陳法霖,張 凱,王 蕓,吳愛平,李有志,鄒冬生,鄭 華,,*

1 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院洞庭湖區(qū)農(nóng)村生態(tài)系統(tǒng)健康湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410128 2 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 1000853 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,烏魯木齊 830052 4 山東省水土保持與環(huán)境保育研究所,臨沂大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,臨沂 276005 5 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049

砍伐天然林后用外來速生樹種造林(如：桉樹)是中國(guó)乃至全球面臨的重大生態(tài)變化之一[1-2]。由于外來種對(duì)原生生態(tài)系統(tǒng)存在潛在的破壞性影響,人類活動(dòng)導(dǎo)致的外來種的廣泛擴(kuò)散已受到廣泛關(guān)注[3]。已有研究表明,與原生森林相比,外來物種人工林不僅生長(zhǎng)速率快,導(dǎo)致土壤水分和養(yǎng)分資源的大量消耗[4],其生態(tài)系統(tǒng)碳輸入的數(shù)量和質(zhì)量也發(fā)生改變[5],并且林下植被的生長(zhǎng)還常受到林業(yè)作業(yè)的物理干擾[6]以及外來物種的化學(xué)干擾[7]。

為了強(qiáng)調(diào)人工林的經(jīng)濟(jì)效益,我國(guó)在植樹造林過程中引進(jìn)了一些速生且能適應(yīng)多種環(huán)境的外來物種。桉樹(Eucalyptus),桃金娘科(Myrtaceae),桉樹屬(Eucalyptus),原產(chǎn)于澳大利亞,已成為全球以及我國(guó)南方發(fā)展速生豐產(chǎn)林的重要造林樹種之一?，F(xiàn)全球桉樹人工林面積超過2000萬(wàn)hm2,占世界人工林面積的15%,而我國(guó)桉樹造林面積在2015年已經(jīng)超過450萬(wàn)hm2,位列世界第三[8]。然而,種植桉樹可能會(huì)對(duì)引入地的環(huán)境產(chǎn)生有害影響,例如：生物多樣性下降,土壤侵蝕,土壤肥力下降,從而削弱其益處[9-10]。已有研究表明引進(jìn)種桉樹造林顯著影響了我國(guó)華南地區(qū)森林土壤的物理和化學(xué)性質(zhì)以及植物群落的多樣性[6,11],但有關(guān)桉樹人工林對(duì)華南地區(qū)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能影響的研究較少。

本研究以引進(jìn)種桉樹造林對(duì)土壤微生物群落的影響為主線,應(yīng)用成對(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)(天然次生林-桉樹人工林),采用磷脂脂肪酸圖譜(PLFA)和BIOLOG微平板培養(yǎng)等技術(shù)手段,探討引進(jìn)種桉樹人工林取代天然次生林對(duì)土壤微生物群落生物量、結(jié)構(gòu)和功能的影響,揭示導(dǎo)致土壤微生物群落變化的主要因素,為明確大面積桉樹造林對(duì)華南地區(qū)森林土壤微生物多樣性的影響,以及桉樹人工林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

為了全面揭示桉樹種植對(duì)土壤微生物群落的影響,本研究選擇海南省白沙縣細(xì)水鄉(xiāng)龍村小流域開展研究。白沙東臨瓊中縣,西接昌江縣,北抵儋州市,南臨樂東縣。面積約為2118 km2,境內(nèi)41.9%為山地。白沙屬于熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)性氣候,年平均降雨量約1725 mm,并且70%—80%的降水集中在5—10月。年平均氣溫21.9—23.4℃,最高溫度35—37℃,最低溫度5—6℃。土壤母質(zhì)屬于花崗巖風(fēng)化物,土壤類型為磚紅壤。地帶性森林群落為熱帶季雨林。

本實(shí)驗(yàn)區(qū)域天然次生林中物種豐富,喬木物種主要有厚皮樹,對(duì)葉榕,銀柴,木棉,倒吊筆,菲律賓合歡,海南紅豆,海南蒲桃,楓香,黃牛木,毛果扁擔(dān)桿,水錦樹以及越南山礬,林下灌木物種主要有紅腺紫珠,假蘋婆,假鷹爪,九節(jié),牛筋果,破布葉等,主要的草本物種則有竹葉草,弓果黍,細(xì)花百部,求米草,華南毛蕨,海南老鴨嘴,大葉竹葉草等。

