毛竹林和杉木林对亚热带典型植被土壤微生物的影响.pdf

山东农业大学学报(自然科学版),2023,54(3):391-396VOL.54 NO.3 2023Journal of Shandong Agricultural University(Natural Science Edition)doi:10.3969/j.issn.1000-2324.2023.03.009毛竹林和杉木林对亚热带典型植被土壤微生物毛竹林和杉木林对亚热带典型植被土壤微生物的的影响影响马翠霞南阳理工学院,河南 南阳 473000摘摘 要要:人工林长期连续栽种会出现“连栽障碍”现象，会导致地力衰退和生产力下降等问题产生。与杉木、杨树和落叶松等人工林相比，毛竹林在长期连栽时并未产生“连栽障碍”问题。本文旨在分析人工林对亚热带典型植被土壤微生物影响。以浙江省天目山为研究区域，选取发育于同一母岩的毛竹林和杉木林土壤为研究对象，以阔木林土壤为研究对照开展土壤理化性质分析、土壤 DNA 测定、PCR 扩增和 Illumina 高通量测序分析。研究发现，毛竹林土壤内细菌和真菌群落具有较高的多样性和丰富度，分布比较均匀。而杉木林土壤内细菌和真菌群落具有多样性较低、存在单一优势物种，分布不太均匀。毛竹林土壤内丰富的有效磷、速效钾和 pH值是土壤微生物丰富的主要原因。而杉木林土壤内碱解氮和有机质影响了土壤的健康土，是形成有害土壤微生物的主要原因。关键词关键词:毛竹林;杉木林;土壤微生物中图法分类号中图法分类号:S155.4+8文献标识码文献标识码:A文章编号文章编号:1000-2324(2023)03-0391-06The Influence of Moso Banboo Forest and Chinese Fir Forest onSoil Microorganisms of Typical Subtropical VegetationMA Cui-xiaNanyang Institute of Technology,Nanyang 473000,ChinaAbstract:Long-term continuous planting of plantations will cause continuous planting disorder,which will lead to thedecline of soil fertility and productivity and other problems.Compared with the artificial forests such as Chinese fir,poplarand larch,continuous planting disorder did not occur on Moso banboo forest.This article aims to analyze the effects ofplantation on soil microorganisms in typical subtropical vegetation.It selected Tianmu Mountain in Zhejiang Province as theresearch area,choosing Moso bamboo forest and Chinese fir forest soil collected from the same parent rock were selected asthe research objects,and Broad-leaved forest as compariong group.It conducted the soil physicochemical properties analysis,DNA determination analyses,PCR amplification and Illumina high-throughput sequencing analysis.It was found that thebacterial and fungal communities in the Moso bamboo forest soil had high diversity and richness and relatively uniformdistribution.However,the bacterial and fungal communities in Chinese fir forest soil have low diversity,a single dominantspecies and less uniform distribution.The abundant effective phosphorus,quick potassium and pH in Moso bamboo soil arethe main causes of soil microorganisms.The alkali and nitrogen lysis and organic matter affect the healthy soil,which is themain reason for the formation of harmful soil microorganisms.Keywords:Moso banboo forest;Chinese fir forest;soil microorganism森林资源对于保持良好生态环境、提升人民群众幸福感具有直接作用，是发展国民经济不可缺少的重要资源和物质基础。