暖温带针阔叶林下土壤微生物区系群落特征及其动态研究

张克弟， 巨天珍*， 王继伟， 惠亚梅， 曹 春， 张宋智， 刘小林

(1.西北师范大学，甘肃 兰州 730030；2.甘肃省小陇山林业科学研究所，甘肃 天水 741022)

暖温带针阔叶林下土壤微生物区系群落特征及其动态研究

张克弟1， 巨天珍1*， 王继伟1， 惠亚梅1， 曹 春1， 张宋智2， 刘小林2

(1.西北师范大学，甘肃 兰州 730030；2.甘肃省小陇山林业科学研究所，甘肃 天水 741022)

实施森林分类经营导致土壤微生物生态的变化，是保护区生态环境监测的任务之一。结合甘肃天水小陇山土壤微生物多年调研资料，在总结针叶林和阔叶林下微生物群落特征的基础上，比较了阔叶林转化为针叶林后土壤微生物的动态。结果表明：①暖温带阔叶林土壤微生物数量和分布特征的生态幅较小，针叶林较大；②针阔林下土壤微生物群落优势菌属相同，但针叶林的优势属葡萄球菌属(Staphylococcus)及稀有菌属头孢霉属(Cephalosporium)在阔叶林未出现，阔叶林常见属交链孢霉属(Alternaria)在针叶林未出现；③暖温带阔叶林土壤微生物多样性指数均大于针叶林，针、阔叶林下功能菌群类型且其数量排序基本一致；④阔叶林转变为针叶林后，对不同时期土壤微生物群落的数量、分布、种属组成、多样性和功能菌群等特征的全面分析认为，土壤微生物逐步适应了地上植被的变化，即微生物与环境关系的建立与地上植被类型的关系更密切。

土壤微生物特征；林地转化；阔叶林；针叶林；暖温带

森林土壤微生物是森林生态系统的重要组成成分，其类群与数量变化是反映土壤质量的重要生物学指标[1]。同样，森林植被类型是影响森林土壤微生物群落的重要因素，地上植被影响着土壤微生物的群落结构及多样性等[2]。不同林型土壤微生物群落数量及其分布变化规律是该地环境优劣的标志，提炼和总结不同气候带土壤微生物特征和人为干扰下土地恢复过程，可为林地生态环境功能与生物多样性的评价、林业政策的制定和稳定提供科学依据。近年来，随着分子生物学的迅速发展，土壤微生物的研究开辟了微生物生态学研究的一个新纪元[3]。但是传统方法对于在探究土壤微生物与环境之间的相互关系，发掘土壤微生物资源和对土壤微生物实行定向控制等研究方面仍有优势，应予以足够重视。特别是现在全球变化、人类活动等因素影响了各种营养元素的生物地化循环，土壤微生物的种类数量和功能作用也随之发生了相关性的变化[4]。许多学者在森林土壤微生物多样性、土壤微生物群落学特征、微生物量等方面做了很多研究[5-7]，对微生物和环境间的关系进行了总结，成为微生物生态学理论的重要组成。暖温带代表甘肃天水小陇山国家级保护区针阔林下土壤微生物特征的比较研究及人工干扰下阔叶林地转变为针叶林地后土壤微生物群落动态特征未见全面报道。本文是对人工林维持环境稳定性研究、保护区人工干预下土壤生态系统动态监测的补充。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

小陇山国家级自然保护区地处秦岭西段，西秦岭地槽与陇西-祁连地轴的接触带，位于北纬34°00′～34°40′，东经105°30′～106°30′。是我国暖温带南缘与北亚热带的过渡地带，属森林生态系统类型的自然保护区[8]。保护区植物种类非常丰富，木本植物86科、224属、800多种，包括281种乔木、437种灌木、85种木质藤本以及30多种珍贵树种；草本植物158科、726属、1 986种，其中蕨类21科、41属、95种，苔藓53科、98属、139种；药用植物1 004种。已有研究表明全新世中期以来[9]小陇山地带性植被类型是栎林或针阔叶混交林，随着全球气候变化，两种林型的分布区呈现有规律地变化。目前研究区栎林占林地面积的80%左右，以锐齿栎(Quercusalienavar．acuteserrataMaxim．)为主的栎林为地带性植被类型，分布于1 300～1 800 m的山地。其次是油松(PinustabuliformisCarrière)林、华山松(Pinusarmardii)林、红豆杉(Taxuschinensis(Pilg.)Rehd)林和白皮松(PinusbungeanaZucc.)林等针叶林及针阔叶混交林等。人工林主要以替换锐齿栎林地的日本落叶松(Larixkaempferi)林为主。

