王淑真 梁晶晶 包明琢 潘 菲 周垂帆

(福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院 人工林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)福建省高校工程研究中心 福州 350002)

第九次全國(guó)森林資源清查數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)杉木(Cunninghamialanceolata)人工林面積達(dá)1 138.66萬(wàn)hm2，占全國(guó)喬木林面積的6.33%(孫長(zhǎng)山， 2020)，其在調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源和提供用材等方面發(fā)揮著重要作用。由于育林措施和經(jīng)營(yíng)制度不甚合理，當(dāng)前杉木人工林面臨土壤退化、肥力下降、生產(chǎn)力降低等一系列問(wèn)題(田甜等， 2019)。

磷素是植物生長(zhǎng)不可缺少的大量元素。在短時(shí)間內(nèi)，磷素主要來(lái)源于植物凋落物分解和有機(jī)質(zhì)礦化，在土壤中遷移與轉(zhuǎn)化后，被植物吸收利用或以可溶性磷的形式流失(陳美領(lǐng)等， 2016)。在亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)中，土壤總磷含量較高，但其中閉蓄態(tài)磷所占比例較大，可被林木吸收的有效磷含量處于較低水平。作為重要速生樹(shù)種，杉木產(chǎn)生凋落物較少且難分解，養(yǎng)分歸還量少，同時(shí)酸性紅壤中的鐵、鋁氧化物對(duì)磷素的固定吸附作用強(qiáng)烈，土壤磷素不足成為限制杉木生長(zhǎng)的主要因子(Zhangetal.， 2018)。研究表明，土壤磷素含量和微生物利用特征等與林齡聯(lián)系緊密。曹小玉等(2019)發(fā)現(xiàn)隨杉木林齡增加，土壤全磷含量先減后增，中齡林時(shí)最低。Wu等(2020)的研究表明，杉木人工林土壤磷素生物有效性和循環(huán)利用率隨林齡增加而增大。

微生物活動(dòng)與土壤磷素循環(huán)密切相關(guān)，對(duì)磷素形態(tài)的轉(zhuǎn)化和有效性有極重要影響。土壤中存在一類(lèi)可將難溶性磷酸鹽轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒┲参锢玫目扇苄粤谆衔锏奈⑸?，稱(chēng)為解磷菌(駱韻涵等， 2020)。眾多研究表明，解磷菌可通過(guò)自身生命活動(dòng)產(chǎn)生質(zhì)子、CO2等，降低土壤pH值，引起無(wú)機(jī)磷酸鹽溶解； 通過(guò)產(chǎn)生酶類(lèi)水解有機(jī)磷； 通過(guò)產(chǎn)生有機(jī)酸，溶解難溶的磷酸鹽，或爭(zhēng)奪吸附位點(diǎn)等，對(duì)土壤磷素進(jìn)行活化(滕澤棟等， 2017)。如Churgopost等(2021)發(fā)現(xiàn)施加解磷菌生物肥料提高了Takhli土系中磷素的有效性。然而，以往研究多聚焦在杉木林土壤養(yǎng)分循環(huán)特征、理化性質(zhì)和微生物群落多樣性的變化，以及施加解磷菌生物肥料對(duì)土壤磷素有效性的影響，自然條件下不同林齡杉木純林土壤中解磷菌群落組成和磷素形態(tài)轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究鮮有報(bào)道。

堿性磷酸酶(ALP)可催化酯-磷酸鍵的水解(Nannipierietal.， 2011)，主要由土壤細(xì)菌、真菌及土壤動(dòng)物(蚯蚓等)分泌(Nakasetal.， 1987)，可將土壤有機(jī)磷水解為可供植物利用的無(wú)機(jī)磷。ALP活性與phoD基因豐度呈顯著正相關(guān)(Wuetal.， 2015)。在當(dāng)前已測(cè)序的編碼ALP的3種基因(phoA、phoD、phoX)中，phoD基因在土壤樣品分析中較常見(jiàn)(Tanetal.， 2013)，已成為研究陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)磷轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵生物指示物。目前，利用高通量測(cè)序?qū)ν寥乐薪饬拙姆N類(lèi)、豐度、分布狀況和群落組成進(jìn)行分析，有助于了解人工林不同生長(zhǎng)階段的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)以及土壤功能變化。

