董學(xué)德,高 鵬,*,李 騰,張佳辰,董金偉 ,許景偉,囤興建

1 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,泰山森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站, 泰安 271018 2 山東省林業(yè)科學(xué)研究院, 濟(jì)南 250014

森林凋落物分解是一個(gè)由生物因素和非生物因素引起的物理、化學(xué)性質(zhì)的變化[1-2]。影響凋落物分解的因素主要包括凋落物質(zhì)量、氣候因素等非生物因素和生物因素,其中,生物因素是影響凋落物分解的主導(dǎo)因子,非生物因素一部分是通過(guò)影響生物因素發(fā)揮作用[3]。土壤微生物作為連接植物和土壤的重要生物因子,不僅能通過(guò)產(chǎn)生各種酶水解和氧化凋落物,而且能夠進(jìn)行氨化、硝化、固氮等過(guò)程,改變凋落物的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成[4]。土壤微生物多樣性是指生命體在遺傳、種類(lèi)和生態(tài)系統(tǒng)層次上的變化,代表著微生物群落的穩(wěn)定性。在凋落物分解過(guò)程中,土壤微生物群落會(huì)對(duì)外界環(huán)境的變化迅速作出響應(yīng),微生物多樣性也會(huì)發(fā)生變化,進(jìn)而影響凋落物的分解速率[5]。因此,關(guān)于土壤微生物群落多樣性對(duì)森林凋落物分解過(guò)程的影響機(jī)制研究受到人們普遍關(guān)注[1,6]。

近些年,許多學(xué)者針對(duì)凋落物質(zhì)量和環(huán)境因素對(duì)凋落物分解速率的影響進(jìn)行了較為全面的研究[7-8]。但是,土壤微生物作為影響凋落物分解的關(guān)鍵因子尚缺少系統(tǒng)的研究,混交林土壤微生物多樣性與凋落物分解速率的關(guān)系尚不明確。山東泰安市黃前流域是國(guó)家級(jí)水土流失重點(diǎn)治理區(qū),麻櫟林及其刺槐混交林是該區(qū)域重要的生態(tài)造林類(lèi)型。開(kāi)展麻櫟-刺槐混交林凋落物分解過(guò)程中土壤微生物群落多樣性變化特征及其對(duì)分解速率的影響的研究,可為該區(qū)域生態(tài)修復(fù)樹(shù)種選擇和綜合效果評(píng)價(jià)提供重要理論依據(jù)。因此,以麻櫟-刺槐混交林和麻櫟純林為研究對(duì)象,采用野外定點(diǎn)采樣、室內(nèi)分析和高通量測(cè)序相結(jié)合的方法,對(duì)麻櫟-刺槐混交林和麻櫟純林凋落物分解過(guò)程中,土壤細(xì)菌、真菌群落多樣性特征及其對(duì)凋落物分解速率的影響進(jìn)行研究,有助于深入了解混交林凋落物分解速率與土壤微生物群落的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東泰安市黃前流域(117°04′—117°22′E,36°17′—36°27′N(xiāo)),屬于黃河下游大汶河流域,是國(guó)家級(jí)水土流失重點(diǎn)治理區(qū),總面積292.2 km2,海拔310—950 m,平均海拔530 m。屬暖溫帶大陸性半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,年平均氣溫為18.5℃,年平均降水量758 mm,75%的降水集中在6—9月,無(wú)霜期197 d,≥10℃的活動(dòng)積溫3819℃,多年平均日照時(shí)數(shù)2640 h,土壤類(lèi)型為棕壤(表1)。研究區(qū)位于國(guó)家級(jí)重點(diǎn)生態(tài)防護(hù)林區(qū),森林覆蓋率為96%,植被類(lèi)型為暖溫帶落葉闊葉林,主要樹(shù)種為麻櫟(QuercusacutissimaCarruth.)、刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)、赤松(PinusdensifloraSieb. et Zucc.)、日本落葉松(Larixkaempferi(Lamb.)Carr)等。

