菜园土壤的理化性质和微生物生态特征与种植年限的关系

1、菜园土壤的理化性质和微生物生态特征与种植年限的关系黎 宁1，李华兴1, *，朱凤娇2，邝培锐2，梁友强3，张育灿3，林日强31. 华南农业大学资源环境学院，广东 广州 510642；2. 广州市白云区农业局，广东 广州 510405；3. 广东省土壤肥料总站，广东 广州 510500摘要：为了研究菜园土壤生态系统的演化，在广州白云区采集共计64个不同种植年限的菜园土壤样本。对土壤主要物理化学性质和土壤微生物生态特征进行分析，结果表明：土壤粘粒和微团粒含量、土壤全磷、全钾的含量随菜园土的种植年限而增加；呼吸商则随年限升高，土壤细菌/真菌、放线菌/真菌亦有升高的趋势，而微生物碳氮比、土壤微生物商、

2、微生物氮/全氮随年限降低；种植10 a左右菜园土壤的Shannon多样性指数和AWCD值最低，40 a土壤最高，80 a以上土壤的微生物多样性指标有所降低，表明种植80 a后的老菜园土壤微生物生态系统有退化的迹象。关键词：菜园土；土壤微生物；生态特征；种植年限中图分类号：+1； 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2005）06-0925-05 人口的不断增长，使土壤资源面临着越来越大的压力，寻找敏感的土壤质量指标，是近年来土壤科学的一个主要研究内容。许多研究认为，土壤微生物能较早地预测土壤质量的变化，是土壤质量变化最敏感的指标1，2。我国蔬菜播种面积达到1.524×107

3、 hm2，约占全国农作物播种总面积的1/10×108 t3。不科学的施肥与管理会导致菜园土壤质量退化，表现为土壤微生态失调、土壤养分不平衡、土壤生物多样性下降、土传病害严重、蔬菜产量品质下降等4。蔬菜的产量和质量与国民经济的发展和人民的生活密切相关。随着城市的发展和扩大，为满足城市生活需要，蔬菜生产呈现大规模集约化经营趋势，前人对菜园土壤进行过不少研究，但大多局限于对菜园土壤物理、化学性质、酶学及土传病害方面的探讨，而对土壤中微生物生态特征及菜园土壤生态系统随年限演化的情况，研究还比较少。本文研究了菜园土壤微生物数量、微生物生物量、基础呼吸、代谢商及微生物多样性等随种植年限的变化，为

4、揭示菜园土壤的演变规律、防止菜园土壤质量退化、创造良好的土壤环境和保证蔬菜生产的可持续发展提供科学依据。1 材料与方法1.1 土壤样品采集与预处理土壤样品采集：在广州市白云区选取有代表性的蔬菜地，每个采样地点起码有3600 m2菜地，从中选取有代表性的田块，随机多点采样，取土深度为025 cm，采集约6 kg的混合土壤新鲜样。通常是每一个自然村选取一至两个点，这样一共采集了64个不同种植年限、不同质地、不同肥力水平的菜园土壤样品。其中80 a以上的有14个样品，40 a左右的有15个，24 a的有3个，20 a左右的有5个，10 a左右的19个，7 a的有8个。土样预处理：土壤采集回来后，按四

5、分法取1 kg新鲜土壤过2 mm孔筛，立即用于测定各微生物指标；按四分法取1 kg土壤风干，过筛，测定土壤基本理化性质。1.2 土壤基本理化性质的测定5, 6 土壤全氮用高氯酸-浓硫酸消化-半微量蒸馏法。全磷用高氯酸-浓硫酸消化-钼蓝比色法。全钾用氢氧化钠熔融-火焰光度法。有机质用重铬酸钾外加热法。碱解氮用碱解扩散法。有效磷用M3浸提-钼蓝比色法。有效钾用M3浸提-火焰光度法。阳离子交换量用醋酸铵法。pH值用电位法。土壤机械组成与微团聚体用比重计法。1.3 土壤微生物生态特征的测定土壤微生物量：称取过2 mm孔筛的新鲜土壤20.00 g，于抽真空干燥器中熏蒸24 h，加80 mL 0.5 mo

