种植竹荪后毛竹林土壤微生物生物量和微生物熵的动态变化

夏 捷，陈 胜，吴一凡，张 玮，谢锦忠*

(1.中国林业科学研究院亚热带林业研究所，浙江 杭州 311400；2.南京林业大学林学院，江苏 南京 210037)

土壤微生物是土壤生命体的重要组成成分，参与土壤系统内的多种生物化学反应[1]。土壤微生物在土壤系统中占据比例较低，但由于其对环境的变化敏感，能够显著反映土壤系统发生的变化，因此可将土壤微生物参数用作评价土壤质量的指标[2]。土壤微生物生物量(SMB)是指土壤中体积小于5.0×103μm3的生物总量[3]。土壤微生物生物量随土壤有机质的积累而增加，是表征土壤生态系统中物质循环和能量流动的重要参数[4-5]。土壤微生物熵主要受土壤有机质质量和含量影响，反映了单位资源所能支持的微生物生物量[6]。土壤微生物熵通过反映土壤养分及其利用效率的变化来表现土壤生态系统的动态变化，有研究表明，土壤微生物熵越大而土壤养分积累越多时，土壤养分损失越多[7-8]。因此，微生物熵可用于探究土壤养分的积累和变化。生态化学计量主要用于研究化学元素(主要是碳、氮和磷)的质量平衡对生态交互作用的影响。土壤-微生物化学计量不平衡性可反映土壤微生物与土壤化学组成的差异性，有助于了解土壤与微生物之间的养分动态平衡状态[3]。研究表明，土壤微生熵碳随着土壤N/P(化学计量比，下同)的增加而减小，土壤微生物量氮随着土壤微生物化学计量不平衡性(记为Nimb/Pimb等)的增加而减小，土壤微生物熵磷随着土壤C/P、N/P的增加而增加[9]。同时，微生物熵也会随土壤化学计量不平衡性的增加而降低[10]。土壤与微生物之间的化学计量不平衡性综合考虑了土壤和微生物两者C、N、P化学计量比的变异性，可更准确地衡量植物化学组成与资源化学组成的差异性，化学计量不平衡性越小则资源质量越高，微生物生长效率也越高[11-12]。因此，探索土壤-微生物C、N、P生态化学计量和微生物熵的动态变化，有利于进一步明确土壤与资源的变化特征。

竹荪(Dictyophoraindusiata)又名竹参、竹蕈等，为自然生长于竹林下的一类珍贵食用菌，其营养丰富，富含大量的氨基酸和多糖等，具有降压、抗癌和延缓衰老等作用[13]。近年来，竹荪的需求量日益增加，已成为我国重要的食用菌产品[14]。在竹林下仿野生栽培条件培育竹荪，既有利于充分利用竹林废弃物和林下空间，又可节约栽培成本、实现资源的有效利用。研究表明，竹荪属于大型土生真菌，土壤质量与竹荪产量、品质密切相关[15]。而在竹荪栽培过程中会对毛竹(Phyllostachysedulis)林地土壤产生一定影响，进而影响竹林的生长发育。同时竹荪存在连作障碍，会阻碍竹菌复合经营模式的发展。因此，开展竹荪种植后林地土壤质量变化的研究尤为重要。然而，目前关于林下竹荪栽培的研究主要集中在栽培技术[16]、产量及品质[17]和单个生长过程中土壤微生物变化[18]，有关林地土壤质量变化的研究鲜见报道。因此，为了明确种植竹荪对林地土壤的影响，以竹荪收获后不同时间的林地土壤为研究对象，分析土壤微生物生物量、微生物熵的变化规律，探索收获竹荪后不同时间土壤微生物生物量、微生物熵及其与土壤-微生物化学计量参数间的关系，旨在明确竹荪种植后林地及土壤肥力变化及土壤和微生物之间的相互作用，从而为竹荪高质高效培育提供参考，为竹-菌复合生态系统的经营提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及试验设计

