不同林齡杉木林土壤磷形態(tài)與解磷菌變化*

王淑真 梁晶晶 包明琢 潘 菲 周垂帆

(福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院 人工林可持續(xù)經(jīng)營福建省高校工程研究中心 福州 350002)

第九次全國森林資源清查數(shù)據(jù)顯示，我國杉木(Cunninghamialanceolata)人工林面積達(dá)1 138.66萬hm2，占全國喬木林面積的6.33%(孫長山， 2020)，其在調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源和提供用材等方面發(fā)揮著重要作用。由于育林措施和經(jīng)營制度不甚合理，當(dāng)前杉木人工林面臨土壤退化、肥力下降、生產(chǎn)力降低等一系列問題(田甜等， 2019)。

磷素是植物生長不可缺少的大量元素。在短時間內(nèi)，磷素主要來源于植物凋落物分解和有機(jī)質(zhì)礦化，在土壤中遷移與轉(zhuǎn)化后，被植物吸收利用或以可溶性磷的形式流失(陳美領(lǐng)等， 2016)。在亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)中，土壤總磷含量較高，但其中閉蓄態(tài)磷所占比例較大，可被林木吸收的有效磷含量處于較低水平。作為重要速生樹種，杉木產(chǎn)生凋落物較少且難分解，養(yǎng)分歸還量少，同時酸性紅壤中的鐵、鋁氧化物對磷素的固定吸附作用強(qiáng)烈，土壤磷素不足成為限制杉木生長的主要因子(Zhangetal.， 2018)。研究表明，土壤磷素含量和微生物利用特征等與林齡聯(lián)系緊密。曹小玉等(2019)發(fā)現(xiàn)隨杉木林齡增加，土壤全磷含量先減后增，中齡林時最低。Wu等(2020)的研究表明，杉木人工林土壤磷素生物有效性和循環(huán)利用率隨林齡增加而增大。

微生物活動與土壤磷素循環(huán)密切相關(guān)，對磷素形態(tài)的轉(zhuǎn)化和有效性有極重要影響。土壤中存在一類可將難溶性磷酸鹽轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒┲参锢玫目扇苄粤谆衔锏奈⑸?，稱為解磷菌(駱韻涵等， 2020)。眾多研究表明，解磷菌可通過自身生命活動產(chǎn)生質(zhì)子、CO2等，降低土壤pH值，引起無機(jī)磷酸鹽溶解； 通過產(chǎn)生酶類水解有機(jī)磷； 通過產(chǎn)生有機(jī)酸，溶解難溶的磷酸鹽，或爭奪吸附位點等，對土壤磷素進(jìn)行活化(滕澤棟等， 2017)。如Churgopost等(2021)發(fā)現(xiàn)施加解磷菌生物肥料提高了Takhli土系中磷素的有效性。然而，以往研究多聚焦在杉木林土壤養(yǎng)分循環(huán)特征、理化性質(zhì)和微生物群落多樣性的變化，以及施加解磷菌生物肥料對土壤磷素有效性的影響，自然條件下不同林齡杉木純林土壤中解磷菌群落組成和磷素形態(tài)轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究鮮有報道。

堿性磷酸酶(ALP)可催化酯-磷酸鍵的水解(Nannipierietal.， 2011)，主要由土壤細(xì)菌、真菌及土壤動物(蚯蚓等)分泌(Nakasetal.， 1987)，可將土壤有機(jī)磷水解為可供植物利用的無機(jī)磷。ALP活性與phoD基因豐度呈顯著正相關(guān)(Wuetal.， 2015)。在當(dāng)前已測序的編碼ALP的3種基因(phoA、phoD、phoX)中，phoD基因在土壤樣品分析中較常見(Tanetal.， 2013)，已成為研究陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)磷轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵生物指示物。目前，利用高通量測序?qū)ν寥乐薪饬拙姆N類、豐度、分布狀況和群落組成進(jìn)行分析，有助于了解人工林不同生長階段的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)以及土壤功能變化。

