亚热带资源与环境学报
Journal of Subtropical Resources and Environment
Vol. 16 No. 1
March 2021
第16卷第1期
2021年3月出版
郑荧枫，李雪，万晓华，等.次生林不同演替时间土壤微生物落结构的变化[J].亚热带资源与环境学报，2021, 16 (1)： 23-28, 34. ZHENG Y F , LI X , WAN X H, et al. Changes of soil microbial community structure across different succession stages of secondary forest [J]. Jour nal of Subtropical Resources and Environment , 2021 , 16 (1)： 23-28 , 34. DOI ： 10. 19687/j. cnki. 1673-7105. 2021. 01. 004. 次生林不同演替时间土壤微生物落结构的变化
郑荧枫二李雪打万晓华二邹秉章2，王思荣2，黄志"
(1.福建师范大学地理科学学院，福州350007； 2.上杭白砂国有林场，福建上杭364205)
摘要：本研究在亚热带地区选取了 5个演替阶段(4-5年、8-12年、18-22年、25-30年和 35-40年)的次生林为研究对象，采用磷酸脂肪酸的方法研究不同林龄次生林土壤微生物
落结构特征，分析土壤微生物落结构与土壤理化性质的关系。结果表明：土壤总微生物生物 量、真菌生物量、细菌生物量、革兰氏阳性菌生物量和革兰氏阴性菌生物量均在8-12年林分
最高。而革兰氏阳性细菌与革兰氏阴性细菌比和真菌细菌比均在4-5年林分最高。主成分分
析表明，4-5年林分和25-30年林分次生林土壤微生物落结构存在显著性差异，其他林龄
灯光控制器林分土壤微生物落结构差异不明显。冗余分析结果表明，土壤碳磷比、pH 、铵态氮、土壤 容重以及全碳是影响微生物落的主要环境因子。本研究结果表明，次生林林龄可能通过改变
土壤理化性质影响土壤微生物落结构。
关键词：次生演替；土壤微生物；落结构；磷脂脂肪酸
中图分类号：S718. 8
文献标志码：A 文章编号：1673-7105 (2021) 01-0023-06
Changes of Soil Microbial Community Structure across Different Succession Stages
of Secondary Forest
ZHENG Yingfeng 1, LI Xue 1, WAN Xiaohua 1, ZOU Bingzhang 2, WANG Sirong 2, HUANG Zhiqun 1*
收稿日期：2020-11-25
基金项目：国家杰出青年科学基金资助项目(31625007)；国家自然科学基金重点项目(31930077)
作者简介：郑荧枫(1995—)，女，福建福州人，硕士研究生，主要从事森林生态系统碳氮循环方面的研究,
z2050796@ 163. com 。
*通信作者：黄志(1973—)，男，福建上杭人，研究员，博士，博士生导师，主要从事森林生态系统碳氮循环、
亚热带人工林经营、树木生理学等方面的研究，******************** 。
(1. School of Geographical Sciences , Fujian Normal University , Fuzhou 350007, China ；
2. Shanghang Baisha State-owned Forest Farm ， Shanghang 364205， Fujian ， China)
Abstract : Secondary forests at five succession stages (4-5 a, 8-12 a, 18-22 a, 25-30 a and 35- 40 a) in subtropical regions were selected. The phospholipid fatty acid method was used to analyze the
soil microbial community composition and the relationship between soil microbial community structure and soil physical and chemical properties was analyzed. The results showed that the total microbial biomass (total PLFAs) , fungi biomass , bacteria biomass , gram-positive bacteria biomass and gram
negative bacteria biomass were all the highest in the 8-12 years age class. Gram -positive bacteria : gram-negative bacteria ratio (G+/G-) and fungi : bacteria ratio ( F/B ) were the highest in the 4-5
years age class. Principal component analysis showed that there were significant differences
in soil microbial community structure between 4-5 years age class and 25 - 30 years age class. However ， there was no significant difference in soil microbial community structure in other stand ages. Redundancy analysis
showed that carbon to phosphorus ratio ， pH ， ammonium nitrogen ， soil bulk density and soil total car bon were the main environmental factors affecting the microbial community. Forest age affects the com position of soil microbial community mainly by regulating the physical and chemical properties of soil.
