萬峰山森林群落演替中土壤肥力和微生物數量特征分析

張敏倩，袁劍飛，鐘在云，譚 斌，華朝暉，馮顯幫，鄒哲宇，朱陳浩，郭聯華

（1. 浙江農林大學 林業與生物技術學院，浙江 杭州 311300；2. 江西省遂川縣林業局，江西 遂川 343900；3. 四川省鄰水縣萬峰山林場，四川 鄰水 638500；4. 浙江省遂昌縣林業局，浙江 遂昌 323300）

土壤是植物群落的重要環境因子之一，它在對植物群落發生作用的同時,自身發育也受到植物群落的影響[1]。研究表明，土壤的發育與植物群落演替是兩個密不可分、相輔相成的過程[2]，但以往研究多強調不同植被現狀對土壤的影響，而較少注意植被演替與土壤發育之間的關系[3]。

土壤微生物作為土壤生態系統重要組成部分，在土壤生態系統的能量流動和養分轉化中起著重要的作用[4]，不僅影響植被的生長，也受到植被影響，兩者相互作用，相互影響，因此，微生物成為土壤質量變化的最敏感指標之一，在土壤質量評價中越來越受到重視[5]。

地上枯落物是指由植物地上部分產生并歸還到地表的所有有機物質的總稱，其質量不僅決定輸入土壤的養分組成和數量，也能夠通過自身的性質影響土壤微生物的數量和活性，進而影響土壤中有機物質的分解[6-7]。

天然更新的常綠闊葉林有利于生物多樣性的增加與土壤養分的保蓄[8]。潤楠Machilus pingii為樟科Lauraceae潤楠屬Machilus常綠大喬木，國家Ⅱ級重點保護野生植物，我國西南特有種，主要分布于四川盆地西緣山地[9]，其作為珍貴的用材樹種，具有很高的經濟價值和收藏價值。四川鄰水縣萬峰山風景區屬亞熱帶常綠闊葉林，是全國最大的潤楠集中分布地之一，然而，目前隨著當地的旅游資源開發，潤楠資源破壞相當嚴重，潤楠野生資源處于瀕危狀態，種群數量在15 000株以下[9]，同時，市場對潤楠木材的需求不斷增加，導致潤楠木材供求矛盾加劇，因此，潤楠林生長狀況受到越來越廣泛的關注。目前關于潤楠生理特性和幼苗生長等方面的研究較多[10-11]，而尚未見到在群落演替過程中其對土壤影響的研究報道。

關于森林演替模式，國內早有大量研究，認為常綠闊葉林的演替規律一般是按照草本植物群落-灌草叢-灌叢-針葉林-針闊葉混交林-常綠闊葉林6個演替階段進行的[12]，或者是其中的部分演替階段[13]，三峽庫區、縉云山等北亞熱帶和中亞熱帶森林類型也基本遵循該規律[14-15]。本實驗采用空間代替時間的方法，以四川鄰水縣萬峰山林場中針葉林-針闊混交林-潤楠林為演替序列過程為對象，分析在植被恢復過程中不同植被類型土壤微生物數量的差異，以及土壤理化性質與土壤微生物數量特征間的耦合關系，以期進一步探討植被類型-土壤的相互作用過程，為森林群落科學經營和潤楠資源保護提供建議和依據。

1 研究方法

1.1 研究區自然概況

研究地點位于四川銅鑼山脈萬峰山，107°05′46″ ～ 107°06′22″ E，30°24′07″ ～ 30°24′32″ N，屬國家天然林保護和退耕還林（草）工程建設區。萬峰山地處四川盆地東部，華鎣山東麓，位于鄰水縣龍安鎮境內，海拔800 ～1 054 m，地勢高峻，植物種類繁多，至今仍有保護完好的亞熱帶原始林33萬余hm2。該區屬于亞熱帶季風氣候區，氣候溫暖濕潤，年平均氣溫17℃，年平均日照1 230.7 h，68%降水量集中在5，10月。森林植被類型為亞熱帶常綠闊葉林，地帶性土壤類型為黃壤，地帶性植被以樟科、松科、杉科等為主，植被多為次生闊葉林和針葉林，多呈鑲嵌狀分布，次生闊葉林主要有潤楠，喜樹Camptotheca acuminata，酸棗Ziziphus jujubavar.spinosa，青岡Cyclobalanopsis glauca等組成。人工林主要由馬尾松Pinus massoniana，杉木Cunninghamia lanceolata，油茶Camellia oleifera等組成。

