中國不同氣候類型森林土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及其影響因素

姜懿珊，孫迎韜，張干，羅春玲*

1. 武漢科技大學(xué)綠色制造工程研究院，湖北 武漢 4880011；2. 中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所/有機地球化學(xué)國家重點實驗室，廣東 廣州 510640

森林土壤微生物在森林生態(tài)系統(tǒng)中擔(dān)任著分解動植物的重要使命，是生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的部分，推動著生態(tài)系統(tǒng)的能量流動和物質(zhì)循環(huán)（丁爽等，2023）。森林土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)是森林生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境評價的重要依據(jù)之一，可以反映微生物在生態(tài)系統(tǒng)中的生物化學(xué)特征在土壤環(huán)境因素作用下的變化情況（李雪等，2020）。例如，通過分解植被凋落物，土壤微生物可直接影響植物的生長和土壤肥力的保持，并間接對森林生物防治、養(yǎng)分供給等生態(tài)進(jìn)程產(chǎn)生影響（朱萬澤等，2023）。微生物的群落結(jié)構(gòu)受到生態(tài)系統(tǒng)中多種環(huán)境因素的共同影響，在不同地理氣候條件下，隨土壤環(huán)境而改變，在全球森林生態(tài)系統(tǒng)中形成了不同的生態(tài)結(jié)構(gòu)分布，反映了微生物對環(huán)境的適應(yīng)性（White et al.，1979）。

磷脂脂肪酸（PLFAs）在真核生物和細(xì)菌的細(xì)胞膜中分別占50%和98%（Lechevalier et al.，1976），且具有在細(xì)胞死亡后迅速降解的特征（Lewe et al.，2021），因此是一種代表所有活體生物的標(biāo)志物（Campbell，2010）。PLFAs 的組成和質(zhì)量分?jǐn)?shù)在同一種微生物中十分穩(wěn)定且具有可遺傳性，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易在提取過程中喪失或轉(zhuǎn)化（張秋芳等，2009；吳則焰等，2014）。因此，其結(jié)構(gòu)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以用于指示特定生物或生物種群的生存活動情況（畢明麗等，2010）。PLFA 方法現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于土壤微生物群落的動態(tài)監(jiān)測（趙帥等，2011；譚紅妍等，2015；韋應(yīng)莉等，2018）中。PLFAs 定量分析可用于表征微生物活細(xì)胞生物量，PLFAs 定性分析可用于表征土壤微生物群落結(jié)構(gòu)（王衛(wèi)霞，2013；徐德英等，2020）。

目前，針對中國森林生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的研究主要集中在單一或區(qū)域范圍內(nèi)，對土壤微生物在空間上的整體分布差異還缺乏了解（張瑞娟等，2011）。在全球變暖、環(huán)境污染等因素影響下，土壤微生物的種類、數(shù)量、功能及營養(yǎng)元素的生物地球化學(xué)循環(huán)也可能發(fā)生變化（徐文煦等，2009）。因此，比較不同氣候帶上微生物空間分布規(guī)律，探究環(huán)境影響因素，對于了解中國森林土壤微生物群落特征、維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和應(yīng)對全球氣候變化等均具重要意義。本研究擬考慮地理位置和森林生態(tài)系統(tǒng)類型的變化，采集中國地帶性森林土壤樣品，應(yīng)用PLFA 方法研究不同氣候類型的森林土壤微生物生物量和群落結(jié)構(gòu)的特征，揭示影響森林土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的環(huán)境因子。

