秦岭西段北坡森林土壤微生物群落及生境特征

惠亚梅　巨天珍　贾丽　等

摘要：对秦岭西段北坡小陇山国家级自然保护区林下土壤微生物群落特征进行了总结分析，结果显示：小陇山国家级自然保护区不同林型下土壤微生物总量为1.44×107～7.52×109 CFU/g干土，其中细菌占总数的87.99%～9996%，真菌占总数的0.01%～0.16%，放线菌占总数的0.01%～0.23%；土壤上中下3层微生物总量呈明显的垂直分布，其中表层数量最多，中层次之，下层最少。小陇山不同林型下土壤微生物共有27菌属，其中细菌有15属，真菌有9属，放线菌有3属。天然林土壤微生物种属比人工林微生物种属多，功能菌的数量由多到少依次为：溶磷菌>好气性固氮菌>解钾硅酸盐细菌>好气性纤维分解菌；针阔混交林下土壤中的功能菌群数量最多，红豆杉林下土壤中的功能菌群数最少，人工林下的功能菌群数基本少于自然林下的功能菌群数。混合林物种丰富度指数最高，其次是油松、华山松林，白皮松林下的土壤微生物物种丰富度最低；土壤微生物物种多样性指数的变化幅度较大，说明不同植被类型的土壤微生物差异较大。土壤微生物物种均匀度与土壤微生物物种多样性指数变化一致，混交林大于纯林，自然林大于人工林。

关键词：土壤；微生物；生态特征；群落多样性；小陇山；秦岭

中图分类号： S154.3文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）01-0322-05

收稿日期：2014-02-16

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

作者简介：惠亚梅（1987—），女，甘肃庆阳人，硕士研究生，主要从事城市生态研究。E-mail：huiyameiwangyoucao@126.com。

通信作者：巨天珍，硕士，教授，主要从事城市生态研究。E-mail：849298571@qq.com。森林土壤微生物是栖居在森林土壤中的细菌、放线菌、真菌、显微藻类、原生动物等微小生物的总称，是森林生态系统的重要组成部分，在林地枯枝落叶分解、腐殖质合成、土壤养分循环、能量转化中起着非常重要的作用[1-2]。在陆地生态系统中，植物将光合产物以根系分泌物、植物残体的形式释放到土壤中，作为土壤微生物的碳源、能源，微生物则将有机物转化成无机物，以利于植物吸收[3]。森林土壤微生物的种群、数量直接影响土壤的理化性质、土壤肥力以及森林生长发育，其分布、活动是森林生产环境综合评价的主要依据之一，也是反映土壤质量、人类干扰以及土地利用变化最为敏感的指标之一[4]。从微生物群落多样性格局来看，植物群落类型初步决定了微生物群落的组成，土壤微生物群落多样性与覆盖在土壤表面的植物群落呈正相关[5]。由于凋落物、菌根真菌以及释放到菌根根系中的分泌物不同，不同树种可能导致凋落物以及土壤中微生物群落不同。Prescott等研究表明，树种对凋落物、土壤、菌根根系中微生物群落的组成存在影响[6]。王卫霞等对南亚热带地区3种人工林土壤微生物生物量、微生物群落结构特征进行研究发现，不同树种对土壤微生物群落结构具有显著影响[7]。 20世纪70年代以来，学者们在林地土壤微生物区系、根际微生物区系、微生物在土壤养分转化与循环、微生物季节动态、生态平衡、固氮作用以及不同海拔、植被、林型、重建模式、林业技术措施对土壤微生物数量、群落多样性、功能多样性、微生物生物量、酶活性的影响等方面进行了大量研究。笔者对秦岭西段北坡小陇山国家级自然保护区地带性植被及非地带性群落类型计8种不同群落的土壤微生物群落特征进行了研究。

