东北4种人工林土壤碳代谢微生物多样性特征

刘程丽，郭璇璇，牛 涵，陈振宝，吴 迪

(东北林业大学生命科学学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

东北4种人工林土壤碳代谢微生物多样性特征

刘程丽，郭璇璇，牛 涵，陈振宝，吴 迪

(东北林业大学生命科学学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

以土壤微生物为研究对象，应用Biolog方法研究4种人工林(白桦、兴安落叶松、红皮云杉、水曲柳)土壤微生物群落对Biolog不同类型碳源底物的利用情况。培养基平均颜色变化率(AWCD)以及微生物多样性指数均为红皮云杉和白桦林型较高，表明二者土壤微生物群落的碳源代谢能力高于兴安落叶松和水曲柳人工林。4种针、阔叶林型土壤微生物群落对氨基酸、羧酸和糖类等3类碳源的利用率较高；而在主成分中有主要贡献的也是这3类碳源，因此认为这3类碳源是导致土壤微生物群落变化的敏感碳源。

人工林；土壤微生物多样性；Biolog微平板法；单一碳源利用

土壤微生物是土壤不可缺少的组成部分，是陆地生态系统中的分解者和调节者，能够参与生态系统的物质循环以及能量流动[1]；其分布及活性不仅反映土壤中各因素对微生物的生态分布或者生化特性的影响和作用[2]，还能反映土壤微生物对土壤肥力的影响[3]。因此，土壤微生物特征常被作为评价土壤生物学肥力的重要指标，同时该指标又能揭示土壤的变化规律和演变趋势[4]。微生物群落多样性格局的分布可能受到植物群落类型的影响，也就是土壤微生物群落多样性与其土壤表面分布的植物群落呈正相关关系[5]。姜煜鋆等[1]对大兴安岭北部地区3种主要森林类型土壤微生物生物量、微生物分布特征进行研究发现，不同林型对土壤微生物具有显著影响。此外，Kennedy等[6]认为植被差异对土壤中微生物多样性和群落结构的影响显著；而Johnson等[7]认为土壤细菌多样性与植物群落多样性之间无明显的相关性，但是植物的功能型对土壤细菌种群的影响更为明显。因此，探明植物与土壤微生物群落结构和分布特性间的规律及相关性对植被恢复和生态重建具有重要的意义。

Biolog微孔板鉴定系统通过土壤微生物对微平板中单一碳源利用能力的差异反映土壤中微生物群落碳代谢能力的不同，可以进一步表征土壤微生物功能的多样性[8]。而研究森林土壤微生物碳代谢能力可以在微生物层面上揭示森林生态系统能量流动和碳循环过程。黑土是我国东北地区一种主要的土壤类型。目前，关于黑土林地土壤微生物群落碳代谢功能特征的研究尚少。因此，本研究以位于黑龙江省东北林业大学哈尔滨实验林场中的4种针、阔叶林的人工纯林为研究对象，采用Biolog方法研究林地生长旺季时土壤微生物多样性及其碳代谢能力，阐明树种建造人工林后，其土壤微生物群落结构组成的变化，为该地区森林恢复的树种选择、合理搭配以及人工碳汇林的经营管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究地点为东北林业大学哈尔滨实验林场，位于黑龙江省南部的哈尔滨市中心(44°04′—46°40′N、125°42′—130°10′E)，海拔136～140 m，区域面积48.83 hm2，土壤类型为黑土，土层深厚，土质肥沃；该地属中温带大陆性季风气候，年均气温3.6 ℃，年均降水量569.1 mm。7月最高气温达38 ℃，平均降水量占全年的60%～70%。秋季降雨明显减少，冬季漫长寒冷干燥，1月最低气温曾达-37.7 ℃[9]。该实验林场始建于20世纪50年代，种植了东北林区十几个主要造林树种，包括白桦(BetulaplatyphyllaSuk.)、水曲柳(FraxinusmandshuricaRupr.)、兴安落叶松(Larixgmelinii(Rupr.) Rupr.)、红皮云杉(Piceakoraiensis)、黑皮油松(Pinustabulaeformisvar.mukdensis)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolicaLitv.)、胡桃楸(JuglansmandshuricaMaxim.)、黄菠萝(PhellodendronamurenseRupr.)等[10]。

