间伐和施肥对杉木近熟林土壤微生物特征的影响.pdf

收稿日期:修回日期:基金项目:福建省科技计划项目“杉木大径材良种选育及高质量培育技术研究”()江苏高校优势学科建设工程资助项目()第一作者简介:田地()男 硕士研究生 从事人工林培育理论与技术研究:.通信作者:唐罗忠()男 教授 从事森林培育学研究:.:./.间伐和施肥对杉木近熟林土壤微生物特征的影响田 地 陈义堂 史月冬 连书钗 边黎明 唐罗忠(.南京林业大学南方现代林业协同创新中心 江苏 南京.南京林业大学林学院 江苏 南京 .福建省洋口国有林场 福建 顺昌)摘要:为探究大径材培育目标下间伐和施肥对杉木()近熟林土壤微生物特征的影响 了解微生物生物量碳氮与微生物群落结构的相互关系 以福建省洋口国有林场 年生的杉木近熟林为对象 设置间伐()、间伐施肥()、对照(不间伐不施肥)种处理 研究不同处理下杉木近熟林土壤微生物生物量碳()和土壤微生物生物量氮()含量及其化学计量特征(/)、土壤微生物熵碳()和土壤微生物熵氮()的变化规律 采用高通量测序技术分析不同处理下土壤微生物群落结构差异 结果表明 和 处理能提高 含量 增大 和/且 处理的提高幅度较大 处理会降低 含量和 经 和 处理后土开放科学标识码(码)壤真菌群落优势菌门的丰富度和多样性指数升高 而细菌与之相反 相关分析表明 含量、和/与土壤细菌和真菌群落结构关系密切 含量和 与土壤真菌丰富度、多样性指数呈显著负相关(.)综合认为 和 处理能够改善林地土壤微生物生存环境 促进真菌生长和繁殖 有利于提高土壤肥力 为杉木大径材培育提供良好的土壤条件关键词:杉木 近熟林 间伐 施肥 土壤微生物群落中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):().:()()().()()(/)()()././(.).:森林与环境学报 ():第 卷 第 期 年 月杉木()是我国特有的速生用材树种 主要栽培在我国亚热带地区 大规模人工纯林和多代连栽仍然是目前杉木人工林的主要经营方式 面临着生产力下降、地力衰退等问题 制约着杉木人工林的可持续发展 抚育间伐能合理调整林分密度 改善林内光照、温度、湿度等条件促进保留木生长和林下植被再生 加快森林生态系统功能恢复 间伐后林内自然环境和林下植被的改变会导致土壤微生物群落结构和功能发生变化 进而改变土壤养分状况土壤微生物个体小 数量多 对环境变化的敏感度高 多数研究认为 微生物多样性越高 土壤的生态功能和生产功能越强 所以 研究土壤微生物生物量碳氮性状和微生物群落特征对解析人工林地力退化机制 维护森林生态系统健康稳定具有重要意义关于杉木人工林土壤微生物群落特征研究 目前主要集中在环境胁迫、化感作用等所产生的影响方面 对间伐和施肥措施下的土壤微生物群落特征及其与微生物生物量碳氮关系缺乏深入的了解本研究以杉木栽培中心地福建省洋口国有林场的杉木近熟林为研究对象 利用高通量测序技术分析间伐与施肥处理对土壤微生物群落结构的影响 为探讨土壤微生物群落特征及其与微生物生物量碳氮性状的关系 实现杉木人工林可持续经营提供理论参考 研究区概况与研究方法.研究区概况试验林位于福建省南平市洋口国有林场打铁坑杉木人工林良种示范区()海拔 该区属中亚热带海洋性季风气候 光热资源充足 雨水充沛 年平均气温.极端最高气温 极端最低气温.年均日照时间 .无霜期约 年平均降水量 降水多集中于 月 土壤为红壤 呈酸性.样地设置试验林为 年采用 年生杉木实生苗营造的人工林 面积为.林地坡度 坡向东南 造林密度为 株 至 年 林分的株数保存率为.林木分布比较均匀 幼林期进行了砍杂除草等抚育措施 但未进行间伐和施肥 年 月 选择坡向相同、坡位和坡度相似的地块设置间伐()、间伐施肥()和对照(不间伐不施肥)种处理 每种处理均随机设置 块大小为 样地(样地间设置 宽的隔离带)共计 块样地 对林分进行每木检尺 杉木试验林基本特征见表 年 月 采用“下层伐”(伐除个体小、长势弱、无培养前途的林木)方式 兼顾均匀分布原则 对 块 处理样地和 块 处理样地进行间伐 间伐强度分别为.和.