廣西桉樹人工林根際土壤微生物群落功能多樣性

宋賢沖 ，項東云 ，楊中寧 ，張照遠(yuǎn) ，曹繼釗

（1.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，廣西 南寧 530002；2.廣西南寧桉樹林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站，廣西南寧 530225；3.廣西國有七坡林場，廣西 南寧 530225）

廣西桉樹人工林根際土壤微生物群落功能多樣性

宋賢沖1，2，項東云1，2，楊中寧3，張照遠(yuǎn)1，2，曹繼釗1，2

（1.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，廣西 南寧 530002；2.廣西南寧桉樹林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站，廣西南寧 530225；3.廣西國有七坡林場，廣西 南寧 530225）

為了揭示廣西主要桉樹人工林種植區(qū)桉樹根際土壤微生物群落的功能多樣性差異，借助BIOLOG檢測法，比較了廣西5個地區(qū)的桉樹根際土壤微生物的群落特征。結(jié)果表明：各樣點土壤微生物碳源平均顏色變化率排序為梧州樣點(WZ)＞田林樣點(TL)＞吳圩樣點(WX)＞鹿寨樣點(LZ)＞寧明樣點(NM)；5個地區(qū)的根際土壤中微生物群落碳源利用類型和微生物代謝多樣性指數(shù)(豐富度和多樣性)具有明顯的分異，對根際土主成分1起分異作用的碳源為糖類及其衍生物、氨基酸類和羧酸類物質(zhì)；5個地區(qū)的桉樹根際土壤微生物群落功能性之間的差異顯著，梧州樣點土壤微生物活性和功能多樣性最高。

桉樹人工林；根際土壤；碳源；土壤微生物群落

作為我國三大速生樹種之一，桉樹已成為廣西速生豐產(chǎn)人工林的主要造林樹種，成片的桉樹林已經(jīng)成為廣西的獨(dú)特景觀與優(yōu)勢[1]。在桉樹人工林帶來顯著經(jīng)濟(jì)效益的同時，其土壤“退化”問題也越來越引起人們的關(guān)注。土壤微生物是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成，其影響土壤生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)和能量流動[2]。土壤微生物已經(jīng)作為衡量土壤質(zhì)量、肥力以及健康程度的重要指標(biāo)[3]。許多學(xué)者對桉樹人工林的土壤微生物開展了研究，目前主要集中在不同經(jīng)營方式[4-6]和立地條件[7]下土壤微生物的變化，對于桉樹根際土壤微生物群落的相關(guān)研究較少。

根際是土壤與植物生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)交換的活躍界面，也是微生物發(fā)育的一個特殊生境，其對外界環(huán)境極為敏感[2,8]。根際環(huán)境條件的改變，可以引起根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的改變。吳凡等[9]對不同肥力條件下的桑樹根際微生物種群進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)土壤肥力對根際細(xì)菌的種類和數(shù)量都有影響，肥沃土壤根際細(xì)菌和促生細(xì)菌的數(shù)量、種類均高于貧瘠土壤。展小云等[10]研究了小葉錦雞兒根際土壤微生物群落功能多樣性特征及其對大氣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)，發(fā)現(xiàn)其利用比例較高的碳源為聚合物、糖類和氨基酸且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。聶艷麗等[11]發(fā)現(xiàn)育苗基質(zhì)不同，團(tuán)花根際土壤微生物群落功能多樣性也存在顯著差異。秦韻婷等[12]研究結(jié)果表明，施用PGPR菌能夠改變灰棗根際土壤養(yǎng)分和提高微生物總量。近些年，隨著人們對森林生態(tài)系統(tǒng)重要性認(rèn)識的加強(qiáng)，關(guān)于林地土壤微生物的研究日趨增多[13-14]，但關(guān)于桉樹根際土壤微生物的研究較多仍使用純培養(yǎng)的方法[15-16]。

本研究選取廣西主要的桉樹人工林種植區(qū)，通過對不同區(qū)域的桉樹人工林根際土壤微生物對Biolog Eco板碳源利用情況的測定分析，從不同碳源利用能力的大小來研究桉樹人工林根際土壤微生物功能多樣性。研究結(jié)果為揭示不同桉樹種植區(qū)域根際土壤微生物群落特征的差異提供依據(jù)，而且為揭示桉樹人工林生態(tài)系統(tǒng)“土壤—植物—微生物”三者之間的關(guān)系奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 采樣點概況

