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油松(Pinus tabulaeformis Carriere.)是我国华北地区典型的植被类型,适应性强,具有耐低温、干旱和瘠薄等特点[1]。由于经营管理不到位,人工营造的油松林存在生产力低下、生物多样性下降、稳定性差等问题。随着退化生态系统修复和恢复工程的实施,大面积的油松人工林质量得到改善,但对其恢复阶段和效果仍缺乏有效的评估。
土壤微生物种类在土壤生态系统养分循环和能量流动过程中起纽带作用[2-3],推动植物生长发育和群落演替[4]。对森林采取不同经营措施能够改变林下小气候[5],并通过影响林下植物群落,改变凋落物和根系分泌物的组成[6],对土壤微生物群落造成影响。土壤微生物多样性是增强微生物功能和生态系统稳定性的重要因素[5],对环境人为扰动非常敏感[7],研究表明不同土地利用方式及森林管理措施在一定程度上干扰了土壤环境[8],导致土壤微生物群落发生改变[9],采伐活动会对土壤微生物群落的结构、多样性和丰度造成不同程度的影响[10],有利于土壤真菌群落进行养分循环[11]。土壤微生物与植被形成相互作用的反馈体系,既受到地上植被类型的影响,又通过其自身性质的改变反作用于植被[12]。土壤微生物可以反映生态系统土壤理化性质和功能多样性的恢复程度,是反映植被恢复进展的重要参考指标[13],微生物群落的多样性水平与生态系统的结构、功能密不可分,其活性变化影响生态系统地球化学过程[10]。
目标树经营是以单株林木为对象,通过伐除干扰木为目标树提供更多生长空间[14],降低邻木冠层竞争,从而提高单株木质量的营林技术[15]。前人相关的研究很多,主要关注目标树生长变化[16-17]及目标树经营对林分生长与结构的影响机制[15]。目标树经营对油松人工林养分动态和土壤微生物群落的影响机制需进一步研究。本研究以山西省中条山结构调整前后的油松人工林为研究对象,其中一块进行了多次的目标树经营,每次经营力度约为25%,另一块则未进行相关的经营活动。探讨结构调整后油松人工林林下土壤养分及微生物群落结构的响应动态,梳理油松人工林土壤生态系统对结构调整的应对机制,有助于提高对人工林土壤生态恢复的认识,也为确定油松人工林的科学经营成效和提高油松人工林保护管理质量提供科学依据。
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中条山位于山西省西南部,地处34°38′~35°37′N,110°15′~112°37′,属太行山向南延伸的余脉,山体走向为北东-西南。该区属温暖带半湿润大陆性季风气候,年均温为10.3~14.3 ℃,1月均温为−8.5~4.6 ℃,七月均温为30.6~33.8 ℃,年均降水量为524.3~654.3 mm,多集中在7—9 月,无霜期190~229 d。油松人工林分布区土壤为淋溶褐土及山地褐土,土层较厚。主要森林植被类型有油松林、橿子栎(Quercus baronii Skan)林、侧柏(Platycladus orientalis Linn.)林、栓皮栎(Quercus variabilis Bl.)林、白桦(Betula platyphylla Suk.)林和辽东栎(Quercus wutaishanica Mary)林等。灌丛植被类型主要有三裂绣线菊(Spiraea trilobata L.)灌丛、酸枣(Ziziphus jujuba var. spinosa (Bunge) Hu ex H.F.Chow.)灌丛、连翘(Forsythia suspensa Thunb.)灌丛、黄栌(Cotinus coggygria Scop.)灌丛、荆条(Vitex negundo var. heterophylla (Franch.) Rehd.)灌丛等。草本植物群落主要蒿类(Artemisia spp.)草丛、白羊草(Bothriochloa ischaemum (L.) Keng)草丛、薹草(Carex spp.)草甸等。
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2018年选取中条山油松人工林作为研究对象,选取两块林龄相近,坡向、坡度和海拔等地形因子、土壤类型基本相似的林地作为研究对象,一块样地自2000年以来只选择并标记目标树和干扰树,未进行间伐作业,该样地作为对照样地(CK)。另一块样地自2000年起每4 年1 次,进行了多次目标树经营,目标树经营密度为300 株∙hm−2,该样地为经营样地(TZ)。经营样地内选取生长力旺盛、状态良好、干形饱满通直、没有机械损伤和病虫害的林木作为目标树,干扰树为冠层影响目标树生长的林木。间伐强度设计为25%,在间伐强度控制下,从干扰树中随机选择采伐木,12月进行间伐作业。
