經(jīng)營(yíng)模式對(duì)杉木林土壤微生物組成和多樣性的影響

王小虎, 劉雨暉, 韓豐澤, 吳鵬飛, 馬祥慶

(1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院,福建 福州 350002;2.國(guó)家林業(yè)局杉木工程技術(shù)研究中心,福建 福州 350002;3.福建農(nóng)林大學(xué)莘口教學(xué)林場(chǎng),福建 三明 365000)

杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook]是我國(guó)人工林面積最大的造林樹種,在我國(guó)林業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位[1].近年來隨著杉木人工林面積的不斷擴(kuò)大,純林經(jīng)營(yíng)出現(xiàn)了林分結(jié)構(gòu)單一、物種多樣性下降、地力衰退等生態(tài)問題[2-3],嚴(yán)重制約了杉木人工林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng).因此急需解決杉木人工林不合理經(jīng)營(yíng)引起的一系列生態(tài)問題.

近年來眾多學(xué)者嘗試?yán)媒匀涣謽I(yè)經(jīng)營(yíng)技術(shù)來解決人工林經(jīng)營(yíng)中出現(xiàn)的生態(tài)問題,取得了較好的效果[4-5].土壤微生物是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,參與其物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)[6-7].土壤微生物通過分解有機(jī)質(zhì)、提供植物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)元素、強(qiáng)化植物養(yǎng)分的吸收效率、優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu),以及提高物種多樣性等,對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)起著重要的調(diào)節(jié)作用[8-10].目前已有不少近自然經(jīng)營(yíng)對(duì)人工林土壤微生物影響的研究[11-12],如:宋賢沖等[13]研究發(fā)現(xiàn),近自然改造后毛竹(Phyllostachysedulis)林土壤微生物碳源的利用效率高于杉木人工林;劉延濱等[14]研究表明,落葉松近自然改造后林隙間土壤微生物多樣性顯著提高.但目前有關(guān)杉木人工林近自然經(jīng)營(yíng)的研究報(bào)道較少.鑒于此,本研究以杉木人工林為研究對(duì)象,設(shè)置3種經(jīng)營(yíng)模式處理(近自然經(jīng)營(yíng)、常規(guī)經(jīng)營(yíng)、封育經(jīng)營(yíng)),研究經(jīng)營(yíng)模式對(duì)杉木林生態(tài)系統(tǒng)的影響;在不同經(jīng)營(yíng)模式處理10 a后,利用高通量測(cè)序技術(shù)研究經(jīng)營(yíng)模式對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性的影響,探討土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及多樣性與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系,以及近自然經(jīng)營(yíng)對(duì)杉木林土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性的影響,為杉木近自然經(jīng)營(yíng)研究提供依據(jù).

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于福建三明福建農(nóng)林大學(xué)教學(xué)林場(chǎng)(26°12′N,117°28′E),地處武夷山脈東伸支脈,海拔220～502 m,為中亞熱帶季風(fēng)性氣候,光照和溫度條件好,降雨量充足(1 749 mm),降水集中在3—8月,占全年降水的3/4.年均相對(duì)濕度79%[15],年均溫度19.2 ℃,年均無霜期320 d以上,≥10 ℃年積溫4 510～6 215 ℃.土壤為山地紅壤,母質(zhì)以粉粒頁(yè)巖為主.試驗(yàn)林為馬尾松人工林皆伐后營(yíng)造的杉木人工林,林下植被主要以江南雙蓋蕨(Diplaziummettenianum)、楠木(Phoebezhennan)、杜莖山(Maesajaponica)、淡竹葉(Lophatherumgracile)、光葉山礬(Symplocoslancifolia)、薄蓋雙蓋蕨(Diplaziumhachijoense)等為主.2003年?duì)I造杉木純林,造林后第2年和第3年分別進(jìn)行了2次撫育,第4年施磷肥,第7年實(shí)施撫育間伐并施用氮肥.

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2012年選擇立地條件基本一致的9年生杉木林3塊,在每塊林分內(nèi)設(shè)置固定標(biāo)準(zhǔn)樣地(20 m×20 m)3塊,對(duì)3塊林分分別進(jìn)行近自然經(jīng)營(yíng)、常規(guī)經(jīng)營(yíng)和封育經(jīng)營(yíng),共設(shè)置9塊標(biāo)準(zhǔn)樣地.近自然經(jīng)營(yíng)采用目標(biāo)樹經(jīng)營(yíng)模式,傳統(tǒng)經(jīng)營(yíng)采用常規(guī)經(jīng)營(yíng)模式,封育經(jīng)營(yíng)沒有采取經(jīng)營(yíng)措施.樣地基本情況見表1.