当长期连续在土壤固定种植某一作物，会导致土壤微生物群落产生改变，从而发生植物病害和“连栽障碍”1。“连栽障碍”大多出现在人工林长期连栽时，如北方的落叶松、灰楸和水曲柳等，以及南方的杉木、杨树和桉树等，且会导致地力衰退和生产力下降等。然而，同为人工林的毛竹林（Moso banboo forest）在长期连栽时并未产生类似问题2。由此可知，不同的人工林对土壤的影响或存在一定差异，通过植物代谢可能对土壤微生物产生不同的影响。而土壤生物学肥力可用于分析土壤的健康情况，通过分析土壤微生物变化可以明确不同植物对土壤的长期影响3。毛竹林和杉木林（Chinese fir forest）分布于同一气候带。比较和分析毛竹林和杉木林以及定植于相同的阔叶林（Broad-leaved forest）土壤微生物变化，能够进一步探寻人工林对亚热带典型植被土壤微生物影响，从而降低“连栽障碍”可能产生的综合影响。收稿日期收稿日期:2023-01-05修回日期修回日期:2023-03-06作者简介作者简介:马翠霞(1980-),女,硕士研究生,讲师,主要从事园林绿化、环境设计研究.E-mail:392山东农业大学学报(自然科学版)第 54卷1研究方研究方法法1.1研究区域研究区域本研究选取浙江省杭州市西北部临安区的天目山，经度范围 1192411-11928 21，纬度范围301830-302455。当地属亚热带季风气候，年平均气温 14，平均降水量 1 400 mm。选取的土壤类型为发育于同一母岩的黄红壤亚类。人工林类型为毛竹林（Moso banboo forest，MB）和杉木林（Chinese fir forest，CF），自然林类型为定植于相同土壤的阔叶林（Broad-leaved forest，BL）。1.2样品采集样品采集本研究于 2022 年 10 月于天目山植被保存较好的山腰部分选取土壤样品采集点。每种森林类型选择 4 个样地进行采集。使用三角采样法在 10 m2范围土壤内选取 3 个采样点，土壤深度为 020cm，共计获得 12 个土壤样本。土壤自然风干后，使用 2 mm圆孔筛对样本进行过筛。1.3样本测定及分析方法样本测定及分析方法1.3.1 土壤理化性质测定 土壤理化分析方法将采用鲁如坤的土壤农业化学分析方法测定4。pH 值将制作 5:1（mL:g）的土壤悬浮液并使用玻璃电极测定。微量元素的测定将元素分析仪测定，包括有机碳（SOC）和全氮（TN）（干式氧化法）；碱解氮（AN）（碱解扩散法）；有效磷（AP）（钼锑抗比色法）；以及速效钾（AK）（火焰光度计法）。1.3.2 土壤 DNA 测定 土壤 DNA 的测定选择美国 MP 116560200 土壤 DNA 提取试剂盒（FastDNASPIN Kit For Soil 50T）。使用分光光度计测量土壤 DNA 的质量。同时，使用琼脂糖凝胶电泳测量土壤 DNA 数量。1.3.3 PCR 扩增和 Illumina 高通量测序分析 采用 XUN 等（2016）方法对样本的细菌 V3-V4 区进行PCR 扩增5。采用 TOJU 等方法对样本的真菌 ITS 序列进行 PCR 扩增6。使用 PureLink快速凝胶提取试剂盒对样本进行纯化并进行扩增子的高通量测序。为了比较不同土壤样本中微生物的多样性，才对最小序列的样品中 OTU 数均一化处理，使用 Mothur 软件函数计算后获得微生物群落的多样性。1.3.4 数据分析方法 本研究的全部数据均采用 SPSS 20 软件进行统计学分析。包括单因素方差分析、（one-way ANOVA）、数据显著性检验（Duncans 函数）以及距离矩阵的 PCoA 分析等。2结果与分析结果与分析2.1不同森林土壤理化性质分析结果不同森林土壤理化性质分析结果尽管 3 种森林土壤发育于同一母岩，但土壤理化性质分析结果存在一定的差异（结果见表 1）。阔叶林土壤中有机碳、全氮和碱解氮要显著高于毛竹林和杉木林（P0.05）。毛竹林的速效钾和pH 值显著高于阔叶林和杉木林（P0.05）、有效磷极显著高于阔叶林和杉木林（P0.01）。除 pH值外，杉木林的全部理化指标均显著低于其他 2 种森林。除碱解氮之外，不同森林均对土壤中有机碳、全氮、速效钾、有效磷和 pH值具有显著影响（P0.05）。表表 1 不同森林土壤理化性质分析结果（均值不同森林土壤理化性质分析结果（均值标准差）标准差）Table 1 Analysis results of soil physicochemical properties of different forests(Mean standard deviation种类Type有机碳SOC(g kg-1)全氮TN碱解氮AN速效钾AK有效磷APpH阔叶林21.811.02*1.850.29*40.285.34*97.2414.68*5.840.29*4.310.02*毛竹林17.873.54*1.690.05*33.144.85*112.1112.64*6.221.69*4.640.08*杉木林15.391.62*1.410.22*30.026.05*76.296.32*2.770.47*4.630.04*显著性0.031*0.042*0.1110.026*0.002*0.001*注：*表示 0.01P0.05，*表示 P0.01。