不同主伐方式對興安落葉松(Larix gmelinii)根際土壤理化性質及微生物群落的影響

楊 寅,邱鈺明,王中斌,曲來葉,*

1 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室, 北京 100085 2 中國科學院大學, 北京 100049 3 北京林業大學, 北京 100083

主伐是指在林木成熟時為了生產而進行的采伐,對森林生態系統的影響較大,不同主伐方式對森林生態系統的影響不同[1]。土壤對保持森林生態系統生產力和可持續性至關重要,合理的主伐方式對土壤結構穩定性、水分、孔隙狀況和養分含量等的影響可以在短期內恢復,并有所改善,不合理的主伐方式會造成土壤有機質、氮、磷、鉀的損失,降低土壤持水能力[2],進而造成土壤侵蝕和森林退化等嚴重后果[3]。

大興安嶺林區的森林面積、蓄積量以及采伐量都居全國首位,其森林生態系統健康對我國林業生產具有重要戰略意義。興安落葉松(Larixgmelinii)為松科落葉松屬落葉喬木,是大興安嶺地區的地帶性植被,其耐寒耐瘠薄,木材蓄積豐富,是該地區荒山造林和森林更新的主要樹種[4- 5]。因此,興安落葉松主伐樣地的恢復是大興安嶺森林系統恢復以及生產力提升的關鍵。

目前,關于主伐對興安落葉松土壤影響研究的年限選擇多為主伐后當年或者主伐后十年之內[6- 7],隨著恢復年限的增加以及植被的恢復,主伐對土壤的長期影響往往被忽略。同時,關于主伐后土壤的研究大多針對非根際土壤進行,而植物在生長過程中會通過根系向土壤輸入有機質與根系分泌物,改變根際土壤理化性質與微生物的群落,導致根際與非根際土壤的理化性質以及微生物群落特征存在差異[8],關于大興安嶺林區興安落葉松在不同主伐方式下根際土壤理化性質與微生物群落長期動態變化的研究還未見報道。

綜上,本研究選取主伐5年與31年后以及未采伐對照樣地中的興安落葉松,通過對其根際土壤理化性質、微生物群落結構和多樣性的分析,探究興安落葉松根際土壤相較于非根際土壤對不同主伐方式的響應有哪些異同,同時利用根際土壤微生物對環境變化更為敏感的特點來揭示不同主伐方式對興安落葉松的長期影響。本研究結果將為森林主伐后的恢復提供數據參考,為大興安嶺林區主伐林地的恢復以及管理提供理論支撐。

1 研究地與研究方法

1.1 研究區概況

本研究于2018 年7 月選取內蒙古根河林業區內2013 年與1987 年的皆伐與漸伐樣地以及附近未采伐樣地(對照),地理坐標121°30′30.10″—121°55′20.86″E, 50°50′49.63″—50°54′48.52″N。該地區地處寒溫帶大陸性季風氣候,年降水量450—500 mm,海拔600—1300 m,年均溫-5.4℃。林區內土壤以棕色針葉林土和暗棕壤為主,主要樹種為興安落葉松(Larixgmelinii)、白樺(Betulaplatyphylla)、樟子松(Pinussylvestrisvar．mongolica)等。

1.2 研究方法

1.2.1樣地選擇

在2018 年7 月,選取2013 年(恢復5 年代表恢復前期)、1987 年(恢復31 年代表恢復后期)的皆伐與漸伐樣地以及未采伐對照樣地,3塊樣地中主要樹種為興安落葉松(Larixgmelinii)和白樺(Betulaplatyphylla),樹種組成相似。其中,每塊樣地分別隨機設置3個20 m×20 m的樣方,每個樣方間隔100 m以上。在每個樣方中選取生長狀況和樹齡大致相同的興安落葉松3株,選取0—10 cm的根際土壤進行采集,共采集45 份土樣。采樣時,掃去地表的枯枝落葉等雜物,用鐵鍬挖土并找到根,抖落根際土并采集。在每株興安落葉松根部4 個方向取土,混合為一個土樣,作為該興安落葉松的根際土壤。

新鮮土壤過2 mm篩后放于4℃冰盒里短暫保存,帶回實驗室。將新鮮土樣分為3 份,前兩份分別保存于-4℃和-20℃冰箱用于微生物量碳氮的測定以及磷脂脂肪酸(PLFA)的提取。第三份土樣風干,用于土壤理化性質的測定。

