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Differential analysis of soil bacteria diversity in different mixed forests of Dalbergia odorifera

降香黄檀不同混交林土壤细菌多样性差异分析



全 文 :第 35 卷第 24 期
2015年 12月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.24
Dec.,2015
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:林业公益性行业科研专项(201304402)
收稿日期:2014⁃09⁃19;     网络出版日期:2015⁃05⁃21
∗通讯作者 Corresponding author.E⁃mail: gyzhou2118@ 163.com
DOI: 10.5846 / stxb201409191856
杨菁,周国英,田媛媛,刘倩丽,刘成锋,杨权,周洁尘.降香黄檀不同混交林土壤细菌多样性差异分析.生态学报,2015,35(24):8117⁃8127.
Yang J, Zhou G Y, Tian Y Y, Liu Q L, Liu C F, Yang Q, Zhou J C.Differential analysis of soil bacteria diversity in different mixed forests of Dalbergia
odorifera.Acta Ecologica Sinica,2015,35(24):8117⁃8127.
降香黄檀不同混交林土壤细菌多样性差异分析
杨  菁, 周国英∗,田媛媛, 刘倩丽, 刘成锋, 杨  权, 周洁尘
经济林培育与保护教育部重点实验室,中南林业科技大学,长沙  410004
摘要:为探讨降香黄檀不同混交林土壤细菌的多样性及其与土壤性质的关系,应用高通量测序技术,比较降香黄檀(Dalbergia
odorifera T. Chen)分别与奥氏黄檀(Dalbergia oliveri)、大果紫檀(Pterocarpus macarocarpus)、檀香( Santalum album L.)和母生
(Homalium hainanense Gagnep.)混交的 4种模式土壤细菌多样性,并结合土壤的理化、酶活进行了相关性分析。 结果表明,①4
种混交林土壤的理化、酶活均存在差异。 其中降香黄檀与檀香混交林土壤的含水量、有机质、全氮、有效钾和脲酶含量最高,分
别为:5.24%、27.5 g / kg、0.85 mg / g、37.46 mg / kg和 0.32 mg / kg,降香黄檀与大果紫檀混交林土壤的 pH、有效磷和多酚氧化酶含
量最高,分别为:4.48、6.04 mg / kg、4.19 mg / kg。 ②通过高通量测序表明四种混交模式土壤细菌的丰富度为:降香黄檀×檀香 >
降香黄檀×大果紫檀 > 降香黄檀×奥氏黄檀 > 降香黄檀×母生,土壤细菌多样性为: 降香黄檀×大果紫檀 > 降香黄檀×奥氏黄檀
>降香黄檀×檀香 > 降香黄檀×母生。 其中,变形菌门、酸杆菌门、放线菌门、绿弯菌门和厚壁菌门为 4 种混交模式中的主要菌
群。 ③经冗余分析和相关性分析表明,影响降香黄檀混交林土壤细菌群落结构和细菌多样性的主要土壤理化因子为:pH 值、脲
酶、多酚氧化酶和有机质。
关键词:降香黄檀;混交林;土壤细菌群落;高通量测序;多样性
Differential analysis of soil bacteria diversity in different mixed forests of
Dalbergia odorifera
YANG Jing, ZHOU Guoying∗, TIAN Yuanyuan, LIU Qianli, LIU Chengfeng, YANG Quan, ZHOU Jiechen
Ministry of Education Key Laboratory of Cultivationand Protection for Non⁃Wood Forest Trees, Central South University of Forestry and Technology, Changsha
410004, China
Abstract: Dalbergia odorifera T. Chen is one of China′s endangered species. It is also an endemic species that mainly
distributes in Hainan, Guangdong, Fujian, etc. Dalbergia odorifera has great values in medicine, economics and ecology,
and its medicinal properties are specified in the Chinese Pharmacopoeia. But the resource was reduced and the productivity
was declined due to years of deforestation. Developing mixed forests of Dalbergia odorifera has been becoming a major trend
of Chengmai farm in Hainan Province, because mixed forests can not only adjust the temperature and relative humidity of
woodland, but also improve soil fertility. Soil can provide nutrition for aboveground vegetations, as well as soil
microorganisms. Soil bacteria, as one of the key members of soil microorganisms, plays an important role in promoting
organic matter decomposition, accelerating mineral nutrition cycle, maintaining and improving soil fertility. People can
understand the soil status better by analyzing the relationship between soil bacterial community and soil characteristics, and
finally develop a method to improve the Dalbergia odorifera plantation. However, only about 1% bacteria could be assayed
by traditional methods. High⁃throughput sequencing is a new method that can get the classification information of soil
bacteria more conveniently and accurately, and avoid the limitations of traditional methods. This method has been widely
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used in studying soil microorganisms. We investigated soil bacteria diversity in four different mixed forests of Dalbergia
odorifera plantation, i.e. Dalbergia odorifera mixed with Dalbergia oliveri, Pterocarpus macarocarpus, Santalum album L.
