栽培甘草對(duì)鹽堿地土壤理化性質(zhì)及微生物功能多樣性的影響

吳振振，張旭龍，馬 淼（石河子大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，新疆石河子83003；石河子大學(xué)甘草研究所，新疆石河子83003）

?

栽培甘草對(duì)鹽堿地土壤理化性質(zhì)及微生物功能多樣性的影響

吳振振1，張旭龍1，馬 淼2
（1石河子大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，新疆石河子832003；2石河子大學(xué)甘草研究所，新疆石河子832003）

為探討在鹽堿地區(qū)種植甘草對(duì)土壤理化性質(zhì)及微生物功能多樣性的影響。以未種植脹果甘草的裸地（CK）為對(duì)照，測(cè)定土壤的理化性質(zhì)，并采用BilogECO微平板技術(shù)研究了人工栽培甘草對(duì)鹽堿地微生物功能多樣性的影響。研究結(jié)果表明：與裸地（CK）相比，種植甘草能顯著提高鹽堿土中全氮、堿解氮及有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分的含量（P＜0.05），其含量分別比裸地（CK）增加了38%、48%和33%，且土壤的電導(dǎo)率值與裸地（CK）相比降低了262%，達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。甘草樣地的AWCD值（反應(yīng)土壤微生物活性）顯著高于裸地（CK），在培養(yǎng)72 h后甘草樣地的AWCD值比裸地（CK）顯著增加了28%（P＜0.05）。甘草樣地中土壤微生物對(duì)糖類(lèi)碳源的利用率與對(duì)照相比增加28%（P＜0.05），其土壤微生物多樣性亦顯著高于裸地（CK）（P＜0.05）。主成分分析表明，種植甘草后改變了土壤微生物的群落組成，導(dǎo)致此種差異的主要碳源為糖類(lèi)和氨基酸類(lèi)，其次是羥酸類(lèi)及多聚物類(lèi)。綜上所述，在鹽堿地種植甘草有利于提高土壤微生物代謝活性和土壤微生物群落功能多樣性，因此人工栽培甘草是鹽堿地生態(tài)恢復(fù)的一項(xiàng)有效措施。

脹果甘草；鹽堿地；土壤微生物；群落功能多樣性

0　引言

新疆是全國(guó)重要糧棉生產(chǎn)基地，由于近年來(lái)脆弱的生態(tài)環(huán)境和缺乏科學(xué)的管理模式，農(nóng)田土壤產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的次生鹽漬化現(xiàn)象［1］。據(jù)2001年調(diào)查統(tǒng)計(jì)，新疆的鹽堿地面積為2.1814×107hm2［2］，其中有1.2235× 106hm2的耕地受到了不同程度的鹽漬化危害，占新疆總耕地面積（4.0784×106hm2）的30%左右［3］，嚴(yán)重阻礙了新疆農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。由此可見(jiàn)，在新疆進(jìn)行鹽堿地的恢復(fù)和改良迫在眉睫、刻不容緩。

脹果甘草（Glycyrrhiza inflate）是豆科重要的藥用植物［4］，一般栽培生長(zhǎng)2～3年后便可采挖、銷(xiāo)售，由于其自然種群土壤常呈輕度至重度鹽漬化，因此在新疆有通過(guò)發(fā)展甘草種植業(yè)來(lái)實(shí)現(xiàn)鹽堿地生態(tài)恢復(fù)的嘗試，但有關(guān)種植甘草對(duì)鹽堿地土壤理化性質(zhì)和土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及功能影響的研究還鮮有報(bào)道。土壤微生物群落功能多樣性是描述土壤微生物群落狀態(tài)與功能的指標(biāo)，可以反映土壤中微生物的生態(tài)特征［5-6］。通過(guò)研究土壤微生物群落功能多樣性，可以分析并獲得影響土壤有效肥力供應(yīng)的原因，同時(shí)可以反映一個(gè)地區(qū)土壤的退化或恢復(fù)的程度，為建立生態(tài)恢復(fù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及為土壤資源的可持續(xù)利用提供科學(xué)的理論指導(dǎo)［7］。因此，本研究選取脹果甘草田為研究對(duì)象，以未種植甘草的裸露耕地為對(duì)照，測(cè)定土壤的理化性質(zhì)，同時(shí)采用BilogECO微平板技術(shù)研究種植脹果甘草對(duì)鹽堿土微生物群落功能多樣性的影響，以期為鹽堿地通過(guò)種植甘草實(shí)現(xiàn)生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)地區(qū)概況

