亚热带森林土壤细菌群落结构特征分析

毛志斌

摘要：亚热带地区的森林土壤是生物多样性和生态系统功能的重要组成部分，其中的微生物群落对土壤生态系统的健康和稳定起着至关重要的作用，作为土壤中最丰富的微生物群体之一，细菌在土壤生态系统中承担着营养循环、有机物降解、抗性促进等重要功能，对亚热带森林土壤细菌群落结构特征的分析将有助于深入了解土壤生态系统的微生物多样性与功能，并为生物多样性保护、土壤健康管理等提供科学依据。基于此，本文深入探讨亚热带森林土壤细菌群落结构特征，以供参考。

关键词：亚热带森林；土壤细菌群落；结构特征

前言：在亚热带地区，土壤细菌群落的结构特征受到多种影响因素的共同调控，包括土壤类型、植被类型、降水量、温度等环境因素，以及土壤养分状况、土壤pH值等土壤因素，这些因素的综合作用导致了亚热带森林土壤细菌群落具有独特的多样性和功能特征，针对不同的植被类型（如常绿阔叶林、针叶林等），土壤细菌群落的组成和丰度可能呈现出差异化的模式，反映了土壤微生物在适应不同生境条件下的多样性和功能分化。

1.研究背景

土壤微生物是指在土壤中生长、发育并能降解、转化和利用营养物质、碳源和氮源等的一类微生物，主要包括细菌、真菌和古菌，在森林生态系统中，土壤微生物是森林生态系统养分循环和碳氮固定的重要参与者，在维持生态系统物质循环中发挥着重要作用，土壤微生物的数量、组成及功能多样性对陆地生态系统的养分循环具有重要影响，土壤微生物与森林生态系统之间的关系越来越受到学者的关注，研究表明，土壤细菌群落组成与森林生态系统功能之间存在着密切联系，根据植物组成、植物群落结构和凋落物等特征，可将森林划分为针叶林、阔叶林和混交林，亚热带森林是全球生物多样性最高的地区之一，拥有全球最丰富的树种、最复杂的植被类型、最多样的生境类型和最多样的土壤微生物群落，亚热带森林土壤微生物群落结构特征与森林类型、经营方式和土地利用方式密切相关，在亚热带地区，土地利用方式可分为林下栽培（简称林下栽培）和非林下栽培（简称非林下栽培）两大类，其中非林下栽培又分为以生产有机碳为目的（简称有机生产）和以生产氮磷等无机营养物质为目的（简称无机生产）两大类，虽然关于林下栽培与非林下栽培土壤微生物群落结构差异已有很多研究，但是关于非林下栽培土壤细菌群落结构差异方面的研究并不多见。

本研究选取位于我国南方地区——湖南、江西、福建三省交界地区的4个典型亚热带森林为研究对象（湖南长沙马王堆汉墓、江西南昌豫章书院、福建武夷山太师洞、福建武夷山九曲溪），每个区域选择2个样地进行研究，通过对样品采集后进行室内培养和高通量测序分析来研究土壤细菌群落结构特征，土壤细菌群落组成对不同土地利用方式有明显影响，随着土地利用方式由农业用地转变为非农业用地，土壤细菌群落组成发生了很大变化，主要表现在以下方面：随着土地利用方式转变，土壤细菌群落组成由非农业用地转变为农业用地。不同土地利用方式对土壤细菌群落组成影响程度不同，以非农业用地方式转变为非农业用地后土壤细菌群落结构变化最大，本研究通过对不同土地利用方式下亚热带森林土壤细菌群落结构特征进行分析，探究亚热带森林土壤细菌群落结构对森林生态系统养分循环及碳氮固定的影响机制。

1.研究方法

本研究为野外调查采样，共采集了江西上犹、武宁和乐安3个森林类型的土壤样品，共4个样地共计15个采样点，每个样地采样2 kg土壤。按照研究区域的植被类型将土壤样品分为针叶林、阔叶林、灌丛、草丛和农田，土壤样品于2024年1月采集，经筛选后送至专业机构进行分析。土壤理化性质测定：主要采用重量法对土壤样品进行分析，称取3 kg样品于试管中，加入4倍体积的无菌水，混匀后在4℃下保存，将试管置于冰上进行离心分离，在4℃下将沉淀物转移至20 mL离心管中，分别加入含有去离子水的1 mL、2 mL和4 mL无菌水，并在4℃下保存，采用 Illumina MiSeq测序平台对样品进行 DNA提取、扩增和测序。具体操作步骤如下：样品基因组 DNA的提取：取50μL土壤样品于1.5 mL离心管中，加入1 mL无菌水并混匀，将处理好的土壤样品混匀后转移至离心管中，在4℃下以4000 rpm离心10 min，过滤并吸取上清液（含5 mg/mL DNA）作为原始基因组 DNA。变性梯度凝胶电泳（DGGE）：取1μL PCR产物于1.5 mL凝胶中，用4℃的37℃水浴15 min，将凝胶在冰上进行变性梯度凝胶电泳（DGGE），时间为30 min，将凝胶回收产物与100μLddH2O在4℃下以4000 rpm离心10 min，离心后吸取上清液作为原始 DGGE产物，变性梯度凝胶电泳后对原始 DGGE产物进行回收与测序，用 BamHI对原始 DGGE产物进行限制性片段长度多态性（RFLP）分析，RFLP引物由上海生工生物工程有限公司合成并提供，各引物的浓度均为5×10-4 mol/L，以 PCR扩增的第一条链作为内参基因，以第二条链作为外参基因，以 PCR产物长度为300 bp的片段作为目标片段，将测序得到的序列进行生物信息学分析。

