趙 輝，周運(yùn)超?，任啟飛

不同林齡馬尾松人工林土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性演變*

趙 輝1，2，周運(yùn)超1?，任啟飛1

（1. 貴州大學(xué)貴州省森林資源與環(huán)境研究中心/林學(xué)院，貴陽(yáng) 550025；2. 銅仁學(xué)院，貴州銅仁 554300）

土壤微生物在森林生態(tài)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，研究人工林演變中土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征，對(duì)評(píng)價(jià)人工林土壤質(zhì)量動(dòng)態(tài)變化和維持土壤微生態(tài)平衡具有重要意義。以亞熱帶地區(qū)馬尾松人工林為研究對(duì)象，采用磷脂脂肪酸（Phospholipid fatty acid，PLFA）和BIOLOG技術(shù)研究不同林齡（13 a，25 a，38 a和58 a）對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和代謝功能多樣性的影響。結(jié)果表明：不同林齡土壤微生物類群均以細(xì)菌為主，其次為真菌和放線菌，最后為原生動(dòng)物；土壤微生物總PLFAs量、真菌數(shù)量和真菌/細(xì)菌均表現(xiàn)為13 a最高，38 a最低；土壤細(xì)菌、革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌（G+）、革蘭氏陰性細(xì)菌（G–）和放線菌數(shù)量均25 a最高。層次聚類和主成分分析（PCA）結(jié)果表明，林齡對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響，13 a和25 a林齡分別與38 a和58 a林齡的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)差異較大。冗余分析表明，有機(jī)碳、全氮和pH是土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的主要影響因素。不同林齡土壤平均顏色變化率（AWCD）和微生物功能多樣性指數(shù)（香農(nóng)指數(shù)、辛普森指數(shù)和McIntosh指數(shù)）總體表現(xiàn)為25 a>13 a>58 a>38 a；不同林齡土壤微生物對(duì)碳源的利用存在差異，各林齡利用的主要碳源為氨基酸類、羧酸類和酚類，其中25 a在各碳源中利用率最高。PLFA和BIOLOG綜合分析可知，馬尾松人工林種植25 a后，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和功能代謝活性明顯降低，加劇了土壤微生態(tài)失衡。

馬尾松人工林；磷脂脂肪酸；BIOLOG；土壤微生物群落

土壤微生物是土壤的重要組成部分，在推動(dòng)土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)中發(fā)揮極其重要的作用，并通過(guò)調(diào)控土壤養(yǎng)分來(lái)影響植物生長(zhǎng)發(fā)育和群落結(jié)構(gòu)演替[1]。由于森林土壤生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，相關(guān)研究認(rèn)為土壤pH[2]、有效氮[3]、地上植被[4]和土壤水分[5]等對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)影響較大。森林演變中植被凋落物和根系分泌物的差異，成為影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和代謝活性變化的重要因素。全球約4%的森林為人工林，人工林由于林分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，植被群落演替對(duì)人工林土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響尤為重要。鑒于土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和代謝功能多樣性對(duì)人工林環(huán)境變化的靈敏性，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征可用作為人工林演變引起土壤質(zhì)量變化的重要預(yù)警及敏感指標(biāo)之一[6]。

