火箭发射前后文昌两种热带森林类型土壤微生物多样性变化

王小燕，薛超文，吴师强，宿少锋，林之盼，雷湘龄

1.海南省林业科学研究院(海南省红树林研究院)，海南 海口 571100；

2.海南大学，海南 海口 570228

航天活动与其它人为的工业生产一样给生态环境带来潜在的威胁。自20 世纪50 年代以来，向太空发射火箭的国家逐渐增多，而火箭升空瞬间产生的反作用力，干扰了地球公转的轨道，使地球渐渐靠近太阳公转，太阳照射到地球的光越来越强烈，由此成为了全球变暖的重要影响因素之一。而在全球变暖的影响下，生物多样性也受到了影响。有研究发现，酸性污染物来源于冲刷用水。航天飞机发射时助推火箭喷出的高速气流会产生震耳欲聋的噪音和振动，为了减少噪声和振动就需要用水来冲刷反射坑，助推火箭排气时的高热量将这些高度酸性的水的一部分蒸发为汽，这些酸性水蒸气和大量的微粒散落到土壤中改变土壤微生物的生存环境。同时，也有研究表明中国运载火箭使用的推进剂N2O4与UDMH 在火箭发射过程中会产生有毒气体，而散布在地面的未燃有毒推进剂会蒸发形成对环境污染的各种有毒气体，从而影响到发射场周围的土壤微生物的多样性等。

在人类社会不断发展的进程中，生物多样性是其赖以生存的根基，人类作为地球生命共同体的一部分，通过与生态系统的信息交换、物质循环、能量流动等过程，参与了生物多样性的持续发展[1]。土壤微生物在生态系统中数量多，生物多样性复杂，参与土壤有机质的分解、养分的迁移转化、腐殖质的合成，推动土壤的发育和形成。火箭在点火时喷射时产生大量的火光和烟尘，并伴随着噪音和震动[2-3]，可能对周边森林土壤微生物造成扰动。已有研究表明火箭的发射会对航天发射场周围植被多样性产生影响[4-6]，但由于火箭发射并不常见，因此少见关于火箭发射对土壤微生物多样性变化的研究报道。

该研究以2016 年6 月25 日、2017 年4 月20日、2017 年7 月2 日3 次火箭发射前后开展土壤微生物采样调查，分析火箭发射前后在椰子纯林和混交林中土壤微生物丰富度、多度的差异，探讨火箭发射对两种森林类型中土壤微生物可能带来的变化，为研究火箭发射对不同热带森林类型土壤微生物的变化提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域

研究区位于文昌卫星发射场周边的两种森林类型，即混交林(地理坐标：19°43′58″N，110°57′34″E)和椰子纯林（地理坐标：19°34′58″N，110°51′15″E）。其中，混交林主要由11 种树种组成，分别为潺槁木姜子（Litsea glutinosa）、椰子（Cocos nucifera）、琼崖海棠(Calophyllum inophyllum)、木麻黄（Casuarina equisetifolia）、柳叶密花树（Rapanea neriifolia）、桃金娘（Rhodomyrtustomentosa）、九节木（Psychotria rubra）、大青（Clerodendrum cyrtophyllum）、簕欓花椒（Zanthoxylum avicennae）、 了哥王（Wikstroemia indica）和东风桔（Atalantia buxifolia）；椰子纯林主要由椰子树种组成，两种林分已有30 年的种植时间。研究区属热带北缘沿海地带，具有热带和亚热带气候特点，属热带季风岛屿型气候。气温为22℃～27℃，全年光照时长1750h～2650h。 研究区雨量丰富，年均降雨量达到1721.6mm，降雨时空分布不均匀，有明显的干、湿两季，雨季主要集中于5 月～10 月。研究区位于文昌航天发射场的距离约5km。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集和处理

该研究对两种热带森林类型土壤微生物共进行了6 次采样，于2016 年6 月25 日、2017 年4 月20日、2017 年7 月2 日进行样品采集，分别为火箭发射前后，发射前采集均在火箭发射前5d 内完成调查，发射后采集均在火箭发射后3d 内完成。在每种森林类型样地内设定3 块样方，样方面积40m2，在每个样方内按“S”形采集表层土壤（0～20cm），采样时去除表层枯落物和浮土，同一样方点各取100g 土样，充分混合并去除根系、石块，装入无菌密封袋后，放置于4℃的恒温箱中，带回试验室内放入0℃冰柜中保存，在48h 内完成土壤微生物测定。