表1 杉木不同經(jīng)營(yíng)模式的試驗(yàn)設(shè)計(jì)及林分情況

2.2 調(diào)查方法

2021年9月對(duì)不同經(jīng)營(yíng)模式處理10 a的杉木林土壤的微生物區(qū)系及理化性質(zhì)進(jìn)行調(diào)查分析.

2.2.1 土壤樣品采集 在不同經(jīng)營(yíng)模式下的杉木林標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi),按照S形布點(diǎn)法,取0～20 cm土層的土樣.取土樣前用工具鏟除表層腐殖質(zhì)和雜質(zhì),去除凋落物、細(xì)根和石礫等.取樣后混合均勻,分為2份,一份研磨過篩后放入滅菌后的離心管中,置于便攜式冰盒冷藏,帶回實(shí)驗(yàn)室,保存在-80 ℃冰箱中,用于土壤微生物分析;另一份置陰涼處風(fēng)干,風(fēng)干后過篩保存,用于土壤理化性質(zhì)測(cè)定.

2.2.2 土壤理化性質(zhì)測(cè)定 采用干燥法測(cè)定土壤含水率,采用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重,采用電極法測(cè)定土壤pH值,采用碳氮分析儀測(cè)定土壤有機(jī)碳含量,采用氯化鉀浸提—比色法測(cè)定硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量,采用氟化銨—鹽酸浸提法測(cè)定速效磷含量,采用火焰分光光度計(jì)測(cè)定速效鉀含量[16-17].

2.2.3 土壤微生物組成及其多樣性測(cè)定 采用廣州基迪奧生物科技有限公司提供的土壤微生物基因組DNA提取試劑盒(power soil DNA isolation kit)進(jìn)行DNA提取,提取后進(jìn)行PCR擴(kuò)增.使用帶有barcode的特異性引物,以便區(qū)分不同樣品.測(cè)序引物具體信息見表2.PCR反應(yīng)體系:取2.5 μL細(xì)菌模DNA,上下游引物各為5.0 μL,12.5 μL DNA擴(kuò)增預(yù)混液(2×KAPA HiFi HotStart ReadyMix).PCR反應(yīng)條件:95 ℃預(yù)變性2 min,98 ℃變性10 s,退火1 min(62 ℃),進(jìn)行27個(gè)循環(huán),之后68 ℃下延伸10 min.使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的瓊脂糖凝膠進(jìn)行PCR產(chǎn)物的電泳檢測(cè)以及純化,用GeneJET回收試劑盒.由廣州基迪奧生物科技有限公司進(jìn)行Illumina高通量測(cè)序.

表2 土壤微生物多樣性的測(cè)序引物信息

2.3 數(shù)據(jù)分析

采用Qiime軟件對(duì)測(cè)序結(jié)果進(jìn)行分析、計(jì)算,使用R語言Vegan包對(duì)土壤微生物進(jìn)行PcoA及NMDS聚類分析;微生物組間群落結(jié)構(gòu)差異采用Lefse 1.0軟件進(jìn)行系統(tǒng)分析.采用Microsoft Excel 2016統(tǒng)計(jì)和整理數(shù)據(jù),使用SPSS 22.0進(jìn)行單因素方差分析,使用Canoco 5.0進(jìn)行冗余分析.

3 結(jié)果與分析

3.1 經(jīng)營(yíng)模式對(duì)杉木林土壤微生物群落組成和結(jié)構(gòu)的影響

3.1.1 經(jīng)營(yíng)模式對(duì)杉木林土壤細(xì)菌群落組成和結(jié)構(gòu)的影響 從圖1可看出,相對(duì)豐度值從高到低依次為酸桿菌門(Acidobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、變形菌門(Proteobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)、浮霉菌門(Planctomycetes)、疣微菌門(Verrucomicrobia)、Patescibacteria、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、厚壁菌門(Firmicutes).這10個(gè)細(xì)菌門在近自然經(jīng)營(yíng)、常規(guī)經(jīng)營(yíng)和封育經(jīng)營(yíng)模式下的相對(duì)豐度分別為92.62%、95.06%和92.37%,其中,酸桿菌門、放線菌門和變形菌門在近自然經(jīng)營(yíng)模式下細(xì)菌群落中的相對(duì)豐度分別為25.80%、22.15%和22.54%,在常規(guī)經(jīng)營(yíng)模式下土壤細(xì)菌群落的相對(duì)豐度分別為26.71%、25.44%和20.55%,在封育經(jīng)營(yíng)模式下土壤細(xì)菌群落中的相對(duì)豐度分別為26.98%、16.86%和20.82%.三者均為不同經(jīng)營(yíng)模式下土壤細(xì)菌群落中的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門,其在土壤群落中的相對(duì)豐度值無顯著差異(P>0.05).

