不同母质发育橡胶林土壤微生物特征研究

赵春梅，王文斌，Didier Lesueur，张永发，薛欣欣，罗雪华，李晓波

(1.中国热带农业科学院土壤肥料研究中心，农业农村部橡胶树生物学与遗传资源利用重点实验室，省部共建国家重点实验室培育基地-海南省热带作物栽培生理学重点实验室，中国热带农业科学院橡胶研究所，海口 571101；2.CIAT Asia-International Center for Tropical Agriculture(CIAT), Agricultural Genetics Institute, Pham Van Dong, Tu Liem, Hanoi, Vietnam-opposite the Ministry of Public Security；3.海南农垦南繁产业集团有限公司，三亚 572022)

【研究意义】土壤的形成和性质是母质决定下的继承特征与气候环境(包括人类活动)影响下的次生特征的矛盾统一[1]。在母质、地形、生物、气候等长期共同作用下，土壤具备了为植物生长提供和协调营养条件和环境条件的能力。土壤肥力作为土壤质量评价和生产力提升的重要依据，曾被简单等同于土壤养分。随着土壤学概念的外延，土壤肥力发展到土壤养分、土壤物理性质、生物化学性质及环境条件等综合性指标，微生物作为土壤肥力的生物指标受到研究者们的关注和重视[2]。研究表明植被和母质是影响土壤微生物的关键因素[3]，成土母质不仅控制着土壤的物理化学组成，为土壤生物生长提供必要的大量营养物质，而且还影响着土壤微生物的结构和群落，因此研究不同母质土壤理化性质与微生物之间的相关性及其影响因素具有重要意义。【前人研究进展】目前，针对林分、立体环境、海拔、土地利用方式、施肥等条件下土壤肥力与微生物量的相关报道较多[4-8]，但不同土母质土壤肥力与微生物的相关性研究还鲜见报道，主要集中在冲积土、潮土、红壤和水稻土等部分土壤类型的微生物量含量方面[9-12]。魏亮等[13]研究发现不同母质发育土壤(花岗岩红壤、酸性紫色土和第四纪红土红壤)中微生物量碳与有机碳、溶解性有机碳存在显著正相关关系；盛浩等[14]发现不同母质发育稻田表层土壤微生物生物量碳含量存在显著差异；刘松涛等[15]发现不同质地土壤(砂土、壤土、粘土)种植棉花根际细菌、真菌、放线菌的数量及磷酸酶、脲酶和蔗糖酶的活性特征有差异；陈旸[12]、夏文建[16]等研究表明施肥可以提高土壤养分、微生物生物量和土壤酶活性，但是不同土质中微生物量对施肥量增加的响应规律不同。【本研究切入点】海南岛是中国发展橡胶的重要基地，热量丰富，雨量充沛，存在明显的季节和区域分布差异。在温度、水分状况、地形地貌、植被和母质等成土因素的共同影响下，海南岛土壤呈现区域差异大、受母质影响大等特点。自20世纪50年代海南岛开始大规模植胶以来，经过60多年的植胶生产，橡胶林中出现了土壤养分大面积下降等问题[17-20]。尤其是单一栽培等耕作方式在很多地方造成了较多生态问题，包括土地退化、土壤酸化、生物多样性减少等。针对以往出现的橡胶林土壤质量和环境问题，学者们已陆续开展了土壤养分、酶活性等方面的静态调查以及养分循环与施肥决策系统等动态分析，尤其是近年围绕橡胶林土壤微生物群落结构等方面做了大量研究[21-25]，但仍未减缓橡胶林土壤肥力持续下降的趋势。【拟解决的关键问题】通过研究不同成土母质橡胶林土壤理化性状与微生物特征及其二者之间的相互关系以及探寻影响土壤肥力的主要环境因子，以期为天然橡胶林生态系统土壤保护和生产管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

海南省属于湿润热带地区，地处108°37′～111°05′E，18°10′～20°10′N，年均气温25.5 ℃，日照时数2100 h，年均降水量1600 mm，干湿季分明，5—10月为湿季，11月至次年4月为干季。光、热、水等气候条件优越，自然资源丰富，生物多样性较多。海南岛土壤发育过程复杂，主要成土母质包括花岗岩、安山岩、玄武岩、花岗片麻岩、石灰岩、板岩、砂质岩、浅海沉积物、河流冲积物等类型。海南橡胶林土壤大多以花岗岩、玄武岩、变质岩(花岗片麻岩、石灰岩、板岩)和浅海沉积砂页岩等四大母质发育而成的砖红壤为主[26]，林下自然植被由灌木、藤本、乔木幼苗以及草本植物组成，主要有山黄麻(Trematomentosa)、大青(Clerodendrumcyrtophyllum)、牛筋藤(Malaisiascandens)、飞机草(Eupatoriumodoratum)、弓果黍(Cyrtococcumpatens)、火炭母(Polygunumchinense)、地胆头(Elephantopusscaber)、含羞草(Momosapudica)、野牡丹(Melastomacandidum)、糙叶丰花草(Borreniaarticulalis)、海金沙(L.japonicum)等植物。一般每年会经过控萌、压青等生产活动，清除一些覆盖度大的乔木科植物。成熟期橡胶林(15龄以上)林分郁闭度大多数在85%以上，株行距为3 m×6 m。样地基本情况如表1所示。

