3种人工林土壤微生物群落结构与可溶性有机氮的相关性

郭新春，曹裕松，刘苑秋，邢世和

(1.福建农林大学 资源与环境学院，福建 福州 350002;2.井冈山大学 化学化工学院，江西 吉安 343009;3.井冈山大学 生命科学学院，江西 吉安 343009;4.江西农业大学 园林与艺术学院，江西 南昌 330045)

可溶性有机氮(Soluble Organic Nitrogen，SON)是指可溶于水或盐溶液(如CaCl2，KCl，K2SO4)的有机氮[1]，是土壤中溶解态有机氮(Dissolved Organic Nitrogen，DON)的潜在来源[1-2]，是土壤有机氮中最活跃的组分。同时，土壤SON能反映土壤有机氮矿化的难易程度，可作为反映土壤氮素矿化能力的一个指标[3-4]。土壤中至少部分SON(例如氨基酸可以直接被一些植物吸收[5-9]。因此，SON与土壤氮素矿化、固持、淋失和植物吸收等有密切的联系，是土壤生态系统中不可忽视的氮素组分[10]，在森林生态系统和全球氮循环中发挥着关键性作用[11-14]。

土壤SON在微生物生化循环中起着关键作用[15]，能促进矿物风化，而且还对生态系统土壤养分的有效性和流动性有直接影响[16-18]，但是，土壤SON含量对植物营养的贡献有多大很不确定[11，19-20]，土壤微生物群落的结构组成与SON含量的相关性少见报道[14]。本研究以福州地区毗邻的3种同龄人工林为研究对象，研究其土壤SON含量和微生物群落多样性，并探讨两者之间的关联性，以期找出影响土壤SON含量的微生物因素，为进一步深入研究SON在土壤氮素转化中的作用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况及土样的采集

实验样地位于福建省南平市西芹镇的福建农林大学教学林场，该区属中亚热带季风气候，土壤类型为花岗片麻岩发育而来的酸性岩红壤，地貌类型为武夷山南伸和戴云山北延支脉的低山丘陵(坡向为东南坡，海拔介于300～350 m)。在该林场相邻区域选择同龄(12 a)人工林为研究区域，3种人工林分别为阔叶林(楠木，Phoebe Bournei(Hemsl.)Yang)、针阔混交林(池杉 ×竹柏，Nageia nagi(thumb.)O.Ktze×Taxodium ascendens Brongn)和针叶林(杉木，Cunninghamia lanceolata(Lamb)Hook)，分别在每一林地生态系统的坡上部、坡中部和坡下部各设1个取样小区作为重复，小区面积为10×15 m2。3种覆被类型林地长势良好，郁闭度较高，阔叶林和针阔混交林的地表凋落物数量相近，但明显高于针叶林。

在每一调查小区采用“S”型随机采样法布设10个采样点，利用采样刀去除地表的枯枝落叶层，然后分别采集0～20 cm和20～40 cm土层样品，混合均匀后采用四分法分别获得各小区不同土层的混合新鲜土样，随即将鲜样置于4℃车载冰箱恒温存放运输。在室内采用多点取样法均匀取出一定数量的新鲜土样，通过2 mm筛后置于4℃冰箱恒温保存，供土壤微生物区系测定，其余样品经风干后分别通过2 mm、1 mm和0.149 mm筛在室温下保存，供土壤相关性质测定。

1.2 分析方法

土壤无机氮(NO3--N，NH4+-N):采用1 mol/L KCL溶液浸提(水∶土=10∶1)土样，220 r/min振荡1 h，先用粗滤纸过滤，然后将滤液用0.45 m的滤膜再次过滤。用流动分析仪分别测定滤液中NO3--N和NH4+-N含量;土壤可溶性全氮(TSN):采用0.15 mol/L的NaOH和3%K2SO4配比溶液浸提土样，置于120℃高压锅中氧化30 min，采用紫外分光光度法测定可溶性全氮含量[21];土壤可溶性有机氮(SON):土壤可溶性全氮(TSN)含量和无机氮(NO3--N与NH4+-N之和)含量之差即为SON的含量。

土壤微生物区系测定采用磷脂脂肪酸(PLFA)提取和分析[22-23]，在下述色谱条件下采用美国Agilent 6890N型气相色谱仪测定平行分析脂肪酸甲酯混合物标样和待检样本:二阶程序升高柱温，170℃起始，5℃/min升至260℃，而后40℃/min升温至310℃，维持90 s;汽化室温度250℃，检测器温度300℃;载气为氢气(2 mL/min)，尾吹气为氮气(30 mL/min);柱前压l0.00 psi(1psi=6.895 kPa);进样量1 μL，进样分流比100∶1。土壤微生物种类应用美国MIDI公司开发的Sherlock MIS4.5系统，根据PLFA分析谱图作为微生物群落中不同群体的标记物确定。PLFA谱图中某些特征脂肪酸分别对细菌、真菌和放线菌是特异的，采用对应的PLFA特征峰反应值(Response)表示各微生物种类的相对生物量[24]。

2 结果与分析

2.1 土壤理化性质

表层土壤NO3--N、全氮(TN)和总有机碳(TOC)含量均以针阔混交林为最高(分别为4.21，183.38和19.83 mg/kg)，显著高于针叶林和阔叶林表层土壤NO3--N 含量(P ＜0.05)。NH4+-N含量以针叶林最高(4.21 mg/kg)，显著高于阔叶林和针阔叶混交林(P＜0.05)(表1)。针阔混交林下层土壤(20～40 cm)NO3--N含量(1.66 mg/kg)显著高于针叶林和阔叶林下层土壤NO3--N 含量(P ＜0.05)，针阔混交林下层土壤NH4+-N、TOC和TN含量也均高于针叶林和阔叶林，但差异不显著。

表1 3种人工林土壤理化性质Tab.1 The physicochemical characters of soil in the 3 forests mg/kg

2.2 土壤可溶性有机氮含量

阔叶林、针阔混交林和针叶林表层土壤SON含量分别为 12.26、11.50 和 11.72 mg/kg，而深层土壤SON含量分别为 7.45、7.12 和 7.15 mg/kg(图1)。3种人工林之间表层土壤(0～20 cm)土壤水溶性SON含量无显著差异，深层土壤(20～40 cm)水溶性 SON含量也无显著差异。但是，3种林分土壤水溶性SON含量垂直分布明显，表层土壤SON含量显著高于深层土壤SON含量(图1，P ＜0.05)。具体而言，阔叶林表层土壤SON含量极显著地高于阔叶林深层土壤SON含量(P＜0.001)，也显著高于其它两种林分的深层土壤SON含量(P＜0.001);针阔混交林表层土壤SON含量高于阔叶林、针阔混交林和针叶林深层土壤SON 含量(P ＜0.05);针叶林表层土壤SON含量也显著高于针叶林、阔叶林和针阔混交林深层土壤SON含量(P ＜0.05)。

图1 3种人工林不同深度土壤可溶性有机氮的含量Fig.1 Concentration of SON in different depth in the three forest types

图2 3种人工林不同深度土壤微生物群落组成Fig.2 Composition of soil microbie in different depth soil in the three forests

2.3 土壤微生物群落组成

针阔混交林表层土层(0～20 cm)的微生物和真菌的相对生物量(分别为45 924.3 ±2 718.1 和 9 477.3±400.4 nmol PLFA/g)极显著地高于阔叶林和针叶林(P ＜0.001)，阔叶林土壤微生物量显著高于针叶林，但阔叶林土壤真菌的相对生物量显著低于针叶林(P＜0.05)。3种森林(针阔混交林、阔叶林和针叶林)中，细菌和放线菌出现类似的规律，即针阔混交林(34 769.0±2 364.0，1 678.0 ±6.9 nmol PLFA/g)＞ 阔叶林(28 042.7 ±867.1，1 341.7 ±17.0 nmol PLFA/g)＞ 针叶林(24 267.7 ±318.6，1 197.3 ±44.6 nmol PLFA/g)，差异均达到极显著水平(P ＜0.001)。假单孢菌和甲烷氧化菌的相对生物量以阔叶林为最高(分别为9 756.3±751.7和1 476.3±15.5 nmol PLFA/g)，显著高于针阔混交林和针叶林，而针阔混交林显著高于针叶林 (P＜0.05)。

深层(20～40 cm)土壤微生物群落各组分的相对生物量均以针阔混交林为最高，显著高于阔叶林和针叶林(P＜0.05)。针阔混交林土壤的微生物、细菌和甲烷氧化菌的相对生物量(分别为 28 180.7 ± 2 281.1，21 721.3 ±1 705.0，1 151.7±53.2 nmol PLFA/g)与阔叶林和针叶林之间的差异达到极显著水平(P ＜0.001)，而阔叶林土壤中三者的含量(19 614.3 ± 592.1，15 022.3±571.3，743.7 ± 85.0 nmol PLFA/g)显著高于针叶林(P ＜0.05)，但是，针叶林土壤中真菌和假单胞菌的相对生物量(依次为4 801.7 ±662.6，4 298.7 ±32.6 nmol PLFA/g)则显著高于阔叶林(4 592.0 ±22.5，4 121.0 ±85.0 nmol PLFA/g)。

图3 3种人工林土壤微生物群落多样性与可溶性有机氮的相关性Fig.3 Relations between soil SON and quality of microbial，bacteria，fungi and actionmycetes in 3 forests

2.4 土壤微生物群落与土壤可溶性有机氮的相关性

土壤微生物群落区系各组分的相对含量均与土壤可溶性有机氮含量之间存在显著的相关性(P＜0.05，n=3)，随着SON含量的升高而升高(图3)。土壤微生物生物量与土壤SON含量之间存在较好的相关性，可以用线性方程y=3 117.20x+573.73(R2=0.733)进行拟合。土壤放线菌数量与SON含量之间的相关性最强(R2=0.852 3)。细菌与SON含量的相关程度 (R2=0.712 8)高于与真菌SON含量的相关性(R2=0.580 5)。

3 讨论

3.1 土壤微生物群落多样性

土壤微生物是土壤中生理、生化等各种反应的参与者和推动者，其分布和组成是林地生物多样性的重要特征[25]。供试的3种类型的森林中，土壤微生物、细菌和放线菌的相对生物量均以针阔混交林为最高，阔叶林次之，针叶林最低，而针叶林土壤的真菌相对生物量则高于阔叶林，说明针阔混交林可有利于土壤微生物、细菌和放线菌的生长繁殖，而针叶林环境则有利于真菌的生存繁殖。这与已有的报道相一致。周碧青等[26]的研究结果表明不同覆被类型林地土壤微生物和细菌的相对生物量高低顺序均表现为针阔混交林、阔叶林、针叶林，而针阔混交林和针叶林土壤的真菌相对生物量则高于阔叶林。出现这种结果的主要原因是森林中凋落物量、凋落物组分及其化学性质的不同影响到土壤微生物生物量及其结构。不同林型土壤的生物学特性与其相应的林木种植结构之间存在着密切相关性[27]，不同林分凋落物成分不同，直接影响土壤微生物区系和酶活性[28]，针阔混交林和阔叶林的凋落物量通常高于针叶林[29-31]，为微生物生存繁殖提供了充足的碳源和氮源，另一方面在针阔混交林中，针叶和阔叶凋落物混合在一起，难分解的针叶改善了林下凋落物层的通气状况，对微生物活性起到一定的促进作用，从而增加了土壤微生物各组分的含量。而供试的针叶林为杉木林，存在凋落物宿存的现象[32]，林下凋落物量较低，并且，针叶林的枯枝落叶含水量少、叶厚、酯溶性物质多及C/N值较大等因素不利于微生物生长[33]，但有助于真菌生长而提高真菌的生物量[34]。3种森林中表层土壤(0～20 cm)和深层土壤(20～40 cm)微生物各组成分均以针阔混交林为最高，显著高于阔叶林和针叶林(P＜0.001)。

3种类型的森林土壤微生物区系中，以真菌的相对生物量最高，放线菌的相对生物量最低(图2)。这是由于土壤的理化性质明显影响到不同微生物类型的生存和活性。一般认为真菌多数在土壤上层中发育，在pH 4～5的酸性土壤中生长旺盛;而放线菌适宜于碱性环境生存[35-36]，而供试林地土壤的pH值在4.5左右(表1)，均属于强酸性土壤，有利于真菌而不利于放线菌生长和繁殖。

3.2 土壤可溶性有机氮

针阔混交林、阔叶林和针叶林表层土壤SON含量分别为12.26、11.50和11.72 mg/kg，而深层土壤SON 含量分别为 7.12、7.45 和 7.15 mg/kg，高于温带森林生态系统土壤 SON 含量[2，18，37]。Hannam and Prescott[18]的结果表明，在云杉林中土壤水提的 SON 含量为 6.5 ～7.6 mg/kg。Zhu and Carreiro[37]的结果表明，橡树林土壤SON含量11.7～23.6 mg/kg。Zhong and Makeschin[2]的报道指出，挪威云杉林土壤SON含量为6.6～10.2 mg/kg。实验结果表明，阔叶林土壤SON含量高于针叶林，而针叶林土壤SON含量又高于针阔混交林。这与已有的报道相符。Michalzik et al[38]的研究表明混交林和针叶林内土壤溶液中SON流量常显著高于阔叶林内土壤溶液中SON流量。可能是因为土壤SON含量在很大程度上受到凋落物层的影响，森林土壤渗滤液中的SON的浓度与凋落物的输入量有显著的相关性。Michalzik＆Matzner[19]研究表明，枯枝落叶层渗透滤液和土壤A层中SON浓度最高，而最大流量出现在枯枝落叶层。Huang＆Schoenau[15]的研究表明约80%的SON产生于新近凋落物层。而本研究中供试的3种人工林的凋落物均难分解，SON释放速率均较慢，致使土壤SON含量差异较少。

土壤可溶性有机氮含量表现出明显的垂直分异，在同一森林植被覆盖下，表层土壤SON含量显著高于深层土壤SON含量(P＜0.05)。一方面是因为表层土壤植物根系和微生物较丰富，根分泌物的增加和微生物活性增强，增加了土壤中SON含量。周碧青等[26]研究表明针叶林、针阔混交林和阔叶林土壤中总微生物、细菌和真菌的相对生物量均随深度增加而明显减少，土壤总微生物、细菌和真菌的相对生物量垂直差异均达极显著水平。另一方面，在酸性土壤中，深层土壤中硝化现象非常显著，随着土层深度的增加，SON逐渐向硝酸盐形态转化[40]，从而降低了深层土壤中可溶性有机氮含量。

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