6、l·L-1的硫酸钾溶液震荡提取30 min。提取液中C用重铬酸钾外加热法测定，同时做未熏蒸对照与空白对照，3次重复。微生物碳计算公式：Cmic= Ec/0.386。微生物氮参考Cabrera7的方法测定，计算公式：Nmic=EN 6。 土壤基础呼吸：采用隔离罐碱液吸收法8, 9。 微生物数量：采用稀释平板法8, 10计数，每个测试土样稀释至合适浓度，3次重复。细菌用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基，放线菌用重铬酸钾改良高氏琼脂培养基，真菌用链霉素-马丁氏孟加拉红琼脂培养基。 土壤微生物多样性：选取10 a、40 a、80 a的土壤样品各10个，4 条件下保存的土样经预培养后，称取相当于10 g

7、烘干土样质量的鲜土壤放入经过灭菌的pH 7.0浓度为0.1 mol·L-1的100 mL磷酸钾缓冲液的三角瓶内，振荡30 min，充分分散土壤。然后用磷酸钾缓冲液分步稀释得到10-3的土壤稀释液，上清液接种到BIOLOG ECO板上。接种后的ECO测试板在25 下培养144 h，每隔24 h用BIOLOG公司的微生物自动鉴定系统于590 nm波长下测定吸光值。计算平均每孔吸光值(AWCD)和多样性Shannon指数11, 12。1.4 数据处理 数据处理采用EXCEL和SPSS 10.0软件。完成土壤理化微生物指标的测定后，按照年限计算各指标的平均值。2 结果与分析2.1 土壤机械组

8、成和微团聚体与种植年限的关系表1 土壤机械组成和微团聚体与种植年限的相关性Table 2 The relationship between soil clay，microaggregateand cultivation age粒级/mm年限/a相关系数R71020244080土壤粘粒/%0.905*0.865*0.879*0.908*微团聚体/%0.851*0.839*0.839*0.866*n=6，R=0.811，R=0.917研究结果（表1）表明，< mm的各级土壤粘粒和微团粒含量随着年限的增长而提高，这是由于土壤经过耕作，粘土矿物风化形成较小的粘粒，以及经过土壤的腐熟，微生物的作用

9、，土壤形成较多的微团聚体，使土壤的保肥保水能力更强。从表1还可以看到，无论是土壤粘粒和微团聚体，种植年限与<0.05，<0.01，<0.005粒级和0.0010.005的粒级都呈显著相关，但与0.010.05和小于0.001的粒级都没有显著的相关性，可见年限与<0.05，<0.01，<0.005粒级的显著相关是由于0.0050.001的粒级在起作用，而其他粒级含量总体上看大多也有随年限增加的趋势，导致各级粘粒或微团粒的叠加与年限也呈密切相关。2.2 种植年限与土壤化学性质的关系表2 土壤化学性质与种植年限的相关性Table 2 The relationshi

10、p between soil chemical properties and cultivation age土壤化学性质年限/a相关系数R71020244080w(全氮)/(g·kg-1)w(碱解氮)/(mg·kg-1)w(全磷)/(g·kg-1)0.841*w(有效磷)/(mg·kg-1)w(全钾)/(g·kg-1)0.902*w(有效钾)/(mg·kg-1)w(有机质)/(g·kg-1)y(阳离子交换量)/(cmol·kg-1)n=6，R=0.811，R=0.917表2的结果表明，土壤的有效养分与种植年限的关系

11、并不密切，主要是由于菜园土壤是一个投入产出大，施肥频繁的生态系统，而且由于植物吸收、流失等原因，因此土壤中的有效养分变化幅度大。土壤全氮除7年种植期含量较高外，从10 a到40 a是随年限的增加而增加的，而80 a以上的全氮含量有所下降；有机质和阳离子交换量从7 a到24 a的随年限的变化不明显，只有40 a和80 a以上含量较高；土壤全磷、全钾的含量则随年限增加而显著增加。2.3 种植年限与土壤微生物生态特征的关系从表3可以看出，土壤中的细菌、放线菌和真菌数量与种植年限关系不密切，但细菌/真菌、放线菌/真菌的比值有升高的趋势，这说明种植时间越长，土壤的腐熟程度越高，更利于细菌、放线菌的生长，

