放牧对沙地樟子松林土壤养分及微生物群落的影响_张彤.pdf

第40卷第2期2023年2月Vol.40No.2Feb.2023干 旱 区 研 究ARIDZONERESEARCHhttp:/DOI：10.13866/j.azr.2023.02.04放牧对沙地樟子松林土壤养分及微生物群落的影响张彤1,2,刘静1,2,韩叙1,2,童郁强1,2,魏亚伟1,2（1.沈阳农业大学林学院，辽宁 沈阳110866；2.辽宁辽河平原森林生态系统国家定位观测研究站，辽宁 昌图112500）摘要：为探究放牧对土壤养分和微生物群落的影响，本研究分别选取了放牧和围封沙地樟子松林为研究对象，基于高通量测序技术，并测定土壤化学指标，分析放牧与围封土壤中养分、微生物群落组成以及多样性的差异。研究结果显示：（1）放牧后全磷含量显著降低（P0.05），土壤有机碳和全氮含量也降低，但差异并不显著（P0.05）。（2）从土壤微生物群落组成上来看，真菌分类学门水平中担子菌门比例放牧显著低于围封（P0.05），但对细菌门水平并未产生显著影响（P0.05）。（3）就土壤微生物多样性而言，放牧极显著降低了细菌的Chao1指数和Shannon指数（P0.01），对真菌群落多样性无明显影响（P0.05），可见，放牧对土壤细菌多样性指数的影响较真菌更大。综上所述，沙地樟子松林的放牧行为对土壤养分及土壤微生物均有不同程度的负面影响，所以该地区应适度减少放牧行为，缓解土地压力，以保障樟子松人工林的可持续利用。关键词：沙地樟子松；放牧；土壤养分；土壤微生物我国辽西北属农牧交错区，是防沙治沙工程的重点治理区，也是三北防护林的重要组成部分。近几十年来,该地区营造了大面积人工林,在生态修复中起着重要的作用。樟子松(Pinus sylvestris var.Mongolica)耐寒性强，适应能力强，在土地贫瘠且较干旱的沙地也能生长良好,可以很好的起到防风固沙作用1，是辽西北地区的主要人工造林树种之一，在生产生活以及该地区的森林资源利用上均起到了关键作用。然而该地区存在大量的放牧行为和人为破坏，对该地区的土壤产生了一定程度的影响。土壤微生物参与森林生态系统的关键过程，包括有机质分解和养分循环、土壤结构形成和生物多样性调节，可以保持土壤健康，稳定土壤的生产力2。很多生物与非生物因素均会影响微生物的组成和多样性，例如土壤湿度、土壤pH、有机碳含量、植被覆盖、土地利用和生态系统干扰3-4。由于研究手段和方法有限，以往大多侧重于微生物量的研究5。微生物多样性可以有效提升微生物的功能性并保证生态系统可以稳定发展6。近年来，随着生物分析技术不断的进步，除了物种组成上，从功能及遗传的多样性开展了一系列探究，对微生物多样性研究进一步加深7。土壤中最敏感的是土壤微生物，生态环境发生改变时可以较早的被其反映出来，因此可以指示土壤的质量8。国内外学者针对不同的土地管理方式对土壤微生物的影响开展了大量研究，研究发现，管理方式的不同会对微生物产生不同的影响9-11。例如，丁成翔等9针对青藏高原开展了一系列的研究，结果发现放牧使真菌担子菌门的相对丰度显著降低，对细菌群落组成无明显影响；对多样性指数的影响细菌比真菌更大。杨阳等10的研究发现，放牧对细菌Simpson指数影响显著，但对真菌多样性指数的影响并不明显。微生物通过分解和转化有机质来维持土壤养分的循环，同时土壤养分也会反作用于微生物。放牧中牲畜的啃食、排泄与人为的践踏会使土壤养分发生变化。由于土壤系统的复杂性、草地类型的多样性以及放牧方式的不同等，放牧对土壤养分的影响一直没有收稿日期：2022-07-04；修订日期：2022-10-21基金项目：中国科学院战略性先导科技专项（XDA23070103）；国家林业和草原局林草科技创新平台运行补助项目“辽宁辽河平原森林生态系统国家定位观测研究站运行补助”（2020132029，2021132053）作者简介：张彤（1997-），女，硕士研究生，主要从事森林土壤研究.E-mail:通讯作者：魏亚伟.E-mail:194202页2期张彤等：放牧对沙地樟子松林土壤养分及微生物群落的影响统一的结论。