外源氮素调控C/N比对杉木林凋落叶细菌群落结构的影响

费裕翀,叶义全, 2,郑 宏,路 锦,游云飞,黄 樱,陈爱玲,曹光球, 2,*

1 福建农林大学林学院, 福州 350002 2 国家林业和草原杉木工程技术研究中心, 福州 350002 3 福建省洋口国有林场, 南平 353211 4 福建农林大学资源与环境学院, 福州 350002

杉木(Cunninghamialanceolata)是我国南方重要的速生用材树种之一,据第八次全国森林资源清查数据表明,我国杉木人工林种植面积为17×107hm2,种植面积及蓄积面积分别占人工林总面积的24%和28%,在我国森林系统中占据了重要地位[1- 2]。随着林业集约生产水平的提高,杉木人工林获得速生、丰产的同时,其地力下降现象已成为我国杉木人工林可持续经营的主要障碍。

凋落物的分解作为森林生态系统物质循环和能量流动的主要途径,是森林土壤养分的重要来源,加强有关杉木凋落物分解特性的研究对于杉木人工林地力的维持与提升具有重要意义。大量学者认为杉木凋落物中木质素含量较高和氮含量贫乏是导致其分解周期较长以及杉木人工林养分周转较慢的重要原因[3],并倾向于将C/N比作为评判杉木凋落物底物质量和预测其分解速率的重要指标[4]。相关学者提出在凋落物分解过程中存在着某一C/N比临界值[5- 6],当凋落物自身C/N比值高于这一临界值时,氮元素无法满足微生物分解活动的需要,阻碍了胞外酶的分泌,使得凋落物分解缓慢,这也是底物质量较差的凋落物在分解初期常常出现养分富集现象的根本原因[7]。目前有关通过外源氮添加改善杉木凋落物底物质量的研究已有较多报道[3- 4],但此类研究并未总结外源氮添加背景下,C/N比的改变影响杉木凋落物分解的现有规律,杉木凋落物分解的内在机理仍有较大研究价值。

凋落物的分解包括淋洗作用、机械破碎、土壤动物的消化、微生物对化合物的酶解等过程,但凋落物的彻底降解则是在土壤微生物酶解作用下完成[8- 9],可以认为凋落物分解是基于细胞水平,细菌、真菌和放线菌等分解者共同参与,对凋落物中有机物质进行酶解和矿化的过程。长期以来的研究普遍认为相比于细菌,真菌在森林凋落物的分解过程中起着更为重要的作用,然而细菌作为土壤微生物中数量最高的群体,虽然对于新鲜凋落物的分解能力较弱,但细菌能够以不同于其他微生物的作用方式改变着凋落物的物理结构和化学组成,促进真菌的定殖和土壤动物的摄食[10- 11]。此外相比于真菌,细菌对于角质及其他芳香族化合物具有更强的分解能力[12],在针叶类凋落物的分解过程中尤为重要。微生物快速的细胞分裂一方面需要大量富氮的RNA,外源氮的输入在一定程度上增加了环境中氮的有效性,提升了微生物自身对于酶合成的能力[13]；而另一方面外源氮过量输入可能造成环境中的氮超过土壤微生物所需的阈值,对其生命活动产生抑制作用[14],并使得纤维素、木质素与酚类物质等有机碳化合物产生聚合反应,形成结构稳定,难以被微生物所利用的有机物质[15]。因此不同外源氮输入量能够直接或间接影响微生物结构与功能,进而影响森林凋落物的分解。

杉木人工林生态系统由于林分结构单一,普遍存在如固氮菌、纤维素分解菌以及氨化细菌等功能性微生物类群和数量退化的问题[16],而林下植被的发育演替对于人工林土壤微生物群落的多样性和结构具有显著影响[17]。通过对林下植被的抚育改善土壤微生物多样性和群落结构,提升人工林养分周转速率的内在微生物机制目前较少有人关注。本课题组前期研究发现,不同林下植被管理措施间的杉木人工林土壤理化性质和微生物群落结构均存在着较大差异[17-18]。通过测定不同林下植被管理措施杉木人工林中的凋落物微生物群落结构可能更有助于深入探究C/N比调控杉木凋落物分解的内在机制。有鉴于此,本研究以林下植被保留和林下植被去除2种林下植被管理措施下的杉木人工林为研究林分,通过施入外源氮改变杉木凋落叶的初始C/N比,观测其在不同林分中分解300 d时的细菌群落结构差异,探讨杉木凋落叶分解的内在C/N比值机理,从而进一步加深对杉木人工林生态系统物质循环与反馈的认识。

