鄧嬌嬌,周永斌,殷 有,魏亞偉,秦勝金,朱文旭,*

1 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,沈陽(yáng) 110161 2 中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)遼寧遼河平原森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站,昌圖 112500

人工林是遼東山區(qū)典型的植被類型之一,20世紀(jì)50年代以來,由于人類生產(chǎn)生活對(duì)木材需求的不斷增加,該地區(qū)原始森林被逐漸砍伐破壞,大量紅松闊葉林轉(zhuǎn)化為落葉松(Larixolgensis)和紅松(Pinuskoraiensis)人工純林,隨著天然闊葉林被人工林取代,加上造林后管理措施的影響,土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、種群多樣性及功能會(huì)隨著土壤質(zhì)量發(fā)生改變,進(jìn)而反映出一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)土壤受損程度或恢復(fù)潛力。提高人工林的生態(tài)功能,維持高效的人工林生態(tài)系統(tǒng)一直是當(dāng)前該地區(qū)的重要任務(wù),針對(duì)不同人工林,對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行監(jiān)測(cè),可為實(shí)現(xiàn)退化土壤生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和人工林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供理論基礎(chǔ),而目前有關(guān)遼東地區(qū)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、多樣性對(duì)不同人工林類型變化的響應(yīng)方面較少。因此,研究該區(qū)不同人工林生態(tài)系統(tǒng)中土壤微生物的變化規(guī)律對(duì)認(rèn)識(shí)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)具有重要意義[1]。

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[2],參與有機(jī)質(zhì)分解、養(yǎng)分元素循環(huán)以及能量轉(zhuǎn)換[3-5],在維持生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、功能及穩(wěn)定性等方面起著重要作用[6-7],是衡量土壤質(zhì)量和生產(chǎn)力的關(guān)鍵指標(biāo)[8]。因此,研究土壤微生物對(duì)了解土壤質(zhì)量保育、土壤元素周轉(zhuǎn)具有重要意義。在土地覆被過程中,氣候因子、土壤特性、植被群落結(jié)構(gòu)和多樣性都會(huì)影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[9-10]。同一氣候條件下,植被類型是影響土壤微生物群落的重要因素[11],不同植被類型凋落物的質(zhì)量和根系分泌物差異較大,進(jìn)而對(duì)土壤微生物群落產(chǎn)生影響[12]。有研究表明,不同樹種會(huì)對(duì)土壤微生物生物量、微生物群落結(jié)構(gòu)和微生物活性產(chǎn)生影響[13- 15],闊葉林地土壤微生物的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于針葉林地[16],不同針葉林土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和物種多樣性具有顯著差異[17],而有關(guān)不同針葉人工林對(duì)土壤養(yǎng)分及微生物群落的影響機(jī)制尚不明確,因此通過研究不同樹種土壤細(xì)菌群落及土壤養(yǎng)分的關(guān)系將有助于提高樹種對(duì)土壤肥力的改善認(rèn)識(shí),對(duì)管理和調(diào)控人工林和土壤生態(tài)恢復(fù)具有重要意義。

本研究選擇遼東山區(qū)白石砬子自然保護(hù)區(qū)立地條件相同的落葉松人工林(LGe)和紅松人工林(PKe),以及遼寧省森林經(jīng)營(yíng)研究所實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)立地條件相同的落葉松人工林(LGd)和紅松人工林(PKd)為研究對(duì)象,通過比較不同人工林土壤養(yǎng)分及細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的差異,探索土壤微生物對(duì)不同人工林的響應(yīng),探明不同樹種造林恢復(fù)對(duì)土壤養(yǎng)分及土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響,旨在為該區(qū)人工林生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)營(yíng)管理及保護(hù)提供理論依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

該研究區(qū)域位于遼東地區(qū),屬溫帶季風(fēng)氣候,四季分明,年平均氣溫6.5℃,平均降雨926—1100 mm,無霜期127—140 d,研究區(qū)概況見表1。

