廣州大學城綠地土壤的微生物群落結構分析

蕭倩雯，林遠，陳柳諭，鄧碧松，陳小梅

（廣州大學地理科學學院，廣東廣州 510006）

城市綠地是城市生態系統中的重要子系統，在改善空氣質量、緩解城市熱島效應、保護生物多樣性和維持碳氧平衡等方面具有重要作用。隨著城市的不斷發展，城市綠地類型越來越豐富，綠地的合理開發與利用也引起重視，不同類型綠地的生態功能是否一致一直備受關注。

目前關于城市綠地土壤質量與生態功能的研究主要集中于城市綠地土壤性狀及特征、植被與土壤理化性質關系、土壤肥力診斷與綜合評價、土壤改良與退化等方面，側重對土壤理化性質進行分析［1，2］，對土壤微生物指標的關注較少［2，3］。土壤微生物可以通過影響土壤生態系統的結構、功能及過程進而對城市綠地生態功能的發揮產生影響，其群落組成、種群發展及生理狀況是反映綠地土壤健康狀況的良好指示器［3］。城市綠地土壤微生物群落受各種生物因素和非生物因素的影響［4］，土壤耕作方式、水分管理、有機肥料的使用、植被類型以及土壤結構、通氣性、養分狀況等土壤自身特性均可對土壤微生物群落結構產生影響［5，6］。已有研究表明，不同類型城市綠地土壤微生物數量、群落結構存在差異。蔣炳伸［7］對鄭州市不同類型綠地土壤微生物特征進行研究發現，花卉綠地的土壤微生物數量、生物量碳氮均高于人工草灌地、人工林地；梁強等［8］研究表明，泰安市不同綠地土壤中的真菌與植被覆蓋率顯著相關，道路區的細菌、真菌數量均大于居民區；吳天文等［9］研究發現，徐州市公園綠地的土壤微生物數量和微生物量碳氮高于生產、道路交通等綠地。不同城市的研究結果存在差異，關于綠地土壤微生物群落結構差異的原因解釋仍不清晰。

不同類型綠地因人為活動、養護水平等的差異在城市生態環境中發揮著不同作用，如學校教學區、生活區綠地的主要功能是美化環境；菜地的主要功能是農業生產；公園綠地的主要功能是為城市居民提供休閑、健身場所等［10］。近年來，由于城市發展的需要以及高校自身的發展擴張，大學城成為我國各地城市建設的熱潮。大學城作為城市發展新區，承擔著帶動城市文化和教育發展的重要職能，在布局與建設上對環境質量與生態健康亦有較高要求，其各功能區綠地生態功能的發揮亦值得關注，但相關方面的研究仍較為不足。廣州大學城是一個距離廣州市中心城區約17 km的衛星城，其綠地類型多樣，且開發和管理時間較一致，是研究大學城綠地功能的良好場所。因此，本試驗以廣州大學城的綠地為研究對象，分析不同類型綠地的土壤微生物群落結構特征及其影響因子，以期為城市綠化、大學城綠地建設的規劃管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

廣州大學城位于廣州市番禺區小谷圍街道，占地17.9 km2，選用衛星城的建設模式，是一個距離廣州市中心城區約17 km的高校群體。該地區屬亞熱帶季風氣候，光熱充足、溫和多雨，全年溫差相對較小。

1.2 樣地選取

廣州大學城綠化面積達55%，綠地類型多樣。根據其各功能區綠地的利用方式、功能用途以及人類活動強度，結合實際用地情況，本研究選取學校教學區綠地、學校生活區綠地、農業生產綠地（菜地）、公園綠地、濕地和道路防護綠地6類功能區綠地作為研究對象。其中，濕地類型的綠地主要分布于大學城東、西、南、北4個方位，由此選取濕地類型樣地4個；道路防護綠地選取大學城內環、中環和外環3條道路，由于道路防護綠地分布范圍廣，故本研究在每條道路均分別選取了3個不同方位路段的防護綠地作為樣地，即道路防護綠地共選取樣地9個；其余4種類型綠地均分別選取3個研究樣地。本研究最終共選取樣地25個，具體包括：學校教學區綠地—華南理工大學、廣州大學和中山大學教學區；學校生活區綠地—華南理工大學、廣州大學和中山大學生活區；菜地—穗石村菜地、北亭村菜地和南亭村菜地；公園綠地—貝崗公園、城市公園、中心湖公園；濕地—大學城東、西、南、北4個方位的濕地；道路防護綠地—大學城內環、中環和外環道路的綠地（圖1）。