表1 研究區(qū)標(biāo)準(zhǔn)地基本狀況

1.2 研究方法

1.2.1凋落物采樣

于2019年4月,選擇立地條件相近的麻櫟-刺槐林混交林和麻櫟純林林地,在每個(gè)林地隨機(jī)設(shè)置3個(gè)20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地,并在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地隨機(jī)設(shè)置3個(gè)2 m×2 m采樣樣方。采樣時(shí)為保證凋落物的新鮮程度一致,只收集樣方內(nèi)現(xiàn)存在的尚未分解的完整凋落葉和樹(shù)枝(樹(shù)枝數(shù)量極少且為細(xì)枝)作為試驗(yàn)樣品。將試驗(yàn)樣品帶回實(shí)驗(yàn)室,剔除其中的泥土等雜質(zhì),并將樹(shù)枝剪成5 cm左右,置于室內(nèi)風(fēng)干,然后在85℃下烘干至恒重。將凋落葉和樹(shù)枝混合均勻后稱(chēng)取16 g(精確到0.001 g)烘干的原狀樣品,裝入帶有編號(hào)的分解袋(孔徑0.2 mm,規(guī)格為16 cm×26 cm)中。取上述麻櫟-刺槐和麻櫟凋落物,測(cè)定凋落物初始TOC、TN、TP濃度。2019年5月將麻櫟-刺槐混合凋落物(混合比例為：麻櫟∶刺槐=12∶4)置于麻櫟-刺槐混交林采樣樣方內(nèi),麻櫟凋落物置于麻櫟純林采樣樣方內(nèi),用竹簽固定,讓其在自然條件下分解。在凋落物分解30、60、90、120、150、180、210、240 d時(shí),在各個(gè)采樣樣方內(nèi)隨機(jī)取3個(gè)分解袋,帶回實(shí)驗(yàn)室,將凋落物烘干、稱(chēng)重,測(cè)定分解速率；然后,用粉碎機(jī)粉碎,過(guò)0.149 mm篩子,測(cè)定TOC、TN、TP濃度。

1.2.2土壤微生物測(cè)定樣品采樣

土壤微生物測(cè)定樣品的采樣時(shí)間為凋落物初次放置及分解120、240 d時(shí),采樣點(diǎn)位于凋落物采樣樣方內(nèi)。在每個(gè)采樣樣方內(nèi),采用五點(diǎn)取樣法取0—20 cm的土壤混合均勻后裝于試管,立即放于液氮內(nèi)保存。每次采樣麻櫟-刺槐混交林和麻櫟純林各得9個(gè)(每種林分包括3塊標(biāo)準(zhǔn)樣地,每塊標(biāo)準(zhǔn)樣地包括3個(gè)采樣區(qū)域)土壤樣本,用于測(cè)定土壤細(xì)菌和真菌群落結(jié)構(gòu)。

1.2.3樣品測(cè)定

凋落物：TOC濃度測(cè)定采用K2Cr2O7容量法—外加熱法；TN濃度測(cè)定采用半微量開(kāi)氏法消煮法；TP濃度測(cè)定采用鉬銻抗比色法測(cè)定[9]。

土壤微生物：采用CTAB方法對(duì)樣本的基因組DNA進(jìn)行提取,之后利用瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)DNA的純度和濃度。土壤細(xì)菌多樣性的檢測(cè)：引物擴(kuò)增區(qū)域?yàn)?6S V3-V4；引物名稱(chēng)及序列：341F：CCTACGGGRBGCASCAG；806R：GGACTACNNGGGTATCTAAT[10]。土壤真菌多樣性檢測(cè)：引物擴(kuò)增區(qū)域?yàn)镮TS1；引物名稱(chēng)及序列：ITS5-1737F：GGAAGTAAAAGTCGTAACAAGG；ITS2-2043R：GCTGCGTTCTTCATCGA TGC[11]。PCR擴(kuò)增體系：2*taq PCR mix：25.0 μL,Primer F (10 μM)：1.0 μL,Primer FR(10 μM)：1.0 μL,gDNA：2.5 μL,H2O：8.0 μL。PCR反應(yīng)程序?yàn)椋?5℃預(yù)變性5 min,34個(gè)循環(huán) (94℃,1 min; 57℃,45 s；72℃,1 min)；72℃,10 min；16℃,5 min[10]。使用New England Biolabs 公司的Phusion? High-Fidelity PCR Master Mix with GC Buffer和高效高保真酶進(jìn)行PCR。產(chǎn)物純化試劑盒使用的是Thermo Scientific 公司GeneJET 膠回收試劑盒。使用Thermofisher 公司的Ion Plus Fragment Library Kit 48 rxns 建庫(kù)試劑盒進(jìn)行文庫(kù)的構(gòu)建,構(gòu)建好的文庫(kù)經(jīng)過(guò)Qubit 定量和文庫(kù)檢測(cè)合格后,使用Thermofisher的Ion S5TMXL進(jìn)行上機(jī)測(cè)序。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

