姜懿珊，肖靜，羅春玲，李軍，張干

1. 中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所，有機(jī)地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640；

2. 山東省東營(yíng)市農(nóng)業(yè)局，山東 東營(yíng) 257091；3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 110049

平頂山、長(zhǎng)白山、賽罕烏拉森林土壤微生物群落結(jié)構(gòu)分析

姜懿珊1,3，肖靜2，羅春玲1*，李軍1，張干1

1. 中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所，有機(jī)地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640；

2. 山東省東營(yíng)市農(nóng)業(yè)局，山東 東營(yíng) 257091；3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 110049

土壤微生物是整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分和能源循環(huán)的關(guān)鍵和動(dòng)力。土壤的生物多樣性比陸地上其他任何生態(tài)系統(tǒng)都要豐富，這種豐富的生物多樣性導(dǎo)致了對(duì)其群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能難以預(yù)測(cè)。在一系列基于分子微生物學(xué)、生物地球化學(xué)和生理學(xué)的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)研究方法中，磷脂脂肪酸技術(shù)（PLFA）以磷脂作為分析成分，因其組成和含量在同一種微生物中通常相對(duì)穩(wěn)定、可遺傳，且具有僅在活體微生物中存在的特性，所以，PLFA技術(shù)可指示特定生物或生物種群的存在和狀況，現(xiàn)已被廣泛運(yùn)用于土壤微生物群落結(jié)構(gòu)分析中，監(jiān)測(cè)微生物群落的動(dòng)態(tài)變化。本研究選取了中國(guó)東北地區(qū)海拔高度達(dá)1000 m以上的典型森林生態(tài)系統(tǒng)：小興安嶺平頂山、吉林長(zhǎng)白山、內(nèi)蒙賽罕烏拉森林土壤為研究對(duì)象，采用PLFA方法，分析了土壤中微生物的生物量和細(xì)菌Bacteria、真菌Fungus、革蘭氏陽(yáng)性菌Gram+Bacteria和革蘭氏陰性菌Gram-Bacteria 4種微生物群落結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上使用相關(guān)分析、主成分分析等統(tǒng)計(jì)方法，揭示了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與海拔高度、森林類(lèi)型及其土壤理化因子的相互關(guān)系，為開(kāi)展森林生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性與元素循環(huán)和氣候變化的相關(guān)研究提供基礎(chǔ)資料。研究得出以下結(jié)論：（1）對(duì)我國(guó)平頂山、長(zhǎng)白山和賽罕烏拉背景森林中不同植被類(lèi)型12個(gè)土壤樣品的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定與采樣分析，結(jié)果表明，土壤總有機(jī)碳（TOC）范圍為3.15%～16.3%，pH值范圍為3.5～4.8，碳氮比（C/N）為12.1～18.4，土壤含水率范圍為13.3%～74.5%，采樣時(shí)土壤溫度為8.0～18.8 °C。（2）樣品的PLFAs總含量代表了土壤微生物總生物量，范圍為27.39～237.63 μg·g-1。賽罕烏拉土壤中微生物的生物量（PLFAs總量）最高；而平頂山土壤中的細(xì)菌含量、真菌含量和革蘭氏陽(yáng)性菌顯著高于其余兩座山。革蘭氏陽(yáng)性菌與陰性菌的比值在平頂山土壤中最大（4.19），明顯高于長(zhǎng)白山（3.14）和賽罕烏拉（2.39）；而真菌與細(xì)菌比值卻與之相反（平頂山0.55、長(zhǎng)白山0.69、賽罕烏拉1.05）。（3）利用SPSS軟件，對(duì)不同微生物群落與環(huán)境因子進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果表明：細(xì)菌的含量與緯度呈顯著正相關(guān)，而和土壤C/N呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）；真菌群落總體上與土壤C/N呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性（P＜0.05）。進(jìn)一步對(duì)細(xì)菌群落和代表真菌群落的兩個(gè)主要PLFAs成分（C18:1ω9、C18:2ω6, 9）與土壤碳氮比做相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)：C18:1與土壤碳氮比呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），而C18:2ω6, 9與土壤碳氮比的相關(guān)關(guān)系并不明顯。因此，我們認(rèn)為單一種類(lèi)PLFA作為生物標(biāo)記物隨土壤碳氮比變化的靈敏度更高。（4）主成分分析表明：土壤微生物多樣性主要受緯度所導(dǎo)致植被類(lèi)型差異的影響（P ＜0.01），且與土壤碳氮比呈負(fù)相關(guān)、土壤含水率呈正相關(guān)（P ＜0.05）。

