火箭发射前后文昌两种热带森林类型土壤微生物多样性变化.pdf

热带林业2023年6 月第5 1 卷第2 期火箭发射前后文昌两种热带森林类型土壤微生物多样性变化王小燕1,薛超文,吴师强1,宿少锋1,林之盼1,雷湘龄1.海南省林业科学研究院（海南省红树林研究院），海南海口5 7 1 1 0 0;2.海南大学，海南海口5 7 0 2 2 8摘要：火箭发射时产生的辐射、气体的排放及噪声等相关的干扰可能会对土壤微生物的丰富度和多度产生变化。为了验证这个可能性，研究文昌卫星发射场火箭发射前后周边两种热带森林类型，即椰子纯林和混交林土壤微生物丰富度和多度的变化。结果表明：火箭发射前椰子纯林土壤微生物多样性都显著高于混交林，椰子纯林中的微生物总数为38 7.5 2 1 0 tcfu/g，其中细菌为35 2.6 2 1 0*cfu/g、真菌为2 0.8 8 1 0*cfu/g、放线菌为1 4.0 2 1 0 4cfu/g；混交林中微生物总数为2 35.1 0 1 0 tcfu/g，其中细菌为2 0 7.6 8 1 0*cfu/g、真菌为1 8.9 0 1 0*cfu/g、放线菌为8.5 2 1 0 cfu/g；火箭发射后，混交林和椰子纯林的土壤微生物总数都显著增加，椰子纯林中微生物总数为5 31.8 9 1 0 cfiu/g，其中细菌为318.9010cfu/g、真菌为6 0.0 31 0 cfu/g放线菌为1 5 2.9 6 1 0 cfu/g；混交林中微生物总数为37 0.1 5 1 0 tcfu/g，其中细菌为1 9 0.5 0 1 0*cfu/g，真菌为47.5 5 1 0*cfu/g、放线菌为1 32.1 0 1 0*cfu/g。关键词：火箭发射；土壤微生物；椰子纯林；混交林中图分类号：S154.31Changes of Soil Microbial Diversity of Two Tropical Forest Types in Wenchang Around Rocket LaunchWang Xiaoyan,Xue Chaowen,Wu Shiqiang,Su Shaofeng,Lin Zhipan,Lei Xiangling1.Hainan Academy of Forestry(Hainan Academy of Mangrove),Haikou Hainan 571100;Abstract:The radiation,gas emission,noise and other related interference generated after rocket launches maychange diversity and multiple of soil microorganisms.In order to verify this possibility,the changes of soil micro-bial diversity and multiple of two tropical forest types that included coconut pure forest and mixed forest aroundWenchang Satellite Launch Site before and after the launch of the rocket were studied.The results showed that,soil microbial diversity of coconut pure forest was significantly higher than that of mixed forest before rocket基金项目：海南省林业科学研究院（海南省红树林研究院)基础性科研工作（SQKY2022-0003)：海南文昌森林生态系统国家定位观测研究站。第一作者：王小燕（1 9 8 3-），女，海南澄迈人，林业工程师，主要研究方向为森林生态，E-mail:。