杉木[Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook.]是我国重要的用材树种，主要分布在南方16个省 (区)，其栽培面积约占我国人工林总面积的1/4^[1]。由于杉木自身的生物学特性^[2]、土壤微环境^[3]以及人为因素干扰^[4-5]等，杉木人工林地力衰退严重。有研究表明经营混交林成为解决这一问题的有效手段，其中火力楠 (Michelia macclurei Dandy, MM) 因其凋落物分解较快，养分释放周期短的特性而成为重要的混交树种之一。凋落物是土壤微生物所需养分的主要来源，有利于保持和提高土壤肥力、改善林内养分循环和保持林内生态系统平衡^[6]。相关研究表明，杉木与某些伴生植物的残体在混合状态下，由于资源的异质性增加^[7]，使其分解存在着交互作用现象^[8]，这一现象使营养从含量较高的凋落物转移到较低的凋落物^[9]，参与分解的有机体也发生改变^[10]，难分解物质的分解速率也由此加快。一般而言，乔木下土壤表层 (0~5 cm) 和下层 (5~20 cm) 的微生物量、活性和丰富度有明显的差异^[11]，这种变化与土壤表层 (0~5 cm) 富含有机质，水气透性较强，对外界环境变化响应迅速有密切关系。此外，土壤微生物群落丰富度、多样性及碳代谢强度会因凋落物分解而有所提高，同时土壤微生物群落的碳源代谢方式也与单一凋落物分解差异明显^[12]。

目前，针对单一凋落物分解及养分循环等方面的研究较多，而对针阔混合凋落物出现的交互作用及其分解对土壤微生物功能多样性影响的研究较少，同时侧重点多放在室内模拟状态，尚未涉及自然状态下的研究。针对土壤微生物功能多样性以及碳源利用的研究，诸多研究者多采用微生物平板法^[13]，通过酶标仪快速检测每个孔的吸光度来计算微生物代谢情况，某种程度上能够反映微生物代谢活性和功能，有助于加深对微生物结构和功能关系的理解。因此，本研究利用Biolog生态板技术，通过在不同林龄杉木人工林条件下布设不同配比杉木-火力楠凋落物的方法来分析其表层 (0~5 cm) 土壤微生物群落对31种碳源利用的代谢能力，阐明不同杉木、火力楠凋落物配比处理下土壤微生物群落变化的规律，从微生物群落碳代谢多样性角度为杉木人工林的可持续经营与发展提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 研究地概况

试验样地位于福建省邵武市下沙镇 (东经117°34′，北纬27°20′)，亚热带季风气候，年均气温17.7 ℃，年均降水量约为1 786 mm，无霜期262 d，平均海拔275 m，成土母岩为花岗岩，各样地群落概况见表 1。

1.2 研究方法

收集未分解的杉木纯林、火力楠纯林凋落物，按不同配比处理凋落物装入网袋 (网袋规格20 cm×20 cm，1 mm网眼)，并编号。凋落物分解试验共设计5个处理 (表 2)，各处理总量均为20 g，另取各处理网袋3个作为重复，测定其全碳全氮的含量以及碳氮比。

2015年1月，在4、15及32年生杉木人工林内，选择海拔、坡向、坡度等相近的位置布设3个试验小区作为重复，各试验小区面积约为40 m²，两两间隔2 m。在各试验小区内，轻轻去除地面表层全部动植物残体，分别划出5个处理小带，各处理小带平行铺上网袋，每个处理重复3次，每个网袋大概间隔20 cm，另划出1个空白处理带，并在各试验小区距离地面1 m高处放置一定面积的纱网，以避免新落入小区的凋落物对试验产生干扰。为防止凋落物网袋被雨水冲刷、大风吹动等原因而使网袋被移动和丢失，在每个凋落物网袋的四周均用不锈钢钉固定，保证网袋紧贴表层土壤。待分解1 a后，取各处理0~5 cm处土壤样品，冷藏带回实验室过2 mm筛，4 ℃保存，用于土壤微生物碳代谢多样性测定。