表1 研究區(qū)概況

LGe: 白石砬子自然保護(hù)區(qū)落葉松林,Larixolgensisforests in Baishilazi Nature Reserve; PKe: 白石砬子自然保護(hù)區(qū)落紅松林,Pinuskoraiensisforests in the Baishilazi Nature Reserve; LGd: 遼寧省森林經(jīng)營(yíng)研究所實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)落紅松林,Larixolgensisforests in the experimental forest farm of Liaoning Institute of Forest Management; PKe: 遼寧省森林經(jīng)營(yíng)研究所實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)紅松林,Pinuskoraiensisforests in the experimental forest farm of Liaoning Institute of Forest Management; Mean DBH: 平均胸徑, Mean diameter at breast high.下同

1.2 土壤樣品的采集與處理

于2017年8月,在保護(hù)區(qū)和林場(chǎng)分別選擇立地條件一致的紅松和落葉松人工林樣地,在每種林型下分別設(shè)置3塊間距大于100 m的20 m×20 m的樣方,每個(gè)樣方內(nèi)采用S形布點(diǎn),利用土鉆采集15—20個(gè)0—10 cm土層樣品,以“四分法”取得約1 kg重量的鮮土作為1個(gè)土樣,將其混勻裝入無菌的自封袋中,做好標(biāo)記后密封放入冰盒中,將其帶回沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)森林生態(tài)實(shí)驗(yàn)室。去除土壤樣品中的植物殘根和石礫等雜物,研碎混勻,過2 mm篩,一部分土樣置于-80℃冰箱進(jìn)行保存,以供進(jìn)行微生物測(cè)序分析,一部分土壤樣品在室溫下風(fēng)干,研磨、過篩,用于土壤理化性質(zhì)的分析。

1.3 土壤DNA提取純化

土壤總DNA 使用美國(guó)OMEGA公司的 MoBio PowerSoil? DNA Isolation Kit(MP Biomedicals,Santa Ana,CA,USA)試劑盒,每個(gè)樣品稱取約0.5 g新鮮土壤,按照試劑盒提取步驟進(jìn)行。用1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)提取DNA的純度和完整性,用核酸定量?jī)xNanoDrop ND- 1000(Thermo Fisher Scientific,Waltham,MA,USA)檢測(cè)提取 DNA 的濃度和純度。

1.4 細(xì)菌16S rRNA序列的擴(kuò)增測(cè)序

用引物338F(5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCA- 3′)和806R (5′-ACTACHVGGGTWTCTAAT- 3′)擴(kuò)增細(xì)菌16S rRNA基因的V3—V4區(qū)。PCR反應(yīng)體系24 μL包括：緩沖液5 μL,Q5高保真緩沖液5 μL,0.25 μL高保真DNA聚合酶(5 U/μL),dNTP(2.5 mmol/L) 2 μL, 上下游引物(10 μmol/L)各1 μL,DNA模板2 μL,最后加入超純水(ddH2O)8.75 μL。PCR 擴(kuò)增條件為：98 ℃預(yù)變性2 min,98°C變性15 s,55°C退火30 s,72°C延伸30 s,25個(gè)循環(huán)；最后72℃延伸5 min。PCR擴(kuò)增產(chǎn)物通過2%瓊脂糖凝膠電泳進(jìn)行檢測(cè),并對(duì)目標(biāo)片段進(jìn)行切膠回收,回收采用AXYGEN公司的凝膠回收試劑盒。采用Illumina公司的TruSeq Nano DNA LT Library Prep Kit制備測(cè)序文庫(kù)。

1.5 生物信息學(xué)和統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)下機(jī)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制,用軟件QIIME 18.0對(duì)原始序列進(jìn)行過濾、拼接、去除嵌合體[18],并對(duì)序列長(zhǎng)度進(jìn)行篩選。然后將有效數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類操作,通過歸類操作,將序列按照彼此的相似性分歸為許多小組,一個(gè)小組就是一個(gè)OTU。對(duì)OTUs進(jìn)行豐度指數(shù)和多樣性指數(shù)等分析,包括群落豐富度Chao1指數(shù)和ACE指數(shù),群落均勻度的Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)。利用Metastats對(duì)門水平和屬水平的群落分類學(xué)組成和豐度進(jìn)行分析[19]。

