全 文 ：第 期
年 月
华东师范大学学报 自然科学版
文章编号 一 一 一
重金属污染下台湾相思和尾叶按根区
土壤微生物群落多样性
康敏明 , , 陈红跃 , 陈传国 , 达良俊 ,` 吴启堂 , 何淑琼
华东师范大学 环境科学系 ,上海 华南农业大学 林学院 ,广州
广东省林业调查规划院 , 广州 华南农业大学 资源与环境学院 ,
广州 广州市黄埔区农林水利局 ,广州
摘要 利用 二微平板技术对广州市黄埔区龟山重金属污染下台湾相思 山 和
尾叶按 “ 贝 根区土壤微生物群落多样性进行了研究 结果表明 ,广州市黄埔区
龟山土壤重金属污染严重 ,其中全 和全 含量大大超出广州市背景值 ,并对微生物群落产生
最大负效应 土壤环境的恶化导致细菌数量减少 ,微生物代谢活性滞后 ,对醋类和氮基酸类碳源利
用低 ,多样性指数降低 黄埔区台湾相思和尾叶按根区土坡细菌数量和微生物多样性显著高于裸
地 由于重金属污染对根区土壤的影响较大 ,台湾相思和尾叶按根区土壤的细菌数量 、微生物碳源
利用类型以及群落多样性指数均无显著差异 然而 ,台湾相思根区土坡徽生物的代谢活性随着培
养时间的延长 ,呈迅速上升趋势 ,并较其他供试土壤具有更高的代谢能力 另外 ,台湾相思不仅可
以稳定土壤中的 和 ,还能吸收 和 ,并且其固氮能力能有效增加土壤养分含量 ,对土壤条
件进行改良 ,也是广州市常用的造林先锋树种 ,适合作为广州市黄埔区重金属污染地植被重建材料
关位词 重金属污染 根区土壤 微生物群落多样性 台湾相思 尾叶按
中圈分类号 文献标识码
一 , · , 一 , 一 ,
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加 一 ,
收稿日期 一
基金项目 “黄埔区龟山植被恢复样地试验 ”项目 一 》
第一作者 康敏明 ,女 ,博士研究生 一 一
通讯作者 陈红跃 ,男 ,教授 ,研究方向为森林培育学及污染生态学 。 。
第 期 康敏明 ,等 重金属污染下台湾相思和尾叶按根区土壤微生物群落多样性
夕 夕
即
,
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少 夕 ,
, 。
。 ,
,
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,
灯 川
引 言
严重的重金属污染是工业化进程中城市土壤的一重要特征 ,城市土壤重金属污染问题
受到越来越多的重视 〔〕国内研究集中于城市土壤重金属元素的含量 、分布 、结合形态及评
价等方面 ,对土壤微生物学特性研究较少 , 二土壤微生物是土壤环境的重要组分 ,土壤微生
物群落多样性能敏感地反映生态环境胁迫等的影响 ,可揭示土壤中微生物种类和功能的差
异阵 〕以 微平板碳源利用为基础的定量分析能简单 、快速反映微生物群落功能和
结构多样性的变化情况 ,被广泛应用于评价土壤微生物群落多样性 , 〕
广州作为我国重要的工业城市之一 ,由于多年来粗放型的经济增长方式和畸形的工
业化进程 ,造成了城市土壤不同程度的污染 黄埔工业区位于广州市东部珠江沿岸 ,珠江
三角洲北缘 ,西邻天河区 ,北靠白云区 ,东接增城市 ,南与番禺区隔江相望 ,是广州市重工
业和化工业所在地 其东南部的龟山 约 由于长期受硫酸厂 、化工厂排放物的
影响 ,森林植被受到不同程度的破坏 ,人工植被只剩下少量台湾相思林
和尾叶按林 “ 贝 水土流失严重 ,表土丧失 ,板结化明显 ,土壤环境质
量大大下降 本文拟采用 微平板技术 ,对黄埔龟山污染区和华南农业大学树木
园清洁区台湾相思和尾叶按根区土壤微生物群落多样性进行研究 ,旨在揭示广州市工业
区重金属污染对土壤微生物群落多样性的影响 ,并为广州黄埔区工业污染下城市林地建
设与管理提供参考
材料与方法
研究地概况