1 材料和方法

1.1 樣品采集

采樣區(qū)所在的27 個國家自然保護(hù)區(qū)地理位置和所處氣候帶、森林類型如表1 所示。其中，1 個位于寒溫帶：大興安嶺；5 個位于溫帶：小興安嶺，長白山，賽罕烏拉，塞罕壩，白草洼；5 個位于暖溫帶：五岳寨，關(guān)帝山，秦嶺，青峰山，鰲山；11個位于亞熱帶：神農(nóng)架，天目山，梵凈山，武功山，雷公山，南嶺，井岡山，哀牢山，戴云山，鼎湖山，十萬大山；4 個位于熱帶：西雙版納，尖峰嶺，霸王嶺，海南島。此外，貢嘎山由于其處于青藏高原特殊的地理位置，單獨采集作為高原氣候區(qū)森林類型的代表。27 個采樣區(qū)所在的氣候類型分別對應(yīng)中國6 種地帶性森林類型，即寒溫帶針葉林，溫帶針闊混交林，暖溫帶落葉闊葉林，亞熱帶常綠闊葉林，熱帶雨林和高原山地森林。每個采樣區(qū)分別參考采樣區(qū)面積和山地森林所在山體海拔高度，設(shè)置了1－8 個不同海拔高度的采樣點（27 個采樣區(qū)共設(shè)置108個采樣點），并參考當(dāng)?shù)貧庀笳緮?shù)據(jù)結(jié)合聯(lián)合國糧農(nóng)組織FAO 出品的Loc_clim 軟件計算結(jié)果收集每個采樣點的氣象信息（年均溫和年降水量），如表1 所示。108 個采樣點的海拔高度范圍為143－4 031 m，年均溫范圍為-3.6－25.1 ℃，年降水量范圍為77－2 084 mm。其中年均溫最高的采樣點為尖峰嶺和霸王嶺（25.1 ℃），最低為大興安嶺（-3.6 ℃）；年降水量最高的采樣點為井岡山（2 084 mm），最低的采樣點為霸王嶺（77 mm）。所有氣候類型中，熱帶采樣點的平均年均溫達(dá)24.0 ℃，而寒溫帶的采樣點平均年均溫僅為-2.8 ℃；平均年降水量最高的是亞熱帶，為1 715 mm，最低的是寒溫帶，為441 mm。

表1 采樣點的氣候森林類型和環(huán)境氣象信息Table 1 Climate type, forest type and environmental information of sampling sites

在每個采樣點10 m×10 m 范圍內(nèi)分別采集3 個存在腐殖質(zhì)層（O 層）、淋溶層（A 層）、沉積層（B層）和母質(zhì)層（C 層）的森林土壤剖面，取微生物主要活動的淋溶層（A 層）（陳慶強等，2005）土壤，3 個樣品等量混勻后作為該采樣點的土壤樣品。去除土壤中的石礫、雜物和較粗的植物根系后，用干冰冷卻密封保存并立即帶回實驗室，取適量土壤進(jìn)行土壤PLFA 的提取，適量土壤烘干后測定含水率和pH，適量土壤冷凍干燥后過篩或研磨以備元素分析，其余部分于-20 ℃下冷凍保存。土壤表面如存在未完全腐爛的枯枝落葉，單獨采集用于計算凋落物碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。采樣同時，記錄土壤溫度，并用容重環(huán)采集土壤以分析土壤容重。

1.2 土壤理化性質(zhì)分析

土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、凋落物碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)和土壤碳氮比測定（Liu et al.，2017）：取適量烘干研磨土壤樣品、凋落物樣品，用錫舟包好，稱質(zhì)量后，用Elementar 元素分析儀（Vario EL III）測定總碳和總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，每個樣品重復(fù)測定2 次。

土壤總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定（Allen，1974）：使用硫酸-過氧化氫消解法。在消解管中分別加入0.2 g研磨好的土壤，防止爆沸的小沙粒和4.4 mL 消解劑。放置于消解單元中溫和加熱，直至反應(yīng)平息。升溫到350 ℃，繼續(xù)加熱約2 h 至消解完全。放置冷卻后，用去離子水稀釋5 次，使酸體積分?jǐn)?shù)為1%。用Whatman No.44 濾紙過濾消解液后，用常規(guī)無機方法分析無機磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

