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人工林是世界森林资源的重要组成部分,在木材供给、改善生态环境和应对气候变化等方面发挥重要作用。随着中国对木材需求日益增长及生态环境保护意识的不断提高,大规模的造林和再造林促使中国人工林面积继续保持世界首位[1-2]。我国南亚热带地区气候条件优越,是重要的商品用材林基地,多年来大面积多代连栽的马尾松(Pinus massoniana Lamb.)、杉木(Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook.)等人工针叶纯林以及外来速生树种桉树(Eucalyptus)等短轮伐期工业用材林,为区域经济发展和农民脱贫致富做出了重大贡献;但这些人工纯林极易造成土壤肥力衰退、生物多样性下降及病虫害日益严重等生态环境问题[3-5]。因此,当前倡导并实施人工林生态系统适应性经营亟需解决的关键问题,是如何科学合理地营造和经营管理人工林,从而有效提高其生产力并维持多重生态服务功能。建立乡土阔叶人工林可以兼顾珍贵用材生产、生物多样性保护、生态功能和生态系统稳定性改善[1]。采用红锥(Castanopsis hystrix Miq.)、米老排(Mytilaria laosensis Lec.)、火力楠(Michelia macclurei Dandy)和山白兰(Paramichelia bailonii (Pierre) Hu)等不同生物学特性的乡土珍贵阔叶树种造林已成为我国亚热带地区人工林经营的发展趋势[6]。
细菌是土壤中数量最多、分布最广并参与土壤有机质分解和矿化过程的主要微生物,在土壤结构形成与土壤肥力调节等方面起极其重要作用[7]。土壤细菌群落多样性是评价土壤质量的重要指标之一,土壤中细菌群落多样性愈高,越有利于提高土壤恢复力与抗压力[8]。土壤细菌群落从土壤有机质的分解和矿化中获取能量,且土壤的碳、氮和磷供给对细菌多样性有显著影响[9-10]。树种可通过其凋落物和根系分泌物等影响土壤理化性质[11-13],而土壤性质的改变会驱动土壤微生物群落组成和多样性的响应[14-15]。谭宏伟等[16]基于PCR-DGGE技术比较分析了广西红壤区桉树人工林、马尾松人工林和天然阔叶林对土壤细菌群落多样性的影响,罗达等[17]运用磷脂脂肪酸法(PLFAs)研究了我国南亚热带格木(Erythrophleum fordii Oliv.)、马尾松人工纯林及二者混交林林地土壤微生物生物量和群落结构特征,黄雪蔓等[18]采用磷脂脂肪酸法探究了固氮树种对第2代桉树人工林土壤微生物生物量和结构的影响。然而,有关我国南亚热带地区不同造林树种,尤其是乡土树种与外来树种对林地土壤细菌群落多样性影响的比较研究甚少。
本文以位于广西凭祥市中国林业科学研究院热带林业实验中心的马尾松、红锥、米老排、火力楠和尾巨桉(Eucalyptus urophylla×E.grandis)等不同树种人工林为研究对象,利用PCR-DGGE技术分析不同树种人工林对土壤细菌群落多样性的影响,并探讨土壤细菌群落多样性与土壤理化性质因子之间的内在联系,旨在提高对人工林土壤细菌多样性变化规律的认识,以期为该地区倡导并实施人工林生态系统适应性经营策略的树种选择提供土壤微生物生态学方面的理论依据。
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从表1可知:5种人工林的土壤总碳含量差异不显著(p > 0.05);尾巨桉人工林的土壤含水量、pH、全钾和速效钾含量明显高于4种乡土树种人工林,但其土壤全磷和有效磷含量却低于4种乡土树种人工林;4种乡土树种人工林相比,马尾松林具有较低的土壤含水量、pH、全氮和有效磷含量,火力楠林却拥有较高的土壤全氮、全磷、全钾、有效氮和速效钾含量,红锥林的土壤全钾、有效氮和速效钾含量最低,而米老排林具有最高的土壤含水量。
参数
Parameters马尾松林
Pinus massoniana
plantation红锥林
Castanopsis hystrix
plantation米老排林
Mytilaria laosensis
plantation火力楠林
Michelia macclurei
plantation尾巨桉林
Eucalyptus urophylla ×
E.grandis plantation含水量
Moisture content/%29.68 ± 2.81 a 30.94 ± 2.98 ab 32.35 ± 2.31 ab 30.07 ± 3.79 ab 35.38 ± 0.82 b pH值
pH value4.30 ± 0.05 a 4.59 ± 0.09 b 4.37 ± 0.04 a 4.34 ± 0.02 a 5.02 ± 0.19 c 总碳
Total carbon/(g·kg−1)17.56 ± 9.59 a 20.19 ± 6.41 a 16.20 ± 3.32 a 17.74 ± 2.68 a 15.94 ± 1.24 a 全氮
Total nitrogen/(g·kg−1)0.67 ± 0.08 a 0.81 ± 0.22 ab 0.76 ± 0.30 a 1.18 ± 0.27 b 0.68 ± 0.05 a 全磷
Total phosphorus/(g·kg−1)0.23 ± 0.03 a 0.22 ± 0.02 a 0.20 ± 0.04 a 0.30 ± 0.03 b 0.12 ± 0.02 c 全钾
Total potassium/(g·kg−1)0.74 ± 0.29 a 0.64 ± 0.04 a 0.74 ± 0.13 a 1.13 ± 0.46 ab 1.46 ± 0.13 b 有效氮
Available nitrogen/(mg·kg−1)24.71 ± 9.15 a 10.36 ± 1.14 b 21.63 ± 4.90 ab 29.07 ± 6.27 a 19.73 ± 6.79 ab 有效磷
Available phosphorus/(mg·kg−1)1.36 ± 0.31 a 1.71 ± 0.38 a 1.69 ± 0.39 a 1.69 ± 0.43 a 0.60 ± 0.13 b 速效钾
Available potassium/(mg·kg−1)27.07 ± 10.08 bc 15.27 ± 2.85 a 17.83 ± 1.33 ab 27.83 ± 5.13 bc 30.93 ± 4.50 c 注:同行不同小写字母表示同一土壤参数不同林分类型间差异显著(p < 0.05)。
Note: Different lowercase letters in the same row indicate significant difference among different stand typesin the same soil parameter at 0.05 level.Table 1. Comparative analysis of soil physicochemical properties among five different planted forests(n = 3).