1.2.2測定方法

理化性質：土壤pH采用酸度計進行測定,土水比為1∶5。土壤總碳(TC,Total carbon)、總氮(TN,Total nitrogen)采用元素分析儀測定(德國Elementar公司Vario MAX cube)。總磷(TP,Total phosphorus)、總鉀(TK,Total potassium)采用微波消解法測定(ICP—OES)。速效磷(AP,Available phosphorus)采用碳酸氫鈉法測定。速效氮(AN,Available nitrogen)采用堿解擴散法測定[9]。

微生物量：土壤微生物量碳氮用氯仿熏蒸法提取,浸提液用德國Elementar公司Vario TOC儀測定[10]。

磷脂脂肪酸(PLFA,Phospholipid fatty acids)[11- 12]：(1)提取：取冷凍干燥后的土樣4 g,加入磷酸緩沖液(0.1 mol/L)、甲醇(色譜純)、氯仿,超聲波10 min,震蕩1—2 h,離心10 min(2500 rpm/min)；取上清液加入氯仿、磷酸緩沖液,混勻,分層過夜(避光)。收集下層氯仿相,N2吹干。(2)分離：過硅膠柱(用5 mL仿潤濕柱子),用氯仿分2 次洗滌轉移吹干的樣品,加15 mL丙酮過柱、加入10 mL 甲醇(色譜純)過柱,收集甲醇相,N2吹干。(3)甲酯化：使用甲醇—甲苯(1∶1,體積分數)溶液溶解吹干的脂類物質,加入0.2 mol/L KOH(甲醇作溶劑) 1 mL,混勻,37℃溫水浴15 min；冷卻至室溫,加入2 mL氯仿—正己烷(1∶4,v/v)、0.3 mL醋酸(1 mol/L)、2 mL超純水,混勻,離心5 min(2000 rpm/min),收集上層正己烷相。加2 mL氯仿—正己烷(1∶4,v/v)重復提取一次,合并兩次提取的正己烷相,N2吹干,-20℃保存。(4)上機測定：用19C做內標,通過氣相色譜儀得到PLFA特征圖譜,根據內標計算含量,單位用nmol/g表示。

1.3 數據處理

根據已有研究成果中的磷脂脂肪酸標記物[13- 18],對根際土壤微生物群落的革蘭氏陽性細菌Gram-positive bacteria,GP(i14：0,i15：0,a15：0,i16：0,i17：0,a17：0, i18：0)、革蘭氏陰性細菌Gram-negative bacteria,GN(16：1ω7c,17：0 cyclo ω7c, 17:1ω8c, 18：1ω7c,18：1ω5c,19：0 cyclo ω7c)、放線菌Actinomycete(16：0 10-methyl,17：0 10-methyl,18：0 10-methyl)、真菌Fungi(18：2ω6c,18：1ω9c)、細菌Bacteria(i14：0,i15：0,a15：0,i16：0,i17：0,a17：0, i18：0,16：1ω7c,17：0 cyclo ω7c, 17:1ω8c, 18：1ω7c,18：1ω5c,19：0 cyclo ω7c)的含量進行表征。

通過R 3.5.1版本中的diversity()函數利用PLFA數據計算香農維納多樣性指數與辛普森多樣性指數,公式如下：

Shannon-Wiener

H=-∑(Pi)(lnPi)

(3)

式中,H為香農維納多樣性指數；Pi為第i種磷脂脂肪酸標記物在磷脂脂肪酸標記物總量中的比例

Simpson

D=1-∑(Ni/N)2

(4)

式中,D為辛普森多樣性指數,Ni為第i種磷脂脂肪酸標記物的含量,N磷脂脂肪酸標記物的總量。

用一些常見的磷脂脂肪酸含量的比值來分析根際土壤微生物群落結構的變化,如細菌/真菌(Bacteria/Fungi)、革蘭氏陽性細菌/革蘭氏陰性細菌(GP/GN) 。微生物壓力指數(Stress level)用單鏈不飽和脂肪酸(cyc17: 0+cyc19: 0)/環丙烷脂肪酸(16: 1ω7c+18: 1ω7c) 來計算,壓力指數越高代表著細菌群落受到更高的生理壓力[19]。

利用SPSS 24.0對興安落葉松根際土壤理化性質、微生物量碳氮含量、PLFA含量、微生物群落結構指標、多樣性指數、壓力指數進行單因素方差分析,并用LSD方法比較不同組之間的差異。