1.6 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)用Excel 2010進(jìn)行處理,統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 19.0處理,單因素方差分析(one way ANOVA,Lsdt-test)用于不同處理間的差異顯著性校驗(yàn),皮爾遜相關(guān)系數(shù)(Pearson correlation coefficient)用于評(píng)價(jià)土壤理化性質(zhì)與土壤細(xì)菌群落間多樣性的相關(guān)性,以及優(yōu)勢(shì)細(xì)菌類群與土壤環(huán)境因子的相關(guān)性。使用Canoco 4.5軟件對(duì)土壤環(huán)境因子和細(xì)菌群落進(jìn)行冗余分析(Redundancy analysis,RDA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同人工林土壤理化性質(zhì)

本研究調(diào)查了兩個(gè)研究區(qū),共四個(gè)樣地土壤理化性質(zhì),LGe和PKe土壤pH、全碳、全氮、堿解氮和C/N都無顯著差異(表2)。LGd和PKd的土壤pH值和C/N無顯著差異,但LGd土壤的全碳和全氮的含量都顯著高于PKd(表2)。

表2 不同處理土壤理化性質(zhì)

表中數(shù)據(jù)為平均值±中數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差,同一行數(shù)據(jù)不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05),同一行數(shù)據(jù)不同大寫字母表示差異顯著(P<0.01);TC：全碳,total carbon；TN：全氮,total nitrogen；AN：堿解氮,available nitrogen

2.2 不同人工林土壤微生物多樣性

圖1 不同處理下土壤細(xì)菌群落高通量測(cè)序16S rDNA稀疏曲線 Fig.1 Rarefaction curves of 16S rDNA for high throughput sequencing of bacterial under different treatmentsLGe：白石砬子自然保護(hù)區(qū)落葉松林,Larix olgensis forests in Baishilazi Nature Reserve；PKe：白石砬子自然保護(hù)區(qū)落紅松林, Pinus koraiensis forests in the Baishilazi Nature Reserve；LGd：遼寧省森林經(jīng)營(yíng)研究所實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)落紅松林,Larix olgensis forests in the experimental forest farm of Liaoning Institute of Forest Management；PKe：遼寧省森林經(jīng)營(yíng)研究所實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)紅松林,Pinus koraiensis forests in the experimental forest farm of Liaoning Institute of Forest Management；OUT：操作分類單元,Operational Taxonomic Units

本研究采用97%的序列相似度作為OTU劃分閾值,表3反映了不同分類單元的OTU數(shù),在門分類水平上LGe和PKe分別有1904和2018個(gè)OTU,LGd和PKd分別有2289和3334個(gè)OTU。如圖1所示,曲線隨著測(cè)得序列數(shù)量的增加而趨于平坦,表明實(shí)驗(yàn)已獲取絕大多數(shù)樣本信息,已經(jīng)能夠反映森林土壤的微生物群落組成。用QIIME軟件分別對(duì)每個(gè)樣本計(jì)算Chaos1、ACE、Simpson和Shannon指數(shù)。LGe和PKe土壤微生物的Shannon指數(shù)、ACE指數(shù)、Chao1指數(shù)和Simpson指數(shù)無顯著差異；LGd的Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)顯著高于PKd,而Chao1指數(shù)和ACE指數(shù)無顯著差異(表3)。相關(guān)性分析結(jié)果顯示,細(xì)菌的Shannon指數(shù)與pH呈顯著正相關(guān)(r=0.966,P<0.05)(表4),4個(gè)處理中LGd土壤pH較高,可能是導(dǎo)致細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)多樣性的主要原因。