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从5种人工林土壤样品提取的微生物基因组总DNA中各取3 μL用1%琼脂糖凝胶电泳检测,其结果(图1a)显示:DNA Marker条带亮度较好,且无明显拖带现象,可用于后续实验。从土壤细菌16S rRNA的V3可变区第2次PCR扩增产物各取4 μL于1%琼脂糖凝胶电泳检测结果(图1b)可知:PCR扩增后的DNA片段长度在250 bp左右,且无杂带,说明提取的DNA方法适合PCR扩增,可以直接进行后续实验。
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运用DGGE技术将各土壤样品中细菌的16S rRNA基因V3片段PCR产物分离出数目不等的电泳条带(图2a),经过Quantity One软件将原DGGE胶图转换成直观的条带分布图(图2b)。在图2b中,位于同一水平线的为相同物种,而左右两侧的数字为经分析后该板胶共有的条带数(也可认为是该板胶上所有样本包含的物种数),最下面一行的百分数是以第1个样本为基准的前提下,其余样本与第1样本的相似性。根据DGGE技术可以将长度相同而序列不同的DNA分离的原理,DGGE胶中条带数量越多,说明微生物种类丰富度越高[22]。5种林分土壤细菌DGGE图谱的条带数量顺序为:米老排林(45.67) > 红锥林(45.33) > 马尾松林(43.00) > 火力楠林(40.67) > 尾巨桉林(40.00)(表2)。
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根据16S rRNA的PCR-DGGE图谱中条带的位置和亮度的数值化结果,计算各林分土壤细菌群落的丰富度、Shannon指数、Simpson指数和均匀度(表2)。由表2可知:各多样性指数在5种林分间的差异不显著(p > 0.05),但尾巨桉林土壤细菌群落的各多样性指数均略低于4种乡土树种人工林。
林分类型 Stand types 丰富度 Richness Shannon指数 Shannon index Simpson指数 Simpson index 均匀度 Evenness 马尾松林 Pinus massoniana plantation 43.00 ± 2.65 3.28 ± 0.04 0.94 ± 0.01 0.87 ± 0.02 红锥林 Castanopsis hystrix plantation 45.33 ± 4.51 3.34 ± 0.26 0.94 ± 0.03 0.88 ± 0.07 米老排林 Mytilaria laosensis plantation 45.67 ± 2.08 3.28 ± 0.17 0.94 ± 0.02 0.86 ± 0.04 火力楠林 Michelia macclurei plantation 40.67 ± 3.21 3.32 ± 0.18 0.94 ± 0.02 0.90 ± 0.04 尾巨桉林 Eucalyptus urophylla × E.grandis plantation 40.00 ± 3.97 3.03 ± 0.17 0.91 ± 0.03 0.82 ± 0.02 Table 2. Comparison of soil bacterial community diversity for different studied plantations(n = 3)
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土壤样品的细菌群落多样性指标与土壤理化性质参数的Pearson相关分析(表3)表明:5种林分土壤细菌群落的Shannon指数、Simpson指数和均匀度与土壤全氮显著正相关(p < 0.05),而其Simpson指数和均匀度与土壤全磷显著正相关(p < 0.05)。
参数 Parameters 丰富度 Richness Shannon指数 Shannon index Simpson指数 Simpson index 均匀度 Evenness 含水量 Moisture content 0.003 −0.259 −0.275 −0.325 pH值 pH value −0.135 −0.467 −0.506 −0.510 总碳 Total carbon −0.061 0.265 0.298 0.365 全氮 Total nitrogen 0.019 0.539* 0.525* 0.662* 全磷 Total phosphorus −0.059 0.481 0.536* 0.631* 全钾 Total potassium −0.486 −0.455 −0.378 −0.313 有效氮 Available nitrogen −0.008 0.147 0.215 0.175 有效磷 Available phosphorus 0.242 0.400 0.445 0.370 速效钾 Available potassium −0.480 −0.384 −0.231 −0.119 注Note:* p < 0.05. Table 3. Pearson correlation coefficient between diversity indices of soil bacterial community and soil physicochemical properties