土壤理化性質(zhì)對腐朽紅松根部土壤微生物數(shù)量的影響

曹延珺，徐華東，王立海，周涵婷，劉華

0 引言

土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，為林分的生長提供水分和營養(yǎng)物質(zhì)［1-2］，還為各種微生物的生長繁殖提供了必需的養(yǎng)分、水分、滲透壓、溫度等條件，是微生物的“天然培養(yǎng)基”。土壤微生物作為土壤中最活躍的部分，在森林中扮演著分解者的角色，分解了90%以上的森林枯落物和動植物殘體，在促進森林土壤物質(zhì)分解和轉(zhuǎn)化中有著不可替代的作用［3］。紅松是世界珍稀樹種，為我國二級保護植物，具有很高的經(jīng)濟價值和生態(tài)價值。近年來，隨著天然紅松林面積的減少和人工林面積的增加，紅松林內(nèi)的腐朽等病害不斷增加，而紅松具有較長的生長周期，更新過程緩慢而復雜，因此，對紅松進行合理的保護對原始紅松林的維護具有重要的意義。目前關(guān)于紅松的研究較多，Sun Fan［4］研究了松梢象對紅松主枝和側(cè)枝揮發(fā)性組分的影響，徐華東［5］對凍結(jié)紅松木材內(nèi)部的水分狀況進行了相關(guān)研究，孫天用［6］對紅松活立木腐朽的土壤影響因子進行了研究，而且已有學者對紅松根部土壤微生物群落結(jié)構(gòu)進行了研究［7］。但有關(guān)腐朽紅松活立木根部土壤微生物數(shù)量變化與土壤理化性質(zhì)的研究還比較缺乏。孫天用［8］研究發(fā)現(xiàn)，紅松活立木干基腐朽與土壤理化性質(zhì)之間存在著密切的關(guān)系。而土壤理化性質(zhì)、地形和季節(jié)等條件與土壤微生物的數(shù)量和分布密切相關(guān)［9］。因此本文從研究腐朽紅松活立木根部土壤微生物特征的角度出發(fā)，通過分析土壤三大類群微生物數(shù)量分布特征及其與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系，以期為紅松活立木的保護提供新思路。

1 材料和方法

1.1 研究樣地概況

涼水國家自然保護區(qū)地理坐標為東經(jīng)128°53′20″，北緯 47°10′50″，位于黑龍江省伊春市小興安嶺南坡，共劃分為31個林班，研究樣地為第18林班。林班內(nèi)的地形主要為山谷和山麓，地勢較為平緩，海拔高度為300～500m，年均氣溫1.4℃，屬寒溫帶大陸性季風氣候。林班內(nèi)的主要土壤類型為暗棕壤中的淺育暗棕壤，紅松為優(yōu)勢樹種，伴生有冷杉、水曲柳、榆樹和椴樹等樹種，林分郁閉度在0.5～0.8之間。

1.2 試驗材料

2016年5月，在涼水國家自然保護區(qū)第18林班內(nèi)，采用隨機法選取22棵存在腐朽的紅松活立木，除去樣木根部地表的植被和枯落物，選取地勢平坦的位置作為取樣點，將土鉆垂直插入土壤中往下鉆取，直到土鉆20cm刻度處，取出土鉆，將土鉆中的土樣裝入無菌乙烯袋中密封，迅速帶回實驗室，置于4℃冰箱保存，用于微生物的培養(yǎng)計數(shù)。在土鉆取樣的位置，用鐵鍬挖一個V字型的土坑，深度20cm，在土坑內(nèi)用鐵鍬傾斜向下切取一片土壤，然后從上到下取一部分土片裝入鋁盒密封編號記錄，用于土壤含水率的測定，其余部分帶回實驗室自然風干后，過2mm篩用于土壤養(yǎng)分的測定。

1.3 試驗方法

1.3.1 土壤理化性質(zhì)的測定

對采回來的22個土樣進行理化性質(zhì)的測定。

土壤含水率的測定采用烘干法。將土樣置于烘箱中(105℃)烘干至恒重。計算公式為：土壤含水率=(鮮土質(zhì)量-烘干土質(zhì)量)÷烘干土質(zhì)量×100%［10］。

土壤全氮采用半微量氏法測定；土壤水解性氮采用堿解蒸餾法測定；土壤全鉀采用氫氧化鈉堿熔-火焰光度法測定；土壤速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法測定；土壤全磷采用HClO4-H2SO4消煮法測定；土壤有效性磷采用鹽酸-硫酸浸提法測定［11］。

1.3.2 土壤微生物培養(yǎng)計數(shù)