土壤溶液pH 值測定（Liu et al.，2017）：取5 g土壤置于50 mL 的燒杯中，加入25 mL 濃度為1 mol·L-1的KCl 溶液，搖勻。靜置半小時，待溶液浸提至平衡后，用pH 計（上海雷磁PHSJ-4F 型）測定土壤溶液pH 值，并用pH 試紙進(jìn)行2 次復(fù)測校驗。

1.3 PLFA 的提取和甲酯化

PLFA 的提取使用Bligh et al.（1959）方法。首先，使用氯仿/甲醇/檸檬酸緩沖液（2∶1∶0.8）混合溶劑超聲提取土壤中的脂肪酸（Frosteg?rd et al.，1996），之后使用硅膠柱進(jìn)行層析，淋洗收集含PLFAs 的甲醇相。使用溫和堿性甲醇分解法（White et al.，1979），將吹干后的PLFAs 溶解于含0.2 mol·L-1氫氧化鉀的甲醇溶液中，于37 ℃下保溫15 min，然后加入乙酸中和，之后用正己烷/氯仿（4∶1）溶液萃取上層有機相。將萃取所得磷脂脂肪酸甲酯（Fatty Acid Methyl esters，F(xiàn)AMEs）在氮吹儀上吹干，加入3 mL 正己烷定容，隨后加入十九酸甲酯（0.086 mg·cm-3），于-20 ℃下保存以待儀器分析。

1.4 PLFA 的定性和定量分析

磷脂脂肪酸甲酯分析所用儀器為安捷倫7890A/5975C 氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS）聯(lián)用儀。根據(jù)GC-MS 測定總離子流圖中磷脂脂肪酸甲酯標(biāo)樣的相對保留時間（Relative Retention time，RRT），結(jié)合標(biāo)樣中磷脂脂肪酸甲酯的保留時間，盡可能多地識別出樣品中不同種類的PLFAs 及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)，計算總PLFAs，以此代表該樣品中微生物的生物量。用來定性分析的兩種標(biāo)樣為：美國NU-CHEK 公司生產(chǎn)的型號為GRS617 的40 種標(biāo)準(zhǔn)脂肪酸甲酯的混合樣品和美國Sigma 公司生產(chǎn)的型號為BAME 47080-U 的26 種標(biāo)準(zhǔn)脂肪酸甲酯的混合樣品。

PLFAs 在土壤中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計算公式如下：

wPLFA——目標(biāo)PLFA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)；

S——目標(biāo)PLFA/空白/內(nèi)標(biāo)C19:0 的峰面積；

m——內(nèi)標(biāo)C19:0/樣品的質(zhì)量。

使用不同PLFAs 作為生物標(biāo)記物統(tǒng)計4 種微生物種群，分別為：細(xì)菌（C14:0，iC15:0，aC15:0，C15:0，iC16:0，C16:1，iC17:0，cyC17:0，C17:0），真菌（C18:2），革蘭氏陽性菌（iC15:0，aC15:0，iC16:0，iC17:0）和革蘭氏陰性菌（C14:0，C15:0，C16:1，cyC17:0，C17:0）。

1.5 統(tǒng)計分析

采用SPSS 19.0 的單變量方差分析（Analysis of variance，ANOVA）及多重比較（LSD）對土壤環(huán)境和微生物參數(shù)的差異進(jìn)行檢驗，Pearson 相關(guān)性分析對土壤環(huán)境參數(shù)和理化性質(zhì)與土壤微生物參數(shù)之間的相關(guān)性進(jìn)行分析；在R 軟件（3.5.3 版本，vegan package 2.5-4）對土壤環(huán)境參數(shù)及理化性質(zhì)與PLFAs 組分相關(guān)性進(jìn)行冗余分析（RDA）。

2 結(jié)果和討論

2.1 研究區(qū)土壤的理化性質(zhì)及土壤微生物參數(shù)

