亚热带森林土壤微生物生物量及群落功能特征的城乡梯度变化

土壤微生物在土壤养分循环以及生物地球化学循环中起着重要作用,土壤微生物对环境变化响应灵敏。为研究城乡梯度环境变化对亚热带森林土壤微生物的影响,本研究选取合肥市大蜀山国家森林公园(城市林)、紫蓬山国家森林公园(远郊林)、六安市万佛山(乡村自然林)为样地,分析比较其微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)及微生物群落功能多样性的城乡梯度差异。结果显示: 土壤MBC表现为乡村自然林(115.07 mg·kg^-1)>远郊林(101.68 mg·kg^-1)>城市林(82.73 mg·kg^-1);土壤MBN表现为乡村自然林(57.73 mg·kg^-1)>城市林(31.57 mg·kg^-1)>远郊林(29.01 mg·kg^-1);土壤微生物碳源代谢活性(AWCD)﹑均匀度指数(U)表现为乡村自然林>远郊林>城市林;城乡森林土壤微生物群落利用的主要碳源为羧酸类、氨基酸类、碳水类,其对多胺类、多酚类碳源的利用能力较弱;土壤微生物对氨基酸类、羧酸类、多聚物类及多酚类碳源的代谢能力具体表现为乡村自然林>远郊林>城市林,土壤微生物群落功能特征在城乡环境梯度上存在明显空间分异,其中吐温80、β-甲基-D-葡萄糖苷是影响城乡环境土壤微生物群落空间分异的特征碳源。相关性分析表明,土壤pH与微生物McIntosh指数、AWCD值呈显著正相关,铵态氮(NH₄⁺-N)与微生物Shannon多样性指数、AWCD值呈显著正相关,微生物Simpson指数与土壤硝态氮(NO₃^--N)呈显著负相关,土壤pH、NH₄⁺-N、NO₃^--N是影响微生物群落多样性指数的主要因素。研究表明,在城乡环境梯度下森林土壤微生物群落特征存在显著差异,城市林土壤微生物群落代谢潜力和功能多样性均弱于自然林。     

武夷山国家自然保护区不同植被类型土壤微生物群落特征

运用BIOLOG微平板技术,对武夷山国家自然保护区不同植被类型土壤微生物群落结构和代谢功能多样性进行研究,探讨不同植被类型对土壤微生物群落的影响.结果表明: 不论是土壤理化性质、酶活性,还是反映土壤微生物代谢功能多样性的平均颜色变化率(AWCD),青冈林和米槠林代表的天然林均明显优于马尾松林和杉木林代表的人工林,荒地最差.AWCD随着培养时间的延长而逐渐增加,但不同植被类型土壤AWCD值具有较大差异.碳水化合物和羧酸类碳源是各植被类型土壤微生物的主要碳源,其次为氨基酸类、酚酸类和聚合物类,胺类碳源的利用率最小.土壤微生物Simpson指数、Shannon指数、丰富度指数和McIntosh指数也呈现天然林高于人工林的趋势.主成分分析表明,从31个因素中提取的与碳源利用相关的主成分1、主成分2分别能解释变量方差的56.3%和30.2%,不同植被类型土壤微生物碳源利用特征出现分异,在主成分分离中起主要贡献作用的是胺类和氨基酸类碳源.研究结果可为进一步探讨植被多样性与土壤微生物多样性之间的关系奠定基础.     

不同海拔红松林土壤微生物功能多样性

为全面了解红松林土壤微生物碳源利用特点,以长白山海拔700～1100 m红松林0～5和5～10 cm表土为研究对象,采用Biolog微平板法,分析了土壤微生物功能多样性沿海拔的垂直分布特征和变化规律.结果表明: 不同海拔红松林土壤微生物功能多样性差异显著,平均每孔颜色变化率（AWCD）随培养时间延长而增加,同一深度土层的AWCD值随海拔升高而降低;Shannon、Simpson和McIntosh多样性指数也随海拔升高呈现下降趋势,且不同海拔间3个多样性指数差异显著;物种多样性和功能多样性表现出相同的变化规律.土壤微生物对6大类碳源利用强度存在差异,各海拔土壤微生物对氨基酸类碳源利用率最高,为优势碳源;主成分分析表明,不同海拔土壤微生物在碳源利用上有明显的空间分异,土壤微生物功能多样性垂直地带性差异主要体现在对碳水类、氨基酸类和羧酸类碳源的利用上,其中碳水类尤为突出.对不同海拔土壤微生物群落功能多样性聚类分析表明,样地植被组成会对土壤微生物组成和功能活性产生重要影响.     

