楊東偉 章明奎 張鵬啟 楊永德
(1 浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,杭州 310058)
(2 河南師范大學(xué)旅游學(xué)院,河南新鄉(xiāng) 453007)
(3 廣西大學(xué)商學(xué)院,南寧 530004)
土壤是一種包含多種生境和環(huán)境條件的生態(tài)系統(tǒng)[1],在全球環(huán)境變化過程中具有重要作用[2]。近20年,隨著我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整以及農(nóng)戶追求經(jīng)濟利益最大化等因素的影響,我國南方地區(qū)大面積的水田改為果園等經(jīng)濟林。水田改旱作后土壤的理化性質(zhì)、土壤肥力、土壤微生物發(fā)生改變[3],并導(dǎo)致土壤板結(jié)[4-6]、土地退化[7-8]。土壤微生物是土壤功能的重要組成部分[9-10],其在分解土壤動植物殘體、促進養(yǎng)分生物地球化學(xué)循環(huán)、改善生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮著重要作用[9,11-15]。土壤微生物多樣性是反映土壤健康和質(zhì)量的一個重要指標(biāo)[5-6,16],能夠影響生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力、穩(wěn)定性,反映生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境壓力[1]。有研究表明,土地利用方式變化后,隨著土壤微生物生境的變化,土壤微生物多樣性隨之發(fā)生改變[17-19]。
一些學(xué)者對土地利用方式變化后土壤理化性質(zhì)和基本微生物性質(zhì)進行了研究[9,20-22]。然而,很少有學(xué)者關(guān)注由厭氧環(huán)境占優(yōu)勢的水田轉(zhuǎn)變?yōu)楹醚醐h(huán)境為主的果園后,土壤微生物學(xué)性質(zhì)特別是微生物遺傳多樣性和群落結(jié)構(gòu)的變化。本研究著重分析了水田改果園后,不同利用年限土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和遺傳多樣性等微生物學(xué)性質(zhì)的變化,并探討了土壤微生物學(xué)性質(zhì)對土地利用方式轉(zhuǎn)變的響應(yīng)規(guī)律,希望利用土壤微生物的預(yù)警作用來監(jiān)測土壤生態(tài)環(huán)境的變化,為土壤生態(tài)功能維護和實現(xiàn)土壤可持續(xù)利用提供理論指導(dǎo)。
研究區(qū)位于浙江省嘉興市南湖區(qū)大橋鎮(zhèn)江南村,地理坐標(biāo)位于30°44′47″N ~30°45′4″N 和120°51′44″E~120°52′10″E之間,地處杭嘉湖平原,隸屬于浙北平原區(qū),屬于中北亞熱帶季風(fēng)氣候過渡帶,多年平均降水量在1 200~2 000 mm之間,年均氣溫在15.0~17.7℃。土壤成土母質(zhì)為湖沼相沉積物,土體深度1 m以上,海拔平均為3.0~3.5 m[23]。
水田改果園系列土壤樣品采集于2012年10月中旬,共采集18個耕層土壤樣品(對應(yīng)18個田塊),采集的果園土壤在利用方式轉(zhuǎn)變前均為水田。根據(jù)不同土地利用方式和利用年限農(nóng)地的分布及數(shù)量,確定該類型農(nóng)地中土壤樣品的采集數(shù)量(由于水田、種植葡萄樹13 a和15 a的田塊分布較廣,因而在該類型農(nóng)地中采集的土壤樣品較多),共采集水田樣本4個,果園土壤樣本14個(表1)。依據(jù)第二次土壤普查資料,供試土壤在發(fā)生分類中屬于水稻土土類,脫潛型水稻土亞類,青紫泥田土屬,腐心青紫泥田土種[23]。
水田耕層土壤樣品采集時,水稻接近收獲期,田面落干。每個耕層土壤樣品(0~15 cm)由5個以上采樣點混合而成,混勻分成四份,取一份原狀土壤沿自然結(jié)構(gòu)面掰開,自然風(fēng)干,測定土壤水穩(wěn)定性團聚體;第二份自然風(fēng)干后,分別過2 mm、1 mm和0.15 mm孔徑篩,測定土壤理化性質(zhì)。另外兩份置于放有冰塊塑料袋中帶回實驗室,一份放入4℃冰箱,一周內(nèi)完成土壤微生物生物量碳和氮的測定;另一份土樣冷凍干燥后,放-80℃冰箱保存,用于提取土壤微生物DNA和測定土壤微生物磷脂脂肪酸。
供試水田與果園位置相鄰,而兩種土地利用方式在管理上存在一定差異,果園土壤較水田施肥量大,灌溉量?。煌焕梅绞降霓r(nóng)地灌溉、施肥等管理方式相似。土壤樣品相關(guān)信息詳見表1,具體施肥量信息詳見表2。
自然含水量、土壤顏色、>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體、pH、土壤顆粒組成、有機質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀等指標(biāo)的測定步驟和方法詳見文獻[24-25]。土壤微生物生物量碳氮采用氯仿熏蒸—K2