12、细菌/真菌的比值在740 a随年限延长而增大，而80 a后则降低，有可能是菜园土壤老化，微生物的生存环境趋于恶劣，真菌对外界胁迫的忍耐能力较强13。而细菌刚好相反，致使老化土壤中细菌/真菌趋于下降。 微生物量的元素组成的变化，比如微生物碳氮比和微生物碳磷比的变化反映土壤微生物群落结构的强烈改变14, 15。通常一般情况下细菌碳氮比在3.5左右，而真菌在1015左右，放线菌在6左右16。研究表明（表3），种植年限越长，微生物碳氮比越低，表明在种植年限较长的菜园土壤微生物群落中，微生物碳氮比值低的微生物比例大，基本与细菌/真菌的变化相互印证。表3 土壤微生物生态特征与种植年限的相关性Table 3

13、 The relationship between soil microbial ecological properties and cultivation age土壤微生物生态特征年限/a相关系数R71020244080N(细菌cfu)/(107·g-1)N(放线菌cfu)/(106·g-1)N(真菌cfu)/(104·g-1)N(细菌)/N(真菌)N(放线菌)/N(真菌)w(微生物碳)/(mg·kg-1)w(微生物氮/(mg·kg-1)w(微生物碳)/w(微生物氮)-0.877*土壤基础呼吸(以CO2计)/(mg·kg-1

14、3;h-1)呼吸商(以CO2计)/(mg·kg-1·h-1)0.935*微生物商/%-0.916*w(微生物氮)w(全氮)/%-0.935*AWCD值Shannon指数n=6，R=0.811，R=0.917微生物商是微生物量碳与土壤有机碳之比，因此可以消除有机质含量的影响，从而可以对土壤有机质含量不同的土壤的微生物生态特征进行比较。从表3可以看到，有机质、微生物碳与年限的相关性不明显，而微生物商则随着年限的延长而显著降低；微生物氮/全氮的意义类似于微生物碳/有机质碳17，年限与微生物氮/全氮也呈极显著的负相关。呼吸商是基础呼吸与微生物碳的比值，呼吸商越大，表明单位微生物的呼

15、吸作用越强。表3数据显示，种植年限与呼吸商极显著正相关，说明种植年限长的土壤中，单位微生物量的呼吸作用强。使用BIOLOG ECO板测定80、40、10 a的土壤的微生物多样性的结果（表3）表明，种植10 a左右的土壤AWCD值和Shannon多样性指数最低，40 a的最高，80 a以上的土壤这两个指标则下降，说明40 a菜园土壤微生物的碳源利用能力和微生物多样性最高，10 a菜园土壤碳源利用能力和微生物多样性最低，80 a菜园土壤碳源利用能力和微生物多样性下降。3 讨论随着耕作熟化过程的进行，一方面土壤发生粘化作用形成较小粘粒，另一方面由于土壤微生物的作用，土壤粘粒与有机质结合形成微小团粒，

16、本研究结果表明，土壤粘粒与微团粒含量是随着种植年限的增长而增加的。而土壤养分也会随年限有所增加，黄运湘等发现种植年限长的菜园土壤全磷含量显著升高18。曹慧等也观察到菜园土壤随着利用时间的增加，土壤速效磷和全磷 的增幅最高，其次为土壤全氮 和水解氮，而土壤有机质的增幅相对较小19。本研究结果也表明土壤全磷、全钾的含量随年限而显著增加，而其他养分指标比如全氮，有机质，CEC等总体上随年限呈增加的趋势。与其他养分元素相比，磷在土壤中容易被固定，导致磷在老菜园土壤中积累较多。 与土壤物理化学特性相比，微生物特性受外界的影响更为敏感。由于真菌对环境不利因素的抗逆能力较强13，细菌相对就较弱，意味着细菌更

17、适合在环境质量较高的土壤中生长，因此细菌/真菌的比值越大，可能表示环境质量较高。土壤重金属综合污染情况越严重，细菌/真菌比和放线菌/真菌比越小20。土壤微生物总数随土壤的熟化而提高，其中细菌和放线菌比例增加，真菌比例下降20, 21。因此土壤中细菌、放线菌数量以及与真菌的比例可以反映土壤腐熟程度及肥力水平。周艺敏研究发现，种菜20 a以上的老菜田微生物总量高于2 a新菜田1倍左右，随着种菜年限的增加，细菌、放线菌的增殖要明显高于真菌，而真菌有减少倾向22。但也有土壤细菌、放线菌数量以及细菌与真菌数量的比值随种植年限的延长而降低的报道，这与土壤实际条件有关24。本研究的结果表明，少于40 a的菜