凋落物質(zhì)量殘留率：凋落物分解一段時(shí)間后剩余的質(zhì)量與凋落物初始質(zhì)量比值[12],即：

RM=Mt/M0×100%

式中,RM為凋落物質(zhì)量殘留率(%)；Mt為凋落物分解t時(shí)刻的質(zhì)量(g)；M0為凋落物的初始質(zhì)量(g)。

凋落物分解的Olson模型：凋落物分解是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程,凋落物質(zhì)量殘留量與分解時(shí)間存在負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系[13],即：

Mt/M0=ae-kt

式中,a為修正參數(shù)；k為凋落物分解速率；t為凋落物分解時(shí)間(a)。凋落物分解50%(t50%)和分解95%(t95%)所需的時(shí)間分別為：

t50%=-ln0.5/k

t95%=-ln0.05/k

凋落物元素釋放率：凋落物分解一段時(shí)間內(nèi)釋放的元素量與凋落物初始元素含量比值的百分?jǐn)?shù),即：

E=[(E0-Et)/E0]×100%

式中,E為凋落物元素釋放率(%)；Et為凋落物分解t時(shí)刻凋落物質(zhì)量與元素濃度的乘積(g)；E0為凋落物的初始質(zhì)量與元素濃度的乘積(g)。當(dāng)百分?jǐn)?shù)大于0時(shí),說(shuō)明凋落物中的元素發(fā)生了凈釋放；當(dāng)百分?jǐn)?shù)小于0時(shí),說(shuō)明凋落物中的元素發(fā)生了凈積累[14]。

土壤微生物Alpha多樣性：微生物菌群Alpha多樣性可以分為菌群豐富度指數(shù)(Community richness index)和菌群多樣性指數(shù)(Community diversity index)。菌群豐富度指數(shù)主要包括Chao1和ACE,用于評(píng)估群落中含有的微生物物種總數(shù),菌群多樣性指數(shù)主要包括Simpson和Shannon,用于評(píng)估微生物的多樣性[15]。

使用Uparse軟件對(duì)所有樣品的全部有效數(shù)據(jù)在97%相似度水平下進(jìn)行聚類(lèi),獲得Operational Taxonomic Units(OTU),統(tǒng)計(jì)各個(gè)土壤樣品每個(gè)OTU中的豐度信息。使用Qiime 1.9.1軟件計(jì)算兩種林分土壤細(xì)菌、真菌群落的Alpha多樣性指數(shù)值。使用R 3.5.1進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,麻櫟-刺槐混交林和麻櫟純林分解過(guò)程中土壤微生物優(yōu)勢(shì)類(lèi)群間的差異采用單因素方差分析；采用T檢驗(yàn)分析微生物菌群豐富度指數(shù)和菌群多樣性指數(shù)值在麻櫟-刺槐混交林和麻櫟純林之間的差異；對(duì)麻櫟-刺槐混交林和麻櫟純林凋落物的分解速率與土壤微生物菌群豐富度指數(shù)和菌群多樣性指數(shù)值之間的相關(guān)性進(jìn)行Spearman相關(guān)分析。其余相關(guān)圖的制作使用R 3.5.1的“ggplot2”包完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 麻櫟-刺槐混交林和麻櫟純林凋落物分解動(dòng)態(tài)特征

圖1 麻櫟-刺槐混交林和麻櫟純林凋落物分解過(guò)程中的質(zhì)量損失量動(dòng)態(tài)變化Fig.1 Dynamics changes of mass loss during litter decomposition of QR and QAC圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=3)

在凋落物分解期間(2019年5月至2020年1月),麻櫟-刺槐混交林和麻櫟純林凋落物質(zhì)量損失量均表現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)(圖1)。麻櫟-刺槐混交林凋落物質(zhì)量損失量在0—90 d逐漸增大,此后逐漸降低,累積質(zhì)量損失6.32 g；麻櫟純林凋落物質(zhì)量損失在0—120 d逐漸增大,120 d后逐漸降低,累積質(zhì)量損失6.21 g。麻櫟-刺槐混交林凋落物質(zhì)量損失量在0—150 d高于麻櫟純林凋落物質(zhì)量損失量,此后低于麻櫟純林。

麻櫟-刺槐混交林和麻櫟純林凋落物質(zhì)量殘留率與分解時(shí)間符合Olson負(fù)指數(shù)模型(圖2)。麻櫟-刺槐混交林凋落物分解速率高于麻櫟純林的,麻櫟-刺槐混交林凋落物分解速率0.70,分解240 d后質(zhì)量殘留率為60.2%,分解50%所需時(shí)間為0.99 a,分解95%所需時(shí)間為4.28a；麻櫟純林凋落物分解速率0.62,分解240 d后質(zhì)量殘留率62.8%,分解50%所需時(shí)間為1.12 a,分解95%所需時(shí)間為4.83 a。