辽西北风沙区典型人工防护林土壤微生物群落功能特征

运用Biolog-Eco技术对辽西北风沙区樟子松人工林、油松人工林、杨树人工林的土壤微生物群落功能特征进行研究,同时测定土壤化学特性,探究该地区不同树种人工防护林土壤微生物群落的代谢活性和功能特征及其与土壤化学特性的相关性。结果表明,与樟子松和油松人工林相比,杨树人工林能显著提高土壤pH、土壤可溶性有机碳和速效磷含量,降低土壤C/N。该地区不同人工防护林的土壤微生物群落代谢活性差异显著,对碳源的利用能力(AWCD)依次为杨树人工林樟子松人工林油松人工林,杨树人工林土壤微生物的Shannon指数、Simpson指数和McIntosh指数分别为3.27、0.96和8.13,均显著高于樟子松和油松人工林(P0.05)。不同人工防护林土壤微生物对六大碳源的利用存在差异,其中杨树人工林对六大碳源的利用率均显著高于樟子松和油松人工林(P0.05)。主成分分析和聚类分析表明,针叶树种(油松和樟子松)和阔叶树种(杨树)人工林下的土壤微生物分属两个不同的功能类群,起分异作用的碳源主要包括丙酮酸甲酯、i-赤藓糖醇、2-羟基苯甲酸。土壤pH、可溶性有机碳、C/N、速效磷是影响微生物群落AWCD值、Shannon指数、Simpson指数、McIntosh指数的主要因素。综上所述,该地区杨树人工林土壤微生物群落的代谢活性和功能多样性都优于油松人工林和樟子松人工林,应保持杨树人工林种植。     

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

为了评价华南退化人工林生态系统的不同恢复类型,本研究以土壤微生物群落功能多样性为对象,探讨恢复林土壤微生物功能多样性的差异及影响因子.在研究区内选取代表性的近自然经营杉木林(CF)和毛竹林(MB),以天然次生林(NF)为对照,采集表层土壤样品.运用Biolog-Eco微平板技术,对3种林分的土壤微生物群落功能多样性进行研究.结果表明: 不同恢复林分的植物多样性差异显著,NF植物多样性指数显著高于MB和CF,而MB的植物多样性指数显著高于CF;不同林分类型的土壤pH和容重差异显著,其他土壤理化性质差异不显著;不同林分类型土壤微生物的平均颜色变化率(AWCD)为NF＞MB＞CF,不同林分对6种类型碳源底物的利用也有相似规律;NF的土壤微生物群落Shannon多样性指数、Shannon丰富度指数、Simpson优势度指数和McIntosh指数最高,MB次之,CF最低;主成分分析表明,从31种碳源类型提取的主成分1和主成分2分别能解释变量方差的60.0%和12.4%,在主成分分异中起主要贡献作用的是羧酸类、碳水化合物类和氨基酸类碳源;相关性分析表明,植物物种丰富度和多样性指数、土壤容重与土壤微生物群落多样性指数之间存在显著相关关系,对土壤微生物群落功能多样性具有重要影响.NF土壤微生物的碳源利用效率高于人工林,而MB土壤微生物碳源利用效率高于CF.从植被多样性及土壤微生物群落功能多样性来看,近自然经营的MB人工林更有利于退化人工林生态系统功能的恢复与提升.     

