嶺南不同園林植物根區土壤微生物功能多樣性季節動態變化

孫麗靜++蔣益成

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.138

摘要：利用Biolog微平板法研究嶺南不同園林植物（草本、灌木和喬木）根區土壤微生物多樣性群落特征及其季節動態。結果表明，植物根區土壤略顯酸性，季節間pH值大小依次為春季>冬季>秋季>夏季，差異不顯著；不同類型植物根區土壤養分含量排序基本為草本>灌木>喬木，不同季節根區土壤養分含量基本表現為夏季>秋季>春季>冬季；土壤微生物群落代謝顏色變化率（AWCD）隨季節呈先增加后降低趨勢，表現為草本>灌木、喬木；土壤微生物對不同種類碳源的利用強度存在較大差異，碳水化合物和羧酸類碳源是不同園林植物土壤微生物的主要碳源，其次為氨基酸類、酚酸類和聚合物類，胺類碳源的利用率最低；土壤微生物群落的物種豐富度以草本最高，灌木次之，喬木最低，隨季節呈先增加后降低趨勢。主成分分析結果表明，從31個因素中提取的在碳源利用中起主要貢獻作用的是胺類和氨基酸類碳源；相關性分析表明，土壤養分和土壤pH值與微生物群落功能多樣性密切相關，其中土壤pH值對土壤微生物群落功能多樣性貢獻為負，土壤養分對土壤微生物群落功能多樣性貢獻為正，這是造成園林植物土壤微生物群落多樣性和根區土壤微生物群落功能多樣性季節差異的主要原因。

關鍵詞：園林植物；土壤微生物；群落多樣性；季節動態；主成分分析；相關分析

中圖分類號： S154.3文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）09-0478-06

收稿日期：2016-03-16

基金項目：國家教育部、財政部關于“高等職業學校提升專業服務產業發展能力”園林工程技術專業建設項目[編號：教職成廳函（2011）71號]。

作者簡介：孫麗靜（1981—），女，河南南陽人，碩士，講師，主要研究方向為園林植物應用及森林培育。E-mail：Leejing_sun@163.com。嶺南是指中國南方五嶺之南地區，相當于現在廣東、廣西海南全境，以及湖南、江西等省的部分地區，現在提及“嶺南”一詞時，常特指廣東、廣西和海南三省（區）[1-2]。嶺南屬東亞季風氣候區南部，瀕臨海洋，具有熱帶、亞熱帶季風海洋性氣候特點，以高溫多雨為主要特征，太陽輻射量較多，光照時間較長，植物資源豐富，其中不乏具有良好觀賞價值的園林植物種類[2-3]。在嶺南地區的城市生態環境中，園林綠化植物作為城市-自然-景觀復合生態系統的一部分，在減少陽光輻射、吸塵、增大空氣濕度、凈化空氣、調節氣候、改善城市生態環境等方面有著重要的作用[4]。土壤養分影響著土壤的透水性、保墑性、緩沖性、耕性、通氣狀況和土壤溫度等，其含量高低是表征土壤肥力高低的重要指標之一[5-6]；土壤微生物參與土壤有機碳分解、腐殖質形成、土壤養分轉化和循環等過程，土壤微生物群落結構組成及活性變化是衡量土壤質量、維持土壤肥力和作物生產力的一個重要指標[7-8]。受技術和方法的限制，以往的研究多側重于對園林植物根際微生物數量等方面，而表現土壤微生物在組成和區系上的變化，還要結合土壤微生物多樣性的研究。Biolog為功能微生物群落變化較為敏感的指標，廣泛應用于評價土壤微生物群落的功能多樣性，Biolog-ECO微平板技術可以用于估價土壤微生物群落代謝多樣性和功能多樣性[9]。本研究以嶺南的主要城市園林植物根際土壤為研究對象，分析嶺南地區（主要是廣東省和廣西壯族自治區）不同園林植物土壤養分和土壤微生物多樣性、季節性差異，對該區域不同園林植物的管理提供科學理論依據。