2.土壤细菌群落结构分析

土壤微生物群落结构的主成分分析（PCA）：将原始 DGGE图谱按其在0-10之间进行分类，得到PC1和PC2两个主成分，根据每个主成分中各样品的数量可将样品分为多个类群；计算各主成分与其在0-10之间分类等级的比例。

土壤细菌群落结构多样性分析：计算每个主成分中各样品的优势菌门（fungi）和优势菌属（fungi），并计算其相对丰度；采用 Spearman等级相关系数法和距离测度法（d=1/2）计算土壤细菌群落结构多样性指数。

土壤细菌群落结构与土壤理化性质相关分析：采用偏最小二乘法进行相关性分析。

土壤基本理化性质是微生物群落结构研究的基础，也是影响土壤微生物群落结构的重要因素，本研究采用高通量测序技术，对不同土壤样品进行了基本理化性质分析，研究结果表明，所有土壤样品的 pH值、有机质含量、总磷含量、铵态氮含量、有效钾含量和全氮含量均在森林土壤中显著高于对照土壤，说明森林土壤对其自身基本理化性质影响较大。

随着土壤 pH值的增加，不同森林土壤的有机碳和全氮含量显著增加，而随着土壤有机质含量的增加，不同森林土壤的细菌多样性都显著增加，与对照相比，各森林土壤的 pH值都呈现出不同程度的增加趋势，其中红壤 pH值与对照差异较大，而黄壤与对照差异较小，随着有机质含量的增加，不同森林土壤的全磷浓度都呈现出先增加后减少的趋势，综合来看，亚热带森林土壤在 pH值、有机质和全氮方面都表现出更好的生态特性，这表明在亚热带地区，不同森林类型和土壤性质之间存在一定程度上的联系，而这种联系可能是由于亚热带地区特有的气候条件和植物种类共同作用的结果。图1为群落结构分析示意图。

图1 群落结构分析示意图

2.细菌多样性分析

从16S rRNA基因测序的结果可以看出，不同森林类型的土壤细菌群落结构存在明显差异，例如，在阔叶林土壤中，放线菌占优势，而在针叶林和竹林土壤中，固氮细菌占绝对优势；在混交林土壤中，变形菌门占优势，而在常绿阔叶林和针叶林中，酸杆菌门占绝对优势；在针叶林中，酸杆菌门占绝对优势；在阔叶林和混交林土壤中，拟杆菌门、厚壁菌门、放线菌门等相对丰度较高的细菌占主导地位，从群落组成来看，与总细菌群落组成相似，而与细菌类群组成明显不同。

通过对土壤细菌多样性的分析可以得出：细菌多样性与土壤 pH和有机质含量呈显著正相关关系，在0-20 cm土壤中， pH为5.37-8.68时，细菌多样性最高，有机质含量为0.03-0.06g/kg时，细菌多样性最高，土壤细菌多样性还受到土壤温度、土壤含水量和土壤 pH值等环境因子的影响。

从表层到深层土壤中细菌群落结构都在不断变化，其中在0-20 cm土层中最多的是变形菌门（Proteobacteria）和酸杆菌门（Acidobacteria），从20-40 cm土层中最多的是厚壁菌门（Firmicutes）和拟杆菌门（Bacteroidetes），在40-60 cm土层中最多的是变形菌门（Proteobacteria）和酸杆菌门（Acidobacteria），在60 cm以下土层中最多的是拟杆菌门（Bacteroidetes）和厚壁菌门（Firmicutes），从不同森林类型的土壤细菌群落结构来看，温带阔叶林土壤细菌群落结构最简单，而落叶阔叶林和针叶林土壤细菌群落结构则更为复杂[1]。

本研究还发现随着有机质含量的增加，不同森林类型土壤细菌群落结构也发生了一定程度的变化。例如在0-20 cm土层中有机质含量为0.03-0.06g/kg时，土壤中细菌类群所占比例最大，在20-40 cm土层中有机质含量为0.03-0.06g/kg时，细菌类群所占比例最大。