圖2 麻櫟-刺槐混交林和麻櫟純林凋落物殘留率與時(shí)間的Olson負(fù)指數(shù)回歸關(guān)系Fig.2 Olson negative index regression relation between litter residues and time of QR and QAC

在凋落物分解過(guò)程中,凋落物的TOC、TN、TP濃度在麻櫟-刺槐混交林和麻櫟純林之間存在差異(圖3)。麻櫟-刺槐混交林凋落物TOC濃度低于麻櫟純林的,麻櫟純林平均TOC濃度是麻櫟-刺槐混交林的1.2倍,并且兩種林分TOC濃度總體呈波動(dòng)降低的趨勢(shì)(圖3)。麻櫟-刺槐混交林凋落物TN濃度高于麻櫟純林的,麻櫟-刺槐混交林凋落物平均TN濃度是麻櫟純林的1.2倍,兩種林分TN濃度總體呈波動(dòng)升高趨勢(shì)(圖3)。麻櫟-刺槐混交林凋落物TP濃度高于麻櫟純林的,麻櫟-刺槐混交林凋落物TP濃度是麻櫟純林的1.1倍,兩種林分TP濃度在0—120 d逐漸升高,此后至240 d逐漸降低(圖3)。

圖3 麻櫟-刺槐混交林和麻櫟純林凋落物分解過(guò)程中TOC、TN、TP濃度變化特征Fig.3 Dynamics of TOC, TN and TP concentrations during litter decomposition of QR and QAC圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=3)

在凋落物分解240 d后,麻櫟-刺槐混交林和麻櫟純林凋落物TOC、TN、TP均發(fā)生凈釋放,且麻櫟-刺槐混交林釋放率高于麻櫟純林(表2)。麻櫟-刺槐混交林和麻櫟純林凋落物TOC釋放率表現(xiàn)為逐漸增大的趨勢(shì),在分解第240 d時(shí)釋放率達(dá)到最大值,分別為47.4%和46.3%。TN釋放率在麻櫟-刺槐混交林凋落物中表現(xiàn)為逐漸增加的趨勢(shì),在240 d達(dá)到最大值,為26.3%；TN釋放率在麻櫟純林凋落物中表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢(shì),在120 d時(shí)達(dá)到最大值,為22.8%。TP在麻櫟-刺槐混交林和麻櫟純林凋落物中表現(xiàn)出先積累后釋放的趨勢(shì),麻櫟-刺槐混交林發(fā)生積累的時(shí)間比麻櫟純林的長(zhǎng),并且均在240 d時(shí)達(dá)到最大值。

表2 麻櫟-刺槐混交林和麻櫟純林凋落物分解過(guò)程中TOC、TN、TP釋放率變化特征 (平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

2.2 麻櫟-刺槐混交林和麻櫟純林凋落物分解過(guò)程中土壤微生物群落變化特征

土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化主要是優(yōu)勢(shì)類(lèi)群的變化引起的[16],因此,本試驗(yàn)只對(duì)土壤細(xì)菌和真菌優(yōu)勢(shì)類(lèi)群進(jìn)行重點(diǎn)分析。在麻櫟-刺槐混交林和麻櫟純林凋落物的分解過(guò)程中,土壤細(xì)菌優(yōu)勢(shì)類(lèi)群為放線菌門(mén)(Acidobacteria)、變形菌門(mén)(Proteobacteria)、酸桿菌門(mén)(Actinobacteria)和疣微菌門(mén)(Verrucomicrobia)(圖4)。兩種林分四種細(xì)菌優(yōu)勢(shì)類(lèi)群相對(duì)含量之間存在顯著差異(P<0.05),放線菌門(mén)的相對(duì)含量顯著高于變形菌門(mén)、酸桿菌門(mén)和疣微菌門(mén)。土壤細(xì)菌優(yōu)勢(shì)類(lèi)群的相對(duì)含量在麻櫟-刺槐混交林和麻櫟純林之間存在顯著差異(P<0.05),麻櫟-刺槐混交林的放線菌門(mén)、變形菌門(mén)和疣微菌門(mén)的相對(duì)含量高于麻櫟純林,酸桿菌門(mén)相對(duì)含量低于麻櫟純林。土壤真菌優(yōu)勢(shì)類(lèi)群為擔(dān)子菌門(mén)(Basidiomycota)、子囊菌門(mén)(Ascomycota)和被孢霉門(mén)(Moritierellomycota)(圖4)。兩種林分3種真菌優(yōu)勢(shì)類(lèi)群相對(duì)含量之間存在顯著差異,擔(dān)子菌門(mén)的相對(duì)含量顯著高于子囊菌門(mén)和被孢霉門(mén)(P<0.05)。土壤真菌優(yōu)勢(shì)類(lèi)群的相對(duì)含量在麻櫟-刺槐混交林和麻櫟純林間存在顯著差異(P<0.05)。麻櫟-刺槐混交林中擔(dān)子菌門(mén)的相對(duì)含量高于麻櫟純林的,兩種林分土壤擔(dān)子菌門(mén)的相對(duì)含量為70.4%—85.1%和41.9%—64.2%；麻櫟-刺槐混交林土壤子囊菌門(mén)的相對(duì)含量顯著低于麻櫟純林的(P<0.05),兩種林分土壤子囊菌門(mén)的相對(duì)含量為6.6%—8.0%和24.5%—29.8%；麻櫟-刺槐混交林被孢霉門(mén)的相對(duì)含量顯著高于麻櫟純林,其土壤被孢霉門(mén)的相對(duì)含量為1.4%—2.8%和1.5%—3.9%。

