我国东北的黑土区是世界著名的四大黑土区之一,自清朝末期开垦以来,由于不合理的耕种和不断增强的生产活动,遭受到了严重的土壤侵蚀,且加速退化。为恢复生态环境,减少土壤侵蚀,尤其是风蚀,黑龙江省西部典型黑土区的人们自20世纪80年代开始大规模的种植以杨树、落叶松、樟子松、水曲柳、灌木柳等为主要造林树种的农田防护林。农田防护林已经成为了该地区农林复合生态体系的重要组成部分,也是世界林业工程之最的“三北”防护林工程的组成部分,为当地农业生产生活提供了重要的生态屏障,在保障作物高产稳产、防风固沙、调节小气候方面发挥了巨大的作用。然而,近年来,不少地区的农田防护林出现了林分退化现象,关于人工林地力衰退的报道也较多。人工林衰退的主要原因之一就是林地土壤质量下降、土壤性质恶化。林地土壤作为人工林生态系统的重要组成部分,生命活动的主要场所,营养元素转化的枢纽,对林木健康生长发育具有重要意义。研究林地土壤质量的变化规律、科学地综合评价土壤质量、探究土壤细菌群落的变化及影响因素、维持地力长期发挥作用也是当前农林科学研究的热点。鉴于此,本研究选取了黑龙江省典型黑土区农业大县拜泉县为研究区;在研究区内,筛选了 5种同林龄(19年)不同类型的农田防护林带样地(即小黑杨纯林X、落叶松纯林L、樟子松纯林Z、落叶松水曲柳混交林SL、落叶松与樟子松混交林ZL),6种林龄的小黑杨农田防护林带样地(即幼龄林X09、中龄林X03、近熟林X99、成熟早期林X95、成熟晚期林X88、过熟林X84),4种林龄的落叶松农田防护林样地(即幼龄林L99、中龄林L92、近熟早期林L87、近熟晚期林L81),1个弃耕20年的对照样地(CK),共计14种样地(不同类型防护林中的X、L分别与不同林龄防护林系列的X99、L99相同)为研究对象;测定不同类型、不同林龄防护林的0-60cm 土层的20种土壤性质,不同类型防护林土壤(0-20 cm 土层)的细菌16S rDNA多样性;运用“时空替代法”研究不同林龄防护林土壤质量的变化,通过单因素方差分析(One-Way ANOVA)和最小显著差异检验(LSD)研究土壤性质的变化,通过主成分分析(PCA)克服土壤指标体系的多重共线性筛选出土壤质量评价的最小数据集(MDS)并用其对土壤质量进行综合评价,通过高通量测序(HTS)和生物信息技术分析得到不同类型防护林土壤细菌多样性,通过对比KEGG代谢通路数据库对所得细菌群落功能进行分析,并根据涉及C、N、P、S的功能基因相对丰度大小,对不同类型防护林土壤功能潜势进行预测,通过对土壤性质和不同类型样地间具有显著差异的物种进行冗余分析(RDA)得到影响土壤细菌多样性的重要土壤性质。本研究主要结果如下:1.不同类型防护林土壤质量的变化与评价(1)L、Z、SL均比CK显著增加了土壤容重(BD);在各类型防护林中,ZL的土壤饱和持水量(SHC)、毛管持水量(CHC)、田间持水量(FHC)、毛管孔隙度(CP)、总孔隙度(Pt)、通气度(Ae)均最大,而L的SHC、CHC、FHC,X的CP、Pt,X的Ae均最小;X、L、SL均比CK显著降低了 SHC、CHC、FHC,ZL 比其他类型防护林和CK均显著提高了 CP、Pt,各类型防护林均显著提高了 Ae,且ZL比X和SL提高的更显著;Z比CK和L显著提高了土壤非毛管孔隙度(NCP);各类型防护林均显著降低了土壤质量含水率(MCg),且ZL降低的程度显著大于X和显著小于L。各类型防护林均比CK显著减小了土壤pH、总有机碳含量(TOC)、总氮含量(TN)、总磷含量(TP),X、L、ZL均显著降低了土壤硝态氮含量(NN),而Z显著增加了NN;X、L、Z、SL均显著增加了速效钾含量(AK),且X增加的最显著;X比其他类型显著降低了土壤pH,却显著增加了土壤铵态氮含量(AN);X、L、SL均比ZL显著降低了 TOC;L显著增加了土壤有效磷含量(AP),却显著降低了 TP;Z、SL均显著降低了 AP。各类型防护林维持土壤微生物生物量碳含量(MBC)和土壤微生物生物量氮含量(MBN)能力由大到小依次是X>Z>SL>ZL>L。(2)不同类型防护林土壤质量评价所筛选的MDS包含FHC、Ae、TOC、NN、AK、TK六个指标。不同类型防护林地土壤的SQI排序为Z>ZL>SL>L>X。2.