2018年6—8月在两个样地各设置3个20 m × 20 m的样方,共计6个样方。对2个样地进行基本状况调查,包括:平均树高、平均胸径、林龄、林分密度等。并进行土壤样本的采集。
样地编号
Sample plot No林龄
Age/a海拔
Elevation/m坡向
Aspect坡度
Slope/(º)郁闭度
Canopy/%林分密度
Density/(株∙hm−2)平均胸径
Averageof DBH/cm平均树高
Average of height/mCK 39 1997 S 30 0.75 2475 12.9 7.7 TZ 46 1985 S 28 0.72 675 15.3 8.3 注:S代表南,CK代表未进行结构调整的对照样地,TZ代表已进行结构调整的样地
Notes: S represents the south, CK represents the control plot without structural adjustment, TZ represents the plot with structural adjustmentTable 1. Basic information of Pinus tabulaeformis sample plot
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在每个样方内按照“S”形选取3个土壤采样点均匀混合采样,先去除土壤表面的凋落物,采集0~20 cm土壤样品。剔除根、石块等杂质混合土样,放入消毒无菌的自封袋,置于4 ℃冷藏箱保存并尽快带回实验室,过2 mm筛,一部分保存于−80 ℃冰箱中,用于土壤微生物多样性分析;另外一部分土壤样品自然风干,用于土壤理化性质分析。
有机质SOM含量采用重铬酸钾氧化-分光光度法测定;全氮TN含量采用凯氏定氮法测定(LY/T 1228-2015)[18];速效氮(AN)采用碱解扩散法测定;全磷(TP)和速效磷(Olsen-P)采用等离子发射光谱法(仪器名称 IRIS Intrepid Ⅱ XSP)测定,pH采用pH酸度计法(仪器名称HANNA pH 211酸度计)。
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利用MP-Fast DNA Spin kit for soil 试剂盒(Omega Biotek,Norcross,GA,U.S.)进行土壤DNA提取,DNA浓度和纯度利用NanoDrop2000进行检测,利用1%琼脂糖凝胶电泳检测DNA提取质量;细菌利用515F(GTGCCAGCMGCCGCGG) 和907R(CCGTCAATTCMTTTRAGTTT) 引物对V4-V5可变区进行PCR扩增,真菌利用ITS1(CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA)和ITS2(GCTGCGTTCTTCATCGATGC)引物进行PCR扩增,利用Miseq 2 × 250 bp测序(上海天昊生物科技有限公司)。
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基于OTU计算Chao1丰度指数,覆盖度(Coverage)和Shannon多样性指数。在门水平上统计每个样品的群落组成,进行主成分分析(PCA)。利用冗余分析(RDA)研究土壤化学指标与微生物群落关系。利用SPSS18.0软件,通过单因素方差分析(One-way analysis)对各样地之间的显著性差异进行分析,采用Pearson相关系数对微生物丰度和土壤理化性质进行相关性分析。
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对多次结构调整的油松人工林和CK样地的土壤理化性质进行测定,每个样地土壤理化性质以所有测定值的平均值表征。结果显示,与CK样地相比,多次结构调整后的油松人工林土壤化学性质差异显著(表2)。土壤有机质、全氮、碱解氮、Olsen-P、pH值均显著低于CK对照样地(p<0.05)。土壤C/N略高于对照样地,但差异不显著。由此可见,结构调整后油松人工林土壤养分较对照样地有所降低,但C/N值差异不大。
样地
Plots有机质
SOM/(g·kg−1)全氮
TN/(g·kg−1)全磷
TP/(g·kg−1)pH C/N 碱解氮
AN/(mg·kg−1)速效磷