下同。Note:*indicated 0.01P0.05，*indicated P0.01.The same as follows.第 3 期马翠霞:毛竹林和杉木林对亚热带典型植被土壤微生物的影响3932.2不同森林土壤细菌微生物分析不同森林土壤细菌微生物分析2.2.1 细菌多样性的分析结果 基于不同森林土壤微生物 OTU 水平上细菌多样性指数，能够分析土壤微生物群落的多样性。其中，Shannon 指数反应土壤群落细菌的丰富度，该数值越高则细菌群落的多样性越高。Simpson 指数反映了细菌群落的均匀度。Chao 1 指数反映了细菌群落的丰富度，该指数越高则表明实际存在的细菌种数越多。Bergerparker 指数反映了细菌优势物种多样性，该指数越高则表明实际存在的优势物种多样性越高。根据分析结果（见表 2），毛竹林的 Shannon 指数要显著高于阔木林和杉木林（P0.05），杉木林的 Simpson 指数极显著高于阔木林和毛竹林（P0.01），毛竹林的 Chao 1 指数显著高于杉木林和阔木林（P0.05），杉木林的 Bergerparker 指数显著高于毛竹林和阔木林（P0.05）。表表 2 不同森林土壤微生物不同森林土壤微生物 OTU 水平上细菌水平上细菌多样性结果（均值多样性结果（均值标准差）标准差）Table 2 Results of bacterial diversity at microbial OTU levels in different forest soils(Mean standard deviation)种类TypeShannonSimpsonChao 1Bergerparker阔叶林5.690.12*0.00960.0023*1645.9739.24*0.0330.006*毛竹林5.890.11*0.0086+0.0018*1886.2579.27*0.0440.015*杉木林5.56+0.10*0.01210.0023*1810.71124.09*0.0530.006*2.2.2 细菌物种组成的分析 细菌物种组成的分析结果见表 3。可以发现，3 种森林土壤细菌物种组成呈现出相似的分类情况。酸杆菌门（Acidobacteria）均占据 3 种森林土壤的 30%以上。阔叶林的细菌数量要高于杉木林和毛竹林。变形杆菌门（Proteobacteria）为第二优势门属，3 种森林土壤细菌平 均 含 量 相 近 为 24%。另 外，3 种 森 林 土 壤 在 绿 弯 菌 门（Chloroflexi）、疣 微 菌 门（Verrucomicrobia）和芽单胞菌门（Gemmatimonadetes）存在显出差异。杉木林的绿弯菌门（Chloroflexi）含量要显著大于毛竹林和阔叶林（P0.05）。阔叶林的疣微菌门（Verrucomicrobia）和芽单胞菌门（Gemmatimonadetes）含量要极显著高于毛竹林和杉木林（P0.01）。表表 3 不同森林土壤细菌门属及组间显著比较结果不同森林土壤细菌门属及组间显著比较结果Table 3 Phylum of bacteria and significant comparisons between groups in different forest soils分类Classification阔叶林Broad-leaved forest毛竹林Moso banboo forest杉木林Chinese fir forest酸杆菌门 Acidobacteria0.38170.33000.3449变形杆菌门 Proteobacteria0.24310.24910.2317绿弯菌门 Chloroflexi0.1570*0.1672*0.2444*放线菌门 Actinobacteria0.07700.13150.0606浮霉状菌门 Planctomycetes0.03600.02320.0166疣微菌门 Verrucomicrobia0.0354*0.0180*0.0165*WPS-20.01670.01670.0147芽单胞菌门 Gemmatimonadetes0.0770*0.0191*0.0160*髌骨细菌门 Patescibacteria0.01240.01230.0087拟杆菌门 Bacteroidetes0.00910.01260.00902.2.3 细菌群落结构差异和环境因子的分析 对细菌群落结构差异进行 PCoA 分析（见图 1a），结果发现 3 个森林细菌群落结构存在明显差异。毛竹林土壤细菌群落分布在 PCoA1 正轴，阔叶林分布在 PCoA2 正轴，而杉木林分布在 PCoA2 负轴。同时，对环境因子进行 RDA 分析（见图 1b），结果发现毛竹林土壤对于有效磷、速效钾和 pH 值均为正响应、阔叶林土壤对全氮、碱解氮和有机质均为正响应，而杉木林土壤对全部理化指标负响应。土壤 pH 值对 3 个森林细菌群落影响极显著（P0.01），速效钾对 3 个森林细菌群落影响显著（P0.05）。