1、菜園土壤的理化性質和微生物生態特征與種植年限的關系黎 寧1，李華興1, *，朱鳳嬌2，鄺培銳2，梁友強3，張育燦3，林日強31. 華南農業大學資源環境學院，廣東 廣州 510642；2. 廣州市白云區農業局，廣東 廣州 510405；3. 廣東省土壤肥料總站，廣東 廣州 510500摘要：為了研究菜園土壤生態系統的演化，在廣州白云區采集共計64個不同種植年限的菜園土壤樣本。對土壤主要物理化學性質和土壤微生物生態特征進行分析，結果表明：土壤粘粒和微團粒含量、土壤全磷、全鉀的含量隨菜園土的種植年限而增加；呼吸商則隨年限升高，土壤細菌/真菌、放線菌/真菌亦有升高的趨勢，而微生物碳氮比、土壤微生物商、

2、微生物氮/全氮隨年限降低；種植10 a左右菜園土壤的Shannon多樣性指數和AWCD值最低，40 a土壤最高，80 a以上土壤的微生物多樣性指標有所降低，表明種植80 a后的老菜園土壤微生物生態系統有退化的跡象。關鍵詞：菜園土；土壤微生物；生態特征；種植年限中圖分類號：S155.4+1；S154.36 文獻標識碼：A 文章編號：1672-2175（2005）06-0925-05 人口的不斷增長，使土壤資源面臨著越來越大的壓力，尋找敏感的土壤質量指標，是近年來土壤科學的一個主要研究內容。許多研究認為，土壤微生物能較早地預測土壤質量的變化，是土壤質量變化最敏感的指標1，2。我國蔬菜播種面積達到1

3、.524×107 hm2，約占全國農作物播種總面積的1/10，蔬菜總產量達4.24×108 t3。不科學的施肥與管理會導致菜園土壤質量退化，表現為土壤微生態失調、土壤養分不平衡、土壤生物多樣性下降、土傳病害嚴重、蔬菜產量品質下降等4。蔬菜的產量和質量與國民經濟的發展和人民的生活密切相關。隨著城市的發展和擴大，為滿足城市生活需要，蔬菜生產呈現大規模集約化經營趨勢，前人對菜園土壤進行過不少研究，但大多局限于對菜園土壤物理、化學性質、酶學及土傳病害方面的探討，而對土壤中微生物生態特征及菜園土壤生態系統隨年限演化的情況，研究還比較少。本文研究了菜園土壤微生物數量、微生物生物量、基礎

4、呼吸、代謝商及微生物多樣性等隨種植年限的變化，為揭示菜園土壤的演變規律、防止菜園土壤質量退化、創造良好的土壤環境和保證蔬菜生產的可持續發展提供科學依據。1 材料與方法1.1 土壤樣品采集與預處理土壤樣品采集：在廣州市白云區選取有代表性的蔬菜地，每個采樣地點起碼有3600 m2菜地，從中選取有代表性的田塊，隨機多點采樣，取土深度為025 cm，采集約6 kg的混合土壤新鮮樣。通常是每一個自然村選取一至兩個點，這樣一共采集了64個不同種植年限、不同質地、不同肥力水平的菜園土壤樣品。其中80 a以上的有14個樣品，40 a左右的有15個，24 a的有3個，20 a左右的有5個，10 a左右的19個，

5、7 a的有8個。土樣預處理：土壤采集回來后，按四分法取1 kg新鮮土壤過2 mm孔篩，立即用于測定各微生物指標；按四分法取1 kg土壤風干，過篩，測定土壤基本理化性質。1.2 土壤基本理化性質的測定5, 6 土壤全氮用高氯酸-濃硫酸消化-半微量蒸餾法。全磷用高氯酸-濃硫酸消化-鉬藍比色法。全鉀用氫氧化鈉熔融-火焰光度法。有機質用重鉻酸鉀外加熱法。堿解氮用堿解擴散法。有效磷用M3浸提-鉬藍比色法。有效鉀用M3浸提-火焰光度法。陽離子交換量用醋酸銨法。pH值用電位法。土壤機械組成與微團聚體用比重計法。1.3 土壤微生物生態特征的測定土壤微生物量：稱取過2 mm孔篩的新鮮土壤20.00 g，于抽真空

