广州大学城绿地土壤的微生物群落结构分析

萧倩雯，林远，陈柳谕，邓碧松，陈小梅

（广州大学地理科学学院，广东广州 510006）

城市绿地是城市生态系统中的重要子系统，在改善空气质量、缓解城市热岛效应、保护生物多样性和维持碳氧平衡等方面具有重要作用。随着城市的不断发展，城市绿地类型越来越丰富，绿地的合理开发与利用也引起重视，不同类型绿地的生态功能是否一致一直备受关注。

目前关于城市绿地土壤质量与生态功能的研究主要集中于城市绿地土壤性状及特征、植被与土壤理化性质关系、土壤肥力诊断与综合评价、土壤改良与退化等方面，侧重对土壤理化性质进行分析［1，2］，对土壤微生物指标的关注较少［2，3］。土壤微生物可以通过影响土壤生态系统的结构、功能及过程进而对城市绿地生态功能的发挥产生影响，其群落组成、种群发展及生理状况是反映绿地土壤健康状况的良好指示器［3］。城市绿地土壤微生物群落受各种生物因素和非生物因素的影响［4］，土壤耕作方式、水分管理、有机肥料的使用、植被类型以及土壤结构、通气性、养分状况等土壤自身特性均可对土壤微生物群落结构产生影响［5，6］。已有研究表明，不同类型城市绿地土壤微生物数量、群落结构存在差异。蒋炳伸［7］对郑州市不同类型绿地土壤微生物特征进行研究发现，花卉绿地的土壤微生物数量、生物量碳氮均高于人工草灌地、人工林地；梁强等［8］研究表明，泰安市不同绿地土壤中的真菌与植被覆盖率显著相关，道路区的细菌、真菌数量均大于居民区；吴天文等［9］研究发现，徐州市公园绿地的土壤微生物数量和微生物量碳氮高于生产、道路交通等绿地。不同城市的研究结果存在差异，关于绿地土壤微生物群落结构差异的原因解释仍不清晰。

不同类型绿地因人为活动、养护水平等的差异在城市生态环境中发挥着不同作用，如学校教学区、生活区绿地的主要功能是美化环境；菜地的主要功能是农业生产；公园绿地的主要功能是为城市居民提供休闲、健身场所等［10］。近年来，由于城市发展的需要以及高校自身的发展扩张，大学城成为我国各地城市建设的热潮。大学城作为城市发展新区，承担着带动城市文化和教育发展的重要职能，在布局与建设上对环境质量与生态健康亦有较高要求，其各功能区绿地生态功能的发挥亦值得关注，但相关方面的研究仍较为不足。广州大学城是一个距离广州市中心城区约17 km的卫星城，其绿地类型多样，且开发和管理时间较一致，是研究大学城绿地功能的良好场所。因此，本试验以广州大学城的绿地为研究对象，分析不同类型绿地的土壤微生物群落结构特征及其影响因子，以期为城市绿化、大学城绿地建设的规划管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

广州大学城位于广州市番禺区小谷围街道，占地17.9 km2，选用卫星城的建设模式，是一个距离广州市中心城区约17 km的高校群体。该地区属亚热带季风气候，光热充足、温和多雨，全年温差相对较小。

1.2 样地选取

广州大学城绿化面积达55%，绿地类型多样。根据其各功能区绿地的利用方式、功能用途以及人类活动强度，结合实际用地情况，本研究选取学校教学区绿地、学校生活区绿地、农业生产绿地（菜地）、公园绿地、湿地和道路防护绿地6类功能区绿地作为研究对象。其中，湿地类型的绿地主要分布于大学城东、西、南、北4个方位，由此选取湿地类型样地4个；道路防护绿地选取大学城内环、中环和外环3条道路，由于道路防护绿地分布范围广，故本研究在每条道路均分别选取了3个不同方位路段的防护绿地作为样地，即道路防护绿地共选取样地9个；其余4种类型绿地均分别选取3个研究样地。本研究最终共选取样地25个，具体包括：学校教学区绿地—华南理工大学、广州大学和中山大学教学区；学校生活区绿地—华南理工大学、广州大学和中山大学生活区；菜地—穗石村菜地、北亭村菜地和南亭村菜地；公园绿地—贝岗公园、城市公园、中心湖公园；湿地—大学城东、西、南、北4个方位的湿地；道路防护绿地—大学城内环、中环和外环道路的绿地（图1）。

