大興安嶺北部主要森林類型根際與非根際土壤微生物研究

姜煜鋆，滿秀玲，劉玉杰，劉海亮

(東北林業大學林學院，黑龍江哈爾濱 150040)

土壤微生物是陸地生態系統的調節者和分解者，參與生態系統的物質循環和能量流動，是維護森林生態系統可持續發展的重要組成部分。土壤微生物數量大，種類多，生物學特性各異，繁殖迅速，對土壤肥力的形成、植物營養的轉化起著極其重要的作用［1-2］。微生物在土壤中的分布與活動既反映了土壤各因素對微生物的生態分布、生化特性的影響和作用，同時也反映了微生物對植物的生長發育、土壤肥力的影響和作用。

林木根際是林木和土壤進行物質、能量交換的場所，也是生化活性最強的區域，林木根系通過分泌各類有機物質和吸收元素來影響土壤性質［3］，同時這也會影響根際土壤微生物的分布。目前我國關于森林土壤微生物的研究較多，主要研究內容集中在林地微生物數量的影響因素、微生物數量和土壤肥力的關系［4］等方面，對土壤根際微生物的主要研究內容集中在根際與非根際的微生物數量、養分含量、酶活性的比較［5-6］，而對林木周圍微生物數量的分布研究較少。研究林地土壤微生物的數量可以在深層次上揭示森林生態系統能量流動和物質循環過程［7］。因此，筆者通過對大興安嶺北部3種主要森林類型，即落葉松林、樟子松林和白樺林根際與非根際土壤微生物進行研究，為探討我國寒溫帶地區森林類型生態系統的結構和功能提供幫助，同時也為大興安嶺地區土壤質量的研究提供基礎資料。

1 研究地概況和研究方法

1.1 研究區域概況 研究區設在黑龍江漠河森林生態系統定位研究站，海拔800～1 700 m，地理坐標為122°06'～122°27'E，53°17'～53°30'N。該地區屬于寒溫帶大陸性季風氣候，冬季漫長寒冷，夏季短暫濕熱。年平均氣溫為-4.9℃。年平均降水量431.2 mm，降雨多集中在7～8月份。降雪期為9月末至翌年5月初。無霜期約89 d。太陽輻射總量年平均為401.93～447.99 kJ/cm2，日照時數為2 377～2 625 h，積溫為1 436～2 062℃。區域植被屬歐亞寒溫帶明亮針葉林。主要喬木樹種有興安落葉松(Larix gmelinii)、樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica)、白樺(Betula platyphylla)、山楊(Popolus davidiana)等。灌木有杜香(Ledumpalustre var.dilatatum)、興安杜鵑(Rhododendron dauricum)、篤斯越橘(Vaccinium uliginosum)、越橘(Vaccinium vitis-idaea)等。土壤以棕色針葉林土為主，局部地帶有草甸土和沼澤土，并有永凍層存在。

1.2 研究方法

1.2.1 標準地設置及樣品采集。在前期踏查的基礎上，于2013年7月選擇大興安嶺北部3種典型林型，即落葉松林、樟子松林和白樺林，在每一林型中選擇典型地段設置調查樣地，面積為20 m×30 m，對樣地進行每木檢尺，樣地基本情況調查結果見表1。

表1 樣地基本特征

通過計算得出標準木的樹高和胸徑，在每個樣地選擇3株標準木為調查樣木，挖掘土壤剖面，按照0～5，5～10，10～15，15～20，20～30 cm的土層厚度取樣。采樣時，取帶完整根系的土塊，抖落物作為非根際土，附在根系周圍、小于1 cm粒徑土壤作為根際土。取樣后，帶回實驗室4℃冷藏保鮮，盡快進行土壤各項指標的測定。

1.2.2 微生物測定方法。微生物數量分析采用稀釋平板法，微生物計數培養基分別為:細菌采用牛肉膏蛋白胨培養基，放線菌采用高氏1號培養基，真菌采用馬丁氏孟加拉紅-鏈霉素培養基。每個土樣選取3個濃度梯度，每個濃度梯度3次重復，取其平均值作為該土樣中微生物的數量。根土比(R/S)通過根際土壤微生物數量與臨近的非根際土壤微生物數量之比來計算。

