于偉偉,陳媛媛,汪旭明,王效科,3,*

1 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049 3 北京城市生態(tài)系統(tǒng)研究站,北京 100085

隨著城市化的快速發(fā)展,城市人口迅速增加,城市用地迅速擴(kuò)張[1]。硬化地表是城市化的重要標(biāo)志[2]。中國(guó)是世界上硬化地表面積最大的國(guó)家,硬化地表幾乎覆蓋了城市的63%[3]。城市硬化地表主要分為透水硬化(如透水路面等)和不透水硬化(如混凝土建筑、柏油路面等)兩種形式[4]。硬化地表為城市提供干凈整潔的環(huán)境和便利高效的生活生產(chǎn)設(shè)施,同時(shí)也產(chǎn)生了一系列負(fù)面影響,如減少雨水下滲形成地表徑流[5],增加地表溫度[6],改變土壤和植物的蒸發(fā)[7],阻止土氣交換[8]等。為了緩解硬化地表給城市帶來的不利影響和城市綠地面積不足,城市綠化樹木已經(jīng)栽種到硬化地表上[9],然而硬化地表會(huì)抑制樹木的生長(zhǎng)[7,10],降低植物根莖生物量[11]。不同類型硬化地表對(duì)樹木生長(zhǎng)的影響存在差異,Morgenroth認(rèn)為透水硬化地表上植物生長(zhǎng)優(yōu)于不透水硬化地表[12-13],Volder等[14]的研究結(jié)果表明兩種類型硬化地表對(duì)樹種生長(zhǎng)影響無顯著差異。Montague和Kjelgren通過研究4個(gè)樹種在6種不同程度硬化地表的生長(zhǎng)狀況得出結(jié)論,認(rèn)為不同樹種對(duì)硬化地表的響應(yīng)因樹種和硬化類型而異[15]。

土壤微生物是生物地球化學(xué)循環(huán)的驅(qū)動(dòng)者,是生態(tài)系統(tǒng)功能和服務(wù)的重要支撐者。硬化地表從多方面影響土壤性質(zhì)和功能,如硬化地表增加土壤的緊實(shí)度[16]、改變土壤理化特性[17-18]、提高土壤溫度、降低土壤含水量[19]、引起土壤碳流失[20]、阻礙凋落物進(jìn)入土壤、造成土壤有機(jī)碳及微生物量碳、氮含量降低,并導(dǎo)致土壤微生物活性及功能下降[17,21-22]。與不透水硬化地表相比,透水硬化地表能在一定程度上緩解硬化地表對(duì)土壤微生物的消極影響[22]。Francini等[23]發(fā)現(xiàn)不同地表植被及樹種對(duì)土壤微生物的影響不同。不同樹種的凋落物和根系分泌物存在差異,這將會(huì)導(dǎo)致硬化地表下不同樹木的土壤微生物的種類及數(shù)量存在差異。已有研究多集中在對(duì)硬化地表下樹木生長(zhǎng)和土壤微生物量及酶活性的影響上,與土壤生態(tài)學(xué)過程尤其相關(guān)的微生物群落的響應(yīng)及其反饋研究較少,不同樹種下土壤微生物對(duì)硬化地表的響應(yīng)并不清楚,致使硬化地表植樹對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)的功能和服務(wù)的影響認(rèn)識(shí)不足。磷脂脂肪酸(PLFA)是所有活細(xì)胞的基本組分,具有廣泛的結(jié)構(gòu)多樣性,常被用作微生物群落的分子標(biāo)記[24-25],被廣泛應(yīng)用于土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的研究中。BIOLOG微孔板是一種以碳源利用為基礎(chǔ)的定量分析方法,廣泛應(yīng)用于評(píng)價(jià)土壤微生物群落的功能多樣性[26]。PLFA和BIOLOG分析方法結(jié)合可以很大程度地提高結(jié)果的可靠性。