馬尾松（Lamb.）人工林適應(yīng)性強(qiáng)、生長(zhǎng)迅速、耐干旱與瘠薄，是我國(guó)亞熱帶地區(qū)種植面積最大的人工林，也是我國(guó)最重要的經(jīng)濟(jì)造林樹種之一[7]，如何維持人工林持續(xù)經(jīng)營(yíng)已經(jīng)成為許多學(xué)者和造林者關(guān)注的焦點(diǎn)。目前，桉樹[8]、濕地松[6]、落葉松[9]和樟子松[10]等人工林在生長(zhǎng)過(guò)程中已出現(xiàn)土壤地力衰退現(xiàn)象。而關(guān)于馬尾松人工林演變中是否出現(xiàn)地力衰退問(wèn)題尚未達(dá)成共識(shí)。譚波等[11]研究認(rèn)為，隨著林齡的增加土壤地力逐漸衰退；葛曉改等[12]研究則認(rèn)為，隨著林齡的增加土壤肥力逐漸提高，未出現(xiàn)地力衰退。Mendes和Raaijmakers[13]研究表明，土壤地力衰退將不可避免地打破土壤微生物群落動(dòng)態(tài)平衡，同時(shí)土壤微生物群落失衡將進(jìn)一步加劇土壤退化；由此可知，通過(guò)研究土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性，對(duì)了解人工林土壤質(zhì)量狀況、防止地力衰退和更好地經(jīng)營(yíng)人工林具有重要的意義。目前，馬尾松人工林的研究主要集中在土壤養(yǎng)分[14]、酶活性[12]、凋落物[15]、植物多樣性[16]和土壤動(dòng)物功能群[17]等方面，并通過(guò)以上指標(biāo)來(lái)反映人工林土壤質(zhì)量狀況。然而，目前關(guān)于土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征在馬尾松人工林生長(zhǎng)過(guò)程中如何進(jìn)行變化？該方面的研究尚少見報(bào)道。為此，本文利用PLFA和BIOLOG技術(shù)，對(duì)亞熱帶地區(qū)馬尾松人工林生長(zhǎng)過(guò)程中土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及功能多樣性進(jìn)行研究，以揭示土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性隨林齡的變化規(guī)律以及驅(qū)動(dòng)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)變化的主要環(huán)境因子，從微生物角度來(lái)解析土壤地力衰退問(wèn)題，最終為實(shí)現(xiàn)人工林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省林業(yè)科學(xué)院實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)地（106°44′20″E，26°29′35″N），屬于典型的中亞熱季風(fēng)氣候，年均氣溫15.2℃，平均最高氣溫19.3 ℃，最低氣溫12℃，年均降雨量1 199 mm，年均相對(duì)濕度77%，年均日照時(shí)數(shù)1 412 h，無(wú)霜期278 d，土壤類型為鋁質(zhì)常濕淋溶土，成土母質(zhì)為砂巖。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及樣品采集

采取空間代時(shí)間的方法，選擇立地條件一致的不同林齡（13 a、25 a、38 a和58 a）馬尾松人工林作為研究對(duì)象，分別造林于2004年、1992年、1979年和1959年（基本情況見表1）。林下灌木以梨葉懸鉤子（）和野桐（）等為主；草本以蕨（）、白茅（）和芒萁（）等為主。于2017年8月在4個(gè)林齡內(nèi)隨機(jī)設(shè)置3個(gè)20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，樣地內(nèi)采用直徑5 cm土鉆均勻采取5個(gè)枯枝落葉層下0～10 cm土壤樣品，混合成1個(gè)土樣，使用低溫冰盒保存并迅速帶回實(shí)驗(yàn)室。土樣在室內(nèi)去除石塊、植物根系并過(guò)2 mm篩后，最終分為三份，一份4℃冰箱保存，用于微生物生物量碳、氮測(cè)定和BIOLOG分析，一份–80℃冰箱保存用于PLFA分析，一份室內(nèi)風(fēng)干用于土壤理化指標(biāo)測(cè)定。

1.3 分析方法

土壤理化性質(zhì)：采用鮑士旦[18]的方法進(jìn)行測(cè)定。土壤含水量（Moisture）采用烘干法測(cè)定；pH采用電位法測(cè)定；土壤有機(jī)碳（SOC）采用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定；全氮（TN）采用凱氏定氮法測(cè)定；銨態(tài)氮采取靛酚藍(lán)比色法測(cè)定；硝態(tài)氮采取酚二磺酸比色法測(cè)定。