2 結果與分析

2.1 各林型土壤細菌分布特征 由表2可知，由于林型、地被物、郁閉度以及土壤的水熱狀況不同，各林型根際與非根際土壤細菌數量有明顯的差異。3種林型中根際土壤細菌數量均大于非根際土。

2.1.1 落葉松林。落葉松林根際細菌數量在垂直方向有先增大后減小的趨勢，10～15 cm厚土層最大，為54.05×106個/g，在20～30 cm厚土層最小，為32.67×106個/g，最小值與最大值相比減小了39.56%。5～10 cm厚土層與10～15 cm厚土層差異性不顯著(P＞0.05)，說明落葉松林根際細菌在垂直方向5～15 cm的范圍內均勻分布且主要集中在該土層中。非根際細菌數量隨著土層的加深而逐漸減小，可見根際細菌數量分布并未對非根際產生明顯影響。0～5 cm厚土層非根際細菌數量最大，為11.06×106個/g，20～30 cm厚土層非根際細菌數量最小，為6.06×106個/g，最小值與最大值相比減小了45.21%，與根際土壤相比減小幅度較大。

2.1.2 樟子松林。樟子松林根際細菌數量垂直分布規律也有先增大后減小的趨勢，5～10 cm厚土層根際細菌數量達到最大值，為37.24×106個/g，20～30 cm厚土層根際細菌數量最小，為14.50×106個/g，最小值與最大值相比降低了61.06%。樟子松林非根際細菌數量呈逐漸減小的趨勢，0～5 cm厚土層非根際細菌數量最大，為10.14×106個/g，20～30 cm厚土層非根際細菌數量最小，為4.60×106個/g，最小值與最大值相比降低了54.64%。

2.1.3 白樺林。白樺林土壤深厚，有機質含量較高，根際土壤與非根際土壤的細菌數量較為接近，根際土壤細菌數量有先增大后減小的趨勢。在白樺林根際土壤5～10 cm厚土層細菌數量最大，這可能是因為在5～10 cm厚的土壤中植物根系分布較多，根際分泌物也多，致使微生物更加活躍。其中白樺林根際細菌最大值達到41.83×106個/g。20～30 cm厚土層根際細菌數量最小，低至24.97×106個/g，最小值比最大值降低了40.31%。非根際細菌數量垂直方向則有逐漸減小的規律，最小值比最大值降低了27.66%。白樺林垂直方向0～20 cm厚的范圍內土壤各層非根際細菌數量相互之間差異性不顯著(P＞0.05)。說明白樺林在該范圍內細菌數量分布較均勻。

樟子松林各個土層的細菌根際與非根際細菌數量均小于落葉松林和白樺林。落葉松林各個土層的細菌根土比為3.34～6.82，樟子松林則在3.15～4.80的范圍內，白樺林各個土層的根土比在1.61～2.19，遠小于落葉松林、樟子松林的根土比，這說明白樺林根際與非根際土壤適合細菌生長的微環境比較一致。落葉松林根土比在3種林型中最大，說明落葉松林根際與非根際土壤適合細菌生長的微環境差距較大。

表2 各林型根際與非根際土壤細菌數量分布規律×106個/g

2.2 各林型土壤真菌分布特征

2.2.1 落葉松林。由表3可知，落葉松林根際與非根際真菌數量垂直方向均有隨著土層的加深而逐漸減小的趨勢，根際真菌數量在0～5 cm厚土層最大，最大值為34.02×104個/g，在20～30 cm厚土層根際真菌數量最小，最小值為15.39×104個/g，最大值是最小值的2.21倍。落葉松林非根際真菌最大值為18.01×104個/g，最小值為13.15×104個/g，各個土層非根際真菌數量與樟子松林和白樺林相比普遍較大，這可能與落葉松林土壤相對濕潤，較適宜真菌生長有關。