广州市处于北回归线以南 ,面临南海 ,属南亚热带季风气候 ,年平均气温 ℃,最
冷月 月 平均气温 ℃左右 ,最热月 月 平均气温 ℃左右 年平均降水量
华东师范大学学报 自然科学版 年
,一般 一 月为多雨期 , 月至翌年 月为早季 地貌类型为缓坡低丘 ,土壤为花
岗岩赤红坡
调查地分两个地点一 是位于广州市黄埔工业区东南部的龟山 ,另外选择离黄埔区污染
源在 左右 ,周围无工厂污染源的天河区华南农业大学树木园作为对照清洁区 ,其土壤
作为相应清洁对照土壤
样品采集与处理
选择台湾相思 年 和尾叶按 巧 年 为研究树种 ,调查点基本情况见表
衰 调查点荟本情况
土样号 调查区 采样点 坡度 坡向
黄埔龟山 距离厂区
范圈内的迎面山坡
华南农业大学树木园
台海相思根区
尾叶按根区
裸耳地
台河相思根区
尾叶按根区
南偏东 “
」
南偏东
南偏东
北偏东
坡位
中部
中上部
中部
中部
中上部
口山几盈
年 月 日 ,在上述各调查点 ,每树种选择 株标准木 ,分别在其根区 距树干
的 土层范围内采集土壤样品 ,每株树在上坡和下坡方向各采集 个土样 ,
每两株树的土样混合成 个样品 ,因而每树种的 株标准木共得 个土壤样品 另在黄埔区
龟山调查区无植被的裸露地随机采集 个土样 ,两两混合成 个土壤混合样品 土壤装人无
菌封口袋内 ,带回实验室 将一部分新鲜土壤研磨过 尼龙网筛 ,调节土壤水分至田间
持水量的 左右 ,装人无菌封口袋 ,置于 ℃冰箱内保存以供土壤微生物指标分析 另一
部分土壤于室内自然风干 ,研磨 、过筛 孔径 ,供土壤重金属含量分析
测定方法
用 计测土壤 值 水 土 有机质用重铬酸钾容量法测定 全 用半
微量凯氏法测定 有效 用碱解扩散法测定叫
采用王水一高抓酸消化 、原子吸收分光光度法测定供试土壤样品的 , , , 全
量 相对应的有效态重金属含量则采用 ℃下 · 一的 提取 液 土二 ,
在磁力搅拌器上搅拌 ,离心机分离后 ,过滤 ,制成待测液 , 再用原子吸收分光光度法测
定 〕
细菌数量的测定采用牛肉膏一蛋白陈培养基培养 ,平板涂抹法计数 〔川
微生物群落多样性类型采用 微平板 公司 ,每个样品测试 种碳源 ,应用
方法进行测定 〔 〕每个样品 个重复 将接种好的平板于 ℃培养 ,每隔 用
波长 ,在 读数器 公司 上读数 ,培养时间共为
数据处理方法
土壤微生物群落 微平板的每孔颜色平均变化率
, 表示土壤微生物代谢能力的高低 ,是反映土壤微生物群落多样性的一个重要
指标 等 〔 」认为 ,土壤微生物群落 微平板反应速度和最终能达到的程
度与群落内能利用单一碳底物的微生物数目和种类相关 ,从而可以反映其土壤微生物群落
第 期 康敏明 ,等 重金属污染下台湾相思和尾叶按根区土壤微生物群落多样性
组成上的差异 值的计算方法为 〔 〕 值 二习 ,式中 为各反应孔在
下的吸光值 , 为对照孔 的吸光值
土壤微生物在 板上培养 时 ,利用碳源的能力比较稳定 ,故以此时各
样品的每孔相对吸光值 进行碳源利用类型的主成分分析 ,并计算微生物群落多样性
指数 土壤微生物群落多样性指数包括丰富度 、 多样性指数和 均匀
度 丰富度 用微平板颜色变化孔的数目代表 多样性指数计算方法为 二一习
` ,`其中 `为第 孔相对吸光值 尺 与整个平板相对吸光值总和的比率 均
匀度计算方法为 , 为颜色变化的孔的数目 ,即丰富度 ”· 〕
利用 检验对各项数据进行多重比较 ,并对所有供试土壤的养分 、重金属含量 、
细菌数量以及微生物群落多样性各指标 时的 值 、丰富度 、 多样性
指数和 均匀度 进行相关性分析 试验数据分析均采用 统计软件
结果与分析
土壤养分及重金属含量
由表 可知 ,黄埔区较对照土壤 值有所下降 ,而有机质 、全氮和有效氮含量显著低
于对照 黄埔区台湾相思根区土壤养分含量高于尾叶按 ,黄埔区裸地土壤养分含量最低
表 土坟养分及 , 金 含
土样号 背景值仁 〕
