不同主伐方式对兴安落叶松(Larix gmelinii)根际土壤理化性质及微生物群落的影响

杨 寅,邱钰明,王中斌,曲来叶,*

1 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085 2 中国科学院大学, 北京 100049 3 北京林业大学, 北京 100083

主伐是指在林木成熟时为了生产而进行的采伐,对森林生态系统的影响较大,不同主伐方式对森林生态系统的影响不同[1]。土壤对保持森林生态系统生产力和可持续性至关重要,合理的主伐方式对土壤结构稳定性、水分、孔隙状况和养分含量等的影响可以在短期内恢复,并有所改善,不合理的主伐方式会造成土壤有机质、氮、磷、钾的损失,降低土壤持水能力[2],进而造成土壤侵蚀和森林退化等严重后果[3]。

大兴安岭林区的森林面积、蓄积量以及采伐量都居全国首位,其森林生态系统健康对我国林业生产具有重要战略意义。兴安落叶松(Larixgmelinii)为松科落叶松属落叶乔木,是大兴安岭地区的地带性植被,其耐寒耐瘠薄,木材蓄积丰富,是该地区荒山造林和森林更新的主要树种[4- 5]。因此,兴安落叶松主伐样地的恢复是大兴安岭森林系统恢复以及生产力提升的关键。

目前,关于主伐对兴安落叶松土壤影响研究的年限选择多为主伐后当年或者主伐后十年之内[6- 7],随着恢复年限的增加以及植被的恢复,主伐对土壤的长期影响往往被忽略。同时,关于主伐后土壤的研究大多针对非根际土壤进行,而植物在生长过程中会通过根系向土壤输入有机质与根系分泌物,改变根际土壤理化性质与微生物的群落,导致根际与非根际土壤的理化性质以及微生物群落特征存在差异[8],关于大兴安岭林区兴安落叶松在不同主伐方式下根际土壤理化性质与微生物群落长期动态变化的研究还未见报道。

综上,本研究选取主伐5年与31年后以及未采伐对照样地中的兴安落叶松,通过对其根际土壤理化性质、微生物群落结构和多样性的分析,探究兴安落叶松根际土壤相较于非根际土壤对不同主伐方式的响应有哪些异同,同时利用根际土壤微生物对环境变化更为敏感的特点来揭示不同主伐方式对兴安落叶松的长期影响。本研究结果将为森林主伐后的恢复提供数据参考,为大兴安岭林区主伐林地的恢复以及管理提供理论支撑。

1 研究地与研究方法

1.1 研究区概况

本研究于2018 年7 月选取内蒙古根河林业区内2013 年与1987 年的皆伐与渐伐样地以及附近未采伐样地(对照),地理坐标121°30′30.10″—121°55′20.86″E, 50°50′49.63″—50°54′48.52″N。该地区地处寒温带大陆性季风气候,年降水量450—500 mm,海拔600—1300 m,年均温-5.4℃。林区内土壤以棕色针叶林土和暗棕壤为主,主要树种为兴安落叶松(Larixgmelinii)、白桦(Betulaplatyphylla)、樟子松(Pinussylvestrisvar．mongolica)等。

1.2 研究方法

1.2.1样地选择

在2018 年7 月,选取2013 年(恢复5 年代表恢复前期)、1987 年(恢复31 年代表恢复后期)的皆伐与渐伐样地以及未采伐对照样地,3块样地中主要树种为兴安落叶松(Larixgmelinii)和白桦(Betulaplatyphylla),树种组成相似。其中,每块样地分别随机设置3个20 m×20 m的样方,每个样方间隔100 m以上。在每个样方中选取生长状况和树龄大致相同的兴安落叶松3株,选取0—10 cm的根际土壤进行采集,共采集45 份土样。采样时,扫去地表的枯枝落叶等杂物,用铁锹挖土并找到根,抖落根际土并采集。在每株兴安落叶松根部4 个方向取土,混合为一个土样,作为该兴安落叶松的根际土壤。

新鲜土壤过2 mm筛后放于4℃冰盒里短暂保存,带回实验室。将新鲜土样分为3 份,前两份分别保存于-4℃和-20℃冰箱用于微生物量碳氮的测定以及磷脂脂肪酸(PLFA)的提取。第三份土样风干,用于土壤理化性质的测定。