喀斯特峰丛洼地不同土地利用方式土壤肥力特征

基于网格法(5 m×5 m)采样,研究了喀斯特峰丛洼地不同土地利用方式(火烧、刈割、刈割除根、封育、种植玉米、种植牧草)下表层(0～20 cm)土壤肥力特征,利用主成分分析影响土壤肥力的主要因子,典范相关分析探讨土壤养分和土壤微生物的耦合关系.结果表明: 研究区6种土地利用方式土壤呈微碱性,pH 7.83～7.98,不同土地利用方式土壤养分含量不同,分别为有机碳76.78～116.05 g·kg^-1、全氮4.29～6.23 g·kg^-1、全磷1.15～1.47 g·kg^-1、全钾3.59～6.05 g·kg^-1、碱解氮331.49～505.49 mg·kg^-1、有效磷3.92～10.91 mg·kg^-1、有效钾136.28～198.10 mg·kg^-1,除pH呈弱变异外,其他指标均呈中等至强度变异.不同土地利用方式对土壤肥力的影响不同,有机碳、全氮、全磷、碱解氮等主要养分受影响最大,沿封育、火烧、刈割、刈割除根、种植牧草、种植玉米的人为干扰增加梯度而减少;其次是土壤微生物,尤其是放线菌;典范相关分析表明,火烧迹地的全磷与土壤微生物生物量磷,全钾与土壤微生物生物量碳,全氮与放线菌的相互影响最大,刈割、刈割除根、封育、种植玉米、种植牧草土壤全氮与土壤微生物生物量碳,速效磷与土壤微生物生物量氮,pH与土壤微生物生物量碳、真菌,全氮、全钾与土壤微生物生物量磷,pH与真菌、放线菌相互之间的影响最大.土地利用方式的变化改变了喀斯特峰丛坡地土壤肥力特征.在喀斯特地区进行生态恢复与重建时,应采取合理的土地利用方式,提高喀斯特退化生态系统的土壤质量.     

砷矿区农田土壤微生物群落碳源代谢多样性

采用Biolog方法研究了砷(As)矿区农田土壤微生物碳源利用多样性及其与土壤化学性质的关系.结果表明： 3种土壤的N、P、K、有机质(OM)、Cu和Zn全量依次为中As > 高As > 低As土壤.中As和高As土壤微生物平均吸光度以及多样性指数(H′、D、U)显著高于低As土壤.主成分分析与生理碳代谢指纹图谱分析表明,中As和高As土壤微生物对糖类、氨基酸类等碳源的利用程度显著高于低As土壤.典范对应分析显示,影响土壤微生物群落碳源代谢的主要有全P、OM、全Pb、全Zn、全N和pH,全As并不是最主要的影响因子.可见,养分是影响长期污染土壤微生物群落结构和功能多样性的主要因素.     

中亚热带森林土壤微生物群落多样性随海拔梯度的变化

运用Biolog EcoPlate技术, 对武夷山不同海拔植被带(常绿阔叶林(EBF)、针叶林(CF)、亚高山矮林(DF)、高山草甸(AM))土壤微生物群落多样性差异进行了研究。结果表明: 不同海拔植被带土壤微生物群落功能多样性差异显著。土壤平均颜色变化率(AWCD)随培养时间延长而逐渐增加, 同一深度土层的AWCD值随海拔升高而逐渐降低, 大小顺序依次为EFB > CF > DF > AM。同一海拔植被带, 不同深度土层的AWCD值总体趋势依次为0-10 cm > 10-25 cm > 25-40 cm。土壤微生物群落Simpson指数、Shannon-Wiener指数、丰富度指数和McIntosh指数的总体趋势为EBF最高, CF和DF次之, AM最低。不同海拔植被带土壤微生物对不同碳源利用强度存在较大差异, 其中EBF利用率最高, AM利用率最低, 碳水化合物和羧酸类碳源是各海拔植被带土壤微生物的主要碳源。主成分分析结果表明, 从31个因素中提取的与碳源利用相关的主成分1、主成分2分别能解释变量方差的75.27%和16.14%, 在主成分分离中起主要贡献作用的是胺类和氨基酸类碳源。土壤微生物群落多样性随着海拔上升、土层加深而逐渐下降的原因, 可能是生物量、林分凋落物、土壤养分、微小动物、植物根系等多种因素共同作用的结果。     

