城市化對土壤微生物群落結構的影響

侯穎，周會萍，張超

1. 商丘師范學院生命科學學院，河南 商丘 476000；2. 新鄉學院生命科學技術學院，河南 新鄉453003；3. 華東師范大學地理科學學院地理信息科學教育部重點實驗室，上海 200241

城市化對土壤微生物群落結構的影響

侯穎1，周會萍2，張超3

1. 商丘師范學院生命科學學院，河南 商丘 476000；2. 新鄉學院生命科學技術學院，河南 新鄉453003；3. 華東師范大學地理科學學院地理信息科學教育部重點實驗室，上海 200241

隨著城鎮化的推進，中原農業區大量的農業用地轉變為城市用地，受城市化過程中人為活動的強烈影響，與城市化有關的土壤質量問題日益突出。而土壤質量與土壤微生物密切相關，后者對環境變化比較敏感，它能夠較早地指示生態系統功能的變化，并反映出土壤的質量和健康狀況。因此，研究土地利用方式的變化對土壤微生物的影響是評價土壤環境質量的重要指標。以“中部崛起”六省中城鎮化率增長最快的地區之— —— 河南省商丘市為例，采用以空間梯度代替時間順序的方法，以城市建成區、城市外圍的郊區及農田為研究對象，分別測定不同城市化水平下土壤微生物的數量和組成，研究土壤由農業用地轉變為城市用地過程中，土壤微生物群落結構的變化。以城市中心為起點，分別在東、南、西、北四個方向上取樣，在同一方向上沿城區—郊區—農田梯度上進行取樣。采用平板涂抹計數法測定土壤中細菌、真菌、放線菌的數量。結果表明，農田、郊區和城市土壤微生物總數分別為14.68×106 cfu·g-1、8.19×106 cfu·g-1和10.99×106 cfu·g-1，即城市化使土壤中微生物總數量減少；同時，土壤微生物的組成和比例結構也發生變化，其中，城市建成區土壤中細菌和真菌所占微生物總數的比例高于郊區和農村，而放線菌在農村占的比例高于城市建成區和郊區。城市建成區不同用地類型下土壤微生物總數的變化趨勢為公園＞校園＞居住區＞道路，其中，細菌占微生物總數的比例在公園土壤中最大，而放線菌和真菌則相反，二者占微生物總數的比例在道路土壤中最大，在公園土壤中比例最小。土壤微生物數量和組成的這些變化反映出土地由農業用地轉變為城市用地過程中，土壤質量和健康狀況及生態系統功能的變化，可以為評價土壤環境質量及土壤管理提供參考依據。

農業用地；郊區；城市建成區；城市化；土壤微生物；群落結構

城市化是當今世界上重要的社會、經濟現象之一，尤其在發展中國家，城市化現在非常普遍。其中，我國的城市化水平由建國初期的低于20%已發展到目前的突破50%（汝信等，2011），且中國的城市規模將繼續擴大，呈加速趨勢。但隨著城市規模的不斷擴大，由于城市化過程中人為活動的強烈影響，與城市化相關的土壤質量問題日益突出，這可能會影響到城市的生態安全及居民的健康。因此，城市化進程中土壤質量的研究逐漸引起重視（Chen，2007；李桂林，2008；McCrackin等，2008；孫昌龍等，2013）。土壤微生物與土壤質量密切相關，它是土壤中活的生物體，對環境變化比較敏感，能夠較早地指示生態系統功能的變化，并反映出土壤的質量和健康狀況（謝龍蓮等，2004），被認為是最有潛力的評價土壤環境質量的指標（Brookes，1995；馬小凡等，2010）。

土壤微生物是土壤中最活躍的部分，主要指生活在土壤中的形體微小、結構簡單的單細胞或多細胞生物類群，如細菌、放線菌、真菌、土壤藻類和微小動物等（胡亞林等，2006）。土壤微生物群落結構主要指土壤中各主要微生物類群(包括細菌、真菌、放線菌等)在土壤中的數量以及各類群所占的比率, 其結構和功能的變化與土壤理化性質的變化有關。土壤的結構、通氣性、水分狀況、養分狀況等對土壤微生物均有重要影響（Fierer等，2003；周麗霞和丁明懋，2007）。在城市化過程中自然和農業用地的土壤轉變為城市土壤，相應地土壤理化性質及污染程度發生改變，因此，土壤各微生物類群的大小、活性與多樣性受到顯著影響（Nsabimana，2004）。如，隨著城市化水平的提高，土壤中微生物的總數量表現為明顯的減少趨勢（王煥華等，2005；孫福軍等，2006）。與農村土壤相比，城市土壤的微生物群落結構及功能也發生改變。楊元根等（2002）對城