试验地位于浙江省杭州市富阳区庙山坞实验林场(119°56′～120°02′E，30°03′～30°06′N)，属亚热带季风气候，年平均降水量1 200 mm，年平均气温16.9 ℃，无霜期237 d。试验地海拔约80 m，坡度约15°，东南坡向，为毛竹纯林，立竹度2 500～2 600株/hm2；实行季节性伐竹和留笋养竹，经营比较粗放。

由于试验林地内可供选择平整地面不多，采用随机区组设计进行试验。完全随机区组设计采用DPS数据处理系统实现，具体试验安排见图1。每块样地20 m×20 m(四周有深0.5 m隔离沟)，设置3个重复，后分别于各试验样地中挑选1块样方在对应年份进行竹荪种植实验，样方为4 m×4 m。种植竹荪时，先在各样地中挖宽30 cm、深10 cm的水平状种植沟，平铺15 kg/m2的发酵竹屑基质，厚约20 cm；接着在基质料面中部挖10 cm深沟，将约30 g菌块放入基质沟中，每个菌块间隔6 cm，菌种用量为1.25 kg/m2(菌种袋规格为8 cm×6 cm×13 cm)；菌块播种好填入基质，并覆盖5 cm厚的竹林土块。

2018—2020年进行竹荪种植和收获工作，各年均于当年8月底完成竹荪收获，2018年和2019年在竹荪收获后林地土壤不做处理，待至2020年8月当年竹荪收获完成后于同一时间(2020年8月)进行林地土壤取样。从2020年8月完成竹荪收获的林地中立刻取样记为T0(收获与取样同时进行)，从2019年8月完成竹荪收获的林地中取样记为T1(收获与取样时间间隔1 a)，从2018年8月完成竹荪收获的林地中取样记为T2(收获与取样时间间隔2 a)，未种植竹荪的林地于2020年8月取样记为对照组(CK)。在各样地均铺设美国雨鸟ESP-RZX控制器控制的下挂式自动喷雾装置，进行日常水分灌溉。

1.2 土壤取样及指标测定

2020年8月下旬在各样方中分别设置5个1 m×1 m样方作为取样点，用土钻采集0～20 cm土层的土壤，共得60(3重复×4处理×5样地)份土样。将采集的土样混合均匀后采用四分法保留部分样品作为样地的土壤样品，所有土样带回实验室过2 mm筛去除根系、残留基质及石块后保留样品400 g，取200 g土壤样品风干研磨，用于测定土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)含量，剩余200 g土样置于4 ℃冰箱冷藏保存，用于测定土壤微生物生物量碳(MBC)、氮(MBN)、磷(MBP)含量。土壤有机碳含量采用重铬酸钾氧化法测定；土壤全磷含量采用钼锑抗比色法测定；土壤全氮含量采用凯氏定氮法测定[19]。MBC、MBN、MBP测定采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法[20]。

1.3 数据处理

数据均表示为平均值±标准误差，用Excel 2016、Origin 2018进行整理和图表制作，在SPSS 24.0中进行单因素方差分析(ANOVA)，显著性水平设为α=0.05。用Pearson法对土壤碳氮磷含量、土壤微生物生物量、土壤微生物熵和土壤-微生物化学计量不平衡性进行相关分析，并对以上指标进行主成分分析。其中，土壤-微生物化学计量不平衡性(stoichiometry imbalances,文中以Cimb/Nimc、Cmic/Nmic、Cimb/Pimb、Cmic/Pmic、Nimb/Pimb和Nimc/Pmic表示)用以衡量土壤微生物与土壤化学组成的差异性，化学计量不平衡性越大表明土壤质量越低。各计量参数表示为：C/N化学计量不平衡性(Cimb/Nimb)=土壤碳氮比(记为C/N)与微生物生物量碳氮比(Cmic/Nmic)之比；C/P化学计量不平衡性(Cimb/Pimb)=土壤碳磷比(C/P)与微生物生物量碳磷比(Cmic/Pmic)之比；N/P化学计量不平衡性(Nimb/Pimb)=土壤氮磷比(N/P)与微生物生物量氮磷比(Nmic/Pmic)之比[11]。土壤微生物熵碳(qMBC)=土壤微生物生物量碳与土壤有机碳含量之比；土壤微生物熵氮(qMBN)=土壤微生物生物量氮与土壤氮含量之比；土壤微生物熵磷(qMBP)=土壤微生物生物量磷与土壤磷含量之比。