1.3 樣品采集與處理

2018年1 月，在上述25個樣地中對每個樣地分別設置3個1 m×1 m的樣方，使用內徑5 cm的土鉆隨機采集0～10、10～20 cm兩個土層的土壤。每個樣地的土壤樣品由3個樣方同一層次的土壤樣品混合而成，共采集土壤樣品50個。去除土壤樣品中可見的石塊、根系、動植物殘體等雜物，過2 mm篩并均勻混合，取三分之二的土樣自然風干后測定基本理化性質，另外三分之一的新鮮土樣于4℃冰箱冷藏，用于土壤微生物磷脂脂肪酸（PLFA）分析。

圖1 研究選址分布示意

1.4 樣品測定與分析

1.4.1 土壤理化性質測定 土壤含水量（W）采用烘干法測定，土壤pH值用電極電位法測定，土壤總有機碳（TOC）、全氮（TN）含量采用Vario EL元素分析儀（Elementar，Hanau，Germany）測定。

1.4.2 土壤微生物生物量及群落結構測定 土壤微生物生物量及其群落結構可通過分析土壤微生物磷脂脂肪酸組分進行測定。根據Bossio等［11］的方法并作部分調整，進行脂類提取、脂類分離、磷脂的堿性甲醇水解和皂化（甲基化）后，在安捷倫GC 7890氣相色譜儀上采用Sherlock微生物鑒定系統（Version 6.2，MIDI Inc.，Newark，DE，United States）進行磷脂脂肪酸的測定分析。以19∶0脂肪酸甲酯為內標，確定不同標記的PLFAs含量（nmol·g-1）和相對豐度（%）。

以PLFAs量表征土壤微生物生物量，以各類磷脂脂肪酸表征土壤微生物的不同菌種。根據已有研究［12，13］，土壤微生物菌種及對應的磷脂脂肪酸標記如表1所示。菌種相對豐度（%）即各菌種PLFAs量在微生物總PLFAs量中所占的比例。為更好地分析各類型綠地的土壤微生物群落結構，本研究計算了真菌與細菌的 PLFAs比值（F／B）和革蘭氏陽性菌與革蘭氏陰性菌的PLFAs比值（GP／GN）并作進一步分析。

表1 磷脂脂肪酸生物標記

1.5 數據處理

借助ArcGIS對選址點的空間位置進行可視化分析。采用Microsoft Excel2010、Origin 2017軟件整理試驗數據。采用SPSS 20.0軟件的單因素方差分析（one-way ANOVA）檢驗不同類型綠地的土壤理化性質、各類群土壤微生物PLFAs量等的差異，設置顯著水平為P＜0.05。同時采用Pearson相關分析對土壤環境因子（W、pH、TOC、TN）與微生物群落指標之間的相關性進行檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同類型綠地土壤的理化性質

研究結果顯示（表2），由于采樣季節為1月旱季，各類型綠地的土壤含水量均較低；在0～10cm，不同類型綠地的土壤含水量（W）和pH差異不顯著（P＞0.05）；在10～20 cm，學校教學區、學校生活區、道路防護綠地的土壤pH值顯著高于濕地（P＜0.05）。兩個土層中，濕地土壤的TOC含量均為最高，學校生活區綠地均為最低；在0～10 cm，菜地和濕地土壤的TN含量顯著高于道路防護綠地（P＜0.05）；在10～20 cm，學校教學區、學校生活區、道路防護綠地土壤的TN含量顯著低于濕地（P＜0.05）。