and Homalium hainanense Gagnep., respectively, in Chengmai County, Hainan Province in China. A high⁃throughput
sequencing technique was used to analyze the relationship and differences among these four plots to find a way that could
improve soil fertility of Dalbergia odorifera plantation. After analyses, the results showed that soil physical⁃chemical
characteristics and soil enzyme activities were different in the four mixed forest, i.e. the Dalbergia odorifera and Santalum
album L. mixed forests with higher moisture content, organic matter, total N, available K and Ureas; Dalbergia odorifera
and Pterocarpus macarocarpus mixed forests with higher pH, available P and polyphenol oxidase. The results of high⁃
throughput sequencing showed that soil bacterial abundances of these four plantations were: Dalbergia odorifera × Santalum
album L. > Dalbergia odorifera × Pterocarpus macarocarpus > Dalbergia odorifera × Dalbergia oliveri > Dalbergia odorifera ×
Homalium hainanense Gagnep., and the soil bacteria diversity of these four mixed models were: Dalbergia odorifera ×
Pterocarpus macarocarpus > Dalbergia odorifera × Dalbergia oliveri > Dalbergia odorifera × Santalum album L. > Dalbergia
odorifera × Homalium hainanense Gagnep.. The dominant bacteria taxa in the four mixed forests were Proteobacteria,
Acidobacteria, Actinobacteria, Chloroflexi and Firmicutes. The results of redundancy analysis and correlation analysis
showed that pH, Ureas, polyphenol oxidase and organic matter were the main factors that had significant effect on the
structure and diversity of soil bacterial community in this four mixed forests. Our analysis of bacteria 16S rRNA⁃based
dataset showed differences in soil bacterial community structure among four mixed forests of Dalbergia odorifera. But further
research is also needed to get more information in soil microorganisms.
Key Words: Dalbergia odorifera; mixed forests; soil bacteria community; high⁃throughput sequencing; diversity
细菌作为土壤微生物中重要的组成部分,具有含氮量高,含碳量低的特点,对土壤养分的形成与分解有促
进作用。 土壤细菌的微生物多样性越高,则越有利于土壤的可持续利用和抗压力[1⁃2]。 但目前只有 1%左右
的主要细菌菌群能被检测到[3]。 采用成本低、通量高、速度快并且覆盖深度高的第二代高通量测序技术进行
实验,对微生物的多样性分析是十分有利的[4⁃5]。
高通量测序技术(High⁃throughput sequencing)又称为新一代测序技术或第二代测序,该测序技术相对于
传统的测序技术而言,具有极大的优势,主要表现在[6⁃8]:①测序通量高,可以检测分析到样品中的痕量微生
物;②实验过程简化;③速度快;④准确率高,实验结果更能全面的反应环境中群落的特点。 目前,高通量测序
已广泛的应用于土壤微生物的研究。
降香黄檀(Dalbergia odorifera T. Chen)是我国濒危树种,国家二级保护野生植物[9],也是海南省珍贵乡土
树种。 降香黄檀具有药用价值和经济价值,另外,降香黄檀落叶量大、根系发达,能改良土壤,具有很大的生态
效益[10]。 但历史上人们对降香黄檀的过度砍伐利用,导致其资源减少,生产力下降。 近年来,海南省虽对降
香黄檀进行了人工栽培,但在树种的合理配置、良种选育等方面仍存在问题。 目前,国外对降香黄檀的研究甚
少,国内大多集中于降香黄檀多样性[11⁃12]、栽培技术[13]以及活性物质提取[14⁃15]等方面的研究,针对其土壤的
研究较少。 已有研究表明[9],在营造降香黄檀人工林时,不宜发展人工纯林,应考虑与其他树种混交,以短养
长,同时也能提高林木的抗逆性。
本研究针对海南珍贵乡土树种降香黄檀的不同混交林,应用 Miseq 高通量测序的方法,结合土壤的物理
化学性质及土壤酶活性,对土壤的细菌群落结构进行分析,以研究降香黄檀不同混交林细菌群落的多样性及
其与环境因子的关系,为降香黄檀人工林的合理配置及健康经营提供参考。
1  研究区域概况
试验样地位于海南省澄迈国营林场(海南省澄迈县东南部的太平乡),地处 19°11′ N,111°1′ E,海拔为
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118 m,属热带季风气候类型,年平均日照时数 2059 h,年平均气温 23.8 ℃,相对湿度 84%,年均降雨量 1786.1
mm,全年基本无霜。 研究区面积约为 2.667hm2,地貌以低丘陵和台地为主。 成土母岩主要有玄武岩和砂页
岩,成土母质以河流冲积物发育而成的砂壤土为主,研究区的土壤主要为砂壤。
2  材料与方法
2.1  样地设置及样品采集
该实验区于 2012年上旬造林。 造林时,选用的降香黄檀苗木株高为(50±10) cm,奥氏黄檀为(40±10)
cm,大果紫檀为(45±10) cm,檀香为(40±10) cm,母生为(30±10) cm。 4 个样地的造林密度均为 667 株 /
666.7m2,行株距为 1 m×1 m。
于 2014年 3月采样,且采样前一个月内降雨量很少,基本处于干旱状态。 样地的选择是在林场内选择立
地条件相似的降香黄檀不同混交模式样地(表 1)。 在每个样地内设置 5 个标准地,大小为 10 m×10 m,每个
标准地内分别设置 3个样点,每个采样点的土壤均是除去地表植被和枯枝落叶后采集 0—20 cm土层的土壤。
用于测定细菌多样性的土壤于-80 ℃保存备用,用于理化性质测定的土样,作风干过筛处理。
表 1  样地基本情况
Table 1  Basic information of samples plots
样地
Plot
混交比例
Mixed proportion
郁闭度
Canopy density
林下主要植被
Undergrowth main species
Dal 0 3 ∶1 0.4 墨苜蓿 Richardia brasiliensis Gomez、飞机草 Eupatorium odoratum L.、菊芩 Erechititesvalerianaefolia、藿香蓟 Ageratum conyzoides、龙葵 Solanum nigrum L.
