桉树与火力楠、米老排等混交林土壤养分和微生物群落结构研究

蔡 铮 邓海勇 陈志伟

(1.怀集县甘洒镇农林水综合服务站,广东 怀集 526000;2.怀集县林业局,广东 怀集 526000;3.广西生态工程职业技术学院,广西 柳州 545000)

桉树作为一种快速生长的树种,在短时间内可以达到高产量,但也面临着土壤养分衰退、酸化和养分贫瘠化等挑战。为了解决这些问题,研究人员进行了混交种植的实践与研究。混交种植桉树与具有固氮能力的树种如马占相思,能够改善土壤养分状况,提高氮含量,减少对化肥的依赖,并增加桉树和混交林的单位面积蓄积量。此外,将桉树与米老排、火力楠等耐荫树种进行间作混交,不仅增加土壤表层的枯枝落叶物质,还提高了土壤肥力,促进了桉树人工林的可持续经营。

1 研究目的

土壤养分对于林地的可持续发展至关重要。养分的来源包括土壤矿质成分、腐殖质、降水、渗水和施肥等。养分含量过高或过低都会对植物生长产生影响。植物通过根系吸收养分,并通过凋落物将养分返还给土壤［1］。天然林具有完整的养分循环,而人工林的养分输出量较高。研究土壤养分特征有助于理解植物与土壤之间的相互作用,为合理施肥和可持续发展提供依据。精确的养分管理策略可以确保植物的健康生长和高产量,并减少养分流失和环境影响。这样的研究对于推动农林复合系统的发展和实现可持续农业和林业发展目标至关重要。

2 实验研究

2.1 试验设计与样本采集

在桉树种植区内,选取了四片生长情况良好、土壤肥力状况良好的林地进行间伐,并与常绿乡土阔叶树种进行混交间作。这四片林地之间相距约1 000 m。混交间作选用了1年生的灰木莲、火力楠和米老排,它们是典型的南亚热带本地树种,能够迅速适应当地环境。在2018年3月,对桉树纯林进行了选择性伐除,每片林地保留了500棵/hm2的尾巨桉,并在林下分别补植了灰木莲、火力楠和米老排,密度均为1 185棵/hm2。这是试验林地的布置方式,对照组包括常绿阔叶林和桉树纯林。桉树纯林是9年生的二代桉树萌芽林,林分密度为825棵/hm2。常绿阔叶林经历了30年左右的近自然演替历史,主要树种包括灰木莲、米老排、火力楠、红锥、观光木等,郁闭度高达80%以上。经过一段时间的次生演替,桉树纯林的现状很有可能与这片常绿阔叶林相似［2］。常绿阔叶林没有进行施肥,而桉树纯林和混交林每年分别施用0.4和0.8 t/hm2的复合肥料(N∶P∶K = 15∶16∶18)。

在典型样地中,设置了一片常绿阔叶林(BL)和一片桉树纯林(EP)作为对照组,同时设置了三片桉树与灰木莲(EMa)、桉树与火力楠(EMi)、桉树与米老排(EMy)混交林作为试验组。在试验组和对照组中,随机设置了4个20 m×30 m的标准样地进行调查和采样。于2020年8月中旬对试验组和对照组下方的0～10 cm土壤进行了样品采集,并进行了背景调查。在每个标准样地内,分别在上、中、下不同坡度位置设置了1、2、1个土壤剖面,使用环刀取样,共获得40个土样,用于测定土壤的物理性质。同时,在林地的标准样地中,按照S形取样方式取得了7个土样,去除碎石等杂物后进行混合均匀,然后分为四等份,取对角线上的两份进行混合均匀,一部分放入塑封袋和试管中,并用干冰保存。这些样品将用于土壤化学性质、酶活性、微生物碳氮磷含量的测定,以及扩增子测序等分析［3］。

2.2 土壤物理化学性质测定

土壤物理性质的测定包括土壤粒径分析、容重、持水量、孔隙度和含水量的测定,采用环刀法进行。土壤化学性质的测定包括pH值、有机质、全氮、全磷、全钾、有效氮、有效磷、速效钾、氨态氮、硝态氮、有效钙、有效镁、有效铜、有效锌和有效硼的测定,采用不同的方法进行测定。此外,还可以通过测量土壤中的酶活性和微生物生物量来评估土壤的生物学特性。这些测定方法能够提供关于土壤理化性质和养分状况的重要信息,帮助了解土壤的质量和适宜的农业管理措施［4］。