Key words : succession ； soil microorganism ； community structure ； phospholipid fatty acid
24亚热带资源与环境学报第16卷
0引言
土壤微生物是土壤生态系统重要的功能组分，调控着许多生态学过程，如土壤有机质分解、土壤碳固存和养分循环等，在生态系统中扮演重要的角茁。植物光合产物和根系分泌物是土壤微生物最重要的碳源，对土壤微生物的繁殖具有重要的作用⑵。反过来，土壤微生物分解过程也调控着植物所需养
分的有效性，从而对树木的生长产生影响。但是，植被生长过程中，微生物落生物量和微生物落组成的变化尚未得到深入研究。
土壤条件的变化，包括土壤水分、土壤养分和pH值均会影响土壤微生物落［3-7］o土壤微生物落组成与土壤含水量密切相关。由于革兰氏阳性菌比革兰氏阴性菌具有更薄的细胞壁和形成抱子的能力更强，因此，在干燥的条件下革兰氏阳性菌比革兰氏阴性菌更有优势［3］o土壤pH是影响微生物生物量的主要因子，有研究表明当pH的范围在4-8.3之间时，细菌生物量会随着pH增高而增加心。此外，土壤养分有效性也是影响微生物落结构的重要因子。Zhou等［5］研究发现土壤碳氮比是影响土壤微生物落的主要因子，随土壤碳氮比增加，土壤真菌比细菌值增加。土壤微生物生物量和落结构对土壤环境变化反应敏感，而森林植被生长会影响植被组成，使植物丰富度逐渐增加［6］，向土壤中输入的有机质数量增加，同时土壤环境也发生变化。有研究发现，随着林龄增加，土壤有机碳含量持续增加［3］, pH值降低，含水量增加［8］，进而可能会影响微生物落。但是，国内外有关林龄对微生物落影响的研究结果并不一致。Zhao等⑼对喀斯特地区不同演替阶段土壤微生物落结构的研究发现微生物生物量随着林龄的增加而增加。但是，也有研究认为受中度干扰的影响在中林龄阶段土壤微生物生物量最高［10］。有研究发现自然恢复的天然次生林可以恢复退化的土壤特性并保持土壤肥力［11］o但是，随着次生演替的进行，土壤微生物落结构特征如何发生变化尚不清楚。明确不同演替阶段次生林土壤微生物落结构变化，有助于认识森林生态系统的稳定性和恢复力。
假设：(1)随着次生演替的进行，植物丰富度和土壤有机碳含量增加［5,8］，微生物总量和各类微生物生物量增加；(2)随着次生演替的进行，pH值降低、土壤含水量和土壤碳氮比增加［7,9］，真菌细菌比值增加，革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌的比值降低。本研究在亚热带地区选取5个(4-5年、8-12年、18-22年、25-30年和35-40年)恢复阶段的天然次生林为研究对象，分析次生林恢复对土壤微生物生物量和落组成的变化特征，以及探究影响其变化的主要因素，以期为亚热带地区森林管理提供科学依据。
1研究区与研究方法
1.1研究区概况
研究区位于福建省龙岩市上杭县白砂国有林场(25°04'-25°15'N,116°30'-116°38'E)，属于中亚热带季风气候，海拔为400-800m，山地坡度为10°-40°，多年平均气温为20.1多年平均降雨量1600mm，无霜期270天左右。主要地貌类型为低山丘陵；土壤主要由花岗岩发育而成的红壤组成，主要为黏壤土，土层深厚，立地条件中等。天然次生林优势树种由早期的杉木(C.lanceolata)过渡到后期的栲树(Castanopsis fargesii)，木荷(Schima superba)等当地优势树种组成。林下植被主要有狗脊(Woodwardia japonica)、芒萁(Dicranopteris dichotoma)、定心藤(Mappianthus iodoides)、毛鳞省藤(Calamus thysanolepis)、短尾越桔(Vaccinium carlesii)、少叶黄杞(Engelhardtia fenzlii)、油茶(Camellia oleifera)A黧蒴锥(Castanopsis fissa)等。