Dal 1 3 ∶1 0.6
巴西含羞草 Mimosa invisa Mart. ex Colla、墨苜蓿 Richardia brasiliensis Gomez、筒轴茅
Rottboellia exaltata、菊芩 Erechitites valerianaefolia、藿香蓟 Ageratum conyzoides、飞机草
Eupatorium odoratum L.、龙爪草 Ottelia alismoides、龙葵 Solanum nigrum L.
Dal 2 3 ∶1 0.5 巴西含羞草 Mimosa invisa Mart. ex Colla、墨苜蓿 Richardia brasiliensis Gomez、筒轴茅Rottboellia exaltata、菊芩 Erechitites valerianaefolia、藿香蓟 Ageratum conyzoides
Dal 3 2 ∶1 0.3 巴西含羞草 Mimosa invisa Mart. ex Colla、墨苜蓿 Richardia brasiliensis Gomez、筒轴茅Rottboellia exaltata、菊芩 Erechitites valerianaefolia、藿香蓟 Ageratum conyzoides
    Dal 0:降香黄檀×奥氏黄檀 Dalbergia odorifera × Dalbergia oliveri;Dal 1:降香黄檀×大果紫檀 Dalbergia odorifera × Pterocarpus macarocarpus;Dal
2:降香黄檀×檀香 Dalbergia odorifera ×Santalum album L.;Dal 3:降香黄檀×母生 Dalbergia odorifera ×Homalium hainanense Gagnep.
2.2  研究方法
2.2.1  土壤理化性质与酶活的测定
土壤含水量采用 TZS⁃IW型土壤水分温度测量仪现场测定;土壤 pH值采用 1 mol / L KCl浸提用 pH计进
行测定;土壤有机质采用水合热重铬酸钾⁃硫酸⁃比色法;土壤全氮含量测定采用半微量凯式定氮法;土壤有效
磷含量采用 NaHCO3浸提,全自动间断化学分析仪测定;土壤有效钾含量测定采用火焰光度法[16]。
土壤过氧化氢酶活性的测定采用高锰酸钾滴定法(0.1mol / L 高锰酸钾 mL-1);土壤多酚氧化酶的测定采
用邻苯三酚比色法;土壤脲酶活性的测定采用苯酚钠⁃次氯酸钠比色法[17⁃18]。
2.2.2  土壤总 DNA的提取与测序
使用 E. Z. N. A soil DNA 土壤 DNA 提取试剂盒 ( OMEGA ) 提取土壤总 DNA, 以 338F ( 5′⁃
ACTCCTACGGGAGGCAGCA⁃3′)为正向引物, 806R ( 5′⁃GGACTACHVGGGTWT CTAAT⁃3′)为反向引物[19]。
PCR反应体系如下,共 20 μL:5×FastPfu Buffe 4 μL,2.5 mmol / L dNTPs,2 μL;Forward Primer(5 μmol / L),
0.4μL;Reverse Primer(5 μmol / L),0.4 μL;FastPfu Polymerase,0.4 μL;Template DNA,10 ng;补充 ddH2O 至
20 μL。 PCR反应条件为:1×(95 ℃,2 min);25×(95 ℃,30 s;55 ℃,30 s;72 ℃,45 s;72 ℃,10 min);4℃ 保
存。 每个样品取 3 μL,进行检测(1%琼脂条凝胶电泳),每个样品 3个重复将同一样品的 PCR 产物混合后用
2%琼脂糖凝胶电泳检测,使用 AxyPrepDNA 凝胶回收试剂盒(AXYGEN 公司)切胶,回收 PCR 产物,Tris⁃HCl
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洗脱;2%琼脂糖电泳检测。 之后进行荧光定量,Miseq文库构建及 Miseq测序。
2.2.3  数据处理
Miseq测序得到的 PE reads首先根据 overlap关系进行拼接,同时对序列质量进行质控和过滤,区分样品
后进行 OTU聚类分析和物种分类学分析。 基于 OTU聚类分析的结果,对 OTU进行多种多样性指数分析。
2.2.4  数据分析
采用 Mothur等软件对获得的数据进行分类分析和多样性计算;通过 R 软件对初始结果进行相对丰度制
图;利用 SPSS 19进行方差分析(Duncan)及相关性分析(Pearson),利用 Canoco for windows 4.5 进行冗余
分析。
3  结果与分析
3.1  土壤理化性质与土壤酶活性
不同样地的土壤理化、酶活分析结果见表 2,样地的土壤类型主要属于酸性砂壤(pH均小于 4.5),且不同