1材料與方法

1.1研究區概況

嶺南屬東亞季風氣候區南部，具有熱帶、亞熱帶季風海洋性氣候特點，嶺南的大部分屬亞熱帶濕潤季風氣候，雷州半島、海南島和南海諸島屬熱帶氣候。北回歸線橫穿嶺南中部，高溫多雨為其主要氣候特征，太陽輻射量較多，光照時間較長，夏季以南至東南風為主，風速較小；冬季大部分地區以北至東北風為主，風速較大；春秋季為交替季節，風向不如冬季穩定。因全年氣溫較高，加上雨水充沛，所以園林植物茂盛，四季常青，百花爭艷，各種園林植物資源豐富[1-2]。

1.2樣品采集

2015年7月中旬至9月中旬，對嶺南的廣州市、佛山市、韶關市、南寧市、柳州市和桂林市園林植物根際土壤取樣，每個城市草本、灌木和喬木分別取5種代表植物并標記，每個樣品重復取樣3次，為了保證取樣的一致性，取樣時間保持在每天10：00點左右（消除溫度對土壤微生物的影響），采用四分法取樣（保留1 kg），取樣深度為0～20 cm，混合土樣（除去表層的枯落物層）。所取樣品分為2個部分，一部分鮮土現場過2 mm篩后于4 ℃保溫冰箱保存，另一部分帶回實驗室風干后去除雜質，對其養分和有效養分進行測定。

1.3土壤養分的測定

取經自然風干20 d的土壤樣品，去除植物根系等雜物過2 mm篩。土壤pH值采用電極電位法測定（2.5 ∶1水土質量比浸提液）；土壤電導率采用電導法測定；容重和孔隙度采用環刀法測定；有機碳含量采用重鉻酸鉀-外加熱法測定；全氮含量采用半微量凱氏定氮法測定；有效磷含量采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定；有效氮含量采用NaOH-H3BO3法測定；有效鉀含量采用乙酸銨浸提-火焰光度計法[5-6]測定。

1.4顏色變化率和微生物多樣性測定

取4 ℃保存的新鮮土樣，過2 mm篩后，用Biolog法測定微生物代謝能力。在無菌條件下，將新鮮的表層和次表層土壤樣品等體積混勻，稱取相當于烘干質量10 g的土壤，用 0.85% NaCl無菌溶液稀釋至3倍質量，接種于Biolog-Eco微孔板中，（25±1）℃暗箱培養。在溫育過程中，每隔24 h用酶標儀在590 nm下讀取吸光度，采用Biolog-Eco溫育 72 h 測定的數據進行多樣性分析，溫育120 h測定的數據用于碳源利用強度和主成分分析。

土壤微生物群落利用碳源的整體能力用Biolog-Eco微平板板孔平均顏色變化率（AWCD）表示：

AWCD=∑（Ci-Ri）/n。

式中：Ci為每個有培養基孔在590 nm的吸光度；Ri為對照孔的吸光度；n為培養基孔數，Biolog-Eco板n=31；對（Ci-R）<0的孔，計算中記為0，即（Ci-R）≥0。

土壤微生物群落功能多樣性分析采用Shannon-Wiener指數、Simpson指數、豐富度指數和McIntosh指數表征[10-11]，計算Simpson 指數時，將數據擴大1 000倍：

