海南不同母質橡膠人工林土壤微生物群落功能特征

趙春梅 張永發 羅雪華 薛欣欣 王文斌 吳小平 羅梁元 Didier Lesueur

摘? 要：本研究運用Biolog-Eco微平板培養技術對海南橡膠人工林4種母質（花崗巖、玄武巖、變質巖和淺海沉積物）發育土壤微生物群落功能特征進行研究，同時測定土壤理化特性，探究不同母質發育橡膠人工林土壤微生物群落的代謝活性和功能特征及其與土壤理化性質的相關性。結果表明：不同母質之間橡膠人工林土壤理化性質存在顯著差異，總體上玄武巖土壤肥力水平最高，其次是淺海沉積物和變質巖，花崗巖最低;隨著培養時間的延長，土壤微生物吸光值（AWCD）逐漸增加并在216 h達到最大值，土壤碳源利用能力也逐漸增強并趨于穩定;花崗巖和淺海沉積物發育土壤中微生物利用碳源功能強于變質巖和玄武巖;橡膠人工林土壤微生物群落碳源代謝對碳水化合物類、氨基酸類和羧酸類較強，對胺類和多聚物類較弱;土壤微生物吸光值（AWCD）、均勻度（McIntosh指數）和優勢度（Simpson指數）均與土壤孔隙度、有機碳、全氮、pH值、碳氮比等理化因子顯著相關;孔隙度、pH值、全氮是影響土壤微生物功能多樣性的主要環境因子。

關鍵詞：橡膠人工林;成土母質;Biolog-Eco;微生物功能多樣性;土壤肥力

中圖分類號：S714.3? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： We analyzed the functional characteristics of the soil microbial community of the rubber plantation among four typical parent materials in Hainan， including granite， basalt， metamorphic rock and shallow marine deposit， by the Biolog-Eco method. Soil physicochemical properties were measured to explore the correlations with the metabolic activity and functional characteristics of the soil microbial community. The results showed that there were significant differences in soil physicochemical properties among parent materials in rubber plantation. On the whole， the physicochemical property level of basalt soil was the highest， followed by shallow sea sediments and metamorphic rocks， and granite was the lowest. With the extension of culture time， soil microbial average well color development （AWCD） gradually increased and reached the maximum value at 216 h， and soil carbon source utilization capacity also gradually increased and tended to be stable. Microbial utilization of carbon source in soils developed in granite and shallow sea sediments was stronger than that in metamorphic rocks and basalts. The utilization carbon capacity of the soil microbial communities in rubber plantation was strong for the sources of carbohydrates， amino acids， carboxylic acid， but the capacity of using amines and polymers was poor. The results also showed that the soil microbial community carbon source metabolic capacity （AWCD）， McIntosh index and Simpson index were significantly correlated with soil porosity， organic carbon， total nitrogen， pH， C：N and so on. Meanwhile， the porosity， total nitrogen and pH were the main fertility factors which affecting the functional diversity of the soil microorganisms.

Keywords： rubber plantation; parent material; Biolog-Eco; microbial functional diversity; soil fertility

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2021.01.038

土壤微生物是土壤生物地球化學循環中最核心的組成部分，也是土壤生物化學性質的關鍵成分[1]。土壤中存在著種類豐富和數量極其龐大的微生物，到目前為止，已經被描述出來的微生物大約有5000種[2]。土壤生態系統中存在大量微生物群落不僅對土壤的形成發育、物質轉化和肥力演變等過程具有重大影響，對土壤的物質循環和能量流動也起著非常重要的作用[3]。土壤微生物的含量、種類及其變化是導致土壤肥力變化的重要原因，因此被認為是評價土壤肥力與土壤質量的重要生物學指標[4-6]。近年來，生物學指標尤其是土壤微生物方面的指標被日益重視并用于評價土壤肥力，將土壤微生物量、微生物多樣性等作為土壤肥力與土壤質量的生物指標來指導農業可持續生產以及土壤生態系統管理已逐漸成為研究熱點[7-9]。

天然橡膠林是從天然次生林轉變而來，是重要的戰略物質來源，也是我國最大的熱帶人工林生態系統。自20世紀50年代大面積種植橡膠樹以來，天然橡膠林經過耕作、施肥、割膠、除草等持續和高強度的人為管理，擾動了土壤微生物多樣性，使得橡膠人工林出現土壤養分失衡、土壤酸化、污染等一系列環境問題。因此，如何恢復橡膠人工林土壤環境健康和促進天然橡膠生產可持續發展，成為該行業更為關注和急需解決的問題。

