不同母質(zhì)發(fā)育橡膠林土壤微生物特征研究

趙春梅，王文斌，Didier Lesueur，張永發(fā)，薛欣欣，羅雪華，李曉波

(1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料研究中心，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部橡膠樹生物學與遺傳資源利用重點實驗室，省部共建國家重點實驗室培育基地-海南省熱帶作物栽培生理學重點實驗室，中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院橡膠研究所，?？?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.海南農(nóng)墾南繁產(chǎn)業(yè)集團有限公司，三亞 572022)

【研究意義】土壤的形成和性質(zhì)是母質(zhì)決定下的繼承特征與氣候環(huán)境(包括人類活動)影響下的次生特征的矛盾統(tǒng)一[1]。在母質(zhì)、地形、生物、氣候等長期共同作用下，土壤具備了為植物生長提供和協(xié)調(diào)營養(yǎng)條件和環(huán)境條件的能力。土壤肥力作為土壤質(zhì)量評價和生產(chǎn)力提升的重要依據(jù)，曾被簡單等同于土壤養(yǎng)分。隨著土壤學概念的外延，土壤肥力發(fā)展到土壤養(yǎng)分、土壤物理性質(zhì)、生物化學性質(zhì)及環(huán)境條件等綜合性指標，微生物作為土壤肥力的生物指標受到研究者們的關(guān)注和重視[2]。研究表明植被和母質(zhì)是影響土壤微生物的關(guān)鍵因素[3]，成土母質(zhì)不僅控制著土壤的物理化學組成，為土壤生物生長提供必要的大量營養(yǎng)物質(zhì)，而且還影響著土壤微生物的結(jié)構(gòu)和群落，因此研究不同母質(zhì)土壤理化性質(zhì)與微生物之間的相關(guān)性及其影響因素具有重要意義。【前人研究進展】目前，針對林分、立體環(huán)境、海拔、土地利用方式、施肥等條件下土壤肥力與微生物量的相關(guān)報道較多[4-8]，但不同土母質(zhì)土壤肥力與微生物的相關(guān)性研究還鮮見報道，主要集中在沖積土、潮土、紅壤和水稻土等部分土壤類型的微生物量含量方面[9-12]。魏亮等[13]研究發(fā)現(xiàn)不同母質(zhì)發(fā)育土壤(花崗巖紅壤、酸性紫色土和第四紀紅土紅壤)中微生物量碳與有機碳、溶解性有機碳存在顯著正相關(guān)關(guān)系；盛浩等[14]發(fā)現(xiàn)不同母質(zhì)發(fā)育稻田表層土壤微生物生物量碳含量存在顯著差異；劉松濤等[15]發(fā)現(xiàn)不同質(zhì)地土壤(砂土、壤土、粘土)種植棉花根際細菌、真菌、放線菌的數(shù)量及磷酸酶、脲酶和蔗糖酶的活性特征有差異；陳旸[12]、夏文建[16]等研究表明施肥可以提高土壤養(yǎng)分、微生物生物量和土壤酶活性，但是不同土質(zhì)中微生物量對施肥量增加的響應(yīng)規(guī)律不同。【本研究切入點】海南島是中國發(fā)展橡膠的重要基地，熱量豐富，雨量充沛，存在明顯的季節(jié)和區(qū)域分布差異。在溫度、水分狀況、地形地貌、植被和母質(zhì)等成土因素的共同影響下，海南島土壤呈現(xiàn)區(qū)域差異大、受母質(zhì)影響大等特點。自20世紀50年代海南島開始大規(guī)模植膠以來，經(jīng)過60多年的植膠生產(chǎn)，橡膠林中出現(xiàn)了土壤養(yǎng)分大面積下降等問題[17-20]。尤其是單一栽培等耕作方式在很多地方造成了較多生態(tài)問題，包括土地退化、土壤酸化、生物多樣性減少等。針對以往出現(xiàn)的橡膠林土壤質(zhì)量和環(huán)境問題，學者們已陸續(xù)開展了土壤養(yǎng)分、酶活性等方面的靜態(tài)調(diào)查以及養(yǎng)分循環(huán)與施肥決策系統(tǒng)等動態(tài)分析，尤其是近年圍繞橡膠林土壤微生物群落結(jié)構(gòu)等方面做了大量研究[21-25]，但仍未減緩橡膠林土壤肥力持續(xù)下降的趨勢?！緮M解決的關(guān)鍵問題】通過研究不同成土母質(zhì)橡膠林土壤理化性狀與微生物特征及其二者之間的相互關(guān)系以及探尋影響土壤肥力的主要環(huán)境因子，以期為天然橡膠林生態(tài)系統(tǒng)土壤保護和生產(chǎn)管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