圖4 麻櫟-刺槐混交林和麻櫟純林凋落物分解過(guò)程中土壤細(xì)菌和真菌優(yōu)勢(shì)類(lèi)群相對(duì)含量變化Fig.4 Relative content changes of soil bacterial and fungal dominant communities during litter decomposition of QR and QACQR：麻櫟-刺槐混交林Mixed Quercus acutissima Carruth. and Robinia pseudoacacia L. forest; QAC：麻櫟純林Pure Quercus acutissima Carruth forest; QR1、QR2、QR3分別代表麻櫟-刺槐混交林凋落物初次放置、分解120、240 d時(shí)土壤微生物取樣,QAC1、QAC2、QAC3分別代表麻櫟純林凋落物初次放置、分解120、240 d時(shí)土壤微生物取樣;圖中數(shù)據(jù)為樣本平均值(n=3)

在麻櫟-刺槐混交林凋落物分解過(guò)程中,微生物菌群豐富度指數(shù)和菌群多樣性指數(shù)發(fā)生顯著變化(表3)。細(xì)菌菌群豐富度指數(shù)(Chao1指數(shù)和ACE指數(shù))呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),在分解120 d時(shí)達(dá)到最大值,在分解240 d時(shí)顯著降低。細(xì)菌菌群多樣性指數(shù)(Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù))均呈先增大后減小的趨勢(shì),在分解240 d時(shí)顯著降低。真菌菌群豐富度指數(shù)呈先減小后增大的趨勢(shì),在初次放置時(shí)達(dá)到最大值,此時(shí)顯著高于凋落物初分解120、240 d時(shí),分解中期達(dá)到最小值。真菌菌群多樣性指數(shù)呈逐漸減小的趨勢(shì),但在不同分解時(shí)間差異不顯著。

在麻櫟純林凋落物分解過(guò)程中,微生物菌群豐富度指數(shù)和菌群多樣性指數(shù)發(fā)生顯著變化(表3)。細(xì)菌菌群豐富度指數(shù)呈先增加后減小的趨勢(shì),不同分解時(shí)間存在顯著差異,在分解120 d時(shí)達(dá)到最大值,分解240 d時(shí)達(dá)到最小值。細(xì)菌菌群多樣性指數(shù)呈先增大后減小的趨勢(shì),在分解240 d時(shí)顯著降低。真菌豐富度指數(shù)呈逐漸減小的趨勢(shì),凋落物初次放置時(shí)顯著高于分解120、240 d,在分解240 d時(shí)達(dá)到最小值。真菌多樣性指數(shù)呈先減小后增加的趨勢(shì),凋落物初次放置時(shí)顯著高于分解120、240 d。

麻櫟-刺槐混交林土壤微生物菌群豐富度指數(shù)和菌群多樣性指數(shù)變化范圍小于麻櫟純林(表3)。麻櫟-刺槐混交林細(xì)菌Chao1和ACE指數(shù)的最大值是最小值的2.2倍和2.1倍,麻櫟純林細(xì)菌Chao1和ACE指數(shù)最大值是最小值的3.0倍和2.9.倍；麻櫟-刺槐混交林細(xì)菌Shannon和Simpson指數(shù)的最大值是最小值的1.1倍和1.0倍,麻櫟純林細(xì)菌Shannon和Simpson指數(shù)最大值是最小值的1.3倍和1.0倍。麻櫟-刺槐混交林真菌Chao1和ACE指數(shù)最大值均是最小值的1.1倍,麻櫟純林真菌Chao1和ACE最大值均是最小值的1.5倍；麻櫟-刺槐混交林真菌Shannon和Simpson指數(shù)最大值是最小值的1.1倍和1.0倍,麻櫟純林細(xì)菌Shannon和Simpson指數(shù)最大值是最小值的1.3倍和1.1倍。

