不同凋落物質(zhì)量對杉木人工林土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響*

張冰冰，萬曉華，楊軍錢，王 濤，黃志群

（福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點實驗室培訓(xùn)基地，福州 350007）

土壤微生物是凋落物分解的主要參與者，在土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)換、能量流動、生物地球化學(xué)循環(huán)過程，如有機(jī)質(zhì)分解，養(yǎng)分循環(huán)等[1-2]中具有極其重要的作用。土壤微生物對外界條件變化敏感，可反映土壤養(yǎng)分狀況。前期研究發(fā)現(xiàn)，有些土壤中，土壤微生物生物量占土壤總有機(jī)碳的 5%左右[3]。由于真菌C/N比值高于細(xì)菌（15 vs 5），較高的真菌細(xì)菌比值被用來指示較高的土壤碳儲存能力[4-5]。革蘭氏陰性細(xì)菌偏向于利用新鮮有機(jī)碳，而革蘭氏陽性細(xì)菌利用大量難以分解的碳[6]。實驗研究發(fā)現(xiàn)，革蘭氏陽性與陰性細(xì)菌比值會隨著土壤碳有效性的增加而降低，因此該比值可以用來指示土壤碳的有效性或細(xì)菌群落受到能量脅迫[7]。

凋落物質(zhì)量主要指凋落物的化學(xué)屬性，其評價指標(biāo)主要包括凋落物中易分解成分碳、氮、磷等物質(zhì)以及難分解的有機(jī)成分木質(zhì)素、多酚類物質(zhì)等的含量、組合情況和比例結(jié)構(gòu)[8]。一般而言，較高質(zhì)量的凋落物（低C/N、木質(zhì)素/N比值）分解速率高于較低質(zhì)量的凋落物（高C/N、木質(zhì)素/N比值）。實驗研究發(fā)現(xiàn)，添加高質(zhì)量凋落物會增加土壤微生物生物量，激發(fā)如革蘭氏陰性細(xì)菌等富營養(yǎng)微生物群落的活性[9-10]，而添加低質(zhì)量的凋落物則會激發(fā)如革蘭氏陽性細(xì)菌等貧營養(yǎng)微生物群落的生長[11]。有研究表明，不同凋落物質(zhì)量對土壤理化性質(zhì)和微生物生物量影響存在差異[12]。Huang等[13]對兩種樹種進(jìn)行凋落物交換實驗并認(rèn)為凋落物質(zhì)量可能是導(dǎo)致土壤微生物生物量差異的原因，但凋落物質(zhì)量同微生物生物量及群落組成間的關(guān)系仍有待進(jìn)一步驗證和解釋。以往凋落物質(zhì)量的評價指標(biāo)主要是其碳、氮及木質(zhì)素含量，凋落物中的有機(jī)碳庫組分卻很少研究。有研究表明凋落物有機(jī)碳組分影響著凋落物的分解過程，利用核磁共振技術(shù)（NMR），分析凋落物中有機(jī)碳結(jié)構(gòu)的差異，有助于人們進(jìn)一步認(rèn)識凋落物分解并試圖從中發(fā)現(xiàn)新的凋落物質(zhì)量評價指標(biāo)。

杉木是中國亞熱帶地區(qū)主要的造林樹種，種植面積廣泛。研究發(fā)現(xiàn)杉木多年連栽導(dǎo)致地力衰退、土壤肥力下降等問題[14]。近年來，在杉木立地上轉(zhuǎn)換造林樹種成為改善杉木土壤肥力下降問題的重要舉措。但是如何篩選出適宜的造林樹種，提高土壤質(zhì)量是當(dāng)前亟待解決的重要問題。前期研究主要集中在凋落物的分解對土壤有機(jī)質(zhì)和微生物群落組成的影響[15-16]。而關(guān)于凋落物質(zhì)量如何影響土壤有機(jī)質(zhì)及微生物群落組成的影響研究還相對較少。因此，本研究以7年生二代杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，選擇 8種不同凋落物質(zhì)量的樹種——毛竹（Phyllostachys heterocycla）、馬尾松（Pinus massoniana），桉樹（Eucalyptus robusta）、杉木（Cunninghamia lanceolate）、樟樹（Cinnamomum camphora）、木荷（Schima superba）、火力楠（Michelia macclurei）、米老棑（Mytilaria laosensis），在杉木人工林內(nèi)進(jìn)行原位分解三年后，（1）指示不同凋落物質(zhì)量指標(biāo)對土壤微生物影響的差異，量化土壤微生物對不同凋落物質(zhì)量添加的響應(yīng)；（2）初步明確不同質(zhì)量凋落物的添加影響土壤微生物的機(jī)制，旨在進(jìn)一步加強(qiáng)有關(guān)凋落物對土壤生態(tài)過程和功能影響的了解，為合理經(jīng)營和恢復(fù)杉木人工林土壤質(zhì)量提供理論依據(jù)與實踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及設(shè)計