表1 样地基本情况

1.2 试验材料

2019年5月在海南不同母质发育(花岗岩、玄武岩、变质岩、浅海沉积物)橡胶林各选择3块样地，共12块样地。每个样地内按照“X”型选择橡胶树10株，每株样树周围取土深度为0～20和20～40 cm，再分别按土层混合成3个重复土样，每个土样采集1.0 kg装入自封袋存于冰盒并运回实验室。在实验室内对每个土样进行风干过筛并混匀，去除根系、石砾等杂物，用于测定土壤容重、孔隙度、含水量等物理指标。再采用四分法将每个土样分为2份，1份用于土壤理化指标分析，另1份保存在4 ℃冰箱内用于土壤微生物生物量测定。

1.3 试验方法

参照参考文献[27]测定土壤理化指标和土壤微生物生物量指标。

土壤理化指标测定：土壤温度采用温湿度检测仪(Takeme-P)测定，土壤含水量采用烘干法测定，孔隙度、容重采用环刀法测定，pH值采用电位法测定，有机碳采用碳氮元素分析仪测定，全氮、有效氮采用凯氏定氮法测定，全磷、有效磷采用钼锑抗比色法测定，全钾、有效钾采用中性NH4OAc浸提-火焰光度法测定。

土壤微生物生物量指标测定：土壤微生物量碳(MBC)、土壤微生物量氮(MBN)和土壤微生物量磷(MBP)采用氯仿熏蒸浸提法测定，熏蒸后提取液分别由有机碳分析仪测定C，连续流动仪测定N，紫外—可见分光光度计测定P，通过熏蒸和未熏蒸土样含量差值计算MBC、MBN、MBP。

1.4 数据分析

使用Excel 2016软件进行数据预处理和作柱形图，Spss 19.0软件作方差分析(ANOVA)、相关性分析(Pearson)和主成分分析(PCA)，Canoco 5.0软件作冗余分析(RNA)。

2 结果与分析

2.1 不同母质发育橡胶林土壤理化性质

不同母质土壤物理性状差异显著(表2)。随着土层加深，除土壤温度无较大变化外，含水量、孔隙度均逐渐降低，容重则增高。4种母质土壤物理指标比较：温度为玄武岩>浅海沉积物>变质岩>花岗岩，含水量为玄武岩>花岗岩>变质岩>浅海沉积物，孔隙度为玄武岩>浅海沉积物>变质岩>花岗岩，容重为变质岩>浅海沉积物>花岗岩>玄武岩，整体上不同母质类型中玄武岩土壤物理性状优于其他母质。

表2 不同母质发育橡胶林土壤物理特性

不同母质土壤化学性质差异显著(表3)。随着土层加深，除pH升高以外，有机碳、有效氮、有效磷、速效钾、全氮、全磷含量均明显降低，全钾含量变化则无规律。4种母质土壤化学指标比较：pH、速效钾为浅海沉积物>变质岩>花岗岩>玄武岩，有机碳为玄武岩>浅海沉积物>花岗岩>变质岩，有效氮为玄武岩>变质岩>浅海沉积物>花岗岩，有效磷为玄武岩>花岗岩>变质岩>浅海沉积物，全氮、全磷为玄武岩>浅海沉积物>变质岩>花岗岩，全钾为花岗岩>浅海沉积物>变质岩>玄武岩，表明不同母质中玄武岩土壤化学特性优于其他母质。