基于OTU分類操作單元對(duì)不同經(jīng)營(yíng)模式下的土壤細(xì)菌群落組分進(jìn)行主坐標(biāo)分析,結(jié)果見圖2.從圖2可看出,第1主成分與第2主成分分別解釋了3種經(jīng)營(yíng)模式下土壤細(xì)菌群落總變異的45.01%和16.64%,共解釋原信息的61.65%,具有較好的解釋效果.近自然經(jīng)營(yíng)、常規(guī)經(jīng)營(yíng)和封育經(jīng)營(yíng)模式之間的聚集效應(yīng)較差,表明3種經(jīng)營(yíng)模式下土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的差異較大.

CMZ為近自然經(jīng)營(yíng)模式;TMZ為常規(guī)經(jīng)營(yíng)模式;CKZ為封育經(jīng)營(yíng).

3.1.2 經(jīng)營(yíng)模式對(duì)土壤真菌群落組成和結(jié)構(gòu)的影響 從圖3可看出,相對(duì)豐度從高到低依次為子囊菌門(Ascomycota)、擔(dān)子菌門(Basidiomycota)、毛霉門(Mucoromycota)、被孢霉菌門(Mortierellomycota)、羅茲菌門(Rozellomycota)、黃藻門(Anthophyta)、綠藻門(Chlorophyta)、壺菌門(Chytridiomycota)、球囊菌門(Glomeromycota)、纖毛門(Ciliophora).這10個(gè)真菌門的相對(duì)豐度之和在近自然經(jīng)營(yíng)模式下達(dá)到94.41%,在常規(guī)經(jīng)營(yíng)模式下達(dá)到91.77%,在封育經(jīng)營(yíng)模式下達(dá)到93.76%.其中,子囊菌門和擔(dān)子菌門在近自然經(jīng)營(yíng)模式下的相對(duì)豐度分別為68.6%和17.71%,在常規(guī)經(jīng)營(yíng)模式下分別為60.81%和21.15%,在封育經(jīng)營(yíng)模式下分別為54.44%和25.43%,表明二者均為3種經(jīng)營(yíng)模式下土壤真菌群落中的優(yōu)勢(shì)群種,且無顯著差異(P>0.05).

對(duì)不同經(jīng)營(yíng)模式下土壤真菌群落組分進(jìn)行主坐標(biāo)分析,結(jié)果見圖4.從圖4可看出,第1主成分與第2主成分分別解釋3種經(jīng)營(yíng)模式下土壤細(xì)菌群落總變異的22.96%和16.83%,共解釋原信息的39.79%,未達(dá)到總解釋度的50%以上,解釋度較低.近自然經(jīng)營(yíng)與常規(guī)經(jīng)營(yíng)模式的土壤樣品聚集效應(yīng)較好,表明兩者真菌群落結(jié)構(gòu)的差異較小.

CKZ為封育經(jīng)營(yíng);TMZ為常規(guī)經(jīng)營(yíng)模式;CMZ為近自然經(jīng)營(yíng)模式.

3.2 經(jīng)營(yíng)模式對(duì)杉木人工林土壤微生物群落多樣性的影響

從表3可知,不同經(jīng)營(yíng)模式下土壤微生物的Goods_coverage指數(shù)均接近于1,表明土壤微生物測(cè)序結(jié)果能夠較全面揭示土壤樣品的微生物組成.Shannon指數(shù)、Chao1指數(shù)和Ace指數(shù)均存在顯著差異(P<0.05),其中Shannon指數(shù)表現(xiàn)為近自然經(jīng)營(yíng)>封育經(jīng)營(yíng)>常規(guī)經(jīng)營(yíng),Chao1指數(shù)和Ace指數(shù)表現(xiàn)為封育經(jīng)營(yíng)>近自然經(jīng)營(yíng)>常規(guī)經(jīng)營(yíng).土壤真菌群落多樣性僅Ace指數(shù)存在顯著差異(P<0.05),表現(xiàn)為近自然經(jīng)營(yíng)>封育經(jīng)營(yíng)>常規(guī)經(jīng)營(yíng).

表3 不同經(jīng)營(yíng)模式下杉木林土壤微生物多樣性指數(shù)的比較1)

3.3 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與土壤理化性質(zhì)的冗余分析

從圖5A可知,第1排序軸解釋貢獻(xiàn)度為81.53%,第2排序軸為10.76%,降維后信息保留較完整,但未發(fā)現(xiàn)顯著變量因子影響細(xì)菌群落組成;從圖5B可知,第1排序軸解釋貢獻(xiàn)度為65.06%,第2排序軸為25.86%,前2個(gè)軸總方差解釋度為91.76%,降維后信息保留完整.樣方沿第1軸的分布受土壤pH(貢獻(xiàn)度42.1%,F=4.9,P=0.008)的影響顯著,是土壤真菌群落結(jié)構(gòu)變化的主要因子.由圖5可知,子囊菌門與pH呈顯著正相關(guān),擔(dān)子菌門與pH呈顯著負(fù)相關(guān).