混交林土壤的 pH值存在极显著性差异(P<0.001),其中 Dal 2和 Dal 3 的 pH 均值最低。 不同混交林土壤的
有机质、全氮、有效钾 3个方面存在极显著的差异(P<0.001),其中 Dal 2含量均最高,分别为 27.59 mg / g、0.85
mg / kg和 37.46 mg / kg。 4个样地土壤的有效磷含量存在极显著性差异(P 值均小于 0.001),其中 Dal 1 含量
最高,为 6.04mg / Kg。 酶活方面,过氧化氢酶和多酚氧化酶(P= 0.032)存在显著性差异(P = 0.017),脲酶存在
极显著性差异(P<0.001)。
表 2  不同样地的理化性质及酶活的单因素方差分析
Table 2  The ANOVA of physico⁃chemistry characteristics and enzymatic activity in different sample plots
样地
Plot
含水量
Moisture
content /

pH
有机质
Organic
matte /
(g / kg)
全氮
Total N /
(mg / g)
有效钾
Available K /
(mg / kg)
有效磷
Available P /
(mg / kg)
过氧化氢酶
Catalase /
(ml / g)
脲酶
Ureas /
(mg / g)
多酚氧化酶
Polyphenol
oxidase /
(mg / g)
Dal 0 4.26±1.92a 4.18±0.02b 16.40±0.81a 0.52±0.05ab 34.29±1.36a 5.73±0.07b 0.86±0.76b 0.20±0.12b 2.79±0.64ab
Dal 1 2.96±2.18a 4.48±0.04c 7.09±0.81b 0.43±0.01a 29.41±0.41b 6.04±0.01c 0.75±0.07a 0.01±0.01a 4.19±1.23b
Dal 2 5.24±1.76a 4.03±0.02a 27.59±1.62c 0.85±0.09c 37.46±0.46c 5.89±0.19bc 0.75±0.07a 0.32±0.52c 1.84±0.52a
Dal 3 2.52±1.48a 4.02±0.19a 19.75±0.23d 0.55±0.04b 32.15±1.52d 5.17±0.03a 0.77±0.60a 0.28±0.18c 2.68±0.35ab
表 3  16s 有效序列的数量及分布
Table 3  The number and distribution of valid sequences of 16s
长度
Length / (bp)
序列数
No. of sequences %
  1—300 5 0
301—400 39 0.01
401—500 293630 99.98
3.2  土壤细菌多样性
3.2.1  测序数据分析
通过 Miseq高通量测序并优化后,4 个样地共获得
293677条序列,总碱基数为 127504401bp,平均碱基长
度为 434.17bp,其中 401—500bp 的碱基占总序列数的
99.98%,如表 3所示。
采用对测序获得的序列进行随机抽样的方法,以抽
到的序列数与它们所代表的 OTU数目构建稀释性曲线(图 1),从图中可以看出,4 个样地的稀释性曲线均趋
于平坦,表明测序数据合理,更多的测序数据对发现新的 OTU贡献率较小。
3.2.2  土壤细菌群落结构分析
在相似水平为 97%的条件下,通过与 Sliva 数据库对比,对序列进行归类分析[20⁃21]。 结果表明,变形菌门
(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)和厚壁菌门
(Firmicutes)这 5个菌门为主要菌群(图 2)所示。
对不同样地中相对丰度超过 1%的菌群进行单因素方差分析(表 4),结果表明,变形菌门、酸杆菌门、放线
菌门、绿弯菌门、厚壁菌门、疣微菌门、蓝藻菌门和浮霉菌门在降香黄檀不同混交模式中分布比较均匀,不存在
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图 1  不同样地土壤细菌 OTU稀释曲线
Fig. 1  OTU rarefaction curves of soil bacteria in different plots
显著性差异。 而厚壁菌门(P = 0.003)、拟杆菌门(P =
0.026)和芽单胞菌门(P = 0.019)在各样地间存在显著
性差异, Dal 1中这 3 个菌门的相对丰度均高于其他 3
个样地。
为了更加深入的了解降香黄檀不同混交林中土壤
细菌群落结构的分布及差异,去除以上的 10 个相对丰