2.2.2 樟子松林。樟子松林土壤干燥，pH較高，根際真菌數量具有先增大后減小的趨勢。根際真菌在5～10 cm厚土層數量最大，為25.75×104個/g，20～30 cm厚土層根際真菌數量最小，為14.00×104個/g，最小值與最大值相比降低了45.63%。非根際真菌數量垂直方向逐漸減小，最大值為13.06×104個/g，最小值為8.39×104個/g，最大值為最小值的1.56倍。樟子松林非根際0～15 cm厚范圍內3個土層真菌數量相互之間差異影響不顯著，說明非根際真菌在0～15 cm厚垂直范圍內均勻分布，并未受到根際真菌數量的嚴重影響。

2.2.3 白樺林。白樺林根際真菌數量先增大后減小，在5～10 cm厚土層根際真菌數量最大，達到40.43×104個/g，20～30 cm厚土層根際真菌數量為最小值，為27.50×104個/g，與落葉松林、樟子松林相比，白樺林根際真菌數量普遍較大。非根際真菌數量垂直方向有逐漸減小的規律，0～5 cm厚土層非根際真菌數量為17.25×104個/g，為白樺林垂直方向的最大值，20～30 cm厚土層非根際真菌數量最小，為11.73×104個/g。垂直方向0～20 cm的范圍內，各層土壤相互之間非根際真菌數量差異性不顯著，說明在白樺林垂直方向0～20 cm厚土層的范圍內，非根際真菌數量均勻分布。

白樺林根際真菌數量范圍在27.50×104～40.43×104個/g，各個層次的根際真菌數量均大于落葉松林和樟子松林。樟子松林非根際真菌數量在8.39×104～13.06×104個/g，各個層次的非根際真菌數量均小于落葉松林和白樺林。

表3 各林型根際與非根際土壤真菌數量分布規律×104個/g

2.3 各林型土壤放線菌分布特征 放線菌耐貧養，耐干旱，在3種林型的根際與非根際土壤中的垂直分布均有先增大后減小的趨勢。在3種林型中放線菌主要集中在5～15 cm厚土層，20～30 cm厚土層的根際與非根際放線菌數量均為各個林型中的最小值。

2.3.1 落葉松林。由表4可知，落葉松林根際土壤中，10～15 cm厚土層的放線菌數量最大，為15.80×105個/g，根際放線菌最小值為7.65×105個/g。最小值與最大值相比減少了51.58%。落葉松林非根際土壤中5～10 cm厚土層放線菌數量最大，為7.18×105個/g，20～30 cm厚土層最小，為3.56×105個/g，20～30 cm厚土層與5～10 cm厚土層相比減小了50.42%，降低幅度小于根際放線菌減小的幅度。10～15 cm厚土層非根際放線菌數量與5～10 cm厚土層和15～20 cm厚土層的非根際放線菌數量差異性不顯著，說明非根際放線菌主要集中在5～20 cm厚土層的范圍內，活躍旺盛且均勻分布。

2.3.2 樟子松林。樟子松林根際放線菌最大值在5～10 cm厚土層，為17.80×105個/g，20～30 cm厚土層放線菌數量為9.91×105個/g，為根際放線菌數量的最小值。根際放線菌最小值比最大值減少了44.32%。樟子松林非根際放線菌的最大值在10～15 cm厚土層，為16.70×105個/g，最小值在20～30 cm厚土層，為8.19×105個/g。最小值與最大值相比減少了50.96%，與落葉松林、白樺林非根際放線菌相比減少幅度最大，與樟子松根際放線菌相比減小幅度增大。

2.3.3 白樺林。白樺林根際放線菌數量的變化范圍在8.45×105～13.99×105個/g，非根際放線菌數量的變化范圍在6.02×105～10.98×105個/g。根際與非根際的最大值均在5～10 cm厚土層，分別為13.99×105個/g和10.98×105個/g。最小值均在20～30 cm厚土層，分別為8.45×105個/g和6.02×105個/g。最小值比最大值分別減少了39.60%和45.17%，根際放線菌減小的幅度小于非根際。