土樣采自新疆尉犁縣2年生脹果甘草種植基地，土壤類(lèi)型為鹽堿土，土壤pH 8.28，以比鄰的未種植甘草的裸地為對(duì)照（CK）。甘草密度為2.25×105株/hm2，為保證甘草地與對(duì)照土壤背景的一致性，在甘草的播種和生長(zhǎng)過(guò)程中未施加任何形式的肥料和植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑，且甘草地與CK同時(shí)等量給水。

1.2土壤樣品采集

于2014年11月6日選取裸地及甘草樣地進(jìn)行采樣。每一樣地按五點(diǎn)對(duì)角線(xiàn)法進(jìn)行采樣，小心除去地表的枯枝落葉，用土鉆采取土壤表層0～20 cm的土樣，然后將5個(gè)樣點(diǎn)采集的土樣均勻混合為一個(gè)土樣，裝入備好的密封袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室，將土壤分成2部分，一部分過(guò)2 mm篩后放入4℃冰箱內(nèi)保存，用于微生物功能多樣性的測(cè)定；一部分土樣將其風(fēng)干過(guò)篩后用于不同理化指標(biāo)的測(cè)定。

1.3土壤理化性質(zhì)分析

土壤理化性質(zhì)指標(biāo)測(cè)定均按照鮑士旦主編的《土壤農(nóng)化分析》（第三版）進(jìn)行試驗(yàn)［8］。

1.4Biolog技術(shù)的測(cè)定方法及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

試驗(yàn)采用Biolog微平板（BIOLOG Eco PlateTM）作為微生物研究載體，具體步驟如下［9］：（1）稱(chēng)取10.0 g土壤加入90 mL無(wú)菌的磷酸鹽緩沖液（PBS）中，在搖床上震蕩1 h后，靜置15 min，將其依次稀釋到10-3。（2）用8通道移液槍分別吸取緩沖液150μL加到培養(yǎng)板上。（3）最后將接種好的培養(yǎng)板放在25℃的恒溫培養(yǎng)箱中避光保存，分別在培養(yǎng)0、12、24、36、48、56、68、80、92、104、116、128、140、156、168 h時(shí)在微孔板讀數(shù)儀（Biolog，Hayward，CA，USA）上讀取590 nm波長(zhǎng)的吸光值。

（1）平均顏色變化率（AWCD）公式如下：

式中，Ci代表31個(gè)碳源孔在590 nm波長(zhǎng)處的吸光值，Ri代表對(duì)照孔的光密度值，n=31（Eco板的碳源種類(lèi)）。

（2）Shannon-Wiener物種豐富度指數(shù)（H）公式如下：

式中，Pi=（Ci-Ri）/∑（Ci-Ri）。

（3）Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)Ds公式如下：

（4）碳源利用豐富度指數(shù)S：S=被利用碳源的總數(shù)。

1.5數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行方差分析和主成分分析（PCA），WPS表格作圖。

表1　供試土壤的基本理化性質(zhì)

圖1　土壤微生物群落AWCD隨培養(yǎng)時(shí)間的變化

圖2　種植甘草后對(duì)土壤微生物利用6類(lèi)碳源的影響

2　結(jié)果與分析

2.1種植甘草對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

由表1可知，與裸地（CK）相比，栽培甘草能顯著提高土壤中全氮、堿解氮及有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分的含量（P＜0.05），其含量分別比裸地（CK）增加了38%、48%和33%。同時(shí)，種植甘草后降低了土壤的pH值及電導(dǎo)率，其中電導(dǎo)率值比裸地（CK）降低了262%，達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。

2.2土壤微生物群落平均顏色變化率

平均顏色變化率（AWCD）反映了土壤微生物的代謝活性，其值越大，則微生物群落利用單一碳源的能力越高［10-11］。由圖1所示，在剛開(kāi)始培養(yǎng)的0～24 h內(nèi)，無(wú)論是裸地（CK）還是甘草地其AWCD值很小且均無(wú)明顯變化，表明此時(shí)間段的微生物幾乎未對(duì)培養(yǎng)板中的碳源進(jìn)行利用。隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，AWCD值顯著增高，由圖1可以明顯看出，在培養(yǎng)36 h后，甘草樣地土壤微生物的代謝活性始終高于裸地（CK）。在培養(yǎng)72 h時(shí)，差異顯著性分析表明：甘草樣地土壤微生物代謝活性顯著高于裸地（CK），其AWCD值增加了28% （P＜0.05）。