1 研究地区与研究方法

1.1 试验材料来源

为保证杉木凋落叶养分含量基本一致,试验材料取自福建省洋口国有林场南山管护站杉木中龄林树体宿留枯死枝。将杉木凋落叶从收集的杉木枯死枝剥离后,带回试验室自然风干后备用。经测定,杉木凋落叶初始全氮含量为8.1 mg/g,全碳含量为482.5 mg/g,全磷含量为0.3 mg/g,C/N比值为60.9,C/P比值为1393.2,N/P比值为23.9,全钾含量为2.9 mg/g,全钙含量为4.2 mg/g,全镁含量为1.3 mg/g,全锰含量为1.2 mg/g。

1.2 研究区概况

研究区位于福建省南平市顺昌县洋口国有林场南山管护站(117°92′—118°64′E,26°87′—27°13′N),系武夷山脉南部,属低山丘陵区,光照充足,雨量充沛,夏季高温多雨,冬季温和湿润,属于中亚热带季风湿润气候。日照时数为1668—1972 h,无霜期254—305 d,年平均气温为18.6 ℃,极端最高气温41.4 ℃,极端最低气温-5.8 ℃,地区年降水量1600—1900 mm,年平均蒸发量为1308—1587 mm,相对湿度平均值为78%—82%。海拔252—339 m,平均坡度26—32°。土壤为山地红壤,土层深度100 cm以上,土壤较肥沃。

1.3 试验设计

2018年10月在福建省洋口国有林场南元管护站,根据海拔、坡度、坡向等立地条件基本一致的原则,选择林下植被保留和林下植被去除共2种林下植被管理措施下的杉木人工林。2种林分造林时间均为1984年,种苗来源为杉木第1代种子园的优良家系壮苗,初植密度为2505株/hm2,1997年进行抚育间伐,间伐强度约为50%,保留株数为1187株/hm2。间伐后的杉木人工林采取近自然化管理,使林下植被自然演化,减少人为干扰。林下植被保留林分采取近自然化管理至今,林分密度为958 株/hm2,平均树高22.7 m,平均胸径31.9 cm,林下灌木层主要为粗叶榕(Ficushirta)、杜茎山(Maesajaponica)、大叶紫珠(Callicarpakochiana)和木荷(Schimasuperba)等,草本主要为薄盖短肠蕨(Allantodiahachijoensi)、金毛狗(Cibotiumbarometz)、观音莲座蕨(AngiopterisfokiensisHieron)和江南短肠蕨(Allantodiametteniana)等,草本层生物量6.7 t/hm2,林下植被总盖度92%；林下植被去除林分自2012年7月起,每年进行1次林下植被清理,林下灌木清除采用割灌机,林下草本采用镰刀手工割除,林分密度为983 株/hm2,平均树高22.3 m,平均胸径30.2 cm。2018年11月在2种林分下分别设置3个20 m×20 m样地,并在样地的4个角均打下水泥桩以作标记。不同林分类型土壤理化性质见表1。

参考相关文献[19-20],本研究共设置具有不同C/N比的4类杉木凋落叶：C/N比值60.9(记做CK)；C/N比值40.6(记做N1,约为杉木凋落叶C/N原始值的2/3)；C/N比值30.5(记做N2,约为杉木凋落叶C/N原始值的1/2)；C/N比值20.3(记做N3,约为杉木凋落叶C/N原始值的1/3),各处理重复4次。准确称取各样品所需的(10.000±0.005) g杉木凋落叶,将其整齐、紧凑地平铺于牛皮纸上。选取NaNO3作为氮源,根据前期预实验以溶液形式将不同浓度的NaNO3溶液均匀喷施于叶面,待其风干后测定C/N比值,重复几次,直至各处理样品的杉木凋落叶C/N比达到实验要求。将各处理的杉木凋落叶样品分别装入网眼0.5 mm、大小为20 cm×20 cm的尼龙分解袋中,于2018年12月分别放置于林下植被保留和林下植被去除共2种杉木人工林的3个预设样地内。放置时去除地表凋落物层,每个分解袋之间间隔50 cm,贴上标签,用竹钉固定四角在地表,保证分解袋紧贴表层土壤。每种处理分解袋纵向放置,处理间设置3 m的缓冲带。