磷脂脂肪酸；森林土壤；微生物群落結(jié)構(gòu)；平頂山；長(zhǎng)白山；賽罕烏拉

土壤微生物的生物量?jī)H占土壤總有機(jī)碳的1%～3%，但這部分有機(jī)碳卻影響著土壤中所有有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化，是整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分和能源循環(huán)的關(guān)鍵和動(dòng)力(Laverie, 1998)。土壤的生物多樣性比陸地上其他任何生態(tài)系統(tǒng)都要豐富，這種豐富的生物多樣性導(dǎo)致了對(duì)其群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能難以預(yù)測(cè)(Fierer和Schimel, 2003)。土壤微生物通常與土壤礦物和有機(jī)質(zhì)結(jié)合在一起，有多種賦存類(lèi)型，且大部分微生物不能通過(guò)分離培養(yǎng)的方法獲得(Joseph等, 2003)，因此，傳統(tǒng)的培養(yǎng)方法和顯微技術(shù)(Alexander, 1977)難以精確定量的描述土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)(Torsvik等, 2002)。隨著現(xiàn)代微生物研究技術(shù)的發(fā)展，一系列基于分子微生物學(xué)、生物地球化學(xué)和生理學(xué)的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)研究方法被廣泛應(yīng)用(劉開(kāi)朗等, 2010; 吳才武等, 2011)，包括基于群落水平的生理學(xué)譜圖分析（CLPP）(吳則焰等, 2013)、基于PCR的核酸分析(Case等, 2007)和磷脂脂肪酸分析(劉微等, 2011)。

磷脂是所有生物活細(xì)胞重要的膜組分，在真核生物和細(xì)菌 Bacteria的細(xì)胞膜中分別占 50%和98%(Lechevalier等, 1988)。磷脂脂肪酸（PLFA）作為磷脂的構(gòu)成成分，具有結(jié)構(gòu)多樣性和生物特異性的特點(diǎn)，其組成和含量在同一種微生物中通常相對(duì)穩(wěn)定，并且可遺傳。土壤中PLFA的存在及其豐度可指示特定生物或生物種群的存在和狀況。由于磷脂在細(xì)胞死亡后迅速降解（厭氧條件下2 d，好氧情況下12～16 d），活體細(xì)胞外的磷脂含量通常很少(Paul, 2006)，故可以指示土壤中的活體微生物?；谠撎匦?，PLFA技術(shù)現(xiàn)已被廣泛運(yùn)用于土壤微生物群落結(jié)構(gòu)分析中，監(jiān)測(cè)微生物群落的動(dòng)態(tài)變化(Balkwill等, 1988; Lalor等, 2007)。

本研究選取了中國(guó)東北地區(qū)海拔高度達(dá) 1000 m以上的典型森林生態(tài)系統(tǒng)：小興安嶺平頂山、吉林長(zhǎng)白山、內(nèi)蒙賽罕烏拉森林土壤為研究對(duì)象，采用PLFA分析方法，分析了土壤中微生物的生物量和細(xì)菌、真菌Fungus、革蘭氏陽(yáng)性菌Gram+Bacteria和革蘭氏陰性菌Gram-Bacteria 4種微生物群落結(jié)構(gòu)，旨在揭示土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與海拔高度、森林類(lèi)型及其土壤理化因子的相互關(guān)系，為開(kāi)展森林生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性與元素循環(huán)和氣候變化的相關(guān)研究提供基礎(chǔ)資料。

1 材料和方法

1.1 樣品點(diǎn)概況

平頂山位于桃山林業(yè)局新興林場(chǎng)與奮斗林場(chǎng)的頂界，主峰地理坐標(biāo)東經(jīng)128°28′，北緯46°38′，海拔 1429 m。屬大陸性季風(fēng)氣候，四季氣溫變化較大，年平均氣溫1.1度，冰雪期一百八十多天。地帶性植被類(lèi)型為以紅松Pinus koraiensis Sieb. et Zucc.為優(yōu)勢(shì)的針闊混交林，屬于中國(guó)東北區(qū)長(zhǎng)白植物區(qū)系小興安嶺亞區(qū)，山頂側(cè)面植被不全，西北坡由乳白色大理巖構(gòu)成，巖體裸露，山頂盛產(chǎn)偃松(孟慶光, 2011)。地帶性土壤為暗棕壤，并且以山地暗棕壤為主，山間谷底、山間盆地及河谷階地等部位分布有面積較廣的白漿土、草甸白漿土、泥炭沼澤土和泥炭土，受氣候和植被條件影響，該地區(qū)土壤母質(zhì)風(fēng)化作用較迅速，成土過(guò)程較強(qiáng)，土層較厚。

長(zhǎng)白山位于吉林省東南部，地處東經(jīng) 127°42′─128°16′，北緯41°41′─42°5′，海拔706～2261 m。氣候?qū)儆谑芗撅L(fēng)影響的溫帶大陸性山地氣候，年平均溫度3～7 ℃，年平均降水量700～1400 mm。長(zhǎng)白山植被具有典型的垂直地帶性，自下而上為闊葉紅松林（1100 m以下）、云冷杉林Abies fabri (Mast.) Craib（1100～1700 m）、亞高山岳樺林Betula ermanii Cham.（1700～2000 m）、高山苔原Tundra（2000 m以上）(吳昊, 2012)。土壤海拔800～1200 m以下為山地暗棕壤，在山間盆地、河谷階地發(fā)育有白漿土。向上順次為山地漂灰土（1200～1900 m）、山地寒漠土（1900～2170 m）。