試驗樣地位于福建省南平市峽陽林場（26°48′N，117°59′ E），地處武夷山脈東南側(cè)、閩江上游，海拔高度229～246 m。該區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，年均溫20.0 ℃，年均降水量1 644 mm，年均蒸發(fā)量1 370 mm，年均相對濕度75.2%。土壤主要為石英黑云母片發(fā)育的山地紅壤。杉木林土壤本底值見表1。

表1 7年生杉木人工林土壤本底值（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n=6）Table 1 Soil background value of the 7-year-old Cunninghamia lanceolate plantation（means ± SD, n=6）

2013年9 月，在7年生杉木人工林樣地采用完全隨機(jī)區(qū)組方法，設(shè)置 6個區(qū)組，每個區(qū)組設(shè)置 8種處理（即分別添加毛竹、馬尾松、桉樹、杉木、樟樹、木荷、火力楠、米老排8個樹種的凋落物），共48個小區(qū)，每個小區(qū)面積為3 m × 3 m。凋落物全碳、全氮含量和C/N用元素分析儀（Elemental EL MAX CNS analyzer，德國）測定。并采用酸性洗滌法ADF測定不同凋落物的纖維素和木質(zhì)素濃度。凋落物初始性質(zhì)見表2。碳化學(xué)組分采用13C固體核磁共振波譜（13C CPMAS NMR）法測定，實驗條件：25 ℃，氧化硅轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速5 kHz，接觸時間2 ms，接受時間13 ms，重復(fù)延遲時間2.5 s。不同凋落物中碳化學(xué)組成見表3。

表2 供試凋落物性質(zhì)（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n=6）Table 2 Properties of the litters used in the experiment（means ± SD.n=6）

表3 不同凋落物中碳化學(xué)組成相對比例Table 3 Relative proportions of the chemical components of the carbon in litter relative to type of litter/%

根據(jù)2012年3月至2013年3月在同塊樣地收集的杉木人工林凋落物的數(shù)據(jù)，得到杉木人工林凋落物平均每月生產(chǎn)力為0.5 kg·m–2，按此量來添加凋落物量。2013年9月至2015年3月，每月定期在相應(yīng)處理小區(qū)添加凋落物，均勻覆蓋在小區(qū)土壤表面。

1.2 土壤樣品采集與測定

2016年1 月，在凋落物添加處理3年后，避開人為干擾和樹干徑流，在各試驗小區(qū)內(nèi)移除地被物后用PVC管沿S形鉆取6個土樣（0～10 cm），并混合成一個樣品，用冰盒快速轉(zhuǎn)移至實驗室，去除砂石、根系碎屑等并過2 mm篩。一部分土樣凍干后采用磷脂脂肪酸（Phospholipid Fatty Acid，PLFA）生物標(biāo)記法進(jìn)行分析。磷脂脂肪酸在White等[17]方法的基礎(chǔ)上，參考Bossio和Scow等[18]優(yōu)化的步驟進(jìn)行提取，最后將得到的磷脂脂肪酸甲酯化，在氣相色譜儀（Agilent 7890A）上采用 MIDI 系統(tǒng)軟件進(jìn)行分析，測定磷脂脂肪酸各組分的含量。

稱取10 g新鮮土樣加入40 mL的2 mol·L–1KCl溶液浸提，振蕩 0.5 h 后并 4 000 r·min–1離心 10 min，過0.45 μm玻璃纖維濾膜，濾液采用連續(xù)流動分析儀（Skalar San++，荷蘭）測定土壤銨態(tài)氮（-N）、硝態(tài)氮（-N）。將部分土壤在室溫下自然風(fēng)干，并取部分土樣過0.149 mm篩，用以測定土壤全碳、全氮含量和pH等。土壤pH用pH計測定（土水比1︰2.5）；土壤全碳、全氮含量和 C/N采用德國Elementar 公司生產(chǎn)的碳氮元素分析儀（Vario Max）測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)錄入和統(tǒng)計處理基于Excel 2013進(jìn)行，相關(guān)分析及方差分析基于SPSS 22.0軟件進(jìn)行，使用Origin9.0作圖。采用LSD最小顯著差數(shù)法對凋落物性質(zhì)和土壤理化特性進(jìn)行差異顯著性的比較，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）來檢驗不同凋落物添加處理對土壤微生物生物量和群落結(jié)構(gòu)的影響，顯著水平設(shè)為α = 0.05。采用多元統(tǒng)計分析軟件Canoco 5.0進(jìn)行冗余分析，來檢驗土壤及凋落物等環(huán)境變量與土壤微生物群落結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)性。