海南省屬于濕潤熱帶地區(qū)，地處108°37′～111°05′E，18°10′～20°10′N，年均氣溫25.5 ℃，日照時數(shù)2100 h，年均降水量1600 mm，干濕季分明，5—10月為濕季，11月至次年4月為干季。光、熱、水等氣候條件優(yōu)越，自然資源豐富，生物多樣性較多。海南島土壤發(fā)育過程復(fù)雜，主要成土母質(zhì)包括花崗巖、安山巖、玄武巖、花崗片麻巖、石灰?guī)r、板巖、砂質(zhì)巖、淺海沉積物、河流沖積物等類型。海南橡膠林土壤大多以花崗巖、玄武巖、變質(zhì)巖(花崗片麻巖、石灰?guī)r、板巖)和淺海沉積砂頁巖等四大母質(zhì)發(fā)育而成的磚紅壤為主[26]，林下自然植被由灌木、藤本、喬木幼苗以及草本植物組成，主要有山黃麻(Trematomentosa)、大青(Clerodendrumcyrtophyllum)、牛筋藤(Malaisiascandens)、飛機草(Eupatoriumodoratum)、弓果黍(Cyrtococcumpatens)、火炭母(Polygunumchinense)、地膽頭(Elephantopusscaber)、含羞草(Momosapudica)、野牡丹(Melastomacandidum)、糙葉豐花草(Borreniaarticulalis)、海金沙(L.japonicum)等植物。一般每年會經(jīng)過控萌、壓青等生產(chǎn)活動，清除一些覆蓋度大的喬木科植物。成熟期橡膠林(15齡以上)林分郁閉度大多數(shù)在85%以上，株行距為3 m×6 m。樣地基本情況如表1所示。

表1 樣地基本情況

1.2 試驗材料

2019年5月在海南不同母質(zhì)發(fā)育(花崗巖、玄武巖、變質(zhì)巖、淺海沉積物)橡膠林各選擇3塊樣地，共12塊樣地。每個樣地內(nèi)按照“X”型選擇橡膠樹10株，每株樣樹周圍取土深度為0～20和20～40 cm，再分別按土層混合成3個重復(fù)土樣，每個土樣采集1.0 kg裝入自封袋存于冰盒并運回實驗室。在實驗室內(nèi)對每個土樣進行風干過篩并混勻，去除根系、石礫等雜物，用于測定土壤容重、孔隙度、含水量等物理指標。再采用四分法將每個土樣分為2份，1份用于土壤理化指標分析，另1份保存在4 ℃冰箱內(nèi)用于土壤微生物生物量測定。

1.3 試驗方法

參照參考文獻[27]測定土壤理化指標和土壤微生物生物量指標。

土壤理化指標測定：土壤溫度采用溫濕度檢測儀(Takeme-P)測定，土壤含水量采用烘干法測定，孔隙度、容重采用環(huán)刀法測定，pH值采用電位法測定，有機碳采用碳氮元素分析儀測定，全氮、有效氮采用凱氏定氮法測定，全磷、有效磷采用鉬銻抗比色法測定，全鉀、有效鉀采用中性NH4OAc浸提-火焰光度法測定。

土壤微生物生物量指標測定：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測定，熏蒸后提取液分別由有機碳分析儀測定C，連續(xù)流動儀測定N，紫外—可見分光光度計測定P，通過熏蒸和未熏蒸土樣含量差值計算MBC、MBN、MBP。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2016軟件進行數(shù)據(jù)預(yù)處理和作柱形圖，Spss 19.0軟件作方差分析(ANOVA)、相關(guān)性分析(Pearson)和主成分分析(PCA)，Canoco 5.0軟件作冗余分析(RNA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同母質(zhì)發(fā)育橡膠林土壤理化性質(zhì)

不同母質(zhì)土壤物理性狀差異顯著(表2)。隨著土層加深，除土壤溫度無較大變化外，含水量、孔隙度均逐漸降低，容重則增高。4種母質(zhì)土壤物理指標比較：溫度為玄武巖>淺海沉積物>變質(zhì)巖>花崗巖，含水量為玄武巖>花崗巖>變質(zhì)巖>淺海沉積物，孔隙度為玄武巖>淺海沉積物>變質(zhì)巖>花崗巖，容重為變質(zhì)巖>淺海沉積物>花崗巖>玄武巖，整體上不同母質(zhì)類型中玄武巖土壤物理性狀優(yōu)于其他母質(zhì)。

