萌芽更新對(duì)桉樹根際土壤微生物群落功能多樣性的影響

宋賢沖，楊中寧，曹繼釗，張照遠(yuǎn)，項(xiàng)東云＊

(1. 廣西林業(yè)科學(xué)研究院 國(guó)家林業(yè)局中南速生材繁育實(shí)驗(yàn)室 廣西優(yōu)良用材林資源培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530002；2. 廣西國(guó)有七坡林場(chǎng)，廣西 南寧 530225)

近年來世界范圍內(nèi)對(duì)木材需求大幅增加，森林已成為各國(guó)重要的戰(zhàn)略資源，我國(guó)作為木材需求大國(guó)，對(duì)森林資源的依賴更為顯著。桉樹(Eucalyptus)由于具有速生豐產(chǎn)的優(yōu)良特性，已成為我國(guó)速生豐產(chǎn)人工林的主要造林樹種。截至2013年8月，廣西全區(qū)桉樹人工林面積已達(dá)到202.7萬hm2，居全國(guó)桉樹人工林種植面積首位[1]。如此大規(guī)模地種植桉樹人工林，會(huì)對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生何種影響，也一直是困擾人工林生態(tài)系統(tǒng)研究者的一大問題。

根系是植物吸收水分和養(yǎng)分的器官，而根際又為土壤與植物生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)交換的活躍界面，也是微生物發(fā)育的一個(gè)特殊生境，對(duì)外界環(huán)境極為敏感[2-4]。展小云等[5]利用 Biolog技術(shù)對(duì)小葉錦雞兒根際土壤微生物群落功能多樣性特征，及其對(duì)大氣CO2濃度、土壤氮水平和土壤水分等環(huán)境因子變化的響應(yīng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)根際土壤微生物群落的功能在很大程度上受到外界環(huán)境因子的影響。近些年，隨著人們對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的重視，關(guān)于林木根際土壤微生物的研究日趨增多[6-8]，但關(guān)于桉樹根際土壤微生物的研究仍以少量分離培養(yǎng)的方法為主[9-11]。植物根際環(huán)境隨著土壤類型、植物類型和生育階段會(huì)發(fā)生很大的時(shí)空變異。楊遠(yuǎn)彪[10]利用稀釋涂布平板法對(duì)連栽桉樹根際微生物進(jìn)行分析，結(jié)果表明二代林(一代萌芽更新林)土壤微生物數(shù)量最多，三代林(二代萌芽更新林)次之，一代林(新造林)最少。陳禮清等[12]對(duì)1 ～ 10年生巨桉(E. grandis)人工林土壤微生物數(shù)量進(jìn)行研究，結(jié)果表明各微生物類群呈現(xiàn)1 ～ 4 a降低，而后顯著增加。

本研究采取空間換時(shí)間的方法，選取廣西不同萌芽更新代數(shù)的桉樹人工林，通過對(duì)根際土壤微生物對(duì)Biolog Eco板碳源利用情況的測(cè)定分析，從不同碳源利用能力的大小來研究萌芽更新對(duì)桉樹人工林根際土壤微生物功能多樣性的影響。研究結(jié)果為揭示桉樹不同萌芽更新代數(shù)下土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及其功能奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)概況

采樣點(diǎn)位于廣西國(guó)有七坡林場(chǎng)七坡分場(chǎng)，地理位置為 22°32′ N，107°86′ E，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，陽光充足，雨量充沛；地貌屬于低丘地形，土壤類型為砂頁巖發(fā)育形成的赤紅壤，成土母巖為砂頁巖。采樣點(diǎn)林分均為2年生，分別為新造林、一代萌芽更新林和二代萌芽更新林。

1.2 土樣的采集

2013年8—10月，分批次在上述采樣點(diǎn)采集土壤樣品。土壤采集方法參照林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LY/T 1852—2011，樣品采集采取“之”字形 5點(diǎn)取樣法，采集桉樹根際土，每個(gè)點(diǎn)取樣量大體一致，5個(gè)點(diǎn)的土樣混成一個(gè)混合樣。在樹木周圍多點(diǎn)挖取0 ～ 20 cm土層內(nèi)的根系，先抖落根系上大塊不含根系的土壤，然后取近根系表面的細(xì)粒土壤，裝入塑料袋內(nèi)混勻，作為根際土壤。