1.2 方法

1.2.1 样地设置及土样采集 根据小陇山林科所和林场工作人员多年的工作经验，选择有代表性的样地，采用样方法，设置20个面积为20 m×20 m的大样方，每个大样方划分为4个10 m×10 m的小样方。利用9点采样法，在同一垂直面上逐层用土钻每隔10 cm取样，分别依次采取深层(40 cm以下)、中层(20～40 cm)以及上层(0～20 cm)的土样进行分析[10]。将同一层次的土样过 2 mm 土壤筛混匀，每个土样采1 000 g装入灭菌聚乙烯袋，内外附上标签，写明采样地点、时间、深度、日期及采样人并编号，迅速带回实验室，置4 ℃冰箱中保存，用于微生物数量、组成等的测定[11]。

1.2.2 土壤微生物的分离与统计 土壤微生物区系分析采用涂抹法、稀释平板法接种，然后用平板计数法计数[12]。通过公式计算得出结果：

菌数(cfu/g干土)=(菌落平均数×稀释倍数)/干土克数。

1.2.3 土壤微生物的分类及优势种的划分 细菌鉴定依据培养特征、个体显微结构以及生理生化实验进行，真菌、放线菌的显微镜观察均采用插片法：将灭菌的盖玻片斜插入凝固的无菌培养基中，供试菌株接种在盖玻片与培养基交界处。将已做好的平板置于28 ℃恒温培养箱中培养5～7 d，取出盖玻片并用0.1%的美蓝染色镜检，根据菌落、形态特征确定微生物主要类群的优势种群[13]。根据高雄飞等[14]的划分依据，某种物种占整体的百分比大于等于10%为优势属，1%～10%为常见属，小于等于1%为少见属。

1.2.4 土壤微生物多样性分析 采用Shannon指数HP、Simpson指数D和Mclntoch指数DM对土壤微生物多样性指数进行测定，公式如下：

丰富度指数对土壤微生物群落多样性进行分析[15]，即

丰富度指数：R1=(S-1)/ln(N)

均匀度指数为群落中不同物种的多度分布的程度，即每个种个体数间的差异，计算公式：

Pielou均匀度:Jsw=(-ΣPilogPi)/logs

Heip均匀度:Eh=(exp(-ΣPilnPi)-1)/(S-1)

式中，Pi是第i种个体数ni占个体总数N的比例，即Pi=ni/N；S为物种数目；N为所有物种的总个体数；ni是第i种的个体数。

2 结果与分析

2.1 土壤微生物群落的数量比较

三大类群微生物数量的多少常作为土壤微生物活性高低的重要指标之一。细菌是土壤中分解活动的主力军，放线菌对于土壤有机质的分解和养分的释放有很重要的作用，真菌则是森林地被物木质素的有效分解者，其数量和种类都受土壤条件的影响。小陇山不同植被微生物的数量如下：针叶林土壤微生物群落总数在143.7×105～8 370.9×105cfu/g干土之间，其中细菌数量为140.3×105～8 365.3×105cfu/g干土，放线菌为0.694×105～4.849×105cfu/g干土，真菌为0.154×105～1.46×105cfu/g干土;阔叶林微生物总数在806.188×105～7 295.452×105cfu/g干土之间，其中细菌数量为805.51×105～7 292.34×105cfu/g干土，放线菌为0.575×105～1.877×105cfu/g干土，真菌为0.103×105～1.235×105cfu/g干土。