1.2 样品采集

于2014年7月在东北林业大学实验林场选取4种针、阔叶人工纯林样地，树龄约为60 a，分别为白桦林、兴安落叶松林、红皮云杉林、水曲柳林。每块样地随机设置10个1 m × 1 m 样方，采集0～10 cm土层的土壤样品，每个样品重复3次。每块样地采集30个样点，每10个样点的土壤混合均匀得到3个平行样，过2 mm筛，样地土壤基本情况见表1。

表1 不同林型下土壤理化性质基本情况

1.3 测定方法

采用BIOLOG生态微平板(BIOLOG EcoPlateTM)测定。土壤样品在25 ℃下活化24 h，称取土样10.00 g放置到250 mL三角瓶中，加入无菌0.85% NaCl溶液90 mL，充分振荡1 min后，冰浴1 min，过程反复3次，静置10 min后，用无菌NaCl溶液将土壤悬浮液稀释为10-3，并向生态板的每个孔中加入土壤悬浮液150 μL，其中，对照孔内无碳源底物，然后将微平板放置于25 ℃恒温培养，每隔24 h用酶标仪(Sunrise Remote，TECAN)于590 nm处测定光密度值，连续读数10 d[11]。

1.4 计算方法

1.5 数据分析与处理

使用Excel 2010软件及SPSS 16.0统计软件对数据进行统计分析处理。

2 结果与分析

2.1 碳源平均颜色变化率(AWCD)

平均颜色变化率(AWCD)是反映土壤微生物群落活性的重要指标，通过颜色变化来体现微生物群落反应速度以及对不同碳源的代谢情况，AWCD值增加得越快，表明微生物群落对该底物代谢活性越强[13]。本研究中，随着培养时间的增加，各林型土壤样品AWCD值均呈现增大的趋势，但增加程度有所差异，说明土壤中微生物的代谢活性逐渐增强，但对碳源利用能力存在差异(图1、图2)。本研究中，在最初培养的24 h时，4种林型的土壤样品AWCD值均较小，且变化较为平缓，说明在该时间段土壤微生物对微平板中的碳源利用能力较低；而在24 h后明显上升；到72 h，微生物活性较旺盛，对碳源的利用明显，各林型土壤微生物群落AWCD介于0.13～0.22，白桦和红皮云杉AWCD高于兴安落叶松和水曲柳，但差异未达显著水平。培养192 h之后AWCD值变化相对趋于平缓。在培养240 h后不同林型土壤微生物对单一碳源利用强度由高到低依次为：红皮云杉>白桦>兴安落叶松>水曲柳。红皮云杉和白桦的AWCD值增长幅度明显高于兴安落叶松和水曲柳，说明人工林不同林型土壤微生物存在差异，红皮云杉和白桦土壤微生物碳源利用能力较强，微生物群落代谢活性强。

2.2 土壤微生物群落功能多样性指数

多样性指数能够表征土壤微生物群落多样性的不同特征。Shannon指数反映微生物群落物种的丰富度，Simpson指数反映微生物群落的常见物种及物种优势度，而Mclntosh指数则反映微生物群落均匀性特征[14-16]。通过对不同林型下土壤微生物培养72 h时，对获得的Shannon多样性指数、Simpson指数、McIntosh指数等数据进行多样性分析，由表2可知，不同林型下土壤微生物碳源利用程度之间存在差异。培养72 h 后，白桦和红皮云杉的土壤微生物群落多样性指数和均匀度指数均高于兴安落叶松和水曲柳，但3项指数在不同林型间差异未达显著水平。