2.2不同種植年限對(duì)不同類(lèi)型碳源利用的差異

Biolog ECO微平板共有6大類(lèi)碳源，包括糖類(lèi)10種、氨基酸類(lèi)6種、羧酸類(lèi)7種、多聚物類(lèi)4種、胺類(lèi)2種和酚酸類(lèi)2種［10］。由圖2可以看出，甘草提高了土壤微生物對(duì)糖類(lèi)、氨基酸類(lèi)、羧酸類(lèi)、多聚物類(lèi)和胺類(lèi)的利用能力，尤其是對(duì)糖類(lèi)碳源的利用，與裸地（CK）相比增加69%（P＜0.05）。種植甘草后土壤微生物的碳源利用能力與AWCD的變化規(guī)律呈現(xiàn)一致性。從圖中還可以看出，甘草樣地土壤微生物對(duì)6類(lèi)碳源的利用能力表現(xiàn)為：糖類(lèi)＞多聚物類(lèi)＞胺類(lèi)＞氨基酸類(lèi)＞羧酸類(lèi)＞酚酸類(lèi)，反映了種植甘草后土壤微生物在數(shù)量和結(jié)構(gòu)上的差異。

2.3土壤微生物多樣性的變化

如表2所示，甘草樣地土壤微生物群落物種豐富度指數(shù)比裸地（CK）增加了4.2%、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)增加了1.0%、碳源利用豐富度指數(shù)增加了22%、碳源利用數(shù)增加了28%。其中，碳源利用豐富度指數(shù)和平均顏色變化率與裸地（CK）相比，差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。

2.4土壤微生物碳源利用多樣性的主成分分析

主成分分析主要采用數(shù)學(xué)降維通過(guò)線(xiàn)性變換從多個(gè)變量中提取少數(shù)重要變量。在本實(shí)驗(yàn)中，共提取了3個(gè)主成分，其中前2個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率為74.602%和16.916%（如表3所示），2個(gè)主成分的累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到了90%，前2個(gè)主成分可以表征31個(gè)變量的特征。由此，根據(jù)前2個(gè)主成分（PC1和PC2）得分作圖來(lái)代表微生物群落代謝特征。從圖3中可以看出：裸地（CK）和甘草樣地處理間在PC軸上出現(xiàn)了明顯的分布差異，表明種植甘草改變了土壤微生物的功能多樣性。

從表4的載荷因子分析可以看出：在PC1上載荷較高的23種碳源中，有糖類(lèi)6種，氨基酸5種，羧酸類(lèi)6種，多聚物2種，胺類(lèi)2種，酚酸類(lèi)2種；PC2上載荷較高的6種碳源中，有糖類(lèi)4種，多聚物類(lèi)2種，說(shuō)明影響第一主成分和第二主成分的碳源以糖類(lèi)為主。綜合而言，導(dǎo)致種植甘草后土壤微生物多樣性差異的主要碳源為糖類(lèi)和氨基酸類(lèi)，其次是羥酸類(lèi)及多聚物類(lèi)。

表2　土壤微生物群落多樣性指數(shù)和72 h AWCD

表3　供試土壤主成分特征根

圖3　不同處理土壤微生物碳源利用主成分分析

3　結(jié)論與討論

甘草為多年生豆科植物，在生長(zhǎng)過(guò)程中，其根部可生成根瘤菌，固定空氣中的氮素，增加土壤中的氮素含量［12］。同時(shí)，在甘草的生長(zhǎng)過(guò)程中，其細(xì)根和根瘤死亡脫落，加之大量的枯枝落葉和腐殖質(zhì)在土壤表層積累，這些有機(jī)物質(zhì)腐解后，提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明：種植甘草后不僅土壤的pH值下降，而且顯著降低了土壤的電導(dǎo)率值，大大改善了土壤的鹽堿環(huán)境。

經(jīng)前人研究表明采用Biolog微孔板技術(shù)通過(guò)對(duì)單一碳源利用的測(cè)定來(lái)定量描述微生物群落功能多樣性，可用于評(píng)價(jià)不同作物栽培對(duì)土壤質(zhì)量的影響［13］。土壤中微生物利用碳源的能力和代謝活性的大小可以通過(guò)AWCD值被反映，其值越高，微生物群落的代謝活性便越高［14-15］。甘草樣地的土壤微生物AWCD值顯著高于裸地，其原因可能是種植甘草后增加了地上和地下生物量，地表覆蓋物（枯枝落葉）減少了水分蒸發(fā)，同時(shí)為土壤中微生物的生存和繁殖提供了更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，此外其中的N、P、K等營(yíng)養(yǎng)元素及碳水化合物，可以通過(guò)改善土壤的理化性質(zhì)，補(bǔ)充土壤所缺的養(yǎng)分，來(lái)激發(fā)土壤微生物的活性［16］。

