全 文 ：第 24 卷 第 10 期 干 旱 区 资 源 与 环 境 Vol． 24 No． 10
2010 年 10 月 Journal of Arid Land Resources and Environment Oct． 2010
文章编号:1003 － 7578(2010)10 － 133 － 05
油松、虎榛子不同林型土壤微生物功能多样性研究
*
齐雅静1，白淑兰1，闫伟2，邵东华1，韩胜利1
(1．内蒙古农业大学林学院 呼和浩特 010019;2．内蒙古鄂尔多斯林业研究所 鄂尔多斯 017000)
提 要:研究应用 BIOLOG 技术，对油松、虎榛子不同林型根际土和根围土微生物功能多样性进行了测
试，目的是了解油松、虎榛子不同林型中微生物功能多样性变化规律，最终探明在自然森林生态系统中虎榛子
的存在对油松的促生作用机理。结果表明:虎榛子纯林根际土的 AWCD 值增长的最快;微生物群落多样性指
数和群落主成分分析都显示混交林根际土中的微生物最为稳定;主成分分析显示，起不同生态作用的主要为糖
类，其次是羧酸类、氨基酸类和多聚类化合物。
关键词:根际土;根围土;BIOLOG技术
中图分类号:S718． 8 文献标识码:A
油松(Pinus tabulaeformis)隶属于松科松属的常绿乔木，是中国特有树种，耐干旱和瘠薄，能生长在年
降水量 250mm的贺兰山和阴山地区。因此在我国北方常被作为干旱阳坡的主要造林树种。虎榛子(Os-
tryopsis davidiana)隶属于桦木科、虎榛子属的落叶灌木，主要分布于华北、西北土石山地和黄土高原地区，
耐旱、耐寒、耐贫瘠，是我国特有优良护土灌木。通过对内蒙古大青山外生菌根资源调查发现，在大青山立
地条件极端恶劣的生境中，虎榛子与油松混交林生长状况良好，而油松纯林生长状况较差［1］。研究还表
明，有益根际微生物与菌根真菌共同存在，可以促进菌根侵染［2］;同时，根际微生物又能通过自身的分泌
物促进菌根的形成和生长［3］。油松是一个典型的外生菌根依赖型树种，虎榛子的存在对油松菌根形成具
有重要的促进作用［4］，同时研究还证实在内蒙古大青山油松、虎榛子不同林型中土壤酶活性存在显著的
差异［5］。那么，油松与虎榛子在内蒙古大青山能够互惠共存，除了与菌根、酶活性有重要关系外，微生物
功能是否也发挥重要的作用?但这方面的研究实属空白。BIOLOG 作为对功能微生物群落变化的敏感指
标，广泛应用于评价土壤微生物群落的功能多样性［6］，有研究表明，BIOLOG 方法测得的代谢多样性类型
与微生物群落组成相关［7］。文中试图通过 BIOLOG方法对油松、虎榛子不同林型土壤微生物功能多样性
的测试，进一步探讨在内蒙古大青山干旱阳坡油松、虎榛子的共存机理。
1 材料与方法
1． 1 研究地概况及样品采集
采样地位于内蒙古大青山小井沟未被人为破坏的自然森林环境，海拔 1600m，年降雨量为 350mm 左
右，属干旱、半干旱气候，土层薄，土壤为粗骨质栗钙土。
分别在 20 年生油松纯林、1． 5m 高虎榛子灌丛纯林、20 年生油松与 1． 5m 高虎榛子灌丛混交林内取
样。纯林中分别随机选择 3 株(或丛)树木进行取样;混交林中随机选取油松、虎榛子根系交织的 3 个样
点进行取样。取样时，除去表层土壤，在 0 － 20 cm 深的土壤范围内采集树木根系，收集附着在林木根系表
面的土壤，作为根际土，混交林取两个树种等量根系，收集附着在根系上的土壤作为根际土。收集根系周
围 5cm范围内的土壤作为根围土，混交林收集两种树种等量根围土的混合土壤作为混交林的根围土［8］。
采集的土壤置于 3 － 5℃冰箱内保存，并尽快测试。
* 收稿日期:2009 － 9 － 17。
基金项目:国家自然基金项目(30560122)资助。
作者简介:齐雅静(1981 －) ，女，河北省肃宁县人，硕士研究生，主要从事微生物生物技术研究。
通讯作者:白淑兰，教授，Baishulan2004@ 163． com
DOI:10.13448/j.cnki.jalre.2010.10.025
1． 2 试验方法
称取相当于 10． 0g 干土重量的鲜土放入 100ml 三角瓶内，加入 90ml 灭菌的 0． 85%生理盐水，在
25℃，300rmp /min的震荡机上震荡 30min，吸取 2． 5ml的上清液于 25ml的玻璃试管中，用 0． 85%的生理盐
水定容至 25ml，再重复振荡一次，然后加上清液于 ECO biolog 板中。25℃恒温暗培养，每隔 24h 在 BI-
OLOG EmaxTM自动读盘机上利用 Microlog Rel． 4． 2 软件读取 750 nm 和 590 nm波长下的吸光值，连续读
数 7d。以上操作均在无菌状态下进行。
1． 3 数据处理
采用孔平均颜色变化率(average well color development，AWCD)、丰富度指数(S)和多样性指数进行