不同林龄小黑杨防护林土壤质量的变化与评价(1)随着林龄的增加,BD呈先降低、后增加,在中龄林达到最大值,然后逐渐下降的趋势变化;SHC、CHC、FHC、NCP、MCg变化方向一致;Ae持续增大,在成熟晚期林达到最大值,并且在成熟林和过熟林中显著高于CK。各林龄防护林,随林龄增加显著降低了土壤pH、TOC、TN、TP,提高了 AN、AK;除幼龄林外,其他林龄显著降低了 NN;各林龄的AP变化较为复杂,在成熟早期林中显著低于CK,而在成熟晚期林和过熟林中又显著高于CK;除幼龄林的MBC变化不大外,其他林龄MBC均比CK显著降低;中龄林和过熟林比CK显著降低了 MBN,幼龄林比其他林龄显著增加了MBN。(2)不同林龄小黑杨防护林土壤质量评价所筛选的MDS包含FHC、Ae、NN、AN、TK五个指标。SQI(土壤质量指数)排序为X88>X84>X95>X99>X09>X03>CK,除中龄林外的小黑杨防护林显著地改善了土壤综合质量;防护林地各土层SQI基本也都高于对照;各土层SQI最大值一般出现在成熟林或过熟林中,最小值出现于幼龄林或中龄林中。3.不同林龄落叶松防护林土壤质量的变化与评价(1)各林龄落叶松防护林增加了 BD,显著降低了 SHC、CHC、FHC;近熟早期林比近熟晚期林显著降低了 NCP;近熟晚期林比其他林龄显著降低了 CP、Pt;各林龄均比CK显著降低了 MCg,却显著提高了 Ae,且幼龄林和中龄林的Ae显著高于近熟林;各林龄防护林均显著降低土壤pH、TOC、TN、TP,其中,幼龄林土壤pH显著高于其他林龄,中龄林的TOC、TN显著低于近熟晚期林,近熟早期林的TP显著高于其他林龄;各林龄增加了 AN、AP、AK,其中,近熟晚期林比近熟早期林显著增加了AN、AK,中龄林比其他林龄显著增加了 AP;近熟晚期林显著提高了 NN,而幼龄林显著提高了 TK;各林龄落叶松防护林各土层的MBC、MBN均比CK显著下降。(2)不同林龄落叶松防护林土壤质量评价所筛选的MDS包含SHC、NCP、MCg、NN、AK五个指标。不同林龄落叶松防护林的SQI排序为L99>L81>L92>L87>CK,与CK相比,落叶松防护林的SQI虽然稍有增加,但没有达到显著程度;落叶松防护林地0-20 cm 土层SQI基本也都高于对照,20-40 cm土层SQI却小于对照,这种差异在近熟晚期林均达到显著水平;10-20 cm 土层和40-60 cm 土层SQI最大值出现在幼龄林中,0-10 cm和20-40 cm土层SQI最大值分别出现在近熟林L81和L87中;而各层的SQI最小值随林龄的增加逐渐出现在更深层土壤中。4.不同类型防护林表层土壤细菌多样性和影响因素(1)不同类型土壤细菌群落组成结构不同,优势门均为放线菌门、变形菌门、酸杆菌门、绿弯菌门、芽单孢菌门,但丰度差异最大门的是放线菌门;Krasilnikovia、Rubrobacter、RB41是共有的优势属,并且优势菌属在樟子松纯林中分布最多;Actinoplanes和Krasilnikovia分别是0-10 cm 土层和10-20 cm 土层防护林地土壤细菌群落丰度差异最大的属,也是这两个土层土壤细菌群落构建的关键属;土壤细菌的特有OTUs数量在0-10cm土层高于10-20cm土层,在CK中高于防护林。ZL的OTUs总数最多。(2)不同类型土壤细菌的固碳、有机质分解与同化,固氮和氮素同化,解磷能力、硫酸盐同化和异化能力方面各不相同,其中SL菌群基因功能综合潜势较强,X较差,ZL、Z、L处于中等水平。(3)对防护林不同土层细菌群落的变化具有重要影响的土壤性质因素在0-10 cm土层是AK、TN、Ae,在10-20cm土层是pH、AN、MCg、TOC。综上所述,不同类型的防护林对土壤理化性质、细菌分布和群落组成有不同的影响;不同林龄小黑杨农田防护林和不同林龄落叶松农田防护林的土壤性质虽然随林龄的增加发生了不同的变化,但均提高了其土壤综合质量;从林地土壤可持续发展角度考虑,在黑龙江西部黑土区营建农田防护林时,纯林应优先考虑采用樟子松树种,混交林则优先考虑采用樟子松落叶松混交模式;造林树种是引起土壤性质和土壤细菌群落变化的重要因素,而土壤细菌群落的变化是树种性质和土壤性质相互作用的结果。本研究可为研究区农田防护林建设树种的筛选与优化、农田防护林林地土壤的调控、农田防护林更新模式的选择与调整提供理论支撑。