宋戰(zhàn)超,王 暉,*,劉世榮,胡佳佳,明安剛,陳 海,李朝英,伍俊廷,史作民,盧立華,蔡道雄

1 中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所,國家林業(yè)和草原局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 1000912 中國林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心,廣西友誼關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測(cè)研究站, 憑祥 532600

土壤微生物在森林生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著不可替代的重要作用,積極參與到森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)[1],對(duì)維持森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和功能以及植物多樣性至關(guān)重要[2]。森林土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性受林下凋落物性質(zhì)和土壤根系分泌物等生物因子及土壤環(huán)境等非生物因子的共同影響[3- 5]。同時(shí),土壤微生物通過對(duì)土壤理化性質(zhì)和土壤肥力作用,影響森林植被生物量和生產(chǎn)力[6]。

近年來,研究生態(tài)系統(tǒng)地上和地下生物多樣性之間的聯(lián)系一直是生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)。針對(duì)土壤微生物群落與植物群落關(guān)系的研究越來越多,但多以草地生態(tài)系統(tǒng)或天然林生態(tài)系統(tǒng)為主。Zak等[7]研究了植物多樣性對(duì)土壤微生物的影響,發(fā)現(xiàn)隨著植物多樣性的增加,土壤真菌生物量明顯增加。青藏高原天然草原的研究發(fā)現(xiàn),隨著植物多樣性的增加,真菌α和β多樣性分別相應(yīng)增加[8]。Chen等[9]在我國亞熱帶森林的不同樹種多樣性梯度實(shí)驗(yàn)研究顯示,樹種特性是主導(dǎo)土壤細(xì)菌和真菌群落多樣性和結(jié)構(gòu)變化主要因素,且對(duì)土壤真菌的影響比土壤細(xì)菌效果更強(qiáng),而樹種多樣性并非是主要影響因子?；谖覈鴣啛釒稚锒鄻有耘c生態(tài)系統(tǒng)功能實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)了不同功能型土壤真菌驅(qū)動(dòng)亞熱帶森林群落多樣性的作用模式[10]。有關(guān)生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能關(guān)系的研究表明,生物多樣性是生態(tài)系統(tǒng)功能的主要驅(qū)動(dòng)力[11]。不同樹種在森林群落中占據(jù)不同的高度和空間從而創(chuàng)造了更多的生態(tài)位,促進(jìn)了群落利用陽光等環(huán)境資源的能力,提高了森林生態(tài)系統(tǒng)生物量和生產(chǎn)力。而我國人工林以單一樹種種植為主,由于生物多樣性下降,森林各種功能與生產(chǎn)力得不到充分發(fā)揮,降低了森林適應(yīng)能力和穩(wěn)定性,還會(huì)造成地力衰退、森林系統(tǒng)功能退化等問題[12]。如在我國南方地區(qū)大面積分布的桉樹人工純林,叢枝菌根真菌的種豐度隨種植年份的增加逐漸下降,優(yōu)勢(shì)種Funneliformsgeosporus的豐度在2年生和10年生林地中顯著降低[13]。但是,樹種多樣性增加使森林植被組成和生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能趨于復(fù)雜,更多樹種混交后樹種多樣性會(huì)隨之增加以及樹種功能特性發(fā)生重疊,不同氣候區(qū)、不同類型森林生態(tài)系統(tǒng)植物種類和環(huán)境等條件差異也比較大,因此尚需通過研究進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)森林植物多樣性與土壤微生物多樣性關(guān)系以及潛在機(jī)制的認(rèn)知,進(jìn)而提高有關(guān)土壤微生物對(duì)“樹種多樣性與土壤理化性質(zhì)和肥力”關(guān)系影響機(jī)制的理解。

亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)是我國陸地碳匯潛力的主要來源[14]。我國南方亞熱帶地區(qū)樹種多樣性豐富,人工林的面積和蓄積均居全國之首。Huang等[15]通過野外多樹種新造林實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)隨樹種多樣性增加林分生產(chǎn)力顯著增加。本研究面向人工林生態(tài)系統(tǒng)固碳增匯功能提升的國家需求,針對(duì)土壤微生物群落組成與樹種多樣性關(guān)聯(lián)機(jī)制這一關(guān)鍵科學(xué)問題,選取我國南亞熱帶經(jīng)近40年近自然管理形成的多樹種、多層次、天然更新良好的異齡混交人工林生態(tài)系統(tǒng)為對(duì)象,采用高通量測(cè)序技術(shù)研究隨樹種豐富度變化土壤微生物α多樣性和群落組成的變化,以及主要的生物和環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子,旨在探討多樹種混交如何對(duì)南亞熱帶人工林土壤微生物生物量和群落結(jié)構(gòu)組成產(chǎn)生影響,為進(jìn)一步揭示樹種多樣性與地下土壤微生物多樣性關(guān)系提供科學(xué)依據(jù),并為制定該區(qū)域人工林通過樹種豐富度合理組配調(diào)控提升生態(tài)系統(tǒng)功能的經(jīng)營策略提供科技支撐。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)憑祥市中國林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心國家林業(yè)和草原局廣西友誼關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站(22°06′50″—22°07′27″N,106°46′48″—106°47′22″E)。該地區(qū)屬典型南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),海拔約300 m,年平均氣溫20.5—21.7℃,年平均降雨量1200—1500 mm,多集中在4—9月份。主要地貌類型以低山丘陵為主,土壤以磚紅壤和紅壤為主,成土母巖主要有泥巖夾砂巖、礫狀灰?guī)r和石灰?guī)r等。本研究的試驗(yàn)區(qū)在杉木林采伐跡地,自1979年選取21個(gè)鄉(xiāng)土樹種以塊狀混交布局建立的試驗(yàn)林,經(jīng)過近40年的人工經(jīng)營和天然更新,試驗(yàn)區(qū)已形成多樹種、復(fù)層結(jié)構(gòu)的混交人工林,試驗(yàn)區(qū)面積100 hm2。

在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)隨機(jī)設(shè)置54個(gè)20 m × 20 m樣地,并對(duì)每個(gè)樣地內(nèi)胸徑(Diameter at breast height,DBH)≥1 cm林木的胸徑、樹高和坐標(biāo)進(jìn)行每木調(diào)查。依據(jù)每個(gè)樣地內(nèi)的樹種豐富度將54個(gè)樣地劃分成10組,形成由1—10個(gè)樹種的豐富度梯度。其中第一組(1個(gè)樹種)有7個(gè)樣地,第二組(2個(gè)樹種)有7個(gè)樣地,第三組(3個(gè)樹種)有3個(gè)樣地,第四組(4個(gè)樹種)有4個(gè)樣地,第五組(5個(gè)樹種)有4個(gè)樣地,第六組(6個(gè)樹種)有7個(gè)樣地,第七組(7個(gè)樹種)有5個(gè)樣地,第八組(8個(gè)樹種)有10個(gè)樣地,第九組(9個(gè)樹種)有3個(gè)樣地,第十組(10個(gè)樹種)有4個(gè)樣地,各樣地的樹種組成詳見附件7。

1.2 樣品采集與處理

1.3 土壤理化性質(zhì)、細(xì)根生物量和碳化學(xué)組分的測(cè)定

土壤pH值采用FE20 pH計(jì)測(cè)定,土水比為1∶2.5。采用重鉻酸鉀外加熱法和凱氏定氮法分別測(cè)定土壤有機(jī)碳和全氮含量[16]。采用鹽酸和硫酸萃取后分光度法測(cè)定土壤有效磷含量[17]。采用2 mol/L KCl浸提,靛酚藍(lán)比色法測(cè)定銨態(tài)氮,紫外分光光度法測(cè)定硝態(tài)氮[18]。