表3 不同母质发育橡胶林土壤化学性质

2.2 不同母质发育橡胶林土壤微生物特征

不同母质发育橡胶林土壤微生物特征不同(图1)。MBC、MBN与MBP在0～20 cm土层中变化范围分别为131.58～407.50、42.40～89.64、0.07～0.51 mg/kg，在20～40 cm土层中分别为40.01～336.18、34.90～66.08、0.18～0.42 mg/kg。0～20 cm土层中MBC、MBN、MBC/MBN、MBC/MBP与MBN/MBP都高于20～40 cm土层，MBP低于20～40 cm土层。0～20 cm土层中不同母质之间微生物指标均达显著差异，20～40 cm土层中不同母质间MBC、MBP、MBC/MBN、MBC/MBP差异显著。4种母质之间土壤微生物生物量比较：MBC为玄武岩>变质岩>花岗岩>浅海沉积物，MBN、MBP为玄武岩>花岗岩>变质岩>浅海沉积物，MBC/MBN为变质岩>玄武岩>花岗岩>浅海沉积物，MBC/MBP为变质岩>花岗岩>玄武岩>浅海沉积物，MBN/MBP为花岗岩>变质岩>浅海沉积物>玄武岩，整体上玄武岩的土壤微生物量最高，浅海沉积物最低，花岗岩和变质岩居中。说明海南不同母质发育橡胶林土壤微生物含量及其特征存在差异，并且不同母质土壤微生物量在不同土层之间的分布和变化也不相同。

图1 不同母质发育橡胶林土壤微生物量

2.3 不同母质类型橡胶林土壤肥力的主成分分析

通过主成分分析可以在降维后的主元向量空间中用点的位置直观地反映不同母质类型差异，同时还可用点与箭头的投影距离来判别样本与环境指标之间的相关关系。本研究应用主成分分析(PCA)从19个变量中提取出2个主成分因子，第1个成分(PCA1)和第2个成分(PCA2)可以分别解释0～20和20～40 cm土层所有变量的61.74%和31.19%、65.26%和20.40%，2个主成分累计方差贡献率分别达到92.93%、85.66%，因此取前2个主成分(PCA1和PCA2)得分作图来表征不同母质橡胶林土壤肥力状况及其与环境因子的关系。由图2可知，玄武岩、变质岩、浅海沉积物在0～20和20～40 cm土层分布象限相同，分别为第一、三、四象限，花岗岩在两土层中分布在第二和第三象限。通过各主成分的贡献率和特征根进行计算并加权得出玄武岩、浅海沉积物、变质岩、花岗岩的最终得分，分别为1.90、1.88、1.59、-5.37，玄武岩得分最高，浅海沉积物与变质岩居中，花岗岩最低。

花岗岩：c1～c6；玄武岩：c7～c12；变质岩：c13～c18；浅海沉积物：c19～c24

基于主成分的因子分析方法，求出不同母质前10个主要环境指标的公因子方差和权重(表4)，方差大小表示该项指标对土壤肥力总体变异的贡献，权重大小表明该指标在土壤肥力评价中的相对重要程度高低。计算所有指标公因子方差的加权平均值，得出4种母质共有的重要影响因子(按大小顺序)为MBN、MBC/MBP、MBC、MBC/MBN、含水量、土壤温度、有效氮、有机碳、全氮、全钾、孔隙度等。花岗岩的主要影响因子是孔隙度、全磷、有效磷、含水量、有效氮等，玄武岩的主要因子是MBN、MBC/MBP、含水量、MBC/MBN、速效钾等，变质岩的主要因子是含水量、有效氮、全氮、MBC、有机碳等，浅海沉积物的主要因子是有效氮、MBN、MBC/MBP、全氮、MBC/MBN等。说明土壤微生物量是影响海南橡胶林土壤肥力的重要指标，并且海南不同母质发育橡胶林中土壤理化性质与微生物特性存在差别。

表4 土壤肥力评价指标公因子方差和权重

2.4 土壤微生物量与理化性质之间的相关性

如表5所示，土壤MBC与含水量、孔隙度、有效氮、有效磷、全磷均呈极显著正相关，与容重、pH、速效钾、全钾均呈极显著负相关，与有机碳、全氮呈显著正相关；土壤MBN与含水量、C/N呈极显著正相关，与pH呈极显著负相关，与有机碳、速效磷、全磷呈显著正相关，与容重、速效钾呈显著负相关；土壤MBP与土壤温度、含水量、孔隙度、有机碳、有效磷、全氮、全磷均呈极显著正相关，与容重呈极显著负相关，与pH、速效钾呈显著负相关。MBC/MBP与全钾呈极显著负相关，与pH显著负相关，MBC/MBN与土壤温度呈显著负相关，MBN/MBP与C/N呈极显著正相关，与土壤温度呈显著负相关。通过冗余分析(RDA)的“向前选择”检验，得出对土壤微生物量影响最显著的理化因子(P<0.05)，其特征值大小为含水量(F=7.9)> pH(F=7.3)>全钾(F=7.2)>温度(F=4.0)>C/N(F=3.8)>全磷(F=3.5)>有效氮(F=3.4)>容重(F=3.0)。说明海南橡胶林土壤理化性质与微生物之间具有明显的相关性，土壤含水量和土壤温度是影响土壤微生物量的主要物理指标，全钾、全磷、有效氮是影响土壤微生物量的主要化学指标。