称取10g 土样，倒入90mL 含少量玻璃珠的无菌水中，采用120r·min-1振动床，振荡30min 后静置，获得土壤悬浊液备用。

1.2.2 土壤三大类可培养微生物计数

①土壤含水量：称取5g 土样以105℃烘8h，冷却后称干重计算土壤含水量。

②平板计数法：取1mL 土壤悬浊液加入到9mL无菌水中进行稀释，重复稀释到10-5稀释度。取0.5mL 相应稀释度的稀释液加入到无菌平皿中，倒入冷却到45℃左右的培养基15mL～20mL，充分混匀后待培养基凝固，倒置平皿放入培养箱中进行培养（见表1），每种微生物取3 个稀释度，每个稀释度重复3 个平行，培养结束后计数。

表1 三大类可培养微生物检测条件Tab1. Three Major Categories Can Cultivate Microbial Testing Conditions

③数据分析：根据土壤含水量计算得到每克土样中所含的微生物数量，使用SPSS 19.0 进行配对样品t 检验（同一样地前后两次检测结果的显著性分析）。

1.2.3 土壤微生物功能多样性检测

（1）Biolog-ECO 实验

取5mL 土壤悬浊液，用45mL 无菌水进行2 次稀释，得到1:100 的样品提取液。利用八通道移液器吸取150μL 提取液加入Biolog-ECO 96 微孔板（Biolog，Hayward，USA）中，在28℃恒温箱中连续避光培养240h，每间隔24h 用酶标仪（Hayward，USA）读取590nm 和750nm 的吸光值，并记录。

（2）数据分析

Biolog-ECO 96 微孔板共包括3 组重复单元，每组单元32 个孔，由微生物利用的6 大类31 种碳源及1 个空白对照孔。其中31 种碳源包括10 种糖类、6 种氨基酸、7 种羧酸、4 种聚合物、2 种胺类、2种酚类（表2）。

表2 ECO 板六类碳源分类Tab.2 ECO Board Six Types of Carbon Source Classification

土壤微生物群落对碳源利用率用平均每孔颜色变化率表示（AWCD），表征微生物对各类碳源利用能力的强弱，公式为：AWCD=∑（C-R）/n，式中C为每孔碳源的吸光值；R为对照孔吸光值；n为碳源数，即31。

选取包括多维空间距离多样性McIntosh 指数（U 值）、菌种优势度Simpson 指数（D 值）、物种丰富度Shananon-Wiener 指数（H’值）和菌种均一性Pielou 均匀度指数（E 值）4 个土壤微生物群落功能多样性指数进行评价。

2 结果与分析

2.1 土壤三大类可培养微生物计数调查

根据火箭发射前后采样的土壤可培养微生物计数调查显示：火箭发射前，椰子纯林中的微生物总数为387.52×104cfu/g，其中，细菌为352.62×104cfu/g、真菌为20.88×104cfu/g、放线菌为14.02×104cfu/g；混交林中微生物总数为235.10×104cfu/g，其中，细菌为207.68×104cfu/g、真菌为18.90×104cfu/g、放线菌为8.52×104cfu/g。火箭发射后，椰子纯林中微生物总数为531.89×104cfu/g，其中，细菌为318.90×104cfu/g、真菌为60.03×104cfu/g、放线菌为152.96×104cfu/g；混交林中微生物总数为370.15×104cfu/g，其中，细菌为190.50×104cfu/g、真菌为47.55×104cfu/g、放线菌为132.10×104cfu/g。对比火箭发射前后，混交林土壤微生物总数增加了135.05×104cfu/g，其中，细菌减少了17.18×104cfu/g，真菌和放线菌分别增加了28.65×104cfu/g 和123.58×104cfu/g；椰子纯林土壤微生物总数增加了144.37×104cfu/g，其中，细菌减少33.72×104cfu/g，真菌和放线菌分别增加了138.94×104cfu/g 和147.37×104cfu/g。

分析结果表明，与发射前相比，火箭发射后椰子纯林和混交林种土壤微生物总数均表现为明显升高趋势（P＜0.05，表3）。但三大类微生物又表现出不同的结果，其中真菌和放线菌总数发射后比发射前呈现极显著增加（P＜0.01），而细菌数量发射后比发射前呈现降低趋势，但差异性不显著。

表3 火箭发射前后椰子纯林和混交林土壤可培养微生物计数Tab.3 Counts of Culturable Microorganisms in Soil of Coconut Pure Forest and Mixed Forest Before and After Rocket Launch

2.2 土壤微生物功能多样性特征

2.2.1 土壤微生物总碳源利用的动力学分析

从土壤微生物总碳原利用整体情况（AWCD 值，图1、图2）来看，椰子纯林和混交林在火箭发射前后均呈现出略微的增加。结果表明，与发射前相比，火箭发射后，土壤微生物利用碳源的能力有所提升，可能是由于火箭发射沉降物促进了土壤微生物的生理活性，使得土壤微生物活性增加，利用碳源的能力也有所增加。

图1 火箭发射前后椰子纯林的平均吸光值（AWCD）的差异Fig.1 The Absorbance Value (AWCD) of Coconut Pure Forest Before and After Rocket Launch