近年來，為提高橡膠人工林土壤肥力和改善土壤環境質量，學者們廣泛開展了不同耕作（施肥、間作、栽培等）模式下橡膠人工林土壤微生物生物量、土壤酶活性以及土壤微生物群落結構等涉及土壤肥力與健康狀況方面的研究[10-17]，然而關于橡膠人工林土壤微生物的變化規律并不統一，因此有必要對橡膠人工林的微生物群落功能及多樣性做進一步研究。

海南島土壤發育過程復雜，主要成土母質包括花崗巖、安山巖、玄武巖、花崗片麻巖、石灰巖、板巖、砂質巖、淺海沉積物、河流沖積物等類型，橡膠林土壤大多以花崗巖、玄武巖、變質巖（花崗片麻巖、石灰巖、板巖）和淺海沉積砂頁巖等四大母質發育而成的磚紅壤為主[18]。目前，針對不同母質發育橡膠人工林土壤微生物群落代謝功能的研究鮮見報道。本研究以海南不同母質橡膠人工林土壤為研究對象，采用Biolog-Eco技術分析海南橡膠人工林土壤微生物群落代謝功能差異，進一步揭示橡膠人工林土壤微生物群落特征及其與土壤肥力之間的關系，為實現橡膠人工林可持續經營管理提供理論依據。

1? 材料與方法

1.1? 材料

本研究選擇海南島橡膠人工林為研究對象，橡膠樹品系為‘PR107，樹齡為16 a，株行距規格3 m×6 m，各樣地的栽培管理措施和割膠制度基本一致。2019年5月分別在海南不同母質發育（花崗巖、玄武巖、變質巖、淺海沉積物）的橡膠人工林各選擇3塊樣地，共12塊樣地，每塊樣地30 m×30 m。樣地取樣時以對角線在地塊內選取10個點做成1個混合樣，每個樣點重復采樣3次，采集土層0～20 cm。每個樣方用環刀采集土樣，用于測定土壤容重、孔隙度及土壤含水率，同時另外取1.0 kg土壤樣品迅速裝入自封袋并用冰盒保存，運回實驗室放置于4 ℃的冰箱保存。土壤樣品分成2份，其中一份供Biolog-Eco測定分析;另一部分風干后，經過研磨過篩，供土壤理化性質分析。

1.2? 方法

1.2.1? 土壤理化性質測定? 參照《土壤農業化學分析方法》測定土壤含水量、孔隙度、容重、有機碳、全氮、有效磷和速效鉀含量等指標[19]。具體方法如下：土壤含水量采用烘干法測定;土壤孔隙度、容重采用環刀法測定;土壤pH采用電位法（土水比為1∶2.5）測定;土壤有機碳采用碳氮元素分析儀（TOC）測定;全氮、有效氮采用凱氏定氮法測定;有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定;有效鉀采用中性NH4OAc浸提?火焰光度法測定。

1.2.2? 土壤微生物群落功能多樣性測定? 采用Biolog-Eco（31種碳源）微平板培養技術測定土壤微生物群落碳代謝功能多樣性[20-21]。具體方法如下：稱取10 g土樣加入到90 mL含少量玻璃珠的無菌水中，120 r/min振蕩30 min，得到土壤懸濁液備用。取土壤懸濁液5 mL用45 mL無菌水進行稀釋，重復稀釋2次，制得1∶100的提取液。用八通道移液器吸取150 μL提取液加入Biolog- Eco微孔板（Biolog， Hayward， USA）中，28 ℃恒溫避光培養240 h，每隔24 h用酶標儀（Customized Microplate Reader， Elx808TM， Biolog， Hayward， USA）讀取590、750 nm處的吸光值。

1.3? 數據分析

Biolog-Eco板中不同母質橡膠林土壤微生物群落碳源利用特征，采用590 nm處值減去750 nm處的平均每孔顏色變化率即平均吸光值（average well color development，AWCD）來表示;不同母質橡膠林土壤微生物代謝功能多樣性特征采用216 h處每孔吸光值計算，AWCD值、Shannon-Wiener多樣性指數、Simpson優勢度指數、McIntosh指數的具體計算參照楊永華等[22]的方法。

