经营模式对杉木林土壤微生物组成和多样性的影响

2023-05-13王小虎刘雨晖韩丰泽吴鹏飞马祥庆

福建农林大学学报（自然科学版） 2023年3期

王小虎, 刘雨晖, 韩丰泽, 吴鹏飞, 马祥庆

(1.福建农林大学林学院,福建福州 350002;2.国家林业局杉木工程技术研究中心,福建福州 350002;3.福建农林大学莘口教学林场,福建三明 365000)

杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook]是我国人工林面积最大的造林树种,在我国林业生产中占有重要地位[1].近年来随着杉木人工林面积的不断扩大,纯林经营出现了林分结构单一、物种多样性下降、地力衰退等生态问题[2-3],严重制约了杉木人工林的可持续经营.因此急需解决杉木人工林不合理经营引起的一系列生态问题.

近年来众多学者尝试利用近自然林业经营技术来解决人工林经营中出现的生态问题,取得了较好的效果[4-5].土壤微生物是森林生态系统的重要组成部分,参与其物质循环和能量流动[6-7].土壤微生物通过分解有机质、提供植物生长所需的营养元素、强化植物养分的吸收效率、优化土壤结构,以及提高物种多样性等,对森林生态系统起着重要的调节作用[8-10].目前已有不少近自然经营对人工林土壤微生物影响的研究[11-12],如:宋贤冲等[13]研究发现,近自然改造后毛竹(Phyllostachysedulis)林土壤微生物碳源的利用效率高于杉木人工林;刘延滨等[14]研究表明,落叶松近自然改造后林隙间土壤微生物多样性显著提高.但目前有关杉木人工林近自然经营的研究报道较少.鉴于此,本研究以杉木人工林为研究对象,设置3种经营模式处理(近自然经营、常规经营、封育经营),研究经营模式对杉木林生态系统的影响;在不同经营模式处理10 a后,利用高通量测序技术研究经营模式对土壤微生物群落结构和多样性的影响,探讨土壤微生物群落结构及多样性与土壤理化性质之间的关系,以及近自然经营对杉木林土壤微生物群落结构和多样性的影响,为杉木近自然经营研究提供依据.

1 试验地概况

试验地位于福建三明福建农林大学教学林场(26°12′N,117°28′E),地处武夷山脉东伸支脉,海拔220～502 m,为中亚热带季风性气候,光照和温度条件好,降雨量充足(1 749 mm),降水集中在3—8月,占全年降水的3/4.年均相对湿度79%[15],年均温度19.2 ℃,年均无霜期320 d以上,≥10 ℃年积温4 510～6 215 ℃.土壤为山地红壤,母质以粉粒页岩为主.试验林为马尾松人工林皆伐后营造的杉木人工林,林下植被主要以江南双盖蕨(Diplaziummettenianum)、楠木(Phoebezhennan)、杜茎山(Maesajaponica)、淡竹叶(Lophatherumgracile)、光叶山矾(Symplocoslancifolia)、薄盖双盖蕨(Diplaziumhachijoense)等为主.2003年营造杉木纯林,造林后第2年和第3年分别进行了2次抚育,第4年施磷肥,第7年实施抚育间伐并施用氮肥.

2 研究方法

2.1 试验设计

2012年选择立地条件基本一致的9年生杉木林3块,在每块林分内设置固定标准样地(20 m×20 m)3块,对3块林分分别进行近自然经营、常规经营和封育经营,共设置9块标准样地.近自然经营采用目标树经营模式,传统经营采用常规经营模式,封育经营没有采取经营措施.样地基本情况见表1.

表1 杉木不同经营模式的试验设计及林分情况

2.2 调查方法

2021年9月对不同经营模式处理10 a的杉木林土壤的微生物区系及理化性质进行调查分析.

2.2.1 土壤样品采集在不同经营模式下的杉木林标准地内,按照S形布点法,取0～20 cm土层的土样.取土样前用工具铲除表层腐殖质和杂质,去除凋落物、细根和石砾等.取样后混合均匀,分为2份,一份研磨过筛后放入灭菌后的离心管中,置于便携式冰盒冷藏,带回实验室,保存在-80 ℃冰箱中,用于土壤微生物分析;另一份置阴凉处风干,风干后过筛保存,用于土壤理化性质测定.