市土壤和鄰近農村土壤進行研究，發現城市土壤和農村土壤中微生物對碳源的利用種類和利用程度具有明顯差異性，農村土壤微生物群落多樣性較低且穩定，城市環境中則呈現多樣化。

隨著我國城鎮化進程的推進，越來越多的土地轉變為城市用地。那么，在這個過程中，土壤中微生物發生了什么樣的變化？本文以“中部崛起”六省中城鎮化率增長最快的地區之一——河南省商丘市為例，研究土壤由農業用地轉變為城市用地過程中，土壤微生物特性的變化。采用以空間梯度代替時間順序的方法，以城市建成區、城市外圍的郊區及農田為研究對象，分別測定不同城市化水平下土壤微生物的數量和組成，初步探討由農業用地轉變為城市用地過程中土壤微生物的變化情況，為城市化引起的土壤環境變化的評價及預測提供理論依據，并對城市化下土壤資源的保護和土壤質量調控也具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1研究地概況

河南省商丘市位于北緯33°43′～34°52′、東經114°49′～116°39′之間，商丘市中心位于北緯34°25′、東經115°39′，屬暖溫帶半溫潤大陸性季風氣候，氣候溫和、四季分明，主要特點是春季溫暖大風多，夏季炎熱雨集中，秋季涼爽日照長，冬季寒冷少雨雪；年平均日照時數為1944 h，無霜期平均為211 d，年平均氣溫14.2 ℃，一般最高溫度39 ℃，最低溫度零下9 ℃，年平均降水量623 mm，是黃淮海平原典型的農業區。隨著我國城市化進程的發展，商丘市城區逐漸向外擴張，城市化水平不斷提高。至2013年底，商丘市城鎮化率達到40.2%，處于城市化快速發展階段，城市化年平均增長率高于全國平均水平，城市用地主要由農田轉變而來。

1.2土壤樣品的采集

以河南省商丘市為研究對象，在同一方向上沿城區—郊區—農田梯度上進行取樣，以商丘市中心為出發點，分別在東、南、西、北四個方向上分別取樣。由于農村和郊區用地類型比較單一，因此，農村采樣點布置在農田中，按距城市中心的遠近分別在3個農田中進行取樣，每個樣地重復5次取樣。郊區采樣點布置在宅旁或路旁的空閑地中，選取3個樣地，每個樣地重復5次取樣。城市采樣點布置在建成區內的公園、居住區、校園和道路旁，每個樣地重復5次取樣。取樣時，先除去表層枯葉、表面1 cm左右的表土，然后向下取0～15 cm土壤，置于無菌自封袋中，帶回實驗室放入4 ℃冰箱中保存待用。

1.3土壤微生物的培養和測定

采用平板涂抹計數法測定土壤中細菌、真菌、放線菌數量，其中，細菌采用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養基培養、真菌采用馬丁氏孟加拉紅培養基培養、放線菌采用改良高氏1號培養基培養。分別接種后置無菌培養室培養，其中，細菌37 ℃下培養1 d，真菌28 ℃下培養4 d，放線菌28 ℃下培養7 d。然后，記錄每種菌的數量，并根據稀釋倍數進行換算。

1.4統計分析

所有數據的處理和分析均由Excel軟件和SPSS19.0軟件完成，不同城市化水平間的數據用單因素方差分析法對比分析它們之間的差異顯著性（P≤0.05）。

2 結果

2.1城市化對土壤微生物總數量影響

不同城市化水平下土壤微生物總數量變化如圖1所示。從圖中可知，農田、郊區和城市土壤微生物總數分別為14.68×106、8.19×106和10.99×106cfu·g-1。單因素方差分析結果表明，農田土壤微生物總數量與郊區和城市土壤微生物總數量均差異顯著（P＜0.05），但郊區與城市間土壤微生物總數量無顯著差異(P=0.09)，這表明，農田土壤微生物數量最多，而城市化導致土壤微生物總數量呈減少趨勢。

圖1 不同城市化水平土壤微生物總數量變化Fig.1 Changes of total number of soil microorganism in different urbanization level

2.2城市化對土壤微生物各類群數量及組成的影響

不同城市化水平下土壤微生物各類群的數量如表1所示。從表1可知，農田、郊區和城市土壤細菌的數量分別為14.45×106、8.06×106和10.88×106cfu·g-1，表明城市化引起土壤細菌數量降低，其中，農田土壤細菌數量顯著高于郊區和城市，但郊區和城市土壤細菌數量無明顯差異；農田、郊區和城市土壤放線菌數量分別為2.23×105、1.21×105和1.00×105cfu·g-1，農田土壤放線菌數量顯著高于郊區和城市，而郊區和城市間土壤放線菌數量無顯著