1研究区域概况

小陇山国家级自然保护区地处甘肃省东南部，东与陕西省陇县、宝鸡市相连，南与凤县、留坝县接壤，西与甘肃省岷县相邻，北以甘肃省天水市张家川县为界，地理坐标为34°00′～34°40′N，105°30′～106°30′E，属森林生态系统类型的自然保护区。小陇山自然保护区处于我国暖温带南缘与北亚热带的过渡地带，保护区内森林覆盖率高，天然林比重较大，现有林地面积28 723.2 hm2，森林覆盖率达80%，保护区内原生性森林群落总面积为10 827 hm2，其中原生性森林的活立木蓄积为861 005 m3。保护区生物的地理成分、区系成分复杂多样，是甘肃省生物种质资源最丰富的地区之一，是我国西北地区重要的天然林区，在水源涵养、保持水土、维护地区生态平衡、提高环境质量、保护生物多样性以及林业生产等方面发挥着重要作用。

2材料与方法

2.1样品采集

在对小陇山国家级自然保护区森林群落进行调查的基础上，选择了小陇山7种不同的群落类型：锐齿栎林、油松林、日本落叶松林、华山松林、红豆杉林、针叶混交林、阔叶混交林，其中日本落叶松林为人工林，其余为自然林。根据样方的设置，分别在每个样方内设置5个采样点，采集每样方的土样之前，均先除去地面植被、地表覆盖物，铲除表土（厚度大约为1 cm）。用土钻在每个采样点的土壤剖面上每隔10 cm取样，分别采取0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm等不同土层的土样，并将同一层的土壤混合均匀装入聚乙烯灭菌袋，贴上标签后带回实验室，置于4 ℃冰箱中保存。

2.2方法

2.2.1土壤理化性质的测定方法采用酒精燃烧法测定自然含水量，采用酸度计法（缓冲溶液为KCl）测定pH值，采用重铬酸钾容量法测定有机质含量，采用TFC智能普及型速测仪测定速效养分（氮、磷、钾）含量。

2.2.2土壤微生物区系研究方法采用固体培养基、平板菌落计数法、划线法、革兰氏染色法、悬滴法、斜面培养法、氧化酶试验、接触酶试验、葡萄糖氧化发酵试验、甲基红试验、纤维素分解试验、明胶液化试验（穿刺法）、硫化氢产生试验、淀粉水解试验、抗菌谱测定、载玻片培养法等对森林土壤微生物进行分离、统计与分类。按照某物种占整体的百分比≥10%为优势属，1%～10%为常见属，≤1%为少见属规则进行划分。endprint

2.2.3微生物多样性指数测算方法

2.2.3.1丰富度指数丰富度指数主要是测定一定空间范围内的物种数目以表达生物的丰富程度[8]。本研究选用2个常用的丰富度指数：

R1=（S-1）/lnN；（1）

R2=S/N 。（2）

式中：S为群落中的物种总数，N为观察到的个体总数。

2.2.3.2均匀度指数常用观察多样性与最高多样性比值来表示均匀度指数，最高多样性即所有种的多度相等时的多样性[9]。

Pielou均匀度：

Jsw=（-∑PilgPi）/lgS；（3）

Simpson均匀度：

E=N（N/S-1）∑si=1 ni（ni-1）；（4）

Heip均匀度：

Eh=[exp（-∑si=1PilnPi）-1]/（S-1） 。（5）

式中：Pi是第i种个体数ni占总个体数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种物种的个体数。

2.2.3.3多样性指数多样性指数是丰富度、均匀度的综合指标，本研究采用Shannon指数、Simpson指数以及Mclntoch指数对森林土壤微生物群落多样性进行测定。

Shannon指数：

HP=-∑si=1Piln（Pi）；（6）

Simpson指数：

D=1-∑P2i；（7）

Mclntoch指数：

DM=（N-u）/（N-N），u=∑si=1（n2i）1/2 。（8）

式中：pi是第i种个体数ni占总个体数N的比例，即pi=ni/N；N为所有物种的总个体数；ni是第i种的个体数。

2.2.3.4土壤微生物生物量测定采用熏蒸浸提法测定土壤微生物量碳（MBC）含量、土壤微生物量氮（MBN）含量，采用重铬酸钾氧化法测定提取液中的碳含量，采用凯氏消化、半微量蒸馏法测定提取液中的氮含量，采用重铬酸钾氧化法测定土壤有机碳含量，采用碱吸收滴定法测定土壤呼吸强度。