高昌宇等11的研究表明，短期放牧不会显著影响土壤养分的循环过程以及土壤微生物结构和功能。马香云等12的研究显示，放牧会在一定程度上增加土壤有机碳、氮含量，而祁正超等13的研究结果则表明，放牧会降低荒漠灌丛草地土壤有机碳和全氮含量。综上所述，由于不同地区环境条件存在差异，放牧对土壤养分的影响也不同。以往各地区对于土壤微生物及养分的研究多为草地，针对沙地人工林的研究较为少见。因此，深入探讨放牧对沙地樟子松人工林土壤养分及土壤微生物的影响，以便指导人们因地制宜地管理该地区生态系统。辽西北地区是三北防护林的重要组成部分，然而近年来该地区人工林中放牧活动逐渐增多，给人工林的发展造成了一定影响，因此本研究选取辽西北的沙地樟子松人工林为研究对象，探讨放牧和围封下土壤微生物群落结构和多样性以及土壤养分的差异，以期为该地区樟子松人工林的可持续管理提供参考。1材料与方法1.1 研究区概况试验样地设置在辽宁辽河平原森林生态系统定位研究站（43232343323N，1233852124620E）。研究区域属温带半湿润半干旱大陆性季风气候，最高气温35.6，最低气温-32，日平均气温6.4，10 以上年积温3218。年降水量450550 mm，降水大多集中在78月，年均蒸发量1843 mm，是降水量的34倍，相对湿度59%。早霜期在9月底或10月初，晚霜期在4月中下旬，无霜期145150 d。土壤pH值在6.07.0之间，多为风沙土。植被群落以樟子松（Pinus sylvestris var.Mongolica）和杨树（Populuscanadensis）防风固沙林为主，其中樟子松人工林面积最大，已达5486 hm2。该地区的原生植被为少量的草本和木本，如糙隐子草（Cleistogenes squarrosa）、狗尾巴草（Setaria viridis）、紫 穗 槐（Amorphafruticosa）和 黄 柳（Salixgordejevii）等。1.2 土壤样品的采集与处理于2014年选取植被长势均匀、立地条件基本一致的樟子松人工林作为试验样地（表 1），在围封(CK)样地边界处设置围栏，使围封样地内樟子松在没有任何干扰的情况下生长；放牧样地则不设置任何围栏，允许放牧行为和一切人为干扰。在放牧（G）和围封(CK)的样地内各设置3块20 m20 m的样方，各样方之间间隔50 m。2021年8月在放牧和围封各3个样方内利用土钻对表层（010 cm）土壤进行取样，每样方设置68个采样点，用四分法混合后分成2份，分别装入无菌自封袋中，做好标记后密封带回实验室。用于测定土壤养分的样品在实验室内挑出细根和杂质，风干后研碎，过 2 mm 网筛。用于测定微生物群落的土壤样品，去除细根，碎石等杂质，过 80 或 100 目筛，放入 2 mL 离心管于80 冰箱冷冻保存。1.3 测定方法土壤有机碳含量采用重铬酸钾外加热法测定；土壤有效磷含量使用紫外分光光度计测定；土壤中全氮、铵态氮、硝态氮和全磷含量使用AA3流动分析仪测定。土壤微生物群落通过illumina MiSeq高通量测序技术进行测定。真菌的测序区为 ITSrRNA的V1区，正向引物：GGAAGTAAAAGTCGTAACAAGG，反向引物：GCTGCGTTCTTCATCGATGC；细菌的测序区为16s rRNA的V3V4区，正向引物：ACTCCTACGGGAGGCAGCA，反 向 引 物：GGACTACHVGGGTWTCTAAT。真菌和细菌使用同一份土壤样品进行测序。表1 样地基本概况Tab.1 Basic profile of the plot处理放牧（G）围封（CK）样地类型樟子松人工林Pinus sylvestris var.Mongolica樟子松人工林Pinus sylvestris var.Mongolica林龄/a5050土层厚度/cm65.0065.00郁闭度0.700.70林分密度/（株 hm2）275270平均高度/m14.1014.50干扰方式放牧，踩踏无人为干扰19540卷干旱区研究1.4 数据分析土壤养分数据使用Excel 2013进行处理，使用SPSS 22.0 进行独立样本 T 检验分析，数据为平均值标准差。