Olsen-P/(mg·kg−1)CK 69.01 ± 4.00 a 3.35 ± 0.25 a 0.65 ± 0.13 a 7.15 ± 0.62 a 20.52 ± 0.45 a 285.93 ± 6.62 a 6.51 ± 0.35 a TZ 48.73 ± 7.05 b 2.26 ± 0.45 b 0.47 ± 0.15 a 6.47 ± 0.30 b 21.51 ± 1.65 a 180.38 ± 26.59 b 4.89 ± 0.18 b 注:表中数据为均值 ± 标准差(n=3),不同小写字母表示不同处理之间差异显著(p<0.05)
Notes: Different lowercase letters indicate significant differences between different treatments (p<0.05)Table 2. Physical and chemical properties of soil before and after structural adjustment
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对未进行结构调整的油松人工林对照样地CK进行采样,共采集到细菌涉及35门63纲76目(图1a),相对丰度大于1%的主要细菌门类有:变形菌门(Proteobacteria,29.5%)、酸杆菌门(Acidobacteria,21.14%)、放线菌门(Actinobacteria,14.74%)、浮霉菌门(Planctomycetes,5.87%)、拟杆菌门(Bacteroidetes,5.77%)、绿弯菌门(Chloroflexi,3.55%)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes,3.42%),candidate_division_WPS-1,2.06%、疣微菌门(Verrucomicrobia,1.84%)、匿杆菌门(Latescibacteria,1.11%)、厚壁菌门(Firmicutes,1.60%)、糖化细菌门螺旋体菌门(Candidatus_Saccharibacteria,1.59%)、装甲菌门(Armatimonadetes,1.44%)。另外,还检测到一些,如:迷踪菌门(Elusimicrobia)、衣原体门(Chlamydiae)、小基因组菌总门(Microgenomates)、俭菌总门(Parcubacteria)、Ignavibacteriae、BRC1、Cyanobacteria、硝化螺旋菌门(Nitrospirae)、Hydrogenedentes等,相对丰度之和为2.7%。其中相对丰度超过7%的门有变形菌门、放线菌门和酸杆菌门。
Figure 1. Histogram of species composition of soil bacterial species in Pinus tabulaeformis plantations after structural
结构调整后的油松林TZ样地中土壤微生物类群,经过数据质控和去除嵌合体,总共获得OTU17 262个,34门63纲78目,涉及主要的细菌门类为:变形菌门(30.03%)、酸杆菌门(21.8%)、放线菌门(12.88%)、拟杆菌门(5.5%)、浮霉菌门(5.27%)、绿弯菌门(3.88%)、芽单胞菌门(3.05%)、疣微菌门(2.12%)、(candidate_division_WPS-1,1.85%)、匿杆菌门(1.51%)、硝化螺旋菌门(1.02%)。另外,还检测到一些,如:糖化细菌门螺旋体菌门、厚壁菌门、装甲菌门、衣原体门、俭菌总门、迷踪菌门、衣原体门、迷踪菌门、Ignavibacteriae、杂食菌门(Omnitrophica)等,相对丰度之和为2.08%。其中相对丰度超过7%的门有变形菌门、放线菌门和酸杆菌门。结构调整后样地细菌类群和对照样地一样,主要由这三个菌门的细菌构成(图1a)。
由图2(a)可以看出,进行结构调整后,土壤微生物类群发生一定的变化,在门水平上,TZ样地的土壤细菌变形菌门、酸杆菌门要高于对照样地,而TZ样地的放线菌门、浮霉菌门、拟杆菌门要低于对照样地CK。