賽罕烏拉位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市巴林右旗北部，地理坐標(biāo)東經(jīng)118°18′─118°55′，北緯43°59′─44°27′，主峰海拔1940 m。氣候?qū)僦袦貛О霛駶?rùn)溫寒氣候區(qū)，年均氣溫2 °C，年降水量400 mm。賽罕烏拉主峰有明顯的植被垂直帶譜。海拔由低至高分布規(guī)律是草原溝谷谷雜木林虎榛子 Ostryopsis davidiana Decaisne、杜鵑灌叢山楊 Rhododendron dumicola Tagg et Forrest 、 白 樺 林BetulaplatyphyllaSuk（陽(yáng)坡為蒙古櫟林 Quercus semecarpifolia Smith）云杉林Picea asperata Mast.華北落葉松林Larix principis-rupprechtii Mayr（岳樺林）亞高山草甸。海拔1940 m為高山林線(張書(shū)理等, 2008)。土壤主要以山地黑土、灰黑土、暗棕壤和暗栗鈣土為主。（圖1）

充分考慮海拔高度和森林植被帶分布的變化，于2012年9月至2012年12月，在上述三座山共設(shè)置了12個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣（表1）。采樣點(diǎn)的海拔高度為565～2000 m，涉及的森林生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型包括闊葉林、針葉林、針闊混交林、闊葉混交林、高山苔原等。每個(gè)采樣點(diǎn)都采集了腐殖質(zhì)層（O層）、淋溶層（A層）、沉積層（B層）和母質(zhì)層（C層）森林土壤，其中淋溶層（A層）為微生物存最為活躍的土層(陳慶強(qiáng)等, 2005)，用于本論文的研究。采集后的土壤密封保存并立即帶回實(shí)驗(yàn)室，去除石礫、雜物和較粗的植物根系，于-20 °C冷凍保存。實(shí)驗(yàn)分析土壤以烘干法測(cè)定含水率后置于冷凍干燥機(jī)中，-50 °C冷凍干燥后，用瑪瑙研磨至80目，儲(chǔ)存于-20 °C待分析。

圖1 平頂山、長(zhǎng)白山、賽罕烏拉位置示意圖Fig. 1 Locations of Pingding Mountain, Changbai Mountain and Saihanwula Mountain

1.2 土壤理化性質(zhì)測(cè)定

每個(gè)采樣點(diǎn)隨機(jī)抽取3份土壤樣品用于理化性質(zhì)測(cè)定。土壤pH用pH計(jì)（上海雷磁PHSJ-4F型）和pH試紙分別測(cè)定后校正，溶劑為1 mol·L-1氯化鉀溶液，水土比為2.5:1。土壤總有機(jī)碳和碳氮比用Elementar元素分析儀（Vario EL III）測(cè)定。土壤理化性質(zhì)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。

1.3 土壤微生物PLFA提取

PLFA提取參照 Bligh-Dyer(1959)方法。用氯仿/甲醇/檸檬酸緩沖液（2：1：0.8）混合溶劑超聲提取有機(jī)質(zhì)(Frosteg?rd and B??th, 1996)，將所得的有機(jī)質(zhì)進(jìn)行硅膠柱層析，分別用10 mL氯仿、20 mL丙酮和10 mL甲醇沖洗中性脂、糖脂和極性脂。其中，PLFA存在于極性脂中。PLFA的甲酯化使用溫和堿性甲醇分解法(White等, 1979)：將PLFA溶于0.2 mol·L-1氫氧化鉀甲醇溶液中，37 °C恒溫15 min后加入醋酸中和，用正己烷/氯仿（4:1）溶液萃取上層有機(jī)相。萃取所得磷脂脂肪酸甲酯（FAME）氮吹至干，加入內(nèi)標(biāo)十九酸甲酯（C19:0），-20 °C保存待分析。

1.4 表征土壤微生物的PLFAs

PLFA的定性分析根據(jù)色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）測(cè)定的總離子流圖中FAME標(biāo)樣的保留時(shí)間（RRT’s）來(lái)進(jìn)行。本研究使用了兩種標(biāo)樣進(jìn)行定性分析：一個(gè)是美國(guó)NU-CHEK公司生產(chǎn)的型號(hào)為GRS617的40種標(biāo)準(zhǔn)脂肪酸甲酯的混合樣品；一個(gè)是美國(guó) Sigma公司生產(chǎn)的型號(hào)為 BAME 47080-U的26種標(biāo)準(zhǔn)脂肪酸甲酯的混合樣品。本研究中共指認(rèn)了39種PLFAs用于分析。

微生物總生物量用PLFAs總含量（μg·g-1）來(lái)表征；微生物群落結(jié)構(gòu)用目標(biāo)微生物群落占總PLFAs百分比來(lái)表征，具體如下：細(xì)菌（B）生物量通過(guò)iC15:0，aC15:0，C15:0，iC16:0，C16:1ω9，C16:1ω7t，iC17:0，C18ω7和cycC19:0來(lái)表征；真菌（F）生物量通過(guò)亞油酸C18:2ω6和C18:1ω9的含量來(lái)表征(Dobbs, 1988)；革蘭氏陽(yáng)性菌（G+）生物量通過(guò) iC15:0，aC15:0，iC16:0，iC17:0的含量來(lái)表征；革蘭氏陰性菌（G-）生物量則通過(guò)cycC17:0，C16:1ω7c，C14:0，C15:0，C17:0的含量來(lái)表征(Djukic等, 2010)。