2.2.2 土壤理化性质测定采用干燥法测定土壤含水率,采用环刀法测定土壤容重,采用电极法测定土壤pH值,采用碳氮分析仪测定土壤有机碳含量,采用氯化钾浸提—比色法测定硝态氮、铵态氮含量,采用氟化铵—盐酸浸提法测定速效磷含量,采用火焰分光光度计测定速效钾含量[16-17].

2.2.3 土壤微生物组成及其多样性测定采用广州基迪奥生物科技有限公司提供的土壤微生物基因组DNA提取试剂盒(power soil DNA isolation kit)进行DNA提取,提取后进行PCR扩增.使用带有barcode的特异性引物,以便区分不同样品.测序引物具体信息见表2.PCR反应体系:取2.5 μL细菌模DNA,上下游引物各为5.0 μL,12.5 μL DNA扩增预混液(2×KAPA HiFi HotStart ReadyMix).PCR反应条件:95 ℃预变性2 min,98 ℃变性10 s,退火1 min(62 ℃),进行27个循环,之后68 ℃下延伸10 min.使用质量分数为2%的琼脂糖凝胶进行PCR产物的电泳检测以及纯化,用GeneJET回收试剂盒.由广州基迪奥生物科技有限公司进行Illumina高通量测序.

表2 土壤微生物多样性的测序引物信息

2.3 数据分析

采用Qiime软件对测序结果进行分析、计算,使用R语言Vegan包对土壤微生物进行PcoA及NMDS聚类分析;微生物组间群落结构差异采用Lefse 1.0软件进行系统分析.采用Microsoft Excel 2016统计和整理数据,使用SPSS 22.0进行单因素方差分析,使用Canoco 5.0进行冗余分析.

3 结果与分析

3.1 经营模式对杉木林土壤微生物群落组成和结构的影响

3.1.1 经营模式对杉木林土壤细菌群落组成和结构的影响从图1可看出,相对丰度值从高到低依次为酸杆菌门(Acidobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、浮霉菌门(Planctomycetes)、疣微菌门(Verrucomicrobia)、Patescibacteria、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、厚壁菌门(Firmicutes).这10个细菌门在近自然经营、常规经营和封育经营模式下的相对丰度分别为92.62%、95.06%和92.37%,其中,酸杆菌门、放线菌门和变形菌门在近自然经营模式下细菌群落中的相对丰度分别为25.80%、22.15%和22.54%,在常规经营模式下土壤细菌群落的相对丰度分别为26.71%、25.44%和20.55%,在封育经营模式下土壤细菌群落中的相对丰度分别为26.98%、16.86%和20.82%.三者均为不同经营模式下土壤细菌群落中的优势细菌门,其在土壤群落中的相对丰度值无显著差异(P>0.05).

基于OTU分类操作单元对不同经营模式下的土壤细菌群落组分进行主坐标分析,结果见图2.从图2可看出,第1主成分与第2主成分分别解释了3种经营模式下土壤细菌群落总变异的45.01%和16.64%,共解释原信息的61.65%,具有较好的解释效果.近自然经营、常规经营和封育经营模式之间的聚集效应较差,表明3种经营模式下土壤细菌群落结构的差异较大.

CMZ为近自然经营模式;TMZ为常规经营模式;CKZ为封育经营.

3.1.2 经营模式对土壤真菌群落组成和结构的影响从图3可看出,相对丰度从高到低依次为子囊菌门(Ascomycota)、担子菌门(Basidiomycota)、毛霉门(Mucoromycota)、被孢霉菌门(Mortierellomycota)、罗兹菌门(Rozellomycota)、黄藻门(Anthophyta)、绿藻门(Chlorophyta)、壶菌门(Chytridiomycota)、球囊菌门(Glomeromycota)、纤毛门(Ciliophora).这10个真菌门的相对丰度之和在近自然经营模式下达到94.41%,在常规经营模式下达到91.77%,在封育经营模式下达到93.76%.其中,子囊菌门和担子菌门在近自然经营模式下的相对丰度分别为68.6%和17.71%,在常规经营模式下分别为60.81%和21.15%,在封育经营模式下分别为54.44%和25.43%,表明二者均为3种经营模式下土壤真菌群落中的优势群种,且无显著差异(P>0.05).