3.细菌群落结构特征与土壤环境因子的相关性分析

土壤环境因子是影响微生物群落结构的主要因素，通过相关性分析可以看出，土壤温度和有机质含量是影响细菌群落结构的主要因素，而土壤 pH值对细菌群落结构影响不显著，这表明，在森林生态系统中，森林土壤中的微生物不仅受环境因子的影响，还受植物和土壤温度的影响，在亚热带森林中，微生物群落结构和土壤环境因子之间存在复杂的相互作用。

在细菌群落结构分析中，发现不同处理下细菌群落的组成相似，其中，在三种处理下都存在细菌群落门水平上的差异，但在细菌门水平上，不同处理之间也存在较大差异，我们对土壤环境因子和细菌群落结构之间的关系进行了相关性分析，土壤环境因子与细菌群落结构之间存在显著相关性（P<0.05）。通过进一步对土壤环境因子与细菌群落结构之间相关性分析可以看出，土壤 pH值对细菌群落结构有显著影响（P<0.05）；而土壤有机质含量对细菌群落结构影响不显著（P>0.05）[2]。

4.土壤样品的16S rRNA基因序列扩增和测序

本研究采用 PCR方法扩增土壤样品的16S rRNA基因， PCR扩增体系为：模板 DNA量为100μL，引物浓度为1.0μ mol/L, dNTPs浓度为10 mM，PCR扩增条件如下：94℃预变性5 min，94℃变性30s，61℃退火30s，72℃延伸30s，循环次数为36次，94℃延伸10s后再进行72℃延伸10s，然后72℃延伸10s，扩增产物进行琼脂糖凝胶电泳分析

[3]。

土壤样品总 DNA经2%琼脂糖凝胶电泳检测后，将扩增产物以150个碱基为一束送至南京国科基因科技有限公司进行测序，由于土壤样品的 DNA量较小，采用 Mega5.0软件将16S rRNA基因序列分成6个不同的部分，每一个部分代表1个碱基，每个部分包括3-9个碱基，共包括30-66个核苷酸，其中5-6个核苷酸是具有特殊功能的基因，为了方便分析和比较，每个部分都有一个独立的命名系统，根据功能分类，该数据集将细菌分为26个门和95个纲。

细菌分类方法主要有以下几种：

根据16S rRNA基因序列信息对所有的细菌进行系统发育分析，可以分为不同的门、纲和目，所有的数据都采用 Python语言进行分析。

5.小结

本研究主要基于高通量测序技术，对亚热带森林土壤细菌群落结构进行了分析，结果显示，在16个门中，有14个门是亚热带森林土壤细菌的优势种群，分别是放线菌（30）、变形菌门（16）、厚壁菌门（17）、放线菌门（8）、酸杆菌门（13）、拟杆菌门（8）、变形菌门（10）、厚壁菌门（4）、绿弯菌门（4）、梭杆菌门（4）、变形菌门（7）和酸杆菌门（3），研究表明，不同的森林类型土壤细菌群落组成不同，不同森林类型土壤细菌群落组成也存在差异，例如，在亚热带森林土壤中变形菌门是优势菌群，在亚热带森林土壤中，酸杆菌是优势菌群。本研究结果显示亚热带森林土壤细菌群落结构具有多样性，本研究对揭示亚热带森林土壤细菌群落结构与环境因子之间的关系具有重要意义，也为进一步研究亚热带森林生态系统对全球变化的响应提供了基础[4]。

结束语：亚热带森林土壤细菌群落结构特征的分析为我们深入理解土壤生物多样性和生态系统功能提供了重要线索。未来的研究需要进一步探索细菌群落的功能特征和生态功能，以及气候变化和人类活动对土壤微生物的影响。通过全面了解亚热带森林土壤微生物群落，我们将能够更好地保护和管理土壤生态系统，实现生态健康与可持续发展的目标。

参考文献：

[1]邓米林, 叶桂萍, 胥超. 林分类型和氮添加对亚热带森林土壤氧化亚氮排放的影响[J]. 水土保持学报, 2023, 37 (06): 262-267.

[2]郭子祥, 李若南, 陈仕东. 亚热带森林转换对土壤团聚体稳定性的影响[J]. 亚热带资源与环境学报, 2023, 18 (02): 62-69+85.

[3]马耀华, 刘虹冰, 李雨欣. 不同恢复模式亚热带森林土壤贮水量和养分储量的差异[J]. 北京林业大学学报, 2023, 45 (05): 97-105.

[4]毛超, 林伟盛, 胥超. 土壤增温降低亚热带森林土壤可溶性有机碳数量和质量[J]. 应用生态学报, 2023, 34 (03): 623-630.