通讯作者：吴师强（1 9 7 4-），男，海南琼山人，林业高级工程师，海南省高层次人才，研究方向为林学及林木引种驯化，E-mail:o80文献标识码：B2.Hainan University,Haikou Hainan 570228资源评价doi:10.3969/j.issn.1672-0938.2023.02.018TROPICAL FORESTRYvOL.51 NO.2 Jun.2023launch.The total number of microorganisms in the pure coconut forest is 387.52 10cfu/g,the bacteria is352.62 10cfu/g,the funguses is 20.88 10cfu/g,the actinomyces is 14.02 10cfu/g.The total number of mi-cr00rganisms in the mixed forest is 235.10 10cfu/g,the bacteria is 207.68 10*cfu/g,the funguses is 18.90 10*cfu/g,the actinomyces is 8.52 x 10cfu/g.After the launch of the rocket,the total number of soil microorgan-isms in the mixed forest and coconut pure forest increased significantly.The total number of microorganisms inthe pure coconut forest is 531.89 10cfu/g,the bacteria is 318.90 10cfu/g,the funguses is 60.03 10cfu/g,the actinomyces is 152.96 10cfu/g.The total number of microorganisms in the mixed forest is 370.15 10cfu/g,the bacteria is 190.50 10cfu/g,the funguses is 47.55 10cfu/g,the actinomyces is 132.10 10cfu/g.Key words:Rocket launch,Soil microorganisms,Coconut pure forest,Mixed fores航天活动与其它人为的工业生产一样给生态环境带来潜在的威胁。自2 0 世纪5 0 年代以来，向太空发射火箭的国家逐渐增多，而火箭升空瞬间产生的反作用力，干扰了地球公转的轨道，使地球渐渐靠近太阳公转，太阳照射到地球的光越来越强烈，由此成为了全球变暖的重要影响因素之一。而在全球变暖的影响下，生物多样性也受到了影响。有研究发现，酸性污染物来源于冲刷用水。航天飞机发射时助推火箭喷出的高速气流会产生震耳欲聋的噪音和振动，为了减少噪声和振动就需要用水来冲刷反射坑，助推火箭排气时的高热量将这些高度酸性的水的一部分蒸发为汽，这些酸性水蒸气和大量的微粒散落到土壤中改变土壤微生物的生存环境。同时，也有研究表明中国运载火箭使用的推进剂N204与UDMH在火箭发射过程中会产生有毒气体，而散布在地面的未燃有毒推进剂会蒸发形成对环境污染的各种有毒气体，从而影响到发射场周围的土壤微生物的多样性等。在人类社会不断发展的进程中，生物多样性是其赖以生存的根基，人类作为地球生命共同体的一部分，通过与生态系统的信息交换、物质循环、能量流动等过程，参与了生物多样性的持续发展！。土壤微生物在生态系统中数量多，生物多样性复杂，参与土壤有机质的分解、养分的迁移转化、腐殖质的合成，推动土壤的发育和形成。火箭在点火时喷射时产生大量的火光和烟尘，并伴随着噪音和震动 2-3,可能对周边森林土壤微生物造成扰动。已有研究表明火箭的发射会对航天发射场周围植被多样性产生影响 4-6 ,但由于火箭发射并不常见，因此少见关于火箭发射对土壤微生物多样性变化的研究报道。该研究以2 0 1 6 年6 月2 5 日、2 0 1 7 年4月2 0日、2 0 1 7 年7 月2 日3次火箭发射前后开展土壤微生物采样调查，分析火箭发射前后在椰子纯林和混交林中土壤微生物丰富度、多度的差异，探讨火箭发射对两种森林类型中土壤微生物可能带来的变化，为研究火箭发射对不同热带森林类型土壤微生物的变化提供科学依据。1 材料与方法1.1研究区域研究区位于文昌卫星发射场周边的两种森林类型，即混交林（地理坐标：1 9 435 8 N,1105734E)和椰子纯林（地理坐标：1 9 345 8 N，1 1 0 5 1 15E）。