18、园土壤，其细菌/真菌比值是随年限增加的，而到80 a以后，细菌/真菌比值则下降，其原因有待于进一步研究。 呼吸商是呼吸强度与微生物生物量碳的比值，被认为是生态系统干扰和演化的指标25，在自然生态系统演替初期下降26，土壤生态系统适应不同农业管理措施时下降27。土壤水分匮乏、除草剂应用、土壤酸化等会使呼吸商增大28，在此意义上可将其看作一个微生物胁迫指标。实际上，由于土壤微生物的种类不同，其呼吸强度也是不同的，呼吸商的大小应该还与土壤微生物群落结构有关。有研究发现不同茶园的呼吸商是随年限的增加而降低的，并认为可能与土壤、植被类型、土壤微生物群落结构不同有关系29。戴军等认为代谢商能够在一定程度反

19、映微生物群落的变化30。本研究显示，随着年限的延长，呼吸商增加了，表明菜园土壤单位微生物的呼吸作用增强，有可能是环境压力的增大，也有可能是土壤微生物群落结构的改变而造成，结合土壤微生物细菌和真菌的比值分析，可能是土壤微生物群落改变所致。 本研究发现微生物商、微生物氮占全氮的比例是随年限降低的，通常认为微生物商和微生物氮/全氮表示微生物对基质碳和基质氮的利用率31，如果不考虑土壤微生物群落结构的变化，说明种植年限越长微生物群落对基质碳和基质氮的利用率是越低的。实际上，由于随年限的不同，土壤微生物群落结构发生改变，构成微生物的碳氮等成分比例不同，必然导致微生物对外界能源的需求也不同，从而从整体上对

20、土壤微生物商以及微生物氮/全氮的大小产生影响。但由于土壤微生物结构的改变致使土壤微生物商怎样发生变化，国内和国外的文献都很少见有报道，关于微生物群落结构的改变导致微生物商和微生物氮/全氮怎样变化，有深入研究的必要性。 菜园土壤生态系统是补给性生态系统，系统的物质与能量很大程度上取决于来自系统以外的输入，如果菜园疏于管理，造成土传病害严重，有益微生物数量减少，土壤结构破坏，有机质等养分含量下降，会造成菜园土壤退化。本研究发现80 a以上菜园土的多样性指数和微生物利用碳源的能力有所下降，细菌/真菌和放线菌/真菌的比值也下降。其原因值得进一步研究。4 结论 广州白云区蔬菜地的物理化学性质、微生物指标

21、都与年限有一定的相关性，其中土壤粘粒、微团粒、全磷和全钾与年限关系较为密切。各个微生物指标当中，微生物碳氮比、呼吸商、微生物商、微生物氮占全氮的比例与种植年限关系最为密切，能够反映种植年限的长短；种植年限达80 a以上的土壤微生物对碳源的利用能力下降，微生物多样性下降，显示菜园种植年限过长，菜园土壤微生物生态系统有退化的迹象。上述研究结果表明，生物指标比物理化学指标更能说明菜园土壤生态系统的演化。参考文献：1 KARLEN D L, GARDNER J C, ROSEK M J. A Soil quality framework for evaluating the impact of CRP

22、J. Journal of Production Agriculture. 1998, 11(1): 5660. 2 STENBERG B. Monitoring soil quality of arable land: microbiological indicatorsJ. Acta Agriculturae Scandinavica, Section B, Soil and Plant Science, 1999, 49: 124.3 中国农业年鉴编辑委员会. 中国农业年鉴2001M. 北京: 中国农业出版社, 2001: 250251. CHINA AGRICULTURAL ANNUA

23、L EDITION COMMITTEE. Chinese agricultural annual 2001M. Beijing: China Agricultural Press, 2001: 250251.4 魏文麟. 菜地偏施化肥的后果与对策J. 福建农业科技, 1998(1): 25. WEI W L. The aftermath of partial-using of chemical fertilizer for vegetable soils and its countermeasureJ. Fujian agricultural science, 1998(1): 25.5 南京