394山东农业大学学报(自然科学版)第 54卷图图 1 土壤细菌群落土壤细菌群落 PCoA（a）和）和 RDA（b）分析结果）分析结果Fig.1 Results of the PCoA(a)and RDA(b)analysis of soil bacterial communities2.3不同森林土壤真菌微生物分析不同森林土壤真菌微生物分析2.3.1 真菌多样性的分析结果 基于不同森林土壤微生物 OTU 水平上真菌多样性指数结果（见表4），可以发现毛竹林的 Shannon 指数要显著高于阔木林和杉木林（P0.05），杉木林的 Simpson指数显著高于阔木林和毛竹林（P0.05），毛竹林的 Chao 1 指数显著高于杉木林和阔木林（P0.05），杉木林的 Bergerparker 指数显著高于阔木林和毛竹林（P0.05）。表表 4 不同森林土壤微生物不同森林土壤微生物 OTU 水平上真菌水平上真菌多样性结果（均值多样性结果（均值标准差）标准差）Table 4 Results of fungi diversity at microbial OTU levels in different forest soils(Mean standard deviation)种类TypeShannonSimpsonChao 1Bergerparker阔叶林3.650.66*0.09410.1058*551.1430.42*0.2120.1859*毛竹林4.150.58*0.04220.0249*607.53151.43*0.1190.054*杉木林3.370.52*0.09930.0414*559.2879.27*0.2430.073*2.3.2 真菌物种组成的分析 真菌物种组成的分析结果见表 5。依据分析结果可知，表中的前五个门属囊括了 3 种森林土壤 99%以上的真菌物种。阔叶林和毛竹林构成类似，子囊菌门(Ascomycota)和担子菌门(Basidiomycota)物种组成分别为其第一优势门和第二优势门，且二者显著高于杉木林（P0.05）。子囊菌门(Ascomycota)和被孢霉门(Mortierellomycota)分别为杉木林的第一优势门和第二优势门。其被孢霉门(Mortierellomycota)物种组成显著高于毛竹林和阔叶林（P0.05）。真菌门(Fungi)和毛霉门(Mucoromycota)也存在一定的丰富差异，但未存在显著差异。表表 5 不同森林土壤真菌门属及组间显著比较结果不同森林土壤真菌门属及组间显著比较结果Table 5 Phylum of fungi and significant comparisons between groups in different forest soils分类Classification阔叶林Broad-leaved forest毛竹林Moso banboo forest杉木林Chinese fir forest子囊菌门 Ascomycota0.6829*0.6661*0.3776*被孢霉门 Mortierellomycota0.0404*0.0520*0.4468*担子菌门 Basidiomycota0.1368*0.2315*0.0975*真菌门 Fungi0.11420.03450.0339毛霉门 Mucoromycota0.01900.01040.03392.3.3 真菌群落结构差异和环境因子分析 对真菌群落结构差异进行 PCoA 分析（见图 2a），结果发现 3 个森林真菌群落结构存在明显差异。毛竹林土壤真菌群落分布在 PCoA1 正轴，阔叶林分布在PCoA2 正轴，而杉木林分布在 PCoA2 负轴。同时，对环境因子进行 RDA 分析（见图 2b），结果发现毛竹林土壤对于全氮、有效磷、速效钾和 pH 值均为正响应、阔叶林土壤和杉木林土壤对碱解第 3 期马翠霞:毛竹林和杉木林对亚热带典型植被土壤微生物的影响395氮和有机质均为正响应。土壤 pH 值对 3 个森林真菌群落影响极显著（P0.01），速效钾对 3 个森林真菌群落影响显著（P0.05）。图图 2 土壤真菌群落土壤真菌群落 PCoA（a）和）和 RDA（b）分析结果）分析结果Fig.2 Results of the PCoA(a)and RDA(b)analysis of soil fungi communities3讨讨 论论本研究选择的 3 种森林土壤发育于同一母岩，初始的土壤理化性质极为相近。其产生的不同变化以及土壤微生物的差异可视为源自不同种植植物的直接影响。经分析发现，毛竹林和杉木林的土壤理化性质及土壤微生物均与阔叶林的相关数值存在差异。从微生物多样性的角度分析，毛竹林土壤具有较高的微生物多样性和丰富度，以及较低的均匀度和优势物种多样性。杉木林土壤与毛竹林的情况正相反。这说明毛竹林土壤存在大量的稀有微生物种类，具有较高的丰富性。而杉木在生长期间对土壤微生物产生分异作用，抑制了部分微生物的繁殖生长，降低了微生物群落的多样性。宋贤冲等研究了退化人工林对土壤微生物群落功能多样性的影响，发现天然林的土壤微生物要高于毛竹林，而毛竹林则高于杉木林7。Ingwersen J 等研究发现，阔叶林土壤微生物要显著高于毛竹林和杉木林8。毛竹林的微生物多样性指数要大于杉木林，主要原因是由于根系的腐烂分解可能出现土壤有机质的增加，从而促进了微生物的生成。