桉樹人工林在種植前會(huì)進(jìn)行煉山、翻耕整地、施基肥,種植后的前三年每年追肥并除草一次,林下灌草以馬纓丹和飛機(jī)草最為常見。輪伐期較短,一般5—6年。第一代桉樹人工林造林方式為植苗,第二代則為萌芽,第三代植苗,第四代萌芽,依次類推。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及采樣

以天然次生林為對(duì)照,為了比較桉樹人工林取代天然次生林造林后土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的變化,確保研究結(jié)果的可比性,本研究在海南白沙縣細(xì)水鄉(xiāng)龍村小流域隨機(jī)選取了10對(duì)(樣點(diǎn)坐標(biāo)范圍為109°34′—109°35′E,19°8′—19°10′N)相鄰的天然次生林和桉樹林作為研究對(duì)象。野外樣方調(diào)查和采樣時(shí)間為2011年10月。采樣點(diǎn)桉樹人工林造林時(shí)間為2002—2008年,造林之前均為與對(duì)照一樣的天然次生林,調(diào)查樣地均為一代或二代桉樹林,林齡為3—5年。

每塊供試林地選取3個(gè)獨(dú)立的面積為20 m×20 m喬木樣方,調(diào)查樣方喬木層蓋度及樣方內(nèi)所有喬木物種的株高、胸徑和株數(shù)。每個(gè)喬木樣方內(nèi)調(diào)查2個(gè)面積為5 m×5 m的灌木樣方以及3個(gè)面積為1 m×1 m的草本樣方,分別調(diào)查灌木和草本層蓋度及樣方內(nèi)所有灌木和草本的株數(shù)。

每塊供試林地的3個(gè)喬木樣方中,分別隨機(jī)選取10處用直徑為3.6 cm的土鉆取0—10 cm土壤,混為一個(gè)土壤樣品,每塊林地3個(gè)土壤樣品。采集的土壤樣品放在冰盒中(4℃)保存,并在3天內(nèi)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。采回的土壤樣品過2 mm孔徑的土壤篩進(jìn)行勻質(zhì)化并去除較大的石塊、土壤動(dòng)物及植物殘?bào)w。過篩后的土壤一部分放在4℃保存用于土壤微生物生物量、碳源代謝功能等的測(cè)定;一部分冷凍干燥后,磨碎并過100目土壤篩,保存于-20℃用于土壤PLFA的提取;其余的土樣風(fēng)干用于土壤理化性質(zhì)分析。不同森林類型的植被及土壤基本特征見表1。

1.3 土壤微生物生物量分析

土壤微生物生物量碳、氮采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法[12]進(jìn)行前處理,實(shí)驗(yàn)在樣品取回后24 h內(nèi)進(jìn)行。測(cè)定生物量碳所用儀器為德國(guó)Elementar公司生產(chǎn)的Liqui TOC Ⅱ分析儀。生物量氮的測(cè)定采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法。