24、农业大学主编. 土壤农化分析M. 第2版. 北京: 农业出版社, 1990. NANJING AGRICULTUREL UNIVERSITY. Soil Agricultural Chemical AnalysisM. 2nd ed. Beijing: China Agricultural Press, 1990.6 中国土壤学会. 土壤农业化学分析方法M. 北京: 中国农业科技出版社, 2000: 231233.SOIL SCIENCE SOCIETY OF CHINA. Methods for Soil Agricultural Chemical AnalysisM. Beijing: C

25、hina Agricultural Science and Technology Press, 2000: 231233.7 CABRERA M L, BEARE M H. Alkaline Persulfate oxidation for determinating total nitrogen in microbial biomass extractsJ. Soil Science Society of America Journal, 1993, 57: 10071012. 8 中国科学院南京土壤研究所微生物室. 土壤微生物研究法M. 北京: 科学出版社, 1985. MICROBIAL

26、 LAB, NANJING INSTITUTE OF SOIL SCIENCE, CAS. Methods for Soil MicrobiologyM. Beijing: Science Press, 1985.9 许光辉, 郑洪元. 土壤微生物分析方法手册M. 北京: 农业出版社出版, 1986: 226228. XU G H, ZHANG H Y. Manual of Methods for Soil Microbial AnalysisM. Beijing: Agricultural Press, 1986: 226228.10 李阜棣, 喻子牛, 何绍红. 农业微生物学实验技术M.

27、北京: 中国农业出版社, 1996: 6974. LI F D, YU Z N, HE S H. Agricultural Microbiological Experiment TechnologyM. Beijing: China Agriculture Press, 1996: 6974.11 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, 2002, 20(2): 2326. YANG Y H, YAO J, HUA X M. Effect of Pesticide Pollution Against Functional Microbial D

28、iverxity in SoilsJ. Journal of Microbiology, 2002, 20(2): 2326.12 GARLAND J L. Analytical approaches to the characterization of samples of microbial communities using patterns of potential C source utilizationJ. Soil Biology & Biochemistry, 1996, 28: 213221. 13 HIROKI M. Effects of heavy metal c

29、ontamination on soil microbial populationJ. Soil Science & Plant Nutrition, 1992, 38: 141147. 14 JOERGENSEN R G, ANDERSON T H, WOLTERS V. Carbon and nitrogen relationships in the microbial biomass of soils in beech (Fagus sylvatica L. ) forestsJ. Biology & Fertility of Soils, 1995a, 19: 1411

30、47. 15 JOERGENSEN R G, KUÈ BLER H, MEYER B, et al. Microbial biomass phosphorus in soils of beech (Fagus sylvatica L. ) forestsJ. Biology & Fertility of Soils, 1995b, 19: 215219. 16 PAUL E A, CLARK F E. Components of the soil biotaA. In: Paul EA, Clark FE. ed. Soil Microbiology and Biochemi

31、stryC. 2nd ed. San Diego: Academic Press, 1996: 71107. 17 庞欣, 张福锁, 王敬国. 不同供氮水平对根际微生物量氮及微生物活度的影响J. 植物营养与肥料学报, 2000, 6(4): 476480. PANG X, ZHANG F S, WANG J G. Effect of different nitrogen levels on SMB N and microbialactivityJ. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2000, 6(4): 476480.18 黄运湘, 张杨珠, 王

32、翠红, 等. 菜园土肥力特征及蔬菜硝酸盐污染的控制技术长沙市郊专业蔬菜基地土壤磷素状况及无机磷形态的分级J. 湖南农业大学学报: 自然科学版, 2004, 30(2): 110114. HUANG Y X, ZHANG Y Z, WANG Q H, et al. Study on Fertility of Vegetable Soil and Controlling Technique for Pollution of Nitrate in Vegetable Crops: . The Phosphate Status and Fractionation of Inorganic Phosph

33、ate in Some Vegetable Soils of the Suburbs of ChangshaJ. Journal of Hunan Agricultural University (Natural Sciences), 2004, 30(2): 11011419 曹慧, 杨浩, 孙波, 等. 不同种植时间菜园土壤微生物生物量和酶活性变化特征J. 土壤, 2002(4): 197200.CAO H, YANG H, SUN B, et al. The characteristics of micro biomass and enzyme in vegetable soils of