表2 不同林型土壤微生物群落多样性指数

2.3 土壤微生物群落利用碳源的类型

不同林型下土壤微生物对6大类碳源(氨/胺类、羧酸、氨基酸、聚合物、糖类、其它化合物)的利用强度存在差异(图3)。本研究中，土壤微生物均呈现出对羧酸和糖类利用能力较强，而对氨/胺类底物利用能力最弱，其中白桦林土壤微生物对糖类利用能力是氨/胺类底物的10.7倍。

此外，不同林型的土壤微生物对同一类型碳源的利用也存在差异。白桦和红皮云杉林的土壤微生物对6种碳源的利用能力均高于兴安落叶松和水曲柳，其中各林型之间土壤微生物对氨/胺类、羧酸及其它化合物的利用差异显著。除了对其它化合物外，水曲柳林土壤微生物对各类碳源的利用能力均为最低。由于土壤微生物对碳源利用能力的强弱反映土壤微生物群落活性高低，本研究中白桦和红皮云杉土壤微生物对碳源利用率较高，说明该林型下土壤微生物群落活性较强。

2.4 土壤微生物群落碳源利用的主成分分析

应用主成分分析，从31种因子中提取与土壤微生物碳源利用功能多样性相关的3个主成分因子(PC1、PC2、PC3)，累积贡献率达56.9%，可以分别解释所有变量方差的26.0%、16.8%、14.1%；其中，主成分1和主成分2的累积贡献率能够解释42.7%的变异，能够构成变异的主要来源，可以用来解释变量的绝大部分信息(表3)。本研究中，不同林型土壤微生物群落对碳源利用在PC 轴上呈现了明显差异(图4)。红皮云杉、白桦、落叶松在PC1轴上为正方向分布，得分系数为0.00～1.56；水曲柳分布在负方向上，得分系数为-0.16～0.17。在PC2 轴上，水曲柳分布在正方向上，而白桦、红皮云杉、兴安落叶松在正、负方向上都有分布。因此，PC1和PC2基本上能够区分4种林型土壤微生物群落特征。

PCA中的因子载荷可反映不同土壤碳源利用的差异，绝对值越大，表明该基质的影响越大，在碳源中起主要分异作用[17]。由表4可知，PC1载荷在0.5以上的有16种基质，其中因子载荷在0.7以上的有6种，分别属于氨基酸(3种)和羧酸(3种)；PC2载荷在0.5以上的有8种基质，其中因子载荷在0.7以上的只有3种，分别属于糖类(2种)和其它化合物(1种)。由此可知，PC1、PC2中因子载荷高的基质能够代表大部分林型间土壤微生物碳源利用的差异，其中占权重较大的基质分别来自氨基酸、羧酸和糖类。因此，可以认为本研究中氨基酸、羧酸和糖类这3类基质是导致微生物代谢呈现差异的碳源。

3 结论与讨论

土壤微生物可作为指示森林健康状况及生态系统稳定性的敏感指标，在森林中发挥着保持水土、促进林内养分循环、调节土壤中物质转换等重要的作用[18]。影响土壤微生物多样性的因素主成分很多，包括土壤母质、肥力水平、湿度、温度以及根际分泌物等[11，19]；此外，林分因素也显著地影响土壤微生物生物量及种类[20]。江玉梅等[21]认为阔叶林的土壤微生物代谢功能强于针叶纯林，这可能归因于阔叶混交林的凋落物较针叶林更易分解，在土壤中积累形成的有机质相对较多，更有利于土壤微生物的代谢及利用[22]。本研究选择东北地区4种针、阔叶林人工林林型，利用Biolog技术对其土壤微生物碳源利用多样性开展研究，结果表明各土壤样品的AWCD值均表现为随着培养时间的增加，土壤微生物对碳源的利用量逐渐增大。4种林型土壤微生物对单一碳源利用能力由高到低依次为：红皮云杉>白桦>兴安落叶松>水曲柳，该结果与郭彦萃等[23]对凉水自然保护区人工林土壤微生物的研究一致，认为夏季时0～10 cm土层红皮云杉土壤微生物AWCD值最高，白桦次之，而兴安落叶松为最低。

表3 主成分的贡献率和累积贡献率

主成分分析(PCA)能够解释土壤微生物对6大类碳源利用能力之间的差异，本研究利用PCA方法分析4种森林类型土壤微生物群落代谢多样性，结果表明不同林型之间土壤微生物群落代谢类型较为接近，但对碳源的代谢功能存在差异。红皮云杉、白桦和兴安落叶松主要分布在第1主成分的正方向上，水曲柳分布在第1主成分负方向；而兴安落叶松在第2主成分上与红皮云杉和白桦差异明显。在主成分中起主要贡献作用的是氨基酸、羧酸和糖类碳源，可以选择其作为区分不同林型下土壤微生物碳源利用类型的依据。

多样性指数、优势度指数和均匀度指数可以表征土壤微生物群落多样性情况，能够反映土壤微生物结构以及功能的差异[24]。与针叶林相比，阔叶林在森林郁闭度、林下透光率、水分状况等方面都有着明显的差异，一定程度上可能提高了土壤微生物群落多样性[23]。本研究中白桦和红皮云杉的土壤微生物比水曲柳土壤微生物多样性特征更为丰富，然而各项指标之间无显著差异。江玉梅等[21]在研究4种重建森林土壤微生物的多样性指数和均匀度指数时，发现虽然不同树种土壤微生物量和优势种群变化很大，但总体群落多样性差异不显著。刘秉儒等[25]也认为不同植被带土壤微生物群落结构存在显著差异，可能是由于土壤微生物群落结构和多样性受到植物群落类型差异的影响，进而导致微生物群落功能多样性发生相应变化，所以土壤微生物群落功能多样性作为重要指示因子能够表征土壤生态系统稳定性。因此，了解不同林型土壤微生物群落对碳源利用能力，对森林恢复时树种的选择、合理配置以及人工碳汇林的建造具有指导意义。

表4 31种碳源与PC1、PC2的相关系数

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Research on the Characteristic of Soil Carbon-metabolic Microbial Diversityfrom the Northeast Four Plantation

LIU Cheng-li，GUO Xuan-xuan，NIU Han，CHEN Zhen-bao，WU Di

(CollegeofLifeSciences，NortheastForestryUniversity，Harbin150040，Heilongjiang，China)

In this study，the Biolog assays was used to study the capability of soil microbial community from four plantation (BetulaplatyphyllaSuk.，Larixgmelinii(Rupr.) Rupr.，PiceakoraiensisandFraxinusmandshuricaRupr.) to utilize different carbon sources.The results showed that soil microbial functional diversity differed significantly from the different plantation types.BetulaplatyphyllaSuk.plantation andPiceakoraiensisplantation with the higher average well colour development (AWCD) and microbial diversity indices implied that the soil microbial community had the higher carbon source metabolism ability. Amino acids，carboxylic acid and carbohydrates were the main carbon sources with the main contribution for principal component analyses (PCA)，and possessed higher utilization efficiency and utilization intensity for different plantation types.Therefore，three carbon sources，considered as sensitive carbon sources，could cause the changes of soil microbial community.

plantation；soil microbial diversity；biolog micro plate method；sole carbon source utilization

2015-04-08；

2015-06-15

东北林业大学大学生创新创业训练计划项目(201410225108)；中国博士后科学基金面上资助项目(2014M561314)；提高油气采收率教育部重点实验室开放课题(2013)

刘程丽(1993—)，女，河南新乡人，东北林业大学生命科学学院本科生，从事森林土壤微生物多样性等方面的研究。E-mail：601682578@qq.com。

吴迪(1982—)，女，黑龙江哈尔滨人，东北林业大学生命科学学院讲师，从事土壤微生物结构与功能等方面研究。E-mail：datou1425@126.com。

10.13428/j.cnki.fjlk.2016.01.003

S714.8；S718.8

A

1002-7351(2016)01-0014-06