1.3 研究方法

微生物群落多樣性測(cè)定應(yīng)用Biolog方法，測(cè)定時(shí)間為2013年11月。10 g新鮮土壤加入100 mL無菌的0.145 mol·L-1NaCl溶液在搖床上振蕩15 min，然后將土壤樣品稀釋至10-3，再?gòu)脑搼腋∫褐腥?50 μL接種到生態(tài)板的每一個(gè)孔中，最后將接種好的板置于28℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，每隔24 h在Biolog讀數(shù)儀進(jìn)行讀數(shù)，培養(yǎng)時(shí)間共為144 h。

每孔的平均顏色變化率(Average well colour development, AWCD)計(jì)算方法如下[13]：

式中，C為每個(gè)有培養(yǎng)基孔的光密度值，R為對(duì)照孔的光密度值，n為培養(yǎng)基種類，Eco板n值為 31，C-R≤0的孔在計(jì)算中記為 0[14]。豐富度指數(shù)指被利用碳源的總數(shù)目，微孔的光密度值≥0.2，則認(rèn)為是陽性值并計(jì)入微生物群落的豐富度S[15]；多樣性指數(shù)采用Shannon-Weinner指數(shù)(H＇)[16]：

式中，Pi為有培養(yǎng)基的孔與對(duì)照孔的光密度值差與整板總差的比值，即：

采取固定 AWCD值進(jìn)行微生物代謝多樣性類型分析，可以消除接種密度帶來的差異[17]。因此，本研究采用培養(yǎng) 96 h的光密度值來進(jìn)行主成分分析、單種培養(yǎng)基與主成分得分系數(shù)的相關(guān)分析、豐富度和多樣性指數(shù)的分析。統(tǒng)計(jì)分析采用Excel和SPSS 17.0進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤微生物碳源平均顏色變化率(AWCD法)

Biolog Eco平板每個(gè)孔中的顏色變化率在一定程度上反映該碳源被微生物利用的情況，整個(gè)平板的 AWCD是反映微生物群落利用某一碳源能力的重要指標(biāo)[16]。由圖1可知，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，各樣點(diǎn)土壤微生物利用碳源的能力呈上升趨勢(shì)。各樣點(diǎn)土壤微生物碳源 AWCD排序?yàn)橐淮妊苛郑径妊苛郑拘略炝帧?/p>

圖1 不同萌芽更新代數(shù)桉樹根際土壤平均顏色變化率

2.2 碳源利用類型的主成分分析

不同萌芽更新代數(shù)桉樹根際土壤微生物群落代謝多樣性類型存在顯著差異。主成分分析結(jié)果表明，一代、二代萌芽林和新造林根際土壤中微生物群落具有明顯的分異(圖2)，在主成分1(PC 1)方向有較大的分異(位于坐標(biāo)軸右側(cè))，而一代萌芽林和二代萌芽林之間分異不明顯。新造林根際土壤微生物群落數(shù)據(jù)點(diǎn)較為集中，數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好。

通過對(duì)根際土壤中與主成分1相關(guān)顯著的碳源進(jìn)行分析，結(jié)果表明對(duì)根際土主成分1起分異作用的主要碳源分別為羧酸類物質(zhì)(4-羥基苯甲酸、α-酮丁酸、丙酮酸甲酯和衣康酸)、多聚物類(吐溫40和α-環(huán)糊精)、氨基酸類(L-苯丙氨酸、L-天門冬酰胺、L-蘇氨酸和L-絲氨酸)。

圖2 不同萌芽代數(shù)桉樹根際土壤微生物碳源利用類型的主成分分析

2.3 被利用碳源的豐富度和多樣性指數(shù)