土樣過2 mm篩時(shí),挑選出直徑 ≤ 2 mm的細(xì)根活體,用水反復(fù)沖洗去除附著在根系表面的泥土后,放置烘箱用65℃烘干至恒重,用電子天平稱重(精確到0.001 g),依據(jù)如下公式計(jì)算各樣地的細(xì)根生物量：

細(xì)根生物量(g/m2)=平均每個(gè)土芯中細(xì)根干重(g)/[π(Φ/2)2× (m2/104cm2)](Φ=5.0 cm)

采用13C固體核磁共振波譜(13C CPMAS NMR)分析土壤有機(jī)碳不同化學(xué)組分比例。13C固體核磁共振波譜被分為四組化學(xué)位移區(qū)域,以此區(qū)分土壤有機(jī)碳的不同組分：烷基碳(δ=0—45，alkyl C),氧烷基碳(δ=45—110，O-alkyl C),芳香碳(δ=110—160，aromatic C),羰基碳(δ=160—210，carbonyl C)。

1.4 土壤微生物總DNA提取和高通量測(cè)定

稱取約0.25 g經(jīng)冷凍干燥處理的土壤樣品,使用MO BIO PowerSoil(MO BIO Laboratories,Carlsbad,USA)試劑盒提取土壤微生物總DNA,采用NanoDrop分光光度計(jì)進(jìn)行定量提取DNA的質(zhì)量和濃度,并用1%瓊脂糖凝膠電泳對(duì)提取的DNA質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè),合格后用于構(gòu)建文庫；以各土壤樣品微生物總DNA為模板,以細(xì)菌V4和V5區(qū)特異性引物(15F 5′-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA- 3′；926R 5′-CCGTCAATTCMTTTGAGTTT- 3′)[19]和真菌ITS1區(qū)特異性引物(ITS1F 5′-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA- 3′；2043R 5′-GCTGCGTTCTTCATC GATGC- 3′)[20]進(jìn)行PCR(polymerase chain reaction)擴(kuò)增；采用Illumina MiSeq測(cè)序平臺(tái)對(duì)PCR擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行雙端測(cè)序分析,微基生物科技(上海)有限公司完成測(cè)序。

土壤微生物目標(biāo)片段的PCR產(chǎn)物測(cè)序完成后,對(duì)有效序列進(jìn)行質(zhì)控、拼接和精確去雜等處理,得到優(yōu)化序列。優(yōu)質(zhì)序列利用Usearch軟件基于97%的相似水平進(jìn)行分類操作單元(operational taxonomic units,簡(jiǎn)稱OTUs)。根據(jù)Silva細(xì)菌數(shù)據(jù)庫[21]和Unite[22]真菌數(shù)據(jù)庫利用 RDP Classifier進(jìn)行物種注釋和分類。利用QIIME(Version l.7.0)軟件依據(jù)樣本文庫的OTUs豐度信息計(jì)算土壤樣品的細(xì)菌和真菌多樣性(Faith′s Phylogenetic Diversity,Faith′s PD指數(shù))。利用R語言軟件VEGAN包對(duì)土壤細(xì)菌和真菌β多樣性進(jìn)行了距離冗余分析(Distance-based redundancy analyses,db-RDA),并篩選主要解釋變量。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