本研究原位模擬透水和不透水兩種類型硬化地表,并設(shè)置自然地表為對(duì)照,選取5年樹齡的常綠針葉樹油松(Pinustabulaeformis)和落葉闊葉樹白蠟(Fraxinuschinensis)中0—20 cm的表層土,采用氯仿熏蒸浸提法、磷脂脂肪酸法(PLFA)及BIOLOG培養(yǎng)法,分析評(píng)價(jià)土壤微生物量、群落結(jié)構(gòu)和功能,探討不同類型硬化地表對(duì)土壤微生物群落的影響及不同樹種下土壤微生物的響應(yīng),為科學(xué)全面評(píng)價(jià)城市綠地生態(tài)系統(tǒng)功能和服務(wù)提供數(shù)據(jù)支撐,為硬化地表樹木選育和管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地設(shè)在北京市昌平區(qū)馬池口鎮(zhèn)丈頭村種子管理站(40°12′N,116°08′E),屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,年平均降水量550.3 mm,集中于夏季的6—8月份,年均氣溫12.1℃。土壤類型為潮土,質(zhì)地為砂壤。試驗(yàn)硬化處理土壤理化性狀見表1(方法參見土壤農(nóng)化分析[27])。

表1 不同硬化處理下土壤理化性狀

同列不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地于2012年4月12日鋪設(shè),設(shè)置透水地表、不透水地表和自然地表三個(gè)硬化處理,以自然地表作為對(duì)照,滲透率超過0.4 mm/s的透水磚鋪設(shè)地面作為透水地表,滲透率幾乎為0的不透水磚鋪設(shè)地面作為不透水地表。每個(gè)硬化處理3個(gè)重復(fù),分別種植白蠟和油松,每個(gè)重復(fù)小區(qū)種植樹木23棵,分5行,行距和株距均為1 m。硬化地表上樹根周圍留有20 cm×20 cm的方形樹坑。試驗(yàn)所用磚的大小為20 cm×10 cm×6 cm(長(zhǎng)×寬×高)。供試油松和白蠟選用1年生幼苗,于2012年4月16日移栽。

1.3 土壤樣品的采集

于2015年9月9日用直徑2.5 cm的土鉆采集0—20 cm土層的土壤樣品。每個(gè)小區(qū)按“Z”形隨機(jī)采用5點(diǎn)混樣的方法取距離樹干0.5 m左右的土樣,硬化地表撬開磚,取完土后將磚復(fù)原,不透水硬化處理用水泥密封磚縫。樣品帶回實(shí)驗(yàn)室過2 mm篩后分3份,一份放在-80℃冰箱用于PLFA測(cè)定,一份放在4℃冰箱用于微生物碳氮和BIOLOG測(cè)定,剩余土樣風(fēng)干用于理化性狀的測(cè)定。

1.4 分析方法

微生物量碳、氮的測(cè)定采用氯仿熏蒸-浸提-非色散紅外吸收法：稱取兩份鮮土(25g),一份用氯仿熏蒸24 h,另一份未熏蒸；用100 mL 0.5 mol/L的K2SO4溶液萃取,在搖床上震蕩30 min,用Whatman濾紙過濾；濾液用總有機(jī)碳(氮)分析儀(Elementar, Liqui TOC II, Germany)測(cè)定[28]。

土壤微生物量碳(Cmic)和氮(Nmic)計(jì)算：

Cmic=CF-CUF/K

(1)

Nmic=NF-NUF/K

(2)

式中,CF和NF分別為熏蒸土壤浸提液的總碳和氮含量,CUF和NUF分別為未熏蒸土壤浸提液中的總碳和氮含量,K為熏蒸提取法的轉(zhuǎn)換系數(shù),取值0.45。

BIOLOG測(cè)定采用BIOLOG?-ECO培養(yǎng)板培養(yǎng)：稱取10 g鮮土,加入90 mL無菌NaCl溶液(0.85%)在搖床上震蕩30 min,在超凈工作臺(tái)中用無菌NaCl溶液(0.85%)稀釋到10-3,用8通道100 μL加樣器將稀釋液接種到BIOLOG微孔板上。將接種好的培養(yǎng)板放在25℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)7 d,每24 h在590 nm波長(zhǎng)下讀取培養(yǎng)板的吸光值。試驗(yàn)采用72 h的數(shù)據(jù)對(duì)微生物碳源利用進(jìn)行分析[26]。