表2 樣地的土壤理化性質

2.2 土壤微生物PLFAs量的變化

在0～10 cm，土壤微生物總PLFAs量為：道路防護綠地＞菜地＞濕地＞公園綠地＞學校教學區綠地＞學校生活區綠地；在10～20 cm，土壤微生物總PLFAs量為：濕地＞公園綠地＞道路防護綠地＞菜地＞學校教學區綠地＞學校生活區綠地（圖2）。由圖2和圖3可知，土壤微生物總PLFAs量和各類群PLFAs量的變化趨勢相似，表層土壤的微生物PLFAs量顯著高于亞表層（P＜0.05）；除了10～20 cm的真菌 PLFAs量外，學校教學區、學校生活區綠地的土壤微生物總PLFAs量及各類群PLFAs量均顯著低于其他類型綠地（P＜0.05）。

圖2 土壤微生物磷脂脂肪酸總量

圖3 微生物主要類群的磷脂脂肪酸量

2.3 土壤微生物群落結構

研究結果（圖4）表明，在不同土層中，各類綠地的細菌群落（含革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌）占主導地位，其次為放線菌和真菌群落，叢枝菌根真菌相對較少。學校教學區、學校生活區綠地土壤的細菌、放線菌相對豐度顯著低于其他綠地類型（P＜0.05）；不同類型綠地的革蘭氏陽性菌相對豐度高于革蘭氏陰性菌，其中學校生活區綠地的革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌相對豐度均為最低；學校教學區綠地的叢枝菌根真菌、真菌相對豐度顯著低于道路防護綠地（P＜0.05）；學校生活區、公園、道路防護綠地的真菌相對豐度較高，且相互間差異不顯著（P＞0.05）；綠地土壤的叢枝菌根真菌相對豐度均較小，隨著土層增加，各類綠地的叢枝菌根真菌相對豐度也在降低。

由圖5可知，隨著土層加深，各類型綠地土壤的真菌／細菌值（F／B）有增大趨勢。學校生活區綠地土壤的F／B均為最大，且顯著高于菜地和濕地（P＜0.05）。除了公園綠地，其余類型綠地的革蘭氏陽性菌／革蘭氏陰性菌值（GP／GN）隨著土層加深均呈增大趨勢。道路防護綠地土壤的GP／GN均顯著低于學校生活區綠地（P＜0.05）。

圖4 不同土層中土壤微生物相對豐度

圖5 不同土層中的土壤F／B、GP／GN比較

2.4 微生物群落指標與土壤環境因子相關性

微生物群落指標（土壤微生物總PLFAs量、各菌種相對豐度、F／B、GP／GN）與土壤環境因子（土壤含水量 W、pH、TOC、TN）的相關分析結果表明（表3），土壤含水量與叢枝菌根真菌相對豐度呈顯著正相關（P＜0.05）；土壤pH與土壤微生物總PLFAs量呈顯著負相關（P＜0.05），與細菌、革蘭氏陽性菌、放線菌的相對豐度呈極顯著負相關（P＜0.01）；土壤 TOC、TN含量與土壤微生物總PLFAs量及細菌、放線菌、叢枝菌根真菌、真菌的相對豐度以及F／B均呈顯著相關關系（P＜0.05），說明土壤pH、TOC、TN對該地區土壤微生物生物量及微生物的群落結構具有較顯著影響；GP／GN與土壤含水量、pH及TOC、TN含量均無顯著相關關系（P＞0.05）。

表3 土壤微生物總PLFAs量、相對豐度與土壤環境因子的相關系數

3 討論與結論

3.1 不同類型綠地土壤微生物生物量分析

研究結果表明隨著土層加深，不同類型綠地的微生物總PLFAs量及各主要類群PLFAs量均有所降低，這與表層土壤養分資源相較于底層土豐富有關［14］。土壤有機碳是土壤微生物呼吸的底物，也是土壤微生物生長的能量來源之一［15］；氮源參與蛋白質等大分子物質的合成，是微生物生長和代謝所必需的大量元素［6］。本研究結果表明，土壤TOC、TN含量與土壤微生物總PLFAs量呈極顯著正相關，而土壤TOC、TN含量較低的學校教學區、學校生活區綠地土壤微生物總PLFAs量亦顯著低于其他類型綠地。土壤環境因子影響著土壤營養物質的可利用性，進而影響土壤微生物的生長、活性及群落結構等［15］。土壤pH是重要的環境因子之一，可對微生物的吸附、胞外酶的產生與分泌等產生影響［6］。本研究發現，菜地、公園綠地、濕地土壤在不同土層中均呈酸性，可能與農業生產過程中肥料、農藥使用等有關。由于土壤微生物總PLFAs量與土壤pH呈顯著負相關，在不同土層中，菜地、公園綠地、濕地的微生物總PLFAs量均較高。