士
有机质 · 一 让 士
全氮 · 一 士
有效氮 · 一 士
土
重金 属 土
全量
· 一 土
士
士
有效态重 士
金属含
· 一 一士
士
士 士 《
士
士
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土
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士 ￡
士
士
士
士
土
士
土
土 川
土 叮
【 土
士
士
注 字母不相同的数据 平均值 士标准误 表示它们之间差异显著
黄埔区土壤重金属含量显著高于对照区 , , , 和 的平均含量分别是广州市
背景值的 , , 和 倍 对照区 含量和 的 含量略高于广州市背景
值 重金属含量 , 和 全量以及有效态含量高于 ,而 和
全量及有效态积累量低于 总体上 ,两调查区中台湾相思根区土壤重金属含量均低
于尾叶按
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土壤细菌数量
黄埔区单位质量干土中的土壤细菌
数量显著低于对照区 见表 ,不同调
查区台湾相思根区土壤细菌数量均高于
尾叶按 其中对照区台湾相思细菌数量
最多 ,而黄埔区裸地细菌数量最少
土壤微生物群落多样性
微平板平均颜色
变化率
由土壤微 生物群 落培育过程 中
衰 供试土坟的细苗橄
`
土样号 细菌数 · 一
士 仪
土
士
士
土
注 字母不相同的数据 平均值 土标准误 表示它们之间差异显着
尸
值变化曲线可知 见图 ,不同调查区土壤微生物群落 值变化趋势具有显
著差异 在 间各样品 值都很小 ,此时碳源基本上未被利用 对照区土壤微生
物群落 值从 开始明显升高 ,代谢活性显著大于黄埔区 ,并于 达到最高值 ,
之后开始下降 黄埔区土壤在 后 ,代谢剖面才具有明显升高的趋势
心
月卜
曰砚卜
亩曰
闷卜
乃哥司汉粼辘刃降
奋 ` 里 二

时间
图 供试土壤微生物群落温育过程中 值的变化 平均值土标准误
一 士
不同树种根区土壤微生物代谢活性也具有显著差异 土壤微生物活性显著高于
和 根区土壤微生物活性在 。 间变化趋势相同 , 代谢活性略
比 低 ,但 后 代谢活性呈迅速上升趋势 黄埔区裸地土壤微生物的代谢活
性远低于植被覆盖区域
土壤碳源利用类型的主成分分析
根据主成分分析的结果 ,第一主成分的方差贡献率为 ,是最重要的主成分 第二
主成分的方差贡献率为 ,是仅次于第一主成分的重要主成分 第一和第二主成分累
计方差贡献为 ,只需要保留前两个主成分即足以代表原变量的大部分信息 表 分
别列出与第一主成分和第二主成分具有较高相关系数的各种碳源及其因子载荷量 对主成
分 和主成分 起分异作用的主要碳源分别是醋类和梭酸类
从主成分分析的平面坐标系上的散点图 见图 可看出 ,不同调查区土壤微生物群落
利用碳源的方式具有明显的空间分异 ,对照区土壤位于 的正端 , 和 分别位
于 的正端和负端 而黄埔区土壤均位于 的负端 , 位于 的正端 , 和
第 期 康敏明 ,等 重金属污染下台湾相思和尾叶按根区土壤微生物群落多样性
位于 的负端
和 相关显 的主要培养甚与裹
酷类
一甲基一仆葡萄糖昔
公木搪
一赤藻糖醇
一乙酸基一压葡萄胺
纤维二糖
竣酸类
仆半乳糖内醋
氮基酸类
一天冬酞胺酸
一丝氨酸
胺类
腐胺
其他类
葡萄糖一一磷酸盐
一
一
叹
酪类
一仆乳糖
竣酸类
一经基苯甲酸
公半乳糖醛酸
公葡萄氨酸
衣搪酸
聚合物
吐温
注 选择因子载荷 一 或 的数据列于表中
。 今 一 一
州`尔握
主成分
图 土壤微生物碳源利用类型的主成分分析 平均值土标准误
士
土壤微生物群落多样性指数
从表 可知 ,对照区土壤微生物丰富度和 多样性指数均显著高于黄埔区 黄
埔区的裸地土壤微生物群落丰富度指数以及 指数显著低于植物根区 ,但其
