天津两种城市绿地土壤微生物与土壤呼吸特征

魏佳宇　吴忠亮　陈鑫童　王淼　赵亮玉　孙浩然　李德生

摘要：对天津两种城市绿地国槐梨树林和国槐银杏林在6月、7月、8月土壤碳排放速率和土壤微生物数量进行测定，旨在深入了解土壤呼吸速率动态变化特征及其影响因子。结果表明，两种城市绿地土壤呼吸昼夜变化明显，土壤碳排放量白天大于夜间，且白天变异幅度比夜间大，观测期国槐梨树林和国槐银杏林土壤呼吸速率变异幅度分别为4.01和4.76，月均最大值均出现在8月;国槐梨树林和国槐银杏林土壤呼吸速率均值分别是2.01、1.94 μmol/（m2·s），表明国槐梨树林比国槐银杏林土壤碳排放量大;两种城市绿地土壤微生物数量表现为国槐梨树林>国槐银杏林，土壤细菌与土壤呼吸速率之间呈极显著正相关，土壤放线菌和真菌与土壤呼吸速率间呈显著正相关。

关键词：城市绿地;土壤呼吸;昼夜变化;土壤微生物

中图分类号：S731.2         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）22-0049-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.22.012           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Soil microorganism and soil respiration characteristics of two kinds

urban green space in Tianjin

WEI Jia-yu，WU Zhong-liang，CHEN Xin-tong，WANG Miao，ZHAO Liang-yu，SUN Hao-ran，LI De-sheng

（School of Environmental Science and Safety Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China）

Abstract： Soil carbon emission rates and soil microbial populations of two urban green space in Tianjin Sophora japonica Linn.-Pyrus i， f. woods and Sophora japonica Linn.-Ginkgo biloba L. woods were determined in June， July and August to determine soil respiration dynamics and its influencing factors. The results showed that day and night variation of soil respiration in two types of urban green spaces was obvious. Soil carbon emission was greater during the daytime than at night， and the daytime variation range was greater than that at night. During the observation period， the soil respiration rate variation of Sophora japonica Linn.-Pyrus i， f. woods was 4.01， and the soil respiration rate variation of Sophora japonica Linn.-Ginkgo biloba L. woods was 4.76， and the average monthly maximum occurred in August. The average soil respiration rates of Sophora japonica Linn.-Pyrus i， f. woods and Sophora japonica Linn.-Ginkgo biloba L. woods were 2.01 and 1.94 μmol/（m2·s）， respectively. This indicated that Sinkgo japonica Linn.-Pyrus i， f. woods had a higher carbon emission than Sophora japonica Linn.-Ginkgo biloba L. woods. The total amount of soil microbes was greater in Sophora japonica Linn.-Pyrus i， f. woods. There was extremely obvious correlation between the seasonal changes of soil respiration rate and the number of soil bacterium. Soil respiration rate were significantly positive to actinomycetes and fungi.

Key words： urban green space; soil respiration rate; day and night variation; soil microorganism

土壤呼吸指土壤环境在未经扰动情况下产生CO2的所有过程，包括自养呼吸（根系呼吸）、异养呼吸（土壤微生物呼吸和土壤动物呼吸）以及土壤自身生化反应呼吸等3个过程[1]。土壤呼吸作为大气CO2的主要来源和惟一的土壤碳库输出途径，是影响陆地生态碳循环和碳平衡乃至全球气候变化的一个至关重要的生态学过程。土壤微生物包含土壤细菌、放线菌、真菌和病毒4部分，土壤微生物不仅数量庞大[2，3]，且构成复杂的食物网系统，直接参与土壤碳排放等各种地球生物化学循环过程[4-6]，作为土壤呼吸异样成分的主要来源，支配土壤呼吸速率的40%～70%[7]。城市化进程加快导致包含多个树种的城市绿地面积的不断扩大，不仅会改变地表树种配比关系，而且会导致土壤微生物组成及活性等出现变化，与其相对应的土壤呼吸也会不同。天津市城市绿化广泛使用的树种为国槐，其对城市绿地土壤碳循环具有舉足轻重的作用。而关于土壤微生物对土壤呼吸的影响研究，主要集中在比较土壤中植物根系和微生物两者呼吸的相互关系及其对土壤呼吸的贡献率[7]，分析不同环境梯度下三大土壤微生物类群与土壤呼吸速率的关系[8]。因此，选择天津市两种优势树种均为国槐的典型城市绿地为研究对象，利用定位观测方法和技术掌握城市绿地生态系统净土壤碳排放的特征和规律，测量土壤微生物因子，分析两种城市绿地生物因子与土壤呼吸的相关关系，旨在为城市景观规划过程中合理布局城市绿地及更好地探索土壤碳排放及其影响因素之间的相互关系提供科学依据和理论支持。