表1 样地的土壤理化性质(0—20 cm)

分解袋放置300 d后进行取样,每个样地每个处理各取4袋,取样时戴一次性手套,每个分解袋均单独装入自封袋中,其中3袋用刷子清除凋落叶所附着的沙土和植物根系等杂质,于烘箱中80 ℃烘干至恒质量,称重后用粉碎机研磨过0.25 mm筛,用于测定凋落叶化学性质。各处理杉木凋落叶化学性质见表2。另1袋置于小型便携冰柜中带回试验室,用经酒精消毒的剪刀将凋落叶剪碎装入自封袋置于-80 ℃冰箱中保存,用于微生物群落多样性的测定。

表2 凋落叶分解300 d后化学性质(n=3)

1.4 杉木凋落叶干质量剩余率和化学性质测定

干质量计算公式为y=1-(W0-Wt)/W0×100%y=1-(W0-Wt)/W0×100%,W0为凋落叶分解初始干质量(g),Wt为分解t时间后剩余的凋落叶干质量。全氮和全碳含量采用全自动碳氮分析仪(Elemental Analyzer Vario ELIII,德国)测定。全磷含量测定采用碱熔-钼锑抗比色法,全钾含量测定采用碱熔-火焰光度法,全钙和全镁含量测定采用EDTA络合滴定法,全锰含量测定采用原子吸收分光光度法,以上分析方法参考文献[21]。

1.5 杉木凋落叶细菌群落结构及多样性测定

采用Mobio公司的PowerSoil DNA Isolation Kit微生物总DNA提取试剂盒提取杉木凋落叶总DNA。对提取后的DNA产物经琼脂糖凝胶电泳进行检测,合格DNA稀释至1 ng/μL保存于-80 ℃用于PCR扩增。采用带有barcode的特异引物扩增16S rRNA的V3+V4区,引物序列为341F：CCTACGGGNGGCWGCAG和806R：GGACTACHVGGGTATCTAAT。PCR反应体系：2.5 μL细菌模板DNA(5 ng/μL),上游引物和下游引物各5 μL(引物浓度1 μmol/μL),12.5 μL 2×KAPA HiFi HotStart ReadyMix。扩增程序为：95 ℃预变性2 min,随后98 ℃变性10 s,62 ℃退火30 s,68 ℃延伸30 s,共27个循环后68 ℃延伸10 min。对扩增产物切胶回收,使用QuantiFluorTM荧光计进行定量。将纯化的扩增产物进行等量混合,连接测序接头,使用New England Biolabs公司的NEB Next®UltraTMDNA Library Prep Kit for Illumina建库试剂盒进行文库的构建,构建好的文库经过Qubit定量和文库检测,合格后使用Hiseq2500(Illumina,SanDiego,CA,USA)的PE250模式上机测序。

1.6 数据处理

使用FLASH软件对原始数据进行质量过滤和双端序列的拼接,得到有效数据[22]。采用Uparse软件,对相似度≥97%的序列归为1个操作分类单元即OTU(Operational taxonomic unit)[23]并利用Greengene数据库进行物种注释。运用Qiime软件对所得优质序列进行OTU聚类和物种分类分析,对OTUs进行丰度、多样性指数等分析。运用R软件进行聚类分析、典范对应分析和方差分解分析。运用Lefse 1.0软件对组间差异进行分析。运用SPSS 23.0统计软件进行方差分析及Person相关性分析,使用由Origin 10.5和Exce1 2016软件处理进行作图。

2 结果与分析

2.1 分解300 d后杉木凋落叶干质量剩余率

由表3可知,外源氮的输入对于杉木凋落叶的分解具有低促高抑的作用。除N3处理,林下植被保留林分下的杉木凋落叶干质量剩余率均低于林下植被去除林分,可见林下植被保留管理措施更有利于杉木凋落叶的分解。但相比于林下植被去除林分,过低的初始C/N比对于林下植被保留林分中杉木凋落叶分解的抑制作用则更为明显。