表1 采樣點(diǎn)信息Table 1 Information on sampling sites

表2 土壤理化性質(zhì)Table 2 Soil physicochemical properties. Different letters denote significant differences within columns (one-way ANOVA followed by Tukey’s multiple comparison test)

1.5 儀器分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用 SPSS19.0軟件，測(cè)定結(jié)果以平均值表示。磷脂脂肪酸含量用Excel 2010軟件作圖。采用Pearson相關(guān)分析檢測(cè)土壤中脂肪酸與環(huán)境變量的關(guān)系。土壤微生物群落結(jié)構(gòu)用SPSS19.0的主成份分析法（Principal components analysis，PCA ）進(jìn)行分析和作圖。

2 結(jié)果

2.1 土壤理化性質(zhì)

總體來(lái)看，平頂山土壤的有機(jī)碳含量最高，尤其是低海拔地區(qū)，達(dá)到15%以上；其次是長(zhǎng)白山，賽罕烏拉的有機(jī)碳含量最低。含水率分布與有機(jī)碳分布具有相似性。而長(zhǎng)白山土壤的碳氮比為三座山中最高，均為15以上，平頂山最低，均為15以下。三座山土壤 pH變化范圍不大，均為酸性土壤（pH=3.5～4.8）。這與長(zhǎng)白山森林土壤(Zhang等, 2013)以及德國(guó)溫帶森林土壤(Borken等, 2002)的相關(guān)數(shù)據(jù)相近。

2.2 土壤微生物的生物量和群落組成

三座山中，賽罕烏拉森林土壤中的微生物生物量（PLFAs總含量）顯著高于其余兩座山，分別是平頂山的2倍和長(zhǎng)白山的3倍（圖2A）。

圖2 背景森林土壤中PLFAs總量（A）、細(xì)菌、真菌、革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽(yáng)性菌和革蘭氏陰性菌含量（B）和革蘭氏陽(yáng)性菌與革蘭氏陰性菌、真菌與細(xì)菌比值（C）Fig. 2 Microbial biomass (A), bacteria, fungi, gram positive bacteria, gram negative bacteria (B) , ratios of gram positive bacteria to gram negative bacteria and fungi to bacteria (C) in background forest soils

位于高緯度的平頂山生物群落結(jié)構(gòu)與長(zhǎng)白山、賽罕烏拉有明顯差異?？傮w來(lái)看，平頂山各微生物群落的含量百分比均高于其余兩座山。尤其是細(xì)菌群落含量，是長(zhǎng)白山細(xì)菌含量的將近1倍，高出賽罕烏拉細(xì)菌含量1倍有余。長(zhǎng)白山和賽罕烏拉的真菌含量水平相同，均略低于平頂山的細(xì)菌含量。革蘭氏陽(yáng)性菌含量分布呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)：平頂山＞長(zhǎng)白山＞賽罕烏拉。革蘭氏陰性菌群落含量沒(méi)有在三座山中呈現(xiàn)出顯著差別，且都處于較低水平。（圖2B）

對(duì)表征微生物群落變化的兩個(gè)指標(biāo)（陽(yáng)性菌比陰性菌，真菌比細(xì)菌）進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)指標(biāo)分布截然相反。陽(yáng)性菌與陰性菌的比值順序?yàn)椋浩巾斏剑鹃L(zhǎng)白山＞賽罕烏拉。而真菌與細(xì)菌的比值順序?yàn)椋嘿惡睘趵鹃L(zhǎng)白山＞平頂山。（圖2C）

2.3 土壤微生物豐富度與土壤理化性質(zhì)相關(guān)分析

將三座山土壤微生物群落結(jié)構(gòu)指標(biāo)（真菌含量、細(xì)菌含量、革蘭氏陽(yáng)性菌含量、革蘭氏陰性菌含量）與土壤理化性質(zhì)做相關(guān)分析，結(jié)果表明：細(xì)菌的含量與緯度呈顯著正相關(guān)，而和土壤碳氮比呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），其余微生物含量與土壤理化性質(zhì)未呈現(xiàn)顯著相關(guān)性（表3）。真菌群落總體上與土壤碳氮比呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性（P＜0.05）。進(jìn)一步對(duì)細(xì)菌群落和代表真菌群落的兩個(gè)主要PLFAs成分（C18:1ω9、C18:2ω6,9）與土壤碳氮比做相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌群落整體與土壤碳氮比都呈現(xiàn)很好的負(fù)相關(guān)；C18:1與土壤碳氮比呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，而 C18:2ω6,9與土壤碳氮比的相關(guān)關(guān)系并不明顯（圖3）。因此，我們認(rèn)為是C18:1ω9所代表的真菌群落與土壤碳氮比呈現(xiàn)的顯著相關(guān)性導(dǎo)致了真菌群落整體與土壤碳氮比呈現(xiàn)出了相關(guān)性。單一種類(lèi)PLFA作為生物標(biāo)記物隨土壤碳氮比變化的靈敏度更高。