鑒于此，本文基于高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)PCR擴(kuò)增的phoD基因進(jìn)行測(cè)定，對(duì)福建省南平市杉木人工林生長(zhǎng)過(guò)程中不同分類(lèi)水平上解磷菌群落結(jié)構(gòu)及多樣性進(jìn)行研究，以揭示土壤解磷菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性隨林齡的變化規(guī)律及磷素形態(tài)與不同分類(lèi)水平上解磷菌群落的相關(guān)性，為杉木人工林磷素有效利用和可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與樣品采集

福建省南平市是我國(guó)杉木中心產(chǎn)區(qū)之一，地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均溫19.3 ℃，相對(duì)濕度83%，土壤是由花崗巖發(fā)育的紅壤。土樣采自南平市溪后村(26°39′N(xiāo)，117°55′E)，采樣時(shí)間為2018年7月27、28日。采用空間代時(shí)間法，選擇立地相似的不同林齡(4、15、24、43、100年)杉木人工林。其中，4年為幼齡林，15年為中齡林，24年為近熟齡，43年和100年為過(guò)熟林。喬木層以杉木為主，不同林齡杉木林的林下植被種類(lèi)和覆蓋度不同。4年林下植被覆蓋度較低，以芒萁(Dicranopterisdichotoma)為主； 15年和24年林下植被豐富度上升，灌木層主要有山蒼子(Litseacubeba)、毛冬青(Ilexpubescens)、鹽膚木(Rhuschinensis)等，草本層主要有芒萁、烏毛蕨(Blechnumorientale)等； 43年和100年的林下植被更為豐富，灌木層主要有粗葉榕(Ficushirta)、毛冬青等，草本層主要有觀音蓮座蕨(Angiopterisfokiensis)、淡綠短腸蕨(Allantodiavirescens)等。每個(gè)林齡選擇坡度和其他立地條件相近的3片林地作為重復(fù)，每片林地選擇坡度30°～40°、坡向東南的土坡進(jìn)行采樣。每個(gè)土坡上劃定20 m×20 m的采樣地，沿S形選擇6個(gè)采樣點(diǎn)，在去除地表枯枝落葉層后，用土鉆采集0～20 cm的表層土壤，并將采集點(diǎn)的土樣等量混合為1份樣品(張蕓等， 2016)。每份土壤樣品過(guò)20目篩后放入4 ℃的冰箱中冷藏保存，一部分用于土壤磷素形態(tài)檢測(cè)，一部分用于解磷菌相對(duì)含量測(cè)定。

1.2 土壤磷素測(cè)定

土壤磷組分測(cè)定采用改進(jìn)的Hedley磷素分級(jí)法(Guoetal.， 1998； B?rlingetal.， 2001)。稱(chēng)取0.5 g土樣(< 2 mm)于50 mL離心管中，逐級(jí)加入蒸餾水、0.5 mol·L-1NaHCO3、0.1 mol·L-1NaOH、1 mol·L-1HCl溶液30 mL后，振蕩16 h，4 500 r·min-1離心后取上清液。取濃硫酸和0.5 mol·L-1的H2O2溶液，將剩余土樣在270 ℃下消煮，測(cè)定Residual-P。活性磷包括水溶性無(wú)機(jī)磷(H2O-inorganic phosphorus, H2O-IP)，水溶性有機(jī)磷(H2O-organic phosphorus, H2O-OP)，碳酸氫鈉態(tài)無(wú)機(jī)磷(NaHCO3-inorganic phosphorus, NaHCO3-IP)和碳酸氫鈉態(tài)有機(jī)磷(NaHCO3-organic phosphorus, NaHCO3-OP)。中等活性磷包括氫氧化鈉態(tài)無(wú)機(jī)磷(NaOH-inorganic phosphorus, NaOH-IP)和氫氧化鈉態(tài)有機(jī)磷(NaOH-organic phosphorus, NaOH-OP)。穩(wěn)定態(tài)磷包括鹽酸態(tài)無(wú)機(jī)磷(HCl-inorganic phosphorus, HCl-IP)，鹽酸態(tài)有機(jī)磷(HCl-organic phosphorus, HCl-OP)和Residual-P。土壤無(wú)機(jī)磷總量TIP(Total inorganic phosphorus)=H2O-IP+NaHCO3-IP+NaOH-IP+HCl-IP+Residual-P，有機(jī)磷總量TOP(Total organic phosphorus)=H2O-OP+NaHCO3-OP+NaOH-OP+HCl-OP。