其中，混交林主要由1 1 种树种组成，分别为瀑木姜子（Litsea glutinosa)、椰子（Cocosnucifera)、琼崖海棠（Calophylluminophyllum）、木麻黄（Casuarina equisetifolia）、柳叶密花树（Rapaneanerifolia）、桃金娘（Rhodomyrtus tomentosa)、九节木(Psychotria rubra)、大青(Clerodendrum cyrtophyllum)、筋樸花椒（Zanthoxylum awicennae）、了哥王(Wikstroemia indica)和东风桔（Atalantia buxifolia);椰子纯林主要由椰子树种组成，两种林分已有30 年的种植时间。研究区属热带北缘沿海地带，具有热带和亚热带气候特点，属热带季风岛屿型气候。气温为222 7，全年光照时长1 7 5 0 h2 6 5 0 h。研究区雨量丰富，年均降雨量达到1 7 2 1.6 mm，降雨时空分布不均匀，有明显的干、湿两季，雨季主要集中于5月1 0 月。研究区位于文昌航天发射场的距离约5km。1.2研究方法1.2.1样品采集和处理该研究对两种热带森林类型土壤微生物共进行了6 次采样，于2 0 1 6 年6 月2 5 日、2 0 1 7 年4月2 0资源评价81热带林业2023年6 月第5 1 卷第2 期日、2 0 1 7 年7 月2 日进行样品采集，分别为火箭发射前后，发射前采集均在火箭发射前5 d内完成调查，发射后采集均在火箭发射后3d内完成。在每种森林类型样地内设定3块样方，样方面积40 m，在每个样方内按“S形采集表层土壤（0 2 0 cm），采样时去除表层枯落物和浮土，同一样方点各取1 0 0 g土样，充分混合并去除根系、石块，装入无菌密封袋后，放置于4的恒温箱中，带回试验室内放入0 冰柜中保存，在48 h内完成土壤微生物测定。称取1 0 g土样，倒入9 0 mL含少量玻璃珠的无菌水中，采用1 2 0 rmin振动床，振荡30 min后静置，获得土壤悬浊液备用。1.2.2土壤三大类可培养微生物计数土壤含水量：称取5 g土样以1 0 5 烘8 h，冷却后称干重计算土壤含水量。平板计数法：取1 mL土壤悬浊液加入到9 mL无菌水中进行稀释，重复稀释到1 0-5 稀释度。取0.5mL相应稀释度的稀释液加入到无菌平皿中，倒入冷却到45 左右的培养基1 5 mL2 0 m L，充分混匀后待培养基凝固，倒置平皿放入培养箱中进行培养（见表1），每种微生物取3个稀释度，每个稀释度重复3个平行，培养结束后计数。数据分析：根据土壤含水量计算得到每克土样中所含的微生物数量，使用SPSS19.0进行配对样品t检验（同一样地前后两次检测结果的显著性分析）。表1 三大类可培养微生物检测条件Tabl.Three Major Categories Can Cultivate MicrobialTesting Conditions稀释度稀释度细菌103105真菌10210放线菌103105注：临用时在每30 0 mL培养基中加入1 mL30g/L的重铬酸钾，以抑制细菌和霉菌生长。1.2.3土壤微生物功能多样性检测(1)Biolog-ECo实验取5 mL土壤悬浊液，用45 mL无菌水进行2 次稀释，得到1：1 0 0 的样品提取液。利用八通道移液器吸取1 5 0 uL提取液加入Biolog-ECO96微孔板(Biolog,Hayward,USA)中，在2 8 恒温箱中连续避光培养2 40 h，每间隔2 4h用酶标仪（Hayward,USA)读取5 9 0 nm和7 5 0 nm的吸光值，并记录。82(2)数据分析Biolog-ECO96微孔板共包括3组重复单元，每组单元32 个孔，由微生物利用的6 大类31 种碳源及1 个空白对照孔。其中31 种碳源包括1 0 种糖类、6 种氨基酸、7 种羧酸、4种聚合物、2 种胺类、2种酚类(表2)。表2 ECO板六类碳源分类Tab.2 ECo Board Six Types of Carbon Source Classification碳水化合物胺类D-纤维二糖D-甘露醇-乳糖N-乙酰-D葡萄糖氨B-甲基-葡萄糖苷1-磷酸葡萄糖D木糖D,L-磷酸甘油-赤藓糖醇D-半乳糖酸-Y-内酯土壤微生物群落对碳源利用率用平均每孔颜色变化率表示（AWCD），表征微生物对各类碳源利用能力的强弱，公式为：AWCD=Z（C-R)/n，式中C为每孔碳源的吸光值；R为对照孔吸光值；n为碳源数，即31。选取包括多维空间距离多样性McIntosh指数(U值）、菌种优势度Simpson指数(D值）、物种丰富度Shananon-Wiener 指数（H值）和菌种均一性Pielou均匀度指数(E值)4个土壤微生物群落功能多样性指数进行评价。