2.4 土壤微生物多樣性分析

對(duì)表征土壤微生物群落的典型 PLFAs進(jìn)行主成分分析（PCA），發(fā)現(xiàn)前兩個(gè)成分PC1、PC2分別解釋了微生物群落結(jié)構(gòu)總變異的31.9%和21.9%。三座山的不同樣品點(diǎn)明顯分布在 PC1主成分的兩邊。其中高緯度的平頂山樣品點(diǎn)分布于PC1坐標(biāo)軸右側(cè)，相對(duì)低緯度的長(zhǎng)白山和賽罕烏拉分布于PC1坐標(biāo)軸左側(cè)。不同林型的和海拔高度的樣品點(diǎn)明顯分布在PC2主成分的兩邊。海拔1000～1500 m地區(qū)樣品點(diǎn)集中分布在 PC2主成分靠近坐標(biāo)軸上下兩側(cè)，高海拔和低海拔地區(qū)樣品傾向分布于PC2主成分坐標(biāo)軸上下兩端。針闊混交林樣品點(diǎn)分布在PC2坐標(biāo)軸靠近坐標(biāo)軸上下兩側(cè)，單一類(lèi)型林型（針葉林、闊葉林、苔原）分布于PC2主成分遠(yuǎn)離坐標(biāo)軸上下兩端。（圖4，圖5）PC1反映出緯度對(duì)微生物群落變化的作用，PC2反應(yīng)出了海拔高度和林型對(duì)微生物群落變化的綜合作用。

圖3 背景森林土壤中細(xì)菌群落、C18∶2ω6,9和C18∶1ω9含量與土壤碳氮比（C/N）的關(guān)系Fig. 3 Correlation of bacterial community, C18:2ω6,9 and C18:1ω9 with the ratio of soil carbon to nitrogen in background forest soil

圖4 森林土壤PLFAs主成分分析樣品點(diǎn)分布Fig. 4 Principal component analysis (PCA) of the signature lipid biomarkers (PLFAs) used for examining the general soil microbial community composition in the three background forests

表3 土壤微生物群落與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性Table 3 Pearson correlation between soil microbial communities and soil physicochemical properties

為進(jìn)一步探討土壤微生物多樣性的變化，將表征PLFAs主要變化的主成分PC1、PC2與土壤理化性質(zhì)進(jìn)行了相關(guān)分析，結(jié)果表明：土壤微生物多樣性主要受緯度差異控制（P＜0.01），且與土壤碳氮比和含水率呈現(xiàn)相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。（表4）

3 討論

大量研究表明，植被類(lèi)型，土壤類(lèi)型及土壤管理措施是導(dǎo)致微生物群落變化的三大主要因素(王光華, 金劍, 徐美娜 and 劉曉冰, 2008)。本研究所選土壤主要來(lái)自遠(yuǎn)離人類(lèi)活動(dòng)的原始森林，人為干預(yù)較少，因此，微生物群落變化主要體現(xiàn)在植被類(lèi)型和土壤自身理化性質(zhì)的差異上。

植被類(lèi)型對(duì)微生物群落影響的研究，目前大多集中在植物群落多樣性、不同植物根際、或同一植物不同根區(qū)對(duì)根際土壤微生物群落的影響(Arab等, 2001; Kaiser等, 2001; Seldin, Rosado等, 1998; Smalla等, 2001; Zak, Holmes等, 2003)。本研究結(jié)果表明，不同林型的土壤細(xì)菌PLFAs含量均顯著高于真菌PLFAs含量，說(shuō)明細(xì)菌群落在中國(guó)北方森林生態(tài)系統(tǒng)中占主要地位。賽罕烏拉土壤中微生物的生物量顯著高于平頂山和長(zhǎng)白山，而微生物群落多樣性卻低于平頂山和長(zhǎng)白山，這可能與賽罕烏拉低海拔地區(qū)大量人工林產(chǎn)生的干擾有關(guān)(王衛(wèi)霞等, 2014)。植被類(lèi)型的差異可反映在緯度差異上，本研究中只有細(xì)菌群落含量與緯度表現(xiàn)出了高度相關(guān)性，一定程度上表明采用指示單一種類(lèi)微生物群落的PLFAs來(lái)表征植被類(lèi)型的變化，可能比用表征多種微生物群落的PLFAs更靈敏。與此類(lèi)似，之前就有研究發(fā)現(xiàn)，特定微生物群落結(jié)構(gòu)的變化可以表征桉樹(shù)植被種類(lèi)變化(Cao等, 2010)。另外，也有研究發(fā)現(xiàn)，在土壤微生物總量變化不明顯的情況下，真菌和細(xì)菌群落的變化卻可以在一定程度上體現(xiàn)出土壤基質(zhì)的變化(B??th等, 1995; Pennanen等, 1999)。而在本研究中，PLFAs主成分與緯度存在明顯的相關(guān)性，這表明背景森林土壤因緯度差異導(dǎo)致了植被類(lèi)型的變化，進(jìn)而引起微生物群落多樣性的差異。從這個(gè)意義上講，緯度的差異很可能是導(dǎo)致微生物群落差異的主要因素。