数据分析［9］。
1． 3． 1 孔平均颜色变化率(AWCD)
AWCD的计算公式为:AWCD =∑(C － R)/n
式中:C为各反应孔在 590nm下的光密度值，R 为对照孔的光密度值，n 为反应孔的个数，值为 31，C
－ R 小于零的孔，计算中记为零，即:C － R ≥0 ［10］。
1． 3． 2 丰富度指数(S)
用碳源代谢孔的数目(AWCD ＞ 0． 2 则代表该孔碳源被利用，该孔即为反应孔)表示群落丰富度指
数［11］。
1． 3． 3 多样性指数
土壤微生物群落功能多样性指数分析采用 Shannon － Wiener 指数、Shannon － Wiener 指数相应的均匀
度及 McIntosh均匀指数进行分析。多样性指数的计算参照杨永华等的方法［12］。数据采用 SAS(10． 0)和
SPSS(13． 0)软件进行统计分析。
Shannon － Wiener:H = －∑pilnpi
Shannon均匀度:E = H / lnS
McIntosh指数:U =(∑ni2)^ (1 /2)
上式中，ni为第 i孔的相对吸光值，即 ni = C － R;pi为 i孔相对吸光值与整个平板相对吸光值总和的
比率，即 pi = ni /N，S为颜色变化孔的数目，n为相对吸光值总和。
2 结果与分析
2． 1 平均颜色变化率(AWCD)
平均颜色变化率(AWCD)是反映土壤微生物活性，即利用单一碳源能力的一个重要指标［13］。从理
论上讲，土壤微生物个体数量多且种群丰富 AWCD 值可达到较大值;若土壤微生物个体数量少而种群丰
富，则开始时 AWCD值较小，但随时间的延长 AWCD值逐渐增加［14］，最终的 AWCD 值与土壤微生物群落
中能利用单一碳源的微生物的数目和种类有关［15］。
表 1 不同林型土壤平均颜色变化率
Tab． 1 AWCD of different forest types
林 型
时 间
24 48 72 96 120 144 168
YGJ 0． 0438a 0． 1251a 0． 1907a 0． 2041ab 0． 2308b 0． 3071bc 0． 3587c
YGW 0． 0198a 0． 0476b 0． 0991b 0． 2105ab 0． 2474b 0． 3550b 0． 3693c
HGJ 0． 0182a 0． 0626b 0． 1500a 0． 2713a 0． 3313ab 0． 4684a 0． 5086a
HGW 0． 0442a 0． 0365b 0． 0941b 0． 1473b 0． 1928bc 0． 2290c 0． 2810d
HJGJ 0． 0117a 0． 0173b 0． 1421b 0． 2155ab 0． 3467ab 0． 3829b 0． 3957b
HJGW 0． 0390a 0． 0289b 0． 1952a 0． 2980a 0． 3960a 0． 4902a 0． 5154a
注:YGJ、YGW、HGJ、HGW、HJGJ和 HJGW分别表示油松纯林根际土、油松纯林根围土、虎榛子纯林根际土、虎榛子根围土、油松虎榛子
混交林根际土和混交林跟围土，同一列中，字母相同表示多重比较差异不显著(p ＜ 0． 05 ) ，下同。YGJ，YGW，HGJ，HGW，HJGJ and
HJGW respectively denote P． tabulaeformis＇s rhizosphere soil，P． tabulaeformi＇s soil of surrounding root，O． davidiana＇s rhizosphere soil，O． davidiana
＇s soil of surrounding root，mixed forests＇s rhizosphere soil and mixed forest＇s soil of surrounding root． Column means followed by the same letter are not
significantly different at p ＜ 0． 05． The same below．
从表 1 可以看出几种林型土壤微生物利用碳源的情况有所不同。在培养 48h 之内，除油松纯林根际
土的微生物有明显利用碳源外，其余均没有明显变化。在培养 48h后，不同土壤中的微生物利用碳源的情
·431· 干 旱 区 资 源 与 环 境 第 24 卷
况均明显增加，尤其混交林根围和虎榛子纯林根际土壤的微生物利用碳源的增长最快，增长最慢的是虎榛
子根围土。混交林根围土中微生物功能多样性强，可能是因为混交林中树种对环境的作用有较好的互补
作用，使微生态域得到了很好的改善作用，微生物在广泛的土壤范围内表现出了很高的活性和功能多样
