林火是我国大兴安岭地区森林生态系统主要的干扰因子之一,对土壤的结构和功能具有重要影响[1,2]。有研究预测,到21世纪中叶大兴安岭地区的火灾发生频率将增加72%～167%[3],这将会加速土壤碳的释放,导致森林由净碳汇变为净碳源。土壤微生物作为土壤物质转化的动力,其对火烧的响应影响着森林碳平衡[4,5]。火烧对微生物的影响因火烧强度和火后恢复时间的不同而存在差异[6]。在短期内,有研究表明高强度火烧直接导致大量微生物死亡,而中、低强度火烧对微生物影响不显著[7]。有研究发现火烧导致森林土壤外生菌根减少[8],而也有研究表明林火对森林菌根真菌的影响不明显[9]。就长期而言,有研究认为火烧改变了森林的植被组成和土壤理化性质[10,11],这对土壤微生微的生长和群落组成将产生长远的影响,更应该得到关注[11]。兴安落叶松林是我国大兴安岭林区最重要的森林类型,目前关于火干扰对兴安落叶松林土壤微生物的影响也开展了大量的研究,但主要集中在土壤微生物生物量[12,13],及其影响因素方面的研究[13,14,15,16]。而关于火干扰对土壤微生物群落影响的研究较少[17,18,19],尤其是不同火后恢复时间对微生物群落的影响研究还未见报道。

本研究以北方森林的主要组成部分兴安落叶松林为研究对象,研究不同火烧强度和火后恢复时间对土壤微生物群落的影响,为准确评价火干扰对北方森林土壤微生物的影响提供数据支持。

1、材料与方法

1.1样地概况及设置

试验样地位于大兴安岭塔河县(123°～125°E,52°～53°N),气候属寒温带大陆性气候,冬季漫长而寒冷,夏季短暂而湿热,年平均气温-2.4℃,年平均降水量463.2mm,平均无霜期98d,年日照时间2015～2865h,10℃有效积温1276～1969℃。于2017年在大兴安岭塔河选取林龄一致、火烧强度和火后恢复时间不同的样地(表1)。除2010年设1个样地外,其余年份均设置3个样地,其中2017年为对照,每个样地面积为20m×20m。

表1兴安落叶松火干扰试验样地基本情况导出到EXCEL

注:火烧强度标准参见胡海清等[20]。

1.2取样和测定

土壤样品于2017年8月份获取,在每块样地随机选3处采样区,每个采样区选5个点混合取样。每点取样时先移去土壤凋落物,然后用环刀在0～5cm土层取样约100g。样品放置在冷冻冰柜(-40℃)内运回实验室进行分析。

样品带回实验室后,一部分用于养分质量分数的测定,一部分样品经冷冻干燥、过筛后用于土壤微生物的测定。土壤微生物测定时,取4g样品,经萃取、分离有机相、色谱纯化、甲酯化后,使用气相色谱仪(Agilent7890B,AgilentTechnologies,USA)测定微生物生物PLFAs质量摩尔浓度,然后换算成单位干土的PLFAs质量摩尔浓度[21,22,23]。

依据MIDI微生物鉴别系统对土壤微生物进行鉴定。真菌为18∶3ω6c(6,9,12)、18∶2ω6、9c、18∶1ω9[23,24,25],丛枝菌根真菌为16∶1ω5c[26],丛枝菌根真菌与真菌加和为总真菌(F)[23];革兰氏阳性细菌(G+)为i14∶0、i15∶0、a15∶0、a16∶0、i16∶0、a17∶0、i17∶0、i18∶0,革兰氏阴性细菌(G-)为16∶1ω7c、16∶1ω9c、18∶1ω7,阳性菌与阴性菌加和为细菌总量(B)[22,23,27,28];放线菌为10Me-16∶0、10Me-17∶0、10Me-18∶0[22,23,28]。饱和脂肪酸为12∶0、14∶0、15∶0、16∶0、17∶0、18∶0、20∶0;不饱和脂肪酸为16∶1ω5c、16∶1ω7c、17∶1ω8c、18∶1ω9c、18∶1ω7c[23]。土壤微生物总PLFAs为各类群微生物PLFAs的总和,各类群PLFAs占总PLFAs的比例为相应类群的相对丰度[23]。