樟子松林各個土層根際與非根際放線菌數量均大于落葉松林和白樺林，由此可見樟子松林干燥的土壤環境與落葉松林和白樺林相比更適宜放線菌的生長。落葉松林放線菌根土比在1.98～2.37，白樺林根土比在1.16～1.76，樟子松林根土比范圍在1.06～1.21。由此可見，和落葉松林、白樺林相比，樟子松林根際與非根際土壤適合放線菌生長的微環境比較一致。

表4 各林型根際與非根際土壤放線菌數量分布規律×105個/g

2.4 各林型土壤微生物層化比率 土壤表層微生物數量與底層微生物數量的比值，即土壤微生物層化比率，可以此判定土壤的質量狀況，比率明顯小于2或者異常的高，說明土壤存在退化現象，比率大于2或在2附近說明土壤狀況比較良好［8］。該研究中3種林分根際土壤微生物總數層化比率在1.44～1.80，非根際土壤微生物總數的層化比率在1.30～2.22(表5)，無異常高低狀況，總體表現為:根際微生物總數層化比率從大到小為樟子松林、白樺林、落葉松林，非根際微生物總數層化比率從大到小為樟子松林、落葉松林、白樺林，樟子松林根際與非根際三大類土壤微生物的層化比率均在2左右，說明此林分和落葉松林、白樺林相比土壤狀況更好。

表5 土壤微生物平均層化比率

3 結論與討論

(1)落葉松林根際細菌范圍在32.67×106～54.05×106個/g，在垂直方向有先增大后減小的趨勢，10～15 cm厚土層最大，在3種林型各個土壤層次中根際細菌數量最大。非根際細菌變化范圍在6.06×106～11.06×106個/g，垂直方向隨著土層的加深而逐漸減小，可見根際細菌數量分布并未對非根際產生嚴重影響。落葉松林根際與非根際真菌數量垂直方向均有隨著土層的加深而逐漸減小的趨勢，其各個土層中非根際真菌數量與樟子松林和白樺林相比普遍較大，這可能與落葉松林土壤相對濕潤，較適宜真菌生長有關。

(2)樟子松林根際細菌范圍在14.50×106～37.24×106個/g，垂直分布規律也有先增大后減小的趨勢。樟子松林根際真菌數量具有先增大后減小的趨勢，在5～10 cm厚土層數量最大。樟子松林各個土層的非根際真菌數量均小于落葉松林和白樺林。樟子松林各個土層根際與非根際放線菌數量均大于落葉松林和白樺林。樟子松林與落葉松林、白樺林非根際放線菌相比減少幅度最大，與樟子松根際放線菌相比減小幅度增大。可能是由于大興安嶺北部地區樟子松林土層較薄，20～30 cm厚土層的非根際土壤有機質含量少，在這種條件下細菌的適應能力更強，所以放線菌數量大量減少，而垂直方向0～20 cm的范圍內的土壤環境更適宜放線菌生長。

(3)白樺林根際土壤細菌數量有先增大后減小的趨勢，變化幅度為24.97×106～41.83×106個/g。白樺林土壤相對干燥、土壤肥力較高，較適宜真菌生長，根際真菌數量先增大后減小，在5～10 cm厚土層根際真菌數量最大。非根際真菌數量垂直方向有逐漸減小的規律。白樺林根際放線菌垂直方向有先減小后增加的趨勢。

(4)樟子松林微生物總數的層化比率最大，樟子松林微生物三大類群的層化比率均接近2，表明此林分下土壤狀況較好。土壤微生物三大類群數量以細菌所占比例最大，其次為放線菌，真菌所占比例最小。白樺林的土壤微生物最為活躍，各個土層微生物總量高于落葉松林和樟子松林。有些學者研究認為當一個區域土壤微生物層化比率大于2時，土地一般不會發生退化現象［9］。在研究的3塊試驗區域中，林地存在一定的退化風險，應當采取合適的森林經營措施以調整土壤狀況。

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