2.3 不同人工林土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)在門水平的分析

在門水平上,LGe,PKe,LGd和PKd共獲得34個(gè)類群,將平均相對(duì)豐度<0.1%類群歸類為其他,得到18個(gè)類群,平均相對(duì)豐度>1%類群共有10個(gè)(圖2),其中變形菌門(Proteobacteria)(43.11%,40.28%；36.22%,39.77%),酸桿菌門(Acidobacteria)(27.62%,19.19%；11.98%,16.04%),放線菌門(Actinobacteria)(6.99%,8.35%；30.76%,21.25%),綠彎菌門(Chloroflexi)(5.42%,6.50%；5.82%,10.96%),疣微菌門(Verrucomicrobia)(7.23%,4.12%；3.78%,0.65%),芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)(2.24%,2.24%；5.19%,6.07%),厚壁菌門(Firmicutes)(0.52%,8.60%；0.64%,0.16%),擬桿菌門(Bacteroidetes) (1.90%,4.60%；2.09%,0.77%),浮霉菌門(Planctomycetes)(2.07%,1.78%；0.94%,1.68%)和硝化螺旋菌門(Nitrospirae) (1.54%,1.75%；1.37%,0.98%)為主要優(yōu)勢(shì)類群。采用Metastats方法對(duì)LGe和PKe進(jìn)行比較檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)有4個(gè)門的相對(duì)豐度有顯著差異(P<0.05),其中,酸桿菌門(Acidobacteria)具有極顯著性差異(P=0.008)(表5)。LGd和PKd土壤變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)和酸桿菌門(Acidobacteria)有極顯著差異(P<0.01),P值分別為0.008,0.000和0.011,綠彎菌門(Chloroflexi)有顯著差異(P=0.033),疣微菌門(Verrucomicrobia)和芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)無差異(表6)。

表3 不同處理土壤微生物多樣性指數(shù)

表中數(shù)據(jù)為平均值±中數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差,同一行數(shù)據(jù)不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05),同一行數(shù)據(jù)不同大寫字母表示差異顯著(P<0.01)

表4 細(xì)菌群落多樣性與土壤理化性質(zhì)的Pearson相關(guān)性分析

*P<0.05

圖2 不同處理土壤細(xì)菌門水平相對(duì)豐度Fig.2 Relative abundance of soil bacteria at the phylum under different treatments

土壤比較類型Comparison of soil type微生物群落門水平Microbial community phylum levelP值P valuePKe-LGe酸桿菌門(Acidobacteria)0.008Saccharibacteria0.028Armatimonadetes0.039GAL150.046

表6 LGd和PKd土壤微生物門水平的Metastats兩兩比較檢驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

2.4 不同人工林土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)在屬水平的分析

在屬水平上,共得到了458個(gè)類群。將LGe,PKe,LGd和PKd平均相對(duì)豐度<1%類群歸為其他,得到19個(gè)類群,其他(others)超70% (圖3)。其中,有10個(gè)優(yōu)勢(shì)類群,分別是硝化菌屬(Nitrobacter)(4.77%,6.75%；6.18%,4.99%)、CandidatusSolibacter(1.27%,2.37%；5.29%,2.99%)、Pseudolabrys(1.73%,2.98%；3.47%,2.94%)、Variibacter(1.74%,2.93%；1.97%,1.62%)、Bryobacter(0.75%,1.62%；2.80%,1.97%)、Haliangium(1.45%,1.10%；1.55%,1.51%)、紅游動(dòng)菌屬(Rhodoplanes)(1.68%,1.69%；0.85%,0.80%)、副球菌(Rhizomicrobium)(0.99%,0.92%；1.52%,1.33%)、芽單胞菌屬(Gemmatimonas)(1.55%,1.90%；0.53%,0.74%)和H16(0.74%,0.64%；1,69%,1.16%)。其中,硝化菌屬、Variibacter、紅游動(dòng)菌屬和芽單胞菌屬在樣地PKd中占有優(yōu)勢(shì),CandidatusSolibacter、Pseudolabrys、Bryobacter和副球菌屬是LGe樣地中的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌屬。