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油松人工林未进行结构调整的CK对照样地,共采集到真菌涉及14门42纲111目(图1b),CK油松纯林中的主要真菌门类为:子囊菌门(Ascomycota,51.7%)、担子菌门(Basidiomycota,24.42%)、被孢菌门(Mortierellomycota,16.32%),另外还检测到一些如:尾虫门(Cercozoa)、球囊菌门(Glomeromycota)、壶菌门(Chytridiomycota)、梳霉门(Kickxellomycota)、罗兹菌门(Rozellomycota),毛霉门(Mucoromycota)、Calcarisporiellomycota、GS19等,相对丰度之和为:0.93%。其中相对丰度超过7%的门有子囊菌门、担子菌门、被孢菌门。
结构调整后的油松纯林TZ样地经过数据质控和去除嵌合体,共获得真菌OTU 5 926个,涉及15门44纲116目,相对丰度超过7%的主要真菌门类为:子囊菌门(44.22%)、担子菌门(39.48%)、被孢菌门(9.35%)(图1b)。另外还检测到一些如球囊菌门(1.32%)、尾虫门、壶菌门、罗兹菌门、梳霉门、毛霉门等,相对丰度之和为0.75%。
由图2b可以看出,在土壤微生物真菌门水平上,结构调整后的TZ样地子囊菌门,被孢菌门要低于CK样地,而结构调整后TZ样地的担子菌门要高于对照CK样地。说明结构调整后土壤真菌类群结构也产生相应变化。
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对多个样品中所共有的OTU数目进行统计以反映样品的相似性以及重叠情况。对各样本细菌OTU矩阵进行分析(图3),各样地细菌OTU数量总计为17 947 个,其中共有OTU 8 652 个,占比48.21%。对照样地的独有OTU 1 956个,占比10.90%;结构调整后样地独有的OUT为7 339 个,占比40.89%,高于对照样地29.99%,结构调整后TZ样地独有土壤细菌OUT占比明显高于CK样地。
Figure 3. Venn diagram of soil bacterial community in Pinus tabulaeformis plantations before and after structural adjustment
对各样本真菌OTU矩阵进行分析(图4),各样地真菌总计OTU数量为8 067 个,其中共有OUT为2 692 个,占比33.37%,对照样地CK独有OTU 2 141 个,占比26.54%;结构调整后样地独有的真菌OUT为3 234 个,占比40.09%,高于对照样地的13.55%。结构调整后TZ样地独有真菌OUT占比明显高于CK样地。
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由表3可知油松人工林进行结构调整后,土壤菌群的丰富度和多样性有所改变。相较于对照样地,结构调整后,土壤中观察到的细菌OUT总数和真菌OUT总数均大于调整前。结构调整后的油松人工林样地土壤细菌类群和真菌类群的Chao1指数都显著高于调整前。结构调整后的油松人工林样地土壤ACE指数也要显著高于调整前(p<0.05)(图5a、b)。由此可见,结构调整后,土壤微生物群落的丰富度比调整前有了显著提升,土壤微生物群落更加丰富。结构调整后油松人工林的土壤真菌与细菌的多样性(Shannon和Simpson指数)在结构调整前后差异不显著(p>0.05)(表3)。
类型
Microbial type林型
Forest typeObserved Chao1 ACE Shannon Simpson 真菌
FungiTZ 2 085.33 ± 192.18 a 3 085.36 ± 243.23 a 3 098.72 ± 211.11 a 4.67 ± 0.23 a 3.29 × 10−2 ± 6.28 × 10−3 a CK 1 730.83 ± 44.31 b 2 287.53 ± 82.00 b 2 290.22 ± 98.74 b 4.79 ± 0.04 a 2.25 × 10−2 ± 3.89 × 10−4 a 细菌
BacteriaTZ 6 530.5 ± 371.93 a 10 787.59 ± 637.49 a 10 635.7 ± 656.84 a 6.91 ± 0.06 a 3.83 × 10−3 ± 2.51 × 10−4 a CK 5 185.17 ± 376.38 b 7 315.26 ± 548.3 b 7 309.20 ± 540.79 b 6.76 ± 0.10 a 3.85 × 10−3 ± 6.49 × 10−4 a Table 3. Soil microbial community richness and diversity index before and after structural adjustment