1.3 试验方法

土壤pH值采用玻璃电极法 (土水比1:2.5)^[14]；凋落物全碳和全氮含量采用碳氮分析仪 (VARIO MAX，德国) 进行测定。土壤微生物功能多样性采用微生物生态研究中常使用的Biolog生态板法^[15]。称取10 g鲜土加入90 mL无菌的生理盐水 (0.85%) 中，封上封口膜，在振荡器上180 r·min^-1振荡30 min摇匀，静置30 min，然后将上清液稀释至10^-3。取150 μL菌悬液接种到生态板的每个孔中，25 ℃恒温培养，每隔24 h利用NanoQuant酶标仪在波长590 nm下测定其光密度值，连续培养7 d，取168 h (本研究中土壤的微生物生长对数期和稳定期的临界值，即“拐点” ^[16]) 的平均光密度值进行多样性分析。其中，所用Biolog生态板购于美国，它通过测定土壤微生物对31种单一碳源的利用情况来评价土壤微生物群落的碳代谢特征，可按化学基团的性质将其分为羧酸类、氨基酸类、碳水化合物、聚合物、胺类和酚类六大类型碳源。

1.4 数据分析

微平板每孔颜色平均变化率 (average well color development，AWCD) 可描述土壤微生物群落整体代谢活性，用来评判微生物群落对碳源的利用程度；Shannon指数反映群落物种及其个体分布均匀程度、Simpson指数评估群落物种的优势度和McIntosh指数反映土壤微生物群落均匀度，三者可用于表征土壤微生物群落碳源利用多样性，分别用来评估群落中物种的丰富度、优势度及均匀度^[17]。计算公式如下：

$ {\rm{平均颜色变化率}}\left( {{\rm{AWCD}}} \right):{\rm{AWCD = }}\sum\limits_{i = 1}^n {\left( {{C_i}-R} \right)} /n $

(1)

$ {\rm{Shannon}}指数\left( H \right):H =-\sum\limits_{i = 1}^n {{P_i}\mathit{ln} {P_i}} $

(2)

$ {\rm{Simpson}}指数\left( D \right):D = 1-{\sum\limits_{i = 1}^n {\left( {{P_i}} \right)} ^2} $

(3)

$ {\rm{McIntosh}}指数\left( U \right):U = \sqrt {\sum\limits_{i = 1}^n {n_i^2} } $

(4)

式中：i表示微孔中的第i个碳源，C_i为第i孔在590 nm下的光密度值；R为对照孔的光密度值，当C-R为负值时记为0，表示对应孔的底物没有被利用；n为Biolog微平板的碳源种类，n=31；P_i为第i孔的相对吸光度值与整个平板相对吸光度值总和的比率；S为产生颜色变化的孔的数目；n_i为第i孔的相对吸光度值。

数据处理用SPSS 22.0分析，Microsoft Excel 2007进行作图。

2 结果与分析 2.1 土壤微生物群落平均颜色变化率

4年生杉木人工林在各个配比凋落物处理下土壤微生物群落总体变化趋势：培养24 h内AWCD变化不明显，而培养24~144 h之间AWCD快速增长，此时微生物活性旺盛，直至168 h趋于稳定后增长缓慢。从培养168 h时AWCD均值可知，各个配比凋落叶处理作用下，C1M2的AWCD均值最高，C1M1的AWCD均值最低。15年生杉木人工林土壤微生物总体变化趋势为：24 h内土壤微生物活性较低，但于72 h达到拐点并于168 h后趋于稳定，C2M1的AWCD均值最高，M的AWCD均值最低。32年生杉木人工林土壤微生物在前48 h活性较低，48~168 h是指数期，168 h后逐渐达到平稳，M的AWCD均值最高，CK的AWCD均值最低。在不同林分中土壤微生物代谢总体活性也存在差异，C1M1、C1M2配比处理以及C纯杉木小枝处理下AWCD表现为32 a＞15 a＞4 a，C2M1配比处理下AWCD表现为15 a＞32 a＞4 a，M纯火力楠叶处理下AWCD表现为32 a＞4 a＞15 a。