2.3 士壤微生物PCR扩增和测序

通过对微生物群落总DNA的测序和分析,可以获得土壤微生物群落的组成、丰度和多样性信息。进一步,可以探索土壤微生物与土壤环境因子的相互关系,如土壤pH、有机质含量、养分水平等。此外,还可以利用群落功能基因的测序数据,探索土壤微生物的功能潜力,如氮循环、碳循环、抗生素合成等。

综合微生物群落组成和功能分析的结果,可以对土壤生态系统的健康状况、养分循环和生态功能进行评估和理解。这些信息对于农业、环境保护、土壤改良和生态恢复等方面具有重要意义,有助于制定科学合理的土壤管理策略和措施,促进可持续发展和生态平衡［4］。

通过使用E.Z.N.A.Rsoil DNA kit进行微生物群落总DNA提取,结合PCR扩增、文库构建和高通量测序等技术手段,可以深入研究土壤微生物群落的组成、多样性和功能,为土壤生态系统研究提供重要的数据支持和科学依据。

3 结果与分析

3.1 不同林地土壤养分特征差异

土壤是植被生长的基本介质,其理化性质在很大程度上决定了不同林地的土壤结构、土壤养分含量、肥力水平和整体健康状况等。这些理化性质不仅直接影响着植被在不同林地中的生长情况和空间分布,还对土壤微生物的生存和活动产生显著影响。因此,通过对不同林地土壤的主要理化性质进行调查,特别是在桉树纯林转化为混交林后,了解土壤的理化特性和土壤质量的现状,对于研究和改善桉树人工林土壤质量具有重要意义,并为相关工作提供科学依据［5］。

通过对土壤的调查和分析,可以获得关于土壤的多个关键参数和性质的信息。例如,土壤的质地、容重、孔隙度等结构特征,以及土壤中的有机质含量、氮、磷、钾等养分水平。这些信息能够反映土壤的肥力状况、养分供应能力和水分保持能力,进而影响植被的生长状况和分布格局。同时,土壤中的微生物群落也会受到土壤理化性质的影响,因为土壤的理化性质直接关系到微生物的生存环境和生命活动。

3.1.1 不同林地土壤物理化学性质差异

土壤是由黏粒和粉粒为主要组成的,它们的含量总和在土壤中占据了很大的比例,通常在83.8%到94.3%之间。不同林地的土壤在砂粒、粉粒和黏粒的含量上存在一定的差异。当林地转化为桉树纯林时,土壤中的砂粒含量会下降,而粉粒和黏粒的含量则会有所增加。而当桉树纯林进一步转化为混交林时,土壤中的砂粒和粉粒含量会上升,而黏粒的含量则会有所下降［6］。

在不同林地类型中,土壤中的砂粒、粉粒和黏粒的含量有所不同。桉树纯林中的土壤砂粒含量最低,仅占土壤总量的56.9%。而桉树与米老排混交林中的砂粒含量最高,达到162.25‰。在粉粒的含量方面,常绿阔叶林的土壤含量最低,为309.7‰,而桉树与灰木莲混交林的土壤含量最高,达到428.48‰。至于黏粒的含量,桉树与米老排混交林中的土壤含量最低,为453.48‰,而桉树纯林中的土壤含量最高,达到589.9‰。

这些数据表明不同林地类型的土壤组成存在显著差异。林地的转化会对土壤中黏粒、粉粒和砂粒的含量产生影响。桉树纯林的形成导致土壤中黏粒含量的增加,而转化为混交林后,土壤中的粉粒和砂粒含量相对增加。这些变化可能与植被类型、土壤养分循环以及土壤结构的调整等因素有关。

3.1.2 不同林地士壤微生物生物量碳氮磷差异研究

混交林土壤微生物生物量碳氮磷和常绿阔叶林、桉树纯林之间存在显著差异,这些差异反映了不同植被类型对土壤微生物群落的影响。根据研究结果,在不同林地类型中,土壤微生物生物量碳、氮和磷的含量呈现出一定的变化。