2 結(jié)果與分析

2.1 樹種豐富度與土壤細(xì)菌和真菌α多樣性的關(guān)系

通過對(duì)本研究中的人工林樹種豐富度梯度序列樣地建立不同樹種豐富度梯度(1—10個(gè)樹種)與土壤細(xì)菌α多樣性之間的相關(guān)關(guān)系,樹種豐富度與土壤細(xì)菌α多樣性的關(guān)系如圖1所示。Pearson相關(guān)分析的結(jié)果表明,土壤細(xì)菌α多樣性隨樹種豐富度增加整體間存在增加的趨勢(shì),但影響不顯著(P>0.05)。通過對(duì)土壤細(xì)菌α多樣性和土壤理化性質(zhì)關(guān)系的分析,發(fā)現(xiàn)土壤細(xì)菌α多樣性與土壤pH和芳香碳組分呈顯著正相關(guān)(P< 0.05),而與有機(jī)碳、銨態(tài)氮、碳氮比、烷基碳組分及細(xì)根生物量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。采用逐步回歸分析揭示土壤理化性質(zhì)與土壤細(xì)菌α多樣性之間的關(guān)系,結(jié)果表明土壤pH和銨態(tài)氮是土壤細(xì)菌α多樣性變化的主要影響因素(表1)。

圖1 樹種豐富度與土壤細(xì)菌α多樣性和真菌α多樣性的關(guān)系Fig.1 Relationship of tree species diversity on soil bacterial α-diversity and fungal α-diversity

樹種豐富度與土壤真菌α多樣性的關(guān)系如圖1所示。Pearson相關(guān)分析的結(jié)果表明,土壤真菌α多樣性與樹種豐富度之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),隨樹種豐富度增加,土壤真菌α多樣性顯著提高。通過對(duì)土壤細(xì)菌α多樣性和土壤理化性質(zhì)關(guān)系的分析,發(fā)現(xiàn)土壤真菌α多樣性與土壤pH和碳氮比呈顯著正相關(guān)(P<0.05),而與細(xì)根生物量呈顯著負(fù)相關(guān)(P< 0.05)。逐步回歸分析表明土壤pH和有效磷是土壤真菌α多樣性變化的主要影響因素(表1)。

表1 土壤細(xì)菌和真菌α多樣性與環(huán)境因子的多元統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2 不同樹種豐富度土壤細(xì)菌和真菌群落組成變化

對(duì)不同樹種豐富度土壤微生物群落組成進(jìn)行PerMANOVA分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)土壤細(xì)菌β多樣性在不同樹種豐富度之間存在顯著差異(表2)。對(duì)54個(gè)土壤樣品進(jìn)行Illumina MiSeq高通量測(cè)序,數(shù)據(jù)經(jīng)過濾優(yōu)化,共得到1964785個(gè)細(xì)菌優(yōu)化序列,平均每個(gè)樣品36385個(gè)序列,共得到4769個(gè)OTUs。在綱水平上土壤細(xì)菌群落共鑒定48綱,相對(duì)豐度大于1%的綱共15個(gè)。樣品中土壤細(xì)菌群落主要由酸桿菌綱(13.19%)、α變形菌綱(13.06%)、γ變形菌綱(9.85%)、β變形菌綱(6.00%)和δ變形菌綱(5.61%)組成,其他微生物種類以低豐度(小于5.00%)存在,如：纖線桿菌綱(3.45%)、浮霉菌綱(0.80%)。樹種豐富度增加變化改變了土壤細(xì)菌β多樣性,在不同樹種豐富度梯度下α變形菌綱、迷蹤菌綱、γ變形菌綱、浮霉菌綱、Ignavibacteria(未命名)和螺旋體綱差異顯著(P<0.05)(圖2)。

圖2 不同樹種豐富度與土壤細(xì)菌群落和真菌群落組成變化Fig.2 Diversity of different tree species and composition of soil bacterial community and fungal community 細(xì)菌群落中Aα變形菌綱；G：γ變形菌綱；P：浮霉菌綱；E：迷蹤菌綱；I：Ignavibacteria,未命名；S：螺旋體綱;真菌群落中A：傘菌綱；L：茶漬綱；T：銀耳綱;**表示顯著水平P< 0.01,*表示顯著水平P< 0.05

