不同施肥处理对杉木生长特性及土壤微生物影响

不同施肥处理对杉木生长特性及土壤微生物影响

 

摘要：为揭示杉木土壤微生物对不同养分水平的响应规律，给杉木的施肥及管护提供理论依据。以2年生杉木幼苗为试验对象，采用L9正交试验设计，控制盆栽土壤的氮磷钾养分水平梯度。通过稀释平板涂布法，探讨了不同土壤养分水平对杉木土壤微生物量和群落多样性的影响。结果表明，细菌、放线菌和真菌是杉木土壤中的主要微生物类群，其中细菌占总数量的80%以上。土壤微生物数量和活性受到养分添加的影响存在差异，主要受到N添加量的影响。高氮添加量降低了土壤放线菌的数量和土壤微生物的Shannon指数，提高了土壤微生物的Simpson指数和McIntosh指数。综上所述，氮添加是影响杉木土壤微生物群落及其多样性的主要因素。在杉木的培育过程中，应注意适当添加氮肥，以促进杉木的生长及其可持续培育。本研究结果对指导农业生产中合理施用氮肥具有重要意义，并为杉木的培育提供了有力的理论依据和实践指导。

 

杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook.]是杉科的常绿乔木，原产地包括中国江苏、浙江、福建、西藏等多个省区，是我国特有的用材树种，其栽培历史超过一千年[1]。该树木以其生长迅速、产量高、材质优良、耐腐蚀能力强等特点而闻名，因此在我国林业产业中扮演着重要的角色，尤其在速生用材造林方面占据着重要地位[2-3]。

 

随着杉木人工纯林面积的逐渐扩大和人工林的多代连栽，人们开始关注林地土壤的退化问题[4]。大量研究指出，随着连年栽种，杉木人工林地土壤中的有机碳贮量、持水能力、渗透性能、保肥能力、pH值、主要养分含量以及林分生物量都明显下降[5]。在中国南方人工林中，土壤中氮、磷元素的缺乏被认为是限制生长的因素[6]。为了应对这一问题，施肥被视为人工林集约经营的主要措施之一，它有助于提高森林生产力，同时也改变了土壤的理化性质，对土壤微环境产生显著的影响[7]。在土壤质量的变化中，土壤微生物起着关键作用，并与土壤性质密切相关，对土壤的质量变化表现出高度敏感性[8-9]。已有研究表明，微生物群落的结构受土壤植被、理化性质、有机质含量等多方面因素的影响，它们能够在土壤环境发生变化时迅速作出反应[10]。

 

因此，采用盆栽法对杉木2年生苗进行培育，施用元素设置为N、P、K3种，通过三水平正交试验设计L9（34）分析法进行试验，对比植株生理指标土壤微生物量及多样性等指标，得出最佳施肥配比，为南方地区杉木的施肥技术提供参考依据，为其可持续种植提供一定参考。

 

1材料与方法

 

1.1试验地概况

 

试验于高峰林场试验区开展，该地位于东经108°20′、北纬22°90′，属南亚热带季风气候，全年日照充足，年均温度21.8℃，年降雨量约1350mm，平均相对湿度76%。

 

1.2试验设计

 

 

采用盆栽法，选用2年生杉木实生苗，平均株高40cm，平均地径0.5cm。盆栽盆规格为高50cm，内径25cm。试验土壤基本理化性质：pH值为6.3，有机质为19.21g/kg，全氮为0.91g/kg，全磷为0.46g/kg，全钾为10.81g/kg。每盆装土7kg，植苗1株。采用L9正交试验设计，该方法能够较好地说明养分水平及配比的影响，氮磷钾添加各设置3个梯度，各组分及添加量详情见表1，重复9次。氮添选用尿素，磷添选用过磷酸钙，钾添选用氯化钾，均为速效肥。将肥料与土壤按梯度混合后置于盆中。植苗4个月后，取盆土0~20cm，每3盆土合成1个土样，重复3次。