表1 不同林齡馬尾松人工林基本概況

土壤微生物生物量碳、氮：采用吳金水等[19]的方法進(jìn)行測(cè)定。微生物生物量碳采用氯仿熏蒸-容量分析法，微生物生物量氮采取氯仿熏蒸-茚三酮比色法。

磷脂脂肪酸（PLFA）：PLFA測(cè)定采用修正的Bligh和Dyer[20]方法。稱取相當(dāng)于8 g烘干土的新鮮土樣，加入磷酸緩沖液30 mL，甲醇∶氯仿（2︰1）105 mL混合液振蕩2 h后，分別加入氯仿36 mL和無(wú)菌水36 mL，避光浸提18～24 h。有機(jī)相過(guò)濾、濃縮，利用固相萃取技術(shù)，通過(guò)SPE固相萃取小柱（Bond Elute，500 mg/3 mL）進(jìn)行脂肪酸分離，氮吹儀濃縮后，加氫氧化鉀∶甲醇（1︰1）1 mL，37℃加熱15 min進(jìn)行甲基化。加內(nèi)標(biāo)液（十九碳酸甲酯）0.5 mL，用氣相色譜-質(zhì)譜（Gas Chromatography- Mass Spectrometry，GC-MS）分析。用MIDI系統(tǒng)操作GC-FID，后續(xù)脂肪酸甲酯掃描和數(shù)據(jù)分析均由MIDI Sherlock微生物鑒定系統(tǒng)完成。根據(jù)總結(jié)文獻(xiàn)出現(xiàn)的磷脂脂肪酸標(biāo)記物，對(duì)不同微生物的磷脂脂肪酸進(jìn)行標(biāo)記（見表2）。

表2 表征微生物類群的磷脂脂肪酸標(biāo)記物

BIOLOG：稱取相當(dāng)于10 g干土的新鮮土樣，加入無(wú)菌生理鹽水，振蕩30 min后于4℃下靜止10 min，然后吸取1 mL原液于9 mL無(wú)菌生理鹽水中，搖勻后用多通道移液器取150 μL提取液，加入到生態(tài)板的每一個(gè)孔中，每樣1板，每板3次重復(fù)。然后在20℃下培養(yǎng)，每24 h在BIOLOG讀數(shù)儀讀取590 nm下的光密度值，連續(xù)培養(yǎng)192 h。

1.4 數(shù)據(jù)處理

土壤微生物代謝活性用每孔顏色平均變化率（Average well color development，AWCD）描述，計(jì)算公式如下：

式中，C為各反應(yīng)孔在590 nm下的吸光值；為ECO板對(duì)照孔的光密度值，為Biolog-ECO微平板的碳源數(shù)目，計(jì)數(shù)為31；C-<0的孔，記為0。本試驗(yàn)采用Biolog-ECO微平板培養(yǎng)96 h的光密度值來(lái)計(jì)算微生物群落結(jié)構(gòu)代謝功能多樣性指數(shù)（香農(nóng)多樣性指數(shù)、辛普森優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和McIntosh均勻度指數(shù)）。

采用SPSS21.0統(tǒng)計(jì)軟件，通過(guò)單因素方差分析（One-way ANOVA，= 3，<0.05）和多重比較檢驗(yàn)不同林齡間微生物生物量碳和氮、理化性質(zhì)、微生物PLFA含量、Biolog碳源利用類型和多樣性指數(shù)的差異顯著性（<0.05）；進(jìn)行微生物群落層次聚類分析和制圖。采用Canoco4.5軟件進(jìn)行主成分分析（Principal component analysis，PCA）和冗余分析（Redundancy analysis，RDA）。

2 結(jié) 果

2.1 不同林齡人工林土壤特征

林齡顯著影響了土壤生物理化性質(zhì)（<0.05）（表3）。微生物生物量碳在13 a～38 a逐漸減少，13 a和25 a分別與38 a和58 a之間有顯著差異（<0.001）；微生物生物量氮在25 a時(shí)達(dá)到最大，38 a最小，并且25 a分別與13 a、38 a和58 a之間有顯著差異（<0.001）。土壤pH隨著林齡的增加先上升后下降，在25 a時(shí)達(dá)到最大。土壤含水量隨著林齡的增加呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，并且13 a分別與25 a、38 a和58 a之間有顯著差異（<0.01）。有機(jī)碳均在人工林演變中呈現(xiàn)先減少后增加，最高值均出現(xiàn)在13 a，分別與38 a和58 a差異顯著（<0.01）。全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮由高到低依次為25 a、13 a、58 a、38 a。土壤C/N最高值出現(xiàn)在38 a，最小值為25 a，并且兩者之間差異顯著（<0.01）。