利用R 3.5.1版本中的vif.cca()函數計算方差膨脹因子,篩選并去除多重共線性較強環境因子(方差膨脹因子大于20)[20],之后利用vegan包中rda()函數的對根際土壤理化性質以及各微生物類群生物量以及微生物群落結構進行冗余分析。

作圖通過Origin 9.1、R 3.5.1、Microsoft Office Visio完成。

2 結果與分析

2.1 不同主伐方式對興安落葉松根際土壤理化性質的影響

如表1所示,皆伐樣地恢復前期,興安落葉松根際土壤速效磷含量顯著高于對照樣地,其余理化性質與對照樣地無顯著差異。皆伐樣地恢復后期,興安落葉松根際土壤總碳、總氮、速效氮含量降低,顯著低于對照樣地,速效磷含量仍顯著高于對照樣地,pH顯著高于漸伐樣地和對照樣地,含水量顯著低于對照樣地,總磷、總鉀含量與對照樣地差異均不顯著。

漸伐樣地恢復前期,興安落葉松根際土壤的總碳、總氮、速效氮含量以及含水量均顯著低于對照樣地,總鉀、速效磷含量顯著上升,其余理化指標沒有顯著變化。漸伐樣地恢復后期,根際土壤總碳、總氮、速效氮以及含水量仍顯著低于對照樣地,總磷、總鉀、速效磷含量均顯著高于對照樣地。

表1 興安落葉松根際土壤理化性質

2.2 不同主伐方式對興安落葉松根際土壤微生物量碳氮的影響

興安落葉松根際土壤微生物量碳含量變化如圖1所示。恢復前期,皆伐樣地興安落葉松根際土壤微生物量碳含量與對照樣地沒有顯著差異。漸伐樣地興安落葉松根際土壤微生物量碳含量顯著低于皆伐樣地和對照樣地。恢復后期,皆伐樣地興安落葉松根際土壤微生物量碳含量顯著降低,漸伐樣地興安落葉松根際土壤微生物量碳含量已與未采伐對照樣地無顯著差異。

興安落葉松根際土壤微生物量氮含量變化如圖1所示。恢復前期,皆伐、漸伐樣地興安落葉松根際土壤微生物量氮含量與對照樣地沒有顯著差異。恢復后期,皆伐樣地興安落葉松根際土壤微生物量氮含量顯著低于漸伐樣地以及對照樣地。漸伐樣地恢復后期,興安落葉松根際土壤微生物量氮含量與對照樣地沒有顯著差異。

圖1 興安落葉松根際土壤微生物量Fig.1 Biomass of rhizosphere soil microorganisms of Larix gmelinii字母不同代表處理間差異顯著(P < 0.05)

2.3 不同主伐方式對興安落葉松根際土壤微生物PLFA含量以及微生物群落結構的影響

興安落葉松根際土壤微生物PLFA含量的變化如表2所示。皆伐樣地的恢復前期,興安落葉松根際土壤革蘭氏陽、陰性細菌、真菌、細菌、放線菌、總PLFA含量與對照樣地均無顯著差異。皆伐樣地恢復后期,興安落葉松根際土壤真菌PLFA含量顯著降低,其余各微生物類群PLFA含量與對照樣地沒有顯著差異。漸伐樣地恢復前期與后期,各微生物類群PLFA含量與對照樣地均不存在顯著差異。

表2 興安落葉松根際土壤微生物類群磷脂脂肪酸含量

興安落葉松根際土壤微生物群落結構的變化如圖2所示。皆伐樣地恢復前期,興安落葉松根際土壤革蘭氏陽性細菌/革蘭氏陰性細菌(GP/GN)以及細菌/真菌(Bacteria/Fungi)與未采伐對照樣地沒有顯著差異。皆伐樣地恢復后期,興安落葉松根際土壤Bacteria/Fungi顯著高于未采伐對照樣地(圖2)。漸伐樣地恢復前期與后期,興安落葉松根際土壤GP/GN、Bacteria/Fungi與未采伐對照樣地均不存在顯著差異。

圖2 興安落葉松根際土壤不同微生物類群磷脂脂肪酸比值Fig.2 Ratios of phospholipid fatty acids in different microbial groups in rhizosphere soil of Larix gmelinii 字母不同代表處理間差異顯著(P < 0.05)

2.4 不同主伐方式對興安落葉松根際土壤微生物群落多樣性指數與壓力指數的影響

興安落葉松根際土壤微生物群落的多樣性指數與壓力指數的變化如表3所示。皆伐樣地恢復后期,興安落葉松根際土壤微生物群落辛普森多樣性指數顯著低于對照樣地。除此之外,不同主伐方式樣地恢復前期與后期的壓力指數、香農維納多樣性指數、辛普森多樣性指數均與對照樣地不存在顯著差異。