每孔顏色平均變化率(AWCD)計(jì)算公式為：

AWCD=∑(C-R)/n

(3)

式中,C為每個(gè)有培養(yǎng)基孔的光密度值,R為對(duì)照孔的光密度值,n為培養(yǎng)基孔數(shù),ECO板n值為31。

培養(yǎng)基的豐富度(richness)指數(shù)指被利用的碳源總數(shù)目,多樣性(diversity)指數(shù)采用Shannon-Weinner指數(shù)(H′)：

H′=∑(Pi×logPi)

(4)

Pi=(C-R)/∑(C-R)

(5)

PLFA的測(cè)定：取4 g冷凍干燥的土樣,用氯仿、甲醇和磷酸緩沖液(1∶2∶0.8,V/V/V)振蕩提取,取氯仿相,N2吹干,氯仿溶解過硅膠柱(100—200目),以甲醇洗滌,N2吹干洗滌液,用甲醇甲苯溶液(1∶1,V/V)溶解后甲酯化[29],加1 mL含內(nèi)標(biāo)19:0的正己烷溶液,上GC-MS(Agilent 6850 GC-MS)測(cè)定。使用細(xì)菌脂肪酸標(biāo)準(zhǔn)和MIDI峰鑒別軟件(MIDI, Inc., Newark, DE)確定峰,根據(jù)內(nèi)標(biāo)濃度確定不同結(jié)構(gòu)峰面積濃度[30]。PLFA含量用nmol/g表示。其中,i14:0、14:0、15:0、16:0、17:0、18:0、14:1w5c、a15:0、i15:0、i15:1w6c、a16:0、i16:0、16:1w7c、16:1w9c、16:3 w6c、a17:0、17:0cy、i17:0、a17:1w9c、i17:1w9c、10Me 17:1、10Me 18:1、17:1w8c、i18:0、18:1w5c、19:0cy表示細(xì)菌[30- 33]；16:1 w5c、18:1 w7c、18:1 w9c、18:2 w6c、18:3 w6c表示真菌,16:1 w5c表示叢枝菌根真菌(AMF),10Me 16:0、10Me 17:0、10Me 18:0、10Me 19:0、10Me 20:0表示放線菌[31,33- 34]；真菌/細(xì)菌(F/B),環(huán)丙基脂肪酸/前體結(jié)構(gòu) [(cy/pre),(cy17:0+cy19:0)/(16:1 w7+18:1 w7)],飽和脂肪酸/單不飽和脂肪酸[(sat/mono), (14:0+15:0+16:0+17:0+18:0+20:0)/(16:1 w9c+16:1 w7c+16:1 w5c+17:1 w8c+18:1 w9c+18:1 w7c+18:1 w5c+19:1 w11c+ 20:1 w9c)]表示環(huán)境壓力[35- 36]。計(jì)算細(xì)菌、真菌、AMF和放線菌含量以及F/B、cy/pre、sat/mono的值。

1.5 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用SPSS 22.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。不同硬化處理間土壤微生物量碳與氮、多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)及對(duì)6類碳源利用的差異采用One-Way ANOVA進(jìn)行顯著性分析。BIOLOG實(shí)驗(yàn)采用72 h土壤微生物的吸光值用PCA(主成分分析)進(jìn)行碳源利用類型差異的分析。對(duì)PLFA單體的含量進(jìn)行PCA分析,分析不同類型硬化地表下土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的差異。用Origin Pro 2016制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤微生物量碳氮

硬化地表顯著降低土壤微生物碳氮含量(圖1)。與自然地表(Control, C)相比,透水硬化地表(Pervious pavement, P)和不透水硬化地表(Impervious pavement, IP)使油松土壤微生物碳的含量分別顯著降低74%和83%(P<0.05),P和IP使白蠟土壤微生物碳的含量分別顯著降低72%和69%(P<0.05)；油松土壤微生物量氮在P和IP下分別顯著降低67%和80%(P<0.05),白蠟土壤微生物量氮在P和IP下均顯著降低64%(P<0.05)。土壤微生物量碳氮在不同樹種間也存在差異,但是樹種和硬化處理間沒有交互作用。