性。混交林根际土中微生物多样性较根围低可能与该 2 种树种都是外生菌根植物有关［15］，因为形成外生
菌根后菌根真菌起到一种机械屏障作用，会对其他微生物的生长产生抑制作用，但根围由于受菌根真菌菌
丝及混交林温和环境的影响，导致更多微生物的生存，使微生物功能多样性及稳定性较高，这与一些研究
结果相一致［2，3］。
2． 2 微生物群落多样性指数
不同的多样性指数可反映土壤微生物群落
多样性的不同方面。Shannon 指数可以表征土
壤中微生物群落丰富度;McIntosh 指数反映土
壤中微生物群落均匀度。
由表 2 看出，不同林型间多样性指数存在
显著差异。纯林间根际土和根围土微生物多样
性指数无显著差异。混交林与纯林均存在显著
表 2 多样性指数分析
Tab． 2 Analysis of diversity indexes
林型 Shannon － Winner指数 Shannon均匀度 McIntosh均匀指数
YGJ 2． 626 ± 0． 089a 1． 119 ± 0． 111b 1． 005 ± 0． 064b
YGW 2． 554 ± 0． 241a 1． 185 ± 0． 039b 1． 009 ± 0． 022b
HGJ 2． 606 ± 0． 060a 1． 038 ± 0． 035b 0． 959 ± 0． 015b
HGW 2． 522 ± 0． 012a 1． 359 ± 0． 109b 1． 084 ± 0． 048ab
HJGJ 3． 136 ± 0． 179b 2． 047 ± 0． 375a 1． 195 ± 0． 105a
HJGW 3． 562 ± 0． 135b 2． 143 ± 0． 025a 1． 995 ± 0． 015a
差异。从均匀度指标看，混交林也显著优于纯林，说明混交林根系微生态环境显著优于纯林，其微生物存
在的数量最多且分布较均匀。从而对于环境中有机质的分解发挥重要的作用。
2． 3 主成分分析
主成分分析(Principal component analysis，PCA)是采取降维的方法，使用少数相互无关的综合指标反
映原统计数据中所包含的绝大多数信息。BIOLOG的主成分分析显示了微生物群落对不同处理下碳源利
用的响应，是反映土壤微生物群落结构特征的有效手段［3］。
图 1 不同土壤微生物的主成分分析
Fig． 1 PCA on microbial communties from different soils
表 3 土壤中与 PC1、PC2 和 PC3 显著相关的主要培养基
Tab． 3 Main substrates with high correlation coefficient for PC1、PC2 and PC3 in PCA
培养基 相关系数 培养基 相关系数
PC1 α － D －内脂(α － D － Lactose) 0． 985 PC2 L －丝氨酸(L － Serine) 0． 894
D －苹果酸(D － Malic Acid) 0． 975 L －天冬酰胺酸(L － Asparagine) 0． 885
β －甲基 － D －糖化物(β － Methyl － D － Glucoside) 0． 968 腐胺(Putrescine) 0． 841
α －酮络酸(α － Ketobutyric Acid) 0． 967 4 －羟基安息酸(4 － Hydroxy Benzoic Acid) 0． 801
糖元(Glycogen) 0． 964 D －乳腺酸 － γ －内脂(D － galactonic Acid － γ － Lactone) 0． 796
苯乙胺(Phenylethyl － Amine) 0． 962 D －葡萄胺酸(－2Glucosaminic Acid) 0． 700
2 －羧基安息香酸(2 － Hydroxy Benzoic Acid) 0． 905 PC3 1 －赤藻糖醇(1 － Erythritol) 0． 916
L －苏氨酸(L － Threonine) 0． 897 L －苯基丙氨酸(L － Phenylalanine) 0． 912
α －环式糊精(α － Cyclodextrin) 0． 894 D －甘露醇(D － Mannitol) 0． 720
氨基乙酰 L －谷氨酸(Glycyl － L － Glutamic Acid) 0． 850 D －木糖醇(D － Xylose) 0． 711
D，L － α －甘油磷酸盐(D，L － α － Glycerol Phosphate) 0． 805
甲基丙酮酸(Pyruvic Acid Methyl Ester) 0． 774
甲叉丁二酸(Itaconic Acid) 0． 639
实验采用 BIOLOG微平板上培养至 96h的读数进行主成分分析。结果表明，31 个主成分因子中前三
·531·第 10 期 齐雅静等 油松、虎榛子不同林型土壤微生物功能多样性研究