表5 橡胶林土壤微生物量与土壤理化指标的相关分析

3 讨 论

3.1 不同母质发育橡胶林土壤理化性质差异

热带地区岩石在成土和风化过程中因淋溶、风化程度不同而存在化学性质差异[1]。海南地处热带季风气候地区，玄武岩、花岗岩、变质岩和浅海沉积物等母质因成土原因、地形分布和气候条件不同而表现出不同的理化特征。比如花岗岩矿物富含钾丰富，但矿物质含量少、不易风化，土壤理化性状较差。玄武岩地处平坦北部、东北部地区，土壤有机质丰富，但因为早期发育中土壤富含吸磷的氧化铁和氧化铝成分，导致土壤缺磷。吴敏等[28]认为受风化过程中盐基离子强烈淋失作用，使得海南胶园玄武岩有机质、全氮、全磷、有效氮等指标均高于其他母质；本研究中玄武岩土壤的理化性状优于其他母质，并且有效磷含量较高，与以往研究中玄武岩土壤一直缺磷等结论不太一致，其原因可能是后期耕作施肥导致土壤有效磷偏高。变质岩也是海南种植橡胶面积分布较多的母质，该母质是在地质运动下重新形成的新岩石，化学性质和结构较为复杂，本研究结果中变质岩理化特征介于其他母质之间。浅海沉积物大多分布在地处沿海地区，易遭雨水冲击侵蚀，但在河流冲积物中因含有较多含钾的粘土矿物，因此成为了后期风化过程中钾素储备库，这也可能是本研究中浅海沉积物速效钾含量高出其他母质的原因。

3.2 不同母质发育橡胶林土壤微生物特征差异

母质对土壤微生物原始群落结构有优先选择权，不同母质土壤微生物群落多样性和生物量特征有差异。Jaroslaw等[29]评估波兰不同类型土壤细菌群落差异性时，发现优质土壤微生物群落水平生理特征明显高于其他土壤。耿建梅等[30]发现海南胶园不同母质土壤细菌、真菌、放线菌的数量存在较大差异。研究表明土壤微生物量碳、微生物量氮受成土母质影响最显著[13]，本研究中玄武岩土壤微生物量碳、微生物量氮、微生物量磷的含量显著高于花岗岩、变质岩和浅海沉积物。学者们还认为不同母质发育土壤微生物量差异性与土壤养分存在复杂关系，母质、气温、含水量等指标是影响土壤微生物特征的主要因子[8,14]。同样本研究中MBC、MBP与含水量、孔隙度、氮、磷等指标呈极显著正相关，MBN与含水量、C/N呈极显著正相关，MBP、MBC/MBN、MBN/MBP与土壤温度极显著相关。但本试验中部分理化指标(尤其是有机碳)与微生物特征的相关性不太明显，可能是母质、理化性状、气候等综合因素的相互作用对土壤微生物量产生直接或间接影响的结果，其作用机理还待进一步深入探究。

3.3 不同母质发育橡胶林土壤肥力水平评价

土壤微生物量作为土壤肥力生物评价指标，已在红壤、红黄壤、紫色土等土壤类型展开研究，将土壤微生物量等生物指标作为土壤肥力与土壤质量的评价指标来指导农业可持续生产以及土壤生态系统管理，已逐渐成为目前世界研究的热点[31-32]。我国主要植胶区土壤微生物量碳含量水平主要集中在24.2～869.0 mg/kg，其中海南橡胶园土壤微生物量碳分布范围为100～350 mg/kg，属于中等偏下水平，本试验结果与此结论基本一致[33]。与其他土壤类型相比，海南橡胶林土壤微生物量介于国内河南潮土、成都冲积水稻土、湖南黄壤等土壤之间，但明显低于热带雨林，这些差异主要因为橡胶林根系生长代谢旺盛、凋落物分解速度快，有利土壤微生物生长繁殖和代谢功能发展，因此微生物数量和组成高于其他土壤类型。本研究中花岗岩肥力综合评价得分最低，玄武岩最高，但与变质岩、浅海沉积物相差不大，其原因主要还是不同母质之间土壤理化指标和微生物特征存在差异。所以，今后综合考虑土壤理化性质和微生物特征对于指导橡胶林可持续生产具有重要意义。

4 结 论

不同母质发育橡胶林在土壤物理性状、化学成分、微生物生物量等方面均存在显著差异，并且以玄武岩土壤理化指标和微生物量含量最高。不同母质橡胶林土壤肥力的主要影响因子包括是微生物量氮、微生物量碳、土壤含水量、土壤温度、有效氮等。橡胶林土壤理化性状与土壤微生物量之间具有密切关系，其影响微生物量的主要理化指标为土壤含水量、pH、全钾、土壤温度、全磷、有效氮等。