采用Excel 2012、SPSS 19.0軟件對數據進行統計分析，并作方差分析（ANOVA）、主成分分析（PCA）和相關性分析（Pearson）。

2? 結果與分析

2.1? 不同母質橡膠人工林土壤理化性質

由表1可知，海南橡膠人工林各種成土母質發育的土壤溫度差異不顯著，但其他理化性質差異均顯著。不同母質土壤理化指標含量比較中孔隙度為玄武巖>淺海沉積物>變質巖>花崗巖，全氮為玄武巖>變質巖>淺海沉積物、花崗巖，含水量為玄武巖>花崗巖、變質巖>淺海沉積物，容重為變質巖>淺海沉積物>花崗巖>玄武巖，pH為淺海沉積物高于其他3種母質，速效鉀為淺海沉積物>變質巖>花崗巖、玄武巖，有機碳為玄武巖>淺海沉積物>花崗巖、變質巖，有效氮為玄武巖>變質巖>淺海沉積物>花崗巖，有效磷為玄武巖>花崗巖>變質巖、淺海沉積物，碳氮比為變質巖均低于其他母質。

2.2? 不同母質土壤微生物群落對碳源的利用特征

不同母質橡膠人工林土壤微生物平均吸光值（AWCD）如圖1所示，在培養24 h以內，各種母質AWCD值均無明顯變化，24～216 h培養期間，AWCD值隨培養時間的增長而升高，24～72 h，AWCD值增長最快，72～216 h，AWCD值增長速率減慢并逐漸穩定，216 h后基本趨于平穩。不同培養階段各種母質AWCD值變化不同，24～96 h，表現為淺海沉積物>花崗巖>玄武巖>變質巖，96～240 h，表現為花崗巖>淺海沉積物>玄武巖>變質巖。

2.3? 不同母質土壤微生物群落功能多樣性

表2中不同母質橡膠人工林土壤微生物群落總碳源的AWCD值、McIntosh指數均呈極顯著差異，其大小比較表現為花崗巖、玄武巖>變質巖、淺海沉積物;Shannon-Wiener指數、Simpson指數差異均不顯著。

2.4? 不同母質土壤微生物群落功能多樣性的主成分分析

應用主成分分析能夠解釋土壤微生物對31種碳源利用的差異。采用培養216 h后的AWCD值，對不同母質橡膠人工林土壤微生物對31種碳源利用特征進行主成分分析（PCA），提取2個主成分因子并做荷載圖，如圖2所示，前2個主成分的方差累計貢獻率達到80.06%，其中PC1的方差貢獻率為43.04%，權重最大，PC2次之，方差貢獻率為37.02%。在荷載圖中，玄武巖（?0.0366，1.4508）分布在第二象限;花崗巖（?0.5323，?0.8266）、變質巖（?0.8454，?0.2195）同時分布在第三象限;淺海沉積物（1.4144，?0.4050）分布在第四象限。

分析31種碳源在2個主成分上的荷載值（表3），結果顯示，對PC1貢獻大（載荷值>0.7）的碳源有14種，分別為羧酸類4種、氨基酸3種、碳水化合物類、酚酸類和多聚物類各2種、胺類1種，其中對PC1貢獻率最大是碳水化合物類中i-赤蘚糖醇（0.918）和1-磷酸葡萄糖（0.856）;對PC2貢獻大的碳源有9種，分別為碳水化合物類5種、氨基酸2種、羧酸類和多聚物類各1種，其中對PC1貢獻率最大是碳水化合物類中D，L--磷酸甘油（0.989）和氨基酸類中L-苯丙氨酸（0.915）。

2.5? 土壤理化性質與微生物群落功能多樣性指數的相關性

橡膠人工林土壤理化性質和土壤微生物群落功能多樣性指數進行Pearson相關性分析，結果見表4。土壤微生物群落的AWCD值與孔隙度呈極顯著負相關（P<0.01），與pH、碳氮比呈顯著正相關（P<0.05），與全氮、有效磷呈顯著負相關（P<0.05）;McIntosh指數與含水量、孔隙度呈顯著負相關（P<0.05），與pH、速效鉀、碳氮比呈顯著正相關（P<0.05）;Simpson指數與土壤溫度、孔隙度、全氮呈極顯著負相關（P<0.01），與有機碳、有效磷呈顯著負相關（P<0.05），與容重呈顯著正相關（P<0.05）;Shannon指數與所有土壤理化性狀相關性不顯著。