優(yōu)勢(shì)度指數(shù)（DS）、物種豐富度（H）和碳源利用的豐富度指數(shù)（S）是表征群落多樣性的常用指標(biāo)，可以揭示土壤微生物種類(lèi)和功能的差異［17］。林興生等［18］研究發(fā)現(xiàn)，在荒坡地種植巨菌草能夠顯著提高土壤微生物的Shannon（H）和均勻度指數(shù)。胡嬋娟等［19］研究表明在黃土丘陵溝壑區(qū)種植刺槐林提高了土壤微生物的Shannon-Winner多樣性指數(shù)（H）和豐富度指數(shù)（S）。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在該地區(qū)種植甘草提高了土壤微生物的優(yōu)勢(shì)度指數(shù)（DS）、物種豐富度（H）和碳源利用的豐富度指數(shù)（S），這是因?yàn)榉N植甘草后，土壤養(yǎng)分得到改善，土壤中全氮、堿解氮和有機(jī)質(zhì)的含量增加（見(jiàn)表1），為土壤中一些微生物種類(lèi)的繁殖創(chuàng)造了有利條件，因此甘草樣地土壤微生物多樣性指數(shù)高于裸地。同時(shí)，甘草的根系十分發(fā)達(dá)，其根系可能產(chǎn)生特異根系分泌物并形成適應(yīng)于此根系分泌物的微生物群落，間接提高了土壤中微生物棲息地的異質(zhì)性，因此土壤微生物的多樣性被增加［20］。主成分分析表明了不同處理對(duì)土壤微生物碳源利用造成的差異［21］，種植甘草后與裸地（CK）相比，發(fā)生了明顯變化，造成此種差異的主要是由糖類(lèi)、氨基酸和羧酸類(lèi)碳源等碳源引起的。

綜上所述，在該地區(qū)種植甘草能夠提高土壤微生物的群落多樣性及土壤中全氮、堿解氮、有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分的含量，改善土壤的理化性質(zhì)，提高土壤肥力，同時(shí)種植甘草后顯著降低了土壤的pH及電導(dǎo)率值。由此可見(jiàn)，在鹽堿地種植甘草可促進(jìn)土壤的良性發(fā)展，有助于改善土壤的鹽堿環(huán)境。

表4　土壤微生物碳源利用主成分1和2載荷較高的碳源

［1］ 張鳳華，梁靜，龐瑋.不同恢復(fù)模式對(duì)新疆棄耕地土壤理化性質(zhì)和生物學(xué)特性的影響［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2013，27（5）:169-172.

［2］王斌，馬興旺，單娜娜，等.新疆鹽堿地土壤改良劑的選擇與應(yīng)用［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2014，28（7）:111-115

［3］羅廷彬，任崴，謝春虹.新疆鹽堿地生物改良的必要性與可行性［J］.干旱區(qū)研究，2001，18（1）:46-48.

［4］ 郗金標(biāo)，張福鎖，田長(zhǎng)彥.新疆鹽生植物［M］.北京:科學(xué)出版社，2006: 129.

［5］Insam H，Hutchinson TC，Reber H H.Effects of heavy metal stress on the metabolic quotient of the soil microflora［J］.Soil Biology& Biochemistry，1996，28:691-694.

［6］ 羅希茜，郝曉輝，陳濤，等.長(zhǎng)期不同施肥對(duì)稻田土壤微生物群落功能多樣性的影響［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，29（2）:740-748.

［7］ 曹成有，姚金東，韓曉姝，等.科爾沁沙地小葉錦雞兒固沙群落土壤微生物功能多樣性［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2011，22（9）:2309-2315.

［8］鮑士旦.土壤農(nóng)化分析［M］.北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2010.

［9］ 董艷，董坤，湯利，等.小麥蠶豆間作對(duì)蠶豆根際微生物群落功能多樣性的影響極其與蠶豆枯萎病發(fā)生的關(guān)系［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2013，33 （23）:7445-7454.

［10］Weber K P，Grove J A，Gehder M，et al.Data transformations in the analysis of munity-level substrate utilization data from microplates ［J］.Journal of Microbiological Methods，2007，69:461-469.

［11］安韶山，李國(guó)輝，陳利頂.寧南山區(qū)典型植物根際與非根際土壤微生物功能多樣性［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2011，31（18）:5225-5234.