由图1可知,针叶林土壤微生物群落总数变化范围较大，阔叶林变化范围较小，总体上来说阔叶林土壤微生物数量比较集中。这一特点与地上阔叶林的集中分布、针叶林在林区较为分散的分布格局是一致的，如阔叶林集中大片分布在小陇山1 300～1 800 m山地，与此相反的是针叶林以小于1 300 m、大于1 800 m山地，或林区较干旱或极湿润地段零星分布。除细菌外，阔叶林下土壤微生物中放线菌和真菌数量较针叶林少。从以上数据中细菌、真菌和放线菌的数量占微生物总量的比例来看，针叶林型下细菌总量约占99.89%，放线菌占0.076%，真菌占0.024%。阔叶林细菌占总数的99.95%，放线菌占0.03%，真菌占0.02%。这与该地区自然条件(如气候、植被状况等)和人类活动强度、方式及其土壤生态环境有密切关系。因此，微生物数量大小是比较不同气候条件下生态优劣的指标之一。

图1 针、阔叶林土壤微生物的数量格局Fig.1 The number of Coniferous and broad-leaved forest soil microbial structure

图2 针、阔叶林土壤微生物的分布格局Fig.2 The soil microbial distribution pattern in coniferous and broad-leaved forest

2.2 土壤微生物群落空间分布特征

图2表明，不同植被类型下土壤微生物的总量在土壤剖面上均表现出明显的垂直分布特征，表层土壤微生物数量最丰富，中层次之，下层最少。其中针叶林表层微生物总平均数达到763.6×106cfu/g干土，是中层土壤微生物总平均数359.3×106cfu/g干土的2.13倍，是深层土壤微生物总平均数176.5×106cfu/g干土的4.33倍。阔叶林上层微生物总平均数达到255.7×106cfu/g干土，是中层土壤微生物总平均数116.8×106cfu/g干土的2.19倍，是深层土壤微生物总平均数71.05×106cfu/g干土的3.6倍。由图2还可以看出，针叶林在各层中微生物群落总平均数变化范围比阔叶林微生物群落总平均数变化范围大，且针叶林与阔叶林表层和中层的微生物总量分布相差较大，下层微生物的数量比较集中。通过对比可知三大类群微生物的数量在空间分布上与土壤微生物总量分布相一致，土壤微生物的这种垂直层次上的数量差异与土壤有机质、土壤养分以及土壤水分、温度和通气状况等因素有关[16]。

2.3 土壤微生物群落的种属组成

小陇山针叶林下土壤微生物调查中共鉴定出19个菌属，阔叶林下18个菌属。放线菌仅检测出链霉菌属。由表1可以看出，小陇山针叶林下土壤微生物菌属与阔叶林下土壤微生物菌属在类型和数量上基本一致，但就同一植被类型下不同菌属在不同树种下所处的地位不同，如针叶林型下的固氮菌属在日本落叶松林下属优势菌种，而在油松林下则为常见菌属。同一菌属在不同林型下的地位也有差别，如根霉属、毛霉属在针叶林下为常见属，而在阔叶林型下则为优势菌属；针叶林型下的黄杆菌属为常见属，但在阔叶林型下则为稀有菌属。

表1 针叶林与阔叶林土壤微生物群落的种属组成Table 1 Coniferous and broad-leaved forest soil microbial community species composition

对针叶林和阔叶林下特有的优势种属进行分析比较，表现出小陇山针叶林与阔叶林具有不同的生长环境。固氮菌属为无内生芽胞革兰阴性菌，属于严格好氧性、有机营养型，能固定空气中的氮素；葡萄球菌属为革兰阳性球菌，常堆聚成葡萄串状，营养要求不高，在普通培养基上生长良好，在含有血液和葡萄糖的培养基中生长更佳，属于需氧或兼性厌氧，少数专性厌氧，适宜温度为28～38 ℃，pH 4.5～9.8；根霉属广泛分布于酒曲、植物残体、腐败有机物、动物粪便和土壤中，适宜生长温度约为28 ℃;毛霉属是单细胞霉菌，隶属于毛霉目，其菌丝白色，腐生，极少寄生，霉菌分解蛋白质能力很强。固氮菌和葡萄球菌属对外界生长环境要求不高，在有些偏酸性或贫瘠的土壤中也可以生存；根霉和毛霉属则更适于生活在土壤条件比较好的环境中。固氮菌和葡萄球菌属是针叶林下的优势菌属；根霉和毛霉属为阔叶林下的优势菌属[17]。可见，针叶林的生长环境较阔叶林地偏酸性或贫瘠等。