基于主成分分析的结果,将主要关注桉树与灰木莲混交林和桉树与米老排混交林的微生物测定分析。这两种混交林类型在土壤理化性质和土壤微生物生物量方面具有特殊的特征和差异,因此对其微生物群落进行详细的研究和分析将有助于了解混交林生态系统的功能和土壤质量的变化。

3.2 不同林地土壤细菌差异

在进行97%分级水平下的分析时,不同处理之间的土壤细菌OUTs总值存在显著差异,这表明处理方式对土壤细菌群落的组成产生了影响。通过Venn分析,发现四种处理方式共有的OTUs值为1206,占总OTUs值的31.40%。与其他处理相比,桉树与灰木莲混交林的OTUs总值和特殊OTUs值显著高,而桉树纯林的OTUs总值和特殊OTUs值显著低。常绿阔叶林、桉树与灰木莲混交林、桉树与米老排混交林与桉树纯林、桉树与灰木莲混交林、桉树与米老排混交林之间的共有OTUs值相差较小。特殊的OTUs种类是导致微生物群落结构差异的原因之一。

总体而言,桉树纯林的土壤特殊细菌种类下降较为严重,但土壤中的主要功能种类细菌得以保持。同时,桉树与灰木莲混交林和桉树与火力楠混交林增加了土壤中特殊细菌的种类(EP: 168,EMa: 339,桉树与米老排混交林: 729)。

在门水平上,不同林地间的优势菌门包括变形杆菌门、放线菌门、酸杆菌门、绿弯菌门等。这四个菌门的相对丰度之和约占总数的80%(图1)。

图1 在门水平上,不同林地土壤细菌的相对丰度图

混交处理使得林地土壤细菌群落组成发生了变化。通过对丰度排名前11的优势菌门进行组间差异的Tukey检验,发现WPS-2、疣微菌门、粘球菌门、芽单胞菌门、拟杆菌门之间存在显著差异。其中,处理桉树纯林的粘球菌门和拟杆菌门的相对丰度显著低于处理常绿阔叶林、桉树与灰木莲混交林和桉树与米老排混交林的情况。

4 结论与实践的运用

就土壤养分方面的研究表明,与纯桉树林相比,桉树与火力楠、米老排等混交林土壤中的养分含量更加丰富和平衡。这是由于不同树种具有不同的营养需求和吸收方式,混交林能够更好地利用土壤中的养分资源,提高养分利用效率。此外,混交林中不同树种的根系分泌物和凋落物的分解也有助于养分的循环和再利用。

微生物群落结构的研究显示,桉树与火力楠、米老排等混交林土壤中的微生物多样性和功能群的丰富度较高。混交林的多样性有利于形成更为复杂和稳定的微生物群落,不同树种提供了不同的生态位和资源,吸引了更多种类的微生物生活在土壤中。这些微生物在土壤有机质分解、养分转化和生态系统功能维持等方面发挥着重要作用。

基于上述研究结果,可以在实践中应用以下方面。

(1)混交林的推广:基于土壤养分和微生物群落结构的研究成果,可以积极推广桉树与火力楠、米老排等树种的混交林模式。混交林能够改善土壤养分状况,增强生态系统的稳定性和抗逆性。

(2)养分管理策略:根据混交林土壤养分特点,制定科学的养分管理策略。可以通过合理施肥、循环利用有机肥料和优化灌溉等措施,提高土壤养分的供给能力,促进植物的生长和发育。

(3)微生物管理措施:重视土壤微生物群落的保护和促进。可以通过减少农药的使用、增加有机质输入、合理轮作等方式,维持土壤微生物的多样性和功能,提高土壤生态系统的健康状况。

(4)实施可持续管理措施:结合土地生态系统的养分状况和微生物群落结构,实施可持续的管理措施。这包括合理的林地规划和设计,避免过度清除和破坏植被,保护土壤表层覆盖物,减少水土流失和养分流失,同时保持林地的多样性和生态平衡。

5 结语

通过对混交林土壤的研究,深入了解了桉树与火力楠、米老排等混交林土壤的特点和生态功能,为混交林的管理和保护提供了科学依据。进一步研究混交林土壤中养分循环机制和微生物生态过程,有助于优化土壤管理策略,促进混交林生态系统的可持续发展。未来的研究可以进一步探究混交林与其他植被类型之间的差异,以及混交林土壤中微生物群落的功能和生态意义。