表3 不同林齡馬尾松人工林土壤生物理化性質(zhì)

注：數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差（=3），字母不同代表處理間差異顯著（< 0.05）。下同Note：Values shown are means and standard deviation（=3）. Different letters indicate significant differences between stands different in age（< 0.05）. The same below

2.2 不同林齡對(duì)土壤微生物PLFAs含量的影響

不同林齡土壤微生物群落組成及PLFAs含量具有明顯差異（<0.05），共有21種PLFAs被標(biāo)記到不同微生物類群（表4）。土壤微生物總PLFAs含量、真菌PLFAs量、原生動(dòng)物PLFAs量和真菌/細(xì)菌比隨著人工林生長(zhǎng)呈現(xiàn)“V”變化趨勢(shì)，最大值均出現(xiàn)在13 a，最小值出現(xiàn)在38 a，且相互之間差異顯著（<0.01）；其中cy19：0在各林齡中含量均最高，分別為6.20±0.40 nmol·g–1、4.63±1.58 nmol·g–1、3.43±0.79 nmol·g–1和4.2±0.17 nmol·g–1；18︰3ω6c、i18︰0、20：1w9c、17︰1ω8c和i14︰0在所有林齡中含量相對(duì)較低。G+/G–比值在生長(zhǎng)過(guò)程中均小于1，表明不同林齡土壤細(xì)菌均以G–細(xì)菌為主。G+細(xì)菌、G–細(xì)菌、AMF和放線菌數(shù)量均在25 a林齡中最高，與38 a、58 a差異顯著（<0.01）。i14：0、a15︰0、a17︰0、16︰1ω7c、cy17︰0、18︰1ω7c、16︰1 w5c、10Me16︰0、10Me18︰0和20︰1w9c最大值均為25 a，其中除10Me18：0外，其余均與38 a、58 a之間有顯著差異（<0.05）。

2.3 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及其與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性

基于PLFAs層次聚類分析結(jié)果顯示，不同林齡土壤微生物群落結(jié)構(gòu)差異明顯，除38 a-1外，其他林齡的3個(gè)重復(fù)均聚類在一起。其中，13 a和25 a、38 a和58 a距離較近（圖1a）。

主成分分析進(jìn)一步證實(shí)了不同林齡土壤微生物群落結(jié)構(gòu)差異明顯（圖1b），PC1和PC2共解釋了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)總變異的86.2%，其中第一主成分解釋了總變異的73.9%，第二主成分解釋了總變異的12.3%，這兩個(gè)主成分能夠解釋原始變量。13 a、25 a分別與38 a和58 a在PC1和PC2上逐漸分離，并且在PC1和PC2上分離都較大，說(shuō)明林齡對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)影響較大；38 a和58 a相聚較近，說(shuō)明群落結(jié)構(gòu)相似度較大。

通過(guò)對(duì)土壤微生物類群PLFAs進(jìn)行除趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析（Detrended correspondence analysis，DCA），得到軸梯度最大值為0.159，表明選擇線性模型（RDA）進(jìn)行分析比較適合。由圖2可知，G＋細(xì)菌、細(xì)菌、放線菌和G–細(xì)菌最大值分布在25 a，真菌/細(xì)菌最大值分布在13 a，該結(jié)論與表4結(jié)果相符。全氮、有機(jī)碳、微生物生物量碳、微生物生物量氮、pH和銨態(tài)氮與G＋細(xì)菌、細(xì)菌、放線菌、G–細(xì)菌和微生物總PLFAs含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系；土壤含水量與真菌呈顯著正相關(guān)關(guān)系；C/N與土壤微生物類群（G＋/G–除外）呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