个的方差贡献率依次为 37． 54%、18． 26%和 17． 39%，累积贡献率可达 84． 41%，可以认为前三个主成分基
本可以表征 31 种碳源的 BIOLOG数据的特征。因此，取前三个主成分得分作图表征不同林型微生物群
落碳源代谢特征。如图 1 所示，混交林根际的微生物离散程度最小，说明它最稳定。考察 PCA 的相关性
矩阵，与 PC1、PC2 和 PC3 显著相关的培养基(表 3)，对 PC1 贡献大的碳源有 13 种，其中糖类占 38． 46% ，
羧酸类占 23． 08%，氨基酸和多聚类化合物均占 15． 38% ，多胺类占 7． 69%，没有芳香族化合物，可见影响
PC1 的主要为糖类，其次是羧酸类、氨基酸类和多聚类化合物，对 PC2 和 PC3 贡献大的碳源分别为 6 种和
4 种，其中对 PC2 贡献最大的碳源是氨基酸类，占 33． 3%，对 PC3 贡献最大的碳源是糖类，占 75%(表 3)。
3 结论与讨论
土壤微生物群落多样性能反映群落总体的动态变化，而研究不同林型土壤微生物对不同碳源利用能
力的差异，目的是了解不同林型微生物群落的结构组成及其功能，以 BIOLOG微孔板碳源利用为基础的定
量分析为描述微生物群落功能多样性提供了一种更为简单和快速的方法。AWCD 值可以反映微生物的
总体代谢活性，由不同林型土壤微生物对不同碳源的总体利用程度的结果看出，油松和虎榛子混交林根围
土微生物群落最为稳定，而且在培养 168h时混交林根际土与油松纯林根际土和根围土的微生物功能多样
性存在显著差异。这种稳定的环境更有利于根际微生物的生长。大量研究已证实，菌根真菌能显著改善
植物根围微生物的群落结构，而且某些根际微生物还可与菌根真菌发生协同作用，显著提高植物抗逆
性，这与 Garbaye等的研究结果相一致［16］。因此，通过改善根际微生态环境来促进植物的生长、提高植物
抗性等方面的研究正日益受到人们的重视［6］。所以，在油松育苗时如果在其根部人为施加某种微生物来
提高油松的菌根感染率，应该可达到提高油松造林成活率的目的，加快西部干旱阳坡的植被恢复速度。与
一些研究不同的是虎榛子纯林(阔叶林)的根际与根围微生物对碳源的利用率稍差，多样性较低，这可能
是微生物群落结构和功能的差异与枯枝落叶的量和生物化学组成有关，同时与根系分泌物的关系也有一
定关系。
参考文献
［1］白淑兰，刘勇，周晶，等．大青山外生菌根真菌资源与生态研究［J］．生态学报，2006，26(3) :837 － 841．
［2］赵忠，王真辉．菌根真菌与根系微生物间的关系及其对寄主植物的影响［J］．西北林学院学报，2001，16(4) :70 － 75．
［3］盛江梅，吴小芹．菌根真菌与植物根际微生物互作关系研究［J］．西北林学院学报，2007，22(5) :104 － 108．
［4］白淑兰，白玉娥，方亮，等．土生空团菌与虎榛子形成的菌根及其对虎榛子生长的影响［J］．林业科学，2004，40(6) :194 － 196．
［5］邵东华，韩瑞宏，宁心哲，等．内蒙古大青山油松、虎榛子根据土壤酶活性的研究［J］．干旱区资源与环境，2008，22(6) :190 － 193．
［6］Rogers B F，Tate R L． Tempora analysis of the soil microbial community along a top sequence in Pineland soils ［J］． Soil Biology Biochemistry，
2001，33:1389 － 1401．
［7］Haack S K，Garchow H M，Klug J，et al． Analysis of factors affecting the accuracy，reproducibility and interpretation of microbial community car-
bon source utilization patterns［J］． Applied and Environmental Microbiology，1995，61:1458 － 1468．
［8］Clegg S，Gobran G R． Rhizospheric P and K in forest soil manipulated with ammonium sulfate and water［J］． Canadian Journal of Soil Science，
1997，77(4) :525 － 533．
［9］郑华，欧阳志云，王效科．不同森林恢复类型对土壤微生物群落的影响［J］．应用生态学报，2004，15(11) :2019 － 2024．
［10］张海涵，唐明，陈辉，等．不同生态条件下油松(Pinus tabulaeformis)菌根根际土壤微生物群落［J］． 生态学报，2007，27(12) :5463 －
