城市化对土壤微生物群落结构的影响

侯颖，周会萍，张超

1. 商丘师范学院生命科学学院，河南 商丘 476000；2. 新乡学院生命科学技术学院，河南 新乡453003；3. 华东师范大学地理科学学院地理信息科学教育部重点实验室，上海 200241

城市化对土壤微生物群落结构的影响

侯颖1，周会萍2，张超3

1. 商丘师范学院生命科学学院，河南 商丘 476000；2. 新乡学院生命科学技术学院，河南 新乡453003；3. 华东师范大学地理科学学院地理信息科学教育部重点实验室，上海 200241

随着城镇化的推进，中原农业区大量的农业用地转变为城市用地，受城市化过程中人为活动的强烈影响，与城市化有关的土壤质量问题日益突出。而土壤质量与土壤微生物密切相关，后者对环境变化比较敏感，它能够较早地指示生态系统功能的变化，并反映出土壤的质量和健康状况。因此，研究土地利用方式的变化对土壤微生物的影响是评价土壤环境质量的重要指标。以“中部崛起”六省中城镇化率增长最快的地区之— —— 河南省商丘市为例，采用以空间梯度代替时间顺序的方法，以城市建成区、城市外围的郊区及农田为研究对象，分别测定不同城市化水平下土壤微生物的数量和组成，研究土壤由农业用地转变为城市用地过程中，土壤微生物群落结构的变化。以城市中心为起点，分别在东、南、西、北四个方向上取样，在同一方向上沿城区—郊区—农田梯度上进行取样。采用平板涂抹计数法测定土壤中细菌、真菌、放线菌的数量。结果表明，农田、郊区和城市土壤微生物总数分别为14.68×106 cfu·g-1、8.19×106 cfu·g-1和10.99×106 cfu·g-1，即城市化使土壤中微生物总数量减少；同时，土壤微生物的组成和比例结构也发生变化，其中，城市建成区土壤中细菌和真菌所占微生物总数的比例高于郊区和农村，而放线菌在农村占的比例高于城市建成区和郊区。城市建成区不同用地类型下土壤微生物总数的变化趋势为公园＞校园＞居住区＞道路，其中，细菌占微生物总数的比例在公园土壤中最大，而放线菌和真菌则相反，二者占微生物总数的比例在道路土壤中最大，在公园土壤中比例最小。土壤微生物数量和组成的这些变化反映出土地由农业用地转变为城市用地过程中，土壤质量和健康状况及生态系统功能的变化，可以为评价土壤环境质量及土壤管理提供参考依据。

农业用地；郊区；城市建成区；城市化；土壤微生物；群落结构

城市化是当今世界上重要的社会、经济现象之一，尤其在发展中国家，城市化现在非常普遍。其中，我国的城市化水平由建国初期的低于20%已发展到目前的突破50%（汝信等，2011），且中国的城市规模将继续扩大，呈加速趋势。但随着城市规模的不断扩大，由于城市化过程中人为活动的强烈影响，与城市化相关的土壤质量问题日益突出，这可能会影响到城市的生态安全及居民的健康。因此，城市化进程中土壤质量的研究逐渐引起重视（Chen，2007；李桂林，2008；McCrackin等，2008；孙昌龙等，2013）。土壤微生物与土壤质量密切相关，它是土壤中活的生物体，对环境变化比较敏感，能够较早地指示生态系统功能的变化，并反映出土壤的质量和健康状况（谢龙莲等，2004），被认为是最有潜力的评价土壤环境质量的指标（Brookes，1995；马小凡等，2010）。

土壤微生物是土壤中最活跃的部分，主要指生活在土壤中的形体微小、结构简单的单细胞或多细胞生物类群，如细菌、放线菌、真菌、土壤藻类和微小动物等（胡亚林等，2006）。土壤微生物群落结构主要指土壤中各主要微生物类群(包括细菌、真菌、放线菌等)在土壤中的数量以及各类群所占的比率, 其结构和功能的变化与土壤理化性质的变化有关。土壤的结构、通气性、水分状况、养分状况等对土壤微生物均有重要影响（Fierer等，2003；周丽霞和丁明懋，2007）。在城市化过程中自然和农业用地的土壤转变为城市土壤，相应地土壤理化性质及污染程度发生改变，因此，土壤各微生物类群的大小、活性与多样性受到显著影响（Nsabimana，2004）。如，随着城市化水平的提高，土壤中微生物的总数量表现为明显的减少趋势（王焕华等，2005；孙福军等，2006）。与农村土壤相比，城市土壤的微生物群落结构及功能也发生改变。杨元根等（2002）对城

市土壤和邻近农村土壤进行研究，发现城市土壤和农村土壤中微生物对碳源的利用种类和利用程度具有明显差异性，农村土壤微生物群落多样性较低且稳定，城市环境中则呈现多样化。