城市綠地的土壤性質、植被情況和人為擾動等是影響土壤微生物生物量等的重要生態因素［2］，其中植被對土壤微生物的影響可基于植被凋落物的類型、數量和根系分泌物等［6］。本研究發現，學校教學區、學校生活區綠地的土壤微生物總PLFAs量顯著低于其他類型綠地，與孫其遠［16］得出的道路綠地土壤微生物總量為各綠地類型中最低的結論不一致。結合實際可知，廣州大學城道路防護綠地植被覆蓋度普遍較高，有利于土壤微生物生長所需養分的增加，且相比于大部分城市地區，廣州大學城大型道路修建活動較少，人為干擾程度不及學校教學區、學校生活區綠地，這也促使大學城道路防護綠地的土壤微生物總PLFAs量相對較高。

3.2 不同類型綠地土壤微生物群落結構分析

細菌相比于其他菌種，更喜歡在相對濕潤的土壤環境中生長，受水分和干旱脅迫明顯［17］。廣州大學城地處亞熱帶季風氣候區，氣候濕潤，年降水量豐富，故在各類型綠地土壤中，細菌群落（含革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌）均占主導地位，與其他學者［7，18］的研究結果類似。

本研究結果表明，細菌、放線菌、叢枝菌根真菌、真菌的相對豐度與土壤TOC、TN含量顯著相關；學校教學區、學校生活區綠地的細菌相對豐度顯著低于其他綠地類型，且教學區綠地的放線菌、叢枝菌根真菌、真菌相對豐度顯著低于道路防護綠地，與蔣炳伸［7］、孫其遠［16］得出的道路綠地細菌相對豐度最低的結果不一致。細菌代謝強、繁殖快，可分解各種有機質，是土壤最活躍的因素。本研究中，廣州大學城教學區、生活區綠地的細菌相對豐度顯著低于其他綠地類型可能是由于：一是相比道路綠地，教學區、生活區綠地多是在學校修建時建設，土壤受到一定程度的壓實作用，同時存在建筑垃圾、外來石塊等的填充現象；建成后未有加設圍欄等保護措施，受人為踩踏、車輛碾壓等影響較大，土壤容重相對較高，通氣性較差，加上日常翻動、修護等干擾，故對較為活躍的細菌的生長繁殖相對不利；二是土壤含水量較低，植被覆蓋不均勻，凋落物較少，為細菌生長提供的養分較少。放線菌等類群的發育遠比大多數真菌和細菌緩慢［19］，廣州大學城教學區綠地土壤的放線菌、叢枝菌根真菌相對豐度顯著低于道路防護綠地，這可能由于：一是教學區建成時間較短，可參與分解的動植物殘體等較少；二是道路防護綠地附近存在一定的自然植被，教學區人為干擾的程度較大，枯枝落葉較少，限制放線菌等的發展。這也體現出土壤環境及基質供應的差異對土壤微生物群落結構等具有重要影響。

真菌／細菌值可反映真菌和細菌的相對豐度以及相對含量的變化范圍［20］。本研究結果表明，隨著土層加深，土壤微生物總PLFAs量降低，各類型綠地細菌的PLFAs量相比于真菌有更大幅度的降低，故隨著土層加深各類型綠地土壤的F／B有增大趨勢，推測與較深土層土壤水分、有效養分減少及通氣性降低等相關。這也說明不同微生物類群對土壤環境變化的響應能力以及敏感程度不同。此外，有研究發現，革蘭氏陽性菌／革蘭氏陰性菌值可反映土壤質量狀況，比值越大則說明土壤的有機碳等越低，土壤營養狀況越貧乏［17］。本研究中，除公園綠地外，其余類型綠地的GP／GN隨著土層加深均呈現增大趨勢，說明大多數類型綠地的土壤質量隨土壤深度的增加而變差，表層土壤肥力質量較好，體現出土壤肥力特性的“表聚性”［21］。