表2 不同樹種豐富度梯度下土壤細(xì)菌和真菌群落PerMANOVA分析

在不同樹種豐富度梯度下土壤真菌β多樣性存在顯著差異(表2)。真菌測(cè)序共得到2068537個(gè)優(yōu)化序列,聚集在8124個(gè)OTUs中,平均每個(gè)樣品38306個(gè)序列。在綱水平上土壤真菌群落共鑒定34綱,相對(duì)豐度大于1%的綱共8個(gè)。樣品中土壤真菌群落主要由傘菌綱(23.38%)組成,其他種群豐度相對(duì)較低,如茶漬綱(3.07%)、銀耳綱(2.84%)。土壤真菌群落中的傘菌綱、茶漬綱和銀耳綱在不同樹種豐富度梯度下差異顯著(P<0.05)(圖2)。

2.3 環(huán)境變量對(duì)土壤細(xì)菌和真菌群落組成的影響

采用db-RDA分析來評(píng)估環(huán)境變量對(duì)土壤細(xì)菌群落組成的影響。分析結(jié)果顯示,土壤細(xì)菌群落在第一主軸(橫軸)主要由土壤pH和芳香碳組分貢獻(xiàn),累計(jì)解釋變量達(dá)到92.86%。第二主軸(縱軸)累計(jì)解釋變量為5.81%,主要由土壤硝態(tài)氮貢獻(xiàn)。土壤細(xì)菌群落組成與土壤環(huán)境因子密切相關(guān),土壤pH、硝態(tài)氮和芳香碳組分是樹種豐富度梯度間土壤細(xì)菌群落組成差異的主要影響因素(圖3)。

圖3 土壤細(xì)菌和真菌群落組成與環(huán)境變量的db-RDA分析Fig.3 Distance-based redundancy analyses (db-RDA) plot showing the relationship of abiotic factors to community composition of bacteria and fungi

不同樹種豐富度梯度下環(huán)境變量與土壤真菌群落組成的db-RDA分析如圖3所示。兩軸共解釋土壤真菌群落結(jié)構(gòu)82.39%的變異，其中第一主軸(橫軸)累計(jì)解釋變量為50.15%,主要由土壤硝態(tài)氮貢獻(xiàn);第二主軸(縱軸)累計(jì)解釋變量為32.24%,主要由細(xì)根生物量貢獻(xiàn)。結(jié)果表明土壤硝態(tài)氮、有機(jī)碳、細(xì)根生物量和氧烷基碳組分是影響土壤真菌群落組成在不同樹種豐富度梯度間差異的主要因素。

3 討論

3.1 南亞熱帶混交人工林樹種豐富度與土壤微生物α多樣性的關(guān)系

前人有關(guān)植物多樣性與土壤微生物群落組成的研究主要在草原[25]和天然林生態(tài)系統(tǒng)[26]開展,并發(fā)現(xiàn)植物多樣性增加會(huì)提高土壤真菌α多樣性。本研究中也得到了相似的結(jié)果,在南亞熱帶經(jīng)近40年近自然管理,形成的多樹種、多層次、天然更新良好的異齡混交人工林生態(tài)系統(tǒng)中,土壤真菌α多樣性隨著樹種豐富度增加而提高(圖1)。通過人工混交不同鄉(xiāng)土樹種,進(jìn)而構(gòu)建成自然恢復(fù)并天然更新的混交人工林生態(tài)系統(tǒng)中樹種豐富度與土壤微生物α多樣性的關(guān)系趨近于天然草地和森林所呈現(xiàn)的規(guī)律的現(xiàn)象一般性的解釋是有更高物種豐富度的生態(tài)系統(tǒng)能更有效地利用各種資源,有更高的生產(chǎn)力并創(chuàng)造了更多的生態(tài)位從而容納了更多的土壤微生物(互補(bǔ)假說)[5,27]。但在本研究中還發(fā)現(xiàn)不同樹種豐富度下土壤細(xì)菌α多樣性差異不顯著,說明了樹種豐富度與土壤真菌α多樣性的相關(guān)性較之與土壤細(xì)菌α多樣性的相關(guān)性更明顯。Johnson[28]等研究認(rèn)為細(xì)菌多樣性和植物多樣性不相關(guān),這與本研究結(jié)果一致。有研究發(fā)現(xiàn),土壤微生物更依賴于某種特定植物的存在(單一假說),而不是植物多樣性本身[29- 30]。因此,在下一步的研究中,將更深入的開展樹種功能特性對(duì)土壤微生物功能類群影響機(jī)制的研究,并進(jìn)一步辨析地下微生物過程的變化是由樹種豐富度還是樹種特性主導(dǎo)。