2 结果与分析2.1土壤三大类可培养微生物计数调查根据火箭发射前后采样的土壤可培养微生物计数调查显示：火箭发射前，椰子纯林中的微生物总数为38 7.5 2 X10cfu/g，其中，细菌为35 2.6 2 10cfu/g、真菌为2 0.8 8 1 0 cfu/g、放线菌为培养基培养温度/营养琼脂培养基3235玫瑰红钠培养基2528高氏一号培养基*2528氮基酸-精氨酸D葡萄糖胺酸吐温402-羟基苯甲酸苯乙胺L-天门冬酰胺D-半乳糖醛酸吐温8 04-羟基苯甲酸腐胺L-苯丙氨酸丙酮酸甲酯-环式糊精-丝氨酸Y-羟丁酸1-苏氨酸衣康酸甘氨酰七-谷氨酸-丁酮酸D-苹果酸培养时间/d233557资源评价羧酸多聚物酚酸类肝糖14.0210cfu/g；混交林中微生物总数为2 35.1 0 10cfu/g，其中，细菌为2 0 7.6 8 1 0 cfu/g、真菌为18.9010cfu/g、放线菌为8.5 2 1 0 cfu/g。火箭发射后，椰子纯林中微生物总数为5 31.8 9 X10cfu/g，其中，细菌为31 8.9 0 1 0 cfu/g、真菌为60.0310cfu/g、放线菌为1 5 2.9 6 1 0 cfu/g；混交林中微生物总数为37 0.1 5 1 0 cfu/g，其中，细菌为1 9 0.5 0 1 0 4cfu/g、真菌为47.5 5 1 0 cfu/g、放线菌为1 32.1 0 1 0 cfu/g。对比火箭发射前后，混交林土壤微生物总数增加了1 35.0 5 1 0 cfu/g，其中，细菌减少了1 7.1 8 1 0 cfu/g，真菌和放线菌分别增000000TROPICAL FORESTRY加了2 8.6 5 1 0 cfu/g和1 2 3.5 8 1 0 cfu/g；椰子1.601纯林土壤微生物总数增加了1 44.37 1 0 cfu/g，其1.40中，细菌减少33.7 2 1 0 cfu/g，真菌和放线菌分别1.20增加了1 38.9 41 0*cfu/g和1 47.37 1 0 cfu/g。1.000.80分析结果表明，与发射前相比，火箭发射后椰子0.60纯林和混交林种土壤微生物总数均表现为明显升高0.40趋势(P0.05,表3)。但三大类微生物又表现出不0.20同的结果，其中真菌和放线菌总数发射后比发射前0.00呈现极显著增加(P0.01)，而细菌数量发射后比发24487296120144168192216240培养时间Incubationtime/h射前呈现降低趋势，但差异性不显著。图2 火箭发射前后椰子纯林的平均吸光值(AWCD)的差异表3火箭发射前后椰子纯林和混交林土壤可培养微生物计数Fig.2 The Absorbance Value(AWCD)of Mixed Forest BeforeTab.3 Counts of Culturable Microorganisms in Soil ofCoconut Pure Forest and Mixed Forest Before and After微生物总数/样地时间(X10 cfu/g)发射前352.6224.38椰子纯林发射后318.9031.32发射前207.68 10.38混交林发射后190.507.90注：同一样地不同检测时间之间，*表示差异显著（P0.05)，*表示差异极显著（P0.01)2.2土壤微生物功能多样性特征2.2.1土壤微生物总碳源利用的动力学分析从土壤微生物总碳原利用整体情况（AWCD值，图1、图2)来看，椰子纯林和混交林在火箭发射前后均呈现出略微的增加。结果表明，与发射前相比，火箭发射后，土壤微生物利用碳源的能力有所提升，可能是由于火箭发射沉降物促进了土壤微生物的生理活性，使得土壤微生物活性增加，利用碳源的能力也有所增加。椰子-发射前一椰子-发射后1.601.401.201.000.800.600.400.200.0024487296120144168192 216240培养时间 Incubation time/h图1 火箭发射前后椰子纯林的平均吸光值（AWCD)的差异Fig.1 The Absorbance Value(AWCD)of Coconut Pure ForestBefore and After Rocket LaunchVOL.51 NO.2 Jun.2023混交林-发射前厂混交林-发射后and After Rocket Launch2.2.22土壤微生物对不同碳源利用特征分析Rocket Launch细菌/真菌/(x10 cfu/g)20.881.4260.03 3.47*18.900.5547.55 4.02*放线菌/(X10cfu/g)14.02 1.22152.96 9.76*8.520.62132.104.34*根据化学基团的性质，(ECO板上，图3、图4)来(X10cfu/g)387.52 23.40531.8926.84*235.10 11.43370.1516.03*资源评价看，可以将ECO板上的31 种碳源分为六大类，即胺类、氨基酸类、羧酸类、多聚物类、碳水化合物类、酚酸类。