2 结果与分析

2.1 种植竹荪对土壤和土壤微生物生物量碳、氮、磷含量的影响

种植竹荪后林地土壤C、N、P含量和微生物生物量变化见图2。与对照相比，T0、T1和T2处理林地土壤SOC和TN含量均显著增加，而土壤TP含量则显著降低(P<0.05)。T0、T2处理SOC含量显著高于T1，分别是后者的1.06和1.12倍，且前两者间差异显著(P<0.05)。T1处理土壤TN含量显著高于T0和T2(P<0.05)，是后两者的1.10和1.08倍，而后两者间差异不显著(P<0.05)。T1、T2处理TP含量显著高于T0，分别是后者的1.18和1.10倍，且前两者间差异显著(P<0.05)。从林地土壤微生物生物量来看，与对照相比，T0、T1和T2处理林地土壤MBC显著升高(P<0.05)，分别达到对照的2.20、1.79、1.24倍。T0、T2处理土壤MBN显著高于对照(P<0.05)，分别是对照的2.07和1.77倍，T1处理MBN含量与对照组无显著差异(P<0.05)。T1、T2处理MBP含量显著高于对照(P<0.05)，分别是对照的1.88和1.42倍，而T0处理与对照相比无显著差异(P<0.05)。随竹荪收获后时间的延长，土壤MBC含量显著降低(P<0.05)，T2处理较T0减少了44.01%。T0处理土壤MBN含量显著高于T1和T2，分别是后两者的1.86和1.17倍(P<0.05)。T1、T2处理MBP含量显著高于T0，分别是其1.66和1.33倍，且前两者间差异显著(P<0.05)。

2.2 种植竹荪对土壤微生物熵和土壤-微生物化学计量不平衡性的影响

不同处理土壤微生物熵和土壤-微生物化学计量不平衡性的变化见表1。由表1可知，T0和T1处理林地土壤qMBC均显著高于对照(P<0.05)，分别是对照的1.99和1.72倍，而T2处理与对照相比无显著差异(P<0.05)。且随着竹荪收获后时间的延长，qMBC显著降低(P<0.05)，T2处理较T0减少46.86%；T0处理qMBN显著高于T2(P<0.05)，且两者qMBN均显著高于对照和T1(P<0.05)，其大小顺序表现为T0>T2>CK>T1；T1、T2和T3处理林地土壤qMBP均显著高于对照(P<0.05)，分别是对照的1.58、2.21、1.79倍。土壤-微生物化学计量不平衡性Cimb/Nimb以T2处理最高，显著高于T0、T1和CK处理(P<0.05)，T0处理和CK显著高于T1处理(P<0.05)，且前两者间无显著差异(P<0.05)；Cimb/Pimb也以T2处理最高，显著高于T0、T1和CK处理(P<0.05)；而Nimb/Pimb以T1处理最高，显著高于T0、T2和CK(P<0.05)，T2和CK处理显著高于T0处理(P<0.05)，且前两者间无显著差异(P<0.05)。

表1 不同处理土壤微生物熵和土壤-微生物化学计量不平衡性的变化特征

2.3 土壤和土壤微生物生物量、微生物熵及其土壤-微生物化学计量不平衡性的相关性

土壤和土壤微生物生物量、微生物熵和土壤-微生物化学计量不平衡性的相关性见表2。由表2可知，SOC与TP呈显著负相关(P<0.05)，与MBN、qMBN、Cimb/Nimb呈显著正相关(P<0.05)；TN与MBP、qMBP、Nimb/Pimb均呈显著正相关(P<0.05)；TP与MBC、MBN、qMBC、qMBN均呈显著负相关(P<0.05)。MBC与MBN、qMBC，MBN与qMBN，MBP与qMBP、Nimb/Pimb均分别呈显著正相关(P<0.05)。整体上，Cimb/Nimb与qMBC呈负相关关系，Nimb/Pimb与MBP、qMBP呈正相关关系，但与qMBN、Cimb/Nimb呈负相关关系，而Cimb/Pimb与以上指标关系均不显著。