鑒于此，本文基于高通量測序技術(shù)對PCR擴(kuò)增的phoD基因進(jìn)行測定，對福建省南平市杉木人工林生長過程中不同分類水平上解磷菌群落結(jié)構(gòu)及多樣性進(jìn)行研究，以揭示土壤解磷菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性隨林齡的變化規(guī)律及磷素形態(tài)與不同分類水平上解磷菌群落的相關(guān)性，為杉木人工林磷素有效利用和可持續(xù)經(jīng)營提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與樣品采集

福建省南平市是我國杉木中心產(chǎn)區(qū)之一，地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均溫19.3 ℃，相對濕度83%，土壤是由花崗巖發(fā)育的紅壤。土樣采自南平市溪后村(26°39′N，117°55′E)，采樣時間為2018年7月27、28日。采用空間代時間法，選擇立地相似的不同林齡(4、15、24、43、100年)杉木人工林。其中，4年為幼齡林，15年為中齡林，24年為近熟齡，43年和100年為過熟林。喬木層以杉木為主，不同林齡杉木林的林下植被種類和覆蓋度不同。4年林下植被覆蓋度較低，以芒萁(Dicranopterisdichotoma)為主； 15年和24年林下植被豐富度上升，灌木層主要有山蒼子(Litseacubeba)、毛冬青(Ilexpubescens)、鹽膚木(Rhuschinensis)等，草本層主要有芒萁、烏毛蕨(Blechnumorientale)等； 43年和100年的林下植被更為豐富，灌木層主要有粗葉榕(Ficushirta)、毛冬青等，草本層主要有觀音蓮座蕨(Angiopterisfokiensis)、淡綠短腸蕨(Allantodiavirescens)等。每個林齡選擇坡度和其他立地條件相近的3片林地作為重復(fù)，每片林地選擇坡度30°～40°、坡向東南的土坡進(jìn)行采樣。每個土坡上劃定20 m×20 m的采樣地，沿S形選擇6個采樣點，在去除地表枯枝落葉層后，用土鉆采集0～20 cm的表層土壤，并將采集點的土樣等量混合為1份樣品(張蕓等， 2016)。每份土壤樣品過20目篩后放入4 ℃的冰箱中冷藏保存，一部分用于土壤磷素形態(tài)檢測，一部分用于解磷菌相對含量測定。

1.2 土壤磷素測定

土壤磷組分測定采用改進(jìn)的Hedley磷素分級法(Guoetal.， 1998； B?rlingetal.， 2001)。稱取0.5 g土樣(< 2 mm)于50 mL離心管中，逐級加入蒸餾水、0.5 mol·L-1NaHCO3、0.1 mol·L-1NaOH、1 mol·L-1HCl溶液30 mL后，振蕩16 h，4 500 r·min-1離心后取上清液。取濃硫酸和0.5 mol·L-1的H2O2溶液，將剩余土樣在270 ℃下消煮，測定Residual-P?；钚粤装ㄋ苄詿o機(jī)磷(H2O-inorganic phosphorus, H2O-IP)，水溶性有機(jī)磷(H2O-organic phosphorus, H2O-OP)，碳酸氫鈉態(tài)無機(jī)磷(NaHCO3-inorganic phosphorus, NaHCO3-IP)和碳酸氫鈉態(tài)有機(jī)磷(NaHCO3-organic phosphorus, NaHCO3-OP)。中等活性磷包括氫氧化鈉態(tài)無機(jī)磷(NaOH-inorganic phosphorus, NaOH-IP)和氫氧化鈉態(tài)有機(jī)磷(NaOH-organic phosphorus, NaOH-OP)。穩(wěn)定態(tài)磷包括鹽酸態(tài)無機(jī)磷(HCl-inorganic phosphorus, HCl-IP)，鹽酸態(tài)有機(jī)磷(HCl-organic phosphorus, HCl-OP)和Residual-P。土壤無機(jī)磷總量TIP(Total inorganic phosphorus)=H2O-IP+NaHCO3-IP+NaOH-IP+HCl-IP+Residual-P，有機(jī)磷總量TOP(Total organic phosphorus)=H2O-OP+NaHCO3-OP+NaOH-OP+HCl-OP。

