福州城市蕃石榴片林地和馬尼拉草坪土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征

柯心然，翁 凡，黃向華，2* ，鐘羨芳，2，楊玉盛，2

(1．福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，福州350007;2．濕潤(rùn)亞熱帶山地生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，福州350007)

土壤微生物是土壤中重要且活躍的組分，在陸地生態(tài)系統(tǒng)乃至整個(gè)生物圈的物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)的過(guò)程中扮演著重要角色，推動(dòng)著土壤有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)和固定［1-3］。土壤微生物對(duì)外界環(huán)境的變化非常敏感，其生物量和群落結(jié)構(gòu)作為土壤特征變化的早期響應(yīng)指標(biāo)［4］，能夠較好地指示生態(tài)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)功能的變化［5-6］。

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，由非城市景觀轉(zhuǎn)化為城市用地將在很大程度上改變城市生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳庫(kù)規(guī)模、土壤有機(jī)質(zhì)組成及土壤微生物碳的特性［7-8］。目前，對(duì)于土壤微生物的研究多集中于郊外人工林、自然林和草地［9-11］，對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)的研究則多集中于土壤呼吸及土壤碳庫(kù)特征［12-13］，有關(guān)城市生態(tài)系統(tǒng)中土壤微生物的研究鮮有報(bào)道。福州位于福建省中北部東端，近年來(lái)城區(qū)面積快速擴(kuò)張，片林和草坪作為該城市生態(tài)系統(tǒng)中最主要的綠地類(lèi)型，是福州城市生態(tài)系統(tǒng)中的碳匯主體，對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)、生物多樣性維護(hù)等方面具重要價(jià)值。本項(xiàng)目組前期對(duì)福州南江濱各類(lèi)綠地類(lèi)型的研究發(fā)現(xiàn)，蕃石榴片林與其毗鄰草坪在碳儲(chǔ)量及其地上地下分配方面存在顯著差異，片林區(qū)土壤具有更高的碳庫(kù)儲(chǔ)量，且片林土壤碳庫(kù)要明顯高于草坪，但前者表土層土壤碳儲(chǔ)量卻低于其毗鄰的草坪，草坪比片林地有更快的固碳速率［14-15］，微生物參與土壤有機(jī)碳分解轉(zhuǎn)化的所有過(guò)程，因此，草坪與蕃石榴片林的微生物在二者固碳過(guò)程中必存在差異。為此，擬通過(guò)研究前述蕃石榴片林和草坪的表層土微生物生物量及群落結(jié)構(gòu)的相似性與差異性，以期解釋城市綠地土壤固碳的微生物機(jī)制，豐富城市碳循環(huán)研究理論。

1 試驗(yàn)地概況

研究區(qū)位于福建省福州市閩江公園 (26°03'N，119°15'E)，溫暖濕潤(rùn)，雨量充沛，屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候。全年無(wú)霜期326 d，多年平均氣溫19.6℃，年降水量900～2 100 mm。該地早期為自然河岸，2000—2005年間，該地區(qū)開(kāi)始改建為閩江公園，除了一些果樹(shù)保留下來(lái)外，其余植被陸續(xù)被替換為觀賞林木和草坪。園內(nèi)植被人為管理較少。

選取公園內(nèi)建植年齡較長(zhǎng)的蕃石榴 (Psidium guajava)片林地及其毗鄰馬尼拉草 (Zoysia matrella)草坪為研究對(duì)象。蕃石榴片林為19年生純林 (建植于1996年)，林分密度1 700株·hm－2，平均基徑10.56 cm，平均樹(shù)高6.50 m，林下土壤裸露，草坪樣方主要建群種為馬尼拉草，2007年建坪，每年春季施1次生物有機(jī)肥，一年修剪2～3次，不定期人工澆水。