度超过 1%的菌群后,对剩余菌群作了相对丰度分析
(图 3 )。 单因素方差分析结果表明, 装甲菌门
(Armatimonadetes )、 绿 菌 门 ( Chlorobi )、 迷 踪 菌 门
(Elusimicrobia)、纤维杆菌门(Fibrobacteres)、硝化螺旋
菌门(Nitrospirae)和热袍菌门(Thermotogae)在降香黄
檀不同混交模式中存在差异(表 5)。 其中,纤维杆菌门
(P= 0.002)和热袍菌门(P = 0.002)在不同样地间存在
极显著性差异,装甲菌门(P = 0.04)和迷踪菌门(P =
0.05)在不同样地间存在显著性差异。 相较于 4 个样
地,纤维杆菌门在 Dal 2中最多,而不存在于 Dal 3中。 热袍菌门在 Dal 0 中最多,在其他 3 个样地中无差异。
装甲菌门和迷踪菌门在 Dal 1中最少,在其他样地中无差异。
图 2  不同样地土壤细菌的群落结构
Fig. 2  Soil bacterial community of different sample plots
3.2.3  土壤细菌群落结构多样性分析
通过对各样地进行多样性的计算,并通过 SPSS进行单因素方差分析(表 6)。 4个样地间,ace(P= 0.013)
和 chao(P= 0.02)指数具有显著性差异,而 shannon(P= 0.133)和 simpson(P= 0.41)指数无显著性差异。 其中
Dal 3的 ace和 chao指数均低于其他样地。
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表 4  不同样地细菌主要菌群相对丰度的单因素方差分析
Table 4  The ANOVA of relative abundance of dominate bacteria in different sample plots
分类 Taxon
相对丰度 Relative abundances / %
Dal 0 Dal 1 Dal 2 Dal 3
变形菌门 Proteobacteria 30.0±2.7a 30.8±4.7a 33.7±7.6a 35.2±1.7a
酸杆菌门 Acidobacteria 25.0±1.5a 20.8±3.4a 20.2±0.6a 24.3±1.2a
放线菌门 Actinobacteria 13.5±0.4a 12.5±3.0a 12.8±3.0a 13.7±0.7a
厚壁菌门 Firmicutes 5.0±0.4a 10.4±1.2b 3.7±1.1bc 2.4±0.3c
浮霉菌门 Planctomycetes 1.1±0.4a 1.0±1.0a 2.8±1.8a 1.9±0.6a
绿弯菌门 Chloroflexi 16.3±3.7a 8.3±1.3a 14.0±5.6a 8.9±0.3a
疣微菌门 Verrucomicrobia 2.2±0.8a 2.5±2.2a 4.7±3.2a 4.3±1.3a
蓝藻菌门 Cyanobacteria 2.0±0.2a 2.3±1.1a 2.6±1.3a 2.9±1.1a
拟杆菌门 Bacteroidetes 1.2±0.2b 2.4±0.7a 1.2±0.4b 1.7±0.3b
芽单胞菌门 Gemmatimonadetes 1.1±0.5b 2.6±0.5a 1.3±0.2b 1.2±0.2b
图 3  剩余菌群的群落结构
Fig. 3  Bacterial community of rejecting relative abundance of more than 1%
表 5  剩余菌群群落结构相对丰度的方差分析
Table 5  The ANOVA of rejecting relative abundance of more than 1%
分类 Taxon
相对丰度 Relative abundances / %
Dal 0 Dal 1 Dal 2 Dal 3
装甲菌门 Armatimonadetes 3.6±0.1ab 1.2±0.7a 5.7±0.6b 5.7±1.9b
衣原体门 Chlamydiae 8.1±4.1a 13.0±6.7a 9.6±2.7a 18.7±2.0a
绿菌门 Chlorobi 2.2±0.6ab 1.7±0.0a 2.5±0.7ab 4.4±1.6b
迷踪菌门 Elusimicrobia 9.3±0.4b 3.0±0.5a 6.6±3.0ab 7.9±0.2b
纤维杆菌门 Fibrobacteres 0.2±0.0b 2.2±0.5a 0.1±0.1b 0 b
硝化螺旋菌门 Nitrospirae 14.3±2.1ab 23.8±5.6b 14.6±6.8ab 8.3±1.7a
热袍菌门 Thermotogae 13.2±1.2a 3.2±0.5b 5.8±1.4b 3.9±0.8b