表3 興安落葉松根際土壤微生物壓力指數與多樣性指數

2.5 興安落葉松根際土壤理化性質與微生物群落的冗余分析(RDA)

為了進一步確定主伐后引起興安落葉松根際土壤微生物群落中細菌、真菌相對含量發生顯著變化的主要環境因子,首先計算土壤理化性質的方差膨脹因子。其中,總碳、總氮的方差膨脹因子均大于20,具有較強的多重共線性,故將其去除。篩選環境因子后,選擇pH、含水量(SM)、總磷(TP)、總鉀(TK)、速效磷(AP)、速效氮(AN)與細菌、真菌磷脂脂肪酸(PLFA)含量進行冗余分析。

圖3 根際土壤微生物群落結構與土壤理化指標的冗余分析 Fig.3 Redundancy analysis for soil microbial community composition and soil physiochemical properties SM:含水量Soil moisture；TP:總磷 Total phosphorus; TK:總鉀 Total potassium; AP:速效磷 Available phosphorus; AN:速效氮 Available nitrogen

分析結果如圖3所示,兩個排序軸對興安落葉松根際土壤微生物群落中細菌、真菌相對含量變化的解釋率達33.88%,其中,第一第二約束軸分別解釋了變化的33.21%和0.67%。

環境因子中,興安落葉松根際土壤pH與真菌PLFA含量顯著正相關(P<0.05),與細菌PLFA含量顯著負相關(P<0.05)。速效氮(AN)與真菌PLFA含量顯著負相關(P<0.05),與細菌PLFA含量顯著正相關(P<0.05)。含水量(SM)、總磷(TP)、總鉀(TK)、速效磷(AP)與細菌、真菌PLFA含量也具有一定的相關性,但并不顯著(P>0.05)。可見,pH與速效氮(AN)是引起興安落葉松根際土壤微生物群落中細菌、真菌相對含量發生顯著變化的最主要環境因子。

3 討論

森林采伐是人類活動對森林生態系統的介入與干擾,必然會對森林生態系統產生影響[21]。本文對皆伐與漸伐樣地以及未采伐對照樣地內興安落葉松根際土壤的理化指標以及微生物指標進行測定,分析了不同主伐方式在恢復前期與恢復后期對興安落葉松根際土壤理化性質以及微生物群落的影響。研究結果表明,興安落葉松根際土壤與非根際土壤的理化性質以及微生物群落對不同主伐方式的響應存在差異；不同主伐方式對興安落葉松根際土壤的影響機制也有所不同,皆伐對興安落葉松根際土壤的影響是長期且顯著的,而漸伐對興安落葉松根際土壤的影響則比較微弱,且持續時間較短；冗余分析結果表明,根際土壤pH和速效氮(AN)是主伐擾動后造成根際土壤微生物群落變化的環境因子。

相較于非根際土壤,皆伐對興安落葉松根際土壤理化性質以及微生物群落的影響主要體現在恢復后期。已有研究表明,森林皆伐初期非根際土壤的pH、含水量、碳氮含量均發生了顯著變化[22- 24],而本研究中皆伐恢復前期興安落葉松根際土壤的pH、含水量、碳氮含量與未采伐對照樣地沒有顯著差異。這可能是由于皆伐恢復前期植被對雨水的截留以及蒸作用降低,所以根際土壤的pH、含水量并沒有發生顯著變化；同時,由于皆伐后留下了大量采伐殘留物,這些殘留物以腐爛的形式為根際土壤補充了碳氮元素,使碳氮含量在皆伐后短期內不會顯著降低[25]。在皆伐恢復后期,興安落葉松根際土壤的pH、含水量、碳氮含量均發生了顯著變化。這可能是由于皆伐樣地根際土壤沒有了植被的截流,且皆伐作業對土壤的壓實作用使得土壤容重增加,孔隙減小,持水性能惡化,長期降水沖刷導致了酸性物質流失以及含水量的減少以及pH的顯著升高；同時,隨著恢復后期采伐殘留物的減少,碳、氮輸入量減少,分解和呼吸作用使根際土壤總碳含量減少,總氮含量減少則可能也與氮的長期淋溶流失有關[26],皆伐后期興安落葉松根際土壤微生物碳、氮含量均顯著降低也與根際土壤碳氮含量的降低有關。