表3 麻櫟-刺槐混交林和麻櫟純林土壤細(xì)菌、真菌菌群豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

2.3 麻櫟-刺槐混交林和麻櫟純林凋落物分解速率與土壤微生物多樣性的關(guān)系

試驗(yàn)觀測(cè)時(shí)間為2019年5月—2020年1月。為研究?jī)煞N林分凋落物分解速率與土壤微生物多樣性的關(guān)系,以2019年5—7月,2019年8—10月,2019年11月到2020年1月的凋落物月平均質(zhì)量損失量分別代表3次土壤微生物取樣時(shí)凋落物的分解速率,然后與土壤微生物菌群豐富度指數(shù)、菌群多樣性指數(shù)值之間進(jìn)行Spearman 相關(guān)分析。結(jié)果表明,兩種林分凋落物分解速率與細(xì)菌菌群豐富度指數(shù)(Chao1和ACE指數(shù))呈顯著正相關(guān),與細(xì)菌菌群多樣性指數(shù)(Shannon和Simpson指數(shù))呈顯著正相關(guān)(表4)。兩種林分凋落物分解速率與真菌菌群豐富度指數(shù)(Chao1和ACE指數(shù))呈顯著正相關(guān),與真菌菌群多樣性指數(shù)(Shannon和Simpson指數(shù))呈正相關(guān)但未達(dá)到顯著水平。

表4 麻櫟-刺槐混交林和麻櫟純林凋落物分解速率與土壤微生物菌群豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)的相關(guān)系數(shù)

3 討論

3.1 麻櫟-刺槐混交林和麻櫟純林凋落物分解過(guò)程中元素遷移特征

在凋落物分解過(guò)程中會(huì)伴隨著元素含量的變化,這與凋落物類(lèi)型、分解環(huán)境、分解時(shí)間以及元素本身的特點(diǎn)有關(guān)[17-18]。碳是組成植物干物質(zhì)的重要元素,凋落物分解后,碳一部分會(huì)被植物根系吸收后重新利用,一部分會(huì)固定在土壤團(tuán)聚體中[19]。本研究發(fā)現(xiàn),在凋落物分解過(guò)程中,麻櫟-刺槐混交林和麻櫟純林凋落物的TOC濃度整體呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)(圖3),而且TOC殘留率小于100%(表2)。這是因?yàn)樵诘蚵湮锓纸獬跗?由于可溶性物質(zhì)的淋溶作用,凋落物TOC含量會(huì)迅速減少；隨分解的進(jìn)行,大分子有機(jī)物逐漸降解為小分子有機(jī)物,并被微生物和土壤動(dòng)物等吸收轉(zhuǎn)換,凋落物TOC含量繼續(xù)減少,所以TOC在整個(gè)分解過(guò)程中表現(xiàn)出凈釋放[20]。

氮是植物氨基酸、蛋白質(zhì)、核酸的重要組成元素,凋落物中的氮元素通過(guò)土壤微生物的氨化和硝化作用轉(zhuǎn)化成可被植物吸收的NH4+和NO3-,引起凋落物TN含量發(fā)生變化[21]。在本研究中,麻櫟-刺槐混交林和麻櫟純林凋落物TN濃度隨分解的進(jìn)行表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)(圖3),但是TN含量表現(xiàn)為凈釋放(表2)。凋落物TN的釋放或積累與凋落物中TN濃度有關(guān),在TN濃度滿足微生物生長(zhǎng)時(shí)表現(xiàn)為凈釋放,反之,表現(xiàn)為凈積累[22]。本研究中,麻櫟-刺槐混交林凋落物TN平均濃度為16.6 g/kg,麻櫟純林凋落物TN平均濃度為13.6 g/kg,兩種林分的凋落物TN濃度均高于全球平均水平10.9 g/kg[23],認(rèn)為凋落物TN濃度處于較高水平,可以滿足微生物正常生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖的需求,微生物物會(huì)不斷分解凋落物中的含氮有機(jī)物,所以TN表現(xiàn)為凈釋放[20]。