采樣點分別位于廣西的東部（梧州，WZ）、西部（田林，TL）、南部（寧明，NN）、北部（鹿寨，LZ）和中部（吳圩，WX）的主要桉樹人工林種植區(qū)。梧州采樣點，25°11′N，110°58′E，屬典型的亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，陽光充足，雨水充沛，資源豐富；地貌特征主要為丘陵、中低山為主，土壤主要以磚紅壤或紅壤為主，土層深厚，疏松。田林采樣點，24°56′N，105°92′E，亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，溫度較高，熱量豐富，雨量適中，氣候溫暖；土壤為砂頁巖發(fā)育的磚紅性紅壤，土層厚度為80～140 cm。寧明采樣點，21°91′N，107°08′E，屬于北熱帶季風(fēng)區(qū)，光照充足，雨量充沛；成土母巖以砂巖、砂頁巖、紫色頁巖為主，土壤主要為赤紅土壤。鹿寨采樣點，24°44′N，109°52′E，亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，光照充足，雨量充沛；地貌以緩坡丘陵地貌為主，土壤為砂巖、砂頁巖發(fā)育的紅壤、山地黃紅壤。吳圩采樣點，22°32′N，107°86′E，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，陽光充足，雨量充沛；地貌上屬于低丘地形，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。采樣點林分均為桉樹2年生新造林。

1.2 土樣的采集

2013年8月—10月，分批次進(jìn)行土壤樣品采集工作。土壤采集方法參照林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LY/T 1852—2011，在林地的上、中、下坡分別采取“之”字形5點取樣法，采集桉樹根際土，每個點取樣量大體一致，5個點的土樣混成一個混合樣。每個樣點共采集混合土樣3個。根際土壤采樣方法參考宋賢沖等[5]的方法，在樹木周圍，多點挖取0～20 cm土層內(nèi)的根系，先抖落根系上的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。

1.3 研究方法

微生物群落多樣性測定應(yīng)用BIOLOG方法，測定時間為2013年11月。10 g新鮮土壤加入100 mL無菌的生理鹽水溶液，在搖床上振蕩15 min，然后將土壤樣品梯度稀釋至10-3，再從中取150 μL該懸浮液接種到Eco板的每一個孔中，最后將接種好的板置于28℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，培養(yǎng)周期為144 h，每隔24 h在BIOLOG讀數(shù)儀進(jìn)行讀數(shù)。

每孔的平均顏色變化率(Average well color development,r)計算方法[17]如下：

式中：C為每個有培養(yǎng)基孔的光密度值；R為對照孔的光密度值；n為培養(yǎng)基種類，Eco板n值為31，C-R≤0的孔在計算中記為0[18]。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)為是陽性值并計入微生物群落的豐富度S[19]。多樣性指數(shù)采用Shannon-Weinner指數(shù)(H′)[20]：

式中：Pi為有培養(yǎng)基的孔與對照孔的光密度值差與整板總差的比值，即：Pi= (C-R)/Σ(C-R)。

采取固定AWCD值的方法來消除接種密度帶來的差異[21]。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)計分析采用Excel和SPSS17.0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

Biolog Eco平板的平均顏色變化率（AWCD）是反映微生物群落利用某一碳源能力的重要指標(biāo)[20]。由圖1可知，隨著培養(yǎng)時間的延長，各樣點平均顏色變化率即土壤微生物利用碳源的能力呈上升趨勢，各樣點土壤微生物碳源平均顏色變化率排序為梧州樣點(WZ)＞田林樣點(TL)＞吳圩樣點(WX)＞鹿寨樣點(LZ)＞寧明樣點(NM)。

圖1 桉樹人工林根際土壤平均顏色變化率Fig. 1 Average well color development (AWCD) in rhizosphere soil of different eucalyptus plantations

2.2 碳源利用類型的主成分分析

5個地區(qū)桉樹人工林土壤微生物群落代謝多樣性類型的比較結(jié)果可以提供廣西不同桉樹種植區(qū)域土壤微生物群落的信息。主成分分析結(jié)果表明，5個地區(qū)的根際土壤中微生物群落具有明顯的分異，其中田林、梧州樣點與其它樣點在主成分1方向有較大的分異（位于坐標(biāo)軸右側(cè)），而梧州根際土的代謝多樣性類型具有較大的變異（分散的數(shù)據(jù)點）（見圖2）。各樣點在主成分2方向的分異不明顯，但寧明、鹿寨、田林、吳圩樣點較為集中，數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好。

通過對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)果表明對根際土主成分1起分異作用的主要碳源分別為糖類及衍生物、氨基酸類和羧酸類物質(zhì)。

圖2 桉樹人工林根際和非根際土壤微生物碳源利用類型的主成分分析Fig. 2 Principal component analysis of carbon utilization pro files from rhizosphere soil of different eucalyptus plantations

2.3 被利用碳源的豐富度和多樣性指數(shù)

被利用碳源豐富度指數(shù)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[21]。根際土壤中豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)均為梧州樣點最高，寧明樣點最低 （見表1）。豐富度和多樣性指數(shù)分析結(jié)果與平均顏色變化率和主成分分析結(jié)果一致。

表1 根際土和非根際土被利用碳源豐富度和多樣性指數(shù)?Table 1 Richness and diversity of utilized carbon sources for rhizosphere soil

3 討 論

土壤微生物在生態(tài)系統(tǒng)中起著重要的作用，可以作為衡量土壤健康程度的指標(biāo)[22]。植物在生長過程中，凋亡的根系以及其分泌的化合物，這些都為根際微生物的生長繁殖提供了天然的營養(yǎng)物質(zhì)。本研究中桉樹根際土壤微生物利用碳源的總量隨著培養(yǎng)時間的延長呈逐漸增加的趨勢，這與其它研究[5,23]一致。

