高山或亚高山林线区具有低温、低水分含量及发育不成熟的土壤基质条件和简单的群落结构等特征，被认为是对外界干扰极度敏感的典型生态脆弱区，已成为研究各类型干扰特别是全球气候变化与植被动态影响机制的理想天然平台(Scuderi, 1987)。目前，林线的形成与动态、群落特征、种群生理生态特征及适应对策及其与众多生态因子的关系等方面已有了较深入的研究(石培礼等, 2000; 沈泽昊等, 2001; Li et al., 2002)。但林线区域土壤生态系统方面的研究还不多。土壤中微生物的数量直接影响土壤的生物化学活性及土壤养分的组成与转化，是最重要的土壤肥力生物学指标(张奇春等, 2005)。本研究分析川西亚高山林线交错带及上缘流石滩草甸和下缘冷杉林土壤细菌生理类群数量的时间与空间分布特征，以便揭示土壤细菌生理群与土壤肥力，土壤的物质循环、能量流动的关系，为深入了解林线交错带及邻近植被土壤生物学特性、系统生态过程及演化趋势提供基础性资料。

王朗自然保护区(103°55′—104°10′ E，32°49′—33°02′ N)，海拔2 300~4 980 m，位于四川省平武县内，地处青藏高原与四川盆地的过渡地带，属于丹巴-松潘半湿润气候。研究样地设于保护区大窝凼外侧坡林线交错带(104°01′E, 32°59′N), 海拔3 300 m。年均气温1.0 ℃，1月气温-6.6 ℃，7月气温8.9 ℃，年相对湿度70.0%，年降水量859 mm。流石滩草甸主要以莎草(Cyerus sp.)、苔草(Carex kansuensis)和羊茅(Leymus ovina)为主，盖度约16%。在整个林线交错带，混生少量乔木，乔木以岷江冷杉(Abies faxoniana)和糙皮桦(Betula utilis)为主; 灌木层主要有高山绣线菊(Spiraea alpina)、杜鹃(Rhododendron spp.)、高山柳(Salix paraplesia)、刚毛忍冬(Lonicera hispida)、花楸(Sorbus sp.)和蔷薇(Rosa sp.)，盖度达70%以上; 草本层以莎草和苔草为主，盖度约27%。下缘冷杉林乔木层主要为岷江冷杉，密度为182株·hm^-2，树高18 m，胸径24 cm，郁闭度0.56，地被层苔藓盖度达90%以上。林线交错带及邻近植被土壤特性见表 1。

表 1 林线交错带及邻近植被土壤养分特性 Tab.1 Soil nutrient properties of the timberline ecotone and its adjacent vegetations

表 1 林线交错带及邻近植被土壤养分特性 Tab.1 Soil nutrient properties of the timberline ecotone and its adjacent vegetations

在林线交错带上缘无灌木覆盖处为林线交错带与其上缘流石滩草甸的分界线，在林线交错带下缘树高>3 m处为林线交错带与其下缘冷杉林的分界线，在深入流石滩草甸70 m处、林线交错带中心线处和深入冷杉林70 m处，沿等高线每隔10 m挖土壤剖面5个。高山草甸土层较薄，表土至残积母质按0~15和15~30 cm，林线过渡区从表土至残积母质按0~15，15~30和30~47 cm，下缘冷杉林表土至残积母质按0~15，15~30和30~64 cm分层取土样。取样时间分别为2007年4月17日、6月20日、7月20日、8月21日和10月26日。每次所取土样装入保鲜无菌袋带回实验室，鲜样4 ℃保存，供土壤微生物及生理类群数量测定。

在8种土壤细菌功能群中，好气固氮菌、好气纤维素分解菌、氨化细菌、有机磷分解菌、无机磷分解菌用稀释平板法分离计数，厌气纤维素分解菌、硝化细菌和反硝化细菌采用最大或然数(most probable number)计数法分离计数，其中厌气纤维素分解菌、反硝化细菌用厌氧培养法在26 ℃温度下培养16天后进行计数(鲁如坤，2000)。以上测定均3个重复。