2.4 土壤微生物功能多樣性

AWCD值（平均每孔顏色變化率）反映土壤微生物群落的總體活性，是土壤微生物對(duì)單一碳源利用能力的一個(gè)重要指標(biāo)。由圖3可知，在192 h培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)，AWCD值隨著時(shí)間增加而逐漸增大，表明微生物對(duì)底物碳源的利用能力總體增強(qiáng)。在培養(yǎng)24 h內(nèi)微生物活性增加不明顯，24 h以后微生物活性逐漸增強(qiáng)，120 h～168 h增加速率最大，168 h后AWCD值增加速率趨于平緩。不同林齡土壤微生物群落對(duì)碳源利用能力由強(qiáng)到弱依次為25 a、13 a、58 a、38 a，可知25 a林齡土壤微生物代謝活性強(qiáng)于其他林齡。

B：細(xì)菌Bacteria；G+：革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌Gram-positive bacteria；G–：革蘭氏陰性細(xì)菌Gram-negative bacteria；G+/G–：革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌/革蘭氏陰性細(xì)菌 Ratio of gram-positive bacteria to gram-negative bacteria；F：真菌Fungi；A：放線菌Actinobacteria；F/B：真菌/細(xì)菌Ratio of fungi to bacteria；Total PLFA：總磷脂脂肪酸 Total phospholipid fatty acids；SOC：土壤有機(jī)碳Soil organic carbon；Moisture：土壤含水量；TN：全氮Total nitrogen.

本研究Biolog-ECO微平板中的31種碳源劃分為碳水化合物類、羧酸類、氨基酸類、聚合物類、酚類和胺類。由表5可知，不同林齡土壤微生物對(duì)6種碳源利用存在差異（<0.05），其中氨基酸、羧酸類和酚類是主要的碳源，其次為胺類和聚合物類，碳水化合物類利用率最低。25 a林齡土壤微生物對(duì)6類碳源的利用均最高，除氨基酸外，與其他林齡差異均顯著（<0.05）。38 a林齡土壤微生物對(duì)碳水化合物、羧酸類、聚合物類和酚類利用率最低，對(duì)氨基酸的利用率僅次于25 a，高于13 a和58 a。

香農(nóng)指數(shù)、辛普森指數(shù)和McIntosh指數(shù)分別用來(lái)研究微生物群落種數(shù)及其個(gè)體數(shù)和分布均勻程度。由表6可知，3種多樣性指數(shù)的變化趨勢(shì)一致，大小順序均為25 a>13 a>58 a>38 a。13 a～25 a人工林土壤微生物群落的物種豐富度指數(shù)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和均勻度指數(shù)增加，25 a～38 a 3種土壤微生物多樣性指數(shù)下降，隨后逐漸升高。不同林齡土壤微生物群落的香農(nóng)指數(shù)和McIntosh指數(shù)差異顯著（<0.05），辛普森指數(shù)差異不顯著（>0.05）。

圖3 不同林齡土壤微生物群落AWCD在培養(yǎng)時(shí)間下動(dòng)態(tài)變化

3 討 論

3.1 不同林齡對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性的影響

土壤微生物數(shù)量、種類和功能多樣性受環(huán)境因子影響較大，如植物群落、根系分泌物、凋落物和土壤養(yǎng)分等因素。本研究結(jié)果表明，人工林演變中土壤微生物總PLFAs量為21.00～37.99 nmol·g–1，低于四川省阿壩地區(qū)的云杉人工林[24]，高于江西省九連山地區(qū)常綠闊葉林、馬尾松純林、馬尾松闊葉混交林[25]，造成土壤微生物PLFAs含量差異性的因素可能是植被類型和土壤養(yǎng)分的時(shí)空異質(zhì)性。Meril?等[26]研究認(rèn)為，森林土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與林下物種豐富度及多樣性呈正相關(guān)關(guān)系，陳小紅等[16]研究表明，馬尾松人工林生長(zhǎng)過(guò)程中林下物種豐富度及多樣性呈下降趨勢(shì)。由此可知，在人工林演變中土壤微生物PLFAs含量降低，與本研究結(jié)果一致。不同林齡土壤微生物群落AWCD值變化規(guī)律為25a>13 a>58 a>38 a，香農(nóng)指數(shù)、辛普森指數(shù)和McIntosh指數(shù)也證明了該結(jié)果。本研究由于立地條件一致，因此人工林演變中植物群落結(jié)構(gòu)的差異，可能是土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性發(fā)生顯著變化的主要因素。