1.3 土壤解磷菌測(cè)定

基因組DNA抽提完成后，利用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)抽提的基因組DNA，采用引物F733(5′-TGGGAYGATCAYGARGT-3′)和R1083(5′-CTGSGCSAKSACRTTCCA-3′)(Chenetal.， 2019)對(duì)其中的堿性磷酸酶基因(phoD)部分進(jìn)行PCR擴(kuò)增。每個(gè)樣本3個(gè)重復(fù)，將同一樣本的PCR產(chǎn)物混合后用2%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)，使用AxyPrepDNA凝膠回收試劑盒(AXYGEN公司)切膠回收PCR產(chǎn)物?；厥盏漠a(chǎn)物經(jīng)過(guò)連接 “Y”字形接頭、去除接頭自連片段、再次使用PCR進(jìn)行文庫(kù)模板的富集、氫氧化鈉變性，產(chǎn)生單鏈DNA片段之后，完成高通量測(cè)序文庫(kù)的制備。將符合要求的測(cè)序文庫(kù)在Illumina Miseq平臺(tái)上進(jìn)行雙末端測(cè)序(Paried-End)，對(duì)基因進(jìn)行物種注釋后得到各分類(lèi)水平上的解磷菌的相對(duì)豐度。

1.4 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)OTU豐度信息繪制Venn圖，可較直觀地顯示不同林齡杉木林土壤中共有與特有的OTU數(shù)目。為研究組間群落組成的異同，進(jìn)行主坐標(biāo)分析(PCoA)和利用Qiime軟件繪制基于bray curtis的多樣本聚類(lèi)樹(shù)。通過(guò)LefSe分析，進(jìn)一步分析組間豐度上有顯著差異的物種。通過(guò)Microsoft Excel 2006初步整理土壤磷組分原始數(shù)據(jù)，制作不同形態(tài)磷素含量三線(xiàn)表和面積圖。使用SPSS對(duì)組間土壤磷素含量和解磷菌Alpha多樣性指數(shù)分別進(jìn)行單因素方差分析，選擇SNK法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，將土壤磷素含量和微生物Alpha多樣性指數(shù)進(jìn)行雙變量相關(guān)分析。使用Origin 2018繪制解磷菌Alpha多樣性折線(xiàn)圖。土壤磷素含量及解磷菌群落相對(duì)豐度冗余分析(RDA)使用Canoco 4.5。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林齡杉木林土壤磷素形態(tài)特征

由圖1可知，林齡對(duì)土壤中不同形態(tài)磷素的含量影響顯著。隨林齡增加，活性磷含量逐漸增大。有機(jī)磷總量(TOP)隨林齡變化表現(xiàn)為100年>24年>43年>15年>4年?？偀o(wú)機(jī)磷(TIP)和穩(wěn)定態(tài)的磷含量變化趨勢(shì)相同，即15年>4年>24年>100年>43年。

圖1 不同林齡杉木林土壤有機(jī)磷、無(wú)機(jī)磷和不同活性磷素含量

由表1可知，不同形態(tài)磷素含量隨林齡增加的變化趨勢(shì)不同。在同一林齡，含量較高的磷素分別是Residual-P、NaOH-IP、NaHCO3-IP和NaOH-OP。土壤中H2O-IP含量隨林齡增加而顯著升高(P<0.05)； NaOH-IP含量在24年時(shí)最大； NaHCO3-IP含量隨林齡增加先升后降，在43年時(shí)最大。NaOH-OP含量隨林齡變化明顯，24年時(shí)較15年提升了78.69%，在100年時(shí)含量顯著高于其他林齡(P<0.05)； HCl-OP含量隨林齡增加整體上逐漸增大。

2.2 不同林齡杉木林土壤中解磷菌絕對(duì)豐度分析

根據(jù)林齡分5組進(jìn)行Venn圖分析，共產(chǎn)生11 939個(gè)OTU，經(jīng)抽平處理后剩余11 026個(gè)，其中4、15、24、43、100年中平均包含1 784、1 878、2 066、3 097、2 347個(gè)，4、15、24、43、100年中特有的OTU分別為1 262、594、830、2 524、1 284個(gè)，5組共同包含471個(gè)。不同林齡土壤包含的解磷菌OTU數(shù)目為43年>100年>24年>15年>4年。Venn圖分析結(jié)果顯示，43年林齡包含的解磷菌類(lèi)群獨(dú)特性最明顯。整體來(lái)看，不同林齡杉木林土壤中的解磷菌種類(lèi)差異顯著。