表2 不同母質(zhì)發(fā)育橡膠林土壤物理特性

不同母質(zhì)土壤化學性質(zhì)差異顯著(表3)。隨著土層加深，除pH升高以外，有機碳、有效氮、有效磷、速效鉀、全氮、全磷含量均明顯降低，全鉀含量變化則無規(guī)律。4種母質(zhì)土壤化學指標比較：pH、速效鉀為淺海沉積物>變質(zhì)巖>花崗巖>玄武巖，有機碳為玄武巖>淺海沉積物>花崗巖>變質(zhì)巖，有效氮為玄武巖>變質(zhì)巖>淺海沉積物>花崗巖，有效磷為玄武巖>花崗巖>變質(zhì)巖>淺海沉積物，全氮、全磷為玄武巖>淺海沉積物>變質(zhì)巖>花崗巖，全鉀為花崗巖>淺海沉積物>變質(zhì)巖>玄武巖，表明不同母質(zhì)中玄武巖土壤化學特性優(yōu)于其他母質(zhì)。

表3 不同母質(zhì)發(fā)育橡膠林土壤化學性質(zhì)

2.2 不同母質(zhì)發(fā)育橡膠林土壤微生物特征

不同母質(zhì)發(fā)育橡膠林土壤微生物特征不同(圖1)。MBC、MBN與MBP在0～20 cm土層中變化范圍分別為131.58～407.50、42.40～89.64、0.07～0.51 mg/kg，在20～40 cm土層中分別為40.01～336.18、34.90～66.08、0.18～0.42 mg/kg。0～20 cm土層中MBC、MBN、MBC/MBN、MBC/MBP與MBN/MBP都高于20～40 cm土層，MBP低于20～40 cm土層。0～20 cm土層中不同母質(zhì)之間微生物指標均達顯著差異，20～40 cm土層中不同母質(zhì)間MBC、MBP、MBC/MBN、MBC/MBP差異顯著。4種母質(zhì)之間土壤微生物生物量比較：MBC為玄武巖>變質(zhì)巖>花崗巖>淺海沉積物，MBN、MBP為玄武巖>花崗巖>變質(zhì)巖>淺海沉積物，MBC/MBN為變質(zhì)巖>玄武巖>花崗巖>淺海沉積物，MBC/MBP為變質(zhì)巖>花崗巖>玄武巖>淺海沉積物，MBN/MBP為花崗巖>變質(zhì)巖>淺海沉積物>玄武巖，整體上玄武巖的土壤微生物量最高，淺海沉積物最低，花崗巖和變質(zhì)巖居中。說明海南不同母質(zhì)發(fā)育橡膠林土壤微生物含量及其特征存在差異，并且不同母質(zhì)土壤微生物量在不同土層之間的分布和變化也不相同。

圖1 不同母質(zhì)發(fā)育橡膠林土壤微生物量

2.3 不同母質(zhì)類型橡膠林土壤肥力的主成分分析

通過主成分分析可以在降維后的主元向量空間中用點的位置直觀地反映不同母質(zhì)類型差異，同時還可用點與箭頭的投影距離來判別樣本與環(huán)境指標之間的相關(guān)關(guān)系。本研究應(yīng)用主成分分析(PCA)從19個變量中提取出2個主成分因子，第1個成分(PCA1)和第2個成分(PCA2)可以分別解釋0～20和20～40 cm土層所有變量的61.74%和31.19%、65.26%和20.40%，2個主成分累計方差貢獻率分別達到92.93%、85.66%，因此取前2個主成分(PCA1和PCA2)得分作圖來表征不同母質(zhì)橡膠林土壤肥力狀況及其與環(huán)境因子的關(guān)系。由圖2可知，玄武巖、變質(zhì)巖、淺海沉積物在0～20和20～40 cm土層分布象限相同，分別為第一、三、四象限，花崗巖在兩土層中分布在第二和第三象限。通過各主成分的貢獻率和特征根進行計算并加權(quán)得出玄武巖、淺海沉積物、變質(zhì)巖、花崗巖的最終得分，分別為1.90、1.88、1.59、-5.37，玄武巖得分最高，淺海沉積物與變質(zhì)巖居中，花崗巖最低。

