浅谈杉木人工林土壤微生物群落结构特征

袁爱兰

 

摘要:研究杉木人工林土壤微生物群落结构特征对于杉木人工林的种植有着重要意义。本文基于此,首先对杉木人工林与土壤微生物群落结构特征的相关理论进行了分析,为后文的研究工作奠定了理论基础,然后从数量分布、垂直分布、季节性变化等不同角度论述了杉木人工林土壤微生物群落结构特征。
关键词:杉木人工林;土壤微生物;群落结构特征

 

1.

杉木人工林是我国南方地区林区的重要森林类型之一,其中杉木作为南方地区亚热带气候下特有的优良树种,对于缓解我国木材需求增长的压力和保护生态环境等方面均有着重要意义。而土壤微生物则是有机物分解过程中的重要承担者,整个微生物群落所表现出的一系列结构特征以及相关的活性组成都对整个人工林生态圈的物质循环以及养分供应有着直接影响,同时,群落特征的变化也反映着整个人工林生态环境下土壤肥力、土壤质量、温度、湿度等一系列因素。在这样的背景下,研究杉木人工林土壤环境与土壤微生物群落结构特征的因果关系,无论是对进一步促进杉木人工林生态环境循环,还是降低不恰当操作导致的土壤负面生态效应均有着积极意义。

2.杉木人工林与土壤微生物群落结构特征的相关理论分析

2.1土壤微生物群落的作用分析

在生物学的研究中,土壤微生物群落往往作为一个极其特别的生物学总体来看待,宏观上而言,土壤微生物群落指的是由同种生物中的不同个体在一定环境下(如土壤)组成的具有相互作用的群体。一般情况下,陆地生态系统中的生物化学过程均需要土壤中的生物参与,例如矿化同化过程、氧化还原过程、有机碳代谢过程等等,因此,土壤微生物群落在生态系统的研究过程中也被称为修复土壤生态环境和降解污染物质的先锋者。此外,土壤微生物还推动者生态系统中的土壤物质转化过程和能量流动过程,例如虽然土壤微生物的含碳量仅仅只占有生态环境中土壤总有机碳的2%,但这部分的有机含碳量却在有机质和无机物的降解转化、植物营养及土壤肥力的保持等方面起到重要作用。因此,研究杉木人工林中壤微生物群落结构特征具有深层次的现实意义。

2.2我国杉木人工林面临的问题分析

杉木在我国南方亚热带地区已有了近千年的栽培历史,相关的栽培制度也随着建国以来我国经济的发展不断趋于完善。根据我国森林资源统计局在2013年公布的数据,我国的杉木林面积已超过18000公顷,蓄积量更是达到了0.47亿平方米,超出了我国人工林蓄积量50%。但现阶段,我国杉木人工林的建设还存在着一些生态问题,主要表现在以下几个方面。其一是我国杉木人工林大多由天然阔叶林砍伐后形成,故与天然阔叶林相比在树种、群落结构、生态多样性方面还不够完善,自身缺乏有效的生态抵抗性。其二是杉木人工林作为人工栽植的群落,较易受到人类活动的干扰,导致林地土壤在物理性质、化学性质、生物性质等多个方面容易发生突变,从而给生态环境带来难以预知的影响。其三是我国近几年来对土壤微生物群落结构特征的相关研究尚处于起步阶段,对于人工林集约经营是否引起土壤衰退、林地的物质代谢和肥力的发展存在何种联系等重要课题还缺乏完善的研究体系,造成实践工作缺乏行之有效的指导体系。

3.杉木人工林土壤微生物群落结构特征的研究方法

本文选用最常用的平板涂布培养法作为杉木人工林土壤微生物群落结构特征的研究方法,具体步骤如下。

3.1样品采集

在杉木人工林地的山脊、山坡、山洼三处设定采样点,采样时每个样品取3份1kg左右共3kg,然后用保鲜袋和透明胶带做好密封与保存工作,在当天带回实验室进行研究。

3.2土壤溶液的配制

将10g待测土壤与90ml经无菌处理的蒸馏水放入250ml三角瓶中,经恒温振荡仪中振荡1h后取出并静置,从而配成最大浓度的稀释液,然后取上层清液与9ml经无菌处理的蒸馏水分别放入不同的试管中,混合均匀后制成浓度按梯次降低的稀释液。

3.3培养基制备

细菌、真菌和放线菌的培养基分别选用牛肉膏蛋白脉琼脂培养基、PDA培养基和高氏1号培养基,具体材料参考常用的材料制备表,完成基本的材料配备工作后,将初步完成的培养基放入37摄氏度温箱中培养一天,确保灭菌工作的彻底进行。

3.4微生物接种与计数

将按梯度配置的土壤溶液用移液器打入灭菌过的培养皿中,按照溶液提出分别倒入培养基中,待到培养基初步凝固后放入不同温度的生化培养箱中进行培养,24小时后进行细菌的计数工作,48小时后进行真菌的计数工作,6天后进行放线菌的计数工作。

4.杉木人工林土壤微生物群落结构特征分析

土壤微生物是土壤的重要组成部分,因此土壤中微生物的种类、数量的分布特征可视为是对土壤肥力和物质循环过程的最直接反映。在杉木人工林生态系统中,占据主要地位的微生物为细菌、真菌、放线菌三大类,其对于有机物的分解、硫、氮化合物的转化起到了最主要的作用。