表1 不同林齡杉木林土壤磷素形態(tài)特征①

圖2 不同林齡杉木林土壤解磷菌OTUs分布

PCoA中樣品點(diǎn)的距離可用來(lái)估計(jì)組間解磷菌群落結(jié)構(gòu)與多樣性的差異，樣品點(diǎn)距離越近說(shuō)明越相似，距離越遠(yuǎn)說(shuō)明差異越大。15年和24年林齡土壤中解磷菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性相近，4年林齡土壤中解磷菌群落與其他林齡差異較大(圖3)。

圖3 不同林齡杉木林土壤解磷菌群落PCoA分析

2.3 不同林齡杉木林土壤中解磷菌多樣性分析

由圖4可知解磷菌Alpha多樣性指數(shù)變化，土壤中解磷菌豐富度總體表現(xiàn)為43年>100年>24年>15年>4年，解磷菌種群多樣性總體表現(xiàn)為43年>100年>15年>24年>4年。

用Hcluster分析的多樣本聚類(lèi)樹(shù)的樹(shù)枝結(jié)構(gòu)可比較不同林齡土壤中解磷菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性的異同。如圖5所示，根據(jù)樹(shù)枝長(zhǎng)度大致可將樣本分為4類(lèi)： 4年，100年，43年，15和24年，即15年和24年林齡土壤中解磷菌組成相近，結(jié)構(gòu)差異較小，4年林齡土壤中解磷菌獨(dú)特性較高，與PCoA分析結(jié)果相同。

圖4 不同林齡杉木林土壤解磷菌Alpha多樣性指數(shù)

圖5 不同林齡杉木林土壤中解磷菌基于bray curtis多樣本聚類(lèi)樹(shù)

2.4 不同林齡杉木林土壤解磷菌含量特征

由圖6可知，土壤解磷菌在門(mén)分類(lèi)水平上，相對(duì)含量最高的類(lèi)群為變形菌門(mén)(Proteobacteria)，隨林齡增加，變形菌門(mén)、慢生根瘤菌屬(Bradyrhizobium)的含量整體呈下降趨勢(shì)，表現(xiàn)為4年>24年>15年>43年>100年； 屬分類(lèi)水平，優(yōu)勢(shì)類(lèi)群為慢生根瘤菌屬、Pseudolabrys、假單胞菌屬(Pseudomonas)、異常球菌屬(Deinococcus)、甲基桿菌屬(Methylobacterium)、Ramlibacter。慢生根瘤菌屬整體呈下降趨勢(shì)，100年相對(duì)含量最低，4年相對(duì)含量最高； 種分類(lèi)水平上，慢生根瘤菌屬的erythrophlei相對(duì)含量隨林齡變化明顯，24年和43年之間降低顯著；Pseudolabrys_taiwanensis在43年處顯著升高。隨林齡增加，異常球菌屬、Ramlibacter、極地單胞菌屬(Polaromonas)變化趨勢(shì)相同，均在15年林齡有最大值，4年林齡有最小值。阿菲波菌屬(Afipia)變化趨勢(shì)為4年>24年>43年>15年>100年； 放線(xiàn)菌門(mén)(Actinobacteria)變化趨勢(shì)為43年>100年>15年>4年>24年； 厚壁菌門(mén)(Firmicutes)相對(duì)含量在100年林齡最高(0.45%)； 假單胞菌屬相對(duì)含量為4年>15年>24年>100年>43年； 甲基桿菌屬43年林齡明顯升高到1.75%。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)100年林齡厚壁菌門(mén)的相對(duì)含量顯著升高(0.45%)，藍(lán)細(xì)菌門(mén)(Cyanobacteria)和Gloeobacter在43年林齡含量明顯高于其他林齡(1.08%)，馬賽菌屬(Massilia)相對(duì)含量變化表現(xiàn)為 43年>15年>100年>24年>4年，在43年林齡最高，相對(duì)含量達(dá)到1.14%。