1  材料与方法

1.1  试验地概况

试验地位于天津市西青区（117.132—117.136°E，39.56—39.64°N），该区气候为暖温带半湿润大陆性季风气候，干湿季分明，冬、夏季长，春、秋季短，寒暑交替明显。年均温11.6 ℃，全年平均无霜期184 d，日均气温>0 ℃的有271 d，>0 ℃积温4 567.7 ℃，活动积温4 130.6 ℃，年均降水量584.6 mm，75%以上的降水量集中于夏季。

试验选择的两种典型城市绿地优势树种均为国槐，但搭配树种不同。两种城市绿地土壤类型和人工管护水平一致，土质肥沃，有机质含量约为25 g/kg，土质中性偏碱，具体概况见表1。

1.2  方法

2017年6月初至8月末，在面积均为50 m×50 m的国槐梨树林和国槐银杏林，各选取3块地势平整、植被均匀且无人为干扰区域（记为3次重复）。试验1 d，将钢圈（直径30 cm，高8 cm）砸入离树干约1 m的土内，钢圈顶部距地表3 cm（钢圈与土体之间无缝隙）。试验开始前2 h将圈内植物齐根剪去，待干扰平衡后，安装土壤呼吸通量分析仪ACE。平均15 d对土壤呼吸速率测定1次，共7次。

土壤呼吸测完后，在每个小区内以梅花形布置5个点，去除地表表层土，每个点采集0～30 cm土样，混合均匀后剔除杂物，取1 kg土样装入无菌袋。样品带回室内，放入冰箱（4 ℃）保存，用于测定土壤微生物数量。

1.3  项目测定

利用土壤碳通量分析仪ACE（EN110NT，ADC BioScientific Ltd.，UK）对土壤碳排放速率进行测量，测定时间为8：00至次日8：00，每1 h测定1组数据，每个样地每日多个时间点观测土壤呼吸速率的平均值用于数据分析。

用稀释涂布平板法对土壤中三大微生物数量进行测定，土壤细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基接种土壤稀释10-4、10-5、10-6之后的土壤溶液进行培养，土壤真菌采用加入庆大霉素的孟加拉红培养基接种土壤稀释10-1、10-2、10-3之后的土壤溶液进行培养，土壤放线菌采用加入重铬酸钾溶液的改良高氏一号培养基接种土壤稀释10-3、10-4、10-5之后的土壤溶液进行培养和计数[9]。

1.4  数据分析

原始数据经Excel 2016整理后，使用SPSS 21.0软件对土壤呼吸速率与土壤微生物的关系进行相关性分析，显著性差异水平设定为P=0.05，用Origin 9.64进行绘图。

2  结果与分析

2.1  两种城市绿地土壤呼吸速率变化

对两种城市绿地土壤呼吸速率日变化（图1）进行分析发现，土壤呼吸速率具有明显的昼夜变化特征，峰值出现在11：00—17：00，最低值出现在凌晨2：00—6：00，但土壤呼吸速率在白天与夜间变化幅度不同。6月，国槐梨树林土壤呼吸速率白天（7：00—19：00）和夜间（20：00—6：00）变化范围分别为0.90～1.76 μmol/（m2·s）、0.84～1.07 μmol/（m2·s），均值分别为1.35、0.95 μmol/（m2·s），变异幅度（土壤呼吸速率白天变化最大值和最小值之比）分别为1.96、1.27;国槐银杏林土壤呼吸速率白天和夜间变化范围分别为1.10～3.12 μmol/（m2·s）、0.71～1.35 μmol/（m2·s），均值分别为1.98、1.03 μmol/（m2·s），变异幅度分别为2.84、1.90;7月，国槐梨树林土壤呼吸速率白天和夜间变化范围分别为1.71～2.66 μmol/（m2·s）、1.54～2.15 μmol/（m2·s），均值分别为2.37、1.82 μmol/（m2·s），變异幅度分别为1.56、1.40;国槐银杏林土壤呼吸速率白天和夜间变化范围分别为1.53～2.66 μmol/（m2·s）、1.21～2.11 μmol/（m2·s），均值分别为2.20、1.60，变异幅度分别为1.74、1.74;8月，国槐梨树林土壤呼吸速率白天和夜间变化范围分别为2.36～3.37 μmol/（m2·s）、1.97～2.60 μmol/（m2·s），均值分别为3.10、2.28 μmol/（m2·s），变异幅度分别为1.43、1.32;国槐银杏林土壤呼吸速率白天和夜间变化范围分别为1.95～3.38 μmol/（m2·s）、1.64～2.44 μmol/（m2·s），均值分别为2.60、2.09 μmol/（m2·s），变异幅度分别为1.73、1.49。方差分析表明，两种城市绿地3个月份土壤呼吸速率白天和夜间变化差异均极显著。表明3个月份两种城市绿地土壤呼吸速率白天大于夜间，且白天土壤呼吸速率变异幅度比夜间大。国槐梨树林和国槐银杏林6-8月土壤呼吸速率整体昼夜变化分别为0.84～3.37 μmol/（m2·s）、0.71～3.38 μmol/（m2·s），变异幅度分别为4.01和4.76，但差异不显著。