2.3数据处理

用Excel 2007软件处理数据，用SPSS 13.0软件进行数据统计分析。

3结果与分析

3.1森林土壤微生物的群落特征

3.1.1数量特征土壤微生物数量直接影响土壤生物化学活性及土壤养分的组成与转化，是林地土壤肥力的重要指标，其数量与分布不但反映了各因素对微生物的影响，同时也反映了微生物对植物生长发育、土壤肥力的影响。研究表明，土壤微生物能较早地预测土壤质量变化，是土壤质量变化最敏感的指标[10-12]。森林土壤微生物数量常作为土壤微生物活性的重要指标之一，土壤微生物的数量、种类受土壤条件如土壤温度、湿度、pH值等的影响[13]。有学者对美国科罗拉多流域山区森林土壤中细菌、古细菌的群落组成、多样性进行研究发现，土壤微生物生物量随土壤深度增加呈指数下降；0～10 cm 土壤剖面中细菌多样性最高；从土壤表层到深层，细菌多样性下降了20%～40%，说明土壤深度对细菌群落组成具有显著影响。研究人员对土著马尾松林、外来桉树林下土壤微生物群落结构、代谢活动进行研究发现，桉树林下土壤中细菌的数量、生物量、碳代谢活动、微生物群落多样性明显低于马尾松林。

本研究表明，小陇山国家级自然保护区不同植被下土壤微生物的数量存在显著差异：表层最丰富，中层次之，下层最少。土壤微生物数量的这种垂直层次上的差异与土壤有机质含量、土壤养分状况、水分含量、温度、通气状况等因素有关[14]。林地土壤表层有比较厚的枯枝落叶层覆盖地表，有机质含量高，养分、水分相对丰富，同时，温度、通气状况适宜，有利于微生物生存，深层土壤由于养分减少、空气缺乏等原因，土壤微生物数量下降。研究区域森林土壤微生物数量为 1.44×107～7.52×109 CFU/g干土，其中细菌数量为1.40×107～7.52×109 CFU/g干土，占总数的87.99%～9996%；真菌数量为1.45×105～2.05×106 CFU/g干土，占总数的001%～0.16%；放线菌数量为2.00×105～1.91×106 CFU/g干土，占总数的0.01%～0.23%。土壤表层（0～10 cm）的微生物数量为549.48×106～5 090.69×106 CFU/g干土，土壤中层（10～20 cm）的微生物数量为150.75×106～1 903.82×106 CFU/g干土，土壤深层（20～40 cm）的微生物数量为1490×106～528.27×106 CFU/g干土，土壤中层的微生物数量比土壤表层少40.82%～99.94%，土壤深层的微生物数量比土壤表层少60.49%～97.22%。阔叶混交林的微生物数量最多，达7.52×109 CFU/g干土，油松林次之，红豆杉林的微生物数量最少，达1.44×107 CFU/g干土（图1、图2）。

日本落叶松人工林下的土壤微生物数量多于锐齿栎林、红豆杉林；锐齿栎林、阔叶混交林、针叶混交林、林缘草地中的土壤微生物数量由多到少依次为：阔叶混交林>针叶混交林>锐齿栎林>林缘草地，即混合林的微生物数量大于纯林地微生物数量，此结果与王健等[15]、齐雅静等[16]的研究结果

相同。这主要是因为不同树种、植被其凋落物的种类、数量不同，导致其土壤养分含量、水分、温度等不同，进而影响了土壤微生物的种类、数量[17-20]。小陇山国家级自然保护区内森林覆盖率高，物种组成丰富。

3.1.2种属组成特征森林土壤微生物是土壤-微生物-植物生态系统的重要组成部分，土壤微生物产生的大量生物活性物质与植物生长关系密切，直接关系到林木的生长[21]。对小陇山国家级自然保护区的油松林、华山松林、日本落叶松林、红豆杉林、白皮松林、锐齿栎林、针叶混交林以及阔叶混交林下的土样进行分离鉴别发现，不同林型土壤中的微生物组成如表1所示。小陇山森林土壤中的微生物种属组成比较丰富；天然林土壤微生物种属比人工林微生物种属多，其中，油松天然林、白皮松天然林土壤中分离出的微生物属最多，有20个属，日本落叶松人工林土壤中分离出的微生物种属最少，有12个属；混合林中的土壤微生物种属（19属）基本上多于纯林土壤中的微生物种属（12～20个属）。endprint