圖1 土壤微生物量碳氮的變化Fig.1 Changes of soil microbial carbon and nitrogenP：透水硬化地表Pervious pavement；IP：不透水硬化地表Impervious pavement；C：自然地表Control；F：F值 F-Value；S：樹種Tree species；T：處理Treatments； *：*<0.05, **<0.01；ns：不顯著 no significant difference

圖2 土壤微生物PLFA各組分和比值Fig.2 Soil microbial group PLFAs contents and ratiosAMF：叢枝菌根真菌 arbuscular mycorrhizal fungi；F/B：真菌/細(xì)菌 fungi/bacteria；cy/pre：環(huán)丙基脂肪酸/前體結(jié)構(gòu) cyclopropyl fatty acid/monoenoic precursors；sat/mono:一般飽和脂肪酸/單不飽和脂肪酸 normal saturated fatty acid/monounsaturated fatty acid

2.2 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)

圖3 微生物群落結(jié)構(gòu)主成分分析 Fig.3 Principal component analysis of PLFA data distinguished under pine and ash with different pavements

硬化地表對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響顯著(圖2)。白蠟樹下土壤細(xì)菌,在透水硬化地表(P)和不透水硬化地表(IP)下,比自然地表(C)分別顯著降低39%和18%(P<0.05),在P下比在IP下顯著降低25%(P<0.05)。油松樹下土壤真菌,在P和IP下比C分別顯著降低35%和48%(P<0.05),白蠟樹下土壤真菌在P下比C顯著降低34%(P<0.05)。白蠟樹下土壤放線菌在P下比C顯著降低30%(P<0.05)。油松與白蠟樹下土壤AMF在P和IP下比C分別顯著降低40%和39%(P<0.05)與38%和16%(P<0.05),白蠟樹下土壤AMF在P下比IP顯著降低26%(P<0.05)。油松樹下土壤F/B在P和IP下比C分別顯著降低22%和35%(P<0.05),油松與白蠟樹下土壤微生物cy/pre在P和IP下比C顯著升高23%和59%(P<0.05)與21%和31%(P<0.05)。油松樹下土壤微生物cy/pre在IP下比在P下顯著升高19%(P<0.05)。與C相比,IP使油松土壤sat/mono顯著升高63%(P<0.05),P使白蠟土壤sat/mono顯著降低14%(P<0.05)。樹種的差異僅對(duì)土壤放線菌、叢枝菌根真菌(AMF)及環(huán)境壓力指標(biāo)F/B、cy/pre和sat/mono有顯著影響。樹種和硬化程度的交互作用對(duì)土壤微生物F/B、cy/pre和sat/mono有顯著影響。

主成分分析結(jié)果表明不同硬化地表類型下,土壤微生物群落結(jié)構(gòu)具有顯著性差異(圖3)。油松土壤微生物群落結(jié)構(gòu)兩個(gè)主成分解釋了總變量的66.7%(PC1=47.3%,PC2=19.4%),白蠟土壤微生物群落結(jié)構(gòu)兩個(gè)主成分解釋了總變量的82.8%(PC1=72.8%,PC2=10.0%)。油松土壤微生物群落結(jié)構(gòu)PC1(F=6,P<0.05)能將3個(gè)硬化處理顯著區(qū)分開,與油松土壤微生物群落中與主成分PC1顯著相關(guān)的主要為真菌特征脂肪酸16:1 w5c、18:1 w7c、18:1 w9c、18:2 w6c、18:3 w6c和放線菌特征脂肪酸10Me 16:0、10Me 17:0、10Me 18:0(表2),白蠟土壤微生物群落結(jié)構(gòu)PC2(F=10,P<0.05)能將3個(gè)硬化處理顯著區(qū)分開,白蠟土壤微生物群落中與PC2顯著相關(guān)的均為細(xì)菌特征脂肪酸(表2)。