1.3 土壤解磷菌測定

基因組DNA抽提完成后，利用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測抽提的基因組DNA，采用引物F733(5′-TGGGAYGATCAYGARGT-3′)和R1083(5′-CTGSGCSAKSACRTTCCA-3′)(Chenetal.， 2019)對其中的堿性磷酸酶基因(phoD)部分進(jìn)行PCR擴(kuò)增。每個樣本3個重復(fù)，將同一樣本的PCR產(chǎn)物混合后用2%瓊脂糖凝膠電泳檢測，使用AxyPrepDNA凝膠回收試劑盒(AXYGEN公司)切膠回收PCR產(chǎn)物。回收的產(chǎn)物經(jīng)過連接 “Y”字形接頭、去除接頭自連片段、再次使用PCR進(jìn)行文庫模板的富集、氫氧化鈉變性，產(chǎn)生單鏈DNA片段之后，完成高通量測序文庫的制備。將符合要求的測序文庫在Illumina Miseq平臺上進(jìn)行雙末端測序(Paried-End)，對基因進(jìn)行物種注釋后得到各分類水平上的解磷菌的相對豐度。

1.4 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)OTU豐度信息繪制Venn圖，可較直觀地顯示不同林齡杉木林土壤中共有與特有的OTU數(shù)目。為研究組間群落組成的異同，進(jìn)行主坐標(biāo)分析(PCoA)和利用Qiime軟件繪制基于bray curtis的多樣本聚類樹。通過LefSe分析，進(jìn)一步分析組間豐度上有顯著差異的物種。通過Microsoft Excel 2006初步整理土壤磷組分原始數(shù)據(jù)，制作不同形態(tài)磷素含量三線表和面積圖。使用SPSS對組間土壤磷素含量和解磷菌Alpha多樣性指數(shù)分別進(jìn)行單因素方差分析，選擇SNK法進(jìn)行顯著性檢驗，將土壤磷素含量和微生物Alpha多樣性指數(shù)進(jìn)行雙變量相關(guān)分析。使用Origin 2018繪制解磷菌Alpha多樣性折線圖。土壤磷素含量及解磷菌群落相對豐度冗余分析(RDA)使用Canoco 4.5。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林齡杉木林土壤磷素形態(tài)特征

由圖1可知，林齡對土壤中不同形態(tài)磷素的含量影響顯著。隨林齡增加，活性磷含量逐漸增大。有機(jī)磷總量(TOP)隨林齡變化表現(xiàn)為100年>24年>43年>15年>4年。總無機(jī)磷(TIP)和穩(wěn)定態(tài)的磷含量變化趨勢相同，即15年>4年>24年>100年>43年。

圖1 不同林齡杉木林土壤有機(jī)磷、無機(jī)磷和不同活性磷素含量

由表1可知，不同形態(tài)磷素含量隨林齡增加的變化趨勢不同。在同一林齡，含量較高的磷素分別是Residual-P、NaOH-IP、NaHCO3-IP和NaOH-OP。土壤中H2O-IP含量隨林齡增加而顯著升高(P<0.05)； NaOH-IP含量在24年時最大； NaHCO3-IP含量隨林齡增加先升后降，在43年時最大。NaOH-OP含量隨林齡變化明顯，24年時較15年提升了78.69%，在100年時含量顯著高于其他林齡(P<0.05)； HCl-OP含量隨林齡增加整體上逐漸增大。

2.2 不同林齡杉木林土壤中解磷菌絕對豐度分析

根據(jù)林齡分5組進(jìn)行Venn圖分析，共產(chǎn)生11 939個OTU，經(jīng)抽平處理后剩余11 026個，其中4、15、24、43、100年中平均包含1 784、1 878、2 066、3 097、2 347個，4、15、24、43、100年中特有的OTU分別為1 262、594、830、2 524、1 284個，5組共同包含471個。不同林齡土壤包含的解磷菌OTU數(shù)目為43年>100年>24年>15年>4年。Venn圖分析結(jié)果顯示，43年林齡包含的解磷菌類群獨特性最明顯。整體來看，不同林齡杉木林土壤中的解磷菌種類差異顯著。

