福州城市蕃石榴片林地和马尼拉草坪土壤微生物群落结构特征

柯心然，翁 凡，黄向华，2* ，钟羡芳，2，杨玉盛，2

(1．福建师范大学地理科学学院，福州350007;2．湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地，福州350007)

土壤微生物是土壤中重要且活跃的组分，在陆地生态系统乃至整个生物圈的物质循环与能量流动的过程中扮演着重要角色，推动着土壤有机碳的周转和固定［1-3］。土壤微生物对外界环境的变化非常敏感，其生物量和群落结构作为土壤特征变化的早期响应指标［4］，能够较好地指示生态环境和生态系统功能的变化［5-6］。

随着城市化进程的不断推进，由非城市景观转化为城市用地将在很大程度上改变城市生态系统的土壤碳库规模、土壤有机质组成及土壤微生物碳的特性［7-8］。目前，对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］，对城市生态系统的研究则多集中于土壤呼吸及土壤碳库特征［12-13］，有关城市生态系统中土壤微生物的研究鲜有报道。福州位于福建省中北部东端，近年来城区面积快速扩张，片林和草坪作为该城市生态系统中最主要的绿地类型，是福州城市生态系统中的碳汇主体，对城市生态系统碳循环、生物多样性维护等方面具重要价值。本项目组前期对福州南江滨各类绿地类型的研究发现，蕃石榴片林与其毗邻草坪在碳储量及其地上地下分配方面存在显著差异，片林区土壤具有更高的碳库储量，且片林土壤碳库要明显高于草坪，但前者表土层土壤碳储量却低于其毗邻的草坪，草坪比片林地有更快的固碳速率［14-15］，微生物参与土壤有机碳分解转化的所有过程，因此，草坪与蕃石榴片林的微生物在二者固碳过程中必存在差异。为此，拟通过研究前述蕃石榴片林和草坪的表层土微生物生物量及群落结构的相似性与差异性，以期解释城市绿地土壤固碳的微生物机制，丰富城市碳循环研究理论。

1 试验地概况

研究区位于福建省福州市闽江公园 (26°03'N，119°15'E)，温暖湿润，雨量充沛，属亚热带海洋性季风气候。全年无霜期326 d，多年平均气温19.6℃，年降水量900～2 100 mm。该地早期为自然河岸，2000—2005年间，该地区开始改建为闽江公园，除了一些果树保留下来外，其余植被陆续被替换为观赏林木和草坪。园内植被人为管理较少。

选取公园内建植年龄较长的蕃石榴 (Psidium guajava)片林地及其毗邻马尼拉草 (Zoysia matrella)草坪为研究对象。蕃石榴片林为19年生纯林 (建植于1996年)，林分密度1 700株·hm－2，平均基径10.56 cm，平均树高6.50 m，林下土壤裸露，草坪样方主要建群种为马尼拉草，2007年建坪，每年春季施1次生物有机肥，一年修剪2～3次，不定期人工浇水。

2 研究方法

2.1 土样采集

于2010年8—9月在蕃石榴片林设立3个面积为20 m×20 m的样方，在毗邻马尼拉草坪设立3个面积为10 m×10 m的样方。用土钻在每个样方内随机采集5钻0～10 cm和10～20 cm土层的土壤。采集的土壤样品去除植物残根和石砾后分为两组。一组立即过2 mm筛，放于4℃冰箱中保存，并尽快进行微生物生物量及群落结构特征分析。另一组风干后过2 mm筛，采用常规方法测定土壤基本理化性质。

表1 蕃石榴片林和马尼拉草坪0～20 cm表层土壤基本理化性质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测定采用氯仿熏蒸浸提法［16］。土壤微生物群落结构采用磷脂脂肪酸法(PLFA)测定。土壤微生物PLFA的提取过程和分析参考Bossio和Scow［17］的方法，微生物各种PLFA的含量采用色谱法测定。各类微生物种群的表征标记物见表2。

表2 检验土壤微生物种群的磷酸脂肪酸标志物Table2 PLFA biomarker indices investigated for soil microbial populations