1.4 土壤微生物群落的磷脂脂肪酸組成分析

土壤微生物磷脂脂肪酸的測(cè)定方法在Buyer[13]的方法上加以改進(jìn)。所用試驗(yàn)用品和器皿均為玻璃或Teflon(特氟龍)材料,不使用清洗劑清洗容器。提取過程避光,遠(yuǎn)離熱源。樣品冷凍保存,避光、水和氧氣。主要步驟為：提?。?1)4 g凍干土(100目)至40 mL玻璃離心管,依次加入3.2 mL磷酸緩沖液、8 mL甲醇、4 mL氯仿;于室溫超聲浸提10 min后避光水平震蕩1 h,2500 rpm/min離心10 min,收集上清至100 mL分液漏斗;(2)依次加入3.2 mL磷酸緩沖液(pH 7.4)、4 mL氯仿,混勻,避光過夜分層;(3)收集下層氯仿相至40 mL玻璃離心管,N2吹干。分離：(4)過硅膠柱(500 mg silica gel column,Part No.5982- 2265,Agilent Technologies,Wilmington,DE,USA)：樣品過柱前先加入5 mL氯仿潤(rùn)濕硅膠柱;再用10 mL氯仿分2次洗滌轉(zhuǎn)移N2吹干的樣品至硅膠柱內(nèi);(5)待氯仿滴干后加入10 mL丙酮過硅膠柱;(6)待丙酮完全滴干后,加入5 mL甲醇(色譜純)過硅膠柱,收集甲醇相至10 mL Teflon離心管,N2吹干。甲酯化：(7)用1 mL甲醇-甲苯(1∶1,v/v)溶液溶解吹干的脂類物質(zhì);(8)加入0.2 mol/L KOH(現(xiàn)用現(xiàn)配,甲醇做溶劑)1 mL,混勻,35℃溫育15 min;(9)待樣品冷卻至室溫后,依次加入2 mL氯仿-正己烷(1∶4,v/v)、1 mL 1 mol/L 醋酸、2 mL超純水,混勻;(10)2000 rpm/min 離心5 min,收集上層正己烷相至干凈的10 mL樣品瓶;(11)加入2 mL氯仿-正己烷(1∶4,v/v)重復(fù)提取一次,合并兩次提取的正己烷相,N2吹干,-20℃保存。上機(jī)前準(zhǔn)備：(12)過柱(NH2SPE column,Part No. 8B-S009-EAK,Phenomenex,Torrance,CA)：過柱前先加入1 mL氯仿潤(rùn)濕柱子;再用1 mL氯仿分2次洗滌轉(zhuǎn)移吹干的樣品至柱子內(nèi);(13)收集氯仿相至2 mL棕色樣品瓶,N2吹干;(14)加入1 mL含有10 ppm內(nèi)標(biāo)物(十九烷酸甲酯)的正己烷(農(nóng)殘級(jí))溶液。

表1 不同森林植被及土壤基本特征(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,n=10)

磷脂脂肪酸的定量采用氣質(zhì)聯(lián)用儀進(jìn)行測(cè)定。GC-MS條件：HP6890/MSD5793(Agilent Technologies,Bracknell,UK),HP- 5毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm),不分流進(jìn)樣。進(jìn)樣口溫度230℃;檢測(cè)器溫度270℃。升溫程序：50℃持續(xù)1 min,以15℃/min增加至150℃,保持2 min,再以3℃/min增加至250℃,保持15 min。He作載氣,流量為1 mL/min。

脂肪酸定量用峰面積和內(nèi)標(biāo)(19:0)曲線法。PLFA含量用nmol/g表示。

本研究共有24種PLFA被檢出。這些脂肪酸主要由飽和脂肪酸、不飽和脂肪酸、帶甲基支鏈的脂肪酸和帶環(huán)丙基的脂肪酸組成。主要微生物類群的生物量通過以下PLFA的總量來估算：細(xì)菌(15:0、17:0、20:0、革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌：i15:0、a15:0、i16:0、i17:0、a17:0、i18:0;革蘭氏陰性細(xì)菌：16:1ω9t、16:1ω7c、cy17:0、18:1ω9t、18:1ω7c、cy19:0);用16:1ω5c(叢枝菌根真菌)、18:2ω6,9c、18:1ω9c的和來估算真菌的生物量;用10Me17:0、10Me18:0與10Me19:0的和來估算放線菌的生物量,14:0、16:0、18:0為通用脂肪酸[14- 17]。

1.5 碳源代謝功能分析

微生物群落碳源功能應(yīng)用BIOLOG微生物自動(dòng)分析系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)定[18]。BIOLOG實(shí)驗(yàn)在取樣后一周內(nèi)進(jìn)行。稱取10 g鮮土,加入90 mL無菌的0.145 mol/L的NaCl溶液,在搖床上180 rpm/min往復(fù)式振蕩30 min,然后將土壤懸濁液再稀釋100倍,用8通道移液器吸取150 μL稀釋過后的土壤懸濁液接種至生態(tài)板(BIOLOG-ECO PLATE)的每一個(gè)孔中,將接種好的板放置于25℃恒溫培養(yǎng)10 d,每12 h用BIOLOG微生物自動(dòng)分析系統(tǒng)測(cè)定590 nm波長(zhǎng)處的光密度值。