根際微生物生物多樣性及數(shù)量受到植物種類、年齡、根際內(nèi)其它生物體和地上部分生物多樣性等因素的影響[24]。本研究結(jié)果表明，不同樣點根際土壤平均顏色變化率存在差異，各樣點土壤微生物碳源平均顏色變化率排序為梧州樣點（WZ）＞田林樣點（TL）＞吳圩樣點（WX）＞鹿寨樣點（LZ）＞寧明樣點（NM）。

土壤微生物碳源利用類型的主成分分析可以揭示不同樣點在主成分1和主成分2的分異程度。主成分分析結(jié)果表明，5個樣點的根際土壤中微生物群落具有明顯的分異，其中田林根際土、梧州樣點與其它樣點在主成分1方向有較大的分異（位于坐標(biāo)軸右側(cè)），梧州樣點根際土碳源利用多樣性類型具有較大的變異；各樣點在主成分2方向的分異不明顯。由于各樣點在主成分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。

不同樣點桉樹根際環(huán)境存在差異，其土壤微生物群落利用碳源類型也不同。宋賢沖等[5]對不同萌芽代數(shù)桉樹根際土壤微生物群落功能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)不同萌芽代數(shù)桉樹根際土壤微生物群落具有明顯的分異，對分異其主要作用的碳源類型分別為羧酸類、多聚物類和氨基酸類。張海涵等[25]研究了不同生態(tài)條件下油松菌根根際土壤微生物群落特征，發(fā)現(xiàn)對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。本研究結(jié)果表明，對根際土主成分1起分異作用的主要碳源分別為糖類及衍生物、氨基酸類和羧酸類物質(zhì)。衣康酸和2-羥基苯甲酸為本研究根際特有相關(guān)顯著羧酸。有研究表明，2-羥基苯甲酸等酚酸物質(zhì)是連作土壤中的植物根系分泌物[26]，主要來自作物殘體的分解[27]，其對杉木具有自毒作用[28]，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。糖類及衍生物是自然界較豐富且微生物較容易利用的碳源，而氨基酸是土壤有機(jī)氮的重要組成部分，不同樣點桉樹根際土壤微生物群落利用碳源能力的差異可能與該樣點土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力有關(guān)。

被利用碳源的豐富度和多樣性反映土壤微生物群落的組成結(jié)構(gòu)和多樣性。根際土壤中豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)均為梧州樣點最高，寧明樣點最低。豐富度和多樣性指數(shù)分析結(jié)果與平均顏色變化率和主成分分析結(jié)果一致。梧州樣點根際土壤碳源利用類型的豐富度和多樣性均最高，表明該樣點土壤微生物活性和功能多樣性最高。

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Microbial functional diversity of rhizosphere soil ofEucalyptusplantation in Guangxi

SONG Xianchong1,2, XIANG Dongyun1,2, YANG Zhongning3, ZHANG Zhaoyuan1,2, CAO Jizhao1,2
(1.Guangxi Zhuang Autonomous Region Forestry Research Institute, Nanning 530002, Guangxi, China; 2.Nanning Eucalyptus Forest Ecosystem Observation and Research Station of Guangxi, Nanning 530225, Guangxi, China; 3. Guangxi Qipo Stateowned Forest Farm, Nanning 530225, Guangxi, China)

In order to reveal the functional diversity of microbial community of rhizosphere soil in the mainEucalyptusplantations,five different regions of Guangxi were measured by Biolog assays. The results showed that the rank of average well color development in five sampling site was Wuzhou＞Tianlin＞W(wǎng)uxu＞Luzhai＞Ningming. Carbon source utilization types of rhizosphere soil and the richness and diversity indexes have signi ficant differentiation in five sampling sites. The carbon sources which produced the differentiation of rhizosphere soil were carbohydrates and its derivates, amino acids and carboxylic acids. The functional diversity of microbial community of rhizosphere soil in five sampling sites was signi ficant difference, soil microbial activities and functional diversities in Wuzhou was the highest.

Eucalyptusplantation; rhizosphere soil; carbon source; soil microbial community

S792.39；S718.8

A

1673-923X(2017)01-0058-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.01.011

2015-10-13

國家林業(yè)局公益性行業(yè)科研專項項目（201204101-11）；廣西林業(yè)科技項目（桂林科字[2014]15號）

宋賢沖，博士生，工程師 通訊作者：曹繼釗，教授級高工；E-mail： jizhaocao@163.com

宋賢沖，項東云，楊中寧，等. 廣西桉樹人工林根際土壤微生物群落功能多樣性[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2017, 37(1):58-61.

致謝：感謝廣西國有七坡林場、廣西國有黃冕林場、廣西國有派陽山林場、廣西樂里林場、廣西蒼梧林場提供林地支持；感謝廣西大學(xué)生命科技學(xué)院馮家勛教授課題組在BIOLOG分析上給予的指導(dǎo)和幫助！

[本文編校：謝榮秀]