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.
In order to comprehensively understand the soil microbial carbon utilization characteristics of Pinus koraiensis forests, we took the topsoil ( 0-5 cm and 5-10 cm ) along the 700-1100 m altitude in Changbai Mountains and analyzed the vertical distributed characteristics and variation of microbial functional diversity along the elevation gradient by Biolog microplate method. The results showed that there were significant differences in functional diversity of microbial communities at different elevations. AWCD increased with the extension of incubation time and AWCD at the same soil depth gradually decreased along with increasing altitude; Shannon, Simpson and McIntosh diversity index also showed the same trend with AWCD and three different diversity indices were significantly different along the elevation gradient; Species diversity and functional diversity showed the same variation. The utilization intensities of six categories carbon sources had differences while amino acids were constantly the most dominant carbon source. Principal component analysis (PCA) identified that soil microbial carbon utilization at different altitudes had obvious spatial differentiation, as reflected in the use of carbohydrates, amino acids and carboxylic acids. In addition, the cluster of the microbial diversity indexes and AWCD values of different altitudes showed that the composition of vegetation had a significant impact on soil microbial composition and functional activity.
全 文 :不同海拔红松林土壤微生物功能多样性∗
韩冬雪 王 宁 王楠楠 孙 雪 冯富娟∗∗
(东北林业大学, 哈尔滨 150040)
摘 要 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.
关键词 红松林 海拔 土壤微生物 功能多样性 Biolog
文章编号 1001-9332(2015)12-3649-08 中图分类号 Q938 文献标识码 A
Soil microbial functional diversity of different altitude Pinus koraiensis forests. HAN Dong⁃
xue, WANG Ning, WANG Nan⁃nan, SUN Xue, FENG Fu⁃juan (Northeast Forestry University,
Harbin 150040) . ⁃Chin. J. Appl. Ecol., 2015, 26(12): 3649-3656.
Abstract: In order to comprehensively understand the soil microbial carbon utilization characteris⁃
tics of Pinus koraiensis forests, we took the topsoil ( 0-5 cm and 5-10 cm ) along the 700-1100 m
altitude in Changbai Mountains and analyzed the vertical distributed characteristics and variation of
microbial functional diversity along the elevation gradient by Biolog microplate method. The results
showed that there were significant differences in functional diversity of microbial communities at dif⁃
ferent elevations. AWCD increased with the extension of incubation time and AWCD at the same soil
depth gradually decreased along with increasing altitude; Shannon, Simpson and McIntosh diversity
index also showed the same trend with AWCD and three different diversity indices were significantly
different along the elevation gradient; Species diversity and functional diversity showed the same
variation. The utilization intensities of six categories carbon sources had differences while amino
acids were constantly the most dominant carbon source. Principal component analysis (PCA) iden⁃
tified that soil microbial carbon utilization at different altitudes had obvious spatial differentiation, as
reflected in the use of carbohydrates, amino acids and carboxylic acids. In addition, the cluster of the
microbial diversity indexes and AWCD values of different altitudes showed that the composition of
vegetation had a significant impact on soil microbial composition and functional activity.
Key words: Pinus koraiensis forest; altitude; soil microorganism; functional diversity; Biolog.
∗国家自然科学基金项目(41105104)、长白山科学研究院开放基金项
目(201506)和中央高校基本科研业务费专项(2572015EA02)资助.
∗∗通讯作者. E⁃mail: ffj9018@ sina.com
2015⁃01⁃22收稿,2015⁃09⁃11接受.
土壤微生物是构成土壤及整个生态系统的重要
组成部分[1],是土壤有机质和养分转化与循环的主
要动力[2-3],在生态系统中扮演着必不可少的角
色[4],对陆地生态系统发挥着至关重要的功能[5] .因
此,研究土壤微生物对了解土壤肥力、土壤环境、土
壤养分对植物的有效性以及土壤养分转化与循环具
有重要意义[6] .