表1 不同林齡杉木林土壤磷素形態(tài)特征①

圖2 不同林齡杉木林土壤解磷菌OTUs分布

PCoA中樣品點的距離可用來估計組間解磷菌群落結(jié)構(gòu)與多樣性的差異，樣品點距離越近說明越相似，距離越遠(yuǎn)說明差異越大。15年和24年林齡土壤中解磷菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性相近，4年林齡土壤中解磷菌群落與其他林齡差異較大(圖3)。

圖3 不同林齡杉木林土壤解磷菌群落PCoA分析

2.3 不同林齡杉木林土壤中解磷菌多樣性分析

由圖4可知解磷菌Alpha多樣性指數(shù)變化，土壤中解磷菌豐富度總體表現(xiàn)為43年>100年>24年>15年>4年，解磷菌種群多樣性總體表現(xiàn)為43年>100年>15年>24年>4年。

用Hcluster分析的多樣本聚類樹的樹枝結(jié)構(gòu)可比較不同林齡土壤中解磷菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性的異同。如圖5所示，根據(jù)樹枝長度大致可將樣本分為4類： 4年，100年，43年，15和24年，即15年和24年林齡土壤中解磷菌組成相近，結(jié)構(gòu)差異較小，4年林齡土壤中解磷菌獨特性較高，與PCoA分析結(jié)果相同。

圖4 不同林齡杉木林土壤解磷菌Alpha多樣性指數(shù)

圖5 不同林齡杉木林土壤中解磷菌基于bray curtis多樣本聚類樹

2.4 不同林齡杉木林土壤解磷菌含量特征

由圖6可知，土壤解磷菌在門分類水平上，相對含量最高的類群為變形菌門(Proteobacteria)，隨林齡增加，變形菌門、慢生根瘤菌屬(Bradyrhizobium)的含量整體呈下降趨勢，表現(xiàn)為4年>24年>15年>43年>100年； 屬分類水平，優(yōu)勢類群為慢生根瘤菌屬、Pseudolabrys、假單胞菌屬(Pseudomonas)、異常球菌屬(Deinococcus)、甲基桿菌屬(Methylobacterium)、Ramlibacter。慢生根瘤菌屬整體呈下降趨勢，100年相對含量最低，4年相對含量最高； 種分類水平上，慢生根瘤菌屬的erythrophlei相對含量隨林齡變化明顯，24年和43年之間降低顯著；Pseudolabrys_taiwanensis在43年處顯著升高。隨林齡增加，異常球菌屬、Ramlibacter、極地單胞菌屬(Polaromonas)變化趨勢相同，均在15年林齡有最大值，4年林齡有最小值。阿菲波菌屬(Afipia)變化趨勢為4年>24年>43年>15年>100年； 放線菌門(Actinobacteria)變化趨勢為43年>100年>15年>4年>24年； 厚壁菌門(Firmicutes)相對含量在100年林齡最高(0.45%)； 假單胞菌屬相對含量為4年>15年>24年>100年>43年； 甲基桿菌屬43年林齡明顯升高到1.75%。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)100年林齡厚壁菌門的相對含量顯著升高(0.45%)，藍(lán)細(xì)菌門(Cyanobacteria)和Gloeobacter在43年林齡含量明顯高于其他林齡(1.08%)，馬賽菌屬(Massilia)相對含量變化表現(xiàn)為 43年>15年>100年>24年>4年，在43年林齡最高，相對含量達(dá)到1.14%。