2 結(jié) 果

2.1 不同質(zhì)量凋落物添加下土壤理化性質(zhì)的比較

不同凋落物添加下對土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生的影響不同（表4）。8種凋落物添加下土壤碳氮比為12.80～13.72，不同凋落物添加處理下的土壤碳氮比未產(chǎn)生顯著差異（P>0.05）。添加高質(zhì)量凋落物如馬尾松、毛竹、桉樹等土壤 pH與低質(zhì)量凋落物添加下土壤 pH相比差異不顯著。與杉木凋落物添加相比，除樟樹凋落物添加外，其他凋落物添加均使得土壤 pH表現(xiàn)出下降趨勢。添加高質(zhì)量凋落物土壤全碳、全氮差異較小，馬尾松凋落物添加下土壤全碳、全氮顯著低于杉木凋落物添加。除米老棑凋落物添加外，高質(zhì)量凋落物添加下土壤銨態(tài)氮的含量顯著降低。土壤硝態(tài)氮含量毛竹與火力楠凋落物添加下的差異不顯著，但明顯高于其他凋落物添加。毛竹添加下土壤礦質(zhì)氮含量顯著高于其他凋落物添加。

表4 不同凋落物添加處理下土壤化學(xué)性質(zhì)的變化Table 4 Chemical properties of the soil relative to treatment

2.2 不同質(zhì)量凋落物添加下土壤微生物群落組成及群落結(jié)構(gòu)

8種凋落物添加下對土壤微生物脂肪酸生物量的影響不同（圖1）。通過土壤微生物PLFA圖譜發(fā)現(xiàn)，不同質(zhì)量凋落物添加下土壤的微生物種類和數(shù)量差異明顯。桉樹凋落物添加下，土壤磷脂脂肪酸總量顯著高于其他凋落物添加，較杉木凋落物添加多27%。樟樹凋落物添加下土壤磷脂脂肪酸總量最低，較杉木凋落物添加少29%。桉樹凋落物添加下，革蘭氏陽性細(xì)菌和革蘭氏陰性細(xì)菌都顯著高于其他凋落物添加，分別較杉木凋落物添加多35%和19%。樟樹凋落物添加下革蘭氏陰性細(xì)菌量最低，較杉木凋落物添加少10%。桉樹凋落物添加下細(xì)菌和真菌量最多，分別較杉木凋落物添加多25%和44%。樟樹凋落物添加下放線菌量最少，較杉木凋落物添加少32%，其他凋落物添加下放線菌沒有顯著差異?？傮w而言，添加桉樹凋落物增加土壤磷脂脂肪酸總量、細(xì)菌和真菌生物量以及革蘭氏陽性和陰性細(xì)菌生物量，而添加樟樹凋落物顯著降低土壤磷脂脂肪酸總量、細(xì)菌、真菌、放線菌、革蘭氏陽性和陰性細(xì)菌生物量。

不同凋落物添加下真菌與細(xì)菌、革蘭氏陽性細(xì)菌與革蘭氏陰性細(xì)菌的比例存在顯著性差異（P<0.05）。桉樹凋落物添加顯著高于其他凋落物添加下真菌/細(xì)菌比值，除桉樹、木荷的真菌/細(xì)菌外，其他凋落物添加下真菌/細(xì)菌無明顯差異。樟樹凋落物添加下的革蘭氏陽性細(xì)菌/革蘭氏陰性細(xì)菌（G+/G–）顯著高于其他凋落物添加下革蘭氏陽性細(xì)菌/革蘭氏陰性細(xì)菌（G+/G–），除樟樹、杉木的革蘭氏陽性細(xì)菌/革蘭氏陰性細(xì)菌（G+/G–），其他凋落物添加下無明顯差異（圖2）。

2.3 土壤微生物群落組成與土壤化學(xué)性質(zhì)及凋落物質(zhì)量的相關(guān)分析

對微生物群落組成與凋落物質(zhì)量的相關(guān)性分析（表5），結(jié)果表明，凋落物碳含量與土壤中革蘭氏陽性細(xì)菌、真菌呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），與脂肪酸總量、革蘭氏陰性細(xì)菌和菌根真菌呈顯著正相關(guān)（P<0.05）。