采用SPSS 13.0统计软件中LSD多重比较方法研究林线交错带及邻近植被不同层次土壤以及同一土层不同时间之间各细菌生理类群数量的差异显著性，用皮尔逊(Pearson)相关分析研究不同细菌生理类群之间以及各生理类群与土壤物理、化学指标之间的相关性。

由表 2可见，林线交错带及邻近植被土壤细菌生理类群数量在不同土层差异较大。在流石滩草甸0~15 cm土层氨化细菌、好气固氮菌、硝化与反硝化细菌、无机和有机磷分解菌、好气与厌气纤维素分解菌数量是15~26 cm土层的6.26~20.22倍，在林线交错带0~15 cm土层以上菌群数量分别是15~30和30~47 cm土层的1.64~3.75和7.33~27.57倍，而在下缘冷杉林0~15 cm土层以上菌群数量分别是15~30和30~47 cm土层的1.85~4.42与4.90~11.06倍。可见，在林线交错带及邻近植被，0~15 cm土层细菌生理类群分布最多，微生物活动最活跃，随土层加深，各细菌生理类群数量逐渐降低。

表 2 林线交错带及其邻近植被土壤细菌生理类群数量特征^① Tab.2 Quantitative property of bacterial physiological groups in the soil of timberline ecotone and its adjacent vegetations

表 2 林线交错带及其邻近植被土壤细菌生理类群数量特征① Tab.2 Quantitative property of bacterial physiological groups in the soil of timberline ecotone and its adjacent vegetations

8种细菌生理类群中，林线交错带及邻近植被各生理类群数量表现为氨化细菌＞无机磷分解菌≈有机磷分解菌＞反硝化细菌＞好气固氮菌＞硝化细菌＞好气纤维素分解菌＞厌气纤维素分解菌，总体上氨化细菌、有机和无机磷分解菌是林线交错带及邻近植被土壤最主要的优势生理类群，其次是反硝化细菌和好气固氮菌，硝化细菌数量较低，而最少的是好气与厌气纤维素分解菌。

0~30 cm土层硝化细菌、反硝化细菌、好气固氮菌、有机磷分解菌和好气纤维素分解菌数量均表现为林线交错带＞下缘冷杉林＞上缘流石滩草甸，而氨化细菌、无机磷分解菌和厌气纤维素分解菌数量在上缘流石滩草甸最低，在林线交错带与下缘冷杉林无显著差异(P＞0.05)，无机磷分解菌在下缘冷杉林最高。表明从上缘流石滩草甸→林线交错带→下缘冷杉林，植被的变化对土壤细菌生理类群数量结构产生了显著的影响。

从图 1可知，从上缘流石滩草甸→林线交错带→下缘冷杉林，相同植被类型，不同土层微生物类群数量的时间动态各异。上缘流石滩草甸0~15 cm土层氨化细菌、好气固氮菌、硝化细菌、反硝化细菌、有机磷分解菌、无机磷分解菌、好气与厌气纤维素分解菌等各菌群数量具有显著的时间动态规律，林线交错带与下缘冷杉林0~15与15~30 cm土层具有相似的显著时间动态规律，而上缘流石滩草甸15~26 cm土层、林线交错带30~47 cm土层与下缘冷杉林30~64 cm土层均除4月中旬最低外，其余时段时间动态规律不显著。在0~15 cm土层表现为:上缘流石滩草甸各菌群数量总体上4月中旬最低，6月下旬达最大值，而后至10月底逐渐下降; 林线交错带好气固氮菌、有机磷分解菌、好气纤维素分解菌、氨化与硝化细菌数量4月中旬数量均最低，而后升高，7月下旬有所降低，8月下旬达最大值，而后至10月底逐渐降低，而反硝化细菌、无机磷分解菌和厌气纤维素分解菌数量则6月下旬最高; 下缘冷杉林则4月中旬各菌群数量最低，而后持续上升，反硝化细菌和厌气纤维素分解菌6月下旬达最大值，其余均8月下旬达最大值，而后降低至10月底。4月中旬各植被下层土壤还处于解冻初期，各菌群数量极低。上缘流石滩草甸0~15 cm土层各菌群数量在不同时间的变幅达3.78~8.67倍，15~26 cm土层变幅达2.91~3.17倍; 林线交错带0~15 cm土层在不同时间的变幅达1.99~11.15倍，而15~30 cm土层变幅达6.61~14.39倍; 下缘冷杉林0~15 cm土层在不同时间的变幅达3.44~7.74倍，15~30 cm土层变幅则达9.36~18.25倍。可见，上缘流石滩草甸15~26 cm土层细菌生理类群数量时间动态变幅低于0~15 cm土层，而林线交错带与下缘冷杉林15~30 cm土层变幅高于0~15 cm土层。