土壤微生物三大類群的數(shù)量測定采用稀釋平板分離法進行。細菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基分離培養(yǎng)，真菌采用馬丁氏培養(yǎng)基分離培養(yǎng)，放線菌采用高氏一號培養(yǎng)基分離培養(yǎng)。培養(yǎng)時間為細菌2d，真菌3d，放線菌7d，然后進行菌落計數(shù)。計數(shù)采用Interscience scan300全自動菌落計數(shù)器。計數(shù)后按照公式（1）［12］，計算出每克鮮土中的菌落數(shù)。計算時，首先選擇平均菌落數(shù)在30～300之間者進行。

每克樣品中微生物活細胞數(shù)

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

原始數(shù)據(jù)的處理、簡單圖表的繪制均采用Excel 2003軟件；統(tǒng)計分析部分采用SPSS19.0統(tǒng)計軟件進行處理。利用Pearson相關(guān)系數(shù)評價土壤微生物數(shù)量和土壤理化性質(zhì)間的相關(guān)性，并通過逐步回歸分析確定對微生物數(shù)量影響最顯著的土壤因子。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤微生物三大類群數(shù)量分布規(guī)律

土壤微生物包括細菌、真菌、放線菌、藻類及原生動物等，類群十分豐富。細菌、真菌和放線菌這三大類群的數(shù)量在土壤微生物中占有絕對優(yōu)勢，因此是本文的主要研究對象。從三大類微生物數(shù)量分布（圖1，主縱坐標軸表示細菌數(shù)量，次縱坐標軸表示放線菌和真菌數(shù)量）和所占的比例（表1）來看，細菌在土壤中的數(shù)量遠大于放線菌和真菌，所占比例最高達99.98%，其次為放線菌，真菌最少。且細菌數(shù)量比放線菌和真菌高出了2～3個數(shù)量級，與森林土壤微生物相關(guān)研究結(jié)果一致［13-14］。這是由于細菌個體小、代謝強，其繁殖方式主要為裂殖，細胞以2n的速度進行增殖，繁殖十分迅速，世代時間短，因此為土壤微生物中的主要類群［15］。土壤放線菌數(shù)量僅次于細菌，占總菌數(shù)比例最高達5.59%。許多放線菌分解纖維素、石蠟、橡膠等物質(zhì)的能力極強，因此它們在提高土壤肥力方面起著重大作用。真菌數(shù)量最少，但在土壤質(zhì)量改善方面有著不可替代的貢獻，具有降解植物主要成分（纖維素、果膠、木質(zhì)素等）的能力。

圖1 土壤微生物數(shù)量分布Fig.1 Quantity distribution of microorganisms

2.2 土壤微生物和理化性質(zhì)的關(guān)系

2.2.1 Person相關(guān)性分析

表2為22個土樣的理化指標計算結(jié)果。由表2可知，腐朽紅松活立木下，土壤全N含量較高，而土壤全N的92%～98%都貯藏在有機質(zhì)中，不能直接被植物利用；全K和全P含量相對林伯群［16］對涼水自然保護區(qū)第16林班淺育暗棕壤理化分析結(jié)果較低，這可能與調(diào)查時間差異和微生物作用有關(guān)。N、P、K元素主要是以水解N 、速效P和速效K的方式被林木吸收利用，而它們的礦化分解作用與很多因素有關(guān)。從表2 中可以看出，腐朽紅松活立木下，土壤速效P含量很低，速效K含量也較低。P元素在土壤中的行為較為復雜，微生物礦化分解作用的有效范圍也比較窄。土壤速效K水熱耦合效應研究表明，土壤速效K含量會隨著土壤溫度的升高和含水率的增加而增加［17-18］。水熱條件可能是導致本實驗速效K含量較低的重要原因。

表1 土壤微生物數(shù)量比例 %Tab.1 Quantitative proportion of microorganisms

表2 土壤理化指標Tab.2 Soil properties

表3為土壤細菌、真菌和放線菌與土壤理化指標的相關(guān)性分析。由表3可以看出，土壤真菌數(shù)量與全N呈極顯著正相關(guān)，與全K呈顯著正相關(guān)，與含水率、全P、水解N、速效P和速效K沒有顯著的相關(guān)性。其中，真菌數(shù)量與土壤全N在置信度為99%時呈高度正相關(guān)(R=0.672)。這是由于土壤真菌大多為腐生型，必須從土壤中的有機物中獲取碳源、氮源和能量，通過降解土壤中結(jié)構(gòu)復雜的氮化物，提供自身生長繁殖所需要的物質(zhì)，也為植物的生長提供能源。土壤含水率與真菌數(shù)量沒有明顯的相關(guān)性。賈倩民［19］對干旱區(qū)鹽堿地土壤理化性質(zhì)與微生物數(shù)量關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn)，土壤真菌數(shù)量與含水率呈正相關(guān)，戴雅婷［20］在油蒿根際土壤微生物數(shù)量與土壤養(yǎng)分關(guān)系的研究中發(fā)現(xiàn)，土壤真菌數(shù)量與含水率呈負相關(guān)，趙萌［21］在杉木人工林地土壤微生物數(shù)量與土壤因子關(guān)系的研究中發(fā)現(xiàn)真菌數(shù)量與土壤含水率不具有相關(guān)性。因此，地表植被、土壤類型、采樣時間等條件不同，研究結(jié)果也不同。