表2 土壤微生物中與主成分顯著相關(guān)的PLFA單體

**P<0.01, *P<0.05

2.3 土壤微生物群落功能

硬化地表限制土壤微生物群落功能(圖4)。油松和白蠟土壤微生物平均每孔變色率在不透水硬化地表下分別顯著降低32%和68%(P<0.05),兩種樹種間存在顯著差異,樹種和硬化處理間存在交互作用。油松和白蠟在P和IP下土壤微生物群落對(duì)糖類、氨基酸類、羧酸類三類主要碳源的利用超過70%。油松和白蠟土壤微生物在IP下對(duì)這三類主要碳源的利用比率發(fā)生變化,IP使油松土壤微生物對(duì)糖類的利用比率降低,對(duì)羧酸類的利用比率升高；IP使白蠟土壤微生物對(duì)糖類的利用比率升高,對(duì)羧酸類的利用比率降低。

圖4 BIOLOG培養(yǎng)72 h平均每孔顏色變化率和土壤微生物對(duì)不同碳源利用百分比Fig.4 Average well color development (AWCD) at 72 h during experiment and the effect of pavements on utilization of main carbon sources

硬化地表對(duì)土壤微生物群落功能的影響表現(xiàn)在對(duì)碳源的利用上(表3)。IP顯著降低油松土壤微生物對(duì)糖類、氨基酸類、胺類、聚合物的利用,降幅分別為52%、31%、50%和20%(P<0.05),IP使白蠟土壤微生物對(duì)糖類、氨基酸類、羧酸類、胺類和聚合物的利用分別顯著降低56%、62%、85%、80%和70%(P<0.05),P使白蠟土壤微生物對(duì)氨基酸類的利用顯著升高43%(P<0.05)。兩個(gè)樹種土壤微生物群落功能存在差異,油松土壤微生物對(duì)糖類、氨基酸、聚合物的利用顯著高于白蠟(表3)。樹種和硬化處理的交互作用顯著影響土壤微生物對(duì)羧酸類、胺類及聚合物的利用(表3)。

表3 BIOLOG培養(yǎng)72 h土壤微生物對(duì)六類碳源的利用

同列不同字母代表在5%水平上LSD多重比較差異顯著； *P<0.05,**P<0.01,***P<0.001

圖5 土壤微生物碳源利用主成分分析 Fig.5 Principal component analysis of carbon source utilization pattern distinguished under pine and ash with different pavements

主成分分析表明硬化地表改變了不同樹種下土壤微生物群落對(duì)單一碳源的利用(圖5)。油松土壤微生物碳源利用的兩個(gè)主成分解釋了總變量的40.6%(PC1=28.8%,PC2=11.8%),白蠟土壤微生物碳源利用的兩個(gè)主成分解釋了總變量的50.6%(PC1=31.8%,PC2=18.8%)。白蠟土壤微生物碳源利用的PC2(F=18,P<0.001)能將3個(gè)硬化處理顯著區(qū)分開,表明硬化地表改變了白蠟土壤微生物單一碳源利用。

不透水硬化地表降低土壤微生物群落功能豐富度和多樣性指數(shù)(圖6)。不透水硬化地表使油松和白蠟土壤微生物豐富度分別顯著降低27%和70%(P<0.05),不透水硬化顯著降低油松和白蠟土壤微生物多樣性指數(shù),降幅達(dá)10%和37%(P<0.05)。硬化處理和樹種對(duì)土壤微生物豐富度和多樣性的影響存在交互作用。

圖6 土壤微生物群落豐富度和多樣性指數(shù)Fig.6 Richness and diversity of soil for different pavements