随着我国城镇化进程的推进，越来越多的土地转变为城市用地。那么，在这个过程中，土壤中微生物发生了什么样的变化？本文以“中部崛起”六省中城镇化率增长最快的地区之一——河南省商丘市为例，研究土壤由农业用地转变为城市用地过程中，土壤微生物特性的变化。采用以空间梯度代替时间顺序的方法，以城市建成区、城市外围的郊区及农田为研究对象，分别测定不同城市化水平下土壤微生物的数量和组成，初步探讨由农业用地转变为城市用地过程中土壤微生物的变化情况，为城市化引起的土壤环境变化的评价及预测提供理论依据，并对城市化下土壤资源的保护和土壤质量调控也具有重要的意义。

1 材料与方法

1.1研究地概况

河南省商丘市位于北纬33°43′～34°52′、东经114°49′～116°39′之间，商丘市中心位于北纬34°25′、东经115°39′，属暖温带半温润大陆性季风气候，气候温和、四季分明，主要特点是春季温暖大风多，夏季炎热雨集中，秋季凉爽日照长，冬季寒冷少雨雪；年平均日照时数为1944 h，无霜期平均为211 d，年平均气温14.2 ℃，一般最高温度39 ℃，最低温度零下9 ℃，年平均降水量623 mm，是黄淮海平原典型的农业区。随着我国城市化进程的发展，商丘市城区逐渐向外扩张，城市化水平不断提高。至2013年底，商丘市城镇化率达到40.2%，处于城市化快速发展阶段，城市化年平均增长率高于全国平均水平，城市用地主要由农田转变而来。

1.2土壤样品的采集

以河南省商丘市为研究对象，在同一方向上沿城区—郊区—农田梯度上进行取样，以商丘市中心为出发点，分别在东、南、西、北四个方向上分别取样。由于农村和郊区用地类型比较单一，因此，农村采样点布置在农田中，按距城市中心的远近分别在3个农田中进行取样，每个样地重复5次取样。郊区采样点布置在宅旁或路旁的空闲地中，选取3个样地，每个样地重复5次取样。城市采样点布置在建成区内的公园、居住区、校园和道路旁，每个样地重复5次取样。取样时，先除去表层枯叶、表面1 cm左右的表土，然后向下取0～15 cm土壤，置于无菌自封袋中，带回实验室放入4 ℃冰箱中保存待用。

1.3土壤微生物的培养和测定

采用平板涂抹计数法测定土壤中细菌、真菌、放线菌数量，其中，细菌采用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基培养、真菌采用马丁氏孟加拉红培养基培养、放线菌采用改良高氏1号培养基培养。分别接种后置无菌培养室培养，其中，细菌37 ℃下培养1 d，真菌28 ℃下培养4 d，放线菌28 ℃下培养7 d。然后，记录每种菌的数量，并根据稀释倍数进行换算。

1.4统计分析

所有数据的处理和分析均由Excel软件和SPSS19.0软件完成，不同城市化水平间的数据用单因素方差分析法对比分析它们之间的差异显著性（P≤0.05）。

2 结果

2.1城市化对土壤微生物总数量影响

不同城市化水平下土壤微生物总数量变化如图1所示。从图中可知，农田、郊区和城市土壤微生物总数分别为14.68×106、8.19×106和10.99×106cfu·g-1。单因素方差分析结果表明，农田土壤微生物总数量与郊区和城市土壤微生物总数量均差异显著（P＜0.05），但郊区与城市间土壤微生物总数量无显著差异(P=0.09)，这表明，农田土壤微生物数量最多，而城市化导致土壤微生物总数量呈减少趋势。

图1 不同城市化水平土壤微生物总数量变化Fig.1 Changes of total number of soil microorganism in different urbanization level

2.2城市化对土壤微生物各类群数量及组成的影响

不同城市化水平下土壤微生物各类群的数量如表1所示。从表1可知，农田、郊区和城市土壤细菌的数量分别为14.45×106、8.06×106和10.88×106cfu·g-1，表明城市化引起土壤细菌数量降低，其中，农田土壤细菌数量显著高于郊区和城市，但郊区和城市土壤细菌数量无明显差异；农田、郊区和城市土壤放线菌数量分别为2.23×105、1.21×105和1.00×105cfu·g-1，农田土壤放线菌数量显著高于郊区和城市，而郊区和城市间土壤放线菌数量无显著