落叶松和水曲柳带状混交对土壤微生物群落功能多样性的影响

为了探讨造林模式对土壤理化性质和微生物群落功能多样性的影响,以辽宁省新宾陡岭水曲柳(Fraxinus mandshurica)、长白落叶松(Larix olgensis)人工纯林及二者混交林土壤为研究对象,对不同林型土壤pH值、养分含量和土壤微生物活性进行研究,对3种人工林土壤微生物代谢功能多样性进行分析。结果表明:混交林土壤全氮、速效氮、全磷和速效磷分别比落叶松纯林增加28.1%、35.6%、9.5%和12.9%;不同人工林土壤微生物群落代谢活性差异显著,总碳源的利用能力(AWCD)的顺序为水曲柳林混交林落叶松林,落叶松纯林土壤微生物代谢最慢,活性最弱;3种不同人工林土壤微生物群落对六大碳源的利用率存在差异,混交林在L-精氨酸、L-天门冬酰胺、丙酮酸甲酯、腐胺、N-乙酰-D-葡萄糖胺、D-半乳糖醛酸、D-葡萄糖胺酸和4-羟基苯甲酸等8种碳源的利用能力显著高于落叶松纯林;主成分分析显示,糖类和氨基酸类碳源是影响微生物活性的重要碳源;3种不同人工林土壤微生物优势度指数无显著差异,物种丰富度指数依次为水曲柳林混交林落叶松林;落叶松和水曲柳带状混交后可以提高土壤肥力及土壤微生物活性。     

外来物种刺槐对土壤微生物功能多样性的影响

以延河流域不同植被区内人工刺槐(Robinia pseudoacacia)群落和乡土植物群落的土壤微生物为研究对象,利用Biolog微平板技术对土壤微生物功能多样性进行测定,分析人工引种刺槐在不同环境梯度(3个植被区)下对土壤微生物功能多样性的影响。结果表明:刺槐对不同环境梯度下的土壤微生物的影响明显不同。从草原区到森林区,刺槐林之间土壤微生物群落的平均颜色变化率(AWCD)和土壤微生物功能多样性指数均没有显著变化;但与乡土植物群落比较,草原区、森林草原区和森林区土壤AWCD分别表现为刺槐乡土植物、刺槐乡土植物、刺槐乡土植物;在草原区和森林草原区刺槐林土壤微生物群落的群落丰富度指数(S)、Shannon-Wiener指数(H)、Simpson指数(D)、Mc Intosh指数(U)均大于乡土植物,森林区刺槐林群落丰富度指数(S)、Shannon指数(H)、Simpson指数(D)均小于乡土植物;刺槐林和乡土植物群落下土壤微生物碳源利用存在差异,主要体现在对糖类、氨基酸类的利用上。PCA分析显示主成分1贡献较大的碳源有24种,在主成分分离中起主要贡献作用的是糖类、氨基酸类和羧酸类。土壤碳氮含量能影响土壤微生物功能多样性指数,土壤含水量和温湿度能够影响碳源的利用类型。刺槐对土壤微生物功能多样性的影响存在区域差异,在评价刺槐对土壤生态过程与功能的影响时必须要考虑这种空间差异性。     

不同类型城市森林对土壤肥力的影响

以东北林业大学城市林业示范研究基地中9种人工林(兴安落叶松林、樟子松林、黑皮油松林、黄波罗林、胡桃楸林、水曲柳林、白桦林、蒙古栎林、针阔混交林)及附近的农耕地和撂荒地土壤为研究对象,通过对林地土壤不同层次pH值、有机质及主要养分含量的测定分析,研究了不同林型对土壤肥力的影响.结果表明：阔叶林(除蒙古栎林)的土壤趋于中性,针阔混交林、兴安落叶松林、樟子松林和黑皮油松林的土壤呈微酸性,蒙古栎林的土壤呈酸性;随土壤深度增加,土壤有机质、水解氮、速效钾、有效磷、全氮、全磷含量均呈下降趋势.不同林地土壤同一层次化学指标整体差异显著(P＜0.05).土壤肥力优劣为：水曲柳林>黄波罗林>针阔混交林>胡桃楸林>白桦林>撂荒地>农耕地>樟子松林>兴安落叶松林>蒙古栎林>黑皮油松林,说明阔叶林(除蒙古栎林)和针阔混交林中的土壤肥力增加,而针叶林的土壤肥力趋于下降.     