2.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2003和SPSS 22.0软件处理数据。用重复测量的方差分析方法来确定片林和草坪土壤微生物生物量和生物群落各种类数量。采用单因素方差分析 (ANOVA)来评估蕃石榴片林与其毗邻草坪对土壤微生物生物量和群落结构的差异性，显著水平设为α=0.05。采用双因子方差分析来确定绿地类型、深度及其交互作用对总微生物生物量和微生物群落结构的影响。通过相关分析来确定土壤微生物生物量碳与土壤微生物群落的相关性。

3 结果与分析

3.1 片林与草坪土壤微生物生物量碳含量比较

方差分析表明 (图1)，蕃石榴片林与马尼拉草坪的土壤微生物量碳 (以下简称MBC)含量存在差异，总体上马尼拉草坪MBC值高于蕃石榴片林MBC值。其中，在0～10 cm土层中，蕃石榴片林MBC值为289.89 mg·kg－1，而马尼拉草坪 MBC值为326.89 mg·kg－1，二者差异显著 (P＜0.05);在10～20 cm土层中，蕃石榴片林MBC值为229.62 mg·kg－1，而马尼拉草坪 MBC值为269.62 mg·kg－1，二者差异不显著。对于同一样地而言，不同土层 (0～10 cm与10～20 cm)之间MBC值也有所差异，0～10 cm土层的MBC值要高于10～20 cm土层，其中，蕃石榴片林0～10 cm与10～20 cm土层的MBC值有显著差异，而草坪0～10 cm与10～20 cm土层间未达到显著差异。

图1 蕃石榴片林与马尼拉草坪土壤微生物生物量碳的比较Figure1 Soil microbial biomass carbon of Psidium guajava and Zoysia matrella lawns

3.2 片林与草坪土壤微生物磷脂脂肪酸含量比较

表3可知，草坪的各项磷脂脂肪酸含量及真菌/细菌比值均高于片林的值。对于0～10 cm土层，片林与草坪间各项磷脂脂肪酸含量及真菌/细菌比值均存在极显著差异 (P＜0.01)。但对于10～20 cm土层，除真菌/细菌比值有显著差异 (P＜0.05)外，片林与草坪间其余各项磷脂脂肪酸含量均无显著差异 (P＞0.05)。各项磷脂脂肪酸含量值均随深度增加而减小，但真菌/细菌比值则变大。片林的0～10 cm与10～20 cm土层间各项磷脂脂肪酸含量及真菌/细菌比值无显著差异 (P＞0.05)。草坪的0～10 cm与10～20 cm土层间，除真菌/细菌比值无显著差异 (P＞0.05)外，其余各项磷脂脂肪酸含量均有显著差异 (P＜0.05)。

表3 蕃石榴片林与马尼拉草坪土壤微生物磷脂脂肪酸组成的比较Table3 Soil microbial phospholipid fatty acids in Psidium guajava and Zoysia matrella lawns

3.3 片林与草坪土壤微生物群落结构比较

植被种类在影响土壤微生物生物量的同时，也显著影响了土壤微生物的群落结构 (P＜0.05)(表4)。此外，土壤深度也显著影响了细菌、丛枝菌根和革兰氏阴性细菌磷脂脂肪酸的相对丰度，而绿地类型与土层深度对细菌、丛枝菌根真菌的相对丰度存在交互作用 (P＜0.05)。

PLFA的相对丰度分析结果表明，土壤中细菌群落 (革兰氏阳性细菌和革兰氏阴性细菌)占主导地位，其次为放线菌和真菌群落，丛枝菌根真菌较少 (图2)。不同深度的土层 (0～10 cm与10～20 cm)间各菌类的磷脂脂肪酸相对丰度变化不大。蕃石榴片林与草坪的革兰氏阴性细菌、真菌、丛枝菌根真菌群落的相对丰度变化趋势相同，都随土层深度的增加而减小。蕃石榴片林的革兰氏阳性细菌群落的相对丰度随深度的增加而减小，放线菌群落的相对丰度随深度的增加而增大，而草坪的革兰氏阳性细菌、放线菌群落的相对丰度变化趋势与片林相反。

图2 蕃石榴片林和马尼拉草坪土壤微生物群落磷脂脂肪酸相对丰度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含量与群落结构相关分析