土壤類(lèi)型是決定土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的另一主要因素。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，土壤理化性質(zhì)相似，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)也趨于相似(Chiarini等, 1998; Gelsomino等, 1999; Sessitsch等, 2001)。本研究中所涉及的土壤類(lèi)型主要為暗棕壤、白漿土、黑土和山地灰黑土。在理化性質(zhì)上，相比棕壤來(lái)說(shuō)，淋溶層黑土的有機(jī)質(zhì)含量更高，生物量也相對(duì)趨于豐富。此外，本研究表明，我國(guó)北方森林生態(tài)系統(tǒng)中，土壤細(xì)菌含量、真菌含量和PLFAs主成分與土壤的碳氮比均存在顯著相關(guān)性。說(shuō)明暗棕壤和黑土的碳氮比是控制微生物結(jié)構(gòu)變化和土壤微生物多樣的主要因素。這與H?gberg等在溫帶森林系統(tǒng)(H?gberg和 Myrold, 2007)和長(zhǎng)白山森林土壤的研究(Zhang等, 2013)中得出的結(jié)論相似。此外，也有研究指出，除土壤碳氮比以外，土壤pH也是影響微生物多樣性的主要因素(Zhang等, 2013)。然而，本研究并未發(fā)現(xiàn)土壤pH對(duì)微生物群落及微生物多樣性有明顯影響，這可能與本研究中所涉及的主要土壤類(lèi)型（暗棕壤、黑土）的pH范圍比較相近有關(guān)（均為酸性，pH=3.8～4.8）。而代表真菌群落的 PLFA（C18:1ω9）含量變化與土壤碳氮比的相關(guān)性比代表真菌群落整體含量的 PLFAs與暗棕壤和黑土的碳氮比的相關(guān)性更為顯著。這說(shuō)明在表征土壤類(lèi)型的變化上，采用代表單一真菌的PLFA比采用代表多種真菌群落的PLFAs更靈敏。

4 結(jié)論

（1）平頂山、長(zhǎng)白山和賽罕烏拉森林土壤總有機(jī)碳（TOC）、碳氮比（C/N）和含水率差異較大，土壤pH值差異較?。ň鶠樗嵝裕?。

圖5 森林土壤PLFAs對(duì)主成分貢獻(xiàn)分布Fig. 5 PCA loading plot of the first two principal components of the PLFA data set showing the individual PLFAs

表4 土壤微生物PLFAs與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性Table 4 Pearson correlation between soil microbial PLFAs and soil physicochemical properties

（2）賽罕烏拉土壤中微生物的生物量（PLFAs總量）最高；而平頂山土壤中的細(xì)菌含量、真菌含量和革蘭氏陽(yáng)性菌顯著高于其余兩座山。革蘭氏陽(yáng)性菌與陰性菌的比值在平頂山土壤中最大（4.19），明顯高于長(zhǎng)白山（3.14）和賽罕烏拉（2.39）；而真菌與細(xì)菌比值卻與之相反（平頂山0.55、長(zhǎng)白山0.69、賽罕烏拉1.05）。

（3）土壤細(xì)菌的含量與緯度和土壤C/N呈顯著負(fù)相關(guān)（P ＜ 0.01）。C18:1ω9作為生物標(biāo)記物比真菌整體更能體現(xiàn)土壤碳氮比變化，靈敏度更高。

（4）土壤微生物多樣性主要受緯度所導(dǎo)致植被類(lèi)型差異的影響（P ＜ 0.01），且與土壤碳氮比呈負(fù)相關(guān)、土壤含水率呈正相關(guān)（P ＜ 0.05）。

? FROSTEG?RD, E B??TH. 1996. The use of phospholipid fatty acid analysis to estimate bacterial and fungal biomass in soil[J]. Biology and Fertility of Soils, 22(1-2): 59-65.

A GELSOMINO, A C KEIJZER-WOLTERS, G CACCO, et al. 1999. Assessment of bacterial community structure in soil by polymerase chain reaction and denaturing gradient gel electrophoresis[J]. Journal of Microbiological Methods, 38(1): 1-15.

A SESSITSCH, A WEILHARTER, M H GERZABEK, et al. 2001. Microbial population structures in soil particle size fractions of a long-term fertilizer field experiment[J]. Applied and Environmental Microbiology, 67(9): 4215-4224.

B LALOR, W COOKSON, D MURPHY. 2007. Comparison of two methods that assess soil community level physiological profiles in a forest ecosystem[J]. Soil Biology and Biochemistry, 39(2): 454-462.

B ZHANG, C LIANG, H HE, et al. 2013. Variations in soil microbial communities and residues along an altitude gradient on the northern slope of Changbai Mountain, China[J]. PloS one, 8(6): e66184.

D A LAVERIE. 1998. Motivations for ongoing participation in a fitness activity[J]. Leisure Sciences, 20(4): 277-302.

D L BALKWILL, F R LEACH, J T WILSON, et al. 1988. Equivalence of microbial biomass measures based on membrane lipid and cell wall components, adenosine triphosphate, and direct counts in subsurface aquifer sediments[J]. Microbial Ecology, 16(1): 73-84.

D R Zak, W E Holmes, D C White, et al. 2003. Plant diversity, soil microbial communities, and ecosystem function: are there any links?[J]. Ecology, 84(8): 2042-2050.

D WHITE, W DAVIS, J NICKELS, et al. 1979. Determination of the sedimentary microbial biomass by extractible lipid phosphate[J]. Oecologia, 40(1): 51-62.