McIntosh指數=（∑ni·ni）；

H=-∑Pi（lnPi）。

式中：ni為第i個培養基孔數；Pi為第i孔的相對吸光度與所有整個微平板的相對吸光度總和的比值，計算公式：

Pi=（Ci-Ri）/∑（Ci-Ri）；

Ds=1-∑Pi。

式中：Ds為優勢度指數；S為被利用碳源的總數（吸光度≥025所有微孔的總和）。

主成分分析采用培養96 h后的光密度值，提取2個主因子進而分析不同園林植物土壤利用碳源的結構。

1.5統計分析

利用Excel 2007和SPSS 17.0軟件對數據進行整理、分析。

2結果與分析

2.1園林植物土壤養分季節變化

由表1可見，不同園林植物根區土壤pH值及養分的季節變化差異較為顯著。具體而言，土壤pH值的變化范圍在614～7.02之間，春季和夏季不同園林植物根區土壤pH值大體排序為喬木>草本>灌木，秋季和冬季園林不同植物根區土壤pH值排序基本為喬木>灌木>草本，而不同季節根區土壤pH值平均值基本為春季>冬季>秋季>夏季，季節之間差異不顯著；土壤有機碳含量的變化范圍在15.01～1923 g/kg之間，不同園林植物根區土壤有機碳含量基本排序為草本>灌木>喬木，而不同季節根區土壤有機碳含量基本排序為夏季>秋季>春季>冬季，季節之間差異均顯著（P<005）；土壤全氮含量的變化范圍在0.97～1.23 g/kg之間，不同園林植物根區土壤全氮含量基本排序為草本>灌木>喬木，而不同季節根區土壤全氮含量排序為夏季>秋季>春季>冬季，其中春季和冬季之間差異不顯著；土壤全磷含量的變化范圍在0.86～0.98 g/kg之間，沒有明顯的變化趨勢，季節之間差異并不顯著；土壤堿解氮含量的變化范圍在35.61～46.12 mg/kg之間，不同園林植物根區土壤堿解氮含量基本排序為草本>灌木>喬木，而不同季節植物根區土壤堿解氮含量排序為夏季>秋季>春季>冬季，其中春季和冬季之間差異不顯著；土壤速效磷含量的變化范圍在26.87～36.14 mg/kg之間，不同園林植物根區土壤速效磷含量排序基本為草本>灌木>喬木，而不同季節根區土壤速效磷含量平均值基本排序為夏季>春季>秋季>冬季，其中春季和秋季之間差異不顯著。

2.2土壤微生物群落代謝平均顏色變化率

平均顏色變化率（AWCD）是判斷土壤微生物群落利用碳源能力的重要指標之一，代表土壤微生物的代謝活性，是土壤微生物活性及群落功能多樣性的重要指標。對不同季節土壤樣品Biolog-Eco板溫育72 h的AWCD進行方差分析（圖1），結果顯示，不同園林植物根區土壤AWCD的變化趨勢受季節影響明顯，3類園林植物根區土壤微生物活性變化趨勢一致，由春季到冬季均表現出先升高再降低趨勢，以夏季土壤微生物的AWCD最高，不同園林植物根區土壤微生物平均AWCD排序為草本>灌木>喬木，局部有所波動。

2.3土壤微生物對碳源利用強度

土壤微生物多樣性反映群落總體的變化，但未能反映微生物群落代謝的詳細信息。根據不同園林植物土壤微生物碳源利用情況，綜合考慮其變化趨勢，選取光密度增加較快的120 h的AWCD評價碳源利用強度。按照化學基團的性質將Biolog-Eco微孔板上的31種碳源分成6類：氨基酸類、碳水化合物類、羧酸類、聚合物類、胺類、酚酸類，6類碳源均呈現出隨著培養時間的延長，微生物利用碳源的量逐漸增加的趨勢。不同園林植物土壤微生物對6種不同碳源的利用率排序草本>灌木>喬木（表2）。對氨基酸類利用率變化范圍為0.41～092，不同類型植物間利用率排序為草本>灌木>喬木，不同季節對氨基酸類利用率排序為秋季>夏季>春季>冬季，其中夏季和秋季差異不顯著；對碳水化合物類利用率變化范圍在0.61～1.32之間，不同類型植物間利用率排序為草本>灌木>喬木，不同季節利用率排序為夏季>秋季>春季>冬季，其中夏季和秋季差異不顯著；對羧酸類利用率變化范圍在0.85～1.56之間，不同類型植物間利用率排序為草本>灌木>喬木，不同季節對羧酸類利用率排序為夏季>秋季、春季>冬季，其中春季和秋季差異不顯著；對聚合物類利用率變化范圍在0.37～0.63之間，不同類型園林植物對聚合物類利用率排序為草本>灌木>喬木，不同季節利用率排序為夏季>秋季>春季>冬季，季節間差異均達顯著水平（P<0.05）；對胺類利用率變化范圍為0.16～0.26，不同類型園林植物對胺類利用率排序為草本>灌木>喬木，不同季節對胺類利用率排序為夏季>秋季>春季>冬季，但季節間差異不顯著；對酚酸類利用率變化范圍在0.47～0.68之間，不同類型園林植物對酚酸類利用率排序為草本>灌木>喬木，不同季節對酚酸類利用率排序為夏季>秋季>春季>冬季，季節間差異不顯著。