1.2 實驗設計和野外樣品采集

2015年7月，在野外詳細踏查的基礎上，在針闊混交林、潤楠林及針葉林3個不同植被覆蓋類型區中各選擇4個海拔、坡向和坡度相近，面積為20 m×20 m的樣地，在各樣地中按照“S”型選取5個代表性的樣點，用土鉆于表層（0 ～ 20 cm）采集土壤樣品，5個樣點的土壤混勻為1個土樣。采集的新鮮土壤在實驗室內一分為二，一份過2 mm土壤篩后，直接用于微生物種類及數量的測定；另一份自然風干后用于土壤基本理化性質的測定。對枯落物的采集同樣按照“S”型選取5 個代表性的樣點，拾取每個樣點1 m×1 m面積的枯落物若干，及時裝入無菌保鮮袋帶回實驗室，置于75℃烘箱中烘8 h，用于相關指標的測定。不同植被類型區基本情況見表1。

表1 樣地概況Table 1 Information of the sample plots

1.3 樣品分析

1.3.1 土壤及枯落物理化性質測定 枯落物樣品經H2SO4-H2O2消煮后，蒸餾法測定全氮，鉬銻抗比色法測全磷，火焰光度法測全鉀；土壤速效鉀采用火焰光度法；pH值用酸度計法；有機碳用硫酸重鉻酸鉀外加熱法；堿解氮采用堿解擴散法；土壤孔隙度用環刀法測定[16]。

1.3.2 土壤微生物特征分析方法 采用稀釋平板計數法進行土壤細菌、放線菌、真菌數量的測定[17]，培養基分別為牛肉膏蛋白胨培養基、改良高氏一號（苯酚 500 mg·L-1）培養基、馬丁（Martin）孟加拉紅-鏈霉素（鏈霉素30 mg·L-1）培養基。按照配方配制培養基后，先在121℃下滅菌15 min，然后冷卻至45 ～ 50℃備用。凝固后的培養基可加熱溶解后使用。細菌在37℃，放線菌在30℃下培養10 d，真菌在25℃下培養5 d。

結果計算方法：每克樣品中的菌落數=同一稀釋度6次重復的菌落平均數×稀釋倍數。

1.4 數據處理

用SPSS 13.0軟件對土壤微生物數量及土壤理化性質進行單因素方差分析和相關性分析。顯著性水平設定為P＝0.05或P＝0.01。

2 結果與分析

2.1 不同森林植被類型枯落物營養元素和土壤理化性質

3種植被類型枯落物營養元素含量大小順序均為全氮＞全鉀＞全磷（表2）。不同植被類型枯落物中3種營養元素的含量不同，其中全氮、全磷含量以潤楠林最高，分別為12.241，0.216 g·kg-1；針闊混交林枯落物全鉀含量（1.387 g·kg-1）顯著高于其他2種植被（P＜0.05）。

從表3可知，3種植被類型土壤呈強酸性，其中潤楠林土壤pH值為4.4，顯著高于在針闊混交林和針葉林（P＜0.05）。土壤總孔隙度介于37.618% ～ 45.425%，以針闊混交林土壤最高，但不同植被類型間沒有顯著差異（P＞0.05）。針闊混交林土壤有機碳和堿解氮的質量分數均顯著高于潤楠林和針葉林（P＜0.05），分別達27.000 mg·kg-1，248.500 mg·kg-1。不同植被類型土壤速效鉀質量分數介于114.0 ～ 128.0 mg·kg-1，無顯著性差異（P＞0.05）。根據土壤養分分級標準[18]，3種植被類型土壤質量均較高。

表2 不同植被類型枯落物營養元素含量Table 2 Nutrient content in forest litter under different vegetation types

表3 不同林型土壤理化性質Table 3 Soil physical and chemical properties under different forest types

2.2 不同植被類型土壤微生物數量

不同植被類型表層（0 ～ 20 cm）土壤微生物總量大小依次為針闊混交林＞針葉林＞潤楠林（表4），這3種植被類型下的土壤微生物總量存在顯著差異（P＜0.05），從不同類群微生物數量來看，放線菌和真菌數量均在潤楠林中最大，其中放線菌比其他2種類型林地中的數量高，細菌數量在針闊混交林中最大；統計不同微生物類群的百分比發現，3大類微生物在微生物區系組成中細菌占主導地位，其數量在不同植被類型土壤下占微生物總量的96.37% ～ 99.70%，其次是放線菌，含量最少的是真菌，僅占微生物總數的0.12% ～ 0.32%。

表4 3種不同林型土壤的三種微生物數量Table 4 Microbial populations at 0-20 cm soil under different forest types