A.細(xì)菌;B.真菌.SMC:土壤含水率.SOC:土壤有機(jī)碳.AP:土壤速效磷.AK:土壤速效鉀.

4 討論

本研究發(fā)現(xiàn)杉木林土壤放線菌、酸桿菌、變形菌為優(yōu)勢(shì)類群,具有較高豐度,與劉洋等[18]的研究結(jié)果一致.放線菌和酸桿菌在自然界中廣泛分布,其生態(tài)幅較寬,對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)[19].土壤碳氮循環(huán)受變形菌的影響,如變形菌門中紅螺菌(Rhodospirillummolisch)、根瘤菌(Rhizobium)等[20].本研究結(jié)果表明,近自然經(jīng)營(yíng)有利于土壤中放線菌的生長(zhǎng),可能是因?yàn)榻匀唤?jīng)營(yíng)林分土壤的pH值大于其他模式,微堿性土壤環(huán)境更適合放線菌的生長(zhǎng)[21].近自然經(jīng)營(yíng)模式下土壤細(xì)菌群落的Shannon指數(shù)、Ace指數(shù)和Chao1指數(shù)顯著大于常規(guī)經(jīng)營(yíng)模式,這與近自然經(jīng)營(yíng)下林內(nèi)空間結(jié)構(gòu)改善使得林下植被豐富度提高有關(guān)[22-23].本研究發(fā)現(xiàn)土壤子囊菌和擔(dān)子菌是不同經(jīng)營(yíng)模式下土壤的優(yōu)勢(shì)真菌群落,相對(duì)豐度之和占土壤真菌的91.77%～94.41%,該結(jié)果與陳秀波等[24]的研究結(jié)果相似.擔(dān)子菌和子囊菌作為土壤中有機(jī)物的重要分解者,子囊菌更有利于分解環(huán)境中難以降解的木質(zhì)素和角質(zhì)素等[25],擔(dān)子菌分解植物殘?bào)w中木質(zhì)纖維素的能力更強(qiáng)[26],其中子囊菌的相對(duì)豐度以近自然經(jīng)營(yíng)模式最高.土壤微生物群落的組成、結(jié)構(gòu)與土壤理化性質(zhì)密切相關(guān),不同經(jīng)營(yíng)模式的林分主要通過影響凋落物、根系生長(zhǎng)及其根系分泌物等對(duì)土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生影響,進(jìn)而改變土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)[27].土壤中適宜的pH是微生物生長(zhǎng)的重要條件[28],本研究結(jié)果也表明土壤pH是影響土壤真菌群落的主要因子,可能是通過對(duì)土壤基質(zhì)及化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響進(jìn)而改變土壤中優(yōu)勢(shì)菌類子囊菌門的數(shù)量,最終導(dǎo)致土壤微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變.朱平等[29]對(duì)不同植被類型土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn),土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與土壤pH密切相關(guān).土壤真菌的相對(duì)豐度隨土壤酸性的增強(qiáng)而增大[30],這與本研究得出的子囊菌門相對(duì)豐度與土壤pH顯著正相關(guān)的結(jié)論不一致,可能與森林生態(tài)系統(tǒng)類型、土壤性質(zhì)及采樣時(shí)間等存在差異有關(guān).

5 小結(jié)

本研究結(jié)果表明:不同經(jīng)營(yíng)模式下杉木林土壤微生物的組成和多樣性存在差異,不同經(jīng)營(yíng)模式下土壤的共有優(yōu)勢(shì)細(xì)菌類群包含酸桿菌門、放線菌門和變形菌門,共有優(yōu)勢(shì)真菌類群包含子囊菌門和擔(dān)子菌門,其中,變形菌門和子囊菌門的相對(duì)豐度均以近自然經(jīng)營(yíng)模式最高.

與常規(guī)經(jīng)營(yíng)和封育經(jīng)營(yíng)相比,近自然經(jīng)營(yíng)顯著提高了土壤細(xì)菌的Shannon多樣性指數(shù)和真菌的Ace指數(shù).土壤pH是影響不同經(jīng)營(yíng)模式杉木林土壤真菌群落的主要因子.近自然經(jīng)營(yíng)能顯著提高土壤微生物群落的多樣性和豐富度,改善杉木林土壤的肥力狀況,是值得推廣的一種經(jīng)營(yíng)模式.