圖6 不同分類水平上土壤解磷菌相對豐度

LefSe分析圖由內(nèi)至外輻射的圓圈代表了由門至屬(或種)的分類級別。不同顏色節(jié)點分別代表在該組別中起重要作用的微生物類群，無顯著差異的物種統(tǒng)一著色為黃色，差異物種跟隨組進(jìn)行著色。如圖7所示，100年所對應(yīng)的放線菌門、丙型變形菌綱(Gammaproteobacteria)、β-變形菌綱(Betaproteobacteria)、伯克霍爾德氏菌目(Burkholderiales)、叢毛單胞菌科(Comamonadaceae)呈紅色，說明其在100年林齡杉木林中的相對豐度顯著高于其他組； 同理，α-變形菌綱(Alphaproteobacteria)在4年杉木林中的相對豐度顯著高于其他組； 藍(lán)細(xì)菌門中的Gloeobacteraceae在43年林齡杉木林中相對豐度顯著高于其他組。

2.5 不同形態(tài)磷素含量與解磷菌豐度的冗余分析

將土壤樣品中的TIP、TOP、活性磷、中等活性磷和穩(wěn)定態(tài)磷的含量與解磷菌的Alpha多樣性指數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析(表2)，可知解磷菌豐富度與多樣性指數(shù)與活性磷含量呈正相關(guān)，Chao1和Observed_species指數(shù)(豐富度)與穩(wěn)定態(tài)磷含量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。

對土壤的不同磷素形態(tài)和解磷菌相對豐度進(jìn)行冗余分析。圖8a、8b、8c分別表示不同磷素形態(tài)與解磷菌門、屬和種水平上優(yōu)勢群落的相關(guān)性大小。二者之間的相關(guān)性與夾角的余弦值有關(guān)，夾角越接近0°，表示二者呈顯著正相關(guān)； 夾角越接近180°，代表二者呈顯著負(fù)相關(guān)。土壤NaHCO3-IP與厚壁菌門相對含量呈顯著正相關(guān)，H2O-IP與變形菌門相對含量呈顯著負(fù)相關(guān)； NaOH-IP與放線菌門、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)呈顯著負(fù)相關(guān)； HCl-OP與酸桿菌門(Acidobacteria)呈顯著負(fù)相關(guān)(圖8a)。 H2O-OP、NaHCO3-IP與慢生根瘤菌屬呈顯著負(fù)相關(guān)(圖8b)； NaHCO3-OP與阿菲波菌屬、紅游動菌屬(Rhodoplanes)呈顯著負(fù)相關(guān)。Bradyrhizobiumsp.SK17與Residual-P呈顯著正相關(guān)，與H2O-OP呈顯著負(fù)相關(guān)(圖8c)。

3 討論

3.1 不同林齡杉木林土壤磷素形態(tài)變化

Hedley磷素分級研究，為分析杉木人工林土壤中磷素供應(yīng)及其生物有效性提供了一定參考。在本研究中，H2O-IP和NaHCO3-P含量逐年上升。H2O-P主要指與鉀、鈉結(jié)合的正磷酸鹽(主要是HPO42-)，可被植物直接吸收利用。NaHCO3-P包括吸附在土壤表面的無機(jī)磷和易于礦化的有機(jī)磷(孫桂芳等， 2011)。上述2種形態(tài)的磷素被認(rèn)為是作物吸收的最有效磷源(春雪等， 2020)。據(jù)此分析可知，隨著林齡增加，可供杉木生長的有效磷素水平不斷提高。陳陽(2014)在對閩西北杉木人工林土壤理化性質(zhì)的研究中發(fā)現(xiàn)，杉木純林在0～20 cm土層中有效磷含量隨林齡增加整體呈上升趨勢。本研究發(fā)現(xiàn)NaOH-P含量隨林齡變化波動明顯，表現(xiàn)為24年>100年>43年>4年>15年。與王留芳等(2019)的研究相似，在湘中地區(qū)的植被恢復(fù)過程中土壤NaHCO3-P、NaOH-P快速累積。NaOH-P是土壤潛在磷源(Zhangetal.， 2018)，主要指通過化學(xué)吸附緊密結(jié)合在土壤鐵鋁化合物表面的有機(jī)磷和無機(jī)磷(余定坤， 2013)，難以被植物直接吸收利用。土壤中的正磷酸鹽陰離子(主要是H2PO4-)和高比表面積的鐵鋁氧化物之間強(qiáng)烈的吸附與解吸，對紅壤中的磷素水平起著重要調(diào)控作用(Taghipouretal.， 2013)。Andrea等(2011)研究表明，鐵、鋁可保護(hù)部分磷酸單酯免受土壤微生物降解。杉木林土壤中游離態(tài)鐵鋁氧化物含量最高，游離態(tài)鐵鋁氧化物與黏土礦物結(jié)合，提高了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性(趙友朋等， 2018)。與此同時，隨著植被恢復(fù)年限增加，土壤非晶型、游離態(tài)和絡(luò)合態(tài)鐵鋁氧化物含量逐漸增高(吳敏敏等， 2020)，土壤潛在的供磷能力也將隨之變化。據(jù)此分析，杉木人工林近熟林和過熟林土壤的潛在供磷能力高于幼齡林和中齡林，這可能是游離態(tài)鐵鋁氧化物含量隨林齡增加逐漸升高，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性增強(qiáng)所致。