基于相關(guān)性分析探討有機(jī)碳化學(xué)組分結(jié)構(gòu)與土壤微生物的關(guān)系（表5），其中烷基碳、烷基碳/氧烷基碳與脂肪酸總量、革蘭氏陽性細(xì)菌、革蘭氏陰性細(xì)菌、細(xì)菌、真菌及真菌/細(xì)菌比均呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），與革蘭氏陽性陰性細(xì)菌比均呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01）。氧烷基碳與乙縮醛與脂肪酸總量、革蘭氏陽性細(xì)菌、革蘭氏陰性細(xì)菌、細(xì)菌、真菌及真菌/細(xì)菌比均呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01）。甲氧基碳、氧烷基碳和芳碳與革蘭氏陽性陰性細(xì)菌比呈顯著正相關(guān)（P<0.05）。

表5 不同凋落物添加下土壤微生物PLFAs與凋落物質(zhì)量及有機(jī)碳組分的相關(guān)性Table 5 Correlation between PLFAs of soil microorganisms，litter quality and organic carbon components relative to treatment

為進(jìn)一步探討土壤微生物群落組成與土壤化學(xué)性質(zhì)及凋落物質(zhì)量之間的關(guān)系，進(jìn)行了冗余分析。從圖3可知，其中第1主軸共解釋了50.6%的變異；第2主軸解釋了46.7%的變異。所有的環(huán)境因子中，對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響的分別為Alkyl C（烷基碳）（P= 0.036）和土壤全氮（P=0.04）。物種變量和環(huán)境變量的關(guān)系表明（圖3），Alkyl C（烷基碳）與16︰1ω7c、18︰1ω7c、18︰2ω6c、18︰1ω9顯著正相關(guān)。

3 討 論

本研究發(fā)現(xiàn)，將不同質(zhì)量凋落物放在杉木人工林內(nèi)分解3年后，土壤微生物群落組成發(fā)生了顯著變化。凋落物質(zhì)量，尤其是烷基碳，能夠很好地指示土壤微生物群落組成的變化。以往研究通常將凋落物的C/N，木質(zhì)素/N比值作為凋落物質(zhì)量的指標(biāo)。但也有研究發(fā)現(xiàn)，這兩個指標(biāo)并不能很好地指示土壤微生物學(xué)過程，如微生物群落組成、氮循環(huán)過程等。本研究中凋落物初始碳含量與總磷脂脂肪酸、真菌和細(xì)菌含量顯著相關(guān)，而其他凋落物特性（凋落物碳氮比（Litter C/N）、木質(zhì)素比氮（Lignin/N）等）和微生物指標(biāo)相關(guān)性不顯著，Lignin/N和 C/N與土壤生物學(xué)的關(guān)系不明顯。不同化學(xué)組分相對含量的數(shù)據(jù)（例如，鏈烷碳、甲氧基碳、多糖碳、芳碳、羧基碳等），較木質(zhì)素和全碳，可以更精細(xì)地區(qū)分凋落物質(zhì)量差異，能夠克服木質(zhì)素和全碳作為評價樹木凋落物質(zhì)量指標(biāo)的缺點。本研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)碳庫組分如烷基碳、甲氧基碳、氧烷基碳、乙縮醛、酚碳以及烷基碳/氧烷基碳和微生物生物量指標(biāo)之間均具有顯著的相關(guān)性。烷基碳與真菌呈顯著正相關(guān)，革蘭氏陽性細(xì)菌與陰性細(xì)菌比值與烷基碳呈顯著負(fù)相關(guān)，這與前人的研究結(jié)果一致[19]，表明凋落物有機(jī)碳化學(xué)組分能夠?qū)ν寥牢⑸锶郝浣M成產(chǎn)生影響。

添加其他樹種凋落物3年后，土壤磷脂脂肪酸總量有顯著變化。真菌細(xì)菌比值除桉樹外，均低于杉木，革蘭氏陽性與陰性細(xì)菌比值則高于杉木。原因可能是土壤中可利用的養(yǎng)分減少，有機(jī)質(zhì)含量降低及難分解有機(jī)物質(zhì)增加。有研究表明，隨著凋落物的持續(xù)分解，微生物能夠吸收利用的有機(jī)物（糖類、蛋白質(zhì)等）逐漸減少[20]，一般土壤有機(jī)質(zhì)和有效養(yǎng)分減少后，土壤細(xì)菌豐度降低，真細(xì)菌比值會增加。桉樹真細(xì)菌比高于杉木，可能是因為桉樹獨特的化感作用影響細(xì)菌的生長繁殖。其他樹種比如木荷等真細(xì)菌比值低于杉木，可能是由于這些闊葉樹種凋落物中含有大量的易變性有機(jī)碳，通過分解進(jìn)入土壤后，能夠為微生物，尤其是細(xì)菌提供大量碳源，因此較杉木真菌比值低。隨著凋落物分解時間的延長，可利用養(yǎng)分減少，難分解有機(jī)物質(zhì)（纖維素、木質(zhì)素等）比例逐漸增加[8]，較革蘭氏陰性菌利用難分解有機(jī)物質(zhì)能力更強(qiáng)的革蘭氏陽性菌的比例也會隨著凋落物分解而升高。