土壤微生物群落結(jié)構(gòu)在屬水平也產(chǎn)生了明顯的差異(表7,表8),采用Metastats方法比較檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)LGe和PKe有7個(gè)屬的相對(duì)豐度有極顯著差異,LGd和PKd有25個(gè)屬的相對(duì)豐度有極顯著差異(P<0.01),其中,優(yōu)勢(shì)菌群中的硝化桿菌屬(Nitrobacter)和Pseudolabrys達(dá)到極顯著差異(P<0.01)。

2.5 細(xì)菌優(yōu)勢(shì)菌群與環(huán)境因子的相關(guān)性

對(duì)優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門和優(yōu)勢(shì)細(xì)菌屬相對(duì)豐度和土壤環(huán)境因子進(jìn)行冗余分析(圖4),結(jié)果顯示,第1軸和第2軸累積解釋變異量分別達(dá)94.4%和98.2%。在門水平上,第一排序軸和第二排序軸的特征值分別為0.832和0.112,土壤pH(r=0.9482)和土壤C/N(r=0.9377)與軸1的相關(guān)性較大,第1軸解釋率達(dá)到了83.2%。在屬水平上,第一排序軸的特征值為0.755,土壤pH(r=-0.9810)和土壤C/N(r=-8.778)與第1軸的相關(guān)性較大,第1軸解釋率達(dá)到了75.5%,土壤全碳(r=-0.8981),土壤全N(r=-0.9224)和土壤堿解氮(r=-0.8623)與軸2的相關(guān)性較大,第二排序軸的特征值為0.227,解釋度為22.7%,它們共同解釋微生物總方差值的98.2%。由此可見,這兩個(gè)軸能大部分反映土壤環(huán)境因素對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。

圖3 不同處理土壤細(xì)菌屬水平相對(duì)豐度Fig.3 Relative abundance of soil bacteria at the genus under different treatments

土壤比較類型Comparison of soil type微生物群落屬水平Microbial community genus levelP LGe-PKeGranulicella0.001Burkholderia-Paraburkholderia0.002酸桿菌屬(Acidobacterium)0.004馬賽菌屬(Massilia)0.004Candidatus.Koribacter0.005Acidibacter0.008Edaphobacter0.008

表8 LGd和PKd土壤微生物屬水平的 Metastats兩兩比較檢驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

圖4 優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門和優(yōu)勢(shì)細(xì)菌屬與土壤環(huán)境因子冗余分析Fig.4 Redundancy analysis (RDA) on soil dominant bacteria phyla and soil dominant bacteria genus constrained by soil variablesTC：全碳,total carbon；TN：全氮,total nitrogen；AN：堿解氮,available nitrogen；C/N：碳氮比,C/N ratio

對(duì)優(yōu)勢(shì)細(xì)菌類群和土壤環(huán)境因子進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析,在門水平上,酸桿菌門平均相對(duì)豐度與pH呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.990,P<0.01),綠彎菌門與全氮(r=-0.996,P<0.01)和堿解氮(r=-0.997,P<0.01)成極顯著負(fù)相關(guān),放線菌門(r=0.960,P<0.05)和芽單胞菌門(r=0.962,P<0.05)與碳氮比呈顯著正相關(guān)。在屬水平上,CandidatusSolibacter(r=-0.983,P<0.05),Bryobacter(r=-0.965,P<0.05)和H16(r=-0.969,P<0.05)的平均相對(duì)豐度與pH呈顯著負(fù)相關(guān),Haliangium與全氮(r=0.967,P<0.05)和堿解氮(r=0.955,P<0.05)呈顯著正相關(guān),紅游動(dòng)菌屬 (r=0.984,P<0.05)和芽單胞菌屬(r=0.956,P<0.05)與碳氮比呈顯著正相關(guān),副球菌與碳氮比呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.972,P<0.05)(表9)。