2.4園林植物根際土壤微生物群落多樣性

從表3可知，不同類型園林植物Simpson指數基本排序為草本>灌木>喬木，不同季節Simpson指數排序為夏季>秋季>春季>冬季，其中夏季和秋季顯著高于春季和冬季（P<0.05），春季和冬季差異均不顯著；不同類型園林植物Shannon-Wiener指數排序為草本>灌木>喬木，不同季節Shannon-Wiener指數排序為夏季>秋季>春季>冬季，其中夏季和秋季顯著高于春季和冬季（P<0.05），春季和冬季差異不顯著；豐富度指數排序為草本>灌木>喬木，季節間豐富度指數排序為夏季>秋季>春季>冬季，其中夏季和秋季顯著高于春季和冬季（P<0.05），春季和冬季差異不顯著；McIntosh指數在不同植物類型間差異排序為草本>灌木>喬木，McIntosh指數在不同季節間排序為夏季>秋季>春季>冬季，其中夏季和秋季顯著高于春季和冬季（P<0.05），春季和冬季差異不顯著。

2.5碳源利用類型的主成分分析

為了進一步了解不同園林植物根區土壤微生物群落功能的差異，對31種碳源的利用情況進行主成分（PC）分析（PCA），采用培養120 h時間點的數據，提取出4個主成分（表4），主成分1、主成分2分別能解釋變量方差的 65326%、主成分分析結果顯示31個碳源在3個主成分上的載荷值，初始載荷因子反映主成分與碳源利用的相關系數，載荷因子越高表示碳源對主成分的影響越大。由表5可知，與第1主成分具有較高相關性的碳源有24種，其中羧酸類化合物有6種，多聚化合物有3種，碳水化合物有8種，芳香化合物有1種，氨基酸有4種，胺類化合物有2種。第2主成分利用碳水化合物4種，氨基酸1種，共5種碳源。在主成分分離中起主要貢獻作用的是胺類、氨基酸類碳源。

2.6土壤養分與微生物多樣性之間的相關性

土壤養分為土壤微生物的重要碳源和氮源， 土壤養分與微生物群落多樣性的相關性分析表明，不同季節土壤微生物群落功能多樣性各指標與土壤pH值之間存在負相關關系，與土壤養分等均呈正相關關系（表6）。不同季節土壤微生物群落功能多樣性各指標基本與土壤有效養分呈顯著或極顯著正相關，夏季相關系數最高，冬季相關系數最低。由此可見，土壤養分和土壤pH值與微生物群落功能多樣性密切相關，其中土壤pH值對土壤微生物群落功能多樣性貢獻為負，土壤養分對土壤微生物群落功能多樣性貢獻為正，這是造成土壤微生物群落多樣性的差異，而土壤養分是土壤微生物的主要養分來源，這也造成園林植物根區土壤微生物群落功能多樣性季節差異。

