量下降了40%，而微生物活性也下降了30%；Deforest et al[25]在美國(guó)密西根北部的北方闊葉林的研究顯示，施N肥樣地土壤微生物生物量比對(duì)照減少了68%；此外，賈淑霞等[26]對(duì)帽兒山地區(qū)落葉松和水曲柳人工林的研究也得到類(lèi)似的結(jié)果。造成土壤微生物數(shù)量下降的原因可能有以下幾方面：首先，N添加可以導(dǎo)致土壤pH的下降，而pH的下降在以往的研究中也被證明可以抑制微生物數(shù)量和生物量的增長(zhǎng)[9]；其次，N添加可以改變土壤酶活性，導(dǎo)致土壤酶生產(chǎn)力和分解效率的改變，進(jìn)而影響土壤微生物數(shù)量和生物量的變化。Carreiro et al[27]研究發(fā)現(xiàn)，沼生櫟(Quercuspalustris)凋落物分解速率和氧化酶活性隨N添加而下降，導(dǎo)致氧化酶對(duì)底物的利用效率降低，隨之帶來(lái)土壤微生物生物量的減少。此外，本研究發(fā)現(xiàn)施肥之后，微生物生物量降低可能還與細(xì)菌和真菌生物量同時(shí)降低有密切關(guān)系，但與放線菌關(guān)系較弱，因?yàn)槭㎞肥對(duì)放線菌生物量影響并不顯著。

施N肥改變了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，如改變了土壤真菌/細(xì)菌比率。一般認(rèn)為，N添加會(huì)降低土壤細(xì)菌和真菌的生物量，且對(duì)真菌的影響大于細(xì)菌[28-29]，但本研究中真菌/細(xì)菌的比例并未有顯著變化，可能是由于施肥時(shí)間短或施肥總量不足以顯著改變二者的關(guān)系；施肥同時(shí)也導(dǎo)致細(xì)菌群落內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變，如G+細(xì)菌生物量降低，G-細(xì)菌生物量增加，從而降低了G+/G-比，這與其他施肥研究的結(jié)果具有一致性[13]。這可能因?yàn)镚+細(xì)菌能夠適應(yīng)條件較差的土壤環(huán)境，且在底物資源有限的情況下更擅長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)資源[30]；而G-細(xì)菌的生存更依賴于土壤中易分解的新鮮有機(jī)物[31]。向土壤中施加N肥，增加了土壤有效N的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，緩解了土壤營(yíng)養(yǎng)條件對(duì)微生物的限制[18]，土壤的G-在表層和亞表層均顯著增加，而G+減少，G+/G-比顯著降低。G+細(xì)菌和G-細(xì)菌是土壤細(xì)菌中重要的組成部分，對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)，尤其是對(duì)枯落物的分解起重要的作用[32]，因此，施肥對(duì)云杉人工林凋落物分解過(guò)程可能具有重要的影響，還需要進(jìn)一步的研究驗(yàn)證。一些研究發(fā)現(xiàn)N添加有助于土壤放線菌數(shù)量的增加，原因是N添加解除了土壤N對(duì)放線菌的限制，增加了土壤養(yǎng)分的活性，利于放線菌的生長(zhǎng)[33-34]。本研究中施肥并未導(dǎo)致土壤放線菌發(fā)生顯著變化，原因可能是N添加導(dǎo)致云杉林地土壤的酸化(pH下降)和部分陽(yáng)離子的流失及土壤養(yǎng)分失衡，這些均對(duì)放線菌產(chǎn)生了負(fù)面的影響，但需要其他試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

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收稿日期：2015年9月26日。

第一作者簡(jiǎn)介：尉建埔，男，1990年5月生，東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，碩士研究生。E-mail：254487956@qq.com。通信作者：谷加存，東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，副教授。E-mail：gjcnefu@163.com。

1)國(guó)家林業(yè)科技支撐計(jì)劃課題(2012BAD21B0202)。

責(zé)任編輯：王廣建。