对不同经营模式下土壤真菌群落组分进行主坐标分析,结果见图4.从图4可看出,第1主成分与第2主成分分别解释3种经营模式下土壤细菌群落总变异的22.96%和16.83%,共解释原信息的39.79%,未达到总解释度的50%以上,解释度较低.近自然经营与常规经营模式的土壤样品聚集效应较好,表明两者真菌群落结构的差异较小.

CKZ为封育经营;TMZ为常规经营模式;CMZ为近自然经营模式.

3.2 经营模式对杉木人工林土壤微生物群落多样性的影响

从表3可知,不同经营模式下土壤微生物的Goods_coverage指数均接近于1,表明土壤微生物测序结果能够较全面揭示土壤样品的微生物组成.Shannon指数、Chao1指数和Ace指数均存在显著差异(P<0.05),其中Shannon指数表现为近自然经营>封育经营>常规经营,Chao1指数和Ace指数表现为封育经营>近自然经营>常规经营.土壤真菌群落多样性仅Ace指数存在显著差异(P<0.05),表现为近自然经营>封育经营>常规经营.

表3 不同经营模式下杉木林土壤微生物多样性指数的比较1)

3.3 土壤微生物群落结构与土壤理化性质的冗余分析

从图5A可知,第1排序轴解释贡献度为81.53%,第2排序轴为10.76%,降维后信息保留较完整,但未发现显著变量因子影响细菌群落组成;从图5B可知,第1排序轴解释贡献度为65.06%,第2排序轴为25.86%,前2个轴总方差解释度为91.76%,降维后信息保留完整.样方沿第1轴的分布受土壤pH(贡献度42.1%,F=4.9,P=0.008)的影响显著,是土壤真菌群落结构变化的主要因子.由图5可知,子囊菌门与pH呈显著正相关,担子菌门与pH呈显著负相关.

A.细菌;B.真菌.SMC:土壤含水率.SOC:土壤有机碳.AP:土壤速效磷.AK:土壤速效钾.

4 讨论

本研究发现杉木林土壤放线菌、酸杆菌、变形菌为优势类群,具有较高丰度,与刘洋等[18]的研究结果一致.放线菌和酸杆菌在自然界中广泛分布,其生态幅较宽,对环境适应性强[19].土壤碳氮循环受变形菌的影响,如变形菌门中红螺菌(Rhodospirillummolisch)、根瘤菌(Rhizobium)等[20].本研究结果表明,近自然经营有利于土壤中放线菌的生长,可能是因为近自然经营林分土壤的pH值大于其他模式,微碱性土壤环境更适合放线菌的生长[21].近自然经营模式下土壤细菌群落的Shannon指数、Ace指数和Chao1指数显著大于常规经营模式,这与近自然经营下林内空间结构改善使得林下植被丰富度提高有关[22-23].本研究发现土壤子囊菌和担子菌是不同经营模式下土壤的优势真菌群落,相对丰度之和占土壤真菌的91.77%～94.41%,该结果与陈秀波等[24]的研究结果相似.担子菌和子囊菌作为土壤中有机物的重要分解者,子囊菌更有利于分解环境中难以降解的木质素和角质素等[25],担子菌分解植物残体中木质纤维素的能力更强[26],其中子囊菌的相对丰度以近自然经营模式最高.土壤微生物群落的组成、结构与土壤理化性质密切相关,不同经营模式的林分主要通过影响凋落物、根系生长及其根系分泌物等对土壤理化性质产生影响,进而改变土壤微生物的群落结构[27].土壤中适宜的pH是微生物生长的重要条件[28],本研究结果也表明土壤pH是影响土壤真菌群落的主要因子,可能是通过对土壤基质及化学性质产生影响进而改变土壤中优势菌类子囊菌门的数量,最终导致土壤微生物群落结构发生改变.朱平等[29]对不同植被类型土壤微生物群落结构的研究发现,土壤微生物群落结构与土壤pH密切相关.土壤真菌的相对丰度随土壤酸性的增强而增大[30],这与本研究得出的子囊菌门相对丰度与土壤pH显著正相关的结论不一致,可能与森林生态系统类型、土壤性质及采样时间等存在差异有关.