图2 火箭发射前后椰子纯林的平均吸光值（AWCD）的差异Fig.2 The Absorbance Value (AWCD) of Mixed Forest Before and After Rocket Launch

2.2.2 土壤微生物对不同碳源利用特征分析

根据化学基团的性质，（ECO 板上，图3、图4）来看，可以将ECO 板上的31 种碳源分为六大类，即胺类、氨基酸类、羧酸类、多聚物类、碳水化合物类、酚酸类。选取拐点时间（72h）培养时间的吸光值，对两种群落土壤微生物六类碳源的利用率进行分析。

图3 火箭发射前后椰子纯林的六大类碳源利用的差异Fig.3 Differences in the Utilization of Six Types of Carbon Sources Pure Coconut Forests Before and After the Launch of The Rocket

图4 火箭发射前后混交林六大类碳源利用的差异Fig.4 Differences in the Utilization of Six Types of Carbon Sources Mixed Forests Before and After the Launch of the Rocket

椰子纯林和混交林土壤微生物六大类碳源的利用率相似，均为利用多聚物类、氨基酸类的能力较高，利用胺类、酚酸类能力较弱。与发射前相比，火箭发射后两种林分土壤微生物对六大类碳源的利用率均有不同程度的增加，尤其对酚酸类碳源的利用率显著增加。

2.2.3 土壤微生物多样性指数特征

选取72h 的AWCD 吸光值对微生物多样性指数进行分析（表4）。由表4 可知，混交林McIntosh index（U）指数高于椰子纯林，而Shannon 指数（H'）、Simpson 指数（D）和Pielou 指数（E）3 种指数两种林分几乎一致。与发射前相比，火箭发射后混交林McIntosh index（U）指数呈显著性增加，而混交林McIntosh index（U）呈显著性降低。椰子林发射前后Shannon 指数（H'）、Simpson 指数（D）和Pielou 指数（E）3 种指数均无差异。而混交林种Shannon 指数（H'）、Simpson 指数（D）和Pielou 指数（E）3 种指数均有不同程度降低。

表4 火箭发射前后椰子纯林和混交林微生物多样性指数特征Tab.4 Characteristics of Microbial Diversity Index of Coconut Pure Forest and Mixed Forest Before and After Rocket Launch

3 结论与讨论

3.1 结论

（1）火箭发射前椰子纯林土壤微生物总数达到387.52×104cfu/g，其中，细菌为352.62×104cfu/g、真菌为20.88×104cfu/g、放线菌为14.02×104cfu/g；混交林土壤微生物总数为235.10×104cfu/g，其中，细菌为207.68×104cfu/g、真菌为18.90×104cfu/g、放线菌为8.52×104cfu/g。椰子纯林微生物总数显著大于混交林。

（2）与发射前相比，火箭发射后椰子纯林和混交林种土壤微生物总数均表现为明显升高趋势。

3.2 讨论

（1）影响土壤微生物群落多样性的因素很多，其中林分类型是最重要的因素之一。研究结果表明，两种林分类型土壤微生物代谢功能多样性指标（AWCD）大小为：混交林＞椰子纯林。可见，在立地条件一致的情况下，不同的林分结构导致其土壤微生物群落结构和功能亦不相同。以往研究表明天然林土壤微生物功能多样性更优于人工林[7]，混交林土壤微生物功能多样性优于纯林[8]，这可能是因为混交林能够增加植被物种丰富度，其根系分泌物种类越多，使得根系附近土壤微生物群落增加，同时林下凋落物也会覆积，致使土层腐殖质增加，改善了土壤养分，促进土壤碳氮磷的循环，为微生物的繁殖和生长提供较高的动力[9]。

（2）两种植被类型土壤微生物对六大类碳源底物利用率均存在显著性差异（P＜0.05）。说明不同的地上植被，其根系或根系分泌物影响着土壤微生物群落对碳源的利用程度。研究表明，不同碳源在根系土壤中的有效性不同，碳源有效性越长，越有利于利用此类碳源微生物的生长[10]。

（3）森林生态系统土壤微生物群落多样性还受土壤养分、凋落物类型、根系分泌物、周边环境条件的影响[11-12]。研究表明，森林生态系统中，林分类型与其林下土壤微生物相辅相成，不同林分类型通过改变凋落物的数量和组成影响土壤养分特征，进而制约土壤微生物的数量、组成和分布差异[13]。

研究发现火箭发射对文昌卫星发射场周边的热带人工林土壤微生物多样性具有一定变化，微生物总数均呈现显著增加。但此次的研究也存在一定的局限性。微生物多样性还受环境因素（如降雨、强风等）影响产生变化，由于发射前和发射后可能环境因素存在偏差，还需要长期持续的开展监测研究。此外，该研究中仅对可培养微生物进行了统计分析，后续可结合微生物测序，更加精准全面的研究火箭发射对土壤微生物多样性的研究。