本研究結(jié)果顯示，隨林齡增加，杉木林土壤中有機(jī)磷總量表現(xiàn)為100年>24年>43年>15年>4年。這一結(jié)論與曹娟等(2014)對湖南會同8、18、26年杉木人工林土壤中總有機(jī)磷含量比3年幼林含量高的研究結(jié)果相似。杉木近熟林的生物量最高，凋落物隨成熟林林齡增加分解速率逐漸加快(郭琦等， 2014)，在土壤表層有機(jī)質(zhì)含量增加，促進(jìn)了磷元素循環(huán)，成為有機(jī)磷的主要來源。本研究表明，杉木幼齡林、中齡林、近熟林中土壤磷素活性表現(xiàn)為穩(wěn)定態(tài)磷>中等活性磷>活性磷，過熟林磷素活性表現(xiàn)為穩(wěn)定態(tài)磷>活性磷>中等活性磷。這與林開淼等(2020)的研究結(jié)果相近，36年杉木林0～20 cm土壤中不同形態(tài)磷素含量表現(xiàn)為閉蓄態(tài)磷>中活性磷>易活性磷。在本研究中，穩(wěn)定態(tài)磷包含HCl-P和Residual-P，此部分磷素在土壤中穩(wěn)定存在，即閉蓄態(tài)磷。閉蓄態(tài)磷是土壤中由水化氧化鐵膠膜包被的磷酸鹽，其含量與土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、微生物等有關(guān)(孫桂芳等， 2011)。植物根系和部分土壤微生物通過產(chǎn)生有機(jī)酸和相關(guān)酶，提高土壤中難溶性含磷化合物的利用率(Tanetal.， 2013)。此外，部分土壤微生物也可以通過形成菌絲，縮短磷擴(kuò)散距離和增加吸收表面積，提高磷素吸收量(Shenoyetal.， 2005)。穩(wěn)定態(tài)磷含量與解磷菌豐富度呈顯著負(fù)相關(guān)(表2)。因此土壤中穩(wěn)定態(tài)磷的酸解與礦化，可能是導(dǎo)致土壤磷素活性變化的重要原因。