被利用碳源的豐富度和多樣性指數(shù)，表示在平均顏色變化率一致的情況下土壤微生物群落利用碳源類型的多少，即功能多樣性[17]。不同萌芽代數(shù)根際土壤中被利用碳源的豐富度和多樣性指數(shù)之間的差異不顯著(表1)。

表1 根際土被利用碳源的豐富度和多樣性指數(shù)

3 討論

土壤微生物在生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量傳遞過程中起著重要的作用，可作為衡量土壤健康程度的指標(biāo)[18]。植物在生長(zhǎng)過程中，根系不斷延伸和凋亡，同時(shí)還分泌一些化合物，這些都為根際微生物的生長(zhǎng)繁殖提供了天然的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。本研究桉樹根際土壤微生物利用碳源的總量，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)呈逐漸增加的趨勢(shì)，這與其他研究[5,16]結(jié)果一致。

植物根際環(huán)境隨著土壤類型、植物類型和生育階段會(huì)發(fā)生很大的時(shí)空變異。本研究結(jié)果與楊遠(yuǎn)彪[10]利用稀釋涂布平板法對(duì)連栽桉樹根際微生物的分析結(jié)果一致。造成上述差異的原因可能是萌芽林根系較新造林發(fā)達(dá)，微生物已經(jīng)適應(yīng)了根際微環(huán)境。

土壤微生物碳源利用類型的主成分分析可揭示不同樣點(diǎn)利用碳源能力的分異程度。主成分分析結(jié)果表明，一代、二代萌芽林和新造林根際土壤中微生物群落在主成分1方向具有明顯的分異，而一代萌芽林和二代萌芽林之間分異不明顯，各樣點(diǎn)在主成分2方向的分異不明顯。由于各樣點(diǎn)在主成分2方向分異不明顯，故后續(xù)選取主成分1來比較相關(guān)顯著的碳源。

不同萌芽代數(shù)桉樹根際環(huán)境存在差異，其土壤微生物群落利用碳源類型也不同。張海涵等[19]研究了不同生態(tài)條件下油松(Pinus tabulaeformis)菌根根際土壤微生物群落特征，發(fā)現(xiàn)對(duì)安塞油松和商南油松菌根根際土壤微生物群落起分異作用的主要碳源分別為糖類、羧酸類和氨基酸；展小云等[5]對(duì)CO2濃度、氮素和水分處理下小葉錦雞兒根際土壤微生物碳源利用情況進(jìn)行主成分分析，結(jié)果表明與主成分相關(guān)顯著的碳源類型主要是聚合物、糖類、氨基酸及少量的羧酸。本研究結(jié)果表明對(duì)根際土主成分1起分異作用的主要碳源中的4-羥基苯甲酸和氨基酸類是作物根系分泌物的主要成分[20]。由此推斷桉樹根際土壤微生物可能具有降解酚酸和自身代謝產(chǎn)物，避免自毒作用的能力；同時(shí)，氨基酸是土壤有機(jī)氮的重要組成部分，微生物在生長(zhǎng)代謝過程中可利用氨基酸作為其氮源合成植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑促進(jìn)植物的生長(zhǎng)[21]。綜上，不同萌芽代數(shù)桉樹根際土壤微生物群落利用碳源能力的差異與其利用根系分泌物和氨基酸等物質(zhì)的差異有關(guān)。

被利用碳源的豐富度和多樣性指數(shù)反映土壤微生物群落的組成結(jié)構(gòu)和多樣性。本研究結(jié)果表明不同萌芽代數(shù)根際土壤中被利用碳源的豐富度和多樣性指數(shù)之間的差異不顯著，這可能是因?yàn)椴煌妊看鷶?shù)間根際土壤微生物活力不同，但其微生物種類之間沒有太大的差異。

致謝：感謝廣西吳圩森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究站、廣西國(guó)有七坡林場(chǎng)提供林地支持；感謝廣西大學(xué)生命科技學(xué)院馮家勛教授課題組在Biolog分析給予的指導(dǎo)和幫助！

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