海南岛不同林龄的木麻黄林地土壤微生物的功能多样性

为研究不同林龄木麻黄(Casuarina equisetifolia)林地土壤微生物功能多样性的动态变化, 通过Biolog系统对海口市桂林洋开发区滨海不同林龄(幼龄林(林龄5-8年)、中龄林(林龄15-20年)和成熟林(林龄30年及以上))的木麻黄林地土壤微生物的功能多样性进行了分析。结果表明: (1)对照裸地和成熟林林地土壤微生物对所使用的Biolog-ECO微孔板中的31种碳源的利用率和对这31种碳源的各分类碳源的利用率高于中龄林与幼龄林林地; (2) Shannon-Wiener指数(H′), McIntosh、Simpson多样性指数随着林龄增大而增大, 不同林龄林地间的H′差异显著, 幼龄林和中龄林的McIntosh、Simpson多样性指数无显著差异; (3)主成分分析结果表明, 在主成分分离中起分异作用的主要碳源为单糖和氨基酸。林地土壤微生物群落多样性随着林龄增加而增高, 这可能是林分凋落物、植物根系分泌的次生代谢物、土壤养分、林地土壤特异性微生物等共同作用的结果。     

Functional diversity of soil microorganisms in Casuarina equisetifolia woodlands of different stand ages in Hainan Island

为研究不同林龄木麻黄(Casuarina equisetifolia)林地土壤微生物功能多样性的动态变化, 通过Biolog系统对海口市桂林洋开发区滨海不同林龄(幼龄林(林龄5-8年)、中龄林(林龄15-20年)和成熟林(林龄30年及以上))的木麻黄林地土壤微生物的功能多样性进行了分析。结果表明: (1)对照裸地和成熟林林地土壤微生物对所使用的Biolog-ECO微孔板中的31种碳源的利用率和对这31种碳源的各分类碳源的利用率高于中龄林与幼龄林林地; (2) Shannon-Wiener指数(H′), McIntosh、Simpson多样性指数随着林龄增大而增大, 不同林龄林地间的H′差异显著, 幼龄林和中龄林的McIntosh、Simpson多样性指数无显著差异; (3)主成分分析结果表明, 在主成分分离中起分异作用的主要碳源为单糖和氨基酸。林地土壤微生物群落多样性随着林龄增加而增高, 这可能是林分凋落物、植物根系分泌的次生代谢物、土壤养分、林地土壤特异性微生物等共同作用的结果。     

冀北土石山区不同土地利用类型土壤质量评价

为防止北方土石山区的土地和植被在人类活动下进一步退化,为冬奥会赛后制定战略性植被恢复计划,以白桦天然林、落叶松人工林、天然灌草地和弃耕农地为研究对象,基于土壤容重、孔隙度和土壤养分含量等13种土壤理化指标,对冀北土石山区不同土地利用类型土壤质量进行综合评价。结果表明: 冀北土石山区不同土地利用类型土壤质量呈现出白桦天然林>天然灌草地>落叶松人工林>弃耕农地。白桦天然林的土壤质量显著高于其他3种土地利用类型,其土壤全氮(3.24±1.42 g·kg^-1)和全磷(0.59±0.10 g·kg^-1)含量较高,土壤养分的长期积累是阻止白桦天然林土壤退化的最主要原因;天然灌草地受到土壤粗粒含量和地形因素的影响,土壤质量仅次于白桦天然林;经过40年植被恢复的落叶松人工林土壤物理性质得到改良,土壤砾石含量显著降低,而土壤养分指标未发生显著变化;弃耕农田土壤质量最低的主要原因是植被覆盖低及低海拔区域较高的人类活动强度。受土壤全氮含量的影响,4种土地利用类型下的土壤质量随海拔升高而增加,且均在1700 m左右达到峰值。综上,建议加强在低海拔生态脆弱区域的封禁管理和生态恢复措施,同时兼顾高密度林分的可持续发展,增强人工林的生态适应性。     