2 研究方法

2.1 土樣采集

于2010年8—9月在蕃石榴片林設(shè)立3個(gè)面積為20 m×20 m的樣方，在毗鄰馬尼拉草坪設(shè)立3個(gè)面積為10 m×10 m的樣方。用土鉆在每個(gè)樣方內(nèi)隨機(jī)采集5鉆0～10 cm和10～20 cm土層的土壤。采集的土壤樣品去除植物殘根和石礫后分為兩組。一組立即過(guò)2 mm篩，放于4℃冰箱中保存，并盡快進(jìn)行微生物生物量及群落結(jié)構(gòu)特征分析。另一組風(fēng)干后過(guò)2 mm篩，采用常規(guī)方法測(cè)定土壤基本理化性質(zhì)。

表1 蕃石榴片林和馬尼拉草坪0～20 cm表層土壤基本理化性質(zhì)Table1 Soil properties at 0～20 cm depth for both Psidium guajava and Zoysia matrella lawns

2.2 土壤微生物分析

土壤微生物生物量碳的測(cè)定采用氯仿熏蒸浸提法［16］。土壤微生物群落結(jié)構(gòu)采用磷脂脂肪酸法(PLFA)測(cè)定。土壤微生物PLFA的提取過(guò)程和分析參考Bossio和Scow［17］的方法，微生物各種PLFA的含量采用色譜法測(cè)定。各類(lèi)微生物種群的表征標(biāo)記物見(jiàn)表2。

表2 檢驗(yàn)土壤微生物種群的磷酸脂肪酸標(biāo)志物Table2 PLFA biomarker indices investigated for soil microbial populations

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2003和SPSS 22.0軟件處理數(shù)據(jù)。用重復(fù)測(cè)量的方差分析方法來(lái)確定片林和草坪土壤微生物生物量和生物群落各種類(lèi)數(shù)量。采用單因素方差分析 (ANOVA)來(lái)評(píng)估蕃石榴片林與其毗鄰草坪對(duì)土壤微生物生物量和群落結(jié)構(gòu)的差異性，顯著水平設(shè)為α=0.05。采用雙因子方差分析來(lái)確定綠地類(lèi)型、深度及其交互作用對(duì)總微生物生物量和微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。通過(guò)相關(guān)分析來(lái)確定土壤微生物生物量碳與土壤微生物群落的相關(guān)性。

3 結(jié)果與分析

3.1 片林與草坪土壤微生物生物量碳含量比較

方差分析表明 (圖1)，蕃石榴片林與馬尼拉草坪的土壤微生物量碳 (以下簡(jiǎn)稱(chēng)MBC)含量存在差異，總體上馬尼拉草坪MBC值高于蕃石榴片林MBC值。其中，在0～10 cm土層中，蕃石榴片林MBC值為289.89 mg·kg－1，而馬尼拉草坪 MBC值為326.89 mg·kg－1，二者差異顯著 (P＜0.05);在10～20 cm土層中，蕃石榴片林MBC值為229.62 mg·kg－1，而馬尼拉草坪 MBC值為269.62 mg·kg－1，二者差異不顯著。對(duì)于同一樣地而言，不同土層 (0～10 cm與10～20 cm)之間MBC值也有所差異，0～10 cm土層的MBC值要高于10～20 cm土層，其中，蕃石榴片林0～10 cm與10～20 cm土層的MBC值有顯著差異，而草坪0～10 cm與10～20 cm土層間未達(dá)到顯著差異。

圖1 蕃石榴片林與馬尼拉草坪土壤微生物生物量碳的比較Figure1 Soil microbial biomass carbon of Psidium guajava and Zoysia matrella lawns