Maisto等[27]研究表明，森林土壤養(yǎng)分主要來(lái)源于凋落物。馬尾松人工林的凋落物主要為針葉，真菌主要負(fù)責(zé)分解針葉中難分解的木質(zhì)素、纖維素和丹寧酸等物質(zhì)，最終使養(yǎng)分歸還土壤。本研究土壤微生物總PLFAs和真菌數(shù)量隨林齡的增加呈現(xiàn)“V”變化趨勢(shì)（表4），可能與凋落物和土壤養(yǎng)分含量有關(guān)。在人工生長(zhǎng)過(guò)程中，13 a由于林木密度較大，光照不足，致使凋落物增多，同時(shí)養(yǎng)分歸還速率快，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量高。25 a處于桿材階段，林木競(jìng)爭(zhēng)力較大，天然整枝強(qiáng)度較大，導(dǎo)致凋落物較多。38 a處于成熟階段，經(jīng)過(guò)了稀疏競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)，林分密度低，凋落物減少，養(yǎng)分過(guò)多儲(chǔ)存在生物體內(nèi)，養(yǎng)分歸還周期長(zhǎng)，最終導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量低，微生物可利用養(yǎng)分減少，微生物PLFAs含量降低。58 a處于過(guò)熟期，林木對(duì)養(yǎng)分吸收逐漸減少，枯枝落葉歸還量增多，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量有所增加，有利于土壤微生物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用，使土壤微生物PLFAs總量和各類群數(shù)量有所增加。同時(shí)，人工林在38 a和58 a時(shí)，凋落物中含有較多難降解的物質(zhì)如纖維素和木質(zhì)素等，這些物質(zhì)中C/N相對(duì)較高，較高的C/N會(huì)導(dǎo)致土壤中氮的缺乏，從而抑制土壤微生物活性[28]。

表5 不同林齡土壤微生物對(duì)碳源的利用

表6 不同林齡土壤微生物群落功能多樣性指數(shù)

Wu等[6]研究表明，土壤養(yǎng)分與土壤微生物功能多樣性之間密切相關(guān)，土壤養(yǎng)分含量的下降將不可避免地降低微生物多樣性。BIOLOG技術(shù)主要檢測(cè)的為可培養(yǎng)的細(xì)菌類群，通過(guò)PLFA結(jié)果可知，不同林齡土壤細(xì)菌數(shù)量高低依次為25 a、13 a、58 a、38 a（表4），由此可知，在一定程度上土壤微生物群落結(jié)構(gòu)組成能夠反映微生物群體代謝活性。造林25 a后，隨著土壤養(yǎng)分和pH明顯降低，對(duì)林下植物生長(zhǎng)抑制程度較大，導(dǎo)致林下物種豐富度較小[16]，林下植物及土壤養(yǎng)分交互作用使土壤微生物功能多樣性和代謝活性明顯降低。人工林演變中土壤微生物利用的主要碳源為氨基酸類、羧酸類和酚類，與胡嬋娟等[29]研究結(jié)果不同，可能由于林分類型不同，導(dǎo)致植物群落結(jié)構(gòu)和根系分泌物不同，影響土壤微生物對(duì)碳源的利用率。13 a人工林對(duì)胺類利用率最低，25 a、38 a和58 a人工林對(duì)碳水化合物類利用最低。由此可知，人工林演變中土壤微生物功能差異主要由底物造成。