2.2 土壤微生物群落多样性

在不同配比凋落物处理下，4年生杉木人工林中C2M1的Shannon指数最高，C1M1最低，两者差异显著 (P < 0.05)，C、M、C1M2与CK之间差异不显著 (P>0.05)。15年生杉木人工林中C的Shannon指数最高，CK最低，M、C2M1、C1M1、C1M2差异不显著。32年生杉木人工林中M的Shannon指数最高，C1M1最低，两者差异显著，C、C2M1、C1M1、C1M2的Shannon指数差异不显著。在C2M1、C1M2、C处理下，各林龄的Shannon指数为32 a＞15 a＞4 a，且32 a与15 a差异不显著；M处理表现为32 a＞4 a＞15 a，且32 a与4 a差异不显著；C1M1、CK处理下，3个林分之间差异不显著。

在不同配比凋落物处理下，4年生杉木人工林中C1M1的Simpson指数最低，且与其他处理有显著差异，而C、M、C1M2、C2M1与CK之间差异不显著。15年生杉木人工林中C的Simpson指数最高，与其他处理相比差异不显著。32年生杉木人工林中C1M1的Simpson指数最高，CK最低，各处理间差异不显著。在不同林龄杉木人工林内，CK处理下的Simpson指数差异不显著，C的Simpson指数差异显著，M、C1M2的Simpson指数在32 a的土壤中最高、15 a的土壤中最低，C2M1的Simpson指数在4、15 a的土壤中均为0.95，高于其他两种，C1M1的Simpson指数表现为32 a＞15 a＞4 a。

4年生杉木人工林中，土壤微生物McIntosh指数以M最高，C最低，C1M1均低于C2M1、C1M2且差异显著；15、32年生杉木人工林内C2M1的McIntosh指数均高于C1M1、C1M2，且差异性显著。在不同林龄杉木人工林内，CK、C1M2处理下的McIntosh指数表现为4 a＞32 a＞15 a，M、C1M1的McIntosh指数32 a＞4 a＞15 a，C2M1的McIntosh指数表现为15 a＞32 a＞4 a，C的McIntosh指数差异显著。

2.3 土壤微生物群落功能多样性指标的多因素方差分析

多因素方差分析表明，林龄与凋落物配比对Shannon和Simpson指数无显著性影响，但对McIntosh指数的影响具有极显著性 (P＜0.01)；林龄与凋落物配比之间的相互作用对Shannon指数的影响无显著性，对Simpson和McIntosh指数的影响具有显著性 (P＜0.05)。经多重比较 (LSD) 得出，不同配比处理下Shannon和Simpson指数无显著性差异；C处理下土壤微生物McIntosh指数与CK无显著性差异，C2M1(P=0.021)、C1M1(P=0.024) 与CK有显著性差异，C1M2(P=0.001)、M (P=0.003) 与CK有极显著差异。

2.4 土壤微生物六大类碳源代谢变化特征

按化学基团的性质可将生态板上的31种碳源分成六大类，即羧酸类、氨基酸类、碳水化合物、聚合物、胺类和酚类。将每类碳源在168 h的光密度差值 (C-R) 平均并进行比较发现：不同凋落叶配比影响下，4年生杉木人工林中，M、CK的土壤微生物在对碳水化合物和聚合物的利用能力较高，C的利用程度最低，C1M2、C2M1、C1M1三者差异不明显；羧酸和氨基酸的利用能力上，CK＞C2M1＞M＞C1M2＞C1M1＞C；在对酚类和胺类的利用能力上，C2M1＞C1M2＞C1M1(图 2)。15年生杉木人工林中，不同凋落叶配比影响下的土壤微生物均以碳水化合物、聚合物以及氨基酸作为主要利用碳源，其利用能力表现为C2M1＞C＞CK＞C1M1＞C1M2＞M。32年生杉木人工林中，不同凋落叶配比影响下的土壤微生物均以碳水化合物、聚合物以及氨基酸作为主要利用碳源，其中对碳水化物的利用能力表现为M＞C1M2＞C1M1C＞C2M1＞C，与CK相比，均值分别高出79%、71%、37%、27%、21%；对聚合物类的利用表现为C1M1＞M＞C＞C2M1＞C1M2，与CK相比，均值分别高出62%、34%、25%、23%、18%；对氨基酸的利用能力表现为C2M1＞C1M1＞M＞C＞CK＞C1M2。