图 1 林线交错带及其邻近植被土壤细菌生理类群数量季节动态 Figure 1 Number temporal dynamics of physiological groups of soil bacteria in the timberline ecotone and its adjacent vegetations

由表 3可知，林线交错带及邻近植被土壤中，氨化细菌、好气固氮菌数量主要受土壤有机质、全N、有效N、有效P含量及土壤密度的影响，硝化细菌数量除受上述化学参数影响外，还受土壤pH值及全P含量的影响。反硝化细菌数量与全N、有效N、有效P含量及土壤密度相关。磷素转化细菌中无机磷分解菌与有机磷分解菌数量均受土壤有机质、全N、全P、有效N、有效P含量及土壤密度的影响，除此之外，无机磷分解菌还受土壤pH值、阳离子交换量及速效K含量的影响。碳素转化细菌中好气与厌气纤维素分解菌数量均与有机质、全N、有效N、有效P和土壤密度相关，厌气纤维素分解菌还受土壤pH值和速效K含量的影响。以上研究结果也表明了可利用的C源、N源和P源是土壤微生物生长的重要限制因素。

表 3 各细菌生理类群数量与土壤物理化学参数的皮尔逊相关系数^① Tab.3 Pearson correlation coefficients between the quantities of bacterial physiological groups and the soil physical and chemical parameters(n=25)

表 3 各细菌生理类群数量与土壤物理化学参数的皮尔逊相关系数① Tab.3 Pearson correlation coefficients between the quantities of bacterial physiological groups and the soil physical and chemical parameters(n=25)

表 4表明，在林线交错带及邻近植被土壤中C，N和P转化细菌生理类群数量除无机磷分解菌与反硝化细菌、氨化细菌与硝化细菌以及硝化细菌与反硝化细菌数量之间呈显著正相关外(P＜0.05)，其余各菌群数量之间均呈极显著正相关(P＜0.01)，彼此之间相互依存，共同消长。

表 4 各细菌生理类群数量皮尔逊相关系数 Tab.4 Pearson correlation coefficients among the quantities of bacterial physiological groups(n=25)

表 4 各细菌生理类群数量皮尔逊相关系数 Tab.4 Pearson correlation coefficients among the quantities of bacterial physiological groups(n=25)

对林线交错带及邻近植被土壤细菌生理类群垂直空间分布研究表明，0~15 cm表层土壤是细菌生理类群分布最多、活动较旺盛的土层，并随土层加深，各细菌生理类群数量逐渐降低。这是因为植物根系多分布在上层土壤，根系分泌物和脱落物是微生物生长的重要营养源，加之水热状况较好，因此表层土壤是微生物活动最为活跃的区域(张崇邦等, 2002; Fierer et al., 2003)。另外研究表明，氨化细菌、有机和无机磷分解菌是林线交错带及邻近植被土壤中最主要的优势菌群，而好气与厌气纤维素分解菌数量最低(表 2), 表明各植被具有较为活跃的土壤有效N和P的转化。但由于林线附近高海拔极端的低温和气候条件，好气与厌气纤维素分解菌数量较低，有机质分解缓慢，微生物生长必需的碳源和能源物质缺乏，各菌群数量均低于同地区低海拔(2 600 m)的冷杉针叶林(王开运, 2004)。另外，各菌群数量与土壤物理构成, 有机质、N和P等养分含量关系密切(表 3)。基于残积母质上发育而成的林线交错带及林缘植被土壤浅薄，土壤质地粗骨化，有机质及养分含量较低(表 1)，也是细菌生理类群数量低于低海拔冷杉针叶林的原因。