差异；农田、郊区和城市土壤真菌数量分别为10.74×103、2.70×103和9.73×103cfu·g-1，农田和城市土壤真菌数量均显著高于郊区。

从各微生物类群所占总微生物的比例看，如表1所示，农田土壤中细菌、放线菌和真菌分别占总微生物数量的98.41%、1.52%和0.07%；郊区土壤中细菌、放线菌和真菌分别占98.49%、1.48%和0.03%；城市土壤中细菌、放线菌和真菌分别占99.00%、0.91%和0.09%；这表明土壤细菌所占微生物总数的比例沿农田-郊区-城市梯度逐渐提高，而放线菌则相反，其所占比例在农田土壤中最高，而城市土壤中最低，土壤真菌所占微生物总数量的比例在城市土壤中最高，而在郊区则最低。

2.3城市不同用地类型土壤微生物数量和组成的变化

城市建成区不同用地类型下土壤微生物各类群的数量如表2所示。从表2可知，公园、校园、居住区和道路土壤细菌的数量分别为15.43×106、10.21×106、10.37×106和7.52×106cfu·g-1，表明公园土壤中细菌数量最多，其次是校园和居住区，道路土壤中细菌数量最少；公园、校园、居住区和道路土壤放线菌的数量分别为1.20×105、1.10×105、0.92×105和0.76×105cfu·g-1，其中，公园和校园土壤放线菌数量显著大于居住区和道路；公园、校园、居住区和道路土壤真菌的数量分别为11.06×103、10.26×103、8.23×103和9.35×103cfu·g-1，公园中土壤真菌数量显著高于居住区和道路，校园中土壤真菌数量显著高于居住区，但道路土壤真菌数量与校园和居住区没有显著差异。

从微生物各类群所占总微生物的比例看，如表2所示，细菌所占微生物总数的比例沿公园-居住区-道路-校园逐渐降低；放线菌和真菌所占微生物总数的比例均在道路土壤中最高，其次是校园，而居住区和公园较低。

表1 不同城市化水平土壤微生物各类群数量（平均值±标准误）及组成Table 1 Quantity and composition of of bacteria, fungi and actinomycetes in different Urbanization level (Means±SD)

表2 城市建成区不同用地类型土壤微生物各类群数量（平均值±标准误）及组成Table 2 Quantity and composition of bacteria, fungi and actinomycetes in different land use types (Means±SD)

3 讨论与结论

3.1讨论

3.1.1 城市化使土壤微生物数量减少

快速的城市化在促进社会经济发展的同时，也带来用地紧张、交通拥挤、环境污染等一系列问题，尤其给土壤带来了前所未有的影响（汪权方等，2003）。一方面，城市化过程中由于人为翻动、回填、客土、践踏、车压等人为活动对土壤造成严重影响，其物理化学性质发生了显著变化，影响土壤中各种生物化学反应过程（郝瑞军等，2009）；另一方面，城市建成区由于人口高度集中、交通拥挤和工业园集中等原因，城市土壤污染严重（李胤等，2009；秦普丰等，2010）。因此，上述土壤特征的改变对土壤微生物产生明显影响（王嘉等，2006）。本文研究结果表明，城市建成区和郊区土壤微生物数量显著少于农田。这个结果与前人的研究结果“随着城市化水平的提高，土壤微生物总数量呈减少趋势”相一致（杨元根等，2002）。土壤微生物随

着城市化水平提高而减少的原因可能是城市化过程对自然土壤的扰动，导致土壤质量发生改变而造成的。但本文的研究中，郊区与城市土壤微生物数量无明显差异，但均低于农田，说明虽然郊区城市化水平低于城市建成区，可是环境的变化已经在微生物方面有所表现（汪权方等，2003）。

3.1.2 城市化使土壤微生物类群的组成发生变化

土壤中各类群微生物沿城市化水平的变化趋势与土壤微生物总数量的变化趋势基本一致，无论是细菌、放线菌还是真菌，总体表现均为农田中的数量最多，但郊区和城市建成区微生物类群的变化因不同菌种而不同，这主要是由不同微生物类群对外界环境变化的敏感性不同所导致的。土壤微生物的这种特性导致各类群微生物所占总数的比例发生变化。其中，土壤细菌所占微生物总数的比例沿农田-郊区-城市梯度逐渐提高，而放线菌则相反，其所占比例在农田土壤中最高，而城市土壤中最低，土壤真菌所占微生物总数量的比例在城市土壤中最高，而在郊区则最低。因此，放线菌在农村占的比例高于城市建成区和郊区，而真菌和细菌所占的比例是城市建成区高于郊区和农村，这可能与城市土壤的重金属污染有关，Hiroki等（1992）研究认为，对重金属的敏感程度放线菌＞细菌＞真菌，因此，城市的重金属污染抑制了放线菌的生长，而促进了真菌的生长。