1.3土壤养分测定

土壤有机碳采用元碳氮分析仪(multi-N/C2100,AnalytikJena,Germany)测定,土壤全氮采用凯氏定氮仪(Kjeltec8400,Foss,Denmark)测定,土壤有效钾采用原子吸收光谱仪(ICE3500,Thermo,USA)测定,土壤有效磷采用双氧水-硫酸消煮-钼锑抗分光光度法测定,铵态氮和硝态氮用连续流动分析仪(AA3,BranLuebee,Germany)测定,pH值采用酸度计测量,有机碳质量分数与全氮质量分数的比值作为土壤碳氮比(w(C)∶w(N))。

1.4数据分析

采用软件R3.4.3对数据进行统计分析,其中方差分析和多重比较(α=0.05)采用agricolae软件包完成,线性回归采用car软件包完成。采用Sigmaplot14.0(SYSTAT,America)软件绘图。

2、结果与分析

2.1火干扰对微生物群落生物量的影响

火后恢复时间、火烧强度及其交互作用对兴安落叶松林土壤微生物生物量具有显著(P<0.05)影响(表2)。在所有火烧年份内,随着火烧强度的增大,土壤微生物总PLFAs质量摩尔浓度呈减小趋势(表3)。对低火烧和中火烧强度而言,1996年具有最大PLFAs值,其后依次为2012、1990、1994、2006、2000、2015年;对高火烧强度而言,随着火后恢复时间的延长,土壤微生物总PLFAs质量摩尔浓度总体上呈增大趋势(表3)。与对照相比,中火烧强度和高火烧强度的土壤微生物总PLFAs质量摩尔浓度减小,而低火烧强度则在部分年份呈增大趋势(表3)。低火烧强度的土壤微生物总PLFAs质量摩尔浓度为989.08(2000年)～2454.72nmol·g-1(1996年),中火烧强度的土壤微生物总PLFAs质量摩尔浓度为628.34(2015年)～889.48nmol·g-1(1994年),高火烧强度的土壤微生物总PLFAs质量摩尔浓度为464.74(2006年)～692.38nmol·g-1(1994年);2017年土壤微生物总PLFAs质量摩尔浓度为1673.00nmol·g-1。

土壤微生物各类群PLFAs质量摩尔浓度在不同火烧年份间和火烧强度间也存在显著(P<0.01)差异(表3)。不同火烧强度细菌、真菌、放线菌和丛枝菌根真菌PLFAs质量摩尔浓度差异趋势均和土壤微生物总PLFAs质量摩尔浓度相似,即随着火烧强度的增大而增大(表3)。在不同火烧年份间,低火烧和中火烧强度下各类群微生物PLFAs质量摩尔浓度表现为1996年最大,2000和2015年最小;高火烧强度下各类群微生物PLFAs质量摩尔浓度表现为随火后恢复时间延长而增大的趋势(表3)。和对照相比,土壤细菌PLFAs质量摩尔浓度在中火烧和高火烧强度下均明显减小,在低火烧强度部分年份明显增大;真菌PLFAs质量摩尔浓度在低火烧和中火烧强度下均明显增大,而在高火烧强度部分年份明显减小;放线菌PLFAs质量摩尔浓度除了1996年的低火烧强度外均减小;丛枝菌根真菌PLFAs质量摩尔浓度在大部分低火烧和中火烧强度年份增大,而高火烧强度均减小(表3)。

表2不同火后恢复时间、火烧强度及其交互作用对微生物群落的影响导出到EXCEL

注:时间为1990、1994、1996、2000、2006、2010、2012、2015、2017年;强度为低火烧强度、中火烧强度、高火烧强度和无火烧;B/F为细菌和总真菌比;G+/G-为革兰氏阳性细菌和革兰氏阴性细菌比;F和P为费舍尔统计检验值和差异显著水平。