火烧迹地不同恢复方式土壤有机碳分布特征

以大兴安岭1987年重度火烧后恢复的兴安落叶松人工林、樟子松人工林、人促杨桦林和天然次生杨桦林为对象,研究不同恢复方式林分土壤有机碳、土壤可溶性有机碳和土壤微生物生物量碳的分布特征.结果表明: 4种恢复方式林分的土壤有机碳、土壤可溶性有机碳和土壤微生物生物量碳分别为9.63～79.72 g·kg^-1、33.21～186.30 mg·kg^-1和200.85～1755.63 mg·kg^-1,且随土层深度增加而降低.不同恢复方式间土壤有机碳、土壤可溶性有机碳和土壤微生物生物量碳差异显著,以人促杨桦林最高,兴安落叶松人工林和天然次生杨桦林次之,樟子松人工林最低.各恢复方式林分的土壤微生物熵为1.1%～2.3%,以人促杨桦林最高,樟子松人工林最低,不同林分土壤微生物熵的垂直分布特征不同.土壤微生物生物量碳与土壤有机碳、土壤可溶性有机碳含量均呈显著正相关.人促杨桦林土壤有机碳活性高于其他林分,火烧迹地采用人工促进天然恢复的方式较人工恢复和天然恢复的土壤碳循环能力更强.     

晋西北黄土高原丘陵区不同土地利用方式下土壤碳氮储量

对晋西北黄土高原丘陵区杨树-小叶锦鸡儿人工林、小叶锦鸡儿人工灌丛、杨树人工林、撂荒地和农田5种土地利用方式下土壤碳氮储量进行研究.结果表明: 不同土地利用方式下土壤碳氮含量、碳氮密度和碳氮储量存在显著差异.5种土地利用方式0～20 cm表层土壤碳氮含量和碳氮密度均显著大于20～40 cm和40～60 cm土层.5种土地利用方式同一土层碳氮含量和碳氮密度大小为: 杨树-小叶锦鸡儿人工林>小叶锦鸡儿人工灌丛>杨树人工林>撂荒地>农田;0～60 cm土层土壤有机碳储量大小为:杨树-小-叶锦鸡儿人工林(30.09 t·hm^-2)>小叶锦鸡儿人工灌丛(24.78 t·hm^-2)>杨树人工林(24.14 t·hm^-2)>撂荒地(22.06 t·hm^-2)>农田(17.59 t·hm^-2);土壤氮储量与有机碳储量变化规律相似,杨树-小叶锦鸡儿人工林0～60 cm土层土壤氮储量(4.94 t·hm^-2)最高,其次是小叶锦鸡儿人工灌丛(3.53 t·hm^-2)、杨树人工林(3.51 t·hm^-2)和撂荒地(3.40 t·hm^-2),农田土壤氮储量(2.71 t·hm^-2)最低.杨树-小叶锦鸡儿人工林和小叶锦鸡儿人工灌丛是晋西北黄土高原丘陵区植被建设和生态恢复过程中较好的两种土地利用方式.     

Microarray-based analysis of changes in diversity of microbial genes involved in organic carbon decomposition following land use/cover changes

To increase our understanding of the impact of land use/cover changes on soil microbial decomposition genes involved in organic carbon decomposition, we analyzed soil samples in four sites with different land cover/use histories in a subalpine region of western Sichuan. One site was in a primitive Abies faxoniana forest, the second and the third sites were spruce plantations established in 1960's and 1980's, respectively, and the fourth site was in a cropland dating back to 1960's. The genomic DNA from the microbial community was isolated and hybridized against a functional gene microarray containing 1,961 probes. There were 39, 62, 41, and 28 gene probes with statistically significant positive signals and the gene diversity index (H') values were 3.59, 4.04, 3.70 and 3.16 in primitive forest, spruce plantations established in 1960s and 1980s and cropland, respectively. The results suggested that the number of functional genes and the gene diversity index were correlated with increasing amounts of soil organic carbon, except in the primitive Abies faxoniana forest site. cluster analysis demonstrated that primitive forest soil was clustered more closely to soil from the spruce plantation established in 1960s.