27 個采樣區(qū)土壤的7 個理化性質(zhì)指標(biāo)（土壤容重、土壤pH、凋落物碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤碳氮比和土壤總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)）和PLFAs 質(zhì)量分?jǐn)?shù)計算所得2 種代表土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的參數(shù)（真菌與細(xì)菌比，革蘭氏陽性與陰性菌比）如表2 所示。土壤的理化性質(zhì)中，土壤容重范圍為0.2－1.3 g·cm-3，最高點是熱帶尖峰嶺（JFL，1.3 g·cm-3），最低點是溫帶長白山（CB，0.2 g·cm-3）；土壤pH 值范圍為3.8－6.4，最高點是溫帶塞罕壩和暖溫帶秦嶺（SH，6.4±0.4；QL，6.4±0.6），最低點是亞熱帶鼎湖山、戴云山和十萬大山（DH，3.8±0.2；DY，3.8±0.4；SW，3.8±0.2）；凋落物碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為27%－48%，最高點是亞熱帶戴云山（DY，48%±2%），最低點是溫帶長白山和亞熱帶武功山（CB，27%±5%；WG，27%±8%）；土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為1.5%－20%，最高點是暖溫帶鰲山（AS，20%±11%），最低點是熱帶尖峰嶺（JFL，1.5%）；土壤總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為0.2%－1.2%，最高點是亞熱帶梵凈山（FJ，1.2%±0.4%），最低點是亞熱帶鼎湖山，熱帶尖峰嶺和霸王嶺（DH，0.2%±0.1%；JFL，0.2%；BWL，0.2%）；土壤碳氮比范圍為6.6－32.0，最高點是寒溫帶大興安嶺（DX，32±25），最低點是熱帶海南島（HN，6.6±0.1）；土壤總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為0.2‰－10.5‰，最高點是熱帶西雙版納（BN，10.5‰±9.8‰），最低點是亞熱帶十萬大山（0.2‰±0.1‰）。

表2 27 個研究區(qū)土壤的理化性質(zhì)和微生物群落結(jié)構(gòu)信息Table 2 Physico-chemical properties and microbial structure information of soil samples from 27 sampling sites

2 種微生物群落結(jié)構(gòu)參數(shù)中，土壤真菌與細(xì)菌比范圍為0.27－0.80，最高點是亞熱帶神農(nóng)架（SN，0.8±0.2），最低點是亞熱帶十萬大山（0.27±0.1）；土壤革蘭氏陽性與陰性菌比范圍為0.50－1.94，最高點是熱帶西雙版納（BN，1.94±0.3），最低點是亞熱帶神農(nóng)架（SN，0.50±0.1）。

以土壤PLFA 種類和質(zhì)量分?jǐn)?shù)所代表的5 種微生物生物量參數(shù)如圖1 所示：細(xì)菌、真菌、革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌的微生物生物量和總PLFAs。土壤細(xì)菌質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為 9.92－39.8 μg·g-1，最高點是溫帶小興安嶺（XX，(39.8±13)μg·g-1），最低點是亞熱帶鼎湖山和武功山（DH，(9.93±5) μg·g-1；WG，(9.92±3) μg·g-1）；土壤真菌質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為3.9－21.5 μg·g-1，最高點是暖溫帶鰲山（AS，(21.5±6) μg·g-1），最低點是亞熱帶十萬大山（SW，(3.9±2) μg·g-1）；土壤革蘭氏陽性菌質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為4.05－18.1 μg·g-1，最高點是溫帶小興安嶺（XX，(18.1±6) μg·g-1），最低點是亞熱帶鼎湖山（DH，(4.05±2) μg·g-1）；土壤革蘭氏陰性菌質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為4.26－18.9 μg·g-1，最高點是亞熱帶雷公山（LG，(18.9±1) μg·g-1），最低點是暖溫帶青峰山（QF，(4.26±6) μg·g-1）。溫帶土壤中總PLFAs 質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高（55.9 μg·g-1），但除亞熱帶和熱帶土壤（43.2－44.4 μg·g-1）略低于其他氣候帶外，其余幾個氣候類型中總PLFAs 質(zhì)量分?jǐn)?shù)相差不大（52.5－55.9 μg·g-1）。這個結(jié)果與前人在海拔梯度上模擬氣候增溫實驗（李洪杰等，2016）中土壤生物量的結(jié)果相一致。