2.4 土壤微生物多样性特征

生物多样性是当前生态学研究的热点之一，而微生物群落多样性作为生物多样性的重要组成部分，不仅提高了土壤生态系统的稳定性和和谐性，也提高了对抗土壤微生态环境恶化的缓冲能力[18]。为了进一步比较在不同植被下的土壤微生物多样性，分别在小陇山针叶林与阔叶林地进行取样调查，得出物种丰富度指数(R)、物种多样性指数(HP)和物种均匀度指数(E)，结果见图3。

图3 针叶林与阔叶林土壤微生物多样性比较

由图3可见，在小陇山针叶林与阔叶林样地中，土壤微生物物种丰富度指数、均匀度指数和多样性指数都存在阔叶林>针叶林的规律。阔叶林样地植物群落中土壤比较适合微生物的生长。在

实地调查中了解到这些样地物种组成复杂且各树株分布比较均匀，群落结构层次复杂，土壤层较厚，相比之下针叶林样地群落土壤环境的异质性较高，土层薄，土壤贫瘠。

2.5 土壤微生物群落的生理类群

由表2可以看出，针叶林与阔叶林下土壤微生物群落功能菌群类型基本相同，阔叶林土壤微生物功能菌数量较针叶林丰富，且变化范围比针叶林大。但总体数量在不同植被下土壤中的变化基本一致，其中数量最为丰富的是氨化细菌，在阔叶林中达(11.26～36.58)×105cfu/g干土，在针叶林中的变化范围是(1.92～17.78)×105cfu/g干土。另外，土壤微生物主要生理类群的数量随着土层深度的增加而减少。阔叶林和针叶林土壤微生物各主要生理类群数量均表现为氨化细菌>溶磷菌>好氧固氮菌>解钾硅酸盐细菌>好氧纤维素分解菌。

表2 针叶林与阔叶林土壤微生物功能菌数量特征(×105 cfu/g干土)Table 2 The quantitative characteristics of coniferous and broad-leaved forest soil microbial functional bacteria

2.6 锐齿栎林地转换为日本落叶松林地后土壤微生物特征研究

本研究主要是锐齿栎生长地置换为日本落叶松林后，对日本落叶松林地集中试验栽种区6～35 a林地土壤微生物的数量、生态分布、功能菌群以及多样性做一对比，结果见图4。图4表明，栽培日本落叶松后土壤中的细菌、放线菌和真菌的数量较锐齿栎均有所增加，随着日本落叶松林龄的增加，土壤微生物呈现出先增加后减少的正态分布趋势，即中年林微生物数量最为丰富，总数达到321.209×108cfu/g干土；老年林微生物总数次之，为42.876×108cfu/g干土；幼龄为27.703×108cfu/g干土；锐齿栎为0.72×108cfu/g干土，锐齿栎林下微生物总数较日本落叶松小1～2个数量级。日本落叶松在不同林龄下，微生物数量随着土层的加厚均表现出明显的垂直分布规律，表层微生物总平均数最多，在日本落叶松的中龄达到175.271 6×108cfu/g干土，中层次之，深 层最少。从细菌、真菌和放线菌的数量占微生物数量的比例来看，细菌数量最大，较放线菌和真菌大3～4个数量级，放线菌和真菌的差异不大。同样在亚热带气候地区，薛立等[19]研究，也得出了类似的结果。

图4 锐齿栎与日本落叶松不同林龄的 土壤微生物数量比较Fig.4 Comparison of soil microbial quantity Sharptooth oak and Japanese Larch with different age

对锐齿栎和日本落叶松林地土壤微生物主要类群进行鉴定，可以了解土壤微生物群落结构和物种组成，能够对进一步分析土壤C、N等元素及其相关有机物质的分解、循环过程以及土壤-植被系统的稳定性提供参考。由图5可知，锐齿栎林地功能菌数量总体上多于日本落叶松，在栽培日本落叶松后，推动磷素循环的有机磷分解菌和解钾硅酸盐细菌等微生物类群随着林龄的增加呈上升的趋势，但维持碳素循环的纤维素分解菌却出现了相反的情况。