6、干燥器中熏蒸24 h，加80 mL 0.5 mol·L-1的硫酸鉀溶液震蕩提取30 min。提取液中C用重鉻酸鉀外加熱法測定，同時做未熏蒸對照與空白對照，3次重復。微生物碳計算公式：Cmic= Ec/0.386。微生物氮參考Cabrera7的方法測定，計算公式：Nmic=EN/0.45 6。 土壤基礎呼吸：采用隔離罐堿液吸收法8, 9。 微生物數量：采用稀釋平板法8, 10計數，每個測試土樣稀釋至合適濃度，3次重復。細菌用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養基，放線菌用重鉻酸鉀改良高氏瓊脂培養基，真菌用鏈霉素-馬丁氏孟加拉紅瓊脂培養基。 土壤微生物多樣性：選取10 a、40 a、80 a的土壤樣品各

7、10個，4 條件下保存的土樣經預培養后，稱取相當于10 g烘干土樣質量的鮮土壤放入經過滅菌的pH mol·L-1的100 mL磷酸鉀緩沖液的三角瓶內，振蕩30 min，充分分散土壤。然后用磷酸鉀緩沖液分步稀釋得到10-3的土壤稀釋液，上清液接種到BIOLOG ECO板上。接種后的ECO測試板在25 下培養144 h，每隔24 h用BIOLOG公司的微生物自動鑒定系統于590 nm波長下測定吸光值。計算平均每孔吸光值(AWCD)和多樣性Shannon指數11, 12。1.4 數據處理 數據處理采用EXCEL和SPSS 10.0軟件。完成土壤理化微生物指標的測定后，按照年限計算各指標的平

8、均值。2 結果與分析2.1 土壤機械組成和微團聚體與種植年限的關系表1 土壤機械組成和微團聚體與種植年限的相關性Table 2 The relationship between soil clay，microaggregateand cultivation age粒級/mm年限/a相關系數R71020244080土壤粘粒/%<0.0546.90445.00649.42860.20061.50769.1000.905*0.010.0512.73119.56418.37124.46724.79924.3330.639<0.0134.17325.44331.05735.73336.708

9、44.7670.865*0.0050.018.8677.8239.76614.4007.6578.957-0.141<0.00525.30617.61921.29121.33329.05135.8100.879*0.0010.00512.6429.26210.80615.66716.66220.4620.908*<0.00112.6658.35810.4855.66712.38915.3480.628微團聚體/%<0.0540.39141.97243.78658.33355.06963.4420.851*0.010.0523.51522.28721.17227.73323.6

10、1829.2400.717<0.0116.87619.68522.61430.60031.45134.2020.839*0.0050.017.6607.1437.88516.20011.14914.2890.618<0.0059.21612.54214.72914.40020.30219.9140.839*0.0010.0057.0709.49712.04711.60015.02515.7930.866*<0.0012.1463.0462.6822.8005.2784.1200.653n=6，R0.05=0.811，R0.01=0.917研究結果（表1）表明，<0.05

11、 mm2.2 種植年限與土壤化學性質的關系表2 土壤化學性質與種植年限的相關性Table 2 The relationship between soil chemical properties and cultivation age土壤化學性質年限/a相關系數R71020244080w(全氮)/(g·kg-1)1.160.790.760.861.491.220.493w(堿解氮)/(mg·kg-1)121.8796.64107.96125.32111.03101.81-0.316w(全磷)/(g·kg-1)0.870.791.091.081.541.480.841

12、*w(有效磷)/(mg·kg-1)202.74257.08312.98270.79337.06252.360.180w(全鉀)/(g·kg-1)1.001.150.781.121.652.040.902*w(有效鉀)/(mg·kg-1)299.17200.19201.88218.88264.85254.430.171w(有機質)/(g·kg-1)25.9518.6718.6317.0929.0726.830.503y(陽離子交換量)/(cmol·kg-1)7.726.606.776.2310.8610.400.750n=6，R0.05=0.81

13、1，R0.01=0.917表2的結果表明，土壤的有效養分與種植年限的關系并不密切，主要是由于菜園土壤是一個投入產出大，施肥頻繁的生態系統，而且由于植物吸收、流失等原因，因此土壤中的有效養分變化幅度大。土壤全氮除7年種植期含量較高外，從10 a到40 a是隨年限的增加而增加的，而80 a以上的全氮含量有所下降；有機質和陽離子交換量從7 a到24 a的隨年限的變化不明顯，只有40 a和80 a以上含量較高；土壤全磷、全鉀的含量則隨年限增加而顯著增加。2.3 種植年限與土壤微生物生態特征的關系從表3可以看出，土壤中的細菌、放線菌和真菌數量與種植年限關系不密切，但細菌/真菌、放線菌/真菌的比值有升高的