候选门 Candidate_division 35.1±2.5a 35.7±2.0a 34.4±13.7a 35.9±2.7a
未分类 Unclassified 6.9±0.1a 4.3±0.2a 7.4±3.2a 4.2±0.9a
其他 Others 7.1±3.3a 12.2±3.1a 13.3±4.6a 11.6±1.4a
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表 6  各样地细菌群落的多样性分析(相似度为 97%)
Table 6  Diversity index of bacterial community of different sample plots (Similarity is 97%)
样地 Plot 序列数 Reads OTU
多样性指数 Diversity Index
ace chao shannon simpson
Dal 0 31322±11047a 1702.5±92.6a 1928.5±51.6b 1959.5±30.4b 6.12±0.05ab 0.0058±0.0001a
Dal 1 24502±5888a 1740.0±1.4a 1939.0±11.3b 1974.5±12.0b 6.38±0.06b 0.0043±0.0003a
Dal 2 34933±7028a 1720.0±28.3a 1967.5±7.8b 1975.0±14.1b 6.08±0.21ab 0.0061±0.0002a
Dal 3 32363±10641a 1690.4±80.1a 1797.0±17.0a 1803.0±7.1a 6.05±0.06ab 0.006±0.0003a
3.2.4  土壤细菌群落结构与土壤性质的关系
冗余分析(RDA)主要应用于分析影响生物[22]、植被[23]、景观分布[24]的关键环境因子。 RDA分析能够有
效的对多个环境指标进行统计学检验,经过一系列的转换、筛选,能够有效的简化变量个数,为进一步研究的
分析创造条件[22]。
本次试验分析了土壤细菌主要菌群和非主要菌群与土壤性质的 RDA 排序图,第一轴可以解释所有信息
的 52.0%,第二轴可以解释 34.1%(图 4)。 经 Canoco的 forward 分析表明,pH 值、脲酶、多酚氧化酶和有机质
对土壤细菌群落结构的影响最为显著,影响程度为:pH值> 脲酶 > 多酚氧化酶 > 有机质。 从图中可以看出,
受此四种因子影响较为显著的菌群有:迷踪菌门、浮霉菌门、装甲菌门、厚壁菌门、硝化螺旋菌门、纤维杆菌门
和芽单胞菌门。 分析四个样地间的欧几里德距离,可以看出 Dal 1 的细菌群落结构与其他 3 个样地差异较
大,Dal 0、Dal 1与 Dal 3也具有较大差异,相较之下,Dal 2与 Dal 3的群落结构差异较小。
图 4  土壤菌群与土壤性质的 RDA分析
Fig. 4  The results from RDA to explore the relationship between bacteria and soil properties
Proteoba: 变形菌门, Acidobac: 酸杆菌门,Actinoba: 放线菌门,Firmicut: 厚壁菌门,Planctom: 浮霉菌门,Chlorofl: 绿弯菌门,Verrucom: 疣微
菌门,Cyanobac: 蓝藻菌门, Bacteroi: 拟杆菌门, Gemmatim: 芽单胞菌门, Armatimo: 装甲菌门, Chlamydi: 衣原体门, Elusimic: 迷踪菌门,
Fibrobac: 纤维杆菌门, Nitrospi: 硝化螺旋菌门, Thermoto: 热袍菌门, Chlorobi: 绿菌门,Candidat: 候选门, OM: 有机质,MC: 含水量, TN:
全氮, AP: 有效磷, AK: 有效钾, PPO:多酚氧化酶
3.2.5  细菌群落结构的多样性分析及其与土壤理化的相关性
经过 SPSS分析计算样地土壤性质与细菌多样性指数的相关性(表 7),结果表明过氧化氢酶与细菌多样
性指数无显著相关;有效磷与 ace指数、chao指数呈显著正相关; pH 值、有效磷、多酚氧化酶与 shannon 指数
呈显著正相关,与 simpson指数呈显著负相关;有机质、全氮、有效钾、脲酶与 shannon 指数呈显著负相关,与
simpson指数呈显著正相关。 其中,pH值、有机质、脲酶和多酚氧化酶与 shannon 指数和 simpson 指数的相关
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性为极显著,说明土壤细菌的多样性主要受该 4个指标的影响。
表 7  土壤理化、酶活与细菌多样性的相关性分析