本研究中相關(guān)分析結(jié)果表明,土壤細(xì)菌和真菌α多樣性與土壤理化因子呈現(xiàn)不同程度的相關(guān)性,說明該區(qū)域土壤理化因子是影響微生物數(shù)量的關(guān)鍵因素。Shen等[31]在長白山研究了6種典型植被類型,分析了隨海拔梯度土壤細(xì)菌群落組成和多樣性的變化趨勢(shì),發(fā)現(xiàn)土壤細(xì)菌分布主要受土壤pH驅(qū)動(dòng)。朱平等[32]通過研究祁連山4種不同植被類型對(duì)土壤微生物的影響也得出了相似的結(jié)論。在本研究中,試驗(yàn)區(qū)內(nèi)土壤細(xì)菌α多樣性與土壤pH和銨態(tài)氮顯著相關(guān)(P<0.05),印證了土壤pH同樣是影響本研究中南亞熱帶多樹種人工林生態(tài)系統(tǒng)樹種豐富度之間土壤細(xì)菌群落分布主要因子。本研究還發(fā)現(xiàn)樹種豐富度增加顯著提高了土壤pH,從而改善了研究區(qū)內(nèi)土壤微生物生存環(huán)境,可能是土壤微生物多樣性增加的原因。莊林杰等[33]研究了從湖泊到岸邊深層土壤中土壤微生物變化情況,發(fā)現(xiàn)細(xì)菌多樣性與土壤銨態(tài)氮呈負(fù)相關(guān),與本研究結(jié)果一致。其原因可能是土壤中銨態(tài)氮增加導(dǎo)致土壤酸化[34],而通常認(rèn)為土壤細(xì)菌群落在中性pH條件下豐富度和多樣性較高[35],本研究中pH與土壤細(xì)菌多樣性的正相關(guān)關(guān)系也為此提供了依據(jù)。在森林生態(tài)系統(tǒng)中樹種豐富度增加會(huì)改變森林凋落物輸入量和凋落物分解過程,進(jìn)而影響土壤中養(yǎng)分含量。有研究表明,真菌群落相較于細(xì)菌群落更直接的依賴于樹木凋落物,且許多真菌與樹種根系共生形成菌根,使得真菌類群與樹木的生物營養(yǎng)相互作用更強(qiáng)[36]，這可能是本研究中真菌α多樣性受土壤有效磷影響的原因。

3.2 南亞熱帶混交人工林樹種豐富度變化影響土壤微生物群落組成

本研究的多樹種混交人工林生態(tài)系統(tǒng)中樹種豐富度增加顯著改變了土壤微生物群落組成,與以往在我國亞熱帶天然林開展的研究結(jié)果相一致[9]。土壤微生物分布廣泛且適應(yīng)性強(qiáng),但在特定區(qū)域的土壤微生物群落組成受到林下特定環(huán)境因素的調(diào)控。許多研究表明,在森林生態(tài)系統(tǒng)中植物群落多樣性對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)具有顯著影響[28,37]。土壤細(xì)菌群落以酸桿菌和α變形菌為主,但就具體細(xì)菌菌群而言,隨樹種豐富度增加菌群并沒有表現(xiàn)出明顯增加或者減少的趨勢(shì)。Xia[38]等人對(duì)我國典型森林土壤細(xì)菌群落的研究發(fā)現(xiàn),土壤細(xì)菌豐度排在前五位的菌群分別為放線菌、酸桿菌、α變形菌、疣微菌和浮霉菌。本研究中不同樹種豐富度下土壤細(xì)菌群落中α變形菌差異性顯著。由此可見,樹種豐富度增加通過改變相對(duì)豐度較高的土壤細(xì)菌菌群使土壤細(xì)菌群落組成差異性顯著(圖2)。在本研究中土壤真菌群落組成變化也表現(xiàn)出相似的現(xiàn)象,傘菌綱作為土壤真菌群落中的重要組成菌群,在不同樹種豐富度梯度下差異性顯著(圖2)。