3.2微生物生物量特征

如图3所示：红豆杉林各样地中表层有机碳（SOC）含量明显高于下层；各样地中的微生物生物量碳（MBC）含量大于非洲热带森林（280～480 mg/kg），略高于该气候带的橡胶树（380.80～568.3 mg/kg），但小于温带森林（1 080 mg/kg）。随着土层的加深，MBC值迅速下降。随着土层的加深，MBC/SOC 值也随着增大，这说明深层土壤碳积累强度大于表1不同林型土壤中的微生物种属组成

微生物优势菌属常见菌属稀有菌属细菌

微球菌属、芽孢杆菌属、葡萄球菌属

土壤杆菌属、假单孢杆菌属、固氮菌属、黄杆菌属、产碱杆菌属节杆菌属、拜叶林克氏菌属、纤维单孢菌属

真菌青霉属、曲霉属、毛霉属根霉属、木霉属、交链孢霉属犁头菌属、头孢霉属放线菌链霉菌属小单孢菌属、小双孢菌属

表层土壤，土壤有机碳逐渐由土壤表层向土壤深层转移；随着土层的加深，MBN值下降，土壤微生物呼吸强度降低。温带土壤微生物代谢熵（qCO2）这一数值范围大致在1～7 mg/（g·h）之间，本试验值偏低，究其原因可能与研究区域的植被类型、温度、水分等生境因素有关，另外还要考虑不同土壤呼吸的测量方法对数据的影响。

3.3森林土壤微生物的功能特征

3.3.1功能菌群特征土壤中有特殊生理功能的微生物类群，如氨化细菌、亚硝化细菌、硝化细菌、反硝化细菌、固氮菌、纤维素分解菌、硫细菌等，在土壤物质转化上起着重要的作用[22]。对小陇山不同植被、林型土壤中的功能菌群进行鉴定，结果显示不同植被、林型土壤中的功能菌群数量特征总体表现为：溶磷菌>好气性固氮菌>解钾硅酸盐细菌>好气性纤维素分解菌。其中针叶混交林下土壤中的功能菌群数量最多，红豆杉林下土壤中的功能菌群数量最少（图4）。

土壤中各类微生物生理群的分布、数量等随林型不同而不同。这是由于土壤中各类微生物生理群的分布、数量等不但与其本身的特性有关，并且与其所处的土壤环境、植物类群、植被状况、气候带特点等有关，甚至与植物间的他感作用也有关系。

3.3.2生物多样性特征微生物多样性能较早地反映环境变化，并揭示微生物的生态功能差异，被认为是最有潜力的敏感性生物指标之一[23]。森林植被通过影响土壤环境从而影响土壤微生物的结构、多样性，因此研究森林植被多样性、土壤微生物群落多样性之间的相互关系，对于促进林区土壤生态、微环境等具有积极作用。小陇山不同植被、林型下土壤中微生物物种丰富度指数R1为1.79～5.02，R2为1.53～3.57；土壤微生物物种多样性指数D为0.46～5.58，DM为0.21～0.85，多样性指数D的变化幅度较大；土壤微生物物种均匀度指数Jsw、E、Eh的变化趋势不太明显，Jsw为0.30～0.85，E为0.22～0.66，Eh为012～0.78，土壤微生物物种均匀度指数的变化趋势基本与土壤微生物物种多样性指数变化一致。土壤微生物群落多样性特征基本表现为：混交林大于纯林、自然林大于人工林。

3.4微生物与环境因子的关系

土壤微生物与土壤理化性质之间存在密切关系，土壤理化性质很大程度上影响土壤微生物的分布、数量、组成、生化活性，同时微生物的种类、数量反过来又影响土壤的理化性质。研究发现，土壤微生物群落组成受土壤pH值、土壤养分、碳有效性的影响[24]。此外，不同植物、物种多样性、植被类型会对土壤微生物生物量、微生物活性、微生物过程、微生物群落结构产生影响。陈文军等研究表明，微生物数量、分布与土壤含水