14、趨勢，這說明種植時間越長，土壤的腐熟程度越高，更利于細菌、放線菌的生長，細菌/真菌的比值在740 a隨年限延長而增大，而80 a后則降低，有可能是菜園土壤老化，微生物的生存環境趨于惡劣，真菌對外界脅迫的忍耐能力較強13。而細菌剛好相反，致使老化土壤中細菌/真菌趨于下降。 微生物量的元素組成的變化，比如微生物碳氮比和微生物碳磷比的變化反映土壤微生物群落結構的強烈改變14, 15。通常一般情況下細菌碳氮比在3.5左右，而真菌在1015左右，放線菌在6左右16。研究表明（表3），種植年限越長，微生物碳氮比越低，表明在種植年限較長的菜園土壤微生物群落中，微生物碳氮比值低的微生物比例大，基本與細菌/真菌

15、的變化相互印證。表3 土壤微生物生態特征與種植年限的相關性Table 3 The relationship between soil microbial ecological properties and cultivation age土壤微生物生態特征年限/a相關系數R71020244080N(細菌cfu)/(107·g-1)24.4127.5414.0723.6546.3336.980.581N(放線菌cfu)/(106·g-1)36.2622.1311.7215.0851.7848.410.614N(真菌cfu)/(104·g-1)49.4140.7410.

16、9111.1726.3425.89-0.284N(細菌)/N(真菌)0.801.401.613.063.352.390.517N(放線菌)/N(真菌)1.471.501.101.543.751.930.374w(微生物碳)/(mg·kg-1)533.35317.19271.48323.03386.73331.05-0.256w(微生物氮/(mg·kg-1)60.8745.1543.5951.4466.9855.300.272w(微生物碳)/w(微生物氮)7.577.046.586.496.025.73-0.877*土壤基礎呼吸(以CO2計)/(mg·kg-1

17、83;h-1)4.122.792.333.674.663.550.229呼吸商(以CO2計)/(mg·kg-1·h-1)9.439.5510.0011.7312.2813.750.935*微生物商/%1.781.701.471.661.441.23-0.916*w(微生物氮)w(全氮)/%5.905.835.785.534.884.64-0.935*AWCD值0.720.910.73Shannon指數2.732.842.77n=6，R0.05=0.811，R0.01=0.917微生物商是微生物量碳與土壤有機碳之比，因此可以消除有機質含量的影響，從而可以對土壤有機質含量不同的

18、土壤的微生物生態特征進行比較。從表3可以看到，有機質、微生物碳與年限的相關性不明顯，而微生物商則隨著年限的延長而顯著降低；微生物氮/全氮的意義類似于微生物碳/有機質碳17，年限與微生物氮/全氮也呈極顯著的負相關。呼吸商是基礎呼吸與微生物碳的比值，呼吸商越大，表明單位微生物的呼吸作用越強。表3數據顯示，種植年限與呼吸商極顯著正相關，說明種植年限長的土壤中，單位微生物量的呼吸作用強。使用BIOLOG ECO板測定80、40、10 a的土壤的微生物多樣性的結果（表3）表明，種植10 a左右的土壤AWCD值和Shannon多樣性指數最低，40 a的最高，80 a以上的土壤這兩個指標則下降，說明40 a

19、菜園土壤微生物的碳源利用能力和微生物多樣性最高，10 a菜園土壤碳源利用能力和微生物多樣性最低，80 a菜園土壤碳源利用能力和微生物多樣性下降。3 討論隨著耕作熟化過程的進行，一方面土壤發生粘化作用形成較小粘粒，另一方面由于土壤微生物的作用，土壤粘粒與有機質結合形成微小團粒，本研究結果表明，土壤粘粒與微團粒含量是隨著種植年限的增長而增加的。而土壤養分也會隨年限有所增加，黃運湘等發現種植年限長的菜園土壤全磷含量顯著升高18。曹慧等也觀察到菜園土壤隨著利用時間的增加，土壤速效磷和全磷 的增幅最高，其次為土壤全氮 和水解氮，而土壤有機質的增幅相對較小19。本研究結果也表明土壤全磷、全鉀的含量隨年限而

20、顯著增加，而其他養分指標比如全氮，有機質，CEC等總體上隨年限呈增加的趨勢。與其他養分元素相比，磷在土壤中容易被固定，導致磷在老菜園土壤中積累較多。 與土壤物理化學特性相比，微生物特性受外界的影響更為敏感。由于真菌對環境不利因素的抗逆能力較強13，細菌相對就較弱，意味著細菌更適合在環境質量較高的土壤中生長，因此細菌/真菌的比值越大，可能表示環境質量較高。土壤重金屬綜合污染情況越嚴重，細菌/真菌比和放線菌/真菌比越小20。土壤微生物總數隨土壤的熟化而提高，其中細菌和放線菌比例增加，真菌比例下降20, 21。因此土壤中細菌、放線菌數量以及與真菌的比例可以反映土壤腐熟程度及肥力水平。周藝敏研究發現，

21、種菜20 a以上的老菜田微生物總量高于2 a新菜田1倍左右，隨著種菜年限的增加，細菌、放線菌的增殖要明顯高于真菌，而真菌有減少傾向22。但也有土壤細菌、放線菌數量以及細菌與真菌數量的比值隨種植年限的延長而降低的報道，這與土壤實際條件有關24。本研究的結果表明，少于40 a的菜園土壤，其細菌/真菌比值是隨年限增加的，而到80 a以后，細菌/真菌比值則下降，其原因有待于進一步研究。 呼吸商是呼吸強度與微生物生物量碳的比值，被認為是生態系統干擾和演化的指標25，在自然生態系統演替初期下降26，土壤生態系統適應不同農業管理措施時下降27。土壤水分匱乏、除草劑應用、土壤酸化等會使呼吸商增大28，在此意義

22、上可將其看作一個微生物脅迫指標。實際上，由于土壤微生物的種類不同，其呼吸強度也是不同的，呼吸商的大小應該還與土壤微生物群落結構有關。有研究發現不同茶園的呼吸商是隨年限的增加而降低的，并認為可能與土壤、植被類型、土壤微生物群落結構不同有關系29。戴軍等認為代謝商能夠在一定程度反映微生物群落的變化30。本研究顯示，隨著年限的延長，呼吸商增加了，表明菜園土壤單位微生物的呼吸作用增強，有可能是環境壓力的增大，也有可能是土壤微生物群落結構的改變而造成，結合土壤微生物細菌和真菌的比值分析，可能是土壤微生物群落改變所致。 本研究發現微生物商、微生物氮占全氮的比例是隨年限降低的，通常認為微生物商和微生物氮/全

23、氮表示微生物對基質碳和基質氮的利用率31，如果不考慮土壤微生物群落結構的變化，說明種植年限越長微生物群落對基質碳和基質氮的利用率是越低的。實際上，由于隨年限的不同，土壤微生物群落結構發生改變，構成微生物的碳氮等成分比例不同，必然導致微生物對外界能源的需求也不同，從而從整體上對土壤微生物商以及微生物氮/全氮的大小產生影響。但由于土壤微生物結構的改變致使土壤微生物商怎樣發生變化，國內和國外的文獻都很少見有報道，關于微生物群落結構的改變導致微生物商和微生物氮/全氮怎樣變化，有深入研究的必要性。 菜園土壤生態系統是補給性生態系統，系統的物質與能量很大程度上取決于來自系統以外的輸入，如果菜園疏于管理，造

24、成土傳病害嚴重，有益微生物數量減少，土壤結構破壞，有機質等養分含量下降，會造成菜園土壤退化。本研究發現80 a以上菜園土的多樣性指數和微生物利用碳源的能力有所下降，細菌/真菌和放線菌/真菌的比值也下降。其原因值得進一步研究。4 結論 廣州白云區蔬菜地的物理化學性質、微生物指標都與年限有一定的相關性，其中土壤粘粒、微團粒、全磷和全鉀與年限關系較為密切。各個微生物指標當中，微生物碳氮比、呼吸商、微生物商、微生物氮占全氮的比例與種植年限關系最為密切，能夠反映種植年限的長短；種植年限達80 a以上的土壤微生物對碳源的利用能力下降，微生物多樣性下降，顯示菜園種植年限過長，菜園土壤微生物生態系統有退化的跡

25、象。上述研究結果表明，生物指標比物理化學指標更能說明菜園土壤生態系統的演化。參考文獻：1 KARLEN D L, GARDNER J C, ROSEK M J. A Soil quality framework for evaluating the impact of CRPJ. Journal of Production Agriculture. 1998, 11(1): 5660. 2 STENBERG B. Monitoring soil quality of arable land: microbiological indicatorsJ. Acta Agriculturae Scan

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