表3 土壤微生物數(shù)量與土壤理化指標相關(guān)性Tab.3 Correlation between microorganisms quantity and soil properties

土壤細菌數(shù)量與全N和速效P呈極顯著正相關(guān)，與全K呈顯著正相關(guān)，與含水率呈顯著負相關(guān)，與全P、水解N和速效K沒有顯著相關(guān)性。

土壤細菌數(shù)量與含水率呈顯著負相關(guān)，這與細菌喜濕的生長習性不符。張崇綁［22］在研究羊草草原土壤細菌數(shù)量動態(tài)與生態(tài)因子之間的關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，土壤含水率、溫度、速效鉀和水解氮與細菌數(shù)量呈正相關(guān)。其中，土壤溫度對細菌數(shù)量變化的影響最大（R=0.99），與其他三個因子相比，含水率對細菌數(shù)量的影響最小。由于采樣時間為5月，樣地內(nèi)部分土壤尚未完全解凍，土壤溫度偏低，且土壤通氣性較差，使得相同含水率條件下土壤中細菌數(shù)量與常溫時相差較大，這有可能是導致細菌數(shù)量與土壤含水率的關(guān)系發(fā)生變化的原因，有待進一步研究。

放線菌數(shù)量與全K和速效P呈極顯著正相關(guān)，與全N呈顯著正相關(guān)，與含水率、全P、水解N和速效K無顯著相關(guān)性。其中，放線菌數(shù)量與土壤全K含量在置信度為99%時呈高度正相關(guān)(R=0.819)。放線菌適宜生長在含水量較低、有機物較豐富的土壤中，土壤中的鉀對放線菌菌絲的生長和抗生素的產(chǎn)生具有不可或缺的作用［23］。

總菌數(shù)(土壤三大類微生物數(shù)量的總和)與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性和細菌與土壤理化性相關(guān)性一樣。這是由于土壤細菌數(shù)量所占總菌數(shù)比例均在94%以上，是土壤活動力的主力軍。

2.2.2 回歸分析

為了進一步確定影響微生物數(shù)量的主要土壤因子，分別以土壤真菌、細菌、放線菌和微生物總數(shù)作為因變量，與微生物數(shù)量存在線性關(guān)系的土壤全N、全K、速效P作為自變量，采用逐步回歸法進行多元線性回歸分析并建立回歸方程。由于土壤含水率受溫度影響，因此進行回歸分析時直接剔除。得出的回歸方程如下：

其中，Y1～Y4依次表示土壤真菌、細菌、放線菌數(shù)量和總菌數(shù)，X1～X3依次表示土壤全N、全K、速效P。

回歸結(jié)果表明，紅松根部土壤真菌、細菌數(shù)量和微生物總數(shù)主要受土壤全N含量的影響，放線菌數(shù)量主要受土壤全K含量的影響。土壤全N含量對真菌數(shù)量變化的貢獻率為45.1%，對細菌和微生物總數(shù)變化的貢獻率為32.8%，土壤全K含量對放線菌數(shù)量變化的貢獻率為67.1%，這說明除了全N和全K，紅松根部土壤微生物數(shù)量還受土壤溫度、碳含量、地形條件等多種因素的影響。由于土樣采自腐朽紅松根部，因此也可能與紅松的健康狀況有關(guān)，還需要進一步研究。

3 結(jié)論

（1）腐朽紅松活立木根部土壤三大類群微生物數(shù)量分布規(guī)律為細菌＞放線菌＞真菌。

（2）腐朽紅松活立木根部的土壤真菌、細菌數(shù)量和微生物總數(shù)主要受土壤全N含量的影響，放線菌數(shù)量主要受土壤全K含量的影響。

土壤微生物作為土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量流動的主要推動者，在一定程度上反映了土壤的肥力狀況，從而對地表植被的生長產(chǎn)生影響。本文對腐朽紅松根部土壤微生物數(shù)量分布等情況進行了初步研究，而影響微生物數(shù)量的因素還有很多，有待今后繼續(xù)研究，同時要更加深入的研究植被健康水平和微生物的關(guān)系，為紅松針闊混交林的可持續(xù)經(jīng)營提供可靠的依據(jù)。

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