差異；農田、郊區和城市土壤真菌數量分別為10.74×103、2.70×103和9.73×103cfu·g-1，農田和城市土壤真菌數量均顯著高于郊區。

從各微生物類群所占總微生物的比例看，如表1所示，農田土壤中細菌、放線菌和真菌分別占總微生物數量的98.41%、1.52%和0.07%；郊區土壤中細菌、放線菌和真菌分別占98.49%、1.48%和0.03%；城市土壤中細菌、放線菌和真菌分別占99.00%、0.91%和0.09%；這表明土壤細菌所占微生物總數的比例沿農田-郊區-城市梯度逐漸提高，而放線菌則相反，其所占比例在農田土壤中最高，而城市土壤中最低，土壤真菌所占微生物總數量的比例在城市土壤中最高，而在郊區則最低。

2.3城市不同用地類型土壤微生物數量和組成的變化

城市建成區不同用地類型下土壤微生物各類群的數量如表2所示。從表2可知，公園、校園、居住區和道路土壤細菌的數量分別為15.43×106、10.21×106、10.37×106和7.52×106cfu·g-1，表明公園土壤中細菌數量最多，其次是校園和居住區，道路土壤中細菌數量最少；公園、校園、居住區和道路土壤放線菌的數量分別為1.20×105、1.10×105、0.92×105和0.76×105cfu·g-1，其中，公園和校園土壤放線菌數量顯著大于居住區和道路；公園、校園、居住區和道路土壤真菌的數量分別為11.06×103、10.26×103、8.23×103和9.35×103cfu·g-1，公園中土壤真菌數量顯著高于居住區和道路，校園中土壤真菌數量顯著高于居住區，但道路土壤真菌數量與校園和居住區沒有顯著差異。

從微生物各類群所占總微生物的比例看，如表2所示，細菌所占微生物總數的比例沿公園-居住區-道路-校園逐漸降低；放線菌和真菌所占微生物總數的比例均在道路土壤中最高，其次是校園，而居住區和公園較低。

表1 不同城市化水平土壤微生物各類群數量（平均值±標準誤）及組成Table 1 Quantity and composition of of bacteria, fungi and actinomycetes in different Urbanization level (Means±SD)

表2 城市建成區不同用地類型土壤微生物各類群數量（平均值±標準誤）及組成Table 2 Quantity and composition of bacteria, fungi and actinomycetes in different land use types (Means±SD)

3 討論與結論

3.1討論

3.1.1 城市化使土壤微生物數量減少

快速的城市化在促進社會經濟發展的同時，也帶來用地緊張、交通擁擠、環境污染等一系列問題，尤其給土壤帶來了前所未有的影響（汪權方等，2003）。一方面，城市化過程中由于人為翻動、回填、客土、踐踏、車壓等人為活動對土壤造成嚴重影響，其物理化學性質發生了顯著變化，影響土壤中各種生物化學反應過程（郝瑞軍等，2009）；另一方面，城市建成區由于人口高度集中、交通擁擠和工業園集中等原因，城市土壤污染嚴重（李胤等，2009；秦普豐等，2010）。因此，上述土壤特征的改變對土壤微生物產生明顯影響（王嘉等，2006）。本文研究結果表明，城市建成區和郊區土壤微生物數量顯著少于農田。這個結果與前人的研究結果“隨著城市化水平的提高，土壤微生物總數量呈減少趨勢”相一致（楊元根等，2002）。土壤微生物隨

著城市化水平提高而減少的原因可能是城市化過程對自然土壤的擾動，導致土壤質量發生改變而造成的。但本文的研究中，郊區與城市土壤微生物數量無明顯差異，但均低于農田，說明雖然郊區城市化水平低于城市建成區，可是環境的變化已經在微生物方面有所表現（汪權方等，2003）。

3.1.2 城市化使土壤微生物類群的組成發生變化

土壤中各類群微生物沿城市化水平的變化趨勢與土壤微生物總數量的變化趨勢基本一致，無論是細菌、放線菌還是真菌，總體表現均為農田中的數量最多，但郊區和城市建成區微生物類群的變化因不同菌種而不同，這主要是由不同微生物類群對外界環境變化的敏感性不同所導致的。土壤微生物的這種特性導致各類群微生物所占總數的比例發生變化。其中，土壤細菌所占微生物總數的比例沿農田-郊區-城市梯度逐漸提高，而放線菌則相反，其所占比例在農田土壤中最高，而城市土壤中最低，土壤真菌所占微生物總數量的比例在城市土壤中最高，而在郊區則最低。因此，放線菌在農村占的比例高于城市建成區和郊區，而真菌和細菌所占的比例是城市建成區高于郊區和農村，這可能與城市土壤的重金屬污染有關，Hiroki等（1992）研究認為，對重金屬的敏感程度放線菌＞細菌＞真菌，因此，城市的重金屬污染抑制了放線菌的生長，而促進了真菌的生長。