圖1 6 個氣候類型森林土壤微生物的生物量Figure 1 Microbial biomass of forest soil in six climate types

2.2 不同氣候類型土壤理化性質(zhì)、土壤微生物分布特征

我們對土壤樣品的理化性質(zhì)、微生物生物量和結(jié)構(gòu)參數(shù)在6 種氣候類型中進(jìn)行了多重比較，用以說明不同參數(shù)在6 種氣候類型中是否具有顯著性差異。結(jié)果顯示，土壤的7 個理化性質(zhì)指標(biāo)（土壤容重，土壤pH，凋落物碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，土壤總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，土壤碳氮比和土壤總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)）與3 個微生物參數(shù)（真菌生物量，真菌與細(xì)菌比，革蘭氏陽性與陰性菌比）在6 種氣候類型中存在顯著差異，如圖2 所示。熱帶和高原森林的土壤容重最高（1.03－1.22 g·cm-3），顯著高于亞熱帶土壤（0.60 g·cm-3），亞熱帶土壤又顯著高于寒溫帶、溫帶和暖溫帶土壤（0.36－0.42 g·cm-3）（圖2）。暖溫帶土壤的pH 值最高（5.8），亞熱帶土壤的pH 值最低（4.3）（圖2）。亞熱帶土壤的凋落物碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高（40.80%），顯著高于溫帶土壤（31.91%）（圖2）。寒溫帶土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高（17.32%），熱帶土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低（2.16%）。寒溫帶土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（17.32%）顯著高于溫帶和亞熱帶土壤（9.82%－10.73%），溫帶和亞熱帶土壤（9.82%－10.73%）又顯著高于熱帶土壤（2.16%）（圖2）。同時，熱帶土壤總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低（0.27%），顯著低于寒溫帶、溫帶、暖溫帶和亞熱帶土壤（0.42%－0.80%）（圖2）。寒溫帶土壤碳氮比最高，顯著高于其他氣候類型土壤（圖2）。高原森林土壤的總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高（0.83‰），顯著高于寒溫帶和熱帶土壤（0.30‰－0.40‰），寒溫帶和熱帶土壤（0.30‰－0.40‰）又顯著高于溫帶土壤、暖溫帶土壤和亞熱帶土壤（0.07‰－0.11‰）（圖2）。

圖2 6 種氣候類型中存在顯著差異的土壤理化性質(zhì)和微生物指標(biāo)Figure 2 Soil physicochemical properties and microbial indexes with significant differences in six climate types

土壤微生物PLFAs 質(zhì)量分?jǐn)?shù)所代表的生物量結(jié)果顯示，幾種微生物生物量包括真菌、革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌群落生物量在6 個氣候類型中差異不大，只有真菌群落生物量在不同氣候類型中存在顯著差異（圖2）。真菌群落生物量隨氣候類型從寒帶-溫帶-熱帶的變化過程呈現(xiàn)先升后降的趨勢。其中，溫帶土壤真菌生物量較其他氣候類型高（15.16 μg·g-1），并顯著高于熱帶和高原土壤（6.7－8.0 μg·g-1）（圖2）。2 個土壤微生物群落結(jié)構(gòu)參數(shù)均在6 個氣候類型中存在顯著差異（圖2）。其中，暖溫帶土壤真菌與細(xì)菌比最高（0.69），并顯著高于亞熱帶和熱帶土壤（0.43－0.49）（圖2）。熱帶土壤和高原土壤革蘭氏陽性與陰性菌比（1.34－1.51）較其它氣候帶高，顯著高于溫帶土壤（0.94），溫帶土壤（0.94）又顯著高于亞熱帶土壤（0.72）（圖2）。