 

1.3土壤微生物量碳、氮的测定

 

采用了一种改良的氯仿熏蒸法来测定土壤中的微生物量碳（MBC）和微生物量氮（MBN）。首先，称取10g新鲜土样放入1个100mL的白色塑料瓶中。然后，将这个土样放入恒温培养箱中，设定温度为27℃、湿度为65%，培养时间为24h。培养结束后，将土样取出并放入一个密封性良好的真空干燥器中。同时，在干燥器内放置2个小烧杯，一个盛有10mL氯仿，另一个盛有50mL稀NaOH溶液。接着，使用真空泵将氯仿抽至剧烈沸腾状态持续5min，然后关闭。最后，将整个装置转移到25℃的培养箱中黑暗培养24h。对照组作未熏蒸处理。培养结束后，向每个样品中加入50mL0.5mol/LK2SO4溶液，充分振荡30min后过滤。过滤后的澄清溶液立即使用TOC仪测定微生物生物量碳和氮的含量。

 

式（1）中，BC为微生物量碳；EC为熏蒸样的微生物量碳。E0为未熏蒸样的微生物量碳；KEC为转换系数0.40。式（2）中BN为微生物量氮；EN为熏蒸样的微生物量氮；E1为未熏蒸样的微生物量氮；KEN为转换系数0.45。

 

1.4土壤微生物数量测定

 

土壤微生物数量的测定采用稀释平板涂布法进行，主要测量细菌、真菌、放线菌和固氮菌的数量。不同种类的微生物需使用不同的培养基进行培养，具体如下：细菌使用牛肉膏蛋白胨培养基，真菌使用马丁氏培养基，放线菌使用高氏1号培养基，固氮菌使用甘露醇琼脂培养基。在25℃、3000rpm的摇床上振荡30min后，将土样混合液稀释至10-3、10-4......10-9的菌悬液。接着，将1mL的菌悬液转移至已灭菌冷却的平板中，涂布后放入27~30℃的恒温培养箱中培养。细菌培养1~2d，真菌3~5d，固氮菌4~5d，放线菌5~7d。根据微生物的菌落特点进行计数，以获得每种微生物的数量。

 

1.5统计分析

 

用SPSS进行统计分析、Origin2022作图。

 

2结果与分析

 

2.1不同土壤养分水平对杉木株高和地径增量影响分析

 

由表2可知，不同施肥处理间杉木的株高增量和地径增量均显著优于空白处理。其中，C处理的株高增量最大，空白处理最小；B处理的地径增量最大，空白处理最小。相关性热图中，圆圈的大小代表相关性的大小，颜色表征相关性正负，由图3可知，株高增量受钾添加量影响最大，与磷、钾添加量正相关（P＜0.05），与氮添加量负相关。



地径增量受磷添加量影响最大，与磷、钾添加量呈显著正相关（P＜0.05）。

 

2.2土壤养分水平对杉木土壤微生物量碳氮及其比率影响分析

 

由图1和图3可知，不同施肥处理间杉木土壤的微生物量碳氮及其比率均显著高于空白处理。不同施肥处理中，E处理的微生物量碳值最大，空白处理最小。I处理的土壤微生物量氮值最大，空白处理最小。E处理的土壤微生物量碳氮比值最大，空白处理最小。土壤微生物量碳受钾添加量影响最大，其次为氮添加量，磷添加量影响最小，与氮和钾添加量呈显著正相关（P＜0.05）。土壤微生物量碳受氮添加量影响最大，其次为磷添加量，钾添加量影响最小，与氮和磷添加量呈显著正相关（P＜0.05）。土壤微生物碳氮比受钾添加量影响最大，其次为氮添加量，最后为磷添加量，与钾添加量呈显著正相关（P＜0.05）。

 

2.3土壤养分水平对杉木土壤微生物数量影响分析

 