间伐剩余物(枝、叶和嫩梢)保留在林内 原木移出林地 年 月 对 处理样地施用复合肥(、的质量比为 )采用沟施法 沿等高线在每株保留木上方约.处开设长约 宽约 深约 的施肥沟 均匀施入 复合肥 与部分土壤搅拌均匀后再覆土填满施肥沟表 杉木试验林基本特征 处理间伐前 林分密度/()平均胸径/间伐强度/间伐 后 林分密度/()平均胸径/林下植被种类 林下植被生物量 /()对照 .间伐 .间伐施肥 .注:除间伐强度和林下植被种类外 其余指标数值为平均值标准差:.土样采集 年 月中旬 即间伐 后 在每块样地中随机选择 个位点 分别挖 深的土壤剖面在、三个层次分别采集土样 先剔除土样中的砂石、细根等杂质 后过 森 林 与 环 境 学 报第 卷孔径的土壤筛 分别取 种处理 块样地的表层()土样各 左右 装入无菌指形管中 液氮速冻后迅速转移至干冰保温盒中运输 用于 提取和微生物多样性分析 其余土样用无菌自封袋包装后置于干冰保温盒中运输至实验室 用于土壤微生物生物量碳()、土壤微生物生物量氮()含量和土壤 值、全氮()和土壤有机碳()含量测定 间伐 后杉木林土壤基本性质见表 表 间伐 后杉木林土壤基本性质 处理土层/值 有机碳含量/()全氮含量/()对照.间伐.间伐施肥.注:指标数值为平均值标准差 不同小写字母表示相同土层不同处理间差异显著(.):.(.).测定方法土壤 值和全氮、有机碳、以及 含量均采用常规方法测定土壤微生物 提取和测序:使用土壤 抽提样品试剂盒生工生物工程(上海)股份有限公司提取土壤微生物总 提供给上海美吉生物医药科技有限公司进行扩增和测序 细菌()和真菌()分别采用引物 和 经过聚合酶链式反应()扩增 对 产物进行质量检测、纯化后 建立文库并使用 平台开展高通量测序 利用 对测序数据进行拼接和质控 得到优化序列 采用 软件按照对优化序列进行分类操作单元()聚类(相似性)获得 集 细菌与真菌分别对比 数据库(:/.)和 数据库(.:/./.)进行生物数据对比 确定细菌、真菌群落 并得到每条 序列在不同生物分类层次上的分组数据.数据分析运用 语言(.)工具制作土壤微生物群落组成柱状图 应用 软件分别统计微生物丰富度指数(和 )和多样性指数(和)基于非加权组平均算法()进行层级聚类分析 使用 语言 包完成基于距离的冗余分析()并制图使用 软件完成了基本数据分析并作图 并使用 .对数据完成了单因素方差分析()和 相关性分析 结果与分析.间伐和施肥对土壤微生物生物量碳氮含量及其化学计量特征的影响如图()所示 种处理的 含量随着土层的加深而均呈降低趋势 在 处理中 各土层间的 含量均存在显著差异(.)在 和 处理中 含量仅在 与 土层间差异显著(但不同处理之间的差异均不显著(.)如图()所示 随着土层加深 种处理的 含量均呈降低趋势 和 处理的不同土层之间 含量均存在显著差异(.)处理的、土层的 含量显著高于 第 期田地 等:间伐和施肥对杉木近熟林土壤微生物特征的影响土层(.)相同土层不同处理之间的 含量有所不同 但差异均不显著(.)如图()所示 种处理的 土层/均显著高于 、土层(.)同一土层不同处理间的/均无显著差异(.)但 处理的/在 个土层土壤中均最低 表明在 林分中 含量相对较低 含量相对较高 和 处理会提高 比例 降低 比例 导致它们的/高于 如图()所示 种处理 土层的 均显著大于、土层(.)除了 土层 处理的 显著大于 处理(.)但 处理的总体上较大图()显示 总体上 随着土层深度的增加而降低 相同土层不同处理之间的 无显著差异(.)但在 个土层中 处理的 均低于 和 处理 注:柱条上不同小写字母表示相同土层不同处理间差异显著(.)不同大写字母表示相同处理不同土层间差异显著(.):(.)(.)表 还显示 和 处理下的土壤真菌 和 指数均大于 但各处理间的差异均不显著(.)土壤真菌 指数呈 处理 处理 趋势 且三者之间差异显著(.)和 处理下的土壤真菌 指数均显著低于(.)表 不同处理下土壤微生物群落的丰富度和多样性指数 微生物群落 处理 指数 指数 指数 指数 细菌 .真菌.注:同列数值后不同小写字母表示相同类型微生物不同处理之间的差异显著(.):(.)土壤真菌 多样性指数与 之间呈显著负相关(.)