E A PAUL. 2006. Soil microbiology, ecology and biochemistry[M]. Academic press.

E B??TH, ? FROSTEG?RD, T PENNANEN, et al. 1995. Microbial community structure and pH response in relation to soil organic matter quality in wood-ash fertilized, clear-cut or burned coniferous forest soils[J]. Soil Biology and Biochemistry, 27(2): 229-240.

F C DOBBS. 1988. Callianassa trilobata (Crustacea: Thalassinidea) influences abundance of meiofauna and biomass, composition, and physiologic state of microbial communities within its burrow[J]. Mar Ecol Prog Ser, 45: 69-79.

H ARAB, V VLICH, R SIKORA. 2001. The use of phospholipids fatty acids (PLFA) in the determination of rhizosphere specific microbial communities of two wheat cultivars[J]. Plant and Soil, 228: 291-297.

H LECHEVALIER, M LECHEVALIER. 1988. Chemotaxonomic use of lipids—an overview[J]. Microbial lipids, 1:869-902.

I DJUKIC, F ZEHETNER, A MENTLER, et al. 2010. Microbial community composition and activity in different Alpine vegetation zones[J]. Soil Biology and Biochemistry, 42(2): 155-161.

K SMALLA, G WIELAND, A BUCHNER, et al. 2001. Bulk and rhizosphere soil bacterial communities studied by denaturing gradient gel electrophoresis: plant-dependent enrichment and seasonal shifts revealed[J]. Applied and environmental microbiology, 67(10): 4742-4751.

L CHIARINI, A BEVIVINO, C DALMASTRI, et al. 1998. Influence of plant development, cultivar and soil type on microbial colonization of maize roots[J]. Applied Soil Ecology, 8(1): 11-18.

L SELDIN, A S ROSADO, D W DA CRUZ, et al. 1998. Comparison of Paenibacillus azotofixans strains isolated from rhizoplane, rhizosphere, and non-root-associated soil from maize planted in two different Brazilian soils[J]. Applied and environmental microbiology, 64(10): 3860-3868.

M ALEXANDER. 1977. Introduction to soil microbiology[M]. John Wiley & Sons.

M N H?GBERG, P H?GBERG, D D MYROLD. 2007. Is microbial community composition in boreal forest soils determined by pH, C-to-N ratio, the trees, or all three?[J]. Oecologia, 150(4): 590-601.

N FIERER, J P SCHIMEL. 2003. A proposed mechanism for the pulse in carbon dioxide production commonly observed following the rapid rewetting of a dry soil[J]. Soil Science Society of America Journal, 67(3): 798-805.

O KAISER, A PüHLER, W SELBITSCHKA. 2001. Phylogenetic analysis of microbial diversity in the rhizoplane of oilseed rape (Brassica napus cv. Westar) employing cultivation-dependent and cultivation-independent approaches[J]. Microbial ecology, 42(2): 136-149.

R J CASE, Y BOUCHER, I DAHLL?F, et al. 2007. Use of 16S rRNA and rpoB genes as molecular markers for microbial ecology studies[J]. Applied and environmental microbiology, 73(1): 278-288.

S J JOSEPH, P HUGENHOLTZ, P SANGWAN, et al. 2003. Laboratory cultivation of widespread and previously uncultured soil bacteria[J]. Applied and Environmental Microbiology, 69(12): 7210-7215.

T PENNANEN, J LISKI, E B??TH, et al. 1999. Structure of the microbial communities in coniferous forest soils in relation to site fertility and stand development stage[J]. Microbial Ecology, 38(2): 168-179.

V TORSVIK, L ?VRE?S,T F THINGSTAD. 2002. Prokaryotic diversity--magnitude, dynamics, and controlling factors[J]. Science, 296(5570): 1064-1066.

W BORKEN, A MUHS, F BEESE. 2002. Changes in microbial and soil properties following compost treatment of degraded temperate forest soils[J]. Soil Biology and biochemistry, 34(3): 403-412.

Y CAO, S FU, X ZOU, et al. 2010. Soil microbial community composition under Eucalyptus plantations of different age in subtropical China[J]. European Journal of Soil Biology, 46(2): 128-135.

陳慶強(qiáng), 沈承德, 孫彥敏, 等. 2005. 鼎湖山土壤有機(jī)質(zhì)深度分布的剖面演化機(jī)制[J]. 土壤學(xué)報(bào), 42(1): 1-8.

劉開(kāi)朗, 王加啟, 卜登攀, 等. 2010. 環(huán)境微生物群落結(jié)構(gòu)與功能多樣性研究方法[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 30(4): 1074-1080.

劉微, 王樹(shù)濤, 陳英旭, 等. 2011. 轉(zhuǎn)Bt基因水稻根際土壤微生物多樣性的磷脂脂肪酸(PLFAs)表征[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 22(3): 727-733.

孟慶光. 2011. 小興安嶺南坡地形— —土壤— —植被的空間分布關(guān)系[J]. 林業(yè)勘查設(shè)計(jì), 1: 029.

王光華, 金劍, 徐美娜, 等. 2006. 植物, 土壤及土壤管理對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 25(5): 550-556.