圖6 不同分類(lèi)水平上土壤解磷菌相對(duì)豐度

LefSe分析圖由內(nèi)至外輻射的圓圈代表了由門(mén)至屬(或種)的分類(lèi)級(jí)別。不同顏色節(jié)點(diǎn)分別代表在該組別中起重要作用的微生物類(lèi)群，無(wú)顯著差異的物種統(tǒng)一著色為黃色，差異物種跟隨組進(jìn)行著色。如圖7所示，100年所對(duì)應(yīng)的放線(xiàn)菌門(mén)、丙型變形菌綱(Gammaproteobacteria)、β-變形菌綱(Betaproteobacteria)、伯克霍爾德氏菌目(Burkholderiales)、叢毛單胞菌科(Comamonadaceae)呈紅色，說(shuō)明其在100年林齡杉木林中的相對(duì)豐度顯著高于其他組； 同理，α-變形菌綱(Alphaproteobacteria)在4年杉木林中的相對(duì)豐度顯著高于其他組； 藍(lán)細(xì)菌門(mén)中的Gloeobacteraceae在43年林齡杉木林中相對(duì)豐度顯著高于其他組。

2.5 不同形態(tài)磷素含量與解磷菌豐度的冗余分析

將土壤樣品中的TIP、TOP、活性磷、中等活性磷和穩(wěn)定態(tài)磷的含量與解磷菌的Alpha多樣性指數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析(表2)，可知解磷菌豐富度與多樣性指數(shù)與活性磷含量呈正相關(guān)，Chao1和Observed_species指數(shù)(豐富度)與穩(wěn)定態(tài)磷含量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。

對(duì)土壤的不同磷素形態(tài)和解磷菌相對(duì)豐度進(jìn)行冗余分析。圖8a、8b、8c分別表示不同磷素形態(tài)與解磷菌門(mén)、屬和種水平上優(yōu)勢(shì)群落的相關(guān)性大小。二者之間的相關(guān)性與夾角的余弦值有關(guān)，夾角越接近0°，表示二者呈顯著正相關(guān)； 夾角越接近180°，代表二者呈顯著負(fù)相關(guān)。土壤NaHCO3-IP與厚壁菌門(mén)相對(duì)含量呈顯著正相關(guān)，H2O-IP與變形菌門(mén)相對(duì)含量呈顯著負(fù)相關(guān)； NaOH-IP與放線(xiàn)菌門(mén)、芽單胞菌門(mén)(Gemmatimonadetes)呈顯著負(fù)相關(guān)； HCl-OP與酸桿菌門(mén)(Acidobacteria)呈顯著負(fù)相關(guān)(圖8a)。 H2O-OP、NaHCO3-IP與慢生根瘤菌屬呈顯著負(fù)相關(guān)(圖8b)； NaHCO3-OP與阿菲波菌屬、紅游動(dòng)菌屬(Rhodoplanes)呈顯著負(fù)相關(guān)。Bradyrhizobiumsp.SK17與Residual-P呈顯著正相關(guān)，與H2O-OP呈顯著負(fù)相關(guān)(圖8c)。

3 討論

3.1 不同林齡杉木林土壤磷素形態(tài)變化

Hedley磷素分級(jí)研究，為分析杉木人工林土壤中磷素供應(yīng)及其生物有效性提供了一定參考。在本研究中，H2O-IP和NaHCO3-P含量逐年上升。H2O-P主要指與鉀、鈉結(jié)合的正磷酸鹽(主要是HPO42-)，可被植物直接吸收利用。NaHCO3-P包括吸附在土壤表面的無(wú)機(jī)磷和易于礦化的有機(jī)磷(孫桂芳等， 2011)。上述2種形態(tài)的磷素被認(rèn)為是作物吸收的最有效磷源(春雪等， 2020)。據(jù)此分析可知，隨著林齡增加，可供杉木生長(zhǎng)的有效磷素水平不斷提高。陳陽(yáng)(2014)在對(duì)閩西北杉木人工林土壤理化性質(zhì)的研究中發(fā)現(xiàn)，杉木純林在0～20 cm土層中有效磷含量隨林齡增加整體呈上升趨勢(shì)。本研究發(fā)現(xiàn)NaOH-P含量隨林齡變化波動(dòng)明顯，表現(xiàn)為24年>100年>43年>4年>15年。與王留芳等(2019)的研究相似，在湘中地區(qū)的植被恢復(fù)過(guò)程中土壤NaHCO3-P、NaOH-P快速累積。NaOH-P是土壤潛在磷源(Zhangetal.， 2018)，主要指通過(guò)化學(xué)吸附緊密結(jié)合在土壤鐵鋁化合物表面的有機(jī)磷和無(wú)機(jī)磷(余定坤， 2013)，難以被植物直接吸收利用。土壤中的正磷酸鹽陰離子(主要是H2PO4-)和高比表面積的鐵鋁氧化物之間強(qiáng)烈的吸附與解吸，對(duì)紅壤中的磷素水平起著重要調(diào)控作用(Taghipouretal.， 2013)。Andrea等(2011)研究表明，鐵、鋁可保護(hù)部分磷酸單酯免受土壤微生物降解。杉木林土壤中游離態(tài)鐵鋁氧化物含量最高，游離態(tài)鐵鋁氧化物與黏土礦物結(jié)合，提高了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性(趙友朋等， 2018)。與此同時(shí)，隨著植被恢復(fù)年限增加，土壤非晶型、游離態(tài)和絡(luò)合態(tài)鐵鋁氧化物含量逐漸增高(吳敏敏等， 2020)，土壤潛在的供磷能力也將隨之變化。據(jù)此分析，杉木人工林近熟林和過(guò)熟林土壤的潛在供磷能力高于幼齡林和中齡林，這可能是游離態(tài)鐵鋁氧化物含量隨林齡增加逐漸升高，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性增強(qiáng)所致。