圖7 土壤解磷菌群落LefSe分析

表2 磷素形態(tài)與解磷菌Alpha多樣性指數(shù)的相關(guān)性分析①

圖8 不同磷素形態(tài)與土壤解磷菌相對豐度相關(guān)分析

3.2 不同林齡杉木林解磷菌群落結(jié)構(gòu)與多樣性變化

本研究結(jié)果表明，變形菌門作為門分類水平上的優(yōu)勢類群，隨林齡增加其相對豐度整體呈現(xiàn)下降趨勢，具體表現(xiàn)為4年>24年>15年>43年>100年； 放線菌門相對豐度變化為43年>100年>15年>4年>24年； LefSe分析結(jié)果顯示，4年林齡杉木林中甲型變形菌綱的相對豐度顯著高于其他組； 100年林齡杉木林中丙型變形菌綱相對豐度顯著高于其他組。土壤銨態(tài)氮含量直接影響變形菌門的相對豐度，銨態(tài)氮含量越高，變形菌門相對豐度越大(李聰杰等， 2016)。根據(jù)本研究組之前對杉木林下土壤理化性質(zhì)的分析，土壤銨態(tài)氮含量隨林齡增長依次為11.05、11.00、9.66、8.64、8.39 mg·kg-1(曹升等， 2021)，銨態(tài)氮含量變化與土壤變形菌門相對豐度變化一致。土壤總有機(jī)磷含量隨林齡增加總體上逐漸升高(圖1)。由于有機(jī)磷需經(jīng)微生物礦化為無機(jī)磷才能被植物吸收，因此推測變形菌門中的某些類群在磷限制條件下對有機(jī)磷的礦化作用可能是林木對貧磷條件的一種適應(yīng)機(jī)制。放線菌為K對策者，在資源有限的條件下，選擇可維持長期生存狀態(tài)的繁殖策略(Andreaetal.， 2011)。甲型變形菌綱和丙型變形菌綱的是典型的r對策者，可在特殊環(huán)境下生存，一旦環(huán)境好轉(zhuǎn)，繁殖速率會在短時間內(nèi)迅速提升(Fuchsetal.， 2000)。林媚媚(2009)對福建南靖和溪南南亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林演替過程的研究發(fā)現(xiàn)，斑塊內(nèi)演替前期物種數(shù)目變化劇烈，經(jīng)歷急劇增長后，物種豐富度趨于平緩，各生長型和生活型組成比例趨于穩(wěn)定，從演替初期逐漸向頂級斑塊發(fā)展。區(qū)別于自然演替，人類活動對群落演替的影響不容忽視。在本研究區(qū)域，除幼齡期施加必要的撫育措施外，其他階段人類活動對杉木林的影響較小。杉木林在不同生長階段與生態(tài)學(xué)上的次生演替過程有一定程度相似。初期環(huán)境條件的變化對杉木生長影響較大，4年杉木林的林下植被較少，土壤微生物對資源、空間競爭等不激烈，適合甲型變形菌綱菌群生長； 隨著林冠逐漸郁閉，林下植被正常生長受限，繼而影響到微生物的生長繁殖。成熟林生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)機(jī)制使得林冠郁閉度下降，微生物豐度得到一定程度的恢復(fù)。在這個過程中，微生物種群也會根據(jù)環(huán)境條件的變化及時做出反饋調(diào)節(jié)。

杉木林土壤中解磷菌豐富度隨林齡變化呈現(xiàn)出43年>100年>24年>15年>4年，Shannon指數(shù)變化與之類似，但15年杉木林土壤中解磷菌的多樣性要高于24年。解磷微生物通過酶解和酸解作用，增加了土壤中有效磷形態(tài)含量，促進(jìn)磷形態(tài)轉(zhuǎn)化(春雪等， 2020)。如Wei等(2019)研究表明，土壤中解磷菌豐度和無機(jī)磷濃度呈正相關(guān)，與本文結(jié)果相印證。王蕊等(2020)研究發(fā)現(xiàn)，編碼堿性磷酸酶細(xì)菌群落的Shannon指數(shù)與pH值呈極顯著正相關(guān)，說明解磷菌群落的結(jié)構(gòu)與功能受到土壤理化性質(zhì)的影響。