从微生物物种组成的角度分析，3 种森林土壤的优势门大致相同，但各自优势门排序各有不同。细菌物种组成方面，毛竹林的放线菌门（Actinobacteria）高于其他两种森林，其主要原因是其土壤pH 较高，放线菌门（Actinobacteria）更适于在微碱性环境生长。杉木林的绿弯菌门（Chloroflexi）含量要显著大于毛竹林和阔叶林，其主要原因是绿弯菌门（Chloroflexi）与土壤营养代谢具有较强的负相关性。这与王兰鸽等和 Allison SD 等的研究结果保持一致9,10。真菌物种组成方面，阔叶林和毛竹林的第一优势门和第二优势门为子囊菌门(Ascomycota)和担子菌门(Basidiomycota)。杉木林的第一优势门和第二优势门为子囊菌门(Ascomycota)和被孢霉门(Mortierellomycota)。杉木林被孢霉门(Mortierellomycota)比例要高于其他两种森林，主要原因是因为该菌群是“连栽障碍”发生时主要的有害属，与郭文等的研究结果保持一致11。在群落结构差异和环境因子方面，毛竹林土壤细菌和真菌群落特征与杉木林和阔叶林区别差距较大，其群落组成多样性显著高于杉木林。土壤 pH 值对 3 个森林细菌群落和真菌群落影响极显著（P0.01），速效钾对 3 个森林细菌群落和真菌群落影响显著（P0.05）。Kristin AMH 和施宇森等同样对人工林土壤和细菌群落及真菌群落开展分析，得出了与本研究结论一致的结果12,13。4结结 论论本研究主要以毛竹林和杉木林为例，分析了人工林对亚热带典型植被土壤微生物影响。并选取发育于同一母岩的阔叶林土壤作为参考。研究结果发现，毛竹林土壤内细菌和真菌群落具有较高的396山东农业大学学报(自然科学版)第 54卷多样性和丰富度，分布比较均匀。而杉木林土壤内细菌和真菌群落具有多样性较低、存在单一优势物种，分布不太均匀。毛竹林土壤内丰富的有效磷、速效钾和 pH值是土壤微生物丰富的主要原因。而杉木林土壤内碱解氮和有机质影响了土壤的健康土，是形成有害土壤微生物的主要原因。在未来将进一步扩大研究范围，探究 3 种植物随定植时间的增加，根区土壤分泌物和内生群落的变化规律，从而进一步丰富研究结果。参考文献参考文献1郭 肖,孔德章,黄本婷,等.农作物连作障碍产生机理与调控技术研究J.作物研究,2016,30(2):215-2202严淑娴,刘 茗,刘彩霞,等.毛竹纯林土壤微生物多样性高于杉木纯林J.土壤学报,2022(6):1-163汪亚芳,刘宗悦,张宝刚,等.入侵毛竹皆伐对亚热带森林土壤微生物生物量和酶活性的影响J.应用生态学报,2022,33(5):1233-12394鲁如坤.土壤农业化学分析方法M.北京:中国农业科技出版社,20005Xu N,Tan GC,Wang HY,et al.Effect of biochar additions to soil on Nitrogen leaching,microbial biomass andbacterial community structure J.European Journal of Soil Biology,2016,74:1-86Toju H,Tanabe AS,Yamamoto S,et al.High-coverage ITS primers for the DNA-based identification of ascomycetesand basidiomycetes in environmental samples J.Plos One,2012,7(7):e408637宋贤冲,王会利,秦文弟,等.退化人工林不同恢复类型对土壤微生物群落功能多样性的影响J.应用生态学报,2019,30(3):841-8488Ingwersen J,Poll C,Streck T,et al.Micro-scale modelling of Carbon turnover driven by microbial succession at abiogeochemical interface J.Soil Biology&Biochemistry,2008,40(4):864-8789王兰鸽,张前前,赵明水,等.毛竹和阔叶林凋落物浸提液对土壤微生物及氮矿化的影响J.农业生物技术学报,2023,31(5):1053-106310 Allison SD,Hanson C A,Treseder KK.Nitrogen fertilization reduces diversity and alters community structure of activefungi in boreal ecosystems J.Soil Biology&Biochemistry,2007,39(8):1878-188711 郭 文,高李文,彭紫薇,等.不同林龄杉木根际与非根际土壤微生物群落特征J.水土保持研究,2022,29(6):260-26712 Kristin AMH.The root microbiotaa fingerprint in the soil?J.Plant and Soil,2013,370(1):671-68613 施宇森,王杉杉,方 伟,等.基于 Meta 分析研究毛竹入侵致土壤 pH提升及养分和微生物群落结构的变化J.土壤学报,2023(2):1-17