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为研究油松人工林下土壤微生物与土壤环境因子的关系,对油松人工林CK与TZ样地基于OTU水平细菌群落与土壤理化性质进行RDA分析,对于油松人工林土壤细菌群落与环境的RDA分析显示(图6),RDA前两个排序轴分别解释了35.93%、19.78%的细菌多样性变化,6 个主要的土壤理化因子共解释了55.71%的总特征值,表明前两轴的贡献值可以较好地解释各因子对土壤细菌群落结构的影响。结构调整对油松对人工林下细菌群落有显著性影响。其中对土壤细菌多样性影响较大的有SOM(r2=0.64),TN(r2=0.66),TP(r2=0.44),AN(r2=0.59),pH(r2=0.93),与第一轴的相关性较大。速效磷(r2=0.68)与轴2的相关性较大。pH、SOM、TN、AN、速效磷是影响油松人工林下细菌类群变化的主要驱动因子(p<0.05),具有显著的协同作用。
基于OTU水平真菌群落与土壤理化性质进行RDA分析,对于油松人工林下的真菌群落(图7),RDA前两个排序轴分别解释了25.23%和22.08%的真菌多样性变化,解释了47.31%的总特征值,其中对土壤真菌多样性影响较大的有SOM(r2=0.87)、TN(r2=0.92)、AN(r2=0.96)、pH(r2=0.61)和Olsen-P(r2=0.88),与第一轴的相关性较大。TP(r2=0.75)与第二轴的相关性较大。表明SOM、TN、TP、AN、pH和Olsen-P是驱动油松人工林林下土壤真菌类群变化的主要因子。SOM、TN、TP、AN、和Olsen-P(p<0.05)具有显著的协同作用。
对油松人工林土壤微生物多样性和土壤化学性质进行Pearson相关分析,结果(表4)显示,细菌群落Observed、Chao1、ACE与SOM、TP呈现显著负相关(p<0.05),与TN、AN呈现极显著负相关(p<0.01),细菌群落Simpson多样性与pH值呈现显著负相关(p<0.05),Shannon多样性与C/N呈现显著正相关(p<0.05)。真菌群落的Observed、Chao1、ACE与TN、AN呈现显著负相关(p<0.05),而Simpson和Shannon多样性与环境的相关性不明显(p>0.05)。
Pearson相关性
Pearson correlation有机质
SOM/(g·kg−1)全氮
TN/(g·kg−1)全磷
TP/(g·kg−1)速效氮
AN/(g·kg−1)速效磷
Olsen-P/(g·kg−1)pH C/N 细菌
bacteriaObserved −0.829* −0.943** −0.886* −0.943** −0.657 −0.429 0.643 Chao1 −0.829* −0.943** −0.886* −0.943** −0.657 −0.429 0.538 ACE −0.829* −0.943** −0.886* −0.943** −0.657 −0.429 0. 538 Shannon −0.486 −0.657 −0.771 −0.657 −0.086 0.143 0.797* Simpson −0.314 −0.257 −0.086 −0.257 −0.657 −0.886* 0.086 真菌
fungusObserved −0.771 −.0829* −0.714 −0.829* −0.6 −0.314 0.314 Chao1 −0.771 −0.829* −0.714 −0.829* −0.6 −0.314 0.314 ACE −0.771 −0.829* −0.714 −0.829* −0.6 −0.314 0.314 Shannon 0.143 −0.143 −0.314 −0.143 0.2 −0.086 0.6 Simpson −0.6 −0.543 −0.257 −0.543 −0.771 −0.257 −0.143 注/Notes: **p<0.01,*p<0.05 Table 4. Correlation between soil bacterial diversity and soil chemical properties
Dynamics of Soil microbial Groups in Pinus tabulaeformis Plantation in Response to Stand Structure Adjustment
- Received Date: 2023-10-07
- Accepted Date: 2024-03-13
- Available Online: 2024-03-01
Abstract: