海南不同母质橡胶人工林土壤微生物群落功能特征

赵春梅 张永发 罗雪华 薛欣欣 王文斌 吴小平 罗梁元 Didier Lesueur

摘  要：本研究运用Biolog-Eco微平板培养技术对海南橡胶人工林4种母质（花岗岩、玄武岩、变质岩和浅海沉积物）发育土壤微生物群落功能特征进行研究，同时测定土壤理化特性，探究不同母质发育橡胶人工林土壤微生物群落的代谢活性和功能特征及其与土壤理化性质的相关性。结果表明：不同母质之间橡胶人工林土壤理化性质存在显著差异，总体上玄武岩土壤肥力水平最高，其次是浅海沉积物和变质岩，花岗岩最低;随着培养时间的延长，土壤微生物吸光值（AWCD）逐渐增加并在216 h达到最大值，土壤碳源利用能力也逐渐增强并趋于稳定;花岗岩和浅海沉积物发育土壤中微生物利用碳源功能强于变质岩和玄武岩;橡胶人工林土壤微生物群落碳源代谢对碳水化合物类、氨基酸类和羧酸类较强，对胺类和多聚物类较弱;土壤微生物吸光值（AWCD）、均匀度（McIntosh指数）和优势度（Simpson指数）均与土壤孔隙度、有机碳、全氮、pH值、碳氮比等理化因子显著相关;孔隙度、pH值、全氮是影响土壤微生物功能多样性的主要环境因子。

关键词：橡胶人工林;成土母质;Biolog-Eco;微生物功能多样性;土壤肥力

中图分类号：S714.3      文献标识码：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环中最核心的组成部分，也是土壤生物化学性质的关键成分[1]。土壤中存在着种类丰富和数量极其庞大的微生物，到目前为止，已经被描述出来的微生物大约有5000种[2]。土壤生态系统中存在大量微生物群落不仅对土壤的形成发育、物质转化和肥力演变等过程具有重大影响，对土壤的物质循环和能量流动也起着非常重要的作用[3]。土壤微生物的含量、种类及其变化是导致土壤肥力变化的重要原因，因此被认为是评价土壤肥力与土壤质量的重要生物学指标[4-6]。近年来，生物学指标尤其是土壤微生物方面的指标被日益重视并用于评价土壤肥力，将土壤微生物量、微生物多样性等作为土壤肥力与土壤质量的生物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研究热点[7-9]。

天然橡胶林是从天然次生林转变而来，是重要的战略物质来源，也是我国最大的热带人工林生态系统。自20世纪50年代大面积种植橡胶树以来，天然橡胶林经过耕作、施肥、割胶、除草等持续和高强度的人为管理，扰动了土壤微生物多样性，使得橡胶人工林出现土壤养分失衡、土壤酸化、污染等一系列环境问题。因此，如何恢复橡胶人工林土壤环境健康和促进天然橡胶生产可持续发展，成为该行业更为关注和急需解决的问题。

近年来，为提高橡胶人工林土壤肥力和改善土壤环境质量，学者们广泛开展了不同耕作（施肥、间作、栽培等）模式下橡胶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结构等涉及土壤肥力与健康状况方面的研究[10-17]，然而关于橡胶人工林土壤微生物的变化规律并不统一，因此有必要对橡胶人工林的微生物群落功能及多样性做进一步研究。

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，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[18]。目前，针对不同母质发育橡胶人工林土壤微生物群落代谢功能的研究鲜见报道。本研究以海南不同母质橡胶人工林土壤为研究对象，采用Biolog-Eco技术分析海南橡胶人工林土壤微生物群落代谢功能差异，进一步揭示橡胶人工林土壤微生物群落特征及其与土壤肥力之间的关系，为实现橡胶人工林可持续经营管理提供理论依据。

1  材料与方法

1.1  材料

本研究选择海南岛橡胶人工林为研究对象，橡胶树品系为‘PR107，树龄为16 a，株行距规格3 m×6 m，各样地的栽培管理措施和割胶制度基本一致。2019年5月分别在海南不同母质发育（花岗岩、玄武岩、变质岩、浅海沉积物）的橡胶人工林各选择3块样地，共12块样地，每块样地30 m×30 m。样地取样时以对角线在地块内选取10个点做成1个混合样，每个样点重复采样3次，采集土层0～20 cm。每个样方用环刀采集土样，用于测定土壤容重、孔隙度及土壤含水率，同时另外取1.0 kg土壤样品迅速装入自封袋并用冰盒保存，运回实验室放置于4 ℃的冰箱保存。土壤样品分成2份，其中一份供Biolog-Eco测定分析;另一部分风干后，经过研磨过筛，供土壤理化性质分析。