选取拐点时间（7 2 h)培养时间的吸光值，对两种群落土壤微生物六类碳源的利用率进行分析。椰子纯林和混交林土壤微生物六大类碳源的利用率相似，均为利用多聚物类、氨基酸类的能力较高，利用胺类、酚酸类能力较弱。与发射前相比，火箭发射后两种林分土壤微生物对六大类碳源的利用率均有不同程度的增加，尤其对酚酸类碳源的利用率显著增加。1.80椰子纯林-发射前0.600.400.209.00图3火箭发射前后椰子纯林的六大类碳源利用的差异Fig.3 Differences in the Utilization of Six Types ofCarbon Sources Pure Coconut Forests Before and After the1.801混交林-发射前quaudo1.601010:IFa.M0.400.20Fig.4 Differences in the Utilization of Six Types ofCarbon Sources Mixed Forests Before and After the Launch83椰子纯林一发射后碳水化合物氨基酸类CarbohydratesAminoacidsLaunch of The Rocket混交林-发射后碳水化合物氨基酸类CarhohydratesAminoacids图4火箭发射前后混交林六大类碳源利用的差异of theRocket.多聚物Polymers培养时间Incubationtime/h多聚物酚酸类PolymersPhenolic compounds培养时间Incubationtime/h酚酸类Phenolic compounds胺类Amines胺类Amines羧酸Carboxylic acids酸Carhoxylic acids热带林业2023年6 月第5 1 卷第2 期2.2.3土壤微生物多样性指数特征选取7 2 h的AWCD吸光值对微生物多样性指数进行分析（表4）。由表4可知，混交林McIntoshindex（U）指数高于椰子纯林，而Shannon指数(H）、S im p s o n 指数(D)和Pielou指数(E)3种指数两种林分几乎一致。与发射前相比，火箭发射后混交林McIntosh index(U)指数呈显著性增加，而混交林McIntosh index(U)呈显著性降低。椰子林发射前后 Shannon 指数（H）、S i m p s o n 指数（D）和Pielou指数(E)3种指数均无差异。而混交林种Shannon指数（H）、S i m p s o n 指数（(D)和Pielou指数(E)3种指数均有不同程度降低。表4火箭发射前后椰子纯林和混交林微生物多样性指数特征Tab.4 Characteristics of Microbial Diversity Index ofCoconut Pure Forest and Mixed Forest Before and AfterPielou样地变化率(AWCD)椰子-发射前1.120.01椰子-发射后1.280.04*混交林-发射前1.310.03*混交林-发射后0.980.06注：同一样地不同检测时间之间，*表示差异显著（P0.05），*表示差异极显著(P 椰子纯林。可见，在立地条件一致的情况下，不同的林分结构导致其土壤微生物群落结构和功能亦不相同。以往研究表明天然林土壤微生物功能多样性更优于人工林 7 ，混交林土壤微生物功能多样性优于纯林8，这可能是因为混交林能84够增加植被物种丰富度，其根系分泌物种类越多，使得根系附近土壤微生物群落增加，同时林下调落物也会覆积，致使土层腐殖质增加，改善了土壤养分，促进土壤碳氮磷的循环，为微生物的繁殖和生长提供较高的动力 9 。(2)两种植被类型土壤微生物对六大类碳源底物利用率均存在显著性差异（P0.05）。说明不同的地上植被，其根系或根系分泌物影响着土壤微生物群落对碳源的利用程度。