3討論與結論

平均顏色變化率（AWCD）是反映土壤微生物活性，即利用單一碳源能力的一個重要指標，在一定程度上反映土壤中微生物種群的數量和結構特征。AWCD越大，表明細菌密度越大、活性越高，反之，表明細菌密度越小、活性越低[11]。分析不同季節土壤微生物群落的代謝活性發現，不同園林植物根區土壤微生物活性呈現一致的變化趨勢，在整個培養過程中，灌木和喬木土壤微生物對Biolog-Eco板中碳源的利用能力明顯低于草本，可能是由于草本植物土壤中存在著與Biolog-Eco板中碳源物質高度協調的微生物（其養分含量較高），能充分利用板中的碳源，供微生物利用的碳源種類和數量逐漸增加，微生物的數量也隨之增加。土壤微生物活性與季節有一定關系，土壤微生物群落代謝活性的高峰均出現在夏季，到秋季活性又降低，這與前人的研究結果[12-13]一致。原因在于夏季溫度升高，降水量增多，植物生長旺盛，植物殘體和根系分泌物數量都很多，使得進入土壤的新鮮有機物質量顯著增加，這大大刺激了土壤微生物的生長和繁殖，進而代謝活性顯著提高[14]。在秋季，土壤水分含量有所降低，隨著植物繼續生長，根系需要從土壤中吸收大量的養分，進而減少了對土壤微生物養分的供應，一方面使微生物的繁殖受到一定的影響[15]，另一方面使微生物的代謝活性也有所降低。在相同季節，土壤微生物活性不同，這可能與供試土壤本身的生態條件有關[13，16]。與喬木相比，草本形成了較和諧、平衡的微生態環境，而且人為干擾少，植被種類豐富，每年產生大量凋落物，豐富了微生物所需的營養物質來源，因而其土壤微生物活性明顯高于喬木和灌木。本研究中土壤微生物對不同種類碳源的利用強度存在較大差異，土壤微生物群落代謝活性較低，碳源利用能力相對較弱，草本土壤微生物群落對6類碳源的利用率最高，灌木居中，喬木最低。總體而言，碳水化合物和羧酸類碳源是不同園林植物土壤微生物的主要碳源，其次為氨基酸類、酚酸類和聚合物類，胺類碳源的利用率最低。

豐富度指數和多樣性指數可以反映土壤微生物群落利用碳源類型的差異。Shannon多樣性指數反映土壤微生物群落物種變化度和差異度，指數值越大，表示微生物能夠利用的碳源種類越多[14]。Mc-Intosh指數反映群落的物種均一性，一般物種數（能被利用的碳源數）越多，某些優勢明顯（碳源利用強度大）物種群落的McIntosh指數越大。Simpson指數可以反映土壤微生物群落中最常見物種的碳源嗜好。Shannon均勻度指數是通過Shannon多樣性指數計算出來的均度，包含2個因素：其一是種類數，即豐富度；其二是種類中個體分布的均勻性。種類數越多，多樣性越大；同樣，種類之間個體分配的均勻性增加也會使多樣性提高[14，17]。根據培養 96 h 時的AWCD計算土壤微生物群落的Simpson指數、Shannon-Wiener指數、豐富度指數和McIntosh指數。較高的Shannon-Wiener指數代表微生物種類多且分布均勻，該值以草本最高，表明草本植物的土壤微生物群落種類最多且較均勻，園林植物土壤微生物群落在不同季節的功能多樣性指數均在夏季最高，秋季次之，春季和冬季最低，并且春季和冬季差異不顯著。

碳源利用類型的主成分分析結果表明，園林植物根區土壤微生物群落代謝功能多樣性有顯著差異，受影響最大的碳源主要是羧酸類和聚合物類，而這些碳源與根系分泌物關系密切，說明羧酸類和聚合物類的根系分泌物對微生物群落功能有較大影響[13，16]。根系分泌物起到直接或間接的作用，這些物質對微生物和植株具有自毒作用而導致其積累。土壤養分和土壤pH值與微生物群落功能多樣性密切相關，其中土壤pH值對土壤微生物群落功能多樣性貢獻為負，土壤養分對土壤微生物群落功能多樣性貢獻為正，這是造成園林植物土壤微生物群落多樣性差異的重要原因，而土壤養分是土壤微生物的主要養分來源，這也是造成園林植物根區土壤微生物群落功能多樣性季節差異的主要原因。

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