蕃石榴片林地和马尼拉草坪的土壤微生物生物生物量碳与微生物的各项磷脂脂肪酸呈正相关，但均未达到显著水平。并与真菌/细菌、革兰氏阳性细菌/革兰氏阴性细菌呈不显著的负相关。

4 讨论

表5 土壤微生物生物量碳含量与微生物磷脂脂肪酸标记的相关系数 (n=6)Table5 Correlation coefficients(r-values)between microbial biomass carbon(MBC)and the PLFA biomarkers

土壤微生物量碳作为土壤有机碳库中最活跃的部分，是土壤有机质和养分转化与循环的动力［18］。本研究表明，蕃石榴片林地与马尼拉草坪间土壤微生物微生物量碳在0～10 cm土层中差异显著，表现为草坪＞片林。蕃石榴片林地和马尼拉草坪0～10 cm土层的微生物生物量碳高于10～20 cm土层。由于两类样地气候、地形状况一致，造成二者MBC差异的原因主要在于植被类型和管理方式不同。对于同一样地而言，草坪在2个土层间的MBC无显著差异可能与草坪的根系在通常情况下10～20 cm范围内分布较为均匀的特征有关，根系聚集大量的微生物。片林地表土受凋落物影响，上层有机质高于下层，而片林地的根分布较深，对表土层的有机质和微生物的影响相对较小，因此，两类样地上层 (0～10cm)和下层 (10～20cm)的差异表现不同特征［19］。MBC与PLFA的相关系数通常在0.61～0.90之间，呈正相关，本研究中，MBC与PLFA呈现正相关，这与以往的研究结论相同［20-23］。相关系数为0.529，相比往常类似研究得出的相关系数值较低，分析其原因，可能是因为城市片林受人为干扰影响较大，微生物活性还受到人为活动的影响。而真菌/细菌、革兰氏阳性细菌/革兰氏阴性细菌比值与微生物生物量碳呈负相关，原因还有待继续探究。

原位土壤微生物生物量与菌群结构可以从特定菌群PLFA数量变化的特点反映。本研究表明，蕃石榴片林地和马尼拉草坪0～10 cm土层的各项磷脂脂肪酸含量均有显著差异 (P＜0.05)，10～20 cm土层除真菌/细菌比外，其余各项磷脂脂肪酸差异不显著。蕃石榴片林地与马尼拉草坪类型的不同显著影响了真菌和丛枝菌根的磷脂脂肪酸含量。蕃石榴片林地与马尼拉草坪的微生物群落中，细菌均为含量最高的微生物群落，但真菌、丛枝菌根含量的差别反映了其绿地类型不同对微生物群落结构的影响。

革兰氏阳性细菌面对环境胁迫时，其适应能力要强于革兰氏阴性细菌［24］，因而二者的比值可以反映细菌群落结构的变化，从而反映绿地对环境变化的适应力。革兰氏阳性/阴性细菌为片林地大于草坪、10～20 cm土层大于0～10 cm土层，说明面对突发环境变化时，片林地的微生物适应能力强于草坪。真菌/细菌比值反映土壤微生物群落中细菌、真菌两个群落丰度的相对情况，当土壤真菌/细菌比值较大时，真菌生物量以及真菌菌丝体较多，使其与土壤有效养分的接触面积增大，因而生态系统更为稳定［25］。本研究中，马尼拉草坪的真菌磷脂脂肪酸含量及真菌/细菌比均大于蕃石榴片林地，表明马尼拉草坪的土壤生态系统的稳定性要强于蕃石榴片林的稳定性。

5 结论

通过氯仿熏蒸浸提法 (MBC)和磷脂脂肪酸 (PFLA)法定量分析了福州城市主要的2种绿地生态系统——片林地和草坪的微生物生物量和生物群落结构特征。研究认为，草坪的微生物生物量碳和微生物群落结构比片林地丰富，其土壤生态系统也比片林更为稳定，但其应对突发情况的土壤微生物适应能力弱于蕃石榴片林地。因此，在城市绿地的建设中，应注意城市片林与城市草坪其自身特有的优势，合理安排城市片林与草坪的布局与种植面积，有利于构建更好更稳定的城市土壤生态系统。

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