此外，在13C-NMR波譜解析的官能團(tuán)中，烷基碳表征難分解碳如木質(zhì)素、單寧等；氧烷基碳表征易被利用的碳水化合物，即易分解碳。研究表明難分解碳含量越高，有機(jī)物的分解速率越慢[20]。本研究發(fā)現(xiàn)其他樹種的凋落物烷基碳均低于杉木和桉樹，利于凋落物分解速率的加快，同時，其他凋落物中易分解的氧烷基碳相對含量均高于杉木和桉樹。革蘭氏陽性/陰性細(xì)菌比值高，革蘭氏陽性細(xì)菌偏向于利用土壤有機(jī)質(zhì)，而革蘭氏陰性細(xì)菌偏向于利用新鮮的植物殘體作為碳源，革蘭氏陽性與陰性細(xì)菌比值高表明土壤中細(xì)菌群落碳的有效性低，說明除桉樹和杉木外，其他凋落物分解快，隨著時間的增加，碳的有效性逐漸降低?？赡艿脑蚴堑蚵湮锓纸夂?，難分解有機(jī)質(zhì)比例增加。由于養(yǎng)分的限制，不僅真菌會發(fā)生變化，細(xì)菌群落內(nèi)部也會發(fā)生變化。

在杉木人工林中，凋落物質(zhì)量是調(diào)控土壤養(yǎng)分循環(huán)和微生物生物量變化的重要因子。研究結(jié)果顯示，不同質(zhì)量凋落物添加后土壤磷脂脂肪酸含量之間表現(xiàn)出顯著差異。本結(jié)果表明，添加桉樹凋落物分解3年后，土壤總微生物、細(xì)菌、真菌生物量均顯著高于杉木人工林，而樟樹凋落物分解3年后，土壤總微生物、細(xì)菌、放線菌生物量均顯著低于杉木及其他凋落物添加，這與早些的研究[21-22]結(jié)果相同，與Thoms等[23]用磷脂脂肪酸分析法測得的土壤微生物量結(jié)果相一致，即不同樹種下凋落物輸入的不同，使得土壤中磷脂脂肪酸含量具有顯著差異。陳法霖等[24]的研究指出，不同C/N、木質(zhì)素/N的凋落物導(dǎo)致土壤微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，濕地松凋落物添加降低了土壤細(xì)菌和放線菌的磷脂脂肪酸含量，凋落物質(zhì)量扮演著十分重要的角色。凋落物質(zhì)量影響分解速率，凋落物進(jìn)入土壤后，其活性有機(jī)質(zhì)為微生物的生長提供了碳源，能夠激發(fā)微生物生長。本研究中桉樹凋落物（尤其是凋落葉）的易分解性，參與凋落物分解的土壤微生物數(shù)量較多，桉樹凋落物添加下的土壤微生物量均有顯著增加。因此，在杉木人工林中，凋落物輸入是土壤微生物的主要碳源，不同質(zhì)量凋落物的輸入和分解，使杉木人工林土壤環(huán)境發(fā)生變化，微生物組成出現(xiàn)不同程度的差異。本研究探索了有機(jī)碳化學(xué)組分作為新的評價凋落物的指標(biāo)對土壤微生物的影響，但僅討論了多種單一凋落物添加，在一定程度上具有局限性。

4 結(jié) 論

在我國亞熱帶地區(qū)，杉木人工林添加不同凋落物分解后，林地土壤微生物群落組成存在顯著差異，說明不同質(zhì)量凋落物的添加對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)具有顯著影響。桉樹凋落物添加下土壤總磷脂脂肪酸以及細(xì)菌真菌等生物量均顯著高于其他凋落物添加，其對提高土壤微生物量的作用優(yōu)于其他凋落物。在此基礎(chǔ)上繼續(xù)開展凋落物多樣性對杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)的研究利于更好地揭示物種多樣性對杉木人工林土壤環(huán)境的影響，為杉木人工林可持續(xù)經(jīng)營與管理提供科學(xué)依據(jù)。