大兴安岭北部主要森林类型根际与非根际土壤微生物研究

姜煜鋆，满秀玲，刘玉杰，刘海亮

(东北林业大学林学院，黑龙江哈尔滨 150040)

土壤微生物是陆地生态系统的调节者和分解者，参与生态系统的物质循环和能量流动，是维护森林生态系统可持续发展的重要组成部分。土壤微生物数量大，种类多，生物学特性各异，繁殖迅速，对土壤肥力的形成、植物营养的转化起着极其重要的作用［1-2］。微生物在土壤中的分布与活动既反映了土壤各因素对微生物的生态分布、生化特性的影响和作用，同时也反映了微生物对植物的生长发育、土壤肥力的影响和作用。

林木根际是林木和土壤进行物质、能量交换的场所，也是生化活性最强的区域，林木根系通过分泌各类有机物质和吸收元素来影响土壤性质［3］，同时这也会影响根际土壤微生物的分布。目前我国关于森林土壤微生物的研究较多，主要研究内容集中在林地微生物数量的影响因素、微生物数量和土壤肥力的关系［4］等方面，对土壤根际微生物的主要研究内容集中在根际与非根际的微生物数量、养分含量、酶活性的比较［5-6］，而对林木周围微生物数量的分布研究较少。研究林地土壤微生物的数量可以在深层次上揭示森林生态系统能量流动和物质循环过程［7］。因此，笔者通过对大兴安岭北部3种主要森林类型，即落叶松林、樟子松林和白桦林根际与非根际土壤微生物进行研究，为探讨我国寒温带地区森林类型生态系统的结构和功能提供帮助，同时也为大兴安岭地区土壤质量的研究提供基础资料。

1 研究地概况和研究方法

1.1 研究区域概况 研究区设在黑龙江漠河森林生态系统定位研究站，海拔800～1 700 m，地理坐标为122°06'～122°27'E，53°17'～53°30'N。该地区属于寒温带大陆性季风气候，冬季漫长寒冷，夏季短暂湿热。年平均气温为-4.9℃。年平均降水量431.2 mm，降雨多集中在7～8月份。降雪期为9月末至翌年5月初。无霜期约89 d。太阳辐射总量年平均为401.93～447.99 kJ/cm2，日照时数为2 377～2 625 h，积温为1 436～2 062℃。区域植被属欧亚寒温带明亮针叶林。主要乔木树种有兴安落叶松(Larix gmelinii)、樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica)、白桦(Betula platyphylla)、山杨(Popolus davidiana)等。灌木有杜香(Ledumpalustre var.dilatatum)、兴安杜鹃(Rhododendron dauricum)、笃斯越橘(Vaccinium uliginosum)、越橘(Vaccinium vitis-idaea)等。土壤以棕色针叶林土为主，局部地带有草甸土和沼泽土，并有永冻层存在。

1.2 研究方法

1.2.1 标准地设置及样品采集。在前期踏查的基础上，于2013年7月选择大兴安岭北部3种典型林型，即落叶松林、樟子松林和白桦林，在每一林型中选择典型地段设置调查样地，面积为20 m×30 m，对样地进行每木检尺，样地基本情况调查结果见表1。

表1 样地基本特征

通过计算得出标准木的树高和胸径，在每个样地选择3株标准木为调查样木，挖掘土壤剖面，按照0～5，5～10，10～15，15～20，20～30 cm的土层厚度取样。采样时，取带完整根系的土块，抖落物作为非根际土，附在根系周围、小于1 cm粒径土壤作为根际土。取样后，带回实验室4℃冷藏保鲜，尽快进行土壤各项指标的测定。

1.2.2 微生物测定方法。微生物数量分析采用稀释平板法，微生物计数培养基分别为:细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基，放线菌采用高氏1号培养基，真菌采用马丁氏孟加拉红-链霉素培养基。每个土样选取3个浓度梯度，每个浓度梯度3次重复，取其平均值作为该土样中微生物的数量。根土比(R/S)通过根际土壤微生物数量与临近的非根际土壤微生物数量之比来计算。