人工林不同樹種組成可通過影響森林生態(tài)系統(tǒng)中凋落物數(shù)量和質(zhì)量,根系生物量、根系周轉(zhuǎn)和根系分泌物等對(duì)土壤理化性質(zhì)和土壤養(yǎng)分產(chǎn)生不同的影響,進(jìn)而改變土壤微生物的生物量和群落組成[3-4,36]。土壤pH參與土壤生物地球化學(xué)循環(huán)過程并對(duì)土壤理化性質(zhì)具有重要的調(diào)節(jié)作用,是影響細(xì)菌群落組成的重要因子。本研究中db-RDA分析表明土壤細(xì)菌群落組成差異中的98.67%能夠被土壤pH、硝態(tài)氮和芳香碳組分三個(gè)環(huán)境變量所解釋,其中土壤pH占主要貢獻(xiàn)(圖3),結(jié)合土壤pH對(duì)土壤細(xì)菌α多樣性的顯著影響,說明了土壤pH是影響土壤細(xì)菌群落組成和多樣性的主要因素。適宜的pH為土壤微生物提供了良好的生存條件,土壤pH值能夠通過影響土壤基質(zhì)的組成、化學(xué)性質(zhì)從而改變土壤微生物多樣性和群落組成。本研究中土壤硝態(tài)氮、有機(jī)碳、細(xì)根生物量和氧烷基碳組分是導(dǎo)致土壤真菌群落差異的主要影響因素(圖3)。Wang[24]等人研究表明在南亞熱帶氮肥添加導(dǎo)致土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量增加,從而改變土壤pH,這可能是土壤硝態(tài)氮影響土壤真菌群落組成的原因。土壤有機(jī)質(zhì)作為土壤理化性質(zhì)的重要指標(biāo)之一,是土壤養(yǎng)分循環(huán)轉(zhuǎn)化的核心。土壤有機(jī)碳含量的變化能夠影響土壤肥力和土壤微生物群落的變化[39]。王淼等[40]研究結(jié)果也表明土壤理化性質(zhì)特別是土壤養(yǎng)分狀況的差異是土壤微生物群落結(jié)構(gòu)差異的主要影響因素。樹種豐富度增加,往往會(huì)對(duì)根系的分布和生物量產(chǎn)生較大影響[41],通過改變根系分泌物從而導(dǎo)致土壤微生物群落變化。字洪標(biāo)等[42]通過對(duì)青海7種不同林分土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的研究表明,細(xì)根生物量是導(dǎo)致土壤微生物群落差異的因素之一,與本文研究結(jié)果相一致。

4 結(jié)論

本研究選取了南亞熱帶多樹種混交人工林為研究對(duì)象,研究了人工林樹種豐富度對(duì)土壤微生物多樣性和群落組成的影響。結(jié)果表明,樹種豐富度增加對(duì)土壤微生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)具有一定的影響,其中土壤真菌表現(xiàn)出比細(xì)菌更加敏感的響應(yīng)。土壤pH是影響土壤細(xì)菌多樣性和群落組成的主要影響因子,土壤碳氮組分和細(xì)根是影響土壤真菌多樣性和群落組成關(guān)鍵因素。研究結(jié)果說明了南亞熱帶不同鄉(xiāng)土樹種塊狀混交后天然更新形成多樹種混交林過程中,樹種組成和多樣性的變化通過改變土壤理化性狀和根系生物量對(duì)土壤微生物群落有顯著影響。