王衛(wèi)霞, 羅達(dá), 史作民, 等. 2014. 岷江干旱河谷造林對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 34(4): 890-898.

吳才武, 趙蘭坡. 2011. 土壤微生物多樣性的研究方法[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào), 27(11): 231-235.

吳昊. 2012. 長(zhǎng)白山區(qū)不同森林群落中土壤微生物群落組成及其與土壤養(yǎng)分的關(guān)系[D]. 東北師范大學(xué).

吳則焰, 林文雄, 陳志芳, 等. 2013. 中亞熱帶森林土壤微生物群落多樣性隨海拔梯度的變化[J]. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 37(5): 397-406.

張書(shū)理, 雍偉義, 楊永昕, 等. 2008. 賽罕烏拉自然保護(hù)區(qū)植被分類(lèi)研究[J]. 內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 39(1): 74-79.

The Microbial Community of Three Mountains Pingding, Changbai and Saihanwula Based on the Analysis of Phospholipid Fatty Acids（PLFAs）

JIANG Yishan1,3, XIAO Jing2, LUO Chunling1*, LI Jun1, ZHANG Gan1

1. State Key Laboratory of Organic Geochemistry, Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China;
2. Dongying Agricultural Bureau, Dongying, Shandong Province, 257091, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Soil microbes is the key and motivation of nutrient and energy cycling in terrestrial ecosystem. It is hard to evaluate the community structure and ecological functions of soil ecosystem for its abundant diversity. Phospholipid fatty acid (PLFA), a relatively stable and heritable biomarker of live microorganism, which can be used to indicate the exist and situation of specific organism or population, has been widely used in elucidating the dynamic change of microbial community in soil. The present study evaluated soil microbial biomass, Bacteria, Fungus, Gram+Bacteria and Gram-Bacteria composition in typical forest soils of Chinese northeast area (including Pingding Mountain, Changbai Mountain and Saihanwula Mountain) with the analysis of phospholipid fatty acid (PLFA). Furthermore, we investigated how the forest soil microbial absolute content and distribution change with various environmental factors. The major conclusions are as follows: (1)A total of 12 soil samples of different vegetation types from Pingding Mountain, Changbai Mountain and Saihanwula Mountain background forests were analyzed for PLFAs, C/N, TOC, and pH, following the field test of their environmental factors such as soil temperature and moisture. The results showed that the total organic carbon (TOC) ranged from 3.15%～16.3%, the carbon to nitrogen ratio (C/N) ranged from 12.1～18.4, the pH value ranged from 3.5～4.8, the moisture content ranged from 13.3%～74.5% and the soil temperature while sampling was 8.0～18.8 °C, respectively. (2)The total PLFAs content represents the biomass of soil microbes, which was in the range of 27.39～237.63 μg·g-1. Soil microbial biomass in Saihanwula Moutain was highest among the three mountains, while the contents of bacteria, fungi and G+-bacteria in Pingding Moutain were significantly higher than the other two mountains. The ratio of G+-bacteria to G--bacteria (G+/G-) in Pingding Mountain (4.19) was also higher than Changbai Mountain (3.14) and Sahanwula Mountain (2.39). On the contrary, the ratio of fungi to bacteria (F/B) was totally different from G+/G-with Saihanwula Moutain (1.05) being the highest, followed by Changbai Mountain (0.69) and Pingding Mountain (0.55). (3)We examined the correlation between different microbial communities and environmental factors using SPSS software. The results showed that the content of bacteria in forest soil significantly correlated with latitude and C/N (P＜0.01); fungi were negatively correlated with C/N (P＜0.05) generally. Further correlated analysis between two main PLFAs representing fungi (C18:1ω9、C18:2ω6,9) with C/N demonstrated that C18:1ω9 was significantly correlated with C/N (P＜0.01), whereas C18:2ω6,9 was not significantly correlated with C/N. Therefore, the single PLFA as biomarker is probably more sensitive to the change of C/N. (4)The principal components analysis indicated that the soil biodiversity was determined by the vegetation types (P＜0.01), and it was influenced by soil C/N and soil moisture content as well (P＜0.05).

phospholipid fatty acid; forest soil; microbial community structure; Pingding Mountain; Changbai Mountain; Sahanwula Mountain

S714.3

：A

：1674-5906（2014）08-1272-08

姜懿珊，肖靜，羅春玲，李軍，張干. 平頂山、長(zhǎng)白山、賽罕烏拉森林土壤微生物群落結(jié)構(gòu)分析[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2014, 23(8): 1272-1279.

JIANG Yishan, XIAO Jing, LUO Chunling, LI Jun, ZHANG Gan. The Microbial Community of Three Mountains Pingding, Changbai and Saihanwula Based on the Analysis of Phospholipid Fatty Acids(PLFAs) [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(8): 1272-1279.

國(guó)家杰出青年基金項(xiàng)目（Y212041B01）

姜懿珊（1990年生），女，碩士研究生，從事森林土壤微生物生態(tài)學(xué)研究。E-mail：Jiangyishan_12345@yahoo.com

*通訊作者：羅春玲，女，研究員，主要從事植物修復(fù)及土壤微生物生態(tài)學(xué)研究。E-mail：clluo@gig.ac.cn

2014-04-25