表3 杉木凋落叶分解300 d后干质量剩余率/%

2.2 杉木凋落叶细菌多样性指数

去除掉低质量的序列后,样本平均序列条数为92549,将所有序列按97%的相似度进行OTU分类,所得的OTU总数为86427个,平均每个样品的OTU数目是3601个,结合表4中的Goods_coverage指数,可认为测序深度增加已不影响物种多样性,测序量足够,虽仍有少量微生物种群未被发现,但所得数据已基本反映凋杉木落叶中微生物群落结构组成,置信度较高。由表4可知,外源氮的输入对于杉木凋落叶细菌群落的Shannon指数、Simpson指数、Chao1指数和Ace指数普遍具有低促高抑的效应,一定范围内初始C/N比的降低有利于提升杉木凋落叶细菌群落多样性。就林分差异而言,林下植被保留林分中杉木凋落叶细菌群落的Shannon指数、Simpson指数、Chao1指数和Ace指数均高于林下植被去除林分中相同处理,表明林下植被保留林分中杉木凋落叶细菌群落多样性指数高于林下植被去除林分。但方差分析表明,不同处理间杉木凋落叶的Shannon指数、Simpson指数、Chao1指数和Ace指数差异普遍未达显著水平,不同初始C/N比对同一地区同一树种凋落叶的细菌群落多样性影响较小。

2.3 杉木凋落叶细菌聚类分析

基于OTU列表的物种丰度信息,开展聚类(PCoA,Principal co-ordinates analysis),利用降维的思想研究样本的组成距离关系,分析结果中,样品组成越相似,反映在PCoA图中的距离越近。如图1所示,林下植被保留林分中除N1处理下的杉木凋落叶各样品的聚集效应较差,其他处理下的各样品聚集效应较好,其中CK和N3处理下的杉木凋落叶样品细菌群落结构具有聚集效应,而与N2处理下的样品围绕第一主成分基本分开,表明两者间细菌群落结构相近,与N2处理细菌群落结构差异较大。林下植被去除林分中各处理下的杉木凋落叶聚集效应总体较好,除N1和N2处理下的杉木凋落叶样品细菌群落结构具有聚集效应,两者间细菌群落结构相近,其他处理下的样品则总体呈分离效应,各处理间细菌群落结构差异较大。采用Anosim检验(表5)对组间细菌群落相似度进行非参数检验,结果表明各处理间细菌群落结构普遍存在显著差异。

表4 杉木凋落叶细菌群落多样性指数

图1 杉木凋落叶细菌群落聚类图Fig.1 Clustering of bacterial community of Cunninghamia lanceolata litters

表5 组间细菌群落结构差异Anosim显著性检验

2.4 杉木凋落叶细菌群落结构

由图2可知,在细菌门分类水平上相对丰度前十的细菌种群为：变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、浮霉菌门(Planctomycetes)、酸杆菌门(Acidobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、绿弯菌门(Chloroflexi)、疣微菌门(Verrucomicrobia)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)、装甲菌门(Armatimonadetes)和厚壁菌门(Firmicutes)。变形菌门、放线菌门和浮霉菌门的相对丰度在各样品中均大于10%,为主要优势种群,其中林下植被保留林分中杉木凋落叶的放线菌、绿弯菌和芽单胞菌相对丰度均高于林下植被去除林分中相同处理,浮霉菌则相反。由图3可知,在细菌属分类水平上相对丰度前十的细菌种群为：慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium)、嗜酸栖热菌属(Acidothermus)、Singulisphaera属、出芽菌属(Gemmata)、鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)、类诺卡氏菌属(Nocardioides)、Jatrophihabitans属、游动放线菌属(Actinoplanes)、假诺卡氏菌属(Pseudonocardia)和动孢囊菌属(Kineosporia)。就林分差异而言,林下植被保留林分中杉木凋落叶Singulisphaera属和Jatrophihabitans属的相对丰度总体低于林下植被去除林分中相同处理。

图2 杉木凋落叶细菌群落物种分布堆叠图(门) Fig.2 Stacking diagram of species distribution of bacterial community of Cunninghamia lanceolata litters (Phylum)

图3 杉木凋落叶细菌群落物种分布堆叠图(属) Fig.3 Stacking diagram of species distribution of bacterial community of Cunninghamia lanceolata litters (Genus)

为进一步探究各处理下的杉木凋落叶具有指示作用的微生物种群,本研究通过LEFse分析组间种群差异,以LDA柱状图(默认阈值：LDA>2)以及进化分支图进行显示。由图4可知,林下保留林分中N3处理下的杉木凋落叶无显著差异细菌种群；CK处理下相对丰度显著较高的细菌种群数最多,主要为变形菌门中的多类细菌,如伯克氏菌属(Paucimonas)、Kaistia属、玫瑰球菌属(Roseococcus)、Methylophaga属、Aetherobacter属等,此外蓝细菌门(Cyanobacteria)、放线菌门以及拟杆菌门中同样存在多类细菌种群相对丰度显著较高；与CK处理相似,N1处理下相对丰度显著较高的细菌种群同样主要为变形菌和放线菌门中的多类细菌,如红假单胞菌属(Rhodopseudomonas)、Rhizobiale属,小月菌属(Microlunatus)和中村氏菌属(Nakamurella)等；N2处理下相对丰度显著较高的细菌种群仅有酸杆菌门中的Terracidiphilus属。

图4 林下植被保留措施下基于分类等级树的组间细菌种群差异展示图Fig.4 A diagram of bacterial population differences between groups based on taxonomic tree under undergrowth vegetation preservationA, Terracidiphilus; b, Hevea_brasiliensis_phytoplasma; c, 中村氏菌属 Nakamurella; d, 中村氏菌科 Nakamurellaceae; e, 小月菌属 Microlunatus; f: Solirubrobacter; g, Solirubrobacteraceae; h, 纤维素降解菌属 Chryseolinea; i, Vampirovibrionales; j, A0839; k: BCf3_20; l, 红假单胞菌属 Rhodopseudomonas; m, Kaistia; n, 玫瑰球菌属 Roseococcus; o, 玫瑰单胞菌属 Roseomonas; p, 伯克氏菌属 Paucimonas; q, Bdellovibrio_sp_ETB; r, Aetherobacter; s, Methylophaga

图5 林下植被去除措施下基于分类等级树的组间细菌种群差异展示图Fig.5 A diagram of bacterial population differences between groups based on taxonomic tree under undergrowth vegetation removalA, Saccharibacteria; b, Acidobacteriaceae_bacterium_SK_11; c, Phytoplasma_sp_RYL_GD; d, 链球菌属 Streptococcus; e, Rhodopila_globiformis

由图5可知,林下植被去除林分中,CK处理下的杉木凋落叶无显著差异细菌种群；N1处理下相对丰度显著较高的细菌种群为链球菌属(Streptococcus)和Rhodopila_globiformis,分别从属于厚壁菌门和变形菌门的红球状菌属(Rhodopila)；N2处理下相对丰度显著较高的细菌种群为Phytoplasma_sp_RYL_GD和Saccharibacteria门,Phytoplasma_sp_RYL_GD从属于放线菌门沼杆菌属(Patulibacter)；N3处理下相对丰度显著较高的细菌种群为Acidobacteriaceae_bacterium_SK_11,Acidobacteriaceae_bacterium_SK_11从属于酸杆菌门Acidicapsa属。

2.5 杉木凋落叶化学性质与细菌多样性指数的相关分析

由表6可知,杉木凋落叶C/P比值与Chao1指数和Ace指数呈显著正相关；钾含量与Chao1指数和Ace指数和呈显著负相关,与Goods_coverage指数呈显著正相关；钙含量与Shannon指数和Simpson指数呈极显著正相关；镁含量与Ace指数呈显著正相关,与Goods_coverage指数呈显著负相关；锰含量与Chao1指数和Ace指数呈显著负相关。

表6 杉木人工林凋落叶化学性质与细菌群落多样性的相关性

2.6 杉木凋落叶化学性质与主要细菌种群相对丰度的相关分析

由图6可知,在门分类水平,变形菌相对丰度与杉木凋落叶全氮含量呈显著负相关,与C/N比值呈极显著正相关,与C/P比值呈显著正相关；放线菌相对丰度与全氮含量呈显著负相关,与C/N和C/P比值呈极显著负相关；浮霉菌相对丰度与全镁含量呈显著正相关；酸杆菌相对丰度与N/P比值呈显著正相关；拟杆菌门相对丰度与全碳含量、C/N比值和C/P比值呈极显著正相关,与全氮含量和全钾含量呈显著负相关；绿弯菌相对丰度与全镁含量呈显著负相关；疣微菌相对丰度与全碳含量和C/N比值呈显著正相关；芽单胞菌相对丰度与全锰含量呈显著正相关；装甲菌相对丰度与全氮含量呈极显著负相关,与C/N比值呈显著正相关。可见在门分类水平,杉木凋落叶C/N比值与主要细菌种群相对丰度的相关性最高。

在属分类水平,嗜酸栖热菌相对丰度与杉木凋落叶全碳含量和C/N比值呈极显著负相关,与全氮含量呈显著正相关,与全钾含量呈极显著正相关；Singulisphaera属相对丰度与全镁含量呈极显著正相关；鞘氨醇单胞菌相对丰度与全碳含量和C/N比值呈极显著正相关,与全氮含量和呈显著负相关,与全钾含量呈极显著负相关；Jatrophihabitans属相对丰度与全碳含呈极显著负相关,与C/N和C/P比值呈显著负相关,与全镁含量呈极显著正相关；游动放线菌相对丰度与全锰含量呈显著正相关；沼杆菌相对丰度与全碳含量和C/N比值呈显著正相关,与全钾含量呈显著负相关；Acidicapsa属相对丰度与全镁含量呈显著正相关；Terracidiphilus属相对丰度与全碳含量呈显著负相关,与C/N比值呈极显著负相关,与全钾含量呈极显著正相关；红球状菌相对丰度与N/P比值呈显著正相关；蛭弧菌(Bdellovibrio)相对丰度与全碳含量和C/N比值呈极显著正相关,与C/P和N/P比值呈显著正相关,与全钾含量呈显著负相关；中村氏菌相对丰度与全钾含量呈显著负相关；小月菌属相对丰度与杉木凋落叶全锰含量呈显著正相关；Aetherobacter属相对丰度与全磷含量呈显著正相关,与全锰含量呈极显著正相关。可见在属分类水平,杉木凋落叶全碳含量、C/N比值和全钾含量与主要细菌种群相对丰度的相关性最高。

图6 杉木凋落叶化学性质与主要细菌种群相关性热图Fig.7 Heat map of correlation between main bacterial population and chemical properties of Cunninghamia lanceolata littersTC, 全碳 Total carbon; TN, 全氮 Total nitrogen; TP, 全磷 Total phosphorus; C/N, 碳氮比 C/N ratio; C/P, 碳磷比 C/P ratio; N/P, 氮磷比 N/P ratio; TK, 全钾 Total potassium; TCa, 全钙 Total calcium; TMg, 全镁 Total magnesium; TMn, 全锰 Total manganese, * P<0.05, ** P<0.01

2.7 杉木凋落叶细菌群落结构影响因子分析

本研究使用了典范对应分析(CCA,Canonical correspondence analysis)和方差分解分析(VPA,Variance partitioning analysis)研究杉木凋落叶化学性质与细菌群落之间关系。由图7可知,在门分类水平上第一主坐标轴解释了细菌群落结构30.7%的变异,第二主坐标解释了23.9%的变异,除全钙含量外,其余指标与杉木凋落叶细菌群落结构变异均具有较高的相关性,全碳含量、全氮含量,C/N比值、C/P比值、N/P比值、全钾含量、全镁含量和全锰含量对门分类水平上细菌群落结构变异的解释度分别为：9.8%、6.2%、2.2%、20.9%、17.2%、4.8%、3.6%、3.5%和1.8%。属分类水平上,第一主坐标轴解释了细菌群落结构44.1%的变异,第二主坐标解释了31.3%的变异,其中杉木凋落叶全碳含量、全氮含量,C/N比值、C/P比值、全钾含量和全镁含量与杉木凋落叶细菌群落结构变异的相关性较高,以上指标对属分类水平上细菌群落结构变异的解释度分别为：11.0%、7.5%、12.8%、5.1%、16.1%和0.3%。

图7 杉木凋落叶细菌种群典范对应分析Fig.7 Canonical correspondence analysis of bacterial community of Cunninghamia lanceolata litters