1.2.2测定方法

理化性质：土壤pH采用酸度计进行测定,土水比为1∶5。土壤总碳(TC,Total carbon)、总氮(TN,Total nitrogen)采用元素分析仪测定(德国Elementar公司Vario MAX cube)。总磷(TP,Total phosphorus)、总钾(TK,Total potassium)采用微波消解法测定(ICP—OES)。速效磷(AP,Available phosphorus)采用碳酸氢钠法测定。速效氮(AN,Available nitrogen)采用碱解扩散法测定[9]。

微生物量：土壤微生物量碳氮用氯仿熏蒸法提取,浸提液用德国Elementar公司Vario TOC仪测定[10]。

磷脂脂肪酸(PLFA,Phospholipid fatty acids)[11- 12]：(1)提取：取冷冻干燥后的土样4 g,加入磷酸缓冲液(0.1 mol/L)、甲醇(色谱纯)、氯仿,超声波10 min,震荡1—2 h,离心10 min(2500 rpm/min)；取上清液加入氯仿、磷酸缓冲液,混匀,分层过夜(避光)。收集下层氯仿相,N2吹干。(2)分离：过硅胶柱(用5 mL仿润湿柱子),用氯仿分2 次洗涤转移吹干的样品,加15 mL丙酮过柱、加入10 mL 甲醇(色谱纯)过柱,收集甲醇相,N2吹干。(3)甲酯化：使用甲醇—甲苯(1∶1,体积分数)溶液溶解吹干的脂类物质,加入0.2 mol/L KOH(甲醇作溶剂) 1 mL,混匀,37℃温水浴15 min；冷却至室温,加入2 mL氯仿—正己烷(1∶4,v/v)、0.3 mL醋酸(1 mol/L)、2 mL超纯水,混匀,离心5 min(2000 rpm/min),收集上层正己烷相。加2 mL氯仿—正己烷(1∶4,v/v)重复提取一次,合并两次提取的正己烷相,N2吹干,-20℃保存。(4)上机测定：用19C做内标,通过气相色谱仪得到PLFA特征图谱,根据内标计算含量,单位用nmol/g表示。

1.3 数据处理

根据已有研究成果中的磷脂脂肪酸标记物[13- 18],对根际土壤微生物群落的革兰氏阳性细菌Gram-positive bacteria,GP(i14：0,i15：0,a15：0,i16：0,i17：0,a17：0, i18：0)、革兰氏阴性细菌Gram-negative bacteria,GN(16：1ω7c,17：0 cyclo ω7c, 17:1ω8c, 18：1ω7c,18：1ω5c,19：0 cyclo ω7c)、放线菌Actinomycete(16：0 10-methyl,17：0 10-methyl,18：0 10-methyl)、真菌Fungi(18：2ω6c,18：1ω9c)、细菌Bacteria(i14：0,i15：0,a15：0,i16：0,i17：0,a17：0, i18：0,16：1ω7c,17：0 cyclo ω7c, 17:1ω8c, 18：1ω7c,18：1ω5c,19：0 cyclo ω7c)的含量进行表征。

通过R 3.5.1版本中的diversity()函数利用PLFA数据计算香农维纳多样性指数与辛普森多样性指数,公式如下：

Shannon-Wiener

H=-∑(Pi)(lnPi)

(3)

式中,H为香农维纳多样性指数；Pi为第i种磷脂脂肪酸标记物在磷脂脂肪酸标记物总量中的比例

Simpson

D=1-∑(Ni/N)2

(4)

式中,D为辛普森多样性指数,Ni为第i种磷脂脂肪酸标记物的含量,N磷脂脂肪酸标记物的总量。

用一些常见的磷脂脂肪酸含量的比值来分析根际土壤微生物群落结构的变化,如细菌/真菌(Bacteria/Fungi)、革兰氏阳性细菌/革兰氏阴性细菌(GP/GN) 。微生物压力指数(Stress level)用单链不饱和脂肪酸(cyc17: 0+cyc19: 0)/环丙烷脂肪酸(16: 1ω7c+18: 1ω7c) 来计算,压力指数越高代表着细菌群落受到更高的生理压力[19]。

利用SPSS 24.0对兴安落叶松根际土壤理化性质、微生物量碳氮含量、PLFA含量、微生物群落结构指标、多样性指数、压力指数进行单因素方差分析,并用LSD方法比较不同组之间的差异。