表9 優(yōu)勢(shì)細(xì)菌類群與土壤環(huán)境因子相關(guān)性分析

*P<0.05,**P<0.01

3 討論

不同人工林樹種可通過影響林地微環(huán)境、凋落物量與分解速率,以及根系的周轉(zhuǎn)等過程,進(jìn)而對(duì)土壤pH、碳、氮有不同程度的影響[20- 21]。本研究顯示各研究區(qū)域的落葉松人工林土壤pH、全碳、全氮、堿解氮含量都高于紅松人工林,其中,LGe和PKe無顯著差異,二者提高土壤肥力的效果差異不顯著；而LGd顯著高于PKd(表2)。土壤中碳、氮和有機(jī)質(zhì)的輸入主要來源于凋落物中養(yǎng)分的歸還及生物固氮,落葉松屬寒溫性落葉針葉林,凋落物較多,盡管凋落物中多含木質(zhì)素、樹脂、單寧和蠟質(zhì)等難以分解的物質(zhì),但覆蓋于土壤表面密集的針葉凋落物會(huì)促使形成空氣不流通的環(huán)境,有助于土壤養(yǎng)分的積累；相反,紅松為溫性常綠針葉林,凋落物量較少,土壤養(yǎng)分較為貧瘠。土壤養(yǎng)分與微生物有著密切的聯(lián)系,土壤碳[22]、土壤氮[23]高低影響著土壤微生物群落。本研究表明,LGe和PKe土壤微生物的多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)無顯著差異(表3),Metastats分析結(jié)果表明,LGe和PKe在門水平和屬水平上豐度顯著差異的個(gè)數(shù)較少(表5,表7),土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)顯示了趨同性。LGd土壤微生物的Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)顯著高于PKd,而Chao1指數(shù)和ACE指數(shù)無顯著差異(表3),且Metastats分析結(jié)果表明LGd和PKd在門水平和屬水平上豐度顯著差異的個(gè)數(shù)較多(表6,表8)。土壤理化性質(zhì)的改變對(duì)微生物群落的組成和多樣性具有重要影響,其中,Shen等[24]研究結(jié)果表明,土壤pH是決定微生物多樣性和群落組成的關(guān)鍵因素。本研究表明土壤細(xì)菌的Shannon指數(shù)與pH呈顯著正相關(guān)(r=0.966,P<0.05)(表4),與Hartman等[25]的研究結(jié)果相一致,表明尤其在pH小于6.5的土壤中,微生物多樣性隨著土壤pH 的降低隨之降低。本研究中LGd土壤細(xì)菌的Shannon指數(shù)和pH都最高,可能與土壤類型、植被類型、管理措施等相關(guān)。

土壤微生物在有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)換,生物地球化學(xué)循環(huán)過程中扮演著非常重要的角色[26-28],對(duì)地表生態(tài)系統(tǒng)[29],植物健康[30-31],土壤結(jié)構(gòu)[32],土壤肥力[33-34]具有重要影響。土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的組成在不同人工林樹種土壤樣中有一定差異,變形菌門、放線菌門和酸酐菌門是該區(qū)針葉人工林土壤中優(yōu)勢(shì)菌群(圖3),與Sun等[35]的研究基本相一致。有研究表明變形菌門和放線菌門主要參與有機(jī)質(zhì)分解[36- 37],綠彎菌門、芽單胞菌門、硝化螺旋菌門和厚壁菌門的相對(duì)豐度低,主要進(jìn)行碳氮的固定[38- 40]。變形菌門和酸酐菌門由于其不同的生活方式,常被用作衡量土壤營(yíng)養(yǎng)狀況的指標(biāo)[25],已有的研究表明變形菌門的相對(duì)豐度與土壤碳含量有正相關(guān)關(guān)系[41- 42],變形菌門的豐度隨著有機(jī)質(zhì)的增加而增加[43],而且在營(yíng)養(yǎng)較為豐富的土壤中比例更高[44],本研究雖未能證明這一觀點(diǎn),但是本研究中土壤細(xì)菌變形菌門是所有處理中的優(yōu)勢(shì)菌群,被視為有機(jī)質(zhì)分解轉(zhuǎn)化的主要功能細(xì)菌,該研究結(jié)果與先前研究結(jié)果相一致[45- 46]。酸酐菌門屬于嗜酸性細(xì)菌門,廣泛分布在不同的土壤環(huán)境中[47- 49],酸酐菌門的相對(duì)豐度能夠表明土壤的酸性條件[50- 51]。