5470．
［11］Fiskm C ，Ruether K F ，Yavitt J B． Microbial activity and functional composition among northern peatland ecosystems［J］． Soil Biology and Bi-
ochemistry ，2003 ，35(4) :591 － 602．
［12］杨永华，姚健，华晓梅．农药污染对土壤微生物群落功能多样性的影响［J］．微生物学杂志，2000，20(2) :23 － 25．
［13］徐秋芳，姜培坤，邬奇峰．集约经营板栗林土壤微生物量碳与微生物多样性研究［J］． 林业科学，2007，43(3) :15 － 19．
［14］Choi K H，Dobbs F C． Comparison of two kinds of biolog microplates(GN and ECO)in their ability to distinguish among aquatic microbial com-
munities［J］． Journal of Microbiological Methods，1999，36(3) :203 － 213．
［15］韩秀丽，方亮，周晶，等． 虎榛子外生菌根合成与筛选的研究［J］．华北农学报，2005，20(2) :101 － 104．
［16］Garbaye J． Helper bacteria:a new dimension to the mycorrhizal symbiosis［J］． New Phytol．，1994，128:197 － 210．
·631· 干 旱 区 资 源 与 环 境 第 24 卷
Microbial functional diversity of Pinus tabulaeformis and Ostryopsis davidiana
forests
QI Yajing1，BAI Shulan1，YAN Wei2，SHAO Donghua1，HAN Shengli1
(1． College of Forestry Inner Mongolia Agricultural University，Huhhot 010019;2． Institute of Forestry Science of Ordos，Ordos 017000，Inner Mongo-
lia，P． R． China)
Abstract:To find out rule of microbial functional diversity in Pinus tabulaeformis，Ostryopsis davidiana＇ forests，
and ultimately prove that Ostryopsis davidiana has the growth － promoting mechanism to Pinus tabulaeformis in
natural forest ecosystems，BIOLOG technology was adopted to study microbial community in rhizosphere soil and
the soil of surrounding root of pure Pinus tabulaeformis forest、pure Ostryopsis davidiana forest and mixed forests．
The results showed:the average well color development (AWCD)of pure Ostryopsis davidiana forest ＇s rhizo-
sphere soil increased fastly． Microbial community diversity and community principal component analysis demon-
strated mixed forest＇s rhizosphere soil was the most stable;Principal component analysis showed that the carbohy-
drates，followed by acids，amino acids and cluster － type compounds had the main ecological function．
Key words:rhizosphere soil;the soil of surrounding root;BIOLOG technology
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