土壤真菌 丰度指数与 和 之间均呈显著负相关(.)土壤真菌 丰度指数与 和 之间均呈极显著负相关(.)表 土壤微生物多样性指数与土壤微生物生物量碳氮性状的 相关性分析 微生物多样性指数 土壤微生物生物量碳土壤微生物生物量氮土壤微生物生物量碳氮比/土壤微生物熵碳土壤微生物熵氮细菌多样性指数 .真菌多样性指数 .注:和 分别代表在.和.水平上显著相关:.讨论.间伐和施肥对土壤微生物生物量碳氮性状的影响本研究发现 种处理间土壤微生物生物量碳氮性状均未呈现显著性差异 可能是由于间伐年限较短所致 但与 相比 和 处理后 含量呈上升趋势 且 处理的上升幅度更大 与李玲等研究间伐对云杉()林 含量的影响以及郭传阳等研究间伐对杉木人工林 含量的影响结果一致 含量的增加与间伐后林内环境发生变化密切相关 一方面 间伐后林分密度降低 林内光照增强 土壤温度升高 改变了土壤微生物生存环境 有利于微生物的增殖 另一方面 间伐后林分密度降低 有利于增加林下植被数量、种类和生物量 特别是 处理后林下植被生长茂盛 根系密度和根系分泌物增多 有利于 的积累 土壤中的 含量上升 意味着土壤中微生物的数量增加 有利于提高土壤肥力但本研究发现 处理会导致 含量下降 处理能够缓解 含量的下降 究其原因 一方面可能是间伐后林分密度降低 林下光照增强 促进了林下植被生长 对林地土壤氮素的竞争加大土壤微生物所能吸收和固持的有效氮减少 从而导致 含量下降 另一方面可能是土壤微生物群落结构因间伐而发生了改变 本试验间伐后的/提高 与曹芹等关于间伐对华北落叶松()人工林土壤微生物生物量影响的研究结果一致/的改变通常能反映林地土壤微生物群落结构发生变化 已有研究认为/越大真菌占比往往越大 真菌对林地枯落物的分解能力较强 能促进土壤肥力提高 本研究结果表明 与 相比 间伐处理后/提高 特别是 土层的提高幅度较大 说明真菌占比可能提高 细菌占比可能降低 在 处理中 人为补充含氮的复合肥可在一定程度上缓解林下植被对氮的竞争 同时也在一定程度上满足了土壤微生物的氮需求 使 含量(、土层)高于 处理微生物熵()能够反映土壤微生物对土壤碳、氮的利用效率 常用来反映微生物的活性 已有研究认为 微生物熵碳()越高 土壤碳活性越大 本研究发现 和 处理后的 升高 且 处理较 处理具有更高的提升幅度 说明间伐后 土壤碳库的稳定性降低 土壤碳活性得到提高.间伐和施肥对土壤微生物群落组成和多样性的影响本研究发现 和 处理对土壤细菌和真菌的丰富度指数(、)虽无显著影响 但细菌丰富度指数存在降低趋势 真菌丰富度指数存在上升趋势 与 相比 和 两种处理均能显著提高森 林 与 环 境 学 报第 卷土壤真菌的 指数 并显著降低真菌的 指数 表明 和 两种处理均能显著提高土壤真菌多样性 这与丁波等研究结果相似 有研究表明真菌多样性与环境相对湿度呈极显著负相关 本研究的间伐林分密度显著降低 林下光照增强 土壤的水分蒸发加快 相对湿度降低 可能有利于提高土壤真菌的多样性 在两种间伐处理中 处理的真菌多样性低于 处理 这可能与施用化肥有关 有研究认为 化肥的使用易造成土壤酸化 抑制真菌繁殖细菌群落组成中 变形菌门和酸杆菌门是土壤细菌群落中的重要组成部分 其中变形菌门(富营养菌群)和酸杆菌门(贫营养菌群)相对丰度的变化可以预示土壤细菌群落营养策略的改变 本研究中 处理后的土壤酸杆菌门相对丰度降低 变形菌门相对丰度升高 该结果可能与间伐后地表凋落物(杉木枝、叶和嫩梢等采伐剩余物)数量明显增多 土壤微生物可利用碳源增加有关 郝亚群等调查发现 当土壤中的可利用碳源增多 变形菌门的相对丰度会增加 酸杆菌门的相对丰度会降低 而 处理后 酸杆菌门相对丰度上升 变形菌门相对丰度下降 其原因可能与施肥导致 值下降有关 和 处理能明显提高土壤真菌中的被孢霉门和子囊菌门的相对丰度 显著降低担子菌门的相对丰度 改变了土壤真菌优势菌门的相对丰度 已有研究表明 被孢霉(.)可以通过在土壤中释放多种有机酸来溶解土壤磷 子囊菌门和担子菌门同属于腐生真菌 子囊菌门主要作用于林地凋落物分解前期(纤维素、半纤维素分解阶段)而担子菌门主要作用于林地凋落物的分解后期(木质素分解阶段)间伐后林地新鲜凋落物会在短期内明显增加 有利于子囊菌门增殖 提高其竞争性 在一定程度上抑制了担子菌门增殖 这一结果符合腐生真菌的一般消长规律.