研究表明，不同碳源在根系土壤中的有效性不同，碳源有效性越长，越有利于利用此类碳源微生物的生长 1 0 。(3)森林生态系统土壤微生物群落多样性还受土壤养分、凋落物类型、根系分泌物、周边环境条件的影响 1-1 2 。研究表明，森林生态系统中,林分类型Rocket Launch与其林下土壤微生物相辅相成，不同林分类型通过平均颜色Mc Intosh指数（(U)6.500.097.34 0.22*7.53 0.26*6.42 0.15Shannon指数（H)3.390.030.970.000.99 0.013.39 0.090.970.003.39 0.050.97 0.003.180.210.960.000.930.06资源评价Simpson指数(D)0.99 0.020.99 0.02改变凋落物的数量和组成影响土壤养分特征，进而指数(E)制约土壤微生物的数量、组成和分布差异 1 3。研究发现火箭发射对文昌卫星发射场周边的热带人工林土壤微生物多样性具有一定变化，微生物总数均呈现显著增加。但此次的研究也存在一定的局限性。微生物多样性还受环境因素(如降雨、强风等)影响产生变化，由于发射前和发射后可能环境因素存在偏差，还需要长期持续的开展监测研究。此外，该研究中仅对可培养微生物进行了统计分析，后续可结合微生物测序，更加精准全面的研究火箭发射对土壤微生物多样性的研究。参考文献1封志雪，杨飞龄，周键，等“三江并流”区自然保护区对生物多样性和生态系统服务的维持作用.云南大学学报（自然科学版）,2 0 2 1,430 4):8 31-8 40.2卢志刚,刘晓华，杨军.基于空腔效应的噪声测试与防护对策研究 C.第二十二届全国振动与噪声高技术及应用学术会议，西安：西北工业大学，2 0 0 9.3何庆，刘东升，于存贵，等.无人机发射技术.无人机,2 0 1 0，6(2):22-24.4FEODORITOV V M,SHARAPOVA A V,KOROLEVAT V,et al.Sostoyanierastitelnosti v raionah padeniya stupeneiraket(Centralniy Kazahstan)State ofvegetation in the disposalareas of rocket stages(Central Kazakhstan)JJ.VestnikMGU.Series 5.Geography 4,2016:40-46.5JLEDNVE S,KOROLEVA T,KRECHETOV P,et al.,TROPICAL FORESTRYRevegetation of areas disturbed by rocket impact in Central10金映虹，吴红萍，谭方正，等.不同红树植物类群土壤微生Kazakhstan DJ.Ecoscience,2017(25):25-38.物功能多样性的研究.生态环境学报，2 0 1 7,2 6(8)：1 2 9 2-6KRECHETOV P P,NERONOV V V,KOROLEVA T A et1300.al.Transformationof the soil-vegetation cover in carrier rocket11周永娜，乔沙沙,刘晋仙，等.庞泉沟自然保护区华北落叶first stage impact areas AridJ.Ecosystem,2011,1(1):59-64.松与桦树林土壤微生物群落结构 .应用与环境生物学7王晶晶，樊伟，崔珺，等.氮磷添加对亚热带常绿阔叶林土壤报,2 0 1 7,2 3(3):5 2 0-5 2 6.微生物群落特征的影响.生态学报，2 0 1 7,37(2 4)：8 36 1-12刘继明，黄炳军，徐演鹏，等.河南鸡公山自然保护区典型8373.森林类型土壤微生物群落功能多样性.林业资源管理，8贺若阳,杨万勤,杨开军，等.川西亚高山3种森林土壤碳氮2013(1):76-79,85.磷及微生物生物量特征 .应用与环境生物学报,2 0 1 6,2 213张胜男，闫德仁,袁立敏.森林土壤微生物分布及其功能特(4):606-611.征研究进展.世界林业研究，2 0 1 8,31(0 5）：1 9-2 5.9郑华，陈法霖，欧阳志云，等.不同森林土壤微生物群落对Biolog-GN板碳源的利用.环境科学,2 0 0 7（5）：1 1 2 6-1130.【VO L.5 1 NO.2 Ju n.2 0 2 3资源评价85