整體來看，隨杉木林齡增加，土壤中酸桿菌門含量逐漸降低，并且在100年林齡杉木林中相對含量近乎為0。一般認(rèn)為，酸桿菌門的豐度與土壤pH值呈顯著負(fù)相關(guān)(Jonesetal.， 2009)，且較多在貧營養(yǎng)型環(huán)境中生存較好。然而Tersia等(2020)研究顯示，部分酸桿菌在pH值和有機(jī)質(zhì)含量較高的環(huán)境中相對豐度增加。據(jù)本研究組之前對杉木林土壤理化性質(zhì)的分析，土壤pH值隨林齡增加波動明顯，依次呈現(xiàn)出4.50、4.67、4.42、5.12和4.6(曹升等， 2021)，酸桿菌門相對豐度隨林齡變化趨勢與土壤pH值變化大致呈負(fù)相關(guān)。據(jù)此分析，生存環(huán)境改變(pH值等)可能是引起酸桿菌門相對豐度變化的主要原因，但也有可能是不同菌類之間由于空間、資源等的競爭所致。在杉木生長過程中，稀有菌類(如Afipia、Massilia等)相對含量變化趨勢明顯，可能比優(yōu)勢菌類對環(huán)境的適應(yīng)性更好，從而在不同形態(tài)磷素轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用(Weietal.， 2019)。

3.3 磷素形態(tài)變化與解磷菌的關(guān)系

杉木人工林土壤中磷素形態(tài)的轉(zhuǎn)化與解磷菌有密切聯(lián)系。根據(jù)不同林齡杉木林土壤解磷菌群落LefSe分析結(jié)果，可以看到100年林齡杉木林中伯克霍爾德氏菌目、叢毛單胞菌科相對豐度高于其他組。100年杉木林土壤中活性磷和中等活性磷的含量均處于較高水平，說明伯克霍爾德氏菌目的細(xì)菌的存在有助于土壤中磷素的釋放，這一研究結(jié)果與駱韻涵等(2020)對羅源灣紅樹林根際土壤中解磷菌的研究結(jié)果相近，土壤pH值在一定程度上與解磷量呈負(fù)相關(guān)。伯克霍爾德菌屬通過產(chǎn)生有機(jī)酸，特別是葡萄糖酸，使得磷酸鹽被溶解。喬木層元素的累積量影響凋落物中元素含量。在杉木生長發(fā)育過程中，對P的需求量較N、K低，且隨林齡增加，喬木層的P元素積累量逐漸升高(周玉泉等， 2019)。從幼齡林到中齡林，杉木林冠逐漸郁閉，土壤細(xì)菌、真菌數(shù)量減少，酶活性逐漸降低； 從中齡林到成熟林，林分密度及郁閉度下降，林下植被逐漸恢復(fù)，土壤細(xì)菌總數(shù)、磷酸酶等含量上升明顯(焦如珍等， 1997)。杉木林下植被和凋落物的存在對土壤養(yǎng)分和微生物活性的維持具有重要意義。凋落物分解產(chǎn)生的有機(jī)酸(主要是草酸)，使土壤pH值隨林齡增加逐漸降低(鄒顯花等， 2017)。叢毛單胞菌屬嚴(yán)格好氧，屬化能有機(jī)營養(yǎng)型，對有機(jī)酸有良好的礦化作用，在中性或弱酸性環(huán)境下的降解能力較好(王巧蕊等， 2018)。這兩類解磷菌可從一定程度上反映杉木林土壤磷素的轉(zhuǎn)化機(jī)制和土壤的供磷能力。

4 結(jié)論

隨杉木林林齡增加，H2O-IP和NaHCO3-P含量逐漸上升，NaOH-P含量波動明顯，表明土壤活性磷含量不斷提高，近熟林和過熟林土壤的潛在供磷能力高于幼齡林和中齡林； 總體來看，隨杉木林林齡增加，解磷菌豐富度增大，從而對穩(wěn)定態(tài)磷的礦化作用增強(qiáng)，導(dǎo)致穩(wěn)定態(tài)磷向活性磷轉(zhuǎn)化，因此土壤磷素有效性水平逐漸提高； 解磷菌豐富度經(jīng)歷急劇增長后，在43年時的物種豐富度和特有OTU數(shù)目均達(dá)到最大； 放線菌門相對含量與NaOH-IP呈顯著負(fù)相關(guān)，表現(xiàn)為43年>100年>15年>4年>24年； 酸桿菌門相對豐度與NaOH-OP含量呈顯著負(fù)相關(guān)。