利用R 3.5.1版本中的vif.cca()函数计算方差膨胀因子,筛选并去除多重共线性较强环境因子(方差膨胀因子大于20)[20],之后利用vegan包中rda()函数的对根际土壤理化性质以及各微生物类群生物量以及微生物群落结构进行冗余分析。

作图通过Origin 9.1、R 3.5.1、Microsoft Office Visio完成。

2 结果与分析

2.1 不同主伐方式对兴安落叶松根际土壤理化性质的影响

如表1所示,皆伐样地恢复前期,兴安落叶松根际土壤速效磷含量显著高于对照样地,其余理化性质与对照样地无显著差异。皆伐样地恢复后期,兴安落叶松根际土壤总碳、总氮、速效氮含量降低,显著低于对照样地,速效磷含量仍显著高于对照样地,pH显著高于渐伐样地和对照样地,含水量显著低于对照样地,总磷、总钾含量与对照样地差异均不显著。

渐伐样地恢复前期,兴安落叶松根际土壤的总碳、总氮、速效氮含量以及含水量均显著低于对照样地,总钾、速效磷含量显著上升,其余理化指标没有显著变化。渐伐样地恢复后期,根际土壤总碳、总氮、速效氮以及含水量仍显著低于对照样地,总磷、总钾、速效磷含量均显著高于对照样地。

表1 兴安落叶松根际土壤理化性质

2.2 不同主伐方式对兴安落叶松根际土壤微生物量碳氮的影响

兴安落叶松根际土壤微生物量碳含量变化如图1所示。恢复前期,皆伐样地兴安落叶松根际土壤微生物量碳含量与对照样地没有显著差异。渐伐样地兴安落叶松根际土壤微生物量碳含量显著低于皆伐样地和对照样地。恢复后期,皆伐样地兴安落叶松根际土壤微生物量碳含量显著降低,渐伐样地兴安落叶松根际土壤微生物量碳含量已与未采伐对照样地无显著差异。

兴安落叶松根际土壤微生物量氮含量变化如图1所示。恢复前期,皆伐、渐伐样地兴安落叶松根际土壤微生物量氮含量与对照样地没有显著差异。恢复后期,皆伐样地兴安落叶松根际土壤微生物量氮含量显著低于渐伐样地以及对照样地。渐伐样地恢复后期,兴安落叶松根际土壤微生物量氮含量与对照样地没有显著差异。

图1 兴安落叶松根际土壤微生物量Fig.1 Biomass of rhizosphere soil microorganisms of Larix gmelinii字母不同代表处理间差异显著(P < 0.05)

2.3 不同主伐方式对兴安落叶松根际土壤微生物PLFA含量以及微生物群落结构的影响

兴安落叶松根际土壤微生物PLFA含量的变化如表2所示。皆伐样地的恢复前期,兴安落叶松根际土壤革兰氏阳、阴性细菌、真菌、细菌、放线菌、总PLFA含量与对照样地均无显著差异。皆伐样地恢复后期,兴安落叶松根际土壤真菌PLFA含量显著降低,其余各微生物类群PLFA含量与对照样地没有显著差异。渐伐样地恢复前期与后期,各微生物类群PLFA含量与对照样地均不存在显著差异。

表2 兴安落叶松根际土壤微生物类群磷脂脂肪酸含量

兴安落叶松根际土壤微生物群落结构的变化如图2所示。皆伐样地恢复前期,兴安落叶松根际土壤革兰氏阳性细菌/革兰氏阴性细菌(GP/GN)以及细菌/真菌(Bacteria/Fungi)与未采伐对照样地没有显著差异。皆伐样地恢复后期,兴安落叶松根际土壤Bacteria/Fungi显著高于未采伐对照样地(图2)。渐伐样地恢复前期与后期,兴安落叶松根际土壤GP/GN、Bacteria/Fungi与未采伐对照样地均不存在显著差异。

图2 兴安落叶松根际土壤不同微生物类群磷脂脂肪酸比值Fig.2 Ratios of phospholipid fatty acids in different microbial groups in rhizosphere soil of Larix gmelinii 字母不同代表处理间差异显著(P < 0.05)

2.4 不同主伐方式对兴安落叶松根际土壤微生物群落多样性指数与压力指数的影响

兴安落叶松根际土壤微生物群落的多样性指数与压力指数的变化如表3所示。皆伐样地恢复后期,兴安落叶松根际土壤微生物群落辛普森多样性指数显著低于对照样地。除此之外,不同主伐方式样地恢复前期与后期的压力指数、香农维纳多样性指数、辛普森多样性指数均与对照样地不存在显著差异。