由图2、图3可知，不同施肥处理间杉木盆栽土壤细菌、真菌、放线菌数量均显著高于空白处理。不同施肥处理中，A处理杉木土壤细菌数量最高，空白处理最低。I处理的真菌数量最高，空白处理最低。A处理的放线菌数量最高，空白处理最低。土壤细菌数量受氮磷钾添加量的影响较小，但总体而言呈正相关关系。土壤真菌受氮添加量的影响最大，其次为磷添加量，钾添加量影响最小，与氮添加量呈显著正相关（P＜0.05），与磷钾添加量也呈正相关。土壤放线菌数量受氮添加量影响最大，受磷钾添加量影响较小，与氮添加量呈显著负相关（P＜0.05）。

 

2.4土壤养分水平对杉木土壤微生物多样性影响分析

 

由表3可知，不同施肥处理间杉木土壤微生物Shannon指数、Simpson指数、McIntosh指数均显著高于空白处理，不同施肥处理间杉木微生物Pielou指数无显著差异。A处理的Shannon指数最高，空白处理最低。F处理Simpson指数最高，空白处理最低。I处理的McIntosh指数最高，空白处理最低。I处理的Pielou指数最高，G处理最低。土壤微生物Shannon指数受氮添加量影响最大，受磷钾影响较小，与氮添加量呈负相关。土壤微生物Simpson指数受氮磷钾添加量的影响程度相近，与氮磷钾添加量均呈显著正相关（P＜0.05）。土壤微生物McIntosh指数受氮添加量影响最大，其次为磷添加量，钾添加量影响最小，与氮添加量呈显著正相关（P＜0.05），与磷钾添加量呈正相关。Pielou指数受磷添加量的影响最大，其次为钾添加量，

氮添加量影响最小，与氮磷添加量呈正相关，与钾添加量呈负相关。

 

2.5各指标间的相关性

 

由图3可知，杉木的株高地径及土壤微生物的各项指标之间具有程度不一的相关性。细菌数量与放线菌数量、土壤微生物Shannon指数、土壤微生物Simp-son指数、地径增量、株高增量呈显著正相关（P＜0.05）。放线菌数量与真菌数量、土壤微生物量氮呈显著负相关（P＜0.05），与Simpson指数、地径增量、株高增量呈显著正相关（P＜0.05）。真菌数量与土壤Simp-son指数、McIntosh指数、土壤微生物量氮呈显著正相关。土壤微生物Shannon指数与杉木株高增量和地径增量呈显著正相关（P＜0.05）。土壤微生物Simpson指数与McIntosh指数土壤微生物量碳、土壤微生物量氮、土壤微生物量碳氮比、杉木株高增量、地径增量呈显著正相关（P＜0.05）。土壤微生物McIntosh指数与土壤微生物量碳、土壤微生物量氮呈显著正相关（P＜0.05）。土壤微生物量碳与土壤微生物量氮、土壤微生物量碳氮比呈显著正相关（P＜0.05）。土壤微生物量碳氮与株高增量呈显著正相关。地径增量与株高增量呈显著正相关（P＜0.05）。

 

3讨论

 

本研究对杉木土壤中的微生物群落进行了深入的研究。结果表明，该土壤中的细菌是主要的菌群，占土壤微生物总数的80%以上。这一发现与之前的研究[11]结果一致，说明细菌在杉木土壤中具有很高的丰度。细菌作为土壤微生物的重要组成部分，其数量受养分添加的影响较小。这可能是因为细菌具有较为广泛的营养来源和适应能力，能够在不同的养分条件下保持相对稳定地生长[12]。除了细菌，放线菌也是该土壤中重要的微生物类群，占土壤微生物总数的15%~20%，相较于真菌，其数量相对较多。然而，与细菌相比，放线菌的数量受养分添加的影响较大。

 