磷是組成植物遺傳物質(zhì)的重要元素,磷的釋放和積累對(duì)維持植物正常的生長(zhǎng)代謝具有重要意義[24]。本研究發(fā)現(xiàn),凋落物分解過(guò)程中,麻櫟-刺槐混交林和麻櫟純林凋落物TP濃度表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)(圖3),TP在前期表現(xiàn)出凈積累的過(guò)程中,隨后表現(xiàn)出凈釋放的過(guò)程(表2)。這是因?yàn)樵诘蚵湮锓纸馇捌赥P濃度較低,還不能被微生物利用,所以會(huì)發(fā)生暫時(shí)的性積累。隨著分解的進(jìn)行,凋落物內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,TP濃度逐漸升高,此時(shí)凋落物內(nèi)的TP在微生物作用下被礦化,再表現(xiàn)出TP凈釋放[20,25]。

研究發(fā)現(xiàn),麻櫟-刺槐混交林凋落物TOC、TN、TP釋放率高于麻櫟純林(表2)。這是因?yàn)榛旖涣峙c純林相比,凋落物的分解環(huán)境往往會(huì)發(fā)生改變,使混交林土壤微生物群落具有較高的代謝強(qiáng)度和豐富度導(dǎo)致的[26]。李英花等[27]對(duì)落葉松人工混交林凋落物分解過(guò)程進(jìn)一步進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)落葉松和紅松混交林對(duì)凋落物養(yǎng)分釋放表現(xiàn)出促進(jìn)作用,這與本研究研究結(jié)果一致,她認(rèn)為混交林對(duì)凋落物養(yǎng)分釋放的影響與樹(shù)種組成和凋落物混合比例有關(guān)。因此,在今后的研究中應(yīng)加大不同混交樹(shù)種及混交比例對(duì)凋落物養(yǎng)分釋放影響的研究。

3.2 麻櫟-刺槐混交林和麻櫟純林土壤微生物多樣性變化分析

森林生態(tài)系統(tǒng)會(huì)因林分結(jié)構(gòu)、凋落物性質(zhì)、季節(jié)更替產(chǎn)生差異,這些差異可能會(huì)對(duì)土壤細(xì)菌和真菌群落多樣性產(chǎn)生影響[28]。表征土壤微生物多樣性常用的指標(biāo)有菌群豐富度指數(shù)(Chao1和ACE)和菌群多樣性指數(shù)(Shannon和Simpson)[29]。在麻櫟-刺槐混交林和麻櫟純林凋落物分解過(guò)程中,土壤微生物菌群豐富度指數(shù)和菌群多樣性指數(shù)發(fā)生顯著變化。土壤溫度的差異可能是導(dǎo)致土壤微生物群落結(jié)構(gòu)變化最重要的原因[30]。本試驗(yàn)土壤微生物三次采樣時(shí)間分別為2019年5月,2019年9月和2020年1月,土壤溫度在2019年9月最高,2020年1月最低。一般來(lái)說(shuō),每種微生物都有其生存的最適合溫度,土壤溫度的變化會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)、繁殖過(guò)程,進(jìn)而影響菌群豐富度和多樣性[31]。有研究表明,溫度在3—25℃范圍內(nèi),溫度升高后會(huì)使部分微生物群落代謝低溫時(shí)不能代謝的物質(zhì),增強(qiáng)微生物活性、菌群豐富度和多樣性[32]。另外,低溫可能會(huì)降低微生物膜脂質(zhì)流動(dòng)性,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)液冰凍、細(xì)胞破裂和死亡,從而降低微生物多樣性[33]。研究發(fā)現(xiàn),麻櫟-刺槐混交林土壤微生物菌群豐富度指數(shù)和菌群多樣性指數(shù)變化范圍小于麻櫟純林,這可能是混交林能為土壤微生物生長(zhǎng)提供更加穩(wěn)定的微生態(tài)環(huán)境引起的。王凌云等[34]對(duì)楓香-木荷混交林和馬尾松純林土壤微生態(tài)環(huán)境差異進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)香楓-木荷混交林對(duì)改善土壤微生物生存環(huán)境的改善效果更明顯。黃雅麗等[35]研究認(rèn)為混交林能從宏觀上改變植被類(lèi)型和林內(nèi)植被群落, 也從微觀上改變土壤微生物群落, 使混交林較純林更加穩(wěn)定,進(jìn)而為微生物生長(zhǎng)提供一個(gè)穩(wěn)定的微生態(tài)環(huán)境。