Table 7  Correlation analysis among physico⁃chemistry characteristics, enzymatic activity and bacteria
指标
Index
ace
指数
ace
index
chao
指数
chao
index
shannon
指数
shannon
index
simpson
指数
simpson
index
含水量
Moisture
content
pH值
pH
有机质
Organic
matte
全氮
Total

有效钾
Available

有效磷
Available

过氧化
氢酶
Catalase
脲酶
Urease
多酚
氧化酶
Polyphenol
oxidase
ace指数
ace index 1
chao指数
chao index 0.974
∗∗ 1
shannon指数
shannon index 0.455 0.515 1
simpson指数
simpson index
-0.273 -0.332 -0.976∗∗ 1
含水量
Moisture content 0.586
∗ 0.565 -0.308 0.431 1
pH 0.442 0.459 0.975∗∗ -0.966∗∗ -0.329 1
有机质
Organic matte
-0.215 -0.203 -0.884∗∗ 0.909∗∗ 0.594∗ -0.928∗∗ 1
全氮
Total N 0.087 0.147 -0.579
∗ 0.639∗ 0.776∗∗ -0.661∗ 0.851∗∗ 1
有效钾
Available K 0.159 0.124 -0.689
∗ 0.752∗∗ 0.849∗∗ -0.702∗ 0.859∗∗ 0.852∗∗ 1
有效磷
Available P 0.838
∗∗ 0.867∗∗ 0.658∗ -0.550 0.473 0.624∗ -0.358 0.009 0.034 1
过氧化氢酶
Catalase 0.146
-0.043 -0.212 0.224 0.098 -0.070 -0.051-.161 0.217 -0.034 1
脲酶 Urease -0.417 -0.402 -0.890∗∗ 0.861∗∗ 0.440 -0.919∗∗ 0.935∗∗ 0.808∗∗ 0.750∗∗ -0.488 -0.028 1
多酚氧化酶
Polyphenol
oxidase
0.209 0.230 0.738∗∗ -0.724∗∗ -0.536 0.765∗∗-0.790∗∗ -0.743∗∗ -0.720∗∗ 0.265 -0.135 -0.824∗∗ 1
4  讨论
混交林不仅对林地的温度、水分有所改善,而且增添了更为丰富的植物枯落物,从而增加了土壤的营养
物,提高土壤通透性,增强保水能力,并且能够增加土壤微生物的数量和土壤酶活,到达提高林地土壤肥力的
效果[25]。
本课题组之前使用传统的方法研究了降香黄檀混交林土壤微生物的分布、数量,已证明降香黄檀混交林
的土壤微生物多样性优于纯林。 本次试验在此基础上,根据试验样地的实际情况,选择立地条件基本一致的
降香黄檀混交林进行研究。
4.1  土壤理化性质
4种混交林土壤的含水量偏低,这主要是由于所选样地的土壤属于砂壤,保水能力差,且采样前半个月处
于干旱状态,造成了土壤含水量总体偏低,4个样地在含水量上无显著性差异。
土壤 pH值是影响土壤微生物群落结构的重要因素之一,pH值的变化对土壤的有机质分解与合成,N、P、
K营养元素的合成与转化有着重要的作用[26]。 在此次四种混交模式中, Dal 1的 pH值最高,其次是 Dal 0,而
Dal 2和 Dal 3 在 pH值方面无显著性差异。
有机质含量与土壤肥力存在着密切的关系,有机质为植物提供了一定有营养物质,促进了植物的生长发
育,同时可改变土壤的物理性质,促进土壤微生物的活动[27]。 本研究中,可能由于与混交林不同树种的生长
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习性、落叶和分泌物不同,造成了土壤有机质含量的差别。 相关性分析表明,有机质与土壤含水量存在显著的
正相关,这可能是由于土壤有机质自身能够吸收、保持一定的水分,当有机质含量增多时,土壤中有机胶体的
含量也增多[28],另一方面有机质多的土壤团粒结构多,并且含有大量的毛管孔隙,可吸收并保持水分,从而导
致土壤的含水量增多。 但总体来看,四个样地的有机质含量也偏低,这也与土壤类型有很大的关系。
土壤中的全氮、有效磷、有效钾是衡量土壤氮素、磷素和钾素供应状况的重要指标,在此次试验中,四种混
交模式的全氮、有效钾的变化趋势与有机质变化趋势相同,与有机质呈正相关。 这可能与氮元素和钾元素在
土壤中存在的形式有关系。