1.2试验地设置
2018年9月到2019年5月期间，选取4-5年、8-12年、18-22年、25-30年和35-40年的5个演替阶段天然次生林为研究对象。4-5年、18-22年、35-40年林分随机布设3个20mx30m的真重复样地作为试验小区，8-12年和25-30年林分随机布设4个20mx30m的真重复样地作为试验小区。相同林龄段样地之间的间隔＞5km，距离农田、道路或其他类型林地的边缘大于100m。所选取的样地土壤结构一致，前茬树种均为成熟的天然常绿阔叶林。研究区土壤基本理化性质见表1。
1.3土壤样品采集与测定
于2019年8月，在不同演替阶段天然次生林的每个试验小区内，用土钻(内径为3.5cm)在各小
第1期郑荧枫等：次生林不同演替时间土壤微生物落结构的变化25
区沿着对角线等距离选取10个点，取0~10cm土层的土壤样品。同一小区的土壤样品均匀混合后装入自封袋中，放于冰盒内保鲜并及时运回实验室。在室内进行土壤样品前处理。剔除土壤样品中的碎石以及植物根系等杂质，然后过2mm筛网。将土壤样品分为两部分：一部分土样储存在-20冰箱中，用于土壤微生物落组成的测定；一部分储存在4T冰箱中，用于土壤含水量、土壤pH、全碳含量等的测定。
土壤容重和含水量用烘干法测定；土壤pH采用土水比为1：2.5测定；土壤全碳、全氮含量用元素分析仪(Elemental EL MAX CNS analyzer，德国)测定；土壤全磷的测定：用H2SO4-HC1O4(4:1)进行高温消解后，用连续流动分析仪(SkalarSan++，荷兰)测定。土壤有效磷的测定在风干的土样中加入0.5mol-L-1NaHCO3溶液，离心过滤后加入0.6mL浓硫酸酸化，静置6h再次过滤，用连续流动分析仪测定。铵态氮和硝态氮含量的测定用2mol-L-1的KC1溶液浸提(土水比1：4)，用连续流动分析仪测定。
土壤微生物落组成的测定采用White等［12］的磷脂脂肪酸(Phospholipid Fatty Acid,PLFA)分析法，脂肪酸提取主要过程为在离心管中取新鲜土样(相当于9g干土重)，加入23mL磷酸缓冲液、和甲醇(体积比0.8：1:2)的混合液，振动2h，离心，为保证浸提彻底，此步骤重复一次。离心后上清液转移至分液漏斗静置过夜，将下层氯仿相收集并N2吹干。用硅胶柱分别萃取、丙酮和甲醇的淋洗液，收集最后加入的甲醇相，氮气下吹干；然后进行皂化和甲基化，形成脂肪酸甲酯。PLFA含量用nmol-g-1表示。用气相谱仪(Agilent6890N，美国)结合MIDI微生物识别系统(MIDI，Inc.，Newark，DE)鉴定，异构(iso)和前异构(anteiso)甲基支链脂肪酸(i14：0、i15：0、i16:0、i17:0、a15:0、a17:0)指示革兰氏阳性细菌(Gram-positive bacteria，GN)。单一不饱和(monounsaturate-d)和环丙烷脂肪酸(cyclopropane)指示革兰氏阴性细菌(Gram-negative bacteria，GN；包括16:139c、16:137c、18:1®7c、18:1®5c、cy17:0、cy19:0w8c)o18:1w9c和18: 2w6，9c指示真菌落(Fungi),16:
1w5c指示丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizae fungi，AMF)，10Me16：0、10Me17：0、10Me18:0脂肪酸标识放线菌(actino-mycetes，ACT)。PLFA的命名方式中i、a、cy和Me，分别表示异、反异、环丙基和甲基分枝脂肪酸；c和t分别表示脂肪端、顺式空间构造和反式空间构造。
表1不同演替时间次生林土壤基本特征比