表2 土壤和土壤微生物生物量、微生物熵和土壤-微生物化学计量不平衡性的相关系数

2.4 土壤和土壤微生物生物量、微生物熵及土壤-微生物化学计量不平衡性的主成分分析

不同处理土壤和土壤微生物各指标主成分分析结果见表3、表4。

表3 不同处理土壤和土壤微生物各指标的特征根、特征向量及贡献率

由表3可以看出，第1主成分(PC1)、第2主成分(PC2)和第3主成分(PC3)的累计贡献率为100%，能够全部反映指标的信息。其中第1主成分对MBN、qMBP、qMBN标准化变量的特征向量值较大，以MBN的系数(0.152)最大，反映了竹荪收获后年份对土壤微生物生物量氮和微生物熵氮、磷的影响。在第2主成分中，以Cimb/Nimb的系数(0.387)最大，其次为Nimb/Pimb、Cimb/Pimb，反映了竹荪收获后年份对土壤-微生物化学计量不平衡性的影响。在第3主成分中，以qMBC的系数(0.222)最大，其次为MBC，而其余变量的特征向量值均较小，反映了收获后年份对土壤微生物生物量碳和微生物熵碳的影响。

结合各指标在主成分中的载荷状况，按主成分模型分别对各处理进行排序(表4)，可以看出，在PC1、PC2中，T0有利于土壤微生物生物量氮和微生物熵氮、磷的积累，CK处理养分含量最差；在PC3中，T1有利于土壤微生物生物量碳和微生物熵碳积累。综合主成分PC值结果显示，T0处理土壤养分含量、土壤微生物生物量和微生物熵较高，其次为T1，CK处理最低。

表4 不同处理土壤和土壤微生物主成分载荷及综合得分

3 讨 论

试验地竹荪收获时和收获后1、2 a土壤C、N含量均显著高于对照，表明土壤C、N含量显著升高，这可能由于本实验中竹秆粉碎形成的竹屑经发酵后用作栽培竹荪的基质是林地土壤重要的有机肥源[21]，秸秆含有丰富的营养物质，分解后改善了竹林土壤C、N环境。同时，叶片凋落、土壤微生物活动等方式输入竹林土壤系统的N素相对较多，使得土壤C和N含量有所提高。竹荪收获后1年林地土壤有机碳含量较刚收获时显著减少，这可能与竹荪栽培过程中对林地表层土壤的团聚体结构造成破坏，使土壤有机碳暴露于地表，加速了土壤有机碳的分解和流失[22]。竹荪栽培后林地土壤P含量变化与C、N相反，表现为竹荪收获时和收获后1、2 a土壤P含量均显著低于对照，这可能一方面是由于竹荪生长吸收了土壤中的P元素；另一方面是由于土壤P不会像C、N那样会随着植物光合作用和微生物固氮作用将大气中的C、N不断输入土壤，使得P含量呈相反的变化规律[10]。而收获后1、2 a土壤P含量较收获时显著升高，这可能由于竹荪生长结束后，林地仍残留竹屑基质，分解后促使土壤P含量增加。土壤微生物生物量是植物有效养分的储备库，也是土壤养分转化与循环的驱动力，其对土壤环境因子的变化极为敏感，常被作为衡量土壤微生物生态系统质量的关键指标[23-24]。本研究发现，竹荪收获时和收获后1、2 a土壤微生物生物量碳、氮、磷均显著高于对照，表明种植竹荪与未种植竹荪相比，竹荪栽培过程中的林地开沟和基质添加改善了土壤结构，林地土壤结构相对变好，同时水分管理措施改善了土壤温湿度，促使土壤微生物活性增大[25]；另一方面，竹屑基质分解增加了土壤有机质和养分含量，土壤微生物活动和繁殖可利用碳源、氮源增加，为微生物的生命活动塑造有利的生态环境，从而提高土壤微生物生物量碳、氮、磷[26-27]。但随着竹荪收获后时间的延长土壤微生物生物量碳含量则显著降低，分析认为，在竹荪栽培过程中对林地土壤进行的浅翻耕破坏了表层土壤团聚体，进而使土壤表层微生物生物量随着竹荪收获后时间的延长，呈现降低趋势。土壤微生物对土壤N素的循环有重要贡献[28]，竹荪收获后1、2 a土壤微生物生物量氮均较收获时显著降低，表明随着竹荪收获后时间的延长栽培竹荪对林地土壤产生的影响效应逐渐变小。土壤微生物生物量的减少表明参与土壤氮素循环的微生物活性变弱，因此，土壤微生物对土壤N素矿化与固持的作用减弱[3]，土壤中植物和微生物对土壤N素的利用效率降低，而土壤全氮含量得到提高。竹荪收获后1、2 a土壤微生物生物量磷则显著升高，这可能是与土壤微生物生物量磷相对较高的周转速率有关。本实验中，随着竹荪收获后时间的延长，土壤微生物生物量碳、磷比值逐渐减小，说明土壤微生物生物量碳、磷比值越小，土壤微生物中含磷量越高，在周转过程中能够通过矿化和转化作用释放的磷越多[29]。