2 结果与分析

2.1 各林型土壤细菌分布特征 由表2可知，由于林型、地被物、郁闭度以及土壤的水热状况不同，各林型根际与非根际土壤细菌数量有明显的差异。3种林型中根际土壤细菌数量均大于非根际土。

2.1.1 落叶松林。落叶松林根际细菌数量在垂直方向有先增大后减小的趋势，10～15 cm厚土层最大，为54.05×106个/g，在20～30 cm厚土层最小，为32.67×106个/g，最小值与最大值相比减小了39.56%。5～10 cm厚土层与10～15 cm厚土层差异性不显著(P＞0.05)，说明落叶松林根际细菌在垂直方向5～15 cm的范围内均匀分布且主要集中在该土层中。非根际细菌数量随着土层的加深而逐渐减小，可见根际细菌数量分布并未对非根际产生明显影响。0～5 cm厚土层非根际细菌数量最大，为11.06×106个/g，20～30 cm厚土层非根际细菌数量最小，为6.06×106个/g，最小值与最大值相比减小了45.21%，与根际土壤相比减小幅度较大。

2.1.2 樟子松林。樟子松林根际细菌数量垂直分布规律也有先增大后减小的趋势，5～10 cm厚土层根际细菌数量达到最大值，为37.24×106个/g，20～30 cm厚土层根际细菌数量最小，为14.50×106个/g，最小值与最大值相比降低了61.06%。樟子松林非根际细菌数量呈逐渐减小的趋势，0～5 cm厚土层非根际细菌数量最大，为10.14×106个/g，20～30 cm厚土层非根际细菌数量最小，为4.60×106个/g，最小值与最大值相比降低了54.64%。

2.1.3 白桦林。白桦林土壤深厚，有机质含量较高，根际土壤与非根际土壤的细菌数量较为接近，根际土壤细菌数量有先增大后减小的趋势。在白桦林根际土壤5～10 cm厚土层细菌数量最大，这可能是因为在5～10 cm厚的土壤中植物根系分布较多，根际分泌物也多，致使微生物更加活跃。其中白桦林根际细菌最大值达到41.83×106个/g。20～30 cm厚土层根际细菌数量最小，低至24.97×106个/g，最小值比最大值降低了40.31%。非根际细菌数量垂直方向则有逐渐减小的规律，最小值比最大值降低了27.66%。白桦林垂直方向0～20 cm厚的范围内土壤各层非根际细菌数量相互之间差异性不显著(P＞0.05)。说明白桦林在该范围内细菌数量分布较均匀。

樟子松林各个土层的细菌根际与非根际细菌数量均小于落叶松林和白桦林。落叶松林各个土层的细菌根土比为3.34～6.82，樟子松林则在3.15～4.80的范围内，白桦林各个土层的根土比在1.61～2.19，远小于落叶松林、樟子松林的根土比，这说明白桦林根际与非根际土壤适合细菌生长的微环境比较一致。落叶松林根土比在3种林型中最大，说明落叶松林根际与非根际土壤适合细菌生长的微环境差距较大。

表2 各林型根际与非根际土壤细菌数量分布规律×106个/g

2.2 各林型土壤真菌分布特征

2.2.1 落叶松林。由表3可知，落叶松林根际与非根际真菌数量垂直方向均有随着土层的加深而逐渐减小的趋势，根际真菌数量在0～5 cm厚土层最大，最大值为34.02×104个/g，在20～30 cm厚土层根际真菌数量最小，最小值为15.39×104个/g，最大值是最小值的2.21倍。落叶松林非根际真菌最大值为18.01×104个/g，最小值为13.15×104个/g，各个土层非根际真菌数量与樟子松林和白桦林相比普遍较大，这可能与落叶松林土壤相对湿润，较适宜真菌生长有关。