1.2  方法

1.2.1  土壤理化性质测定  参照《土壤农业化学分析方法》测定土壤含水量、孔隙度、容重、有机碳、全氮、有效磷和速效钾含量等指标[19]。具体方法如下：土壤含水量采用烘干法测定;土壤孔隙度、容重采用环刀法测定;土壤pH采用电位法（土水比为1∶2.5）测定;土壤有机碳采用碳氮元素分析仪（TOC）测定;全氮、有效氮采用凯氏定氮法测定;有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定;有效钾采用中性NH4OAc浸提?火焰光度法测定。

1.2.2  土壤微生物群落功能多样性测定  采用Biolog-Eco（31种碳源）微平板培养技术测定土壤微生物群落碳代谢功能多样性[20-21]。具体方法如下：称取10 g土样加入到90 mL含少量玻璃珠的无菌水中，120 r/min振荡30 min，得到土壤悬浊液备用。取土壤悬浊液5 mL用45 mL无菌水进行稀释，重复稀释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 ℃恒温避光培养240 h，每隔24 h用酶标仪（Customized Microplate Reader， Elx808TM， Biolog， Hayward， USA）读取590、750 nm处的吸光值。

1.3  数据分析

Biolog-Eco板中不同母质橡胶林土壤微生物群落碳源利用特征，采用590 nm处值减去750 nm处的平均每孔颜色变化率即平均吸光值（average well color development，AWCD）来表示;不同母质橡胶林土壤微生物代谢功能多样性特征采用216 h处每孔吸光值计算，AWCD值、Shannon-Wiener多样性指数、Simpson优势度指数、McIntosh指数的具体计算参照杨永华等[22]的方法。

采用Excel 2012、SPSS 19.0软件对数据进行统计分析，并作方差分析（ANOVA）、主成分分析（PCA）和相關性分析（Pearson）。

2  结果与分析

2.1  不同母质橡胶人工林土壤理化性质

由表1可知，海南橡胶人工林各种成土母质发育的土壤温度差异不显著，但其他理化性质差异均显著。不同母质土壤理化指标含量比较中孔隙度为玄武岩>浅海沉积物>变质岩>花岗岩，全氮为玄武岩>变质岩>浅海沉积物、花岗岩，含水量为玄武岩>花岗岩、变质岩>浅海沉积物，容重为变质岩>浅海沉积物>花岗岩>玄武岩，pH为浅海沉积物高于其他3种母质，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，碳氮比为变质岩均低于其他母质。

2.2  不同母质土壤微生物群落对碳源的利用特征

不同母质橡胶人工林土壤微生物平均吸光值（AWCD）如图1所示，在培养24 h以内，各种母质AWCD值均无明显变化，24～216 h培养期间，AWCD值随培养时间的增长而升高，24～72 h，AWCD值增长最快，72～216 h，AWCD值增长速率减慢并逐渐稳定，216 h后基本趋于平稳。不同培养阶段各种母质AWCD值变化不同，24～96 h，表现为浅海沉积物>花岗岩>玄武岩>变质岩，96～240 h，表现为花岗岩>浅海沉积物>玄武岩>变质岩。

2.3  不同母质土壤微生物群落功能多样性

表2中不同母质橡胶人工林土壤微生物群落总碳源的AWCD值、McIntosh指数均呈极显著差异，其大小比较表现为花岗岩、玄武岩>变质岩、浅海沉积物;Shannon-Wiener指数、Simpson指数差异均不显著。

2.4  不同母质土壤微生物群落功能多样性的主成分分析

应用主成分分析能够解释土壤微生物对31种碳源利用的差异。采用培养216 h后的AWCD值，对不同母质橡胶人工林土壤微生物对31种碳源利用特征进行主成分分析（PCA），提取2个主成分因子并做荷载图，如图2所示，前2个主成分的方差累计贡献率达到80.06%，其中PC1的方差贡献率为43.04%，权重最大，PC2次之，方差贡献率为37.02%。在荷载图中，玄武岩（?0.0366，1.4508）分布在第二象限;花岗岩（?0.5323，?0.8266）、变质岩（?0.8454，?0.2195）同时分布在第三象限;浅海沉积物（1.4144，?0.4050）分布在第四象限。