2.3 土壤微生物數量特征與土壤理化性質部分因子間的相關性

不同微生物種類和數量與土壤理化性質部分因子間存在一定的相關性（表 5），潤楠林土壤細菌、真菌數量與土壤 pH值有顯著或極顯著負相關性，放線菌、細菌數量與總孔隙度的相關性達極顯著水平，真菌數量與速效鉀呈極顯著正相關；針闊混交林中真菌數量與土壤 pH值呈顯著負相關，與有機碳、堿解氮、速效鉀均呈極顯著正相關，細菌數量與速效鉀、總孔隙度的相關性達極顯著水平，放線菌數量與總孔隙度也呈極顯著正相關；針葉林中放線菌數量與土壤 pH值、有機碳、堿解氮、速效鉀、總孔隙呈顯著或極顯著正相關，細菌數量與土壤pH值有顯著負相關性，真菌數量與總孔隙度的相關性也達顯著水平。

表5 不同林型下土壤微生物數量與土壤理化性質部分因子間的相關性分析Table 5 Correlation analysis on soil microbial populations with soil physical and chemical properties under different forest types

3 結論與討論

林地土壤理化性質是土壤質量的重要反映指標，反映了森林對土壤的影響程度，是衡量土壤肥力高低的主要指標，既受植被枯落物類型的影響，也影響土壤微生物數量[19-20]。從研究結果看，在同一地域條件下，由于其地上植物群落不同，其土壤理化性質也不同。針葉林、針闊混交林和潤楠林3種植被類型的土壤理化性質總體表現為：土壤總孔隙度、土壤微生物數量、養分含量以針闊混交林最高，潤楠林比針葉林稍高。

地上枯落物是指由植物地上部分產生并歸還到地表的所有有機物質的總稱，其質量不僅決定輸入土壤的養分組成和數量，也能夠通過自身的性質影響土壤微生物的數量和活性，進而影響土壤中有機物質的分解[6-7]。植被類型不同從而地上枯落物不同，對土壤理化性質和微生物數量有顯著影響。宋會興等研究表明，隨著演替進展，土壤中有機質進一步積累，土壤厚度增加，持水、保肥能力增強，針葉樹種逐漸被常綠闊葉樹種取代[2]，枯落物也從質地較硬的針葉變為易于被分解的闊葉，加上隨時間推移，土壤積累的枯枝落葉營養元素含量增加，土壤有機質質量分數提高，結構疏松，能夠為微生物活動提供良好的營養和通氣條件，有利于微生物的生長繁殖，促進對枯落物的分解，進而增加土壤養分質量分數。本研究表明，枯落物營養元素含量、土壤微生物數量和養分質量狀況依次為針闊混交林＞潤楠林＞針葉林，其中針闊混交林的微生物總量和養分質量分數普遍顯著高于其他2種植被類型，這不符合從針葉林進展演替至闊葉林土壤狀況的變化規律，這可能與該地區的潤楠闊葉林并不是由針闊混交林演替而來，而是因人為擇伐其它樹種而由針闊混交林直接轉變成潤楠闊葉林有關，針闊混交林中樹種多樣性豐富[21]，其土壤養分的循環、轉化和積累狀況良好，更有利于微生物生長繁殖，土壤肥力水平更高[22]。

微生物種類與數量影響土壤的生物化學活性及土壤養分的組成與轉化，是維持和恢復林地生產力的主要因子之一[23]，既反映了土壤各因素對微生物的影響，也反映了微生物對植物生長發育、土壤理化性質的影響和作用[24]。根據微生物數量與土壤理化性質的相關性分析發現，土壤總孔隙度與三大微生物數量關系密切，細菌和放線菌數量在潤楠林和針闊混交林中與總孔隙度均達極顯著相關，說明這2種微生物在改善土壤結構方面起著一定作用。但在針葉林中，放線菌、真菌兩種數量占比小的微生物與總孔隙度相關性顯著，而數量最多的細菌與總孔隙度相關性不顯著，陳婷等認為微生物對枯落物的分解作用受枯落物本身特性的影響[25]，造成本研究這一結果的原因可能是針葉林枯落物木質素含量較多，抑制了數量最多的細菌對枯落物的分解作用，從而間接影響其對土壤總孔隙度的作用[26]。潤楠林中放線菌和真菌數量最多，放線菌的數量比其它2種林地高一個數量級，相差近8倍以上，這可能是由于潤楠林的pH值較于其他兩種林地更高，放線菌更適于在中性或微堿性土壤環境中生存[27]。

本研究所選的針葉林-針闊混交林-潤楠林的群落演替序列中土壤動態變化初步反映了四川萬峰山林地不同演替階段土壤狀況的變化。研究結果顯示，針闊混交林樹種多樣性豐富，土壤養分狀況最好，土壤結構疏松，更有利于微生物生長繁殖；潤楠林的土壤狀況比針闊混交林稍差，但總體上超過針葉林，適合放線菌的生長。

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