在土壤酶活性方面,过氧化氢酶能在一定程度上反应出土壤微生物的强度[29],实验结果表明,在四个混
交模式中,土壤微生物强度无显著性差异。 脲酶能促进土壤中有机质分子的水解,而多酚氧化酶则是促进土
壤中的芳香族化合物转化为腐殖质[25],因而研究结果与理论相符,脲酶与多酚氧化酶呈极显著的负相关,有
机质与脲酶呈极显著正相关,与多酚氧化酶呈极显著负相关,与熊汉锋[30],田昆[31]和 Beri[32]的研究结果相
一致。
4.2  土壤细菌群落结构
在本研究中发现,四种降香黄檀混交林共存在 18 个细菌门的分类。 其中,变形菌门、酸杆菌门、放线菌
门、绿弯菌门和厚壁菌门为四种混交模式中的主要菌群,而绿菌门、厚壁菌门、硝化螺旋菌门、拟杆菌门、芽单
胞菌门、纤维杆菌门、热袍菌门、装甲菌门和迷踪菌门 9 个菌门在 4 种混交模式中的相对丰度存在显著性差
异,这可能是由于不同树种的生长代谢及根系分泌物不同,引起了土壤理化性质的发生不同程度的改变,导致
了菌群的差异。
多样性分析 ace指数表明细菌群落的 OTU数目的种类为:Dal 2 > Dal 1 > Dal 0 > Dal 3;chao指数表明各
样地细菌的物种总数为:Dal 2 > Dal 1 > Dal 0 > Dal 3。 结合土壤理化性质分析,Dal 2 在有机质、全氮、有效
磷、有效钾方面含量均最高,说明了降香黄檀与檀香混交,能够提高土壤的肥力,丰富土壤细菌群落结构。 反
之,降香黄檀与母生混交土壤的理化、酶活均最低,且 OTU数目和细菌物种总数也最低。
4.3  土壤细菌多样性及其与土壤性质的关系
根据 shannon指数和 simpson指数,可以看出各样地细菌群落的多样性为:Dal 1 > Dal 0 > Dal 2 > Dal 3。
也就是说,虽然 Dal 2的细菌物种总数多,但是多样性却不如 Dal 1,Dal 0。 可能是因为与降香黄檀混交树种
中,Dal 1中的大果紫檀和 Dal 0中的奥氏黄檀属于豆科,树种本身具有固氮能力,可以为更多种类的微生物提
供更好的生长环境。 而 Dal 2中的檀香,其自身不能健康生长,需依靠根上的吸盘从假蒿、山毛豆、降香黄檀
处吸取营养和水分,虽然有豆科植物山毛豆作为伴生树,但绝大部分营养成分供檀香生长。 从实验结果来看,
这 3个样地的多样性都优于 Dal 3,这也说明了固氮植物能够提高土壤细菌的多样性。
通过分析理化性质与细菌多样性系数的相关性,结果表明与土壤细菌多样性 shannon 指数和 simpson 指
数有极显著相关的理化性质为 pH值、有机质,酶活为脲酶和多酚氧化酶,与之前的研究结果一致[33],也有研
究表明,在门的分类水平上,pH值、有机质能强烈的影响微生物菌群[8,34]。 说明土壤 pH 值影响着土壤菌群
群落的代谢活动,从而引起土壤有机质和酶活的变化,而这些变化又进一步影响土壤细菌的群落结构。
4.4  土壤细菌群落结构与降香黄檀混交林
4种降香黄檀混交林中,降香黄檀×大果紫檀、降香黄檀×檀香、降香黄檀×奥氏黄檀对土壤的改良效果较
好,而降香黄檀×母生效果最差。
从冗余分析中可知,厚壁菌门、纤维杆菌门和硝化螺旋菌门与 pH呈正相关,说明此 3 类菌门的生长代谢
能够影响土壤的 pH。 4个样地中,降香黄檀×大果紫檀混交林土壤的 pH值最高,此 3种菌群的相对丰度也最
高,表明降香黄檀×大果紫檀能够改善土壤酸化状况。
迷踪菌门与土壤脲酶、全氮、有机质也呈正相关,表明该菌门在有机质、氮素等的转化过程中扮演了重要
角色,且降香黄檀×檀香土壤中的有机质、全氮、有效钾和脲酶含量最高,说明降香黄檀×檀香能够改善土壤贫
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瘠的状况,提高土壤肥力。
绿弯菌门、热袍菌门与含水量、过氧化氢酶呈正相关,且此两种菌门在降香黄檀×奥氏黄檀混交模式中相
对丰度最高,说明降香黄檀×奥氏黄檀能够提高土壤的蓄水能力,降低过氧化物对生物体造成的伤害。
5  结论
(1)降香黄檀不同混交模式土壤理化性质、酶活均存在不同程度的差异。 其中降香黄檀与檀香混交林土
壤的含水量、有机质、全氮、有效钾、脲酶高于其他样地。 降香黄檀与大果紫檀混交林土壤的 pH 值、有效磷、
多酚氧化酶高于其他样地。
(2)高通量测序技术的结果表明,4 种不同模式降香黄檀混交林的土壤细菌的丰富度为:降香黄檀×檀
香 > 降香黄檀×大果紫檀 > 降香黄檀×奥氏黄檀 > 降香黄檀×母生;各样地的土壤细菌多样性为:降香黄檀×
大果紫檀 > 降香黄檀×奥氏黄檀 > 降香黄檀×檀香 > 降香黄檀×母生。
(3)4种降香黄檀混交林土壤细菌群落结构的分布及多样性主要受 pH 值、有机质、脲酶和多酚氧化酶的
影响。
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