分析31种碳源在2个主成分上的荷载值（表3），结果显示，对PC1贡献大（载荷值>0.7）的碳源有14种，分别为羧酸类4种、氨基酸3种、碳水化合物类、酚酸类和多聚物类各2种、胺类1种，其中对PC1贡献率最大是碳水化合物类中i-赤藓糖醇（0.918）和1-磷酸葡萄糖（0.856）;对PC2贡献大的碳源有9种，分别为碳水化合物类5种、氨基酸2种、羧酸类和多聚物类各1种，其中对PC1贡献率最大是碳水化合物类中D，L--磷酸甘油（0.989）和氨基酸类中L-苯丙氨酸（0.915）。

2.5  土壤理化性质与微生物群落功能多样性指数的相关性

橡胶人工林土壤理化性质和土壤微生物群落功能多样性指数进行Pearson相关性分析，结果见表4。土壤微生物群落的AWCD值与孔隙度呈极显著负相关（P<0.01），与pH、碳氮比呈显著正相关（P<0.05），与全氮、有效磷呈显著负相关（P<0.05）;McIntosh指数与含水量、孔隙度呈显著负相关（P<0.05），与pH、速效钾、碳氮比呈显著正相关（P<0.05）;Simpson指数与土壤温度、孔隙度、全氮呈极显著负相关（P<0.01），与有机碳、有效磷呈显著负相关（P<0.05），与容重呈显著正相关（P<0.05）;Shannon指数与所有土壤理化性状相关性不显著。

3  讨论

3.1  不同母质橡胶人工林土壤肥力变化

土壤有机质和氮磷钾养分在成土母质上对母岩特性有继承性，因此不同母质土壤的物理性状和化学组成各不相同。何向东等[18]较早将海南成土母质划分为4类：玄武岩（缺磷钾富镁铁区）、花岗岩和安山岩（缺磷镁富钾硅铝区）、变质岩（缺磷富铁铝区）、浅海物砂页岩（缺氮磷钾富硅区）。由于生物气候和耕作施肥等因素的长期作用，逐步弱化了因母岩成分不同而造成的土壤养分差异，致使多种母质之间土壤有机质和氮磷钾养分含量发生了变化。本研究中玄武岩土壤全氮、有机碳和有效磷高于其他三大母质，浅海沉积物土壤pH和速效钾含量最高，而花岗岩土壤全氮含量最低，变质岩土壤有机碳、有效磷和碳氮比最低，这与吴敏等[23]在不同母质条件下海南省胶园土壤肥力特性研究结果一致，说明经过长期自然和人为因素作用，不同成土母質胶园土壤养分状况已经发生了变化。有关研究则表明土壤越贫瘠，土壤微生物对土壤养分的利用率较高，说明土壤的养分变化与微生物作用有着密切的关系[24]。

3.2  橡胶人工林土壤微生物群落代谢功能特征

土壤微生物对碳源的利用不仅可以反映微生物的代谢功能类群，同时也是土壤肥力的重要生物指标[25]。随着培养时间的变化曲线可以揭示土壤微生物群落的代谢强度，AWCD值越大，表明微生物的碳代谢活性越高，利用碳源的能力越强。Shananon-Wiener指数、Simpson指数和McIntosh指数分别代表了微生物群落的多样性、最常见种的优势度和物种的均匀度[22， 26]，多样性指数越大，优势度越明显，物种均匀度越高，表明微生物群落功能多样性越大，土壤生态系统越稳定。Biolog-Eco微平板的31种碳源分成六大类：碳水化合物类、氨基酸类、羧酸类、酚酸类、多聚物类和胺类[27]。本研究中，橡胶人工林土壤微生物AWCD值随着培养时间延长而逐渐升高，这与其他学者的研究结果一致[28-29]。以往研究表明，碳水化合物类、氨基酸类和羧酸类是区分土壤微生物群落功能多样性最主要和最敏感的碳源[30]。本研究中土壤微生物群落对碳水化合物类、氨基酸类和羧酸类的利用能力强于胺类和多聚物类，这与以往橡胶林研究有所差异。刘敏等[17]在橡胶人工林间作竹荪研究中发现，土壤微生物碳源利用特征出现分异主要是由羧酸类、酚酸类、多聚物类和碳水化合物类碳源引起。周玉杰等[16]研究表明橡胶林土壤微生物群落对羧酸类、氨基酸类、胺类和糖及衍生物类利用能力较强，而对酚酸类和多聚物类的利用能力较差，这可能与橡胶人工林不同树龄、不同林下种植模式条件下有机物质发生改变等原因有关[31-32]。