孔的平均顏色變化率(Average well colour development,AWCD) 計(jì)算方法如下[19]：

AWCD=∑(C-R)/n

式中,C為每個(gè)有培養(yǎng)基孔的光密度值,R為對(duì)照孔的光密度值,n為培養(yǎng)基碳源種類,Eco板n值為31。C-R<0的孔在計(jì)算時(shí)全部替換為0。

采用曲線整合方法[20]估計(jì)碳源代謝活性：

梯形面積S=∑[(vi+vi-1)/2×(ti+ti-1)]

式中,vi為i時(shí)刻的AWCD值。

本研究用培養(yǎng)72 h的數(shù)據(jù)來表征BIOLOG板中的微生物代謝功能多樣性特征：包括利用碳源的豐富度(Richness,S)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(Shannon index,H′)。計(jì)算豐富度時(shí)以(C-R)>0.25的數(shù)據(jù)為陽(yáng)性值。

香農(nóng)多樣性指數(shù)的計(jì)算公式為：

H′=-∑PilnPi

式中,Pi=ni/N,ni是第i種培養(yǎng)基的光密度值,N為樣品中所有培養(yǎng)基光密度值的總和。

1.6 數(shù)據(jù)處理

本研究以樣點(diǎn)為彼此獨(dú)立的重復(fù),所以統(tǒng)計(jì)分析時(shí)取每個(gè)樣點(diǎn)3個(gè)土樣的均值進(jìn)行分析。用成對(duì)T檢驗(yàn)(Paired-t-test)分析引進(jìn)種桉樹取代天然次生林造林對(duì)微生物群落特征是否有顯著影響,所用軟件為SPSS 16.0(SPSS Inc.,Chicago,IL,USA)。用R中vegan包的bioenv程序篩選出顯著影響土壤微生物群落的土壤因子和植物因子,再用典型對(duì)應(yīng)分析(Canonical Correspondence Analysis,CCA)分析篩選出的環(huán)境因子與土壤微生物落結(jié)構(gòu)及功能之間的關(guān)系,統(tǒng)計(jì)分析通過CANOCO 4.5實(shí)現(xiàn)。用SigmaPlot 11.0(Systat Software Inc., Chicago, IL, USA)繪圖。

圖1 不同森林土壤微生物生物量碳和氮 Fig.1 Soil microbial biomass carbon and nitrogen in different forests

2 結(jié)果

2.1 土壤微生物量碳和氮

桉樹取代天然次生林造林導(dǎo)致土壤微生物量碳、氮顯著降低。天然次生林土壤微生物量碳為631.86 mg/kg,生物量氮為94.72 mg/kg,而桉樹人工林土壤微生物量碳為376.65 mg/kg,生物量氮?jiǎng)t為61.91 mg/kg,分別比天然次生林低40%(P<0.001)和35%(P<0.01)(圖1)。

2.2 土壤微生物群落磷脂脂肪酸結(jié)構(gòu)

兩種林型土壤微生物群落的磷脂脂肪酸總量間差異顯著并達(dá)到極顯著水平(表2,P<0.001),桉樹人工林土壤微生物群落的磷脂脂肪酸總量為67.6 nmol/g,而天然次生林則達(dá)到105.9 nmol/g,是桉樹林的1.6倍。不管是革蘭氏陽(yáng)性菌,還是革蘭氏陰性菌的特征脂肪酸含量,桉樹人工林都顯著低于天然次生林;天然次生林土壤中細(xì)菌的磷脂脂肪酸含量比桉樹人工林高58%。天然次生林土壤中真菌的磷脂脂肪酸含量也顯著高于桉樹人工林,特別是叢枝菌根真菌特征脂肪酸的含量是桉樹人工林的1.8倍。另外,桉樹人工林土壤放線菌特征脂肪酸的含量也比天然次生林低39%。