本研究結(jié)果顯示，隨林齡增加，杉木林土壤中有機(jī)磷總量表現(xiàn)為100年>24年>43年>15年>4年。這一結(jié)論與曹娟等(2014)對(duì)湖南會(huì)同8、18、26年杉木人工林土壤中總有機(jī)磷含量比3年幼林含量高的研究結(jié)果相似。杉木近熟林的生物量最高，凋落物隨成熟林林齡增加分解速率逐漸加快(郭琦等， 2014)，在土壤表層有機(jī)質(zhì)含量增加，促進(jìn)了磷元素循環(huán)，成為有機(jī)磷的主要來(lái)源。本研究表明，杉木幼齡林、中齡林、近熟林中土壤磷素活性表現(xiàn)為穩(wěn)定態(tài)磷>中等活性磷>活性磷，過(guò)熟林磷素活性表現(xiàn)為穩(wěn)定態(tài)磷>活性磷>中等活性磷。這與林開(kāi)淼等(2020)的研究結(jié)果相近，36年杉木林0～20 cm土壤中不同形態(tài)磷素含量表現(xiàn)為閉蓄態(tài)磷>中活性磷>易活性磷。在本研究中，穩(wěn)定態(tài)磷包含HCl-P和Residual-P，此部分磷素在土壤中穩(wěn)定存在，即閉蓄態(tài)磷。閉蓄態(tài)磷是土壤中由水化氧化鐵膠膜包被的磷酸鹽，其含量與土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、微生物等有關(guān)(孫桂芳等， 2011)。植物根系和部分土壤微生物通過(guò)產(chǎn)生有機(jī)酸和相關(guān)酶，提高土壤中難溶性含磷化合物的利用率(Tanetal.， 2013)。此外，部分土壤微生物也可以通過(guò)形成菌絲，縮短磷擴(kuò)散距離和增加吸收表面積，提高磷素吸收量(Shenoyetal.， 2005)。穩(wěn)定態(tài)磷含量與解磷菌豐富度呈顯著負(fù)相關(guān)(表2)。因此土壤中穩(wěn)定態(tài)磷的酸解與礦化，可能是導(dǎo)致土壤磷素活性變化的重要原因。