图5 微生物功能菌比较Fig.5 Comparison of Microbial functional bacteria

对小陇山锐齿栎和日本落叶松人工林地土壤微生物群落的多样性比较，见图6，锐齿栎林地丰富度指数较日本落叶松林地多，R值分别为4.16和2.987，其均匀度指数和多样性指数也比日本落叶松林各林龄段高。日本落叶松从幼龄、中龄到老龄林地丰富度指数、均匀度指数及多样性指数的变化趋势基本一致。

图6 微生物多样性比较Fig.6 Microbial diversity comparison

3 讨 论

暖温带小陇山阔叶林土壤微生物群落数量和分布的生态幅均小于针叶林，这与地上植被的分布特征一致。阔叶林下土壤微生物有18个菌属，3个特有属；针叶林下19个菌属，2个特有属。但是阔叶林土壤微生物多样性>针叶林微生物，阔叶林与针叶林下土壤微生物群落生理菌群类型基本相同，且数量大小顺序一致：氨化细菌>溶磷菌>好氧固氮菌>解钾硅酸盐细菌>好氧纤维素分解菌。

人工干预下：①栽培日本落叶松后，土壤微生物数量先增加后减少，呈正态分布趋势，锐齿栎林下微生物总数较日本落叶松小1～2个数量级。微生物数量随着土层的加深都表现出明显的垂直分布规律，但是变化幅度较阔叶林大，与针叶林下微生物变化规律相似。②日本落叶松林地功能菌数量少于锐齿栎，且随着林龄的增加，氮素等生理类群数量成增加的趋势，纤维素分解菌却出现了相反的情况。③从多样性上来说，锐齿栎林地高于日本落叶松各林龄地，这一特点与其地上树种单一性有一定的关系。

阔叶林地转变为针叶林地后，土壤微生物数量总体呈增加趋势，数量的分布、多样性及功能菌群等特征越来越趋向于针叶林群落的特点，是适应的表征，是植被演替后微生物与环境之间新型关系的建立，从这个角度而言是“进展”演替。

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Soil Microbial Community Characteristics and Dynamics under a Warm Temperate Coniferous and Broadleaf Forest

ZHANG Ke-di1, JU Tian-zhen1, WANG Ji-wei1, HUI Ya-mei1,CAO Chun1, ZHANG Song-zhi2, LIU Xiao-lin2

(1.NWNormalUni.,Lanzhou730030; 2.XiaolongshanForest.Sci.Res.Inst.ofGansuProv.,Tianshui741022)

It is one of the tasks of ecological environment monitoring that the change of soil microbial ecology in preservation zone caused by implementing forest classification management. This article compared the dynamic of soil microorganisms after transferring broadleaf forest into coniferous forest combined with microbial community characteristics of investigation and research data in many years in Mt. Xiaolong, Tianshui, Gansu and based on summarized the characteristics of the microbial community under the coniferous and broadleaf forests. The results showed that the region ① in warm temperate zone the broadleaf forest soil microbial quantity and the ecological range of distribution characteristics was fairly small, but fairly large in coniferous forest; ②The dominant bacteria genera of soil microbial communities were the same in the coniferous and broadleaf forests, but the dominant genus ofStaphylococcusin coniferous forest and rare genus ofCephalosporiumin broadleaf forest did not appear, and common genus ofAlternariain coniferous forest did not appear; ③ in warm temperate zone the soil microbial diversity index in broadleaf forest were all greater than in coniferous forest. The functional bacteria types and quantity sequence were basically identical in coniferous and broadleaf forest; ④ comprehensive analyses of the quantity, distribution, component of species and genera, diversity and function, and other characteristics of soil microbial community in different periods, it is believed that after transferring broadleaf forest into coniferous forest, the soil microbes gradually adapt to the variation of the ground vegetation, i.e. the establishment of the relationship between microorganisms and environment and the types of ground vegetation had much closely related.

soil microbial characteristics; forest-land conversion; broadleaf forest; coniferous forest; warm temperate zone

国家自然科学基金项目(41161080)；甘肃省科技计划项目(2010GS05134)

张克弟 女，硕士研究生。研究方向为城市生态。E-mail: llfhnovice@126.com

* 通讯作者。女，教授，硕士，硕士生导师。研究方向为城市生态。E-mail:jujutz@163.com

2015-06-20；

2015-08-19

Q939.9;X172

A

1005-7021(2016)03-0007-07

10.3969/j.issn.1005-7021.2016.03.002