表3兴安落叶松土壤微生物PLFAs质量摩尔浓度在不同火后恢复时间、火烧强度处理间的差异

注:表中数据为平均值±标准差;小写字母和大写字母分别表示相同火后恢复时间而不同强度间、不同火后恢复时间而相同火烧强度间差异显著(α=0.05),NA为没有数据。

本研究结果表明,火烧显著降低了土壤微生物群落生物量,并且在不同火烧年份表现出相同的趋势(表3)。土壤微生物群落生物量的改变主要受到地上植被和土壤理化性质的影响。火烧会改变土壤的理化性质,并会因火烧强度和火后恢复时间的不同而有所差异[16,29,30]。低火烧强度可以改善土壤环境,提高土壤中的养分浓度,而高火烧强度会破坏土壤的结构,导致土壤养分浓度降低。已有研究表明火烧通过改变土壤养分有效性,进而影响微生物的生长[10,13,31],微生物的生长和土壤资源有效性间存在明显的相关性[32,33]。本研究表明火烧后,土壤的养分浓度发生了明显变化,尤其是对微生物影响较大的土壤有机碳、全氮以及w(C)∶w(N)(表5)。在土壤微生物总PLFAs质量摩尔浓度较高的1996年、2006年和2012年,也具有较大的有机碳和全氮质量分数,而具有较小的w(C)∶w(N)(表3和表6)。相关分析也表明土壤微生物总PLFAs质量摩尔浓度和土壤总氮、有机碳质量分数呈显著正相关关系,和w(C)∶w(N)呈显著负相关关系(图1和图2)。这一方面说明,火烧的强度可以通过改变土壤的理化性质来影响土壤微生物的生物量,同时也表明,这种改变在火后恢复多年后仍存在显著影响。无论是火烧的强度还是火后恢复时间,都是通过改变土壤的环境来间接影响土壤微生物的生物量。因此,在量化火烧强度及火后恢复时间对微生物影响时,应主要考虑土壤理化性质的改变。由于本研究是在火后对土壤微生物的取样,并没有在火前对土壤微生物和土壤理化性质进行测定,也难以量化火烧的强度。因此,本研究以未发生火烧的样地2017年取样作为对照,很难精确量化火烧对土壤微生物的影响,以及这种影响和火后恢复时间间的关系。但仍可以通过比较来发现一些潜在的规律。总体而言,中火烧和高火烧强度土壤微生物总PLFAs质量摩尔浓度均小于对照,并且除了土壤养分质量分数较高的1996年、2006年和2012年外,其他年份的土壤微生物总PLFAs质量摩尔浓度随着火后恢复间的增加呈增大趋势。尤其是高火烧强度下,土壤微生物总PLFAs质量摩尔浓度随着火后恢复时间的延长而表现出增大的趋势。这表明火烧强度、火后恢复时间以及土壤的养分质量浓度共同影响着土壤微生物的生物量。此外,高火烧强度后土壤微生物随恢复时间的延长而增多有利于土壤生态系统的修复和稳定。

图1土壤微生物总PLFAs质量摩尔浓度和土壤化学特征间关系

火烧强度和火后恢复时间对土壤微生物各组成的生物量也存在影响,并且影响趋势和对土壤微生物总生物量的影响相似。即随着火烧强度的增大,细菌、真菌、放线菌和丛枝菌根真菌PLFAs质量摩尔浓度均呈减小趋势,且具有相似的时间规律。然后,和对照相比,所有年份的低火烧强度和部分年份的中火烧强度下,真菌和丛枝菌根真菌生物量呈增大趋势。这种情况一方面是因为,适当的火烧后土壤养分增加,刺激树木菌根的生长;另一方面真菌和丛枝菌根真菌对火的耐受度大于细菌。此外,随着火后恢复时间的增大,高火烧强度下的土壤微生物各类群PLFAs质量摩尔浓度总体上表现出增大的趋势,而低火烧强度和中火烧强度没有明显的规律。这进一步表明火后恢复时间和火烧强度共同影响微生物的生长。