以土壤微生物優(yōu)勢(shì)類群為原始變量,冗余分析和相關(guān)分析表明土壤pH、TN、AN和C/N對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)影響顯著(圖4,表9),這一觀點(diǎn)與前人的研究[52- 53]基本一致。冗余分析表明該區(qū)針葉人工林土壤微生物細(xì)菌群落門水平組成信息中94.4%能夠?yàn)橥寥纏H和土壤C/N 兩個(gè)環(huán)境變量所解釋,第1軸解釋了83.2%的變異信息,第2軸解釋了11.2%的變異信息(圖4A)。細(xì)菌屬水平有98.2%的變異信息能夠被土壤pH、全碳、全氮、堿解氮和C/N所解釋(圖4B)。本研究相關(guān)性分析表明酸桿菌門與土壤pH呈極顯著負(fù)相關(guān)(表9),與以往的研究結(jié)果相一致[54],pH在土壤生物地球化學(xué)循環(huán)過程中起重要作用,對(duì)土壤中理化反應(yīng)都具有重要的調(diào)節(jié)作用,是影響細(xì)菌分布的重要因子[28,30,55- 56]。本研究屬酸性土壤,變形菌門占主要優(yōu)勢(shì),綠彎菌門與全氮和堿解氮成極顯著負(fù)相關(guān)(表9),與Zeng等[57]研究結(jié)果相吻合,表明在森林生態(tài)系統(tǒng)中,變形菌門較適合生活在酸性土壤中,綠彎菌門在營(yíng)養(yǎng)貧瘠的土壤中更占有優(yōu)勢(shì)。放線菌門和芽單胞菌門的相對(duì)豐度與土壤碳氮比呈顯著正相關(guān)(表9),土壤碳氮比可衡量土壤C、N營(yíng)養(yǎng)平衡狀況,是表征土壤質(zhì)量的敏感指標(biāo),低碳氮比可加快微生物的分解和氮的礦化速率[58]。本研究中遼東山區(qū)不同人工林土壤的微生物群落組成的變化與土壤pH、氮素營(yíng)養(yǎng)、有機(jī)質(zhì)等理化性質(zhì)有緊密關(guān)系,微生物群落的變化是這些環(huán)境因子影響的綜合反映。

4 結(jié)論

遼東山區(qū)不同人工針葉林(落葉松和紅松)土壤細(xì)菌優(yōu)勢(shì)門類群主要包括變形菌門、放線菌門、酸桿菌門、綠彎菌門、疣微菌門和芽單胞菌門,土壤pH、全氮、堿解氮的含量以及C/N是本區(qū)針葉林細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的主要影響因子。就落葉松和紅松而言,保護(hù)區(qū)內(nèi)兩者的土壤有機(jī)質(zhì)和細(xì)菌群落多樣性無顯著差異,表現(xiàn)趨同性,而在實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)落葉松土壤有機(jī)質(zhì)的含量及微生物群落多樣性顯著高于紅松,落葉松相對(duì)更有利于土壤肥力的提高,優(yōu)化土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)。綜合分析表明,在保護(hù)區(qū)選擇單一樹種落葉松或紅松造林對(duì)改善土壤養(yǎng)分及優(yōu)化微土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)無顯著差異,而在實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)選擇落葉松更有利于提高土壤肥力。