34、 different cultivation ageJ. SOILS, 2002(4): 197200.20 杨济龙, 祖艳群, 洪常青, 等. 蔬菜土壤微生物种群数量与土壤重金属含量的关系J. 生态环境, 2003, 12(3): 281284.YANG J L, ZU Y Q, HONG C Q, et al. Relationship between microorganisms and heavy metal in vegetable soil in Chengong countyJ. Ecology and Environment,2003, 12(3): 281284.21 孙波,

35、 张桃林, 赵其国. 我国中亚热带缓丘区红粘土红壤肥力的演化: 化学和生物学肥力的演化J. 土壤学报, 1999, 36(2): 204217. SUN B, ZHANG T L, ZHAO Q G. Fertility Evoluf1on of Red Soil Derived from Quaternary Red Clay in Low-hilly Region in Middle Subtropics11. Evolution Of Soil Chemical And Biological FertilitiesJ. ACTA PEDOLOGICA SINICA, 1999, 36(2

36、): 303317.22 钱泽澎, 何福恒, 冯孝善. 红壤微生物学特性(一): 浙江省低丘红壤的微生物学分析J. 土壤学报, 1964, 12(4): 391400. QIAN Z P, HE F H, FENG X S. The microbiological perverties of red soil(1): The microbiological analysis of red soil in low hill area in Zhejiang provinceJ. Journal of Soil Science, 1964, 12(4): 391 400.23 周艺敏, 小仓宽典,

37、 吉田彻志. 天津半干旱地区不同种植年限菜田土壤微生物变化特征的研究J. 植物营养与肥料学报, 2000, 6(4): 424429. ZHOU YIMIN, HIRROSUKE OGURA, TETSUSHI YOSHIDA. Macroflora in vegetable soils insemi-arid region at Tianjin CityJ. Plant Nutrition and Fertilizae Science, 2000, 6(4): 424429.24 张乃明, 董艳. 施肥与设施栽培措施对土壤微生物区系的影响J. 生态环境, 2004, 13(1): 6162.

38、ZHANG N M, DONG Y. Effects of fertilization and protected soil planting on soil microfloraJ. Ecology and Environment, 2004, 13(1): 6162. 25 ANDERSON T H, DOMSCH K H. Maintenance carbon requirements of actively-metalbolizing microbial populations under in situ conditionsJ. Soil Biology & Biochemi

39、stry, 1985, 17: 197203. 26 INSAM H, HASELWANDTER K. Metabolic coefficient of soil microflora in relation to plant successionJ. Oecologia, 1989, 79: 174178. 27 ANDERSON T H, DOMSCH K H. Appliication of eco-physiological quotients (qCO2 and qD) on microbial biomass from soils of different cropping his

40、toriesJ. Soil Biology & Biochemistry, 1990, 22: 251255. 28 GREGO S, KENNEDY A C. Effect of ammonium nitrate and stabilized farm yard manure on microbial biomass and metabolic quotient of soil unde Zea Mays L J. Agricoltura Mediterranea, 1998, 128: 132137. 29 姚槐应. 不同利用年限茶园土壤的化学及微生物生态特征研究J. 浙江农业科学

41、, 2002(3): 129131. YAO H Y. Study on the chemical and microbial ecological properties of tea garden soils of different cultivation ageJ. Zhejiang agricultural science, 2002(3): 129131.31 DAI J, BECQUER T, ROUILLER J H, et al. Influence of heavy metals on C and N mineralisation and microbial biomass

42、in Zn-, Pb-, Cu-, and Cd-contaminated soilsJ. Applied Soil Ecology, 2004, 25: 99109.31 王秀丽, 徐建民, 姚槐应, 等. 金属铜、锌、镉、铅复合污染对土壤环境微生物群落的影响J. 环境科学学报, 2003, 23(1): 2227. WANG X L, XU J M, YAO H Y, et al. Effects of Cu, Zn, Cd and Pb compound contamination on soil microbial communityJ. ACTA Scientiae Circumstantiate, 2003, 23(1): 2227.Relationship between chemo-physical, microbial ecological propertiesof v