3.1.3 城市建成区土地利用类型影响土壤微生物类群的组成

城市建成区不同用地类型下土壤质量差异较大，这主要与不同土地用地类型下对土壤的干扰程度不同所引起的，公园土壤由于人工的管理和施肥等因素，土壤质量相对较好，而道路由于大量的踩踏、落叶清扫等土壤质量较差。这导致土壤微生物数量的不同，总体来说，公园中土壤微生物总数量最多，其次是校园和居住区，道路土壤中最少，这可能是因为道路土壤有机质严重缺乏，从而限制了微生物的数量（郭友红等，2010）。且由于不同用地类型下土壤质量的差异，土壤微生物的群落结构也不同。其中，细菌在公园土壤中所占比例最大，而放线菌和真菌则相反，二者在道路土壤中所占比例最大，在公园土壤中占的比例最小，主要是因为在肥力好的土壤中，细菌所占的比例较高；而在难分解物质较多的土壤中, 土壤微生物细菌所占比率相对较低,真菌和放线菌的比率相对较高（Albiach等，2000）。

3.2结论

土地利用类型的转变引起土壤理化性质的改变，而土壤特征的改变对土壤微生物产生明显影响。本研究表明，城市建成区和郊区土壤微生物数量显著少于农田，这可能是由于城市化过程对自然土壤的扰动，导致土壤质量发生改变而造成的；同时，由于不同微生物类群对外界环境变化的敏感性不同，城市化过程中土壤微生物的组成和比例结构也发生变化，其中，城市建成区土壤中细菌和真菌所占微生物总数的比例高于郊区和农村，而放线菌在农村占的比例高于城市建成区和郊区。城市建成区不同用地类型下土壤微生物总数的变化趋势为公园＞校园＞居住区＞道路，其中，细菌占微生物总数的比例在公园土壤中最大，而放线菌和真菌则相反，二者占微生物总数的比例在道路土壤中最大，在公园土壤中比例最小。而对于土壤微生物数量的变化与土壤理化性质的定量关系还需进一步的研究。

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Effects of Urbanization on Community Structure of Soil Microorganism

HOU Ying1, ZHOU Huiping2, ZHANG Chao3
1. Department of Life Science, Shangqiu Normal University, Henan 476000, China; 2. College of Life Science and Technology, Xinxiang University, Henan 453003, China; 3. Key Laboratory of Geographic Information Science, Ministry of Education, School of Geographic Sciences, EastChina Normal University, 200241, Shanghai.

The farmland has been gradually transformed into urban land in central China during the process of the booming urbanization. The problems of soil quality accompanied by urbanization become worse due to the anthropogenic influence. Soil microbes correlate closely with soil quality, and these microbes are sensitive to changing environment, which could indicate the variations of ecosystemfunction. In this respects, they could be chosen as indices to reflect the conditions of soil quality and health. In this work, Shangqiu city, one of the most rapid urbanization cities in central China, was chosen for the analysis the effect of urbanization on the community structure of soil microorganism. For this purpose, three urbanization levels (i.e., city center, suburb and farmland) were identified firstly to indicate various stages of urbanization, soil samples were collected across four orthogonal directions (i.e., east, south, west and north) from city center to farmland at each urbanization level, then the amount of cultivable soil bacteria, fungi and actinomycetes was investigated by using standard dilution plate count method. The results showed that the total number of microorganism decreased with an increasing urbanization level, where the values was 14.68×106cfu·g-1in farmland, 8.19×106cfu·g-1in suburband and 10.99×106cfu·g-1in city center, respectively. Additionally, the composition and the ratio of each component of soil microorganism also changed during the process of urbanization. More specifically, ration of soil bacteria and fungi in city center was higher than those in suburb and farmland soil, opposite to what were observed in actinomycetes. Regarding different land use types in built-up area, total number of soil microorganism showed an overall decrease in the order of park ＞campus ＞residential area＞ roadside. Ratio of soil bacteria was highest in park soil than other three land use types, opposite to what were observed in actinomycetes and fungi. Our results suggested a shift in soil microorganism from farmland to urban land during the process of urbanization, which may have important recommendation for the management of soil quality and health.

Agricultural land; Suburb; Built-up area of city; Urbanization; Soil microorganism; Community structure

Q938

A

1674-5906（2014）07-1108-05

河南省科技厅基础与前沿项目（122300410149）；校青年骨干教师项目“中小城市快速城市化对土壤微生物的影响及机制研究”

侯颖（1979年生），女，副教授，博士，植物群落与环境的相互作用。E-mail: houying28@126.com

2014-03-21

侯颖，周会萍，张超. 城市化对土壤微生物群落结构的影响[J]. 生态环境学报, 2014, 23(7): 1108-1112.

HOU Ying, ZHOU Huiping, ZHANG Chao. Effects of Urbanization on Community Structure of Soil Microorganism [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(7): 1108-1112.