图2土壤碳氮比(w(C)∶w(N))和土壤微生物群落特征参数间关系

2.2火干扰对微生物群落结构的影响

土壤微生物各类群相对丰度在不同的火后恢复时间和火烧强度间也存在显著(P<0.05)的差异(表2)。在多数火烧年份内,随着火烧强度的增加,细菌和丛枝菌根真菌相对丰度呈减小趋势,真菌和放线菌相对丰度呈增大趋势(表4)。在相同火烧强度下,仅细菌相对丰度在低火烧强度下不存在火后恢复时间间差异,而其他类群相对丰度存在不同火后恢复时间间存在显著(P<0.05)差异,但差异的趋势无明显规律(表4)。和对照相比,细菌相对丰度差异不明显,真菌和丛枝菌根真菌相对丰度均明显增大,而放线菌相对丰度则在大部分情况下呈减小趋势(表4)。

土壤细菌和真菌比值(B/F)、革兰氏阳性细菌和阴性细菌的比值(G+/G-)也受到火后恢复时间和强度的影响而存在显著(P<0.05)差异(表4)。随着火烧强度的增大,G+/G-呈显著(P<0.05)增大趋势(2012和2015年除外),而B/F呈显著(P<0.05)减小趋势。对同一火烧强度而言,G+/G-和B/F在不同火后恢复时间间均存在显著显著(P<0.05)差异,但随着火后恢复时间的增加没有明显的规律。

土壤微生物群落结构也会因火烧强度和火后恢复时间的不同而发生改变。随着火烧强度的增大,细菌和丛枝菌根真菌相对丰度总体上呈减小趋势,而真菌总体上为增大趋势(表4)。这表明火烧不仅改变了微生物各类群的生物量,也对类群间的结构关系产生了影响。虽然火烧后各类群PLFAs质量摩尔浓度均显著减小,但真菌减小的程度小于其他类群,导致其火烧后的相对丰度较大。出现这种情况的可能原因之一是,真菌耐胁迫性较细菌强,另一原因是在高火烧强度下,地上植物死亡导致菌根减小,进而使得真菌的相对丰度增大。此外,这种差异在所有年份内具有相似的规律,这说明真菌和丛枝菌根真菌在火烧后的恢复较慢,这和其自身的生物学特性相关。在较多的年份内,细菌和放线菌相对丰度在不同火烧强度间无显著差异,这表明火烧后细菌和放线菌的恢复能力较强。中火烧强度和高火烧强度下的细菌和丛枝菌根真菌PLFAs质量摩尔浓度相对丰度小于对照,而细菌则在部分年份表现为大于对照,这也说明火烧对土壤微生物各群落的影响存在差异。

在自然状态下,由于土壤微生物类群间的竞争关系,导致各类群间的比例会随着土壤资源利用性的变化而改变[34,35,36]。尤其是随着分解底物w(C)∶w(N)的变化,土壤微生物群落结构会发生明显改变[37,38,39]。低w(C)∶w(N)代表较高的分解底物,有利于细菌等快速生长,而高w(C)∶w(N)代表较低的分解底物,有利于真菌的繁殖[35,38,40]。本研究表明,随着火烧强度的增大土壤w(C)∶w(N)呈增大趋势,这和真菌PLFAs质量摩尔浓度相对丰度具有相似的变化规律,相关分析表明,土壤w(C)∶w(N)和细菌/真菌存在显著的线性负相关关系(图2)。这进一步表明,火烧可以通过改变土壤养分的关系而改变微生物的群落结构,相似的结论在其他研究中也有所体现[39,41]。此外,同一微生物类群内部的结构随土壤资源的变化也会发生明显改变[42,43]。在环境胁迫下,或者分解底物质量不高时,细菌多以革兰氏阳性细菌为主,反之为革兰氏阴性细菌。本研究也发现土壤w(C)∶w(N)和G+/G-为显著正相关关系。这表明火烧不仅能影响了不同类群微生物间的结构关系,也改变了同一微生物类群内部的比例。