3 讨论

3.1 不同初始C/N比杉木凋落叶分解300 d后细菌多样性和群落结构的差异

受底物质量限制,杉木凋落物分解缓慢,周转期普遍需要4—5年[24],本研究表明一定范围内,初始C/N比的降低有利于杉木凋落叶的分解。由于固氮菌与纤维素分解菌存在着互生关系,后者为前者提供丰富的碳源,前者为后者提供氮元素[25],可见本研究中适量的外源氮输入能够提升凋落物质量水平,满足了分解者生命活动所需的氮,从而加速了杉木凋落叶的分解。相关学者认为相比于真菌,细菌在凋落物分解后期起着更为主要的作用[26-27],但本研究Anosim检验显示,具有不同初始C/N比值的杉木凋落叶在分解300 d时细菌群落结构已然具有明显差异。分解300 d时,变形菌门、放线菌门和浮霉菌门的相对丰度在各处理杉木凋落叶中相对丰度均大于10%,为主要优势种群,这与相关研究结果基本一致[28]。变形菌门和放线菌门是森林凋落物分解转化的主要种群,2门细菌中多类细菌种群属于腐生菌,参与纤维素和木质素的分解[29-30],LEFse分析表明,变形菌门和放线菌门中多类细菌种群相对丰度在不同处理间的杉木凋落叶中具有显著差异,且两者相对丰度与杉木凋落叶C/N比值具有显著相关关系。这可能表明变形菌门和放线菌门是杉木凋落叶在外源氮素调控下所影响的重要细菌门类,杉木凋落叶的初始C/N比影响着变形菌门和放线菌门的生长繁殖,进而作用于杉木凋落叶分解。值得注意的是本研究结果表明,外源氮的输入对于杉木凋落叶中变形菌门相对丰度具有低促高抑的作用,相关性分析则表明变形菌相对丰度与C/N比呈极显著正相关,而相关研究认为变形菌门是一类富营养型菌[28]。可见当C/N比过低时将导致其相对丰度的降低,这同样可能是N3处理下的杉木凋落叶干质量剩余率较高的重要原因。根据本课题组对该试验林分的土壤细菌的研究结果发现[17],相比于该林分土壤,杉木凋落叶中的浮霉菌门、拟杆菌门、装甲菌门相对丰度显著上升,产生该差异的原因可能是由于取样时间的不同所导致,但更有可能是该几门细菌直接或协同其他微生物种群参与了对杉木凋落叶的分解。细菌作为异养生物,由于其分解利用所喜好的有机化合物类型的差异,相比于土壤,参与纤维素和木质素分解的细菌种群可能在杉木凋落叶中大量聚集生长,相对丰度明显上升。而已有研究证实浮霉菌门和装甲菌门具有降解多环芳烃类化合物的作用,促进有机碳的矿化[31-32],拟杆菌门则具有直接参与木质纤维素的降解[33]。在属分类水平上,也同样证实慢生根瘤菌属、嗜酸栖热菌属、出芽菌属和鞘氨醇单胞菌属等多类细菌为土壤中参与碳氮循环的重要细菌种群[34-37]。由于不同的树种凋落物中所含碳源类型的不同,稳定的林分环境驱使着土壤微生物集群定向进化,形成所谓的主场效应[28],故而杉木凋落叶实际上起到了细菌的培养基质的作用,基本可认定以上细菌是该地区杉木人工林生态系统主导凋落物分解的主要细菌种群。

外源氮的输入对于杉木凋落叶细菌群落多样性具有低促高抑的效应,外源氮的输入为细菌提供了富营养生境,有利于杉木凋落叶的细菌群落多样性的提升。但当C/N比过低时,将使得某些专性细菌大量繁殖,致使杉木凋落叶细菌群落结构多样性下降。例如LEFse分析中就发现林下植被去除林分中N3处理下的杉木凋落叶中酸杆菌门中的Acidobacteriaceae_bacterium_SK_11,以及林下植被保留林分中N2处理下的酸杆菌门的Terracidiphilus属的相对丰度显著上升。酸杆菌属嗜酸性细菌[38],这可能指示着外源氮的过量输入导致细菌所处生境酸化,不利于其他细菌种群生存繁殖。就林分差异而言,林下植被保留林分中杉木凋落叶细菌群落的多样性指数均高于林下植被去除林分中相同处理。Benizri等[39]研究表明,微生物多样性与林内物种多样性呈显著正相关,杉木人工林群落结构单一,丰富多样的林下植被使得杉木人工林森林生态系统食物网趋于复杂,环境趋于异质化,并有利于土壤中养分的积累,细菌种群也随之增多。由于研究普遍认为,微生物种群多样性的提高有利于提升林分抗逆性和养分周转能力[16],故而林下植被保留管理措施可能更有利于杉木人工林凋落物的分解。但值得注意的是,相比于林下植被去除林分,过低的初始C/N比对于林下植被保留林分中杉木凋落叶分解的抑制作用更为明显,这可能与外源氮对于杉木凋落叶分解的调控作用受林分环境影响有关。与林下植被去除林分相比,林下植被保留林分中土壤氮含量较高,环境中氮的含量更易超过土壤微生物所需的阈值,细菌种群多样性下降,进而导致分解速率变缓。