土壤微生物生物量碳氮性状与微生物群落结构的关系分析本研究发现真菌群落丰富度和多样性指数与 含量和 之间存在极显著负相关 这可能是因为土壤缺氮导致土壤微生物生态和生理功能发生变化而引起 土壤微生物的生态和生理功能(策略菌群)与土壤营养相关 策略物种(富营养或机会物种)生长速度快 底物亲和力低 对有效碳和养分输入反应敏感 通常在富含不稳定碳的环境中生存 相反 策略物种(寡营养或平衡物种)生长速度慢 底物亲和力高 能有效地利用难分解的碳 通常认为细菌为 策略菌 真菌为 策略菌本研究中 和 处理导致林分密度降低 林下植被多样性和生物量增加 使土壤中更多的氮素被林下植被吸收利用 同时 林地凋落物增加会降低 含量 且研究发现凋落物的/明显大于微生物的/时 凋落物中的氮含量不足以满足微生物生长需求 微生物必须从土壤中额外吸收和固持一定量的氮 导致土壤氮的有效性降低 而杉木凋落物/(.)远高于微生物的氮固持与释放的/临界值()在该土壤条件下 氮素成为微生物群落发育的主要影响因子 对氮营养依赖性比较低的真菌作为 策略菌在微生物的种群竞争中可能占据了优势 已有研究认为 在森林土壤中 真菌群落对氮素变化的敏感性高于细菌群落 作为 策略微生物的真菌在可利用氮含量较低的条件下更具有竞争优势 有些 策略菌群(如 目)倾向于分解高碳底物 促进 含量和/升高 这也说明了在本研究中 和 处理下的 含量和/均高于 本研究仅对杉木近熟林间伐 后的土壤微生物生物量碳氮性状和群落特征进行了研究 结果具有局限性 今后有必要开展长期、动态的对比研究 以获得更加全面、精确的结果 结论间伐和间伐施肥 种处理均可提高杉木近熟林的林下植物种类和生物量 并改变土壤微生物生境 提高 含量、/以及 间伐会加剧林下植物对土壤氮素的竞争 导致 含量和 下降 而在间伐后进行人工施肥可以有效缓解 含量和 的下降幅度 间伐后真菌群落丰富度和多样性以及真菌所占比例有所提高 而细菌群落丰富度和多样性以及细菌所占比例有所降低 综合认为 间伐以及间伐施肥能够促进杉木近熟林土壤真菌繁殖 真菌种类和数量的增加可以加快土壤有机质分解 提高土壤肥力 为培育杉木大径材提供良好的土壤条件 第 期田地 等:间伐和施肥对杉木近熟林土壤微生物特征的影响参考文献 郭传阳 林开敏 郑鸣鸣 等.间伐对杉木人工林土壤微生物生物量碳氮的短期影响.南京林业大学学报(自然科学版)():.王有良 宋重升 彭丽鸿 等.间伐对杉木人工林土壤碳氮及其组分特征的影响.水土保持学报 ():.():.():.贺纪正 李晶 郑袁明.土壤生态系统微生物多样性稳定性关系的思考.生物多样性 ():.朱义族 李雅颖 韩继刚 等.水分条件变化对土壤微生物的影响及其响应机制研究进展.应用生态学报():.袁仁文 刘琳 张蕊 等.植物根际分泌物与土壤微生物互作关系的机制研究进展.中国农学通报 ():.李玲 苟小林 樊华 等.疏伐措施对大熊猫廊道云杉林土壤养分特征及微生物碳氮的短期影响.云南大学学报(自然科学版)():.曹芹 邱新彩 刘欣 等.不同间伐强度对华北落叶松人工林土壤养分微生物生物量胞外酶化学计量的影响.中南林业科技大学学报 ():.:.张成富 赵庆霞 蔡银美 等.凋落物输入对根系分泌物碳输入及土壤氮的影响.森林与环境学报():.:.雷丕锋 项文化 田大伦 等.樟树人工林生态系统碳素贮量与分布研究.生态学杂志 ():.丁波 丁贵杰 赵熙州 等.间伐对杉木人工林土壤酶活性及微生物的影响.林业科学研究 ():.肖文娅 费菲 刁娇娇 等.杉木人工林凋落物中微生物数量对间伐的响应.东北林业大学学报 ():.:.(/):.郝亚群 谢麟 陈岳民 等.中亚热带地区氮沉降对杉木幼林土壤细菌群落多样性及组成的影响.应用生态学报():.():.():.李德会 韩周林 吴庆贵 等.影响森林细根分解的腐生真菌功能特性研究综述.世界林业研究 ():.:.():.():.卢胜旭 许恩兰 吴东梅 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