飽和直鏈脂肪酸/單不飽和脂肪酸(SAT/MONO)、革蘭氏陽(yáng)性菌/革蘭氏陰性菌(GP/GN)、異構(gòu)/反異構(gòu)脂肪酸(I/A)以及環(huán)丙烷脂肪酸/前體(cyc/pre)的比值常用來指示土壤微生物受生理脅迫的程度,隨受脅迫程度的增加而升高。與天然次生林相比,桉樹造林顯著改變了土壤微生物群落的磷脂脂肪酸結(jié)構(gòu)：桉樹人工林土壤微生物群落的SAT/MONO、GP/GN、I/A以及cy19:0/18:1ω7c的比值上升,并且都達(dá)到顯著水平(表2),表明與天然次生林相比,桉樹人工林土壤微生物群落受生理脅迫增強(qiáng)。

表2 不同森林土壤磷脂脂肪酸的組成

*表示P<0.05,**表示P<0.01,***表示P<0.001

2.3 土壤微生物群落碳代謝功能

與天然次生林相比,桉樹的引種顯著降低了土壤微生物群落的碳源代謝活性(表3,P<0.001)。培養(yǎng)72 h后,桉樹林地土壤微生物群落利用碳源的豐富度及香農(nóng)多樣性指數(shù)也都顯著低于天然次生林(表3,P<0.001)。桉樹林土壤微生物群落利用碳源的種類為17.7種,而天然次生林土壤微生物群落利用碳源的種類達(dá)到23.4種。桉樹林土壤微生物群落利用碳源的多樣性指數(shù)只有2.89,而天然次生林土壤微生物群落利用碳源的多樣性指數(shù)為3.10。

表3 不同森林土壤微生物群落碳源代謝功能

***表示P<0.001

2.4 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能與環(huán)境因子的關(guān)系

桉樹人工林和天然次生林土壤微生物群落磷脂脂肪酸組成的差異與桉樹林的喬木蓋度、灌木豐富度、土壤含水量、pH、堿解氮、有機(jī)碳低于天然次生林有關(guān)。第一軸代表了土壤微生物群落磷脂脂肪酸組成38.7%的變異,第二軸代表了土壤微生物群落磷脂脂肪酸組成11.3%的變異。喬木蓋度及灌木的物種豐富度是影響土壤微生物群落磷脂脂肪酸組成的主要植物因子,累積可解釋20.0%的變異;土壤含水量、pH、堿解氮、有機(jī)碳是影響土壤磷脂脂肪酸組成的主要土壤因子,累積可解釋51.5%的變異;由于植物因子與土壤因子間存在交互作用,以上6種植物及土壤因子一共可解釋62.5%的變異(圖2)。

圖2 土壤微生物群落PLFA組成和碳代謝功能與環(huán)境因子的典型對(duì)應(yīng)分析及方差分解Fig.2 Canonical correspondence analysis and partition of variation showing relations between environmental factors and soil microbial PLFA composition, carbon utilization profilesTRC：?jiǎn)棠緦由w度,Tree coverage;TRR：?jiǎn)棠緦游锓N豐富度,Species richness of tree layer;SHR：灌木層物種豐富度,Species richness of shrub layer;WC：土壤含水量,Soil water content;pH：土壤酸堿度,Soil pH;SOC：土壤有機(jī)碳,Soil organic carbon;AN：土壤堿解氮,Soil alkaline hydrolyzable-nitrogen

對(duì)土壤微生物群落的碳源代謝方式做CCA表明：桉樹人工林和天然次生林在第一軸上差異顯著,主要與桉樹人工林的喬木物種豐富度及蓋度、灌木物種豐富度、土壤水分、pH及碳、氮資源可利用性低于天然次生林有關(guān)。第一軸代表了土壤微生物群落碳源代謝23.6%的變異,第二軸代表了土壤微生物群落碳源代謝10.3%的變異。喬木的物種豐富度及蓋度、灌木的物種豐富度是影響土壤微生物群落碳源代謝的主要植物因子,累積可解釋42.2%的變異;土壤含水量、pH、堿解氮、有機(jī)碳是影響土壤微生物群落碳源代謝的主要土壤因子,累積可解釋44.2%的變異;由于以上植物因子與土壤因子之間存在強(qiáng)烈的交互作用,7種因子累積可解釋土壤微生物群落碳代謝方式變異的48.6%(圖2)。