土壤微生物群落多样性反映了群落总体的动态
变化[7],通过对土壤微生物多样性进行分析能够为
应 用 生 态 学 报 2015年 12月 第 26卷 第 12期
Chinese Journal of Applied Ecology, Dec. 2015, 26(12): 3649-3656
解决森林生态环境失衡、保护和合理利用原始森林
提供理论基础[8] .其中土壤微生物群落功能多样性
是表达土壤微生物群落状态与功能的重要指标之
一,可以评价土壤中微生物的生态特征和土壤的肥
力特征[9-10] .微生物功能多样性信息对于明确不同
环境中微生物群落的作用具有重要意义[11] .此外,
对于森林生态系统来说,土壤碳库的变化主要取决
于土壤有机碳的稳定性[12],土壤有机碳代表了地球
表层陆地生态系统最大的碳库[13],其微小变化将引
起大气浓度的较大波动[14] .土壤有机碳的重要组成
部分是活性有机碳,活性有机碳是土壤微生物活动
能源和土壤养分的驱动力[13,15],微生物的碳代谢特
征对于活性有机碳的循环及稳定性具有重要影
响[16] .
以红松(Pinus koraiensis)为建群种的红松混交
林是我国东北地区最有代表性的地带性顶极植被,
是我国温带针阔混交林带内最典型、最多样、最重要
的森林生态系统[17] .红松阔叶林也是全球北方森林
的组成部分.该区域气候寒冷、土壤潮湿、有岛状永
久性冻土存在,属于全球气候变化敏感区域,对各种
气候因素如气温、能量、水分和风速等有重新分配作
用[18],因此能对局部地区的气温、降水、CO2排放和
土壤碳库贮备等产生重大影响.红松林特殊的生态
学意义早就引起了众多学者的关注,2010 年娄鑫
等[18]对其土壤微生物功能多样性展开了研究,但截
至目前对其功能多样性沿海拔分布规律的研究尚属
空白,无法较为全面地评价不同海拔红松林土壤微
生物的代谢特征.
长白山是研究温带森林对全球气候变化正负反
馈的理想地带,具有显著的区域特性.长白山是红松
分布的中心区之一,具有最具代表性的呈垂直梯度
分布的原始红松林[19] .本研究在长白山海拔 700 ~
1100 m的红松林内分别设立样地,以 0~5 cm和 5~
10 cm 表土为研究对象,采用 Biolog⁃ECO 微平板检
测法分析了土壤微生物群落功能多样性沿海拔的垂
直分布特征和变化规律,探讨其差异的形成机制,以
期全面了解和评价红松林土壤微生物的碳源利用特
点.研究结果将为阐明不同海拔红松林土壤有机碳
动态及其碳循环特征提供理论基础,为系统地认识
温带地区高山生态系统土壤碳循环规律提供参考.
1 研究地区与研究方法
1 1 研究区概况
试验样地设在吉林省长白山自然保护区北坡
(41°41′49″—42°25′18″ N,127°42′55″—128°16′48″ E),为
受季风影响的典型的温带大陆性山地气候,具有冬
季寒冷漫长、夏季短暂温凉的特点,土壤类型为暗棕
壤.从山脚到山顶,年降水量变幅在 800 ~ 1800 mm,
年相对湿度为 65~74%,年均气温在-7.3~4.9 ℃ .本
研究采用梯度格局法,在海拔 700 ~ 1200 m 之间每
100 m 选择有红松林分布的林地作为样地.海拔
699~937 m分布着阔叶红松林,其中,699 m 主要树
种有: 红松、色木槭(Acer mono)、紫椴(Tilia amuren⁃
sis)、水曲柳(Fraxinus mandshurica)、蒙古栎(Quer⁃
cus mongolica)、大青杨(Populus ussuriensis), 818 m
主要树种有: 红松、白桦(Betula platyphylla)、紫椴、
水曲柳、臭冷杉(Abies nephrolepis)、黄波罗(Phello⁃
dendron amurense)、红皮云杉(Picea koraiensis),937
m主要树种有: 红松、紫椴、蒙古栎、臭冷杉、鱼鳞云
杉(P. jezoensis)、白牛槭(Acer mandshuricum)、色木
槭(A. mono)、裂叶榆(Ulmus laciniata)、落叶松(Lar⁃
ix gmelinii)、枫桦 ( B. costata)、山杨 ( P. davidia⁃
na);海拔 1044 m分布着阔叶红松林与云冷杉红松
林,主要树种有:红松、鱼鳞云杉、红皮云杉、臭冷杉、
色木槭、紫椴、水曲柳、香杨 ( P. koreana)、青杨
(P. cathayana)、 落 叶 松 ( L. gmelinii )、 青 楷 槭
(A. tegmentosum);海拔 1177 m 分布着云冷杉红松
林,主要树种有: 红松、臭冷杉、鱼鳞云杉、长白落叶
松 (L. olgensis)、红皮云杉、白桦.
1 2 样品采集
每一林地内按“S”型布设 10个 1 m×1 m样方,
采用自然土壤剖面取样法,根据土壤剖面的颜色、结
构、质地、松紧度、湿度、植物根系分布等, 自下而上
采集 5~10、0~5 cm的土壤样品.去除样方上的凋落
物层及土壤动物等,用无菌袋将土样封袋保存,放入
有冰袋的泡沫盒中带回实验室,过 2 mm 筛后,一部
分用于土壤微生物群落功能多样性的测定,另一部
分土样风干,用于 pH 等土壤理化性质的测定
(表 1).
1 3 Biolog⁃ECO分析
1991年,Garland 和 Mills[20]首次将 Biolog 微孔
板应用于土壤微生物群落的研究.本研究采用
Biolog⁃ECO微平板法对不同海拔红松林土壤微生物
功能多样性进行分析.具体方法参照 Classen等[21] .
1 4 数据处理
AWCD反映微生物群落整体代谢活性[22-24]:
AWCD =∑(C i - R) / 31
0563 应 用 生 态 学 报 26卷
表 1 不同海拔样地的土壤理化性质
Table 1 Physicochemical parameters of soils at different altitudes
处理
Treatment
碱解氮
Available N
(mg·kg-1)
速效磷
Available P
(mg·kg-1)
速效钾
Available K
(mg·kg-1)
总有机碳
TOC
(g·kg-1)
含水率
Water content
(%)
pH
Ⅰa 407.75 68.17 488.04 71.33 50.79 5.41
Ⅰb 372.75 50.20 554.88 59.44 43.96 5.23
Ⅱa 418.25 53.89 403.32 65.39 38.03 5.62
Ⅱb 278.25 41.20 422.52 101.05 27.97 5.35
Ⅲa 530.25 54.95 1027.08 77.28 57.97 5.43
Ⅲb 565.25 46.49 691.68 59.44 52.30 5.20
Ⅳa 407.75 60.24 678.72 83.22 51.61 5.32
Ⅳb 276.50 42.79 252.96 56.19 32.54 5.13
Ⅴa 318.50 52.31 278.88 89.17 34.17 5.02
Ⅴb 162.75 17.41 164.64 62.42 30.19 4.94
海拔 Altitude: I: 700 m; Ⅱ: 800 m; Ⅲ: 900 m; Ⅳ: 1000 m; Ⅴ: 1100 m. a) 0~5 cm; b) 5~10 cm. TOC: Total organic carbon. 下同 The same
below.
Shannon指数[25-26]:
H =-∑P i lnP i
Simpson指数[23,26]:
D = 1 -∑P i 2
McIntosh指数[23,27]:
U = ∑ni 2
式中:C i为第 i个碳源孔 OD 值;R 为对照孔 OD 值,
若 C i-R≤0,计为 0;ni是第 i 孔的相对吸光度值;P i
为 ni与整个平板相对吸光值总和的比率.
采用 SPSS 19.0软件进行主成分分析(PCA)和
单因素方差分析(one⁃way ANOVA),用 S⁃N⁃K 法进
行差异显著性检验,显著性水平设为 α = 0.05[22,27];
采用 Sigmaplot 12.5软件绘图.
2 结果与分析
2 1 土壤微生物对碳源利用的动力学特征
平均每孔颜色变化率(AWCD)反映了微生物群
落对单一碳源的利用强度,是微生物群落功能多样
性的一个重要指标,可作为微生物整体活性的有效
指标反映土壤微生物的代谢活性[28] .从图 1 可以看
出,随着培养时间的增加 AWCD值也逐渐增加.24 ~
168 h AWCD 值快速增加,说明微生物不断适应
ECO板各孔的环境,处于指数生长期,碳源被大量
利用,此时微生物代谢活性旺盛;随着培养时间的延
长,168 h以后缓慢步入稳定期.
土壤微生物群落的 AWCD 值随着海拔的增加
逐渐降低.700 ~ 900 m AWCD 值为上层土大于下层
土,1000~1100 m为下层土大于上层土.
图 1 不同海拔土壤微生物平均颜色变化率
Fig.1 Average well color development of soil microorganisms at
different altitudes.
海拔 Altitude: I: 700 m; Ⅱ: 800 m; Ⅲ: 900 m; Ⅳ: 1000 m; Ⅴ:
1100 m. a) 0~5 cm; b) 5~10 cm. 下同 The same below.
2 2 土壤微生物群落多样性指数分析
对 168 h 的 AWCD 值进行了 Shannon、Simpson
和 McIntosh多样性指数分析,可以在数量特征上相
对反映土壤微生物群落物种组成和个体数量分布的
情况[7] .由表 2可知,随着海拔升高,上、下土层的 3
个指数均表现出下降的趋势,700 ~ 900 m 表现为上
层土壤大于下层,而 1000 和 1100 m 为下层土壤大
于上层,与 AWCD 值随海拔的变化规律一致.不同
海拔之间 Shannon、Simpson 和 McIntosh 指数均差异
显著,而不同土层间 3 个多样性指数的差异均未达
到显著水平.对所有土样的 3 个指数和 AWCD 值进
行聚类分析,10个土样基本上聚成两部分:700~900
m聚到一起,1000和 1100 m聚到一起(图 2).
2 3 土壤微生物群落对不同类型碳源的利用强度
Biolog ⁃ECO板中共含有31种碳源[11,22] ,其中
156312期 韩冬雪等: 不同海拔红松林土壤微生物功能多样性
表 2 土壤微生物群落多样性指数
Table 2 Diversity index of soil microbial communities
处理
Treatment
Shannon指数
H
Simpson指数
D
McIntosh指数
U
Ⅰa 3.29±0.02a 0.96±0.00a 41.89±1.58a
Ⅰb 3.30±0.04a 0.96±0.00a 41.23±3.93a
Ⅱa 3.32±0.00a 0.96±0.00a 39.78±1.89a
Ⅱb 3.24±0.01a 0.96±0.00a 37.33±1.41a
Ⅲa 3.25±0.03ab 0.96±0.00a 40.40±0.62a
Ⅲb 3.13±0.03ab 0.95±0.00a 35.42±2.51a
Ⅳa 3.11±0.02b 0.95±0.00a 28.31±2.42b
Ⅳb 3.01±0.03b 0.95±0.00a 30.30±0.70b
Ⅴa 2.78±0.05c 0.93±0.01b 24.68±1.21b
Ⅴb 2.84±0.03c 0.93±0.00b 28.47±0.58b
同列不同字母表示差异显著(P< 0.05) Different letters in the same
column meant significant difference among treatments at 0.05 level.下同
The same below.
图 2 不同海拔土壤微生物群落多样性指数聚类分析
Fig.2 Cluster analysis of diversity index of soil microbial com⁃
munities at different altitudes.
碳水类(10种)、氨基酸类(6 种)、羧酸类(7 种)、多
聚物(4种)、酚酸类(2 种)和胺类(2 种).由图 3 得
知,不同海拔红松林土壤微生物群落对不同类型碳
源的利用强度明显不同,随着海拔的升高,其对不同
类型碳源的利用强度均呈下降趋势.其中,对碳水类
图 3 不同海拔土壤微生物群落对不同碳源的利用率
Fig.3 Use efficiency of carbon sources by soil microbial com⁃
munities at different altitudes.
1) 碳水化合物类 Carbohydrate; 2) 氨基酸类 Amino acids; 3) 羧酸
类 Carboxylic acids; 4) 多聚物 Polymer; 5) 酚酸类 Phenolic acids;
6) 胺类 Amine.
和多聚物类碳源的利用强度受海拔影响较大,特别
是对羧酸类碳源的利用在各海拔间的差异达到极显
著水平;而氨基酸类、酚酸类和胺类则差异均不显
著.不同土层间,除羧酸类碳源的利用强度差异显著
外,其余均未达到显著差异水平.整体来看,土壤微
生物对氨基酸类碳源利用最多,其次是多聚物和酚
酸类,对碳水类、羧酸类和胺类碳源的利用则相对较
少.可见红松林下土壤微生物比较偏好的碳源类型
为氨基酸类、多聚物和酚酸类.
2 4 不同海拔土壤微生物群落功能的主成分分析
对培养 168 h的 AWCD值进行微生物群落功能
主成分分析(PCA),其中第一主成分(PC1)和第二
主成分 ( PC2) 的方差贡献率分别为 72. 8% 和
13 1%,累积方差贡献率为 85 9%,说明 PC1和 PC2
是微生物群落碳源利用变异的主要来源,可以解释
变异的绝大部分信息.从图 4 可以看出,不同海拔红
松林土壤微生物群落在碳源利用上有明显的空间分
异,而且在 PC1和 PC2 上的得分系数均差异显著,
可见土壤微生物群落碳代谢特征受海拔的显著影
响.在 PC2轴上,各样地土壤微生物碳源利用的主成
分分析得分排序为:700 m>800 m>900 m>1000 m>
1100 m,与 AWCD 值和多样性指数的分析结果一
致,总体呈现随海拔升高对碳源利用活性下降的趋
势.土壤微生物群落明显分为 3 簇:700 m 上层土和
800 m上层土聚为一簇,1000 和 1100 m 聚为一簇,
其他为一簇.表明 700 m 上层土和 800 m 上层土土
壤微生物对 31 种碳源的利用比较相似,1000 和
1100 m样地土壤微生物对 31种碳源的利用相似.
31种碳源在 2 个主成分上的载荷值见表 3,初
始载荷因子反映主成分与碳源利用的相关系数,载
荷因子越高表示碳源对主成分的影响越大[29] .从表3
图 4 不同海拔土壤微生物群落功能的主成分分析
Fig.4 Principal component analysis of soil microbial community
function at different altitudes.
2563 应 用 生 态 学 报 26卷
表 3 31种碳源与主成分 1、2的相关系数
Table 3 Correlation coefficients of 31 carbon sources with PC1 and PC2
类别
Category
碳源类型
Chemical guild
主成分 1
PC1
主成分 2
PC2
类别
Category
碳源类型
Chemical guild
主成分 1
PC1
主成分 2
PC2
碳水化合物类
Carbohydrate
β⁃甲基⁃D⁃葡萄糖苷
β⁃methyl⁃D⁃glucoside
0.748 -0.151
D⁃半乳糖酸⁃γ⁃内脂
D⁃galactonic acid⁃γ⁃lactone
0.715 0.336
D⁃木糖
D⁃xylose
0.349 0.377
i⁃赤藓糖醇
i⁃erythritol
0.895 0.199
D⁃甘露醇
D⁃mannitol
-0.234 0.328
N⁃乙酰⁃D⁃葡萄糖胺
N⁃acetyl⁃D⁃glucosamine
0.088 0.809
D⁃纤维二糖
D⁃cellobiose
0.906 -0.201
α⁃D⁃葡萄糖⁃1⁃磷酸
α⁃D⁃glucose⁃1⁃phosphate
0.767 -0.345
α⁃D⁃乳糖
α⁃D⁃lactose
0.949 -0.023
D,L⁃α⁃磷酸甘油
D,L⁃α⁃glycerol phosphate
0.584 -0.387
氨基酸类
Amino acids
L⁃精氨酸
L⁃arginine
0.740 0.008
L⁃天门冬酰胺
L⁃asparagine
0.447 0.280
L⁃苯基丙氨酸
L⁃phenylalanine
0.769 -0.152
L⁃丝氨酸
L⁃serine
0.415 0.637
L⁃苏氨酸
L⁃threonine
0.566 0.213
甘氨酰⁃L⁃谷氨酸
Glycyl⁃L⁃glutamic acid
0.905 0.125
羧酸类
Carboxylic
acids
丙酮酸甲酯
Pyruvic acid methyl ester
0.788 0.059
D⁃半乳糖醛酸
D⁃galacturonic acid
0.131 -0.677
γ⁃羟丁酸
γ⁃hydroxybutyric acid
0.646 -0.307
D⁃葡萄糖胺酸
D⁃glucosaminic acid
0.887 -0.315
衣康酸
Itaconic acid
0.897 0.098
α⁃丁酮酸
α⁃ketobutyric acid
0.583 -0.424
D⁃苹果酸
D⁃malic acid
0.704 -0.439
多聚物类
Polymer
吐温 40
Tween 40
0.856 0.228
吐温 80
Tween 80
0.781 0.457
α⁃环式糊精
α⁃cyclodextrin
0.732 -0.021
肝糖
Glycogen
0.874 -0.169
酚酸类
Phenolic
acids
2⁃羟基苯甲酸
2⁃hydroxy benzoic acid
0.797 -0.263
4⁃羟基苯甲酸
4⁃hydroxy benzoic acid
0.820 0.375
胺类
Amine
苯乙胺
Phenylethyl⁃amine
0.959 0.034
腐胺
Putrescine
0.593 0.373
可以看出,与 PC1具有较高相关性的碳源有 17 种,
其中碳水化合物类 5 种、氨基酸类 3 种、羧酸类 3
种、多聚物 3种、酚酸类 2种、胺类 1种;与 PC2具有
较高相关性的碳源有 3种,包括碳水化合物类 1 种、
氨基酸类 1种、羧酸类 1种.综合与 PC1和 PC2具有
较高相关性的碳源类型发现,对土壤微生物群落代
谢特征起分异作用的主要碳源类型为碳水类、氨基
酸类和羧酸类,即微生物功能多样性的垂直地带性
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,其中碳水类碳源尤为突出.
表 4 土壤微生物多样性指数与理化性质的相关系数
Table 4 Correlation coefficients of physiochemical proper⁃
ties and diversity indices of soil microbial community
AWCD H D U
碱解氮 Available N 0.484 0.538 0.515 0.483
速效磷 Available P 0.449 0.529 0.547 0.389
速效钾 Available K 0.460 0.548 0.550 0.480
总有机碳 TOC -0.125 -0.047 -0.007 -0.163
含水率 Water content 0.386 0.452 0.415 0.409
pH 0.814∗ 0.869∗ 0.845∗ 0.730∗
∗P<0.05.
2 5 土壤微生物代谢特性与土壤理化性质的相
关性
从表 4 可以看出,碱解氮、速效磷、速效钾含量
和含水率与微生物的代谢活性和群落多样性呈正相
关,pH与微生物的代谢活性和群落多样性呈显著正
相关,总有机碳含量与微生物的代谢活性和群落多
样性呈负相关关系.