两种城市绿地土壤呼吸速率具有明显的月变化规律（图2），变化范围是1.17～2.73 μmol/（m2·s）。不同月份两种城市绿地土壤呼吸速率表现为8月>7月>6月，且差异性极显著。6月除外，7月和8月两月两种城市绿地土壤呼吸速率比较均为国槐梨树林>国槐银杏林。6—8月，两种城市绿地土壤呼吸速率差异显著。国槐梨树林和国槐银杏林6—8月土壤呼吸速率均值分别是2.01、1.94 μmol/（m2·s），这表明国槐梨树林比国槐银杏林土壤碳排放量大，但两者6—8月土壤呼吸速率月变化差异不显著。

2.2  两种城市绿地土壤微生物数量

土壤微生物直接参与土壤中的一系列土壤养分和有机质转化和循环的过程[10]，土壤微生物主要包括三大类群——细菌、放线菌和真菌，三者在土壤中的数量关系是细菌>放线菌>真菌。两种城市绿地土壤微生物数量变化见图3，6—8月两种城市绿地土壤细菌数量差异显著，而国槐梨树林土壤细菌数量在不同月份之间差异极显著，这表明国槐梨树林土壤细菌在6月、7月和8月变化较大。土壤细菌总量表现为国槐梨树林（184.82×106 CFU/g）>国槐银杏林（126.54×106 CFU/g），但差异不显著;6月、7月和8月两种城市绿地之间土壤放线菌数量差异显著。土壤放线菌总量表现为国槐梨树林（12.00×106 CFU/g）<国槐银杏林（37.22×106 CFU/g），且差异极显著;7月和8月两种城市绿地的土壤真菌数量差异显著。土壤真菌总量表现为国槐梨树林（12.45×104 CFU/g）>国槐银杏林（7.14×104 CFU/g），两种城市绿地土壤真菌数量差异显著。两种城市绿地微生物总量顺序是国槐梨树林>国槐银杏林，这与土壤呼吸速率的分析对比是一致的。

2.3  土壤呼吸速率与微生物种类及数量之间的相关性

由表2可知，两种城市绿地的土壤细菌与土壤呼吸速率之间呈极显著正相关，相关系数为0.480;土壤放线菌和真菌与土壤呼吸速率之间呈显著正相关，相关系数均为0.402，细菌数量与真菌数量之间呈极显著正相关。

3  小结与讨论

在同一气候环境系统下的不同城市绿地中，树种成分、土壤质地和群落结构的不同均会对土壤微环境产生强烈影响，进而影响土壤碳排放[11]。对两种城市绿地土壤呼吸速率日变化分析发现，土壤呼吸速率具有明显的昼夜变化，峰值出现在11：00—17：00，最低值出现在凌晨2：00—6：00，国槐梨树林和国槐银杏林6—8月土壤呼吸速率整体昼夜变化分别为0.84～3.37 μmol/（m2·s）、0.71～3.38 μmol/（m2·s），变异幅度分别为4.01和4.76，表明不同城市绿地没有改变土壤呼吸速率的日变化规律，但土壤呼吸速率昼夜变化幅度因不同城市绿地而异，这与唐洁等[12]和阿力木·阿巴斯等[13]研究结果一致。同时，两种城市绿地6月、7月和8月土壤呼吸速率均表现为白天大于夜间，且白天变异幅度比夜间大，这可能是白天植物进行光合作用促进土壤呼吸导致的[14]。植物光合作用通过输送到地下植物光合产物的多少间接影响根呼吸和根际微生物呼吸[15]，进而对土壤呼吸产生影响。

试验发现国槐梨树林比国槐银杏林土壤碳排放量大，其可能受国槐梨树林林分概况影响。国槐梨树林郁闭度较低，且林下植被覆盖率低，白天太阳光通过林间空隙照射到林下，导致林下土壤表层温度较高，使土壤中微生物活动及根系呼吸更旺盛[16，17]。土壤中微生物活动是土壤呼吸的重要来源，土壤微生物是土壤养分和土壤有机质转化和循环的动力[4，18]，在一定程度上支配土壤碳排放速率。土壤微生物呼吸速率决定于土壤中微生物总量和微生物对土壤养分转化的能力[19]。两种城市绿地微生物总量关系表现为国槐梨树林>国槐银杏林，这与土壤呼吸速率的分析对比是一致的。一般情况下，凋落物首先被土壤中的真菌分解，之后细菌数量增加并开始分解某些凋落物和真菌死后的菌丝，而放线菌在土壤中对土壤腐殖质的形成起着关键作用。相关性分析表明，两种城市绿地土壤细菌与土壤呼吸速率呈极显著正相关，相关系数为0.480;土壤放线菌和真菌与土壤呼吸速率呈显著正相关，相关系数均为0.402。这表明土壤三大微生物均对土壤呼吸具有贡献作用，但细菌对土壤呼吸的影响更为明显。

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