3.2 土壤微生物類群PLFAs與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性

本研究中，不同林齡土壤微生物類群均以細(xì)菌為主，約占總PLFAs量的55%～63%，其次為真菌，占總PLFAs量的20%～30%，最后為放線菌和原生動(dòng)物。Qiu等[30]研究認(rèn)為，土壤微生物量碳氮比能夠反映真菌/細(xì)菌比。王寧等[31]研究認(rèn)為，土壤微生物量碳氮比在1～5時(shí)，土壤細(xì)菌占優(yōu)勢(shì)，并且微生物生物量碳氮比越小，細(xì)菌占比例越大；13 a和25 a林齡土壤生物量碳氮比低于38 a和58 a（表3），可能由于13 a和25 a林齡根系活力強(qiáng)，分泌出較多適合細(xì)菌生長(zhǎng)的物質(zhì)，最終導(dǎo)致細(xì)菌數(shù)量多，土壤微生物生物量碳氮比低。Shen等[32]研究認(rèn)為，土壤pH是影響土壤細(xì)菌的主要因素。冗余分析表明，土壤pH與多數(shù)微生物類群之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系（圖2）；造林25 a后土壤細(xì)菌數(shù)量減少，可能由于針葉分解過(guò)程中產(chǎn)生的酸性物質(zhì)富集，導(dǎo)致土壤pH降低，較低的pH抑制細(xì)菌生長(zhǎng)。Chatterjee等[33]研究認(rèn)為土壤pH在針葉林中隨著林齡的增加而降低，與本結(jié)果不一致。本研究土壤pH在13 a～25 a有所增加，可能由于該時(shí)期人工林生長(zhǎng)較快，對(duì)養(yǎng)分需求量較多，導(dǎo)致土壤中氮的轉(zhuǎn)化加快，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量增加，根系在吸收硝態(tài)氮時(shí)分泌出OH–來(lái)維持細(xì)胞膜內(nèi)外電荷平衡，最終通過(guò)土壤中OH–來(lái)協(xié)調(diào)人工林土壤中的酸堿度[34]。Djukic等[35]研究表明，G–細(xì)菌在土壤養(yǎng)分充足的環(huán)境中生長(zhǎng)較快，G+細(xì)菌較多的分解木質(zhì)素等物質(zhì)，對(duì)環(huán)境脅迫能力強(qiáng)于G–細(xì)菌。造林25 a后G–細(xì)菌數(shù)量總體減少，導(dǎo)致土壤G+/G–比例升高；由此可知，隨著林齡的增加，土壤肥力下降可能是影響G–細(xì)菌生長(zhǎng)的主要因素。羅達(dá)等[36]研究表明，土壤養(yǎng)分與叢枝菌根真菌PLFAs量的關(guān)系十分密切，土壤全氮和銨態(tài)氮與叢枝菌根真菌PLFAs量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。王衛(wèi)霞等[37]研究表明，馬尾松人工林土壤叢枝菌根真菌PLFAs量隨著pH的增加而增加。在本研究中，隨著林齡的增加，土壤叢枝菌根真菌PLFAs量呈現(xiàn)“N”變化趨勢(shì)，在25 a林齡土壤叢枝菌根真菌PLFAs量最大（表4），可能與該時(shí)期人工林土壤全氮、銨態(tài)氮和pH較高有關(guān)。Boyle等[38]研究認(rèn)為F/B可以用來(lái)指示土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在本研究中，隨著人工林演變F/B比值逐漸減少，表示土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，土壤質(zhì)量逐漸退化。

本研究利用PLFA法和BIOLOG法分析不同林齡馬尾松人工林土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征的演變規(guī)律，取得了較好結(jié)果。但PLFA法和BIOLOG法仍然存在不足，PLFA法分類水平較低，不能檢測(cè)到土壤微生物種的水平；BIOLOG法只能表征土壤中快速生長(zhǎng)或富營(yíng)養(yǎng)微生物活性，不能直接獲取土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息。因此，在今后的研究中可以結(jié)合高通量測(cè)序技術(shù)，這樣將有助于更深入地解析土壤微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性在不同林齡間的演變規(guī)律。