本研究對象為遠(yuǎn)離人類活動的天然森林土壤，反映了在自然環(huán)境下形成的森林生態(tài)系統(tǒng)中土壤微生物的空間分布。我們的研究表明，在中國不同氣候區(qū)森林中，占主體地位的土壤微生物生物量及土壤中總PLFAs 質(zhì)量分?jǐn)?shù)并沒有很大差異，但微生物群落結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出顯著差異。這可能說明了在中國空間范圍內(nèi)，森林生態(tài)系統(tǒng)在不同氣候環(huán)境下土壤肥力相當(dāng)，但根據(jù)氣候環(huán)境下所形成的植被、土壤類型的顯著差異，形成了獨特的微生物群落結(jié)構(gòu)。

2.3 影響土壤微生物群落分布的環(huán)境因素

為了研究影響土壤微生物的環(huán)境因素，我們對土壤的12 個環(huán)境參數(shù)（經(jīng)度，緯度，海拔高度，年均溫，年降水量，土壤容重，土壤pH，凋落物碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，土壤總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，土壤碳氮比和土壤總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)）和7 個微生物參數(shù)（細(xì)菌生物量，真菌生物量，革蘭氏陽性菌生物量，革蘭氏陰性菌生物量，真菌與細(xì)菌比，革蘭氏陽性與陰性菌比和總PLFAs 質(zhì)量分?jǐn)?shù)）做了相關(guān)分析（表3）。環(huán)境參數(shù)中，經(jīng)度、緯度代表地理位置，年均溫和年降水量代表氣候因素，土壤理化性質(zhì)代表土壤環(huán)境。結(jié)果顯示，緯度以及與緯度高度相關(guān)的年均溫都與細(xì)菌、真菌生物量和總PLFAs 質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在顯著相關(guān)關(guān)系。年降水量與真菌、革蘭氏陽性菌生物量和總PLFAs 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都存在顯著相關(guān)關(guān)系（表3）。土壤的理化性質(zhì)中，土壤容重、土壤pH 值、土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和土壤總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與微生物的生物量存在顯著的相關(guān)關(guān)系（表3）。而與2 個代表微生物群落結(jié)構(gòu)的參數(shù)（真菌與細(xì)菌比和革蘭氏陽性與陰性菌比）存在顯著相關(guān)性的環(huán)境因素包括：緯度、海拔高度、年均溫、年降水量、土壤容重、土壤pH、土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤碳氮比和土壤總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)（表3）。

表3 土壤環(huán)境參數(shù)與生物參數(shù)的相關(guān)系數(shù)1)Table 3 Correlations between environmental factors and microbial indexes

土壤PLFAs 的組分分布代表了土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)。本研究中，我們對質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高且在108個采樣點中均存在的20 種PLFAs 的組分（iC15；aC15；C15:0；C16:1；iC16；C16:1；C16:1；C16:0；C17:1；brC17；brC17；iC17；cyC17；C17:0；C18:2；C18:1；C18:1；C18:0；brC19；cyC19）質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行了統(tǒng)計，將代表其質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的RDA1 和RDA2 與土壤環(huán)境因子做了冗余分析，結(jié)果如圖3所示。解釋變量RDA1 代表了25.3%的PLFAs 組分變化，RDA2 代表了11.83%的PLFAs 組分變化（圖3）。圖中顯示，除了緯度以外，篩選的11 個環(huán)境因子均與兩個RDA 組分存在顯著的相關(guān)關(guān)系（圖3）。大部分樣點集中在排序軸所區(qū)分的第一、第二和第四象限。亞熱帶樣品主要聚集在左上第二象限，而寒溫帶樣品主要聚集在圖中右側(cè)第一象限和第四象限。在以上范圍內(nèi)，代表年均溫的箭頭長度最長且與排序軸間夾角最小，說明年均溫與PLFAs 的整體結(jié)構(gòu)變化相關(guān)性最高。年降水量和土壤pH 值與PLFAs 整體結(jié)構(gòu)的相關(guān)性相當(dāng)，其次是土壤總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)。代表土壤容重與土壤總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的箭頭雖然長度較長，但與其相關(guān)性高的樣點較少，僅為部分北方森林及山地森林（大興安嶺、五岳寨、貢嘎山）的零星樣點。各個環(huán)境因子中，年均溫與年降水量、土壤容重和土壤總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為正相關(guān)關(guān)系，與土壤pH 值和土壤總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為負(fù)相關(guān)關(guān)系；而年降水量與土壤pH 值、土壤總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為負(fù)相關(guān)關(guān)系；土壤pH 值與土壤總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)關(guān)系。結(jié)合表3 的結(jié)果，我們總結(jié)對土壤微生物的生物量有影響的環(huán)境因素為年均溫、年降水量、土壤容重、土壤pH 值、土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和土壤總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)。而對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)影響最大的幾個環(huán)境因素為年均溫、年降水量和土壤pH 值。