花崗巖：c1～c6；玄武巖：c7～c12；變質(zhì)巖：c13～c18；淺海沉積物：c19～c24

基于主成分的因子分析方法，求出不同母質(zhì)前10個主要環(huán)境指標的公因子方差和權(quán)重(表4)，方差大小表示該項指標對土壤肥力總體變異的貢獻，權(quán)重大小表明該指標在土壤肥力評價中的相對重要程度高低。計算所有指標公因子方差的加權(quán)平均值，得出4種母質(zhì)共有的重要影響因子(按大小順序)為MBN、MBC/MBP、MBC、MBC/MBN、含水量、土壤溫度、有效氮、有機碳、全氮、全鉀、孔隙度等?；◢弾r的主要影響因子是孔隙度、全磷、有效磷、含水量、有效氮等，玄武巖的主要因子是MBN、MBC/MBP、含水量、MBC/MBN、速效鉀等，變質(zhì)巖的主要因子是含水量、有效氮、全氮、MBC、有機碳等，淺海沉積物的主要因子是有效氮、MBN、MBC/MBP、全氮、MBC/MBN等。說明土壤微生物量是影響海南橡膠林土壤肥力的重要指標，并且海南不同母質(zhì)發(fā)育橡膠林中土壤理化性質(zhì)與微生物特性存在差別。

表4 土壤肥力評價指標公因子方差和權(quán)重

2.4 土壤微生物量與理化性質(zhì)之間的相關(guān)性

如表5所示，土壤MBC與含水量、孔隙度、有效氮、有效磷、全磷均呈極顯著正相關(guān)，與容重、pH、速效鉀、全鉀均呈極顯著負相關(guān)，與有機碳、全氮呈顯著正相關(guān)；土壤MBN與含水量、C/N呈極顯著正相關(guān)，與pH呈極顯著負相關(guān)，與有機碳、速效磷、全磷呈顯著正相關(guān)，與容重、速效鉀呈顯著負相關(guān)；土壤MBP與土壤溫度、含水量、孔隙度、有機碳、有效磷、全氮、全磷均呈極顯著正相關(guān)，與容重呈極顯著負相關(guān)，與pH、速效鉀呈顯著負相關(guān)。MBC/MBP與全鉀呈極顯著負相關(guān)，與pH顯著負相關(guān)，MBC/MBN與土壤溫度呈顯著負相關(guān)，MBN/MBP與C/N呈極顯著正相關(guān)，與土壤溫度呈顯著負相關(guān)。通過冗余分析(RDA)的“向前選擇”檢驗，得出對土壤微生物量影響最顯著的理化因子(P<0.05)，其特征值大小為含水量(F=7.9)> pH(F=7.3)>全鉀(F=7.2)>溫度(F=4.0)>C/N(F=3.8)>全磷(F=3.5)>有效氮(F=3.4)>容重(F=3.0)。說明海南橡膠林土壤理化性質(zhì)與微生物之間具有明顯的相關(guān)性，土壤含水量和土壤溫度是影響土壤微生物量的主要物理指標，全鉀、全磷、有效氮是影響土壤微生物量的主要化學指標。

表5 橡膠林土壤微生物量與土壤理化指標的相關(guān)分析

3 討 論

3.1 不同母質(zhì)發(fā)育橡膠林土壤理化性質(zhì)差異

熱帶地區(qū)巖石在成土和風化過程中因淋溶、風化程度不同而存在化學性質(zhì)差異[1]。海南地處熱帶季風氣候地區(qū)，玄武巖、花崗巖、變質(zhì)巖和淺海沉積物等母質(zhì)因成土原因、地形分布和氣候條件不同而表現(xiàn)出不同的理化特征。比如花崗巖礦物富含鉀豐富，但礦物質(zhì)含量少、不易風化，土壤理化性狀較差。玄武巖地處平坦北部、東北部地區(qū)，土壤有機質(zhì)豐富，但因為早期發(fā)育中土壤富含吸磷的氧化鐵和氧化鋁成分，導致土壤缺磷。吳敏等[28]認為受風化過程中鹽基離子強烈淋失作用，使得海南膠園玄武巖有機質(zhì)、全氮、全磷、有效氮等指標均高于其他母質(zhì)；本研究中玄武巖土壤的理化性狀優(yōu)于其他母質(zhì)，并且有效磷含量較高，與以往研究中玄武巖土壤一直缺磷等結(jié)論不太一致，其原因可能是后期耕作施肥導致土壤有效磷偏高。變質(zhì)巖也是海南種植橡膠面積分布較多的母質(zhì)，該母質(zhì)是在地質(zhì)運動下重新形成的新巖石，化學性質(zhì)和結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，本研究結(jié)果中變質(zhì)巖理化特征介于其他母質(zhì)之間。淺海沉積物大多分布在地處沿海地區(qū)，易遭雨水沖擊侵蝕，但在河流沖積物中因含有較多含鉀的粘土礦物，因此成為了后期風化過程中鉀素儲備庫，這也可能是本研究中淺海沉積物速效鉀含量高出其他母質(zhì)的原因。