当氮添加量增加时，放线菌的数量显著降低。这表明高氮水平对放线菌的生长具有一定的抑制作用。真菌在土壤中的数量相对较少，仅占千分之几。尽管如此，真菌在土壤生态系统中的作用不容忽视。养分添加对真菌数量的影响与细菌和放线菌不同。特别是氮添加显著增加了真菌的数量，这可能与真菌具有较好的氮素利用能力和适应性有关。表明真菌更适应在高养分添加的环境中生长，并展现出更高的抗逆性[13]。

 

此外，适量的氮肥施用对土壤微生物的生长和代谢具有促进作用。适量的氮肥施用可以增加土壤微生物量碳氮的含量，提高微生物的活性和功能。然而，过量的氮肥施用会导致土壤中氮含量过高，反而会抑制微生物的生长和活动。这可能是因为高浓度的氮会导致微生物细胞内的营养失衡或产生毒害作用。值得注意的是，本研究中土壤微生物量碳氮与氮添加量呈正相关关系。这表明试验所添加的氮量未对大类的微生物的生长繁殖产生抑制作用。

 

这一结果对于指导农业生产中合理施用氮肥具有重要意义。碳氮比是影响土壤微生物结构的重要因素。在土壤有机碳不变的情况下，氮添加量成为影响土壤微生物结构的主要因素。这是因为氮是微生物生长所必需的元素之一，而不同微生物类群对氮的需求和利用能力存在差异。因此，通过合理调控氮添加量可以调节土壤微生物的结构和功能。

 

Shannon指数是一个重要的生态学指标，用于评估微生物群落的丰富度。它反映了群落中微生物种类的数量和分布情况，提供了关于群落多样性的重要信息。Simpson指数则用来描述微生物群落的优势度，即群落中主导种的优势程度[13]。McIntosh指数则是一个基于物种多维空间距离的多样性指数，用于表征微生物群落的一致性。简单来说，它衡量了群落中各个物种之间的相似性或差异性。而Pielou指数则反映了微生物群落的均匀度，即各个物种在群落中的分布是否均匀。

 

本研究重点关注了微生物群落的多样性及其影响因素。通过观察发现，氮添加对微生物群落多样性的影响尤为显著。氮素是植物生长所必需的大量元素之一，也是土壤微生物的重要营养来源。然而，不同微生物类群对氮的利用能力和需求存在差异。在未添加有机养分的情况下，氮添加可能通过改变土壤有机物的组成，进而影响了土壤食物链中有机物的流通和微生物的代谢活性。随着氮添加量的增加，一些对氮较为敏感的微生物可能会受到抑制或消失，导致其数量和多样性降低。

 

同时，一些适应高氮环境的微生物种类可能会得到促进，使其在群落中的优势地位更加显著。这一过程可能导致土壤中的优势菌群变得更加优势，从而影响了整个微生物群落的一致性和均匀度。例如，土壤中的腐生真菌尤其是担子菌与养分添加存在正相关关系。当氮添加量增加时，这些真菌的数量和竞争力可能会提高。然而，由于这些真菌的竞争优势和数量的增长，可能导致其他微生物种类生长受到限制甚至消失。久而久之，土壤微生物多样性可能会严重下降，菌群结构变得单一，不利于杉木的生长与发育。

 

综上所述，本研究对杉木土壤中的微生物群落进行了系统的研究和分析。研究结果表明，细菌、放线菌和真菌是该土壤中的主要微生物类群，其数量和活性受养分添加的影响存在差异。氮素是影响微生物群落多样性的重要因素之一。通过合理调控氮素添加量，可以促进有益微生物的生长和代谢活性，提高土壤肥力和生态系统的稳定性。然而，过量的氮素添加也可能导致土壤微生物多样性降低，菌群结构单一化，从而对杉木的生长产生不利影响。因此，在杉木种植中，需要充分考虑氮素的合理施用，以维护土壤微生物的多样性和生态系统的稳定性。