3.3  橡胶人工林土壤肥力与微生物群落代谢功能的相关性

土壤微生物多样性的影响因素很多，其中自然因素包括植被、土壤类型、水分、养分以及pH等[33]。孔隙度可以影响微生物的活力和养分转化，N、K元素可以促进微生物的生长，C∶N值可以影响微生物生长代谢，pH可以影响土壤微生物多样性和微生物群落对碳源的利用，这些理化指标不仅与微生物群落多样性之间具有显著相关性，而且也是影响微生物群落代谢功能变化的重要土壤因子[9]。宋漳等[34]研究发现土壤微生物种群和数量与土壤理化性质，土壤肥力与林木生长状况均成正相关。本研究中橡胶人工林土壤微生物群落多样性的AWCD值、McIntosh指数和Simpson指数与土壤孔隙度、全氮、有效磷呈显著负相关，与pH、碳氮比呈显著正相关，由此表明橡胶人工林土壤微生物群落与理化性质之间存在显著的相互作用。

4  结论

不同母质之间橡胶人工林土壤理化性质存在显著差异，总体上玄武岩土壤肥力水平最高，其次是浅海沉积物和变质岩，花岗岩最低。不同母质橡胶人工林土壤微生物群落利用碳源的强度和种类差异不大，花岗岩和浅海沉积物发育土壤中微生物利用碳源功能强于变质岩和玄武岩。橡胶人工林土壤微生物群落利用碳水化合物类、氨基酸类和羧酸类强于胺类和多聚物类。橡胶人工林土壤微生物平均吸光值（AWCD值）和均匀度（McIntosh指数）、优势度（Simpson指数）指标均与土壤孔隙度、有机碳、全氮、pH值等理化因子显著相关，孔隙度、pH、全氮是影响土壤微生物功能多样性的主要肥力因子。

参考文献

王清奎， 汪思龙， 冯宗炜， 等. 土壤活性有机质及其与土壤质量的关系[J]. 生态学报， 2005， 25（3）： 513-519.

Kirk J L，Beaudette L A， Hart M， et al. Methods of studying soil microbial diversity[J]. Journal of Microbiological Methods， 2004， 58（2）： 169-188.

Anderson C R， Condron L M， Clough T J， et al. Biochar induced soil microbial community change： Implications for biogeochemical cycling of carbon， nitrogen and phosphorus[J]. Pedobiologia， 2011， 54（5/6）： 309-320.

郭继勋， 祝廷成. 羊草草原土壤微生物的数量和生物量[J]. 生态学报， 1997， 17（1）： 78-82.

马  爽. 陇东典型草原不同载畜量下土壤微生物与草地退化相关性研究[D]. 兰州： 甘肃农业大学， 2004.

王海英， 宫渊波， 龚  伟. 不同林分土壤微生物、酶活性与土壤肥力的关系研究综述[J]. 四川林勘设计， 2005（3）： 9-14.

Bossio D A， Fleck J A， Scow K M， et al. Alteration of soil microbial communities and water quality in restored wetlands[J]. Soil Biology and Biochemistry， 2005， 38（6）： 1223-1233.

马  通， 李  敏， 孙令强， 等. 不同肥力下土壤微生物与土壤元素相关性的研究[J]. 北方园艺， 2015（1）： 160-163.

王超群， 焦如珍， 董玉红， 等. 不同林龄杉木人工林土壤微生物群落代谢功能差异[J]. 林业科学， 2019， 55（5）： 36-45.

吴志祥， 谢贵水， 杨  川， 等. 幼龄胶园间种对土壤微生物作用的影响[J]. 南方农业学报， 2012， 43（9）： 1325-1329.

Guo H C， Wang W B， Luo X H， et al. Variations in rhizosphere microbial communities of rubber plantations in Hainan island China[J]. Journal of Rubber Research， 2013， 16（4）： 243-256.