3.3 土壤微生物群落對(duì)麻櫟-刺槐混交林和麻櫟純林凋落物分解速率的影響

森林生態(tài)系統(tǒng)中,凋落物分解雖然受多種因子影響,但多是土壤微生物作用下對(duì)諸多生態(tài)因子綜合效應(yīng)的反應(yīng)[3]。在土壤微生物群落中,細(xì)菌數(shù)量最大,種類(lèi)最多,許多群落具有分解凋落物木質(zhì)素、半纖維素和纖維素的能力,細(xì)菌菌群豐富度和菌群多樣性會(huì)對(duì)凋落物的分解進(jìn)程產(chǎn)生影響[36]。研究發(fā)現(xiàn),凋落物分解速率與土壤細(xì)菌菌群豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)呈顯著正相關(guān)(表4),表明高的細(xì)菌豐富度和多樣性對(duì)凋落物分解具有促進(jìn)作用。許多學(xué)者對(duì)凋落物分解速率與細(xì)菌群落多樣性的關(guān)系進(jìn)行了研究,得出了類(lèi)似的結(jié)論。李俊等[37]對(duì)方枝柏和康定柳凋落物分解進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)凋落物分解速率與細(xì)菌菌群豐富度呈正相關(guān)。路穎等[16〗在研究泰山4種優(yōu)勢(shì)造林樹(shù)種凋落物分解對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響時(shí),發(fā)現(xiàn)凋落物分解速率與細(xì)菌菌群多樣性指數(shù)具有很大的相關(guān)性。土壤真菌是土壤微生物的另一大類(lèi),本研究中麻櫟-刺槐混交林和麻櫟純林凋落物的分解速率與真菌菌群豐富度指數(shù)呈顯著正相關(guān),表明真菌菌群豐富度影響凋落物的分解速率。真菌的營(yíng)養(yǎng)方式為分解吸收式,在凋落物分解過(guò)程中能夠產(chǎn)生大量促進(jìn)凋落物分解的酶,進(jìn)而有效促進(jìn)凋落物的分解[38]。

混交林作為一種常見(jiàn)的營(yíng)林類(lèi)型,能夠改善森林群落結(jié)構(gòu),增強(qiáng)森林生態(tài)服務(wù)功能,會(huì)對(duì)凋落物有機(jī)碳、全氮、全磷以及土壤溫度、土壤水分等方面產(chǎn)生一些獨(dú)特的變化,這會(huì)對(duì)土壤微生物多樣性產(chǎn)生影響,進(jìn)而會(huì)影響凋落物的分解速率[39-40]。大多數(shù)研究認(rèn)為,混交林與純林相比,往往能增加環(huán)境異質(zhì)性和為微生物提供多樣性的食物,從而增加土壤微生物多樣性,提高凋落物分解速率[41]。但Hooper等[42]研究發(fā)現(xiàn),一些凋落物混合會(huì)與微生物發(fā)生拮抗作用,降低微生物多樣性,對(duì)分解起抑制作用。而Nielsen等[43]研究發(fā)現(xiàn),混交林對(duì)土壤微生物多樣性并無(wú)直接影響,對(duì)分解速率的影響不明顯。研究發(fā)現(xiàn),麻櫟-刺槐混交林凋落物分解速率高于麻櫟純林,這可能與凋落物質(zhì)量差異引起的土壤微生物菌群豐富度和多樣性的差異有關(guān)。一般認(rèn)為,當(dāng)初始C/N高于30時(shí),隨C/N的增高,氮元素會(huì)成為限制性因素,凋落物的微生物分解過(guò)程因受抑制而減慢[44]。本研究中,凋落物初始C/N在麻櫟-刺槐混交林中為31.3,麻櫟純林中為39.5,麻櫟-刺槐混交林較低的C/N會(huì)為微生物生長(zhǎng)和繁殖創(chuàng)造有利條件,增加土壤微生物多樣性[45]。與麻櫟純林相比,麻櫟-刺槐混交林可溶性氮源種類(lèi)及含量更加豐富,能為土壤微生物提供較為豐富和多樣的食物,增加土壤微生物多樣性,提高凋落物分解速率[46]。

4 結(jié)論

兩種林分土壤微生物優(yōu)勢(shì)類(lèi)群相同,細(xì)菌優(yōu)勢(shì)類(lèi)群為放線菌門(mén)、變形菌門(mén)、酸桿菌門(mén)和疣微菌門(mén),真菌優(yōu)勢(shì)類(lèi)群為擔(dān)子菌門(mén)、子囊菌門(mén)和被孢霉門(mén)。凋落物分解過(guò)程中,麻櫟-刺槐混交林土壤微生物菌群豐富度指數(shù)和菌群多樣性指數(shù)變化范圍小于麻櫟純林。

麻櫟-刺槐混交林凋落物分解速率高于麻櫟純林,土壤微生物多樣性對(duì)凋落物分解速率具有重要影響。凋落物分解速率與土壤細(xì)菌菌群豐富度指數(shù)和菌群多樣性指數(shù)呈顯著正相關(guān),與土壤真菌菌群豐富度指數(shù)呈顯著正相關(guān)。