研究表明，0~30 cm土层硝化细菌、反硝化细菌、好气固氮菌、有机磷分解菌和好气纤维素分解菌的数量排序为林线交错带＞下缘冷杉林＞上缘流石滩草甸，而氨化细菌、无机磷分解菌和厌气纤维素分解菌除上缘流石滩草甸最低外，林线交错带与下缘冷杉林无显著差异，林线过渡带及邻近植被土壤细菌生理类群数量出现了分异现象。一般研究表明，物种与分解其凋落物的微生物类群具有相互选择、相互协同的作用，植被类型及物种组成的变化常引起土壤微生物群落组成及数量变化(Groffman et al., 1996; Kowalchuk et al., 2002)。另有研究表明，低的土壤pH值限制硝化与反硝化细菌的生长，厌氧环境有利于反硝化细菌的生长(Teepe et al., 2001)。与林线过渡带相比，一方面下缘冷杉林土壤pH值较低，另一方面有机质含量与总孔隙度较高，土壤通气性较好, 因此，下缘冷杉林土壤硝化与反硝化细菌数量低于林线过渡带。由此可见，林线过渡带及邻近植被土壤细菌生理类群数量出现分异与林线交错带及邻近植被群落类型、物种构成、土壤细菌生理群本身的特性及土壤物理化学性质密切相关。

研究表明，林线交错带及邻近植被0~15 cm土层是微生物活动最为活跃的土层，总体上林线交错带及邻近植被表层土壤8种细菌生理类群数量4月中旬最低，而后逐渐升高，上缘流石滩草甸表层土壤各菌群数量6月下旬均达最大值，林线交错带表层土壤反硝化细菌、无机磷分解菌和厌气纤维素分解菌数量和下缘冷杉林反硝化细菌和厌气纤维素分解菌数量6月下旬亦达最大值，其他细菌生理类群数量8月下旬达最大值，而后至10月底3类植被各菌群数量逐渐降低。因此，林线交错带及邻近植被表层土壤细菌生理类群数量时间动态规律受植被类型、细菌生理类群特性及区域水热动态所调控。4月中旬表层土壤刚进入初解冻期，温度低，因此各植被各菌群数量均最低。而后随时间变化，温度逐渐升高，冰冻融解作用使土壤水分含量显著提高，冰冻过程中死亡的大量微生物体养分释放，再加上解冻后的微生物细胞增殖能力非常高(Hattori, 1985; Jones et al., 2003; Sharma et al., 2006)，因此3类植被各菌群数量也逐渐升高，上缘流石滩草甸6月更是达最大值。对于林线交错带和下缘冷杉林，4月中旬后，冰冻融解作用的饱水排氧有利于厌氧生物的生长(Spormann et al., 2000)，因此二者土壤反硝化细菌和厌气纤维素分解菌数量6月达最大值。进入温度较高的7—8月，流石滩草甸由于植被覆盖度低，土层浅薄，保水性低，地表水分蒸腾较高，土壤干旱，因此各菌群数量降低。8月水热条件较好，因此林线交错带与下缘冷杉林大部分细菌生理类群数量均达最大值。10月下旬温度降低，虽临近结冰期，土壤并未结冰，各菌群数量降低，但高于4月中旬初融期。由此可见，林线交错带及邻近植被土壤的水热变化可能是细菌生理类群数量时间变化最主要的驱动因素。