3 討論

森林土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)和功能受森林類型、氣候、土壤條件以及人為管理活性等的影響[1,21]。本研究以土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)和功能如何響應(yīng)桉樹人工林取代天然次生林這一變化為主線,選取了10對(duì)相鄰的天然次生林和桉樹人工林,不同的樣地其土壤和小氣候條件也各不相同,使得結(jié)果更具有說服力及代表性。結(jié)果表明：桉樹取代天然次生林造林后,土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生了顯著的改變,而這些變化與森林類型轉(zhuǎn)變導(dǎo)致的環(huán)境因子的改變有關(guān)。

3.1 桉樹人工林取代天然次生林對(duì)土壤微生物群落的影響

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)變化的敏感指標(biāo)之一,能有效反映出土壤生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量,微生物生物量越大,土壤質(zhì)量越高[22-23]。本研究中,與天然次生林相比,桉樹人工林中無論是土壤微生物量碳、氮,還是各類群微生物的特征磷脂脂肪酸的含量都顯著下降,表明桉樹人工林土壤質(zhì)量有所退化。土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化,例如：飽和直鏈脂肪酸/單不飽和脂肪酸,真菌/細(xì)菌,革蘭氏陽(yáng)性/陰性菌,異構(gòu)/反異構(gòu)支鏈磷脂脂肪酸以及環(huán)丙基脂肪酸/前體的比值,與土壤微生物受生理脅迫的程度以及土壤營(yíng)養(yǎng)脅迫條件顯著正相關(guān),或與資源的可用性顯著負(fù)相關(guān)[24- 27]。以上磷脂脂肪酸比值,隨著森林類型的轉(zhuǎn)變,都表現(xiàn)出顯著升高的趨勢(shì),這些顯著變化指示了森林土壤資源可利用性的下降以及土壤養(yǎng)分脅迫的增強(qiáng)[1,9,28-29]。

天然次生林轉(zhuǎn)變?yōu)殍駱淙斯ち诛@著降低了土壤微生物群落的碳代謝功能。土壤微生物的碳代謝活性能很好的指示土壤微生物的活性,土壤微生物群落利用單一碳源的豐富度和多樣性常用來反映土壤微生物的功能多樣性[23]。BIOLOG代謝多樣性模式的變化與群落組成的變化相關(guān)[30]。本試驗(yàn)結(jié)果表明從天然次生林向桉樹人工林的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致土壤微生物群落碳代謝活性和多樣性的顯著下降,并且代謝模式也發(fā)生了顯著改變。土壤微生物群落的功能與森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)過程息息相關(guān),已有研究同樣發(fā)現(xiàn)外來種造林導(dǎo)致森林或者土壤生態(tài)系統(tǒng)中土壤微生物群落功能的下降[5,23,31-33]。桉樹人工林的土壤微生物群落相對(duì)于天然次生林具有較低的碳代謝功能,也表明天然次生林向引進(jìn)種桉樹人工林的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致土壤質(zhì)量、土壤微生物群落多樣性甚至生態(tài)系統(tǒng)功能的下降。

3.2 桉樹取代天然次生林造林影響土壤微生物群落的機(jī)制

桉樹人工林取代天然次生林后土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生了顯著的改變。與天然次生林相比,外來種桉樹造林導(dǎo)致土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能退化的可能因素如下：

(1)桉樹本身的影響。桉樹生長(zhǎng)迅速,生長(zhǎng)過程中會(huì)利用大量的土壤水分以及養(yǎng)分。如此高的養(yǎng)分需求導(dǎo)致土壤水分和養(yǎng)分的大量損失[34],從而導(dǎo)致土壤資源可利用性的下降。土壤理化性質(zhì)在調(diào)節(jié)微生物群落結(jié)構(gòu)和功能方面具有重要作用[5,35]。Behera和Sahani[36]的研究發(fā)現(xiàn)由天然林轉(zhuǎn)變?yōu)殍駱淙斯ち謺?huì)導(dǎo)致土壤持水能力、有機(jī)碳、總氮以及微生物生物量及其代謝熵的下降。本研究中,與天然次生林相比,引進(jìn)種桉樹人工林的土壤水分含量、土壤有機(jī)碳以及堿解氮的含量較低,CCA分析結(jié)果也表明土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的退化與上述因素有關(guān)。