对生态板上的31种碳源进行聚类分析 (图 3)，4年生杉木人工林中，土壤微生物不同碳源利用首先可分为CK、M与其余几种配比两大类，其中C、C1M2、C2M1配比下的土壤微生物对碳源利用划分为一类。15年生杉木人工林中，土壤微生物对不同碳源利用可分为两大类：C2M1、C配比下的土壤微生物对碳源利用划分为一类，而CK与M、C1M2、C1M1配比下的土壤微生物对碳源利用方式聚为一类。32年生杉木人工林中，土壤微生物对不同碳源的利用可分为CK与其余不同配比下的土壤微生物对碳源利用两大类，其中C2M1、C配比下的的土壤微生物碳源利用相似聚为一类。4、15和32年生杉木人工林中，C2M1、C配比下的土壤微生物对碳源的利用均能聚为一类；除4年生杉木人工林外，C1M1、C1M2与M聚为一类。

3 讨论与结论

杉木人工林的地力衰退不仅导致土壤微生物总量、微生物活性均呈下降趋势，还会使土壤微生物群落结构多样性发生改变。而植物凋落物分解和养分释放可通过由微生物主导的生物化学过程^[19]来实现，并且可有效改善杉木人工林地力衰退、土壤酶活性降低等现象，保证森林生态系统正常的物质、能量和养分循环，实现林地生产力的提高^[20]。

本研究发现，各林分土壤微生物平均颜色变化率AWCD值均存在差异，即32年生杉木人工林土壤微生物代谢总体活性最强，4年生杉木人工林土壤相对较弱。这是由于32年生杉木林内植被变化小，土壤生态系统趋于稳定^[21]，为微生物生长提供了适宜的生境，而4年生幼林抗外界环境干扰能力差，微生物整体代谢活性则相对较弱，微生物群落的丰富度、常见群落的优势度以及物种均一度也相对弱化。不同凋落物配比会影响土壤微生物整体代谢活性以及微生物群落功能多样性，主要原因在于不同配比的凋落物对交互作用效应的响应存在差异，对土壤有机质含量和组成的影响也不同，当某一配比处理恰好为微生物提供更加适宜的生长环境和营养来源，使之符合微生物的生长需求时，就会出现较强的交互作用效应; 反之，当不太适合微生物的生长需求时，交互作用就比较弱^[22]。研究中C1M2在4年生幼林土壤中整体代谢活性最强，C2M1在15、32年生杉木人工林土壤中整体代谢活性最强，说明不同凋落物配比在不同林龄杉木人工林中的交互作用有较大区别。

各林分土壤微生物的H、D差异并不明显，但McIntosh均匀度指数的差异显著性较大，其中C1M2处理与CK之间的差异最为明显。这表明不同林龄杉木人工林内，土壤微生物功能多样性的差异变化主要表现在微生物群落个体均匀度上，由于C1M2处理下土壤微生物优势种群比例降低，致使均匀度增加。野外自然条件下，地理位置相对一致的3个林龄杉木林气候气象、土壤水分等环境因素相对一致，土壤微生物的丰富度以及多样性差异并不大，杉木-火力楠凋落物混合特别是C1M2处理仅仅在土壤微生物的均一度上对其产生较为显著的影响，这与土壤微生物的丰富度以及多样性指数的研究^[13]有一定的差异。

通过对Biolog生态板中的六大类碳源，进行聚类分析，进一步了解到不同配比凋落物配比处理下各林龄杉木林土壤微生物群落的碳源利用存在差异。4、15和32年生杉木人工林都以碳水化合物、聚合物以及氨基酸作为主要的碳源利用类型，其中C2M1、C处理下的各林龄土壤微生物对碳源的利用均能聚为一类，C1M2、C1M1与M只在15、32年生杉木人工林中聚为一类。凋落物分解与土壤微生物群落结构功能变化是相互影响、相互制约的过程^[13]，通过改变凋落物配比能够显著影响土壤微生物群落的代谢强度和功能多样性，即在杉木人工林内，实行杉木-火力楠凋落物混合比单一杉木更能有效地提高土壤的微生物功能。