采用Bray距离来分析放牧与围封土壤间群落结构的差异，并通过非度量多维尺度(NMDS)进行可视化。采用Canoco5中的冗余分析（RDA)来研究土壤养分与真菌和细菌群落多样性指数的相关性。2结果与分析2.1 放牧对土壤微生物群落的影响2.1.1 放牧与围封土壤微生物的OTU数表2对平均丰度大于1的所有OTUs进行了韦恩分析，可以看出，对于土壤真菌围封样地获得的OTUs有1451条，放牧样地获得929条，放牧与围封共有的OTUs有585条。土壤细菌围封样地获得14388条，放牧样地获得10597条，放牧与围封共有4272条。2种处理的相似度为17.1%24.6%。放牧使真菌的OTUs和细菌的OTUs均呈降低的趋势。2.1.2 放牧与围封土壤微生物的稀疏曲线稀疏曲线可以反映出在当前测序深度下各样本内的微生物种类组成。通过真菌和细菌的稀疏曲线（图1）可以看出，相同的测序深度下，OTU数均为放牧小于围封，说明放牧的微生物多样性低于围封。在本研究中当序列数量达到20000后各稀疏曲线均逐渐平缓，也说明测序数量充足，取样科学，可以较准确地反映真菌和细菌群落的组成。2.1.3 放牧与围封土壤微生物的各分类水平类群分布从表3可以看出，在各个分类水平下，围封和放牧真菌的类群数均为放牧小于围封，并且围封与放牧类群数均在属水平最大，分别为116.4和88.8。对于细菌而言，在各水平下仍为放牧小于围封，围封与放牧类群数仍然在属水平最大，分别为371.6和332.6，不同的是细菌属水平的类群数放牧显著低于围封（P0.05）。2.1.4放牧与围封土壤微生物的门水平类群分布从图2可以看出，将无法识别的类群归为其他（9.97%11.47%），放牧和围封样地各样本中可读取的真菌门水平类群共有10个，分别是子囊菌门Ascomycota(37.34%47.05%)、担子菌门 Basidiomycota（28.21%44.99%）、被 孢 霉 门 Mortierellomycota（5.88%14.23%）、球囊菌门 Glomeromycota（0.1%0.38%）、壶菌门Chytridiomycota（0.05%0.1%）、毛霉菌门Mucoromycota（0.05%0.05%）、Calcarisporiellomycota（0.03%0.04%）、油 壶 菌 门 Olpidiomycota（0.01%0.02%）、梳霉门 Kickxellomycota（0.01%0.01%）、罗兹菌门 Rozellomycota（0.00%0.01%）。其中，优势菌门为子囊菌门、担子菌门和被孢菌门，3个类群占比超过了80%。由于放牧，子囊菌门和被孢菌门的相对丰度升高，但不显著（P0.05），而表2 放牧对土壤微生物OTUs的影响Tab.2 Effects of grazing on soil microbial OTUs土壤微生物真菌细菌处理CKGCKGOTUs14519291438810597交并集585-4272-相似度/%24.6-17.1-图1 稀疏曲线Fig.1 Sparse curve1962期张彤等：放牧对沙地樟子松林土壤养分及微生物群落的影响担子菌门的相对丰度显著降低（P0.05)。无法识别的类群其他占1.99%2.57%。可读取的细菌门水平类群共10个，分别是变形菌门Proteobacteria（33.21%35.51%）、放线菌门Actinobacteria（30.44%34.74%）、酸杆菌门Acidobacteri（12.07%12.23%）、绿弯菌门Chloroflexi（6.25%6.65%）、厚壁菌门 Firmicutes（3.13%6.30%）、芽单胞菌