1.3 样品采集与处理

2018年1 月，在上述25个样地中对每个样地分别设置3个1 m×1 m的样方，使用内径5 cm的土钻随机采集0～10、10～20 cm两个土层的土壤。每个样地的土壤样品由3个样方同一层次的土壤样品混合而成，共采集土壤样品50个。去除土壤样品中可见的石块、根系、动植物残体等杂物，过2 mm筛并均匀混合，取三分之二的土样自然风干后测定基本理化性质，另外三分之一的新鲜土样于4℃冰箱冷藏，用于土壤微生物磷脂脂肪酸（PLFA）分析。

图1 研究选址分布示意

1.4 样品测定与分析

1.4.1 土壤理化性质测定 土壤含水量（W）采用烘干法测定，土壤pH值用电极电位法测定，土壤总有机碳（TOC）、全氮（TN）含量采用Vario EL元素分析仪（Elementar，Hanau，Germany）测定。

1.4.2 土壤微生物生物量及群落结构测定 土壤微生物生物量及其群落结构可通过分析土壤微生物磷脂脂肪酸组分进行测定。根据Bossio等［11］的方法并作部分调整，进行脂类提取、脂类分离、磷脂的碱性甲醇水解和皂化（甲基化）后，在安捷伦GC 7890气相色谱仪上采用Sherlock微生物鉴定系统（Version 6.2，MIDI Inc.，Newark，DE，United States）进行磷脂脂肪酸的测定分析。以19∶0脂肪酸甲酯为内标，确定不同标记的PLFAs含量（nmol·g-1）和相对丰度（%）。

以PLFAs量表征土壤微生物生物量，以各类磷脂脂肪酸表征土壤微生物的不同菌种。根据已有研究［12，13］，土壤微生物菌种及对应的磷脂脂肪酸标记如表1所示。菌种相对丰度（%）即各菌种PLFAs量在微生物总PLFAs量中所占的比例。为更好地分析各类型绿地的土壤微生物群落结构，本研究计算了真菌与细菌的 PLFAs比值（F／B）和革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌的PLFAs比值（GP／GN）并作进一步分析。

表1 磷脂脂肪酸生物标记

1.5 数据处理

借助ArcGIS对选址点的空间位置进行可视化分析。采用Microsoft Excel2010、Origin 2017软件整理试验数据。采用SPSS 20.0软件的单因素方差分析（one-way ANOVA）检验不同类型绿地的土壤理化性质、各类群土壤微生物PLFAs量等的差异，设置显著水平为P＜0.05。同时采用Pearson相关分析对土壤环境因子（W、pH、TOC、TN）与微生物群落指标之间的相关性进行检验。

2 结果与分析

2.1 不同类型绿地土壤的理化性质

研究结果显示（表2），由于采样季节为1月旱季，各类型绿地的土壤含水量均较低；在0～10cm，不同类型绿地的土壤含水量（W）和pH差异不显著（P＞0.05）；在10～20 cm，学校教学区、学校生活区、道路防护绿地的土壤pH值显著高于湿地（P＜0.05）。两个土层中，湿地土壤的TOC含量均为最高，学校生活区绿地均为最低；在0～10 cm，菜地和湿地土壤的TN含量显著高于道路防护绿地（P＜0.05）；在10～20 cm，学校教学区、学校生活区、道路防护绿地土壤的TN含量显著低于湿地（P＜0.05）。