Table1The comparison of soil basic characteristics of secondary forest among different succession time
林龄/年pH值
土壤容重/
(g•cm-3)
含水量/
(g，k g-l)
全碳/
(g*k g-1)
全氮/
(g*k g-1)
全磷/
(g*k g-1)
有效磷/
(mg-kg-1)
土壤
碳氮比
土壤
碳/磷
u型光电传感器
十壤
氮/磷
铵态氮/
(mg-kg-1)
硝态氮/
(mg-kg-1)
4~5 4.4±0.9 1.0±0.1329.6±14.1b17.3±3.4 1.2±0.30.3±0.2 2.1±0.113.8±0.546.0±6.8 3.3±0.6 5.6±0.8b0.7±0.1 8~12 4.3±0.10.8±0.1376.5±69.3ab16.7±4.6 1.2±0.30.3±0.1 2.7±0.313.8±1.834.6±8.4 2.5±0.59.2±1.0ab 1.3±0.3 18~22 4.5±0.10.9±0.1423.9±57.2a15.4±4.9 1.1±0.20.2±0.1 2.5±0.513.1±1.035.8±14.5 2.6±0.89.0±2.2ab 1.6±0.9 25~30 4.5±0.1 1.0±0.1378.2±38.1ab9.9±3.00.8±0.10.4±0.1 2.7±0.311.2±2.523.0±10.2 2.0±0.68.3±2.3ab 1.0±0.2 35~40 4.5±0.10.9±0.1404.4±42.9ab17.0±8.0 1.2±0.40.4±0.1 2.7±0.612.8±3.033.4±15.9 2.5±0.810.2±2.0a0.9±0.2
注：表中的数据为“平均值土标准差”，4~5年、18~22年、35~40年林分的样本量n=3；8~12和25~30年林分的样本量n=4，同一列不同小写字母表示不同林龄次生林之间差异显著(P<0.05)，仅显示有差异的指标，下同。
1.4数据处理推拉活动护栏
采用SPSS22.0和Canoco5.0软件对数据进行统计分析。利用单因素方差分析(one-way ANOVA)和LSD多重比较法检验不同林龄次生林土壤微生物特性的差异，显著性(a=0.05)。采用Pearson相关分析土壤理化性质与微生物生物量、真菌生物量、细菌生物量、革兰氏阳性菌生物量与革兰氏阴性菌生物量、放线菌生物量、真细菌比、革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌比值之间的关系。采用主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)比较不同林龄次生林间土壤微生物落结构的差异。采用冗余分析(Redundancy Analysis,RDA)确定影响土壤微生物落组成的主要环境因素。利用Origin9.0作图。
2结构与分析
2.1不同林龄土壤微生物落结构特征
在所有演替阶段中，8~12年林分的微生物总量为18.33nmol•g-1，显著高于4~5年和18~22年
26
亚热带资源与环境学报第16卷
林分（图 1a, P <0.05）。 与之相同，真菌生物量在
8-12年林分最高，显著高
于4〜5年和18-22年林分 （图1b, P <0.05）。森林演斗拱模型
替对细菌生物量、革兰氏阳
性菌生物量和革兰氏阴性菌
生物量均存在明显影响
（图1c ），且均表现为8-12
年林分的生物量显著高于
4-5年和18-22年林分（P < 0.05）。但是，森林演替对
放线菌的影响不显著（图 1c, P >0.05）。4-5年林分
的革兰氏阳性菌与革兰氏阴
性菌比值最高，显著高于 8- 12年和25 - 30年林分
（图 1d, P <0.05）。并且， 4-5年林分的真菌细菌比
最高，显著高于8-12年林 分（图 1e, P < 0. 05），与
其他演替阶段无显著差异。
不同演替阶段次生林的