［12］趙葉周，王浩銘，汪自強(qiáng).豆科植物和根瘤菌在生態(tài)環(huán)境中的地位和作用［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境與發(fā)展學(xué)報(bào)，2013，30（4）:7-12.

［13］Kennedy A C，Smith K L.Soil microbial diversity and the sustainability of agricultural soils［J］.Plant and Soil，1995，170（1）:75-86.

［14］Konopka A，Oliver L，Turco R F.The use of carbon substrate utilization patterns in environmental and ecological microbiology ［J］.Microbial Ecology，1998，35（2）:103-115.

［15］Garland J L.Analysis and interpretation of community level physiological profiles in microbial ecology［J］.Microbial Ecology，1997，24（4）:289-300.

［16］Debosza K，Peler H R，Pedersena A R.Temporal variations in microbial biomass C and cellulolytic enzyme activity in arable soils:effects of organic matter input［J］.Applied Soil Ecology，1999， 13（3）:209-218.

［17］田春杰，陳家寬，鐘揚(yáng).微生物系統(tǒng)發(fā)育多樣性及其保護(hù)生物學(xué)意義［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2003（14）:609-612.

［18］林興生，林占熺，林冬梅，等.荒坡地種植巨菌草對(duì)土壤微生物群落功能多樣性及土壤肥力的影響［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2014，34（15）:4304-4312.

［19］胡嬋娟，傅伯杰，劉國(guó)華，等.黃土丘陵溝壑區(qū)典型人工林下土壤微生物功能多樣性［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，29（2）:727-732.

［20］Sulkava P，Huhta V.Habitat patchiness affects decomposition and faunaldiversity:Amicrocosmexperimentonforestfloor［J］. Oecologica，1998，116:392-396.

［21］Shi P，Gao Q，Wang S P.Effects of continuous cropping of corn and fertilization on soil microbial community functiona diversity［J］. Acta Ecologica Sinica，2010，30（22）:6173-6182.

Effects of Licorice Planting on Physical，Chemical Properties and Microbial Function Diversity of Saline Soil

Wu Zhenzhen1，Zhang Xulong1，Ma Miao2
（1College of Life Science，Shihezi University，Shihezi 832003，Xinjiang，China；
2Institute of Licorice in Shihezi University，Shihezi 832003，Xinjiang，China）

The study aims to investigate the effect of planting licorice on physical and chemical properties and microbial community functional diversity in saline soil.Bare land（no planting Glycyrrhiza inflate）was set as control，and conventional methods were adopted in the experiment.Soil microbial community functional diversity was studied using BilogECO plates.Results showed that compared with that of control，the contents of total nitrogen，alkalystic nitrogen and organic matter of saline soil with licorice planting were significantly increased by 38%，48%and 33%，respectively（P＜0.05），electrical conductivity of soil significantly decreased by 262% （P＜0.05）.The results indicated that the Average Well Color Development（AWCD）of licorice growing soil was higher than that of bare land（CK）.Compared with that of bare land（CK），AWCD of licorice growing soil significantly increased by 28%after cultured for 72 h.The utilization ratio of soil microorganismto sugar carbon sources in the licorice plot significantly increased by 28%（P＜0.05）and the soil microbial diversity was higher than that of bare land（CK）（P＜0.05）.Principal component analysis demonstrated that licorice changed the soil microbial community composition.Sugars and amino acids were the primary carbon sources to lead to the difference，followed by the hydroxyl acids and polymers category carbon sources.In a word，planting licorice could improve the activity and functional diversity of soil microbial community in saline soil.So licorice cultivation was a reasonable choice for ecological restoration in saline soil.

Glycyrrhiza inflata；Saline Soil；Soil Microorganism；Community Functional Diversity

S567.7+1

A論文編號(hào)：cjas15120010

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“高鹽環(huán)境下烏拉爾甘草葉片氣孔泌鹽與光合氣體交換的利益沖突與權(quán)衡策略的研究”（31360047）；石河子大學(xué)重大科技攻關(guān)項(xiàng)目“高鹽環(huán)境下烏拉爾甘草葉片氣孔泌鹽與光合氣體交換的利益沖突與權(quán)衡策略的研究”（gxjs2012-zdgg06）。

吳振振，女，1990年出生，山東東營(yíng)人，研究生，從事資源值物研究。通信地址：832003新疆省石河子市石河子大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，E-mail：1196352522@qq.com。

馬淼，男，1970年出生，新疆庫(kù)爾勒人，教授，博士，主要從事資源植物學(xué)研究。通信地址：832003新疆省石河子市石河子大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，E-mail：mamiaogg@126.com。

2015-12-18，

2016-02-22。