圖7 土壤解磷菌群落LefSe分析

表2 磷素形態(tài)與解磷菌Alpha多樣性指數(shù)的相關(guān)性分析①

圖8 不同磷素形態(tài)與土壤解磷菌相對(duì)豐度相關(guān)分析

3.2 不同林齡杉木林解磷菌群落結(jié)構(gòu)與多樣性變化

本研究結(jié)果表明，變形菌門(mén)作為門(mén)分類(lèi)水平上的優(yōu)勢(shì)類(lèi)群，隨林齡增加其相對(duì)豐度整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為4年>24年>15年>43年>100年； 放線(xiàn)菌門(mén)相對(duì)豐度變化為43年>100年>15年>4年>24年； LefSe分析結(jié)果顯示，4年林齡杉木林中甲型變形菌綱的相對(duì)豐度顯著高于其他組； 100年林齡杉木林中丙型變形菌綱相對(duì)豐度顯著高于其他組。土壤銨態(tài)氮含量直接影響變形菌門(mén)的相對(duì)豐度，銨態(tài)氮含量越高，變形菌門(mén)相對(duì)豐度越大(李聰杰等， 2016)。根據(jù)本研究組之前對(duì)杉木林下土壤理化性質(zhì)的分析，土壤銨態(tài)氮含量隨林齡增長(zhǎng)依次為11.05、11.00、9.66、8.64、8.39 mg·kg-1(曹升等， 2021)，銨態(tài)氮含量變化與土壤變形菌門(mén)相對(duì)豐度變化一致。土壤總有機(jī)磷含量隨林齡增加總體上逐漸升高(圖1)。由于有機(jī)磷需經(jīng)微生物礦化為無(wú)機(jī)磷才能被植物吸收，因此推測(cè)變形菌門(mén)中的某些類(lèi)群在磷限制條件下對(duì)有機(jī)磷的礦化作用可能是林木對(duì)貧磷條件的一種適應(yīng)機(jī)制。放線(xiàn)菌為K對(duì)策者，在資源有限的條件下，選擇可維持長(zhǎng)期生存狀態(tài)的繁殖策略(Andreaetal.， 2011)。甲型變形菌綱和丙型變形菌綱的是典型的r對(duì)策者，可在特殊環(huán)境下生存，一旦環(huán)境好轉(zhuǎn)，繁殖速率會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速提升(Fuchsetal.， 2000)。林媚媚(2009)對(duì)福建南靖和溪南南亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林演替過(guò)程的研究發(fā)現(xiàn)，斑塊內(nèi)演替前期物種數(shù)目變化劇烈，經(jīng)歷急劇增長(zhǎng)后，物種豐富度趨于平緩，各生長(zhǎng)型和生活型組成比例趨于穩(wěn)定，從演替初期逐漸向頂級(jí)斑塊發(fā)展。區(qū)別于自然演替，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)群落演替的影響不容忽視。在本研究區(qū)域，除幼齡期施加必要的撫育措施外，其他階段人類(lèi)活動(dòng)對(duì)杉木林的影響較小。杉木林在不同生長(zhǎng)階段與生態(tài)學(xué)上的次生演替過(guò)程有一定程度相似。初期環(huán)境條件的變化對(duì)杉木生長(zhǎng)影響較大，4年杉木林的林下植被較少，土壤微生物對(duì)資源、空間競(jìng)爭(zhēng)等不激烈，適合甲型變形菌綱菌群生長(zhǎng)； 隨著林冠逐漸郁閉，林下植被正常生長(zhǎng)受限，繼而影響到微生物的生長(zhǎng)繁殖。成熟林生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)機(jī)制使得林冠郁閉度下降，微生物豐度得到一定程度的恢復(fù)。在這個(gè)過(guò)程中，微生物種群也會(huì)根據(jù)環(huán)境條件的變化及時(shí)做出反饋調(diào)節(jié)。

杉木林土壤中解磷菌豐富度隨林齡變化呈現(xiàn)出43年>100年>24年>15年>4年，Shannon指數(shù)變化與之類(lèi)似，但15年杉木林土壤中解磷菌的多樣性要高于24年。解磷微生物通過(guò)酶解和酸解作用，增加了土壤中有效磷形態(tài)含量，促進(jìn)磷形態(tài)轉(zhuǎn)化(春雪等， 2020)。如Wei等(2019)研究表明，土壤中解磷菌豐度和無(wú)機(jī)磷濃度呈正相關(guān)，與本文結(jié)果相印證。王蕊等(2020)研究發(fā)現(xiàn)，編碼堿性磷酸酶細(xì)菌群落的Shannon指數(shù)與pH值呈極顯著正相關(guān)，說(shuō)明解磷菌群落的結(jié)構(gòu)與功能受到土壤理化性質(zhì)的影響。