表2 样地的土壤理化性质

2.2 土壤微生物PLFAs量的变化

在0～10 cm，土壤微生物总PLFAs量为：道路防护绿地＞菜地＞湿地＞公园绿地＞学校教学区绿地＞学校生活区绿地；在10～20 cm，土壤微生物总PLFAs量为：湿地＞公园绿地＞道路防护绿地＞菜地＞学校教学区绿地＞学校生活区绿地（图2）。由图2和图3可知，土壤微生物总PLFAs量和各类群PLFAs量的变化趋势相似，表层土壤的微生物PLFAs量显著高于亚表层（P＜0.05）；除了10～20 cm的真菌 PLFAs量外，学校教学区、学校生活区绿地的土壤微生物总PLFAs量及各类群PLFAs量均显著低于其他类型绿地（P＜0.05）。

图2 土壤微生物磷脂脂肪酸总量

图3 微生物主要类群的磷脂脂肪酸量

2.3 土壤微生物群落结构

研究结果（图4）表明，在不同土层中，各类绿地的细菌群落（含革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌）占主导地位，其次为放线菌和真菌群落，丛枝菌根真菌相对较少。学校教学区、学校生活区绿地土壤的细菌、放线菌相对丰度显著低于其他绿地类型（P＜0.05）；不同类型绿地的革兰氏阳性菌相对丰度高于革兰氏阴性菌，其中学校生活区绿地的革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌相对丰度均为最低；学校教学区绿地的丛枝菌根真菌、真菌相对丰度显著低于道路防护绿地（P＜0.05）；学校生活区、公园、道路防护绿地的真菌相对丰度较高，且相互间差异不显著（P＞0.05）；绿地土壤的丛枝菌根真菌相对丰度均较小，随着土层增加，各类绿地的丛枝菌根真菌相对丰度也在降低。

由图5可知，随着土层加深，各类型绿地土壤的真菌／细菌值（F／B）有增大趋势。学校生活区绿地土壤的F／B均为最大，且显著高于菜地和湿地（P＜0.05）。除了公园绿地，其余类型绿地的革兰氏阳性菌／革兰氏阴性菌值（GP／GN）随着土层加深均呈增大趋势。道路防护绿地土壤的GP／GN均显著低于学校生活区绿地（P＜0.05）。

图4 不同土层中土壤微生物相对丰度

图5 不同土层中的土壤F／B、GP／GN比较

2.4 微生物群落指标与土壤环境因子相关性

微生物群落指标（土壤微生物总PLFAs量、各菌种相对丰度、F／B、GP／GN）与土壤环境因子（土壤含水量 W、pH、TOC、TN）的相关分析结果表明（表3），土壤含水量与丛枝菌根真菌相对丰度呈显著正相关（P＜0.05）；土壤pH与土壤微生物总PLFAs量呈显著负相关（P＜0.05），与细菌、革兰氏阳性菌、放线菌的相对丰度呈极显著负相关（P＜0.01）；土壤 TOC、TN含量与土壤微生物总PLFAs量及细菌、放线菌、丛枝菌根真菌、真菌的相对丰度以及F／B均呈显著相关关系（P＜0.05），说明土壤pH、TOC、TN对该地区土壤微生物生物量及微生物的群落结构具有较显著影响；GP／GN与土壤含水量、pH及TOC、TN含量均无显著相关关系（P＞0.05）。

表3 土壤微生物总PLFAs量、相对丰度与土壤环境因子的相关系数

3 讨论与结论

3.1 不同类型绿地土壤微生物生物量分析

研究结果表明随着土层加深，不同类型绿地的微生物总PLFAs量及各主要类群PLFAs量均有所降低，这与表层土壤养分资源相较于底层土丰富有关［14］。土壤有机碳是土壤微生物呼吸的底物，也是土壤微生物生长的能量来源之一［15］；氮源参与蛋白质等大分子物质的合成，是微生物生长和代谢所必需的大量元素［6］。本研究结果表明，土壤TOC、TN含量与土壤微生物总PLFAs量呈极显著正相关，而土壤TOC、TN含量较低的学校教学区、学校生活区绿地土壤微生物总PLFAs量亦显著低于其他类型绿地。土壤环境因子影响着土壤营养物质的可利用性，进而影响土壤微生物的生长、活性及群落结构等［15］。土壤pH是重要的环境因子之一，可对微生物的吸附、胞外酶的产生与分泌等产生影响［6］。本研究发现，菜地、公园绿地、湿地土壤在不同土层中均呈酸性，可能与农业生产过程中肥料、农药使用等有关。由于土壤微生物总PLFAs量与土壤pH呈显著负相关，在不同土层中，菜地、公园绿地、湿地的微生物总PLFAs量均较高。