土壤微生物熵主要受土壤有机质的数量和质量影响，可以从微生物学的角度揭示土壤肥力差异机制[30]。本研究中，竹荪收获时和收获后1、2 a土壤微生物熵(qMBC、qMBN、qMBP)总体均显著高于对照，这是因为种植竹荪有利于改善林地的土壤生态环境，使土壤微生物活性增强，进而增加了土壤微生物生物量。土壤有机碳的活性程度越高，土壤中有机碳向微生物生物量转化的速率加快，进而增加了土壤微生物熵值[31-32]。在收获时和收获后1、2 a中，收获时的土壤微生物熵(qMBC、qMBN)相对较高，表明收获时有机质积累和土壤微生物代谢速率较收获后1、2 a快。分析认为栽培竹荪的竹屑基质具有高碳氮比，以及竹荪的生长发育过程在短期内可促使土壤微生物活动增强，进而加快了土壤有机质积累效率及生物代谢速率。本研究中，竹荪收获时土壤-微生物的化学计量不平衡性(Cimb/Pimb、Cimb/Nimb、Nimb/Pimb)总体显著低于对照，表明竹荪收获时土壤质量变好，微生物的生长效率明显升高，而Cimb/Pimb、Cimb/Nimb、Nimb/Pimb却随着收获后时间的延长明显升高，表明土壤质量随着竹荪收获后时间的延长有劣变的趋势。测定认为竹荪收获后1 a和2 a林地土壤质量较未种植竹荪样地差。

土壤碳含量与土壤微生物生物量氮呈显著正相关，这可能意味着高含量土壤有机碳可能为土壤微生物生长创造良好的土壤物理环境和养分环境，促进微生物N素养分积累[33]，土壤磷含量与土壤微生物生物量碳、氮均呈显著负相关，表明微生物碳、氮的吸收受到土壤磷元素的负限制，也即土壤微生物生物量随土壤养分的变化而变化。土壤微生物生物量碳、氮的升高引起土壤-微生物化学计量不平衡性的降低，且土壤微生物以调节自身生物量的动态变化的方式适应土壤-微生物化学计量不平衡性的变化。本研究通过主成分分析反映出竹荪收获时较收获后1、2 a能维持最优的土壤养分，物质循环最佳。毛竹林下栽培竹荪短期内提高了林地土壤质量，这种利好趋势维持时间短，随着竹荪收获后时间的延长，林地土壤质量变差，而关于林地土壤质量长期的变化走势尚需进一步研究。