3.2 片林與草坪土壤微生物磷脂脂肪酸含量比較

表3可知，草坪的各項(xiàng)磷脂脂肪酸含量及真菌/細(xì)菌比值均高于片林的值。對(duì)于0～10 cm土層，片林與草坪間各項(xiàng)磷脂脂肪酸含量及真菌/細(xì)菌比值均存在極顯著差異 (P＜0.01)。但對(duì)于10～20 cm土層，除真菌/細(xì)菌比值有顯著差異 (P＜0.05)外，片林與草坪間其余各項(xiàng)磷脂脂肪酸含量均無(wú)顯著差異 (P＞0.05)。各項(xiàng)磷脂脂肪酸含量值均隨深度增加而減小，但真菌/細(xì)菌比值則變大。片林的0～10 cm與10～20 cm土層間各項(xiàng)磷脂脂肪酸含量及真菌/細(xì)菌比值無(wú)顯著差異 (P＞0.05)。草坪的0～10 cm與10～20 cm土層間，除真菌/細(xì)菌比值無(wú)顯著差異 (P＞0.05)外，其余各項(xiàng)磷脂脂肪酸含量均有顯著差異 (P＜0.05)。

表3 蕃石榴片林與馬尼拉草坪土壤微生物磷脂脂肪酸組成的比較Table3 Soil microbial phospholipid fatty acids in Psidium guajava and Zoysia matrella lawns

3.3 片林與草坪土壤微生物群落結(jié)構(gòu)比較

植被種類(lèi)在影響土壤微生物生物量的同時(shí)，也顯著影響了土壤微生物的群落結(jié)構(gòu) (P＜0.05)(表4)。此外，土壤深度也顯著影響了細(xì)菌、叢枝菌根和革蘭氏陰性細(xì)菌磷脂脂肪酸的相對(duì)豐度，而綠地類(lèi)型與土層深度對(duì)細(xì)菌、叢枝菌根真菌的相對(duì)豐度存在交互作用 (P＜0.05)。

PLFA的相對(duì)豐度分析結(jié)果表明，土壤中細(xì)菌群落 (革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌和革蘭氏陰性細(xì)菌)占主導(dǎo)地位，其次為放線菌和真菌群落，叢枝菌根真菌較少 (圖2)。不同深度的土層 (0～10 cm與10～20 cm)間各菌類(lèi)的磷脂脂肪酸相對(duì)豐度變化不大。蕃石榴片林與草坪的革蘭氏陰性細(xì)菌、真菌、叢枝菌根真菌群落的相對(duì)豐度變化趨勢(shì)相同，都隨土層深度的增加而減小。蕃石榴片林的革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌群落的相對(duì)豐度隨深度的增加而減小，放線菌群落的相對(duì)豐度隨深度的增加而增大，而草坪的革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌、放線菌群落的相對(duì)豐度變化趨勢(shì)與片林相反。

圖2 蕃石榴片林和馬尼拉草坪土壤微生物群落磷脂脂肪酸相對(duì)豐度Figure2 Relative abundances of the microbial community PLFA in Psidium guajava Linn and Zoysia matrella lawns(mean±SE，n=6)

3.4 片林和草坪MBC含量與群落結(jié)構(gòu)相關(guān)分析

蕃石榴片林地和馬尼拉草坪的土壤微生物生物生物量碳與微生物的各項(xiàng)磷脂脂肪酸呈正相關(guān)，但均未達(dá)到顯著水平。并與真菌/細(xì)菌、革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌/革蘭氏陰性細(xì)菌呈不顯著的負(fù)相關(guān)。

4 討論

表5 土壤微生物生物量碳含量與微生物磷脂脂肪酸標(biāo)記的相關(guān)系數(shù) (n=6)Table5 Correlation coefficients(r-values)between microbial biomass carbon(MBC)and the PLFA biomarkers