2.2.2 樟子松林。樟子松林土壤干燥，pH较高，根际真菌数量具有先增大后减小的趋势。根际真菌在5～10 cm厚土层数量最大，为25.75×104个/g，20～30 cm厚土层根际真菌数量最小，为14.00×104个/g，最小值与最大值相比降低了45.63%。非根际真菌数量垂直方向逐渐减小，最大值为13.06×104个/g，最小值为8.39×104个/g，最大值为最小值的1.56倍。樟子松林非根际0～15 cm厚范围内3个土层真菌数量相互之间差异影响不显著，说明非根际真菌在0～15 cm厚垂直范围内均匀分布，并未受到根际真菌数量的严重影响。

2.2.3 白桦林。白桦林根际真菌数量先增大后减小，在5～10 cm厚土层根际真菌数量最大，达到40.43×104个/g，20～30 cm厚土层根际真菌数量为最小值，为27.50×104个/g，与落叶松林、樟子松林相比，白桦林根际真菌数量普遍较大。非根际真菌数量垂直方向有逐渐减小的规律，0～5 cm厚土层非根际真菌数量为17.25×104个/g，为白桦林垂直方向的最大值，20～30 cm厚土层非根际真菌数量最小，为11.73×104个/g。垂直方向0～20 cm的范围内，各层土壤相互之间非根际真菌数量差异性不显著，说明在白桦林垂直方向0～20 cm厚土层的范围内，非根际真菌数量均匀分布。

白桦林根际真菌数量范围在27.50×104～40.43×104个/g，各个层次的根际真菌数量均大于落叶松林和樟子松林。樟子松林非根际真菌数量在8.39×104～13.06×104个/g，各个层次的非根际真菌数量均小于落叶松林和白桦林。

表3 各林型根际与非根际土壤真菌数量分布规律×104个/g

2.3 各林型土壤放线菌分布特征 放线菌耐贫养，耐干旱，在3种林型的根际与非根际土壤中的垂直分布均有先增大后减小的趋势。在3种林型中放线菌主要集中在5～15 cm厚土层，20～30 cm厚土层的根际与非根际放线菌数量均为各个林型中的最小值。

2.3.1 落叶松林。由表4可知，落叶松林根际土壤中，10～15 cm厚土层的放线菌数量最大，为15.80×105个/g，根际放线菌最小值为7.65×105个/g。最小值与最大值相比减少了51.58%。落叶松林非根际土壤中5～10 cm厚土层放线菌数量最大，为7.18×105个/g，20～30 cm厚土层最小，为3.56×105个/g，20～30 cm厚土层与5～10 cm厚土层相比减小了50.42%，降低幅度小于根际放线菌减小的幅度。10～15 cm厚土层非根际放线菌数量与5～10 cm厚土层和15～20 cm厚土层的非根际放线菌数量差异性不显著，说明非根际放线菌主要集中在5～20 cm厚土层的范围内，活跃旺盛且均匀分布。

2.3.2 樟子松林。樟子松林根际放线菌最大值在5～10 cm厚土层，为17.80×105个/g，20～30 cm厚土层放线菌数量为9.91×105个/g，为根际放线菌数量的最小值。根际放线菌最小值比最大值减少了44.32%。樟子松林非根际放线菌的最大值在10～15 cm厚土层，为16.70×105个/g，最小值在20～30 cm厚土层，为8.19×105个/g。最小值与最大值相比减少了50.96%，与落叶松林、白桦林非根际放线菌相比减少幅度最大，与樟子松根际放线菌相比减小幅度增大。

2.3.3 白桦林。白桦林根际放线菌数量的变化范围在8.45×105～13.99×105个/g，非根际放线菌数量的变化范围在6.02×105～10.98×105个/g。根际与非根际的最大值均在5～10 cm厚土层，分别为13.99×105个/g和10.98×105个/g。最小值均在20～30 cm厚土层，分别为8.45×105个/g和6.02×105个/g。最小值比最大值分别减少了39.60%和45.17%，根际放线菌减小的幅度小于非根际。