表3 兴安落叶松根际土壤微生物压力指数与多样性指数

2.5 兴安落叶松根际土壤理化性质与微生物群落的冗余分析(RDA)

为了进一步确定主伐后引起兴安落叶松根际土壤微生物群落中细菌、真菌相对含量发生显著变化的主要环境因子,首先计算土壤理化性质的方差膨胀因子。其中,总碳、总氮的方差膨胀因子均大于20,具有较强的多重共线性,故将其去除。筛选环境因子后,选择pH、含水量(SM)、总磷(TP)、总钾(TK)、速效磷(AP)、速效氮(AN)与细菌、真菌磷脂脂肪酸(PLFA)含量进行冗余分析。

图3 根际土壤微生物群落结构与土壤理化指标的冗余分析 Fig.3 Redundancy analysis for soil microbial community composition and soil physiochemical properties SM:含水量Soil moisture；TP:总磷 Total phosphorus; TK:总钾 Total potassium; AP:速效磷 Available phosphorus; AN:速效氮 Available nitrogen

分析结果如图3所示,两个排序轴对兴安落叶松根际土壤微生物群落中细菌、真菌相对含量变化的解释率达33.88%,其中,第一第二约束轴分别解释了变化的33.21%和0.67%。

环境因子中,兴安落叶松根际土壤pH与真菌PLFA含量显著正相关(P<0.05),与细菌PLFA含量显著负相关(P<0.05)。速效氮(AN)与真菌PLFA含量显著负相关(P<0.05),与细菌PLFA含量显著正相关(P<0.05)。含水量(SM)、总磷(TP)、总钾(TK)、速效磷(AP)与细菌、真菌PLFA含量也具有一定的相关性,但并不显著(P>0.05)。可见,pH与速效氮(AN)是引起兴安落叶松根际土壤微生物群落中细菌、真菌相对含量发生显著变化的最主要环境因子。

3 讨论

森林采伐是人类活动对森林生态系统的介入与干扰,必然会对森林生态系统产生影响[21]。本文对皆伐与渐伐样地以及未采伐对照样地内兴安落叶松根际土壤的理化指标以及微生物指标进行测定,分析了不同主伐方式在恢复前期与恢复后期对兴安落叶松根际土壤理化性质以及微生物群落的影响。研究结果表明,兴安落叶松根际土壤与非根际土壤的理化性质以及微生物群落对不同主伐方式的响应存在差异；不同主伐方式对兴安落叶松根际土壤的影响机制也有所不同,皆伐对兴安落叶松根际土壤的影响是长期且显著的,而渐伐对兴安落叶松根际土壤的影响则比较微弱,且持续时间较短；冗余分析结果表明,根际土壤pH和速效氮(AN)是主伐扰动后造成根际土壤微生物群落变化的环境因子。

相较于非根际土壤,皆伐对兴安落叶松根际土壤理化性质以及微生物群落的影响主要体现在恢复后期。已有研究表明,森林皆伐初期非根际土壤的pH、含水量、碳氮含量均发生了显著变化[22- 24],而本研究中皆伐恢复前期兴安落叶松根际土壤的pH、含水量、碳氮含量与未采伐对照样地没有显著差异。这可能是由于皆伐恢复前期植被对雨水的截留以及蒸作用降低,所以根际土壤的pH、含水量并没有发生显著变化；同时,由于皆伐后留下了大量采伐残留物,这些残留物以腐烂的形式为根际土壤补充了碳氮元素,使碳氮含量在皆伐后短期内不会显著降低[25]。在皆伐恢复后期,兴安落叶松根际土壤的pH、含水量、碳氮含量均发生了显著变化。这可能是由于皆伐样地根际土壤没有了植被的截流,且皆伐作业对土壤的压实作用使得土壤容重增加,孔隙减小,持水性能恶化,长期降水冲刷导致了酸性物质流失以及含水量的减少以及pH的显著升高；同时,随着恢复后期采伐残留物的减少,碳、氮输入量减少,分解和呼吸作用使根际土壤总碳含量减少,总氮含量减少则可能也与氮的长期淋溶流失有关[26],皆伐后期兴安落叶松根际土壤微生物碳、氮含量均显著降低也与根际土壤碳氮含量的降低有关。