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)硬化地表顯著影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能：(1)硬化地表下土壤微生物碳、氮的含量均顯著降低(P<0.05),這與Wei等[21]的研究結(jié)果一致,Piotrowska和Charzyński通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的方法也發(fā)現(xiàn)硬化地表降低土壤微生物量碳、氮[22]?？赡苡捎谟不乇韺⑼寥馈氨Ｗo(hù)”起來[4],阻礙凋落物進(jìn)入土壤引起土壤中碳及氮素含量降低,從而造成土壤微生物量碳氮的降低。(2)硬化地表下土壤微生物細(xì)菌、真菌、AMF數(shù)量均顯著降低,這可能由于硬化地表增加了土壤緊實(shí)度和土壤溫度,降低了土壤含水量[16,19],改變了土壤理化特性[17- 18],從而影響土壤微生物的生長(zhǎng)。細(xì)菌、真菌數(shù)量的減少,主要與硬化地表減少了進(jìn)入土壤的有機(jī)物數(shù)量有關(guān)。土壤真菌數(shù)量降低會(huì)造成細(xì)菌數(shù)量的減少,因?yàn)楹芏嗉?xì)菌依賴真菌分解物生存,同時(shí),真菌數(shù)量的降低也會(huì)增加N流失[37]。(3)硬化地表下土壤微生物cy/pre的比值顯著升高?？赡苁怯捎谟不乇斫档屯寥浪諿5]、增加地表溫度[6]、阻礙土氣交換[8]等,從而導(dǎo)致硬化地表下土壤微生物環(huán)境壓力增大。城市硬化地表阻礙土壤與環(huán)境之間的物質(zhì)能量交換,降低土壤總氮、微生物量碳、氮和微生物活性及微生物群落功能多樣性[17,20- 21]。

本研究發(fā)現(xiàn)不同類型硬化地表對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的影響不同。表現(xiàn)在：(1)與自然地表(C)相比,不透水硬化地表(IP)下土壤微生物平均每孔變色率顯著降低(圖4),土壤微生物對(duì)糖類、氨基酸類、羧酸類、胺類、聚合物的利用顯著降低(表2),土壤微生物功能多樣性和豐富度指數(shù)顯著降低(圖6),而透水硬化地表(P)下這些指標(biāo)未發(fā)生顯著改變?？赡苡捎谕杆不乇碛欣谟晁聺B,增加地表通透性,有利于大氣和土壤之間的氣體交換,改善了土壤理化性狀[38]。Piotrowska等[22]研究發(fā)現(xiàn)不透水硬化地表下土壤微生物熒光素二乙酸酯水解酶和硝酸還原酶活性比透水硬化地表下低,Morgenroth等[12-13]通過研究也發(fā)現(xiàn)不透水硬化地表下植物的生長(zhǎng)比透水硬化地表下差,進(jìn)入土壤有機(jī)物將減少。(2)硬化地表下土壤微生物群落的變化主要體現(xiàn)在對(duì)環(huán)境壓力的響應(yīng)上,如sat/mono、cy/pre值升高[39-40]。與C相比,IP下土壤微生物磷脂脂肪酸F/B比值顯著降低,sat/mono比值顯著升高,P下無顯著變化；P和IP下土壤微生物磷脂脂肪酸cy/pre比值都顯著高于C,IP下土壤微生物cy/pre比值顯著高于P。sat/mono和cy/pre這些壓力指標(biāo)一般反應(yīng)土壤微生物受到土壤溫度、水分、養(yǎng)分以及物理脅迫的程度。與P相比,IP下雨水幾乎無法下滲,凋落物也無法回土,導(dǎo)致土壤微生物的環(huán)境脅迫更大?？梢?硬化地表不利于土壤微生物的生長(zhǎng),不透水硬化地表下土壤微生物受到的影響更大。