樟子松林各个土层根际与非根际放线菌数量均大于落叶松林和白桦林，由此可见樟子松林干燥的土壤环境与落叶松林和白桦林相比更适宜放线菌的生长。落叶松林放线菌根土比在1.98～2.37，白桦林根土比在1.16～1.76，樟子松林根土比范围在1.06～1.21。由此可见，和落叶松林、白桦林相比，樟子松林根际与非根际土壤适合放线菌生长的微环境比较一致。

表4 各林型根际与非根际土壤放线菌数量分布规律×105个/g

2.4 各林型土壤微生物层化比率 土壤表层微生物数量与底层微生物数量的比值，即土壤微生物层化比率，可以此判定土壤的质量状况，比率明显小于2或者异常的高，说明土壤存在退化现象，比率大于2或在2附近说明土壤状况比较良好［8］。该研究中3种林分根际土壤微生物总数层化比率在1.44～1.80，非根际土壤微生物总数的层化比率在1.30～2.22(表5)，无异常高低状况，总体表现为:根际微生物总数层化比率从大到小为樟子松林、白桦林、落叶松林，非根际微生物总数层化比率从大到小为樟子松林、落叶松林、白桦林，樟子松林根际与非根际三大类土壤微生物的层化比率均在2左右，说明此林分和落叶松林、白桦林相比土壤状况更好。

表5 土壤微生物平均层化比率

3 结论与讨论

(1)落叶松林根际细菌范围在32.67×106～54.05×106个/g，在垂直方向有先增大后减小的趋势，10～15 cm厚土层最大，在3种林型各个土壤层次中根际细菌数量最大。非根际细菌变化范围在6.06×106～11.06×106个/g，垂直方向随着土层的加深而逐渐减小，可见根际细菌数量分布并未对非根际产生严重影响。落叶松林根际与非根际真菌数量垂直方向均有随着土层的加深而逐渐减小的趋势，其各个土层中非根际真菌数量与樟子松林和白桦林相比普遍较大，这可能与落叶松林土壤相对湿润，较适宜真菌生长有关。

(2)樟子松林根际细菌范围在14.50×106～37.24×106个/g，垂直分布规律也有先增大后减小的趋势。樟子松林根际真菌数量具有先增大后减小的趋势，在5～10 cm厚土层数量最大。樟子松林各个土层的非根际真菌数量均小于落叶松林和白桦林。樟子松林各个土层根际与非根际放线菌数量均大于落叶松林和白桦林。樟子松林与落叶松林、白桦林非根际放线菌相比减少幅度最大，与樟子松根际放线菌相比减小幅度增大。可能是由于大兴安岭北部地区樟子松林土层较薄，20～30 cm厚土层的非根际土壤有机质含量少，在这种条件下细菌的适应能力更强，所以放线菌数量大量减少，而垂直方向0～20 cm的范围内的土壤环境更适宜放线菌生长。

(3)白桦林根际土壤细菌数量有先增大后减小的趋势，变化幅度为24.97×106～41.83×106个/g。白桦林土壤相对干燥、土壤肥力较高，较适宜真菌生长，根际真菌数量先增大后减小，在5～10 cm厚土层根际真菌数量最大。非根际真菌数量垂直方向有逐渐减小的规律。白桦林根际放线菌垂直方向有先减小后增加的趋势。

(4)樟子松林微生物总数的层化比率最大，樟子松林微生物三大类群的层化比率均接近2，表明此林分下土壤状况较好。土壤微生物三大类群数量以细菌所占比例最大，其次为放线菌，真菌所占比例最小。白桦林的土壤微生物最为活跃，各个土层微生物总量高于落叶松林和樟子松林。有些学者研究认为当一个区域土壤微生物层化比率大于2时，土地一般不会发生退化现象［9］。在研究的3块试验区域中，林地存在一定的退化风险，应当采取合适的森林经营措施以调整土壤状况。

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