相较于非根际土壤,渐伐对兴安落叶松根际土壤理化性质以及微生物群落的影响较为相似。已有研究表明在渐伐恢复前期非根际土壤理化性质均发生了显著变化[27- 31],本研究中渐伐样地恢复前期兴安落叶松根际土壤除pH、总磷含量外均发生了显著变化,这说明在恢复初期渐伐对兴安落叶松根际与非根际土壤的影响具有一致性。渐伐样地在恢复前期与后期兴安落叶松根际土壤含水量均显著低于未采伐对照样地,这可能是由于在渐伐过程中减少了一部分林冠的截流且仍存在一部分植被的蒸腾作用[32],导致恢复前期含水量即出现显著降低,且由于渐伐使土壤持水能力恶化,造成了长期的水土流失。水土流失的淋溶作用进一步造成了渐伐恢复前期与后期兴安落叶松根际土壤速效氮含量均显著小于未采伐对照样地。渐伐对兴安落叶松根际土壤理化性质的长期作用则表现在恢复后期总磷、总钾、速效磷含量均显著大于未采伐对照样地,在一定程度上改善了根际土壤养分条件,导致凋落物分解以及养分释放速率提高[33],微生物可利用的底物充足[34],促进了微生物生长和繁殖,根际土壤微生物量碳含量恢复到了采伐前的水平。

冗余分析结果表明,根际土壤pH与速效氮(AN)是影响真菌群落的主要环境因子,由于不同主伐方式下根际土壤pH与速效氮(AN)的变化显著程度不同,所以相应的微生物群落的变化特征也有所不同。不同主伐方式中,皆伐对兴安落叶松根际土壤理化性质的影响可能存在滞后效应。Liu等[35]在对中国南部马尾松林皆伐样地的研究中发现恢复初期非根际土壤真菌、放线菌以及微生物量氮的含量显著降低,本研究中皆伐恢复后期兴安落叶松根际土壤pH与速效氮均发生了显著改变,从而降低了微生物群落中真菌的含量,改变了兴安落叶松根际土壤的微生物群落结构,细菌占据了更大的优势。这种优势的变化直至皆伐恢复后期根际土壤真菌含量才显著降低,这说明根际与非根际土壤微生物群落中真菌均比细菌更容易受到土壤理化性质的影响,且由于根际土壤理化性质对皆伐的响应存在一定的滞后效应,所以根际土壤微生物的变化也较非根际土壤相对滞后。邓大豪等[36]在对非根际土壤理化性质与微生物的冗余分析中发现,单一种土壤理化性质的显著改变并不能对微生物群落结构产生显著影响,本研究中渐伐只造成了兴安落叶松根际土壤pH的改变,没有对根际土壤微生物群落造成显著影响,与其研究结果一致。

皆伐干扰也对根际土壤微生物群落的多样性产生了显著影响,在皆伐恢复后期,兴安落叶松根际土壤微生物群落的辛普森多样性指数显著低于对照样地,土壤微生物群落的多样性显著降低。压力指数是反映微生物群落中细菌受到的生理压力的大小[19],本研究中不同样地兴安落叶松根际土壤的压力指数均不存在差异,这可能有以下两方面原因：一是皆伐样地恢复后期pH显著升高, 土壤碳氮含量降低、土壤持水能力下降、土壤压实,细菌对改变后的土壤环境适应性要高于真菌[37- 38],二是由于皆伐恢复后期死亡的根系分解以及植物吸收减少,导致可利用底物含量较高[39], 使得生长速度较快的细菌占据优势[39- 42],所以其压力指数没有发生显著改变。

4 结论

综上所述,根际土壤的伐后理化性质以及微生物群落的变化特征与非根际土壤存在区别,且不同主伐方式在不同恢复时期会对兴安落叶松根际土壤理化性质以及微生物群落产生不同的影响：相较于非根际土壤,皆伐对根际土壤理化性质造成了长期且显著的影响,从而显著抑制了根际土壤微生物群落中真菌的生长(其中pH、速效氮是主要影响因素),使细菌/真菌显著升高,改变了根际土壤微生物群落结构,降低了微生物群落的多样性,且这些影响可能由于皆伐后存在的大量枯枝落叶而存在滞后效应,在恢复后期才会显现。渐伐则有利于林区的可持续发展,对根际土壤各微生物类群PLFA含量、微生物群落结构以及多样性没有显著影响,并且根际土壤养分条件在一定程度上得到了改善。