3.1.3 城市建成區土地利用類型影響土壤微生物類群的組成

城市建成區不同用地類型下土壤質量差異較大，這主要與不同土地用地類型下對土壤的干擾程度不同所引起的，公園土壤由于人工的管理和施肥等因素，土壤質量相對較好，而道路由于大量的踩踏、落葉清掃等土壤質量較差。這導致土壤微生物數量的不同，總體來說，公園中土壤微生物總數量最多，其次是校園和居住區，道路土壤中最少，這可能是因為道路土壤有機質嚴重缺乏，從而限制了微生物的數量（郭友紅等，2010）。且由于不同用地類型下土壤質量的差異，土壤微生物的群落結構也不同。其中，細菌在公園土壤中所占比例最大，而放線菌和真菌則相反，二者在道路土壤中所占比例最大，在公園土壤中占的比例最小，主要是因為在肥力好的土壤中，細菌所占的比例較高；而在難分解物質較多的土壤中, 土壤微生物細菌所占比率相對較低,真菌和放線菌的比率相對較高（Albiach等，2000）。

3.2結論

土地利用類型的轉變引起土壤理化性質的改變，而土壤特征的改變對土壤微生物產生明顯影響。本研究表明，城市建成區和郊區土壤微生物數量顯著少于農田，這可能是由于城市化過程對自然土壤的擾動，導致土壤質量發生改變而造成的；同時，由于不同微生物類群對外界環境變化的敏感性不同，城市化過程中土壤微生物的組成和比例結構也發生變化，其中，城市建成區土壤中細菌和真菌所占微生物總數的比例高于郊區和農村，而放線菌在農村占的比例高于城市建成區和郊區。城市建成區不同用地類型下土壤微生物總數的變化趨勢為公園＞校園＞居住區＞道路，其中，細菌占微生物總數的比例在公園土壤中最大，而放線菌和真菌則相反，二者占微生物總數的比例在道路土壤中最大，在公園土壤中比例最小。而對于土壤微生物數量的變化與土壤理化性質的定量關系還需進一步的研究。

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Effects of Urbanization on Community Structure of Soil Microorganism

HOU Ying1, ZHOU Huiping2, ZHANG Chao3
1. Department of Life Science, Shangqiu Normal University, Henan 476000, China; 2. College of Life Science and Technology, Xinxiang University, Henan 453003, China; 3. Key Laboratory of Geographic Information Science, Ministry of Education, School of Geographic Sciences, EastChina Normal University, 200241, Shanghai.

The farmland has been gradually transformed into urban land in central China during the process of the booming urbanization. The problems of soil quality accompanied by urbanization become worse due to the anthropogenic influence. Soil microbes correlate closely with soil quality, and these microbes are sensitive to changing environment, which could indicate the variations of ecosystemfunction. In this respects, they could be chosen as indices to reflect the conditions of soil quality and health. In this work, Shangqiu city, one of the most rapid urbanization cities in central China, was chosen for the analysis the effect of urbanization on the community structure of soil microorganism. For this purpose, three urbanization levels (i.e., city center, suburb and farmland) were identified firstly to indicate various stages of urbanization, soil samples were collected across four orthogonal directions (i.e., east, south, west and north) from city center to farmland at each urbanization level, then the amount of cultivable soil bacteria, fungi and actinomycetes was investigated by using standard dilution plate count method. The results showed that the total number of microorganism decreased with an increasing urbanization level, where the values was 14.68×106cfu·g-1in farmland, 8.19×106cfu·g-1in suburband and 10.99×106cfu·g-1in city center, respectively. Additionally, the composition and the ratio of each component of soil microorganism also changed during the process of urbanization. More specifically, ration of soil bacteria and fungi in city center was higher than those in suburb and farmland soil, opposite to what were observed in actinomycetes. Regarding different land use types in built-up area, total number of soil microorganism showed an overall decrease in the order of park ＞campus ＞residential area＞ roadside. Ratio of soil bacteria was highest in park soil than other three land use types, opposite to what were observed in actinomycetes and fungi. Our results suggested a shift in soil microorganism from farmland to urban land during the process of urbanization, which may have important recommendation for the management of soil quality and health.

Agricultural land; Suburb; Built-up area of city; Urbanization; Soil microorganism; Community structure

Q938

A

1674-5906（2014）07-1108-05

河南省科技廳基礎與前沿項目（122300410149）；校青年骨干教師項目“中小城市快速城市化對土壤微生物的影響及機制研究”

侯穎（1979年生），女，副教授，博士，植物群落與環境的相互作用。E-mail: houying28@126.com

2014-03-21

侯穎，周會萍，張超. 城市化對土壤微生物群落結構的影響[J]. 生態環境學報, 2014, 23(7): 1108-1112.

HOU Ying, ZHOU Huiping, ZHANG Chao. Effects of Urbanization on Community Structure of Soil Microorganism [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(7): 1108-1112.