桉樹較小的冠層導(dǎo)致了桉樹人工林較低的喬木層蓋度,本研究10片調(diào)查樣地均值只有41%。另外,桉樹的生理(例如：較高的生長(zhǎng)速率)和化學(xué)特征(例如：桉樹葉片、樹皮、和根內(nèi)酚酸類和揮發(fā)油類的釋放)有可能對(duì)林下層植被產(chǎn)生抑制作用[7,37]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),天然次生林轉(zhuǎn)變?yōu)殍駱淙斯ち趾?林下層植物的物種組成發(fā)生了顯著的變化,林下灌木層的豐富度也顯著降低。森林植被對(duì)土壤微生物群落的影響巨大,喬木層蓋度以及林下灌木層豐富度的減少不僅導(dǎo)致土壤資源輸入多樣性和量的減少,也導(dǎo)致微氣候條件的惡化,例如：導(dǎo)致土壤含水量的減少,而土壤含水量的減少會(huì)影響有機(jī)質(zhì)的分解速率[38-39]。本研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn),地上部植物特征與土壤性質(zhì)之間存在交互作用,共同影響著土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能?？傊?森林植物群落的改變和各功能群對(duì)土壤養(yǎng)分及生境的影響顯著的改變了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能。

(2)人工林管理,例如大面積單一樹種造林、煉山以及不合理的人工撫育會(huì)通過改變植物群落的結(jié)構(gòu)和土壤資源的可利用性而影響土壤微生物群落的組成和功能。大面積單一樹種造林導(dǎo)致喬木層物種單一,直接影響土壤微生物可獲得資源的多樣性。煉山可以通過高溫導(dǎo)致熱敏感微生物種群的消亡而直接影響土壤微生物群落,或者通過改變土壤的物理化學(xué)性質(zhì)(例如：碳的質(zhì)量、礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的含量和土壤的容重[40-41]和土壤二氧化碳的排放[42]而間接的影響土壤微生物群落)。有研究表明煉山會(huì)導(dǎo)致土壤微生物生物量和豐度的顯著下降[42-45]。桉樹人工林的撫育和高強(qiáng)度的林業(yè)作業(yè)(例如：種植桉樹前過度的樣地翻耕整地,除草、桉樹木材收獲過程中的伐木作用以及地上生物量的移除)也可能直接或間接的影響土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)和功能。本研究區(qū)域內(nèi)的桉樹人工林在造林及采伐前后,為了方便人工進(jìn)行林業(yè)作業(yè),會(huì)有目的地通過煉山來清理林地,再加上種植過程中的各種人為干擾不僅導(dǎo)致林下層植被的破壞,還破壞土壤結(jié)構(gòu),即使桉樹種植的頭三年每年都對(duì)桉樹林進(jìn)行施肥,這些人為干擾仍然可能導(dǎo)致土壤養(yǎng)分資源輸入的減少和土壤養(yǎng)分、水分損失的增加[23],這可能是桉樹林土壤微生物功能退化的原因之一。

桉樹人工林取代天然次生林導(dǎo)致土壤微生物群落的生物量以及碳代謝功能顯著降低、致使土壤微生物群落生理脅迫顯著增強(qiáng),導(dǎo)致土壤微生物群落結(jié)構(gòu)變化和功能退化的主要環(huán)境因素為植物物種豐富度和覆蓋度的降低以及土壤資源(碳、氮和水分)可獲得性的降低。因此,桉樹種植和管理過程中,建議減少對(duì)林下植被以及土壤干擾、增加土壤資源可獲得性,進(jìn)而減緩桉樹種植對(duì)土壤微生物群落的不利影響。