城市绿地的土壤性质、植被情况和人为扰动等是影响土壤微生物生物量等的重要生态因素［2］，其中植被对土壤微生物的影响可基于植被凋落物的类型、数量和根系分泌物等［6］。本研究发现，学校教学区、学校生活区绿地的土壤微生物总PLFAs量显著低于其他类型绿地，与孙其远［16］得出的道路绿地土壤微生物总量为各绿地类型中最低的结论不一致。结合实际可知，广州大学城道路防护绿地植被覆盖度普遍较高，有利于土壤微生物生长所需养分的增加，且相比于大部分城市地区，广州大学城大型道路修建活动较少，人为干扰程度不及学校教学区、学校生活区绿地，这也促使大学城道路防护绿地的土壤微生物总PLFAs量相对较高。

3.2 不同类型绿地土壤微生物群落结构分析

细菌相比于其他菌种，更喜欢在相对湿润的土壤环境中生长，受水分和干旱胁迫明显［17］。广州大学城地处亚热带季风气候区，气候湿润，年降水量丰富，故在各类型绿地土壤中，细菌群落（含革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌）均占主导地位，与其他学者［7，18］的研究结果类似。

本研究结果表明，细菌、放线菌、丛枝菌根真菌、真菌的相对丰度与土壤TOC、TN含量显著相关；学校教学区、学校生活区绿地的细菌相对丰度显著低于其他绿地类型，且教学区绿地的放线菌、丛枝菌根真菌、真菌相对丰度显著低于道路防护绿地，与蒋炳伸［7］、孙其远［16］得出的道路绿地细菌相对丰度最低的结果不一致。细菌代谢强、繁殖快，可分解各种有机质，是土壤最活跃的因素。本研究中，广州大学城教学区、生活区绿地的细菌相对丰度显著低于其他绿地类型可能是由于：一是相比道路绿地，教学区、生活区绿地多是在学校修建时建设，土壤受到一定程度的压实作用，同时存在建筑垃圾、外来石块等的填充现象；建成后未有加设围栏等保护措施，受人为踩踏、车辆碾压等影响较大，土壤容重相对较高，通气性较差，加上日常翻动、修护等干扰，故对较为活跃的细菌的生长繁殖相对不利；二是土壤含水量较低，植被覆盖不均匀，凋落物较少，为细菌生长提供的养分较少。放线菌等类群的发育远比大多数真菌和细菌缓慢［19］，广州大学城教学区绿地土壤的放线菌、丛枝菌根真菌相对丰度显著低于道路防护绿地，这可能由于：一是教学区建成时间较短，可参与分解的动植物残体等较少；二是道路防护绿地附近存在一定的自然植被，教学区人为干扰的程度较大，枯枝落叶较少，限制放线菌等的发展。这也体现出土壤环境及基质供应的差异对土壤微生物群落结构等具有重要影响。

真菌／细菌值可反映真菌和细菌的相对丰度以及相对含量的变化范围［20］。本研究结果表明，随着土层加深，土壤微生物总PLFAs量降低，各类型绿地细菌的PLFAs量相比于真菌有更大幅度的降低，故随着土层加深各类型绿地土壤的F／B有增大趋势，推测与较深土层土壤水分、有效养分减少及通气性降低等相关。这也说明不同微生物类群对土壤环境变化的响应能力以及敏感程度不同。此外，有研究发现，革兰氏阳性菌／革兰氏阴性菌值可反映土壤质量状况，比值越大则说明土壤的有机碳等越低，土壤营养状况越贫乏［17］。本研究中，除公园绿地外，其余类型绿地的GP／GN随着土层加深均呈现增大趋势，说明大多数类型绿地的土壤质量随土壤深度的增加而变差，表层土壤肥力质量较好，体现出土壤肥力特性的“表聚性”［21］。