3? 討論

3.1? 不同母質橡膠人工林土壤肥力變化

土壤有機質和氮磷鉀養分在成土母質上對母巖特性有繼承性，因此不同母質土壤的物理性狀和化學組成各不相同。何向東等[18]較早將海南成土母質劃分為4類：玄武巖（缺磷鉀富鎂鐵區）、花崗巖和安山巖（缺磷鎂富鉀硅鋁區）、變質巖（缺磷富鐵鋁區）、淺海物砂頁巖（缺氮磷鉀富硅區）。由于生物氣候和耕作施肥等因素的長期作用，逐步弱化了因母巖成分不同而造成的土壤養分差異，致使多種母質之間土壤有機質和氮磷鉀養分含量發生了變化。本研究中玄武巖土壤全氮、有機碳和有效磷高于其他三大母質，淺海沉積物土壤pH和速效鉀含量最高，而花崗巖土壤全氮含量最低，變質巖土壤有機碳、有效磷和碳氮比最低，這與吳敏等[23]在不同母質條件下海南省膠園土壤肥力特性研究結果一致，說明經過長期自然和人為因素作用，不同成土母質膠園土壤養分狀況已經發生了變化。有關研究則表明土壤越貧瘠，土壤微生物對土壤養分的利用率較高，說明土壤的養分變化與微生物作用有著密切的關系[24]。

3.2? 橡膠人工林土壤微生物群落代謝功能特征

土壤微生物對碳源的利用不僅可以反映微生物的代謝功能類群，同時也是土壤肥力的重要生物指標[25]。隨著培養時間的變化曲線可以揭示土壤微生物群落的代謝強度，AWCD值越大，表明微生物的碳代謝活性越高，利用碳源的能力越強。Shananon-Wiener指數、Simpson指數和McIntosh指數分別代表了微生物群落的多樣性、最常見種的優勢度和物種的均勻度[22， 26]，多樣性指數越大，優勢度越明顯，物種均勻度越高，表明微生物群落功能多樣性越大，土壤生態系統越穩定。Biolog-Eco微平板的31種碳源分成六大類：碳水化合物類、氨基酸類、羧酸類、酚酸類、多聚物類和胺類[27]。本研究中，橡膠人工林土壤微生物AWCD值隨著培養時間延長而逐漸升高，這與其他學者的研究結果一致[28-29]。以往研究表明，碳水化合物類、氨基酸類和羧酸類是區分土壤微生物群落功能多樣性最主要和最敏感的碳源[30]。本研究中土壤微生物群落對碳水化合物類、氨基酸類和羧酸類的利用能力強于胺類和多聚物類，這與以往橡膠林研究有所差異。劉敏等[17]在橡膠人工林間作竹蓀研究中發現，土壤微生物碳源利用特征出現分異主要是由羧酸類、酚酸類、多聚物類和碳水化合物類碳源引起。周玉杰等[16]研究表明橡膠林土壤微生物群落對羧酸類、氨基酸類、胺類和糖及衍生物類利用能力較強，而對酚酸類和多聚物類的利用能力較差，這可能與橡膠人工林不同樹齡、不同林下種植模式條件下有機物質發生改變等原因有關[31-32]。

3.3? 橡膠人工林土壤肥力與微生物群落代謝功能的相關性

土壤微生物多樣性的影響因素很多，其中自然因素包括植被、土壤類型、水分、養分以及pH等[33]。孔隙度可以影響微生物的活力和養分轉化，N、K元素可以促進微生物的生長，C∶N值可以影響微生物生長代謝，pH可以影響土壤微生物多樣性和微生物群落對碳源的利用，這些理化指標不僅與微生物群落多樣性之間具有顯著相關性，而且也是影響微生物群落代謝功能變化的重要土壤因子[9]。宋漳等[34]研究發現土壤微生物種群和數量與土壤理化性質，土壤肥力與林木生長狀況均成正相關。本研究中橡膠人工林土壤微生物群落多樣性的AWCD值、McIntosh指數和Simpson指數與土壤孔隙度、全氮、有效磷呈顯著負相關，與pH、碳氮比呈顯著正相關，由此表明橡膠人工林土壤微生物群落與理化性質之間存在顯著的相互作用。

4? 結論

不同母質之間橡膠人工林土壤理化性質存在顯著差異，總體上玄武巖土壤肥力水平最高，其次是淺海沉積物和變質巖，花崗巖最低。不同母質橡膠人工林土壤微生物群落利用碳源的強度和種類差異不大，花崗巖和淺海沉積物發育土壤中微生物利用碳源功能強于變質巖和玄武巖。橡膠人工林土壤微生物群落利用碳水化合物類、氨基酸類和羧酸類強于胺類和多聚物類。橡膠人工林土壤微生物平均吸光值（AWCD值）和均勻度（McIntosh指數）、優勢度（Simpson指數）指標均與土壤孔隙度、有機碳、全氮、pH值等理化因子顯著相關，孔隙度、pH、全氮是影響土壤微生物功能多樣性的主要肥力因子。

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責任編輯：黃東杰