整體來(lái)看，隨杉木林齡增加，土壤中酸桿菌門(mén)含量逐漸降低，并且在100年林齡杉木林中相對(duì)含量近乎為0。一般認(rèn)為，酸桿菌門(mén)的豐度與土壤pH值呈顯著負(fù)相關(guān)(Jonesetal.， 2009)，且較多在貧營(yíng)養(yǎng)型環(huán)境中生存較好。然而Tersia等(2020)研究顯示，部分酸桿菌在pH值和有機(jī)質(zhì)含量較高的環(huán)境中相對(duì)豐度增加。據(jù)本研究組之前對(duì)杉木林土壤理化性質(zhì)的分析，土壤pH值隨林齡增加波動(dòng)明顯，依次呈現(xiàn)出4.50、4.67、4.42、5.12和4.6(曹升等， 2021)，酸桿菌門(mén)相對(duì)豐度隨林齡變化趨勢(shì)與土壤pH值變化大致呈負(fù)相關(guān)。據(jù)此分析，生存環(huán)境改變(pH值等)可能是引起酸桿菌門(mén)相對(duì)豐度變化的主要原因，但也有可能是不同菌類(lèi)之間由于空間、資源等的競(jìng)爭(zhēng)所致。在杉木生長(zhǎng)過(guò)程中，稀有菌類(lèi)(如Afipia、Massilia等)相對(duì)含量變化趨勢(shì)明顯，可能比優(yōu)勢(shì)菌類(lèi)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性更好，從而在不同形態(tài)磷素轉(zhuǎn)化過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用(Weietal.， 2019)。

3.3 磷素形態(tài)變化與解磷菌的關(guān)系

杉木人工林土壤中磷素形態(tài)的轉(zhuǎn)化與解磷菌有密切聯(lián)系。根據(jù)不同林齡杉木林土壤解磷菌群落LefSe分析結(jié)果，可以看到100年林齡杉木林中伯克霍爾德氏菌目、叢毛單胞菌科相對(duì)豐度高于其他組。100年杉木林土壤中活性磷和中等活性磷的含量均處于較高水平，說(shuō)明伯克霍爾德氏菌目的細(xì)菌的存在有助于土壤中磷素的釋放，這一研究結(jié)果與駱韻涵等(2020)對(duì)羅源灣紅樹(shù)林根際土壤中解磷菌的研究結(jié)果相近，土壤pH值在一定程度上與解磷量呈負(fù)相關(guān)。伯克霍爾德菌屬通過(guò)產(chǎn)生有機(jī)酸，特別是葡萄糖酸，使得磷酸鹽被溶解。喬木層元素的累積量影響凋落物中元素含量。在杉木生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，對(duì)P的需求量較N、K低，且隨林齡增加，喬木層的P元素積累量逐漸升高(周玉泉等， 2019)。從幼齡林到中齡林，杉木林冠逐漸郁閉，土壤細(xì)菌、真菌數(shù)量減少，酶活性逐漸降低； 從中齡林到成熟林，林分密度及郁閉度下降，林下植被逐漸恢復(fù)，土壤細(xì)菌總數(shù)、磷酸酶等含量上升明顯(焦如珍等， 1997)。杉木林下植被和凋落物的存在對(duì)土壤養(yǎng)分和微生物活性的維持具有重要意義。凋落物分解產(chǎn)生的有機(jī)酸(主要是草酸)，使土壤pH值隨林齡增加逐漸降低(鄒顯花等， 2017)。叢毛單胞菌屬?lài)?yán)格好氧，屬化能有機(jī)營(yíng)養(yǎng)型，對(duì)有機(jī)酸有良好的礦化作用，在中性或弱酸性環(huán)境下的降解能力較好(王巧蕊等， 2018)。這兩類(lèi)解磷菌可從一定程度上反映杉木林土壤磷素的轉(zhuǎn)化機(jī)制和土壤的供磷能力。

4 結(jié)論

隨杉木林林齡增加，H2O-IP和NaHCO3-P含量逐漸上升，NaOH-P含量波動(dòng)明顯，表明土壤活性磷含量不斷提高，近熟林和過(guò)熟林土壤的潛在供磷能力高于幼齡林和中齡林； 總體來(lái)看，隨杉木林林齡增加，解磷菌豐富度增大，從而對(duì)穩(wěn)定態(tài)磷的礦化作用增強(qiáng)，導(dǎo)致穩(wěn)定態(tài)磷向活性磷轉(zhuǎn)化，因此土壤磷素有效性水平逐漸提高； 解磷菌豐富度經(jīng)歷急劇增長(zhǎng)后，在43年時(shí)的物種豐富度和特有OTU數(shù)目均達(dá)到最大； 放線(xiàn)菌門(mén)相對(duì)含量與NaOH-IP呈顯著負(fù)相關(guān)，表現(xiàn)為43年>100年>15年>4年>24年； 酸桿菌門(mén)相對(duì)豐度與NaOH-OP含量呈顯著負(fù)相關(guān)。