18种磷脂脂肪酸主成分分
析表明，各演替阶段的微生
物落组成存在显著差异 （图2）。第1、2主成分对
革兰氏阳性菌 革兰氏阴性菌
注：数据为“平均值土标准差”，4-5年、18-22年、35-40年林分的样本量n = 3； 8-10年和 25-30年林分的样本量n = 4，不同小写字母表示不同演替阶段次生林之间差异显著（P <0.05）。
图1不同演替时间次生林土壤微生物结构
Figure 1 The compositions of soil microbial community in different succession time
of secondary forest
微生物落结构差异的贡献值分别为27.66%、 23.35%。其中，4〜5年林分次生林与25-30年林分
次生林存在显著性差异（P <0.05）。
2.2 土壤微生物生物量、落结构与土壤土壤理化
性质关系
相关分析结果表明（表2），革兰氏阳性菌与革
兰氏阴性菌比值与土壤有效磷极显著正相关（P <
0.01）。土壤真菌细菌比与土壤有效磷极显著正相关 （P <0.01），与土壤碳磷比显著正相关（P <0.05）。
总微生物生物量与全磷显著正相关（P <0.05），与土 壤碳氮比极显著正相关（P <0.01）。冗余分析结果显
示，土壤微生物落结构与土壤碳磷比、pH 、铵态
氮、容重以及碳有关（图3）。其中，土壤碳磷比和 真菌（18 : 1 w9c , 16 : 1w5c , 18 : 2369c ）、放线菌 （10Me17 : 0, 10Me18 : 0）正相关，与革兰氏阳性
-2 -1 0 1 2
• ••
△
.■_;
□ 4〜5年• 8〜12年'
o 18〜22年△ 25〜30年_
■ 35〜40年
口 □
PC1 (27.66%)
图2不同演替时间次生林磷脂脂肪酸的主成分分析
Figure 2 Principal component analysis of PLFAs structures
in different succession time of secondary forest
菌（i15 : 0, a15 : 0）和革兰氏阴性菌（18 : 137c,16 : 137c, cy17 : 0, cy19 : w8c , 16 : 1w9c)负
手动提升机相关。pH 与革兰氏阴性菌(18 : 137c, 16 : 137c, cy17 : 0, cy19 : w8c, 16 : 139c)与放线菌
(10Me17 : 0, 10Me18 : 0)、革兰氏阳性菌(i14 : 0, i16 : 0, i17 : 0, a17 : 0)负相关
。
第1期郑荧枫等：次生林不同演替时间土壤微生物落结构的变化27
3讨论
土壤微生物几乎参与土壤中所有生态过程，微生物丰度的大小能反映土壤矿化能力的变化，是评价土壤活性的重要指标之一［10］。相关研究
表2土壤微生物与土壤理化性质的Pearson相关分析
Table2Pearson correlations between microbial and soil physicochemical properties 土壤微生物
含水量/全碳/
p(g-k g-1)(g-k g-
全氮/
1)(g-k g-1)
全磷/有效磷/
(g-k g-1)(m g-k g-1
土壤
）氮/磷
土壤
碳氮比
土壤
碳磷比革兰氏阳性菌：
麻元友革兰氏阴性菌
0.48-0.170.16-0.02-0.420.67**0.260.360.28真菌：细菌-0.17-0.240.270.10-0.080.63**0.350.60*0.07
总微生物生物量/
-0.07-0.100.210.330.59*0.73**-0.33-0.15-0.30 (nmol•g1)
注：*表示P<0.05；**表示P<0.01。