圖3 土壤環(huán)境參數(shù)與土壤PLFAs 組分變化的冗余分析圖Figure 3 Bioplot of redundancy analysis with environmental factors and soil PLFA composition

本研究通過比較不同氣候類型土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)，證實了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)不只由氣候條件單一因素決定，而是受到不同因素的共同影響，符合普遍認(rèn)知（Jumpponen et al.，2014）。過去較多研究普遍總結(jié)土壤pH 值對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)存在顯著影響（白曉旭等，2015；曹永昌等，2016；楊立賓等，2017；姜雪薇等，2021；趙雯等，2023），也少量研究提到是土壤碳氮比（谷曉楠等，2017）。針對中國地區(qū)森林土壤微生物的研究顯示，氣候條件（年平均溫度、相對濕度）、土壤理化性質(zhì)（pH、氨氮、有效氮）及植被是影響微生物群落結(jié)構(gòu)的主要因素（Liu et al.，2014；白曉旭等，2015；朱平等，2015；曹永昌等，2016；喬沙沙等，2017；楊立賓等，2017；高秀宏等，2019；姜雪薇等，2021；趙雯等，2023）。我們的研究在較大尺度空間范圍內(nèi)再次印證了氣候條件（年均溫及與其高度相關(guān)的年降水量）及土壤性質(zhì)（土壤pH 值）對微生物群落結(jié)構(gòu)建立的重要性，并強調(diào)了溫度在空間分布上對微生物群落結(jié)構(gòu)的決定性作用。結(jié)合以往的研究，我們推測溫度可以通過影響微生物的功能基因的多樣性（Zhao et al.，2014）、調(diào)節(jié)微生物的代謝速率與種群間的競爭關(guān)系（Liang et al.，2015），決定微生物的群落結(jié)構(gòu)。在全球氣候變化背景下，該結(jié)果對預(yù)測森林土壤微生物的活動、揭示森林土壤微生物的變化機理提供了指示。

3 結(jié)論

（1）中國6 種氣候類型（寒溫帶、溫帶、暖溫帶、亞熱帶、熱帶和高原氣候）森林土壤中總PLFAs質(zhì)量分?jǐn)?shù)所代表的微生物生物量相差不大。

（2）中國6 種氣候類型森林土壤的理化性質(zhì)有顯著差異，主要體現(xiàn)在土壤容重，土壤pH，凋落物碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，土壤總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，土壤碳氮比和土壤總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)上；土壤真菌與細(xì)菌比和土壤革蘭氏陽性與陰性菌比所代表的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)顯著不同。

（3）在不同氣候類型森林土壤中，年均溫是微生物群落結(jié)構(gòu)的決定因素，土壤pH 值是對微生物群落結(jié)構(gòu)影響最大的土壤性質(zhì)。除此之外，對微生物的生物量和群落結(jié)構(gòu)具有主要影響的環(huán)境因素還包括：年降水量、土壤容重、土壤總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)和土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。