李  娟， 林位夫， 周立軍. 成龄胶园间作不同禾本科作物对土壤养分与土壤酶的影响[J]. 热带农业科学， 2014， 34（10）： 1-6， 11.

耿建梅， 温德才， 杨  琴， 等. 海南橡胶园土壤微生物数量特征[J]. 安徽农业科学， 2008， 36（31）： 13731-13732， 13799.

闫小娟， 张鑫红， 罗  微， 等. 中国主要橡胶种植区土壤微生物生物量研究[J]. 西南大学学报（自然科学版）， 2016（7）： 64-69.

Lan G Y， Li Y W， Wu Z X， et al. Soil bacterial diversity impacted by conversion of secondary forest to rubber or eucalyptus plantations： a case study of Hainan Island， South China[J]. Forest Science， 2017， 63（1）： 87-93.

周玉杰， 李建华， 张广宇， 等. 基于高通量测序的橡胶林土壤真菌多样性及群落组成分析[J]. 南方农业学报， 2018， 49（9）： 1729-1735.

刘  敏， 张广宇， 张永北， 等. 竹荪间作对橡胶园土壤微生物区系与群落功能多样性的影响[J]. 江苏农业科学， 2018， 46（13）： 295-298.

何向东， 陆行正， 吴小平. 海南岛胶园土壤肥力区划及其利用的研究[J]. 热带作物研究， 1991（1）： 40-48.

鲁如坤. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京： 中国农业科技出版社， 1999.

林先贵. 土壤微生物研究原理与方法[M]. 北京： 高等教育出版社， 2010.

章家恩， 蔡燕飞， 高爱霞， 等. 土壤微生物多样性实验研究方法概述[J]. 土壤， 2004， 36（4）： 346-350.

杨永华， 姚  健， 华晓梅. 农药污染对土壤微生物群落功能多样性的影响[J]. 微生物学杂志， 2000， 20（2）： 23-25， 47.

吴  敏， 何  鹏， 韦家少. 不同母质条件下海南省胶园土壤肥力特性研究[J]. 安徽农业科学， 2008， 36（26）： 11449-11452.

杨成德， 龙瑞军， 陈秀蓉， 等. 东祁连山高寒草甸土壤微生物量及其与土壤物理因子相关性特征[J]. 草业学报， 2007， 16（4）： 62-68.

董敏慧， 张良成， 文  丽， 等. 松树-樟树混交林、纯林土壤微生物量碳、氮及多样性特征研究[J]. 中南林业科技大学学报， 2017， 37（11）： 146-153.

张  璐， 阎海涛， 任天宝， 等. 有机物料对植烟土壤养分、酶活性和微生物群落功能多样性的影响[J]. 中国烟草学报， 2019， 25（2）： 55-62.

孔  滨， 杨秀娟. Biolog生态板的应用原理及碳源构成[J]. 绿色科技， 2011（7）： 231-234.

王洪媛， 管华诗， 江晓路. 微生物生态学中分子生物学方法及T-RFLP技术研究[J]. 中国生物工程杂志， 2004， 24（8）： 42-47.

范瑞英， 杨小燕， 王恩姮， 等. 黑土区不同林龄落叶松人工林土壤微生物群落功能多样性的对比研究[J]. 北京林业大学学报， 2013， 35（2）： 63-68.

郑  华， 陈法霖， 欧阳志云， 等. 不同森林土壤微生物群落对Biolog-GN板碳源的利用[J]. 环境科学， 2007， 28（5）： 1126-1130.

徐华勤. 稻草覆盖与三叶草间作茶园土壤微生物类群多样性及其活性研究[D]. 长沙： 湖南农业大学， 2007.

孔维栋， 刘可星， 廖宗文， 等. 不同腐熟程度有机物料对土壤微生物群落功能多样性的影响[J]. 生态学报， 2005， 25（9）： 2291-2296.

周  桔， 雷  霆. 土壤微生物多样性影响因素及研究方法的现状与展望[J]. 生物多样性， 2007， 15（3）： 306-311.

宋  漳， 朱錦懋， 杨玉盛. 闽北常绿阔叶林土壤微生物学特性的研究[J]. 福建林学院学报， 2000， 20（4）： 317-320.

责任编辑：黄东杰