表明，不同发育阶段的林分土壤微生物生物量存在显著差异。刘顺等］对不同林龄陈山红心杉土壤微生物的研究发现，随着林分林龄的增加，土壤总磷酸脂肪酸含量及各类微生物磷酸脂肪酸含量均呈现先降低后增加的变化趋势。这种趋势产生的原因可能是林分发育前期，树木生长需要
大量养分导致微生物可利用的养分减少，林分发育到后期养分周转速率变慢，增加了土壤微生物可利用的养分，从而增加了土壤微生物生物量［⑺。Zhao等［10］研究发现，在森林演替过程中土壤总磷
酸脂肪酸含量、各类微生物磷酸脂肪酸含量均呈现增加的趋势，这与不同演替阶段的植被组成有关。此结果与本研究不一致。本研究通过磷脂脂肪酸分析方法发现，磷脂脂肪酸总量、细菌生物量、真菌生物量、革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌生物量在8〜12年林分最高，且显著高于4~5年和18〜22年林分，与25~30年和35〜40年林分间没有显著差异。与假设1不一致。相关分析结果
^rTotalC
.：lW7c
1.0
//；\al7:
//>\
density^/
NHtN
PH/
RDA1(52.93%)
10Mel6:0订6:0
订7:0
订4:0
al5:010Mel7:0
一►18:lW5c 16:lW9c
cyl7:0
18:lW7c
18:lW9c
^1W5C18:2W^
『SoilC/P 土壤碳/磷P=0.002
pH P=0.008
全碳P=0.016
土壤容重P=0.038
土壤碳/磷P=0.046
图3土壤微生物落组成与土壤理化性质冗余分析Figure3Redundancy analyses for soil microbial community composition based on physicochemical properties
显示，全磷、有效磷含量与总微生物生物量呈正相关。亚热带地区长期处于磷匮乏状态，土壤磷成为限制植物生长的关键因子。在次生林生长发育过程中，4〜5年和18〜22年林分土壤磷含量较低，可能不利于植物生长，从而导致土壤微生物的生长和代谢活动下降。因此，土壤磷含量有可能是限制微生物生长的主要因子。
土壤微生物对其生存环境的变化反应敏感，土壤微生物落结构的变化反映了微生物与其环境之间相互作用的变化［⑻。Kuramae等［19］对白垩草地各次生演替阶段土壤微生物落结构的研究结果发现不同演替阶段土壤微生物落结构相似。本研究结果表明，4〜5年次生林与25~30年次生林微生物落结构存在显著性差昆但其他林龄土壤微生物落结构间均不存在显著性差异。冗余分析的结果表
明，土壤碳磷比、土壤pH、铵态氮、土壤容重以及土壤碳是影响微生物落结构的主要环境因子。但是，这些环境因子在次生林不同演替时间没有显著差异，即林龄对土壤微生物落结构的影响并不明显，仅个别林分土壤微生物落结构具有差异性。
研究结果表明，4〜5年林分次生林真菌细菌比和革兰氏阳性细菌与革兰氏阴性细菌比均高于其他林龄林分。这与假设2不一致。有研究表明，真菌与细菌在森林生态系统有机质分解中具有十分重要的作用，细菌主导型分解途径通常在营养丰富（低碳氮比）的土壤占优势地位；而真菌主导型分解途径通常在低营养（高碳氮比）的土壤中占优势地位［5］。在一定程度上真菌与细菌比能够反映出土壤食物网的结构和功能对不同土壤条件的响应［20］。相关研究显示，不同林分发育阶段土壤真菌细菌比明显不同。Jia等［21］发现在中国半干旱黄土高原废弃地上的自然演替过程中真菌细菌比呈增加的趋势。产生这种结果的原因可能是随着森林的生长发育，土壤中的难分解有机质增加而易分解有机质减少，真菌相较于细菌具有更强的腐解能力，善于分解难分解有机质，因此，随着林龄的增加，真菌生物量在土壤中高于细菌生物量［22］。但是，Kuramae等［19］对草地上的自然演替研究发现，随着自然演替进行真菌细菌比降低。这与本研究相似。在本研究中，真菌细菌比在
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