3.2 不同母質(zhì)發(fā)育橡膠林土壤微生物特征差異

母質(zhì)對土壤微生物原始群落結(jié)構(gòu)有優(yōu)先選擇權(quán)，不同母質(zhì)土壤微生物群落多樣性和生物量特征有差異。Jaroslaw等[29]評估波蘭不同類型土壤細菌群落差異性時，發(fā)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)土壤微生物群落水平生理特征明顯高于其他土壤。耿建梅等[30]發(fā)現(xiàn)海南膠園不同母質(zhì)土壤細菌、真菌、放線菌的數(shù)量存在較大差異。研究表明土壤微生物量碳、微生物量氮受成土母質(zhì)影響最顯著[13]，本研究中玄武巖土壤微生物量碳、微生物量氮、微生物量磷的含量顯著高于花崗巖、變質(zhì)巖和淺海沉積物。學者們還認為不同母質(zhì)發(fā)育土壤微生物量差異性與土壤養(yǎng)分存在復(fù)雜關(guān)系，母質(zhì)、氣溫、含水量等指標是影響土壤微生物特征的主要因子[8,14]。同樣本研究中MBC、MBP與含水量、孔隙度、氮、磷等指標呈極顯著正相關(guān)，MBN與含水量、C/N呈極顯著正相關(guān)，MBP、MBC/MBN、MBN/MBP與土壤溫度極顯著相關(guān)。但本試驗中部分理化指標(尤其是有機碳)與微生物特征的相關(guān)性不太明顯，可能是母質(zhì)、理化性狀、氣候等綜合因素的相互作用對土壤微生物量產(chǎn)生直接或間接影響的結(jié)果，其作用機理還待進一步深入探究。

3.3 不同母質(zhì)發(fā)育橡膠林土壤肥力水平評價

土壤微生物量作為土壤肥力生物評價指標，已在紅壤、紅黃壤、紫色土等土壤類型展開研究，將土壤微生物量等生物指標作為土壤肥力與土壤質(zhì)量的評價指標來指導農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)以及土壤生態(tài)系統(tǒng)管理，已逐漸成為目前世界研究的熱點[31-32]。我國主要植膠區(qū)土壤微生物量碳含量水平主要集中在24.2～869.0 mg/kg，其中海南橡膠園土壤微生物量碳分布范圍為100～350 mg/kg，屬于中等偏下水平，本試驗結(jié)果與此結(jié)論基本一致[33]。與其他土壤類型相比，海南橡膠林土壤微生物量介于國內(nèi)河南潮土、成都沖積水稻土、湖南黃壤等土壤之間，但明顯低于熱帶雨林，這些差異主要因為橡膠林根系生長代謝旺盛、凋落物分解速度快，有利土壤微生物生長繁殖和代謝功能發(fā)展，因此微生物數(shù)量和組成高于其他土壤類型。本研究中花崗巖肥力綜合評價得分最低，玄武巖最高，但與變質(zhì)巖、淺海沉積物相差不大，其原因主要還是不同母質(zhì)之間土壤理化指標和微生物特征存在差異。所以，今后綜合考慮土壤理化性質(zhì)和微生物特征對于指導橡膠林可持續(xù)生產(chǎn)具有重要意義。

4 結(jié) 論

不同母質(zhì)發(fā)育橡膠林在土壤物理性狀、化學成分、微生物生物量等方面均存在顯著差異，并且以玄武巖土壤理化指標和微生物量含量最高。不同母質(zhì)橡膠林土壤肥力的主要影響因子包括是微生物量氮、微生物量碳、土壤含水量、土壤溫度、有效氮等。橡膠林土壤理化性狀與土壤微生物量之間具有密切關(guān)系，其影響微生物量的主要理化指標為土壤含水量、pH、全鉀、土壤溫度、全磷、有效氮等。