土壤微生物量碳作為土壤有機(jī)碳庫(kù)中最活躍的部分，是土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與循環(huán)的動(dòng)力［18］。本研究表明，蕃石榴片林地與馬尼拉草坪間土壤微生物微生物量碳在0～10 cm土層中差異顯著，表現(xiàn)為草坪＞片林。蕃石榴片林地和馬尼拉草坪0～10 cm土層的微生物生物量碳高于10～20 cm土層。由于兩類(lèi)樣地氣候、地形狀況一致，造成二者M(jìn)BC差異的原因主要在于植被類(lèi)型和管理方式不同。對(duì)于同一樣地而言，草坪在2個(gè)土層間的MBC無(wú)顯著差異可能與草坪的根系在通常情況下10～20 cm范圍內(nèi)分布較為均勻的特征有關(guān)，根系聚集大量的微生物。片林地表土受凋落物影響，上層有機(jī)質(zhì)高于下層，而片林地的根分布較深，對(duì)表土層的有機(jī)質(zhì)和微生物的影響相對(duì)較小，因此，兩類(lèi)樣地上層 (0～10cm)和下層 (10～20cm)的差異表現(xiàn)不同特征［19］。MBC與PLFA的相關(guān)系數(shù)通常在0.61～0.90之間，呈正相關(guān)，本研究中，MBC與PLFA呈現(xiàn)正相關(guān)，這與以往的研究結(jié)論相同［20-23］。相關(guān)系數(shù)為0.529，相比往常類(lèi)似研究得出的相關(guān)系數(shù)值較低，分析其原因，可能是因?yàn)槌鞘衅质苋藶楦蓴_影響較大，微生物活性還受到人為活動(dòng)的影響。而真菌/細(xì)菌、革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌/革蘭氏陰性細(xì)菌比值與微生物生物量碳呈負(fù)相關(guān)，原因還有待繼續(xù)探究。

原位土壤微生物生物量與菌群結(jié)構(gòu)可以從特定菌群PLFA數(shù)量變化的特點(diǎn)反映。本研究表明，蕃石榴片林地和馬尼拉草坪0～10 cm土層的各項(xiàng)磷脂脂肪酸含量均有顯著差異 (P＜0.05)，10～20 cm土層除真菌/細(xì)菌比外，其余各項(xiàng)磷脂脂肪酸差異不顯著。蕃石榴片林地與馬尼拉草坪類(lèi)型的不同顯著影響了真菌和叢枝菌根的磷脂脂肪酸含量。蕃石榴片林地與馬尼拉草坪的微生物群落中，細(xì)菌均為含量最高的微生物群落，但真菌、叢枝菌根含量的差別反映了其綠地類(lèi)型不同對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。

革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌面對(duì)環(huán)境脅迫時(shí)，其適應(yīng)能力要強(qiáng)于革蘭氏陰性細(xì)菌［24］，因而二者的比值可以反映細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的變化，從而反映綠地對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)力。革蘭氏陽(yáng)性/陰性細(xì)菌為片林地大于草坪、10～20 cm土層大于0～10 cm土層，說(shuō)明面對(duì)突發(fā)環(huán)境變化時(shí)，片林地的微生物適應(yīng)能力強(qiáng)于草坪。真菌/細(xì)菌比值反映土壤微生物群落中細(xì)菌、真菌兩個(gè)群落豐度的相對(duì)情況，當(dāng)土壤真菌/細(xì)菌比值較大時(shí)，真菌生物量以及真菌菌絲體較多，使其與土壤有效養(yǎng)分的接觸面積增大，因而生態(tài)系統(tǒng)更為穩(wěn)定［25］。本研究中，馬尼拉草坪的真菌磷脂脂肪酸含量及真菌/細(xì)菌比均大于蕃石榴片林地，表明馬尼拉草坪的土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性要強(qiáng)于蕃石榴片林的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

通過(guò)氯仿熏蒸浸提法 (MBC)和磷脂脂肪酸 (PFLA)法定量分析了福州城市主要的2種綠地生態(tài)系統(tǒng)——片林地和草坪的微生物生物量和生物群落結(jié)構(gòu)特征。研究認(rèn)為，草坪的微生物生物量碳和微生物群落結(jié)構(gòu)比片林地豐富，其土壤生態(tài)系統(tǒng)也比片林更為穩(wěn)定，但其應(yīng)對(duì)突發(fā)情況的土壤微生物適應(yīng)能力弱于蕃石榴片林地。因此，在城市綠地的建設(shè)中，應(yīng)注意城市片林與城市草坪其自身特有的優(yōu)勢(shì)，合理安排城市片林與草坪的布局與種植面積，有利于構(gòu)建更好更穩(wěn)定的城市土壤生態(tài)系統(tǒng)。

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