4.1土壤微生物群落的数量分布

表1为利用显微镜对平板涂布培养法所得的微生物进行数量统计的相关数据,不难发现,无论是哪种土壤层次和立地类型,细菌数量皆在所有的微生物中占据了主要地位,其平均数值分别为山脊的91.69%、山坡的92.83%和山洼的92.71%,在其余两类微生物中,放线菌数量略高于真菌数量。因此,在杉木人工林地土壤微生物中,细菌是有机物质分解转化过程中的最主要的参与者。而即使是在相同土层的不同立地类型中,微生物的数量分布特征也不尽相同。由表1不难得出,山坡的微生物的数量总数大于山脊的微生物的数量,约为山脊的微生物的数量的1.18倍,但低于山洼处的微生物的数量,仅为山洼处微生物的数量的87%。其原因在于山脊处的地形较为陡峭,容易在雨雪天气因雨水大量冲刷造成养分流失,形成较薄的土壤层次也不利于杉木人工林中凋落物的聚集,造成后期微生物群落参与分解活动时,腐生微生物数量严重下降。而山洼处则由于地形呈现出盆地状,在整个杉木林面临相同环境时,山洼处也不易水土流失,这就造成山洼地区的土壤层次较厚、水分含量较多,所带来的较多的林中凋落物的聚集进一步使得土壤中微生物的活动频繁。这也恰恰与杉木人工林中山洼林木生产力远高于山坡和山脊地区的林木生产力的现状相吻合,验证了结果的有效性和正确性。

 

表1:杉木人工林地土壤微生物数量的分布特征(单位:万个/克干土)

立地类型 土层 微生物总数 细菌 真菌 放线菌
山脊 0-20m 32.881 29.333 0.774 2.764
20-40m 27.133 25.196 0.225 1.712
40-60m 11.007 1.233 0.052 0.722
山坡 0-20m 52.661 48.266 0.875 0.722
20-40m 33.021 30.194 0.315 2.512
40-60m 16.826 16.030 0.053 0.733
山洼 0-20m 68.945 62.120 1.055 4.780
20-40m 44.049 40.623 0.528 2.868
40-60m 22.924 21.633 0.103 1.188

 

4.2土壤微生物群落的垂直分布

根据表1中的既得数据,对同种类型的不同土层深度同一种类的微生物数量取加权平均值,建立起相关的线性回归方程如表2所示,计算得出,0-20m土层中微生物总数为52.143万个/克干土、20-40m土层中微生物总数为34.734万个/克干土、但40-60m土层中的微生物总数仅为16.916万个/克干土,且三种微生物的数量分布均符合这种随土层深度数量逐渐降低的垂直分布特征,其中放线菌和真菌更是因为总数量稀少而表现的更为明显。而根据所建立的回归方程,不同微生物的数量和土壤的垂直深度的相关系数均为负,并呈现出显著负相关的态势,其中真菌数量与土壤垂直深度的相关系数最大,为-0.688,细菌和放线菌与土壤垂直深度的相关系数则较低,分别为-0.426和-0.413,不难得出,土壤微生物群落的垂直分布与土壤深度有着密切的联系。这其中的原因体现在三个方面。第一,有机物质会因时间推移逐渐在土壤表层所积累,这这种有机物质作为微生物能量和营养的最主要来源,对微生物的分布起到了至关重要的主导作用。第二,土壤的含水量会随着土壤深度的增加而迅速降低,现阶段生物研究的微生物大多需要在充足水分的情况下生存,因此,表层土壤富裕的含水量吸引着更多微生物的聚集。第三,好气性土壤微生物占据了人工林中土壤微生物群落的60%以上,相较于透气状况较差的深层次土壤,这类好气性土壤微生物更多地在具有丰富密集的植物根系以及优秀通气情况的表层土壤进行繁殖。

 

表2:杉木人工林地土壤微生物的垂直分布线性回归

类别 样本数量 相关系数r
微生物总数 199 -0.461
细菌 199 -0.426
真菌 199 -0.688
放线菌 199 -0.413

 

4.3土壤微生物群落的季节性变化

根据所采集的培养皿的微生物群落数量,得出的其季节性变化特征为春秋高、夏冬低,这与部分学者采用其它人工林进行所得出的春季高、夏秋回归、冬季最低的季节性变化特征存在一定的出入。本文认为这可能与杉木人工林中土壤微生物群落中细菌数量超出90%有关,根据大数定律,在庞大细菌数量的影响下,整个微生物群落的季节性变化特征无限趋向于细菌数量的季节性变化特征,相关的不同季节土壤含水量的不同、不同季节温度的不同成为了土壤微生物群落的次要制约因素。

5.结束语

随着我国科学技术的不断发展,有关人工林中土壤微生物群落结构特征的相关研究也会越来越趋于完善。本研究采用显微镜技术和线性相关系数建立等研究方法对杉木人工林中的微生物群落结构特征进行了简要分析,希望能对相关的研究人员带来一定的帮助。

 

参考文献

[1]王嘉民.杉木人工林土壤微生物群落结构特征[J].企业养殖技术开发,2013(7):18-19.

[2]李晓明.杉木人工林土壤质量演变过程中土壤微生物群落结构变化[J].技术指导,2009(11):81-82.

[3]李蓓,李兴源. 桉树人工林土壤微生物活性与群落功能多样性[J]. 国际林业,2005(3):45-46.