相較于非根際土壤,漸伐對興安落葉松根際土壤理化性質以及微生物群落的影響較為相似。已有研究表明在漸伐恢復前期非根際土壤理化性質均發生了顯著變化[27- 31],本研究中漸伐樣地恢復前期興安落葉松根際土壤除pH、總磷含量外均發生了顯著變化,這說明在恢復初期漸伐對興安落葉松根際與非根際土壤的影響具有一致性。漸伐樣地在恢復前期與后期興安落葉松根際土壤含水量均顯著低于未采伐對照樣地,這可能是由于在漸伐過程中減少了一部分林冠的截流且仍存在一部分植被的蒸騰作用[32],導致恢復前期含水量即出現顯著降低,且由于漸伐使土壤持水能力惡化,造成了長期的水土流失。水土流失的淋溶作用進一步造成了漸伐恢復前期與后期興安落葉松根際土壤速效氮含量均顯著小于未采伐對照樣地。漸伐對興安落葉松根際土壤理化性質的長期作用則表現在恢復后期總磷、總鉀、速效磷含量均顯著大于未采伐對照樣地,在一定程度上改善了根際土壤養分條件,導致凋落物分解以及養分釋放速率提高[33],微生物可利用的底物充足[34],促進了微生物生長和繁殖,根際土壤微生物量碳含量恢復到了采伐前的水平。

冗余分析結果表明,根際土壤pH與速效氮(AN)是影響真菌群落的主要環境因子,由于不同主伐方式下根際土壤pH與速效氮(AN)的變化顯著程度不同,所以相應的微生物群落的變化特征也有所不同。不同主伐方式中,皆伐對興安落葉松根際土壤理化性質的影響可能存在滯后效應。Liu等[35]在對中國南部馬尾松林皆伐樣地的研究中發現恢復初期非根際土壤真菌、放線菌以及微生物量氮的含量顯著降低,本研究中皆伐恢復后期興安落葉松根際土壤pH與速效氮均發生了顯著改變,從而降低了微生物群落中真菌的含量,改變了興安落葉松根際土壤的微生物群落結構,細菌占據了更大的優勢。這種優勢的變化直至皆伐恢復后期根際土壤真菌含量才顯著降低,這說明根際與非根際土壤微生物群落中真菌均比細菌更容易受到土壤理化性質的影響,且由于根際土壤理化性質對皆伐的響應存在一定的滯后效應,所以根際土壤微生物的變化也較非根際土壤相對滯后。鄧大豪等[36]在對非根際土壤理化性質與微生物的冗余分析中發現,單一種土壤理化性質的顯著改變并不能對微生物群落結構產生顯著影響,本研究中漸伐只造成了興安落葉松根際土壤pH的改變,沒有對根際土壤微生物群落造成顯著影響,與其研究結果一致。

皆伐干擾也對根際土壤微生物群落的多樣性產生了顯著影響,在皆伐恢復后期,興安落葉松根際土壤微生物群落的辛普森多樣性指數顯著低于對照樣地,土壤微生物群落的多樣性顯著降低。壓力指數是反映微生物群落中細菌受到的生理壓力的大小[19],本研究中不同樣地興安落葉松根際土壤的壓力指數均不存在差異,這可能有以下兩方面原因：一是皆伐樣地恢復后期pH顯著升高, 土壤碳氮含量降低、土壤持水能力下降、土壤壓實,細菌對改變后的土壤環境適應性要高于真菌[37- 38],二是由于皆伐恢復后期死亡的根系分解以及植物吸收減少,導致可利用底物含量較高[39], 使得生長速度較快的細菌占據優勢[39- 42],所以其壓力指數沒有發生顯著改變。

4 結論

綜上所述,根際土壤的伐后理化性質以及微生物群落的變化特征與非根際土壤存在區別,且不同主伐方式在不同恢復時期會對興安落葉松根際土壤理化性質以及微生物群落產生不同的影響：相較于非根際土壤,皆伐對根際土壤理化性質造成了長期且顯著的影響,從而顯著抑制了根際土壤微生物群落中真菌的生長(其中pH、速效氮是主要影響因素),使細菌/真菌顯著升高,改變了根際土壤微生物群落結構,降低了微生物群落的多樣性,且這些影響可能由于皆伐后存在的大量枯枝落葉而存在滯后效應,在恢復后期才會顯現。漸伐則有利于林區的可持續發展,對根際土壤各微生物類群PLFA含量、微生物群落結構以及多樣性沒有顯著影響,并且根際土壤養分條件在一定程度上得到了改善。