均匀度较高 各调查区内 ,不同植物根区土壤微生物多样性指数间无显著差异
土壤养分 、重金属含量与微生物群落多样性相关性分析
土壤养分 、重金属含量与微生物群落多样性相关性分析表明 见表 ,土壤有机质 、全
氮 、有效氮和重金属含量间存在显著负相关 土壤 、有机质 、全氮和有效氮与土壤细菌数
量 、微生物群落多样性各指标之间存在正相关性 ,而土壤重金属含量与细菌数量 、微生物群
落多样性各指标之间存在显著负相关性 土壤养分对土壤细菌数量 、微生物群落丰富度指数
以及 多样性指数的正效应大于土壤重金属含量对这些指标的负效应 而土壤重金
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属含量对 和 均匀度的负效应则大于土壤养分对其的正效应
衰 土坟徽生物群落多样性指橄
土样号 丰富度指数 多样性指数
土 土
土 土 〔
士 士
士
士
士
, 士
均匀度
土
士
士
士
土
注 字母不相同的数据 平均值 土标准误 表示它们之间差异显著
衰 ` 土坟性质与徽生物群落多样性相关性分析
有机质 全氮 有效氮 细菌数 ,
丰富度
指数
有机质
全氮
有效氮
全
全
全
全
有效
有效
有效
有效
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均匀度
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讨 论
重金属污染对土壤微生物群落多样性的影响
广州市黄埔工业区土壤污染严重 ,尤其是全 , 和 含量大大超过广州市土壤背景
值 由相关性分析可知 ,由于土壤重金属的毒害 ,以及土壤重金属污染对植被生长的影响所导
致土壤养分含量的下降 ,再加上土壤酸化 ,黄埔区土壤微生物群落与对照间存在显著差异
黄埔区土壤环境质量的恶化不仅导致土壤细菌数量显著低于对照 ,其土壤微生物活性
也发生了显著变化 是反映土壤微生物代谢活性的一个重要指标 〔 〕,由图 可见 ,
土壤微生物代谢活性随培养时间的延长而提高 ,但黄埔区土壤微生物代谢过程较对照变得
缓慢 ,延至培养 时 ,其代谢速率才明显增加 ,微生物群落生长受到抑制 ,这与大部分研
究结果相符合 〔”一,”〕而杨元根等 对英国阿伯丁市城市土壤重金属积累与微生物效应的研
究中发现 ,城市土壤对能源碳消耗速度显著升高 这可能由于本研究中黄埔区土壤 和
的含量较高导致微生物代谢缓慢 适度重金属污染有利于增强土壤微生物群落的生理代谢
活性 ,而重度污染土壤会大大降低土壤微生物群落对碳源的代谢能力困
第 期 康敏明 ,等 重金属污染下台湾相思和尾叶按根区土坡微生物群落多样性
土壤重金属污染不但会对微生物代谢活性有影响 ,而且会改变微生物群落结构和多样
性 ,使土壤微生物产生代谢变异性 ,从而对碳源的利用选择发生转移 由图 可以看出 ,黄埔
区和对照区土壤微生物对碳源的利用方式存在明显分异 对照区和黄埔区土壤微生物对碳
源利用的差异主要体现在 上 ,对照区和黄埔区土壤样品分别分布于 的正端和负
端 ,表明对照区土壤微生物对 所代表的酪类 、氨基酸类 、梭酸类等碳源具有较高的利
用 ,而黄埔区土壤微生物由于土壤环境的改变 ,导致其对碳源的利用选择发生变化 ,对
所代表的碳源利用较低 等 〔 在研究中发现 ,重金属污染下的土壤微生物对氨基
酸类 、胺类以及氨基化合物碳源利用低 ,表明微生物对重金属的适应可能是以降低某种特殊
或稀有的代谢能力为代价的 〔 〕
同样 ,对照区土壤微生物丰富度和 多样性指数均显著高于污染区 ,表明污染
降低了土壤微生物多样性 ,这和 〕, 〔 等的研究结论是一致的 但也有研究表
明 ,污染状态下土壤微生物群落多样性比清洁区高 ,认为是由于土壤微生物对污染环境的长
期适应的结果 〕
从相关性分析结果可知 ,供试土壤重金属 , , 和 全量以及有效态含量中 ,对