本研究以硬化地表下的油松和白蠟林間土為研究對(duì)象,研究了不同樹種土壤微生物對(duì)不同類型硬化地表的響應(yīng)。對(duì)兩個(gè)樹種在兩種類型硬化地表下土壤微生物PLFA結(jié)構(gòu)做主成分分析(圖3),油松PC1能將3個(gè)硬化處理顯著區(qū)分開,與油松PC1顯著相關(guān)的PLFA結(jié)構(gòu)主要是真菌和放線菌；白蠟PC2能將3個(gè)硬化處理顯著區(qū)分開,與白蠟PC2顯著相關(guān)的PLFA結(jié)構(gòu)都是細(xì)菌,表明硬化地表改變了兩個(gè)樹種土壤微生物菌群的主導(dǎo)形式。油松和白蠟分別屬于常綠樹和落葉樹,Polyakova和 Billor研究發(fā)現(xiàn)不同樹種凋落物不同[41],凋落物與土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能變化密不可分,可能由于硬化地表阻隔凋落物進(jìn)入土壤改變了土壤微生物群落組成及數(shù)量造成菌群主導(dǎo)形式的變化。本研究發(fā)現(xiàn)油松土壤真菌、AMF的數(shù)量及F/B值在P和IP下都顯著降低,表現(xiàn)為C>P, IP,表明硬化地表使油松土壤微生物群落向細(xì)菌主導(dǎo)型轉(zhuǎn)化；白蠟土壤細(xì)菌和AMF在P和IP下均顯著降低,表現(xiàn)為C>IP>P,真菌和放線菌表現(xiàn)為C>P,表明透水硬化對(duì)白蠟土壤微生物的不利影響更大。Francini等[23]發(fā)現(xiàn)落葉樹和常綠樹對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響不同,落葉樹白蠟由于產(chǎn)生易分解的富含氮的凋落物,其土壤微生物一般以細(xì)菌為主導(dǎo),而常綠樹油松土壤微生物一般以真菌為主導(dǎo)[42],油松土壤微生物向細(xì)菌主導(dǎo)型的轉(zhuǎn)化也意味著油松土壤微生物群落功能的衰減。油松土壤壓力指標(biāo)cy/pre表現(xiàn)為IP>P>C,sat/mono表現(xiàn)為IP>C,表明不透水硬化地表對(duì)油松土壤造成的環(huán)境壓力更大, Xu等[43]發(fā)現(xiàn)土壤pH值是城市土壤微生物群落變化的一個(gè)主要驅(qū)動(dòng)因子,本研究中油松在硬化地表下土壤pH值降低(表1)可能是土壤環(huán)境壓力增大的原因；Montague等[15]發(fā)現(xiàn)不同類型硬化地表溫度及表層土壤溫度不同,而種植不同樹種也會(huì)改變土壤溫度及水分含量,土壤溫度和水分的變化也可能是土壤環(huán)境壓力變化的原因,同時(shí),土壤環(huán)境壓力的變化也會(huì)造成微生物結(jié)構(gòu)和功能的變化。土壤微生物對(duì)單一碳源的利用做主成分分析(圖5),白蠟PC2能將3個(gè)硬化處理顯著區(qū)分開,說明硬化地表對(duì)改變了白蠟土壤微生物對(duì)碳源的利用導(dǎo)致土壤微生物功能的變化,本研究發(fā)現(xiàn)油松土壤微生物對(duì)糖類、氨基酸類和聚合物的利用比白蠟高,可能與分泌物數(shù)量有關(guān),Polyakova和Billor認(rèn)為常綠樹的根系分泌物較落葉樹高[41]。

4 結(jié)論

硬化地表降低土壤微生物數(shù)量、豐富度及多樣性指數(shù),增加土壤微生物環(huán)境脅迫,改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu),削弱土壤微生物群落功能,透水硬化對(duì)土壤微生物的負(fù)效應(yīng)有一定的減緩作用,不同樹種對(duì)硬化地表的響應(yīng)存在差異。不同樹種和硬化地表類型對(duì)土壤微生物的影響存在交互作用。硬化地表是城市環(huán)境的主要特征,城市綠化樹木也是城市必不可少的生態(tài)因子,二者在城市生態(tài)系統(tǒng)中的功能是復(fù)雜的,對(duì)土壤微生物的影響非常重要,但城市環(huán)境中影響土壤微生物的因素又是多樣的。本研究采用原位模擬的試驗(yàn)方法研究5年生綠化樹木林間土壤微生物對(duì)硬化地表的響應(yīng),考慮到城市硬化地表的長(zhǎng)期性,本結(jié)果也具有一定的局限性,但總體上能說明硬化地表對(duì)土壤微生物的影響趨勢(shì)。對(duì)于城市硬化地表對(duì)土壤微生物群落的影響機(jī)制以及不同樹種土壤微生物群落對(duì)硬化地表的響應(yīng)機(jī)理,還需要結(jié)合其他環(huán)境因子以及實(shí)地觀測(cè)結(jié)果作進(jìn)一步驗(yàn)證。