3 讨 论
在本研究中,随着培养时间的延长,AWCD 值
呈上升趋势,且随着海拔的升高 AWCD 值下降,与
吴则焰等[30]对武夷山不同海拔植被带(常绿阔叶
林、针叶林、亚高山矮林、高山草甸)土壤微生物群
落多样性的研究规律一致.他们发现,土壤平均颜色
变化率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,其原因是土壤
养分含量随海拔发生变化所致.从表 1 可以看出,本
研究样地的土壤养分含量随着海拔的升高,除总有
机碳外,碱解氮、速效磷和速效钾含量均呈现下降趋
356312期 韩冬雪等: 不同海拔红松林土壤微生物功能多样性
势,而且 AWCD值和 3 个多样性指数也与碱解氮、
速效钾和速效磷含量呈正相关(表 4),从而进一步
验证了土壤养分的垂直地带性变化是土壤微生物功
能活性差异的影响因素之一.通常情况下,随土层加
深,微生物活性会呈现下降的趋势[8,10,30],但本研究
发现海拔 1000 和 1100 m 下层土的 AWCD 值高于
上层土,可能是由于 1000 和 1100 m 样地地表几乎
全被苔藓植物覆盖,而苔藓植物对土壤有一定的改
造能力,其渗滤液具有抗菌性,可以通过渗滤液影响
微生物活性,从而影响微生物群落结构[31] .
Shannon、Simpson 和 McIntosh 指数分别表征土
壤中微生物群落的丰富度、优势度及均匀度[7,32] .随
着海拔升高,3个多样性指数均呈现下降趋势,且各
海拔之间 Shannon、Simpson 和 McIntosh 指数均差异
显著.可见海拔对土壤微生物群落多样性产生了显
著的影响,且与 AWCD 值随海拔的变化规律一致.
这与华建峰等[32]对砷矿区农田土壤微生物的研究
结果一致.
土壤微生物群落对不同类型碳源的利用强度存
在一定的差异,各海拔红松林土壤微生物对氨基酸
类碳源的利用率最高,为优势碳源,主要包括 L⁃天
门冬酰胺、L⁃精氨酸和 L⁃丝氨酸;微生物功能多样性
的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.娄鑫等[33]对凉水自然保护
区的原始红松林土壤微生物多样性研究中也得出了
相同的结论.崔晓阳等[34]在对原始森林土壤 NH4
+ /
NO3
-生境特征和某些针叶树种的适应性研究中发
现,喜 NH4
+的针叶树种根部分布着具有较高活性的
可将游离 NH4
+转化为谷氨酸的几种酶; Vinolas
等[35]也发现,植物能够帮助将土壤中的 NH4
+转化
为氨基酸.因此,在红松林土壤中以 NH4
+占绝对优
势的“氮营养生境”下,NH4
+主要在红松根部通过
GS / GOGAT途径同化为氨基酸,为微生物提供了氨
基酸类碳源.那么,土壤微生物表现出的对碳源利用
的“喜铵性”可能是对土壤环境长期的进化适应.
土壤微生物对 31 种碳源的利用主成分分析得
知,5个海拔中,1000 和 1100 m 样地土壤微生物对
碳源的利用特征更为相似(图 4),这和样地的植物
群落组成有一定的关系.从海拔 1000 m 开始由阔叶
红松林向云冷杉红松林过渡,样地中针叶树种比例
增大,因此作为主要输入碳源的凋落物中增加了大
量难以分解的木质素[36],不同碳源的输入可能导致
土壤微生物代谢特征发生一定的改变,使其对碳源
利用的种类和强度均发生变化.刘秉儒等[29]和吴则
焰等[30]也指出,地上的植物多样性会通过凋落物的
差异对土壤微生物功能代谢产生重要影响.此外,对
土壤微生物的多样性指数和 AWCD 值进行聚类分
析(图 2),700~900 m 聚到一起,1000 和 1100 m 聚
到一起,更为有力地证明了红松林中针叶和阔叶树
种的比例会对土壤微生物的组成和功能活性产生重
要的影响.
综上所述,长白山不同海拔红松林土壤微生物
群落代谢特征具有较为明显的垂直地带性差异.
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作者简介 韩冬雪,女,1990年生,硕士研究生. 主要从事土
壤微生物研究. E⁃mail: 924355198@ qq.com
责任编辑 肖 红
6563 应 用 生 态 学 报 26卷