土壤微生物群落多样性影响最大的是全 和全 ,其次是有效 ,影响最小的是有效
本研究结论与腾应等 〕的研究结果大体一致 ,腾应等对重金属污染下红壤微生物群落
结构变化的研究中发现 , , 对供试土壤微生物学指标的毒性影响较为明显 , 次之 ,
的影响最小
根区土壤微生物对重金属污染的响应
土壤微生物群落多样性受许多环境因子的影响 ,如土壤类型 、养分 、污染状况以及植物
种类等方面 ,其中由于植物根际所分泌的多种有机化合物是微生物利用碳源的主要来
源 〔 ,是刺激根际微生物生长的主要因素 ,能有效提高根际微生物的数量 、活性和多样
性协· ,因而 ,植物种类成为影响植物根际环境微生物多样性的一个关键性因素 〕 ·, 〕重金
属污染下根际土壤微生物的代谢活性和群落多样性较非根际 、裸地会有所提高 ·刘 ,
灼等 〕研究发现人工根际分泌物同样可以支持重金属污染土壤中细菌群落的生长
本研究中 ,重金属污染下 ,黄埔区植物根区土壤细菌数量 、微生物代谢活性和群落多样性同
样比裸地显著提高 ,说明植物不仅在根际范围内影响微生物群落 ,而且在根区较大范围内对
其都具有显著影响
然而 ,不同植物种类的根系分泌物的不同决定了根际微生物种类的不同 ,定殖于一种植
物根际上的微生物不一定能定殖于另一种植物的根际上 〕另外 ,不同植物种类其归还土
壤的物质在数量和类型上的不同造成了土壤微生物区系也不同 · 〕对照区台湾相思根区
土壤细菌数量 、微生物代谢活性较高 ,利用碳源的模式也和尾叶按具有显著差异 可能是因
为台湾相思具有固氮能力 ,能有效地改善土壤条件 · 〕,而尾叶按由于其枝叶 、枯落物 、根
系分泌物中含有的生化他感物质 ,对土壤微生物的群落起到抑制作用 〔一川 然而在黄埔区 ,
台湾相思和尾叶按根区土壤细菌数量 ,土壤微生物碳源利用类型以及群落多样性指数均无
显著差异 ,这可能是由于污染物对根区土壤的影响较大所造成的 但台湾相思土壤微生物的
代谢活性在培养 后呈显著上升趋势 ,并大大超过其他供试土壤 ,表明台湾相思根区土
壤微生物虽然在重金属污染下对碳源的代谢活性受到明显的延滞 ,但随着培养时间的延长 ,
却具有更高的代谢能力
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另外 ,从表 可以看出 ,黄埔区台湾相思根区土壤除 , 的全量以及有效态含量显
著高于裸地外 , , 的全量以及有效态含量显著低于裸地 ,表明台湾相思除了对土壤中
的重金属具有稳定作用以外 ,还具有一定的吸收作用 姜必亮等 〕盆栽试验结果表明 ,经
年的垃圾填埋场渗滤液浇灌后 ,台湾相思对渗滤液有较强的耐性 ,并对重金属 , , 和
均具有不同程度的吸收积累作用 ,对渗滤液污染的土壤有较好的净化修复能力 ,适合作
为垃圾填埋场植被重建材料 。
结 论
广州市黄埔区龟山土壤重金属污染严重 ,其中全 和全 含量大大超出广州市背景
值 ,并对微生物群落产生最大负效应 ,土壤环境的恶化导致细菌数量减少 ,微生物代谢活性
滞后 ,对醋类和氨基酸类碳源利用低 ,多样性降低 ,黄埔区台湾相思和尾叶按根区土壤细菌
数量和微生物多样性显著高于裸地 ,但可能由于重金属污染对根区土壤的影响较大 ,台湾相
思和尾叶按根区土壤细菌数量 、土壤微生物碳源利用类型以及群落多样性指数均无显著差
异 ,但台湾相思根区土壤微生物的代谢活性随着培养时间的延长 ,呈迅速上升趋势 ,并较其
他供试土壤具有更高的代谢能力 ,另外 ,台湾相思不仅可以稳定土壤中的 , ,还能吸收
, ,并且其固氮能力能有效增加土壤养分含量 ,对土壤条件进行改良 ,也是广州市常用
的造林先锋树种 ,适合作为广州市黄埔区重金属污染地植被重建材料
〔参 考 文 献 〕
〔 〕
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