4 結(jié) 論

造林13～25 a，土壤微生物總PLFAs含量變化不明顯，其中細(xì)菌、叢枝菌根真菌、放線菌、G+細(xì)菌和G–細(xì)菌數(shù)量增加，微生物代謝活性增強(qiáng)，從微生態(tài)角度來(lái)看該生長(zhǎng)階段未出現(xiàn)地力衰退現(xiàn)象，可以維持馬尾松人工林的正常生長(zhǎng)。38 a人工林土壤養(yǎng)分含量、微生物群落結(jié)構(gòu)和代謝活性均最低，說(shuō)明造林25 a后土壤地力逐漸衰退。造林58 a土壤養(yǎng)分含量、微生物群落結(jié)構(gòu)和代謝活性均高于38 a，但差異不顯著，并且微生物群落結(jié)構(gòu)相似，說(shuō)明造林38 a后土壤地力衰退稍微緩和，但效果不明顯。因此，在馬尾松人工林經(jīng)營(yíng)管理中應(yīng)注意造林25 a后的土壤養(yǎng)分狀況，可以采取施用有機(jī)肥、微生物肥料和增加植物多樣性等措施，通過(guò)調(diào)節(jié)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和代謝活性來(lái)緩解土壤地力衰退，最終實(shí)現(xiàn)馬尾松人工林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)。

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Evolution of Soil Microbial Community Structure and Functional Diversity inPlantations with Age of Stand

ZHAO Hui1, 2, ZHOU Yunchao1?, REN Qifei1

(1. Research Center of Forest Resources and Environment /College of Foresty in Guizhou Province, Guiyang 550025, China; 2. Tongren University, Tongren, Guizhou 554300, China)

Soil microbes, as an active component of the soil, play an essential role in the forest ecosystem. It is, therefore, of great significance to study characteristics of the soil microbial community structures in plantations different in evolution process to evaluation of dynamics of soil quality and maintenance of soil microecological balance in the plantations.In this paper, evolution of the soil microbial community structure and soil metabolic function diversity with age (13 a, 25 a, 38 a and 58 a) ofplantations in subtropical China was explored using the phospholipid fatty acid (PLFA) method and BIOLOG technique.Results show that bacteria were the dominant soil microbe, fungi and actinomyces followed in dominance, and protozoa did in the end in the soils of the plantations regardless of age; in terms of soil microbial total PLFAs, fungal population and fungal/bacteria, the plantation 13 a in age ranked first and that 38 a in age in the end, while in terms of soil biomass of bacteria, gram-positive bacteria (G+), gram-negative bacteria (G–) and actinomyces, the plantation 25 a in age ranked first．Hierarchical clustering and principal component analysis (PCA) revealed that stand age did affect soil microbial community structure significantly, and as a result, soil microbial community structure in the plantations 13 a and 25 a old differed sharply from those in the plantations 38 a and 58 a old. Redundancy analysis (RDA) of soil PLFAs and soil nutrients shows that soil organic carbon, total nitrogen and pH were the main factors affecting soil microbial community structure. In the light of average well color development (AWCD) and microbial functional diversity indexes of the soil (Shannon indexes、Simpson indexes and McIntosh indexes) the plantations displayed an order of 25 a > 13 a> 58 a >38 a; the plantations also varied sharply in utilization of carbon sources. Amino acids, carboxylic acids and amines were the main carbon sources in all the soils, and the plantation 25 a old was the highest in utilization rate of these carbon sources.Both the PLFA and BIOLOG demonstrate that when the plantations ofgrow over 25 years, their soil microbial community structures lower in stability and their metabolic function does in activity, too significantly, which in turn exacerbates microecological imbalance in the soils ofplantations.

plantation; Phospholipid fatty acid(PLFA); BIOLOG; Soil microbial community

S714.3

A

10.11766/trxb201805210269

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* 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFD0600304）、貴州省一流學(xué)科建設(shè)（GNYL[2017]007）和貴州省科學(xué)技術(shù)基金（黔科合LH字[2018]2035號(hào)）資助Supported by the National Key Research and Development Program of China（No. 2017YFD0600304），the First-Class Discipline Construction in Guizhou Province（No. GNYL[2017]007）and the Science and Technology Foundation of Guizhou Province（No. [2018]2035）

，E-mail：yczhou@gzu.edu.cn

趙 輝（1983—），男，河南省駐馬店市人，博士研究生，副教授，主要從事土壤微生態(tài)研究。E-mail：yancao504@163.com

2018–05–21；

2018–09–05；

2018–12–10

（責(zé)任編輯：盧 萍）