表4兴安落叶松土壤微生物群落相对丰度在在不同火后恢复时间、火烧强度处理间的差异

注:表中数据为平均值±标准差;小写字母和大写字母分别表示相同火后恢复时间而不同强度间、不同火后恢复时间而相同火烧强度间差异显著(α=0.05)。B/F为细菌和总真菌比;G+/G-为革兰氏阳性细菌和革兰氏阴性细菌比。

2.3火干扰对土壤理化性质的影响

火后恢复时间对土壤pH、有效磷质量分数、有效钾质量分数、铵态氮质量分数、硝态氮质量分数、总氮质量分数、有机碳质量分数和碳氮比(w(C)∶w(N))均具有显著(P<0.05)影响,火烧强度对除了有效钾质量分数和硝态氮质量分数外其他特征值均具有显著(P<0.05)影响(表5)。火后恢复时间和火烧强度的交互作用对有效磷质量分数和有效钾质量分数外的其他特征值具有显著(P<0.05)影响(表5)。在相同火烧年份,随着火烧强度的增大,土壤总氮质量分数、有机碳质量分数呈减小趋势,w(C)∶w(N)呈增大趋势(表6)。对相同火烧强度而言,在1996、2006、2012年具有较大的土壤总氮质量分数和有机碳质量分数,而具有较小的w(C)∶w(N)(表6)。

土壤微生物总PLFAs质量摩尔浓度和土壤pH呈显著(P<0.01)负相关关系,和土壤铵态氮质量分数、总氮质量分数、全碳质量分数呈显著(P<0.01)正相关关系(图1)。土壤w(C)∶w(N)和土壤微生物总PLFAs质量摩尔浓度、B/F间存在显著(P<0.01)负相关关系,和G+/G-间存在显著(P<0.01)正相关关系(图2)。

表5火后恢复时间、火烧强度及其交互作用对土壤化学特征因子的影响

表6兴安落叶松土壤总氮质量分数、有机碳质量分数和碳氮比w(C)∶w(N)在不同火后恢复时间、火烧强度处理间的差异

注:表中数据为平均值±标准差;小写字母和大写字母分别表示相同火后恢复时间而不同强度间、不同火后恢复时间而相同火烧强度间差异显著(α=0.05)。

3、结论

火干扰是影响北方森林生态系统稳定的一个重要因子[44,45]。火干扰不仅可以直接影响树木的生长和发育,也可以通过改变土壤等环境因子对树木产生间接影响[46]。土壤微生物作为生态系统物质循环过程中的重要一环,其对火干扰的响应不仅会影响土壤有机质分解和矿化速率,也会对生态系统碳平衡产生影响[47,48]。在野外条件下,研究火烧强度和火后恢复时间对兴安落叶松林土壤微生物群落生物量和结构的影响对深入了解火干扰对北方森林土壤微生物的影响具有重要帮助。

火后恢复时间、火烧强度及其交互作用对兴安落叶松土壤微生物生物量和群落结构均具有显著(P<0.05)影响。随着火烧强度的增大,土壤微生物总PLFAs质量摩尔浓度、微生物各类群PLFAs质量摩尔浓度、细菌和丛枝菌根真菌相对丰度均减小,放线菌和真菌相对丰度均增大;土壤微生物总PLFAs质量摩尔浓度、微生物各类群PLFAs质量摩尔浓度和相对丰度在不同火后恢复时间之间也存在显著差异(P<0.05),但仅在高火烧强度下,土壤微生物总PLFAs质量摩尔浓度、微生物各类群PLFAs质量摩尔浓度(放线菌除外)随着火后恢复时间的延长表现出增大的趋势。和对照相比,低火烧强度总体上增加了微生物生物量,高火烧强度则总体上抑制了微生物的生长。火干扰后土壤养分的变化是引起土壤微生物生物量和群落结构改变的原因之一。

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基金：“十三五”国家重点研发计划项目(2018YFD0600205);国家自然科学基金项目(31870644).