量、pH值、养分、树种、林地类型、营林措施等关系密切[25]。

表2表明，小陇山森林土壤微生物数量与土壤pH 值、含水量和有机质等存在着十分密切的关系：10～20 cm土层中的细菌数量与含水量呈极显著正相关（r=0.637），0～10 cm和10～20 cm土层中的细菌数量与有机质含量呈极显著正相关（r=0949、0.656），20～40 cm土层中的细菌数量与速效氮、速效磷含量呈正相关（r=0.716、0.715），20～40 cm土层中的细菌数量与速效钾含量呈极显著负相关（r=-0.999）；

表2土壤微生物数量与土壤因子的相关性

指标土层

（cm）相关关系细菌数量真菌数量放线菌数量含水量0～100.3840.5720.04310～200.637**0.5320.13720～400.2480.4830.075pH值0～100.2060.1890.13210～20-0.562-0.755**-0.621**20～400.485-0.682**0.056有机质含量0～100.949**0.976*0.87510～200.656**0.4350.63720～400.4370.2830.374速效氮含量0～10-0.420-0.393-0.50910～200.649-0.4330.45520～400.716*-0.4660.083速效磷含量0～10-0.163-0.3220.13810～200.9230.984*0.77220～400.715*0.4250.960*速效钾含量0～100.9310.9250.905**10～20-0.559-0.326-0.58220～40-0.999**0.8470.007

10～20 cm和20～40 cm土层中的真菌数量与pH值呈极显著负相关（r=-0.755、-0.682），0～10 cm土层中的真菌数量与有机质含量呈正相关（r=0.976），10～20 cm土层中的真菌数量与速效磷含量呈正相关（r=0.984）；10～20 cm土层中的放线菌数量与pH 值呈极显著负相关（r=-0.621），20～40 cm 土层中的放线菌数量与速效磷含量呈正相关（r=0960），0～10 cm 土层中的放线菌数量与速效钾含量呈极显著正相关（r=0.905）。由此可知，细菌生长需要充足的水分、营养物质，但速效钾含量增加可能会减少细菌数量，影响土壤真菌数量的最主要因素是土壤pH 值，其次是土壤中的有机质含量、速效养分含量，真菌喜欢在偏酸性的土壤中生存；土壤中的放线菌数量主要受pH 值、速效养分含量的影响。endprint

4结论

本研究表明，小陇山国家级自然保护区不同林型下土壤微生物总量为1.44×107～7.52×109 CFU/g干土，其中细菌占总数的87.99%～99.96%，真菌占总数的0.01%～016%，放线菌占总数的0.01%～0.23%；土壤上中下3层微生物总量呈明显的垂直分布，其中表层数量最多，中层次之，下层最少。小陇山不同林型下土壤微生物共有27菌属，其中细菌有15属，真菌有9属，放线菌有3属。天然林土壤微生物种属比人工林多，其中，油松天然林、白皮松天然林土壤中微生物属最多，有20个属；日本落叶松人工林土壤中微生物种属最少，有12个属；混合林中的土壤微生物种属多于纯林土壤。随土层的加深，土壤有机碳逐渐由土壤表层向土壤深层转移。功能菌的数量由多到少依次为：溶磷菌>好气性固氮菌>解钾硅酸盐细菌>好气性纤维分解菌；针阔混交林下土壤中的功能菌群数量最多，为2.19×106 CFU/g干土，红豆杉林下土壤中的功能菌群数最少，为6.13×105 CFU/g干土；人工林下的功能菌群数量少于自然林下的功能菌群数量。混合林土壤微生物物种丰富度指数最高，其次是油松、华山松林，白皮松林下的土壤微生物物种丰富度最低；土壤微生物物种多样性指数的变化幅度较大，说明不同植被类型的土壤微生物差异较大。土壤微生物物种均匀度与土壤微生物物种多样性指数变化一致，混交林大于纯林，自然林大于人工林。影响细菌数量的主要因素是水分、各类营养物质含量；影响真菌数量的最主要因素是土壤pH值，其次是土壤中的有机质含量、速效养分含量；土壤中的放线菌数量主要受pH值、速效养分的影响。

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