杉木人工林目前面临着土壤质量下降、生产力降低、连栽更新障碍等困境,如何认识杉木人工林土壤中的微生物差异和功能并在经营管理中加以利用就显得尤为重要。未来有必要采用功能基因组学技术在获取微生物群落结构信息的同时,对其中有机碳降解以及氮磷循环等功能基因的多样性和结构进行研究,从而对外源氮素调控下杉木凋落叶内在的微生物分解机制有着更进一步的研究。此外,由于杉木凋落叶周转期较久,加之不同的微生物种群对于凋落物中碳源选择能力的差异,不同分解阶段微生物群落结构有所不同,杉木凋落叶中的微生物群落结构有待进一步的跟踪测定。

3.2 细菌群落多样性与杉木凋落叶化学性质的关系

相关性分析表明在门和属分类水平,均发现杉木凋落叶C/N比与主要细菌种群相对丰度的相关性最为紧密,表明对于细菌多类种群而言,适宜的碳氮计量比例对其具有重要意义。而钙元素和镁元素含量与杉木凋落叶细菌群落多样性具有显著相关性,表明除了碳、氮、磷以外,钙、镁等元素同样是影响细菌群落多样性的重要因子,其含量的提高可为更多的细菌生长提供有利的环境条件。典范对应分析和方差分解分析表明,在门分类水平杉木凋落叶C/P比值和N/P比值对细菌群落结构分布变异具有较高解释度,在属分类水平杉木凋落叶钾含量对细菌群落结构分布变异具有较高解释度。驱动生态系统碳循环过程中微生物的分解活动需要多种化学元素以及适应的养分计量比例,而磷元素和钾元素同样在其中发挥了重要作用[40-41]。通过对该林分土壤细菌群落结构的进行测定,结果也同样表明土壤全磷含量对细菌群落结构影响显著[17],本研究区地处亚热带,土壤多呈酸性反应,淋溶作用强烈,磷元素和钾元素相对耗竭,在碳源和氮源充沛的条件下,两者可能是该生态系统中影响杉木凋落叶细菌群落结构差异更为重要的限制因子。此外较多细菌种群相对丰度与镁元素和锰元素含量呈显著正相关,如Singulisphaera属、Jatrophihabitans属、小月菌属和Aetherobacter属等。由于亚热带地区高温多雨易造成土壤中镁和锰的淋溶的缺乏,尤其主导木质素分解的锰过氧化物酶本身就是一类需要锰元素参与合成的土壤胞外酶,而相关研究表明大约需要25种化学元素才能驱动整个生态系统碳循环过程中的树木生长、分解、微生物繁殖[42],在未来的研究中其他中微量元素在凋落物分解过程中的重要作用应加以重视。同时本研究发现,凋落物的分解速率不仅受底物质量的限制,与所在分解环境也密切相关,在设计试验方案时对林分环境,尤其是表层土壤中的化学元素含量需加以考量。

4 结论

本研究采用高通量测序技术,对不同林分环境中,不同C/N比杉木凋落叶分解300 d时细菌群落结构进行测定,揭示了杉木人工林养分周转的内在微生物机理。结果表明变形菌门、放线菌门和浮霉菌门为本研究区分解杉木凋落叶主要细菌种群,杉木凋落叶初始C/N比值降低改变了变形菌门、放线菌门和酸杆菌门等细菌门中的多类细菌的相对丰度,进而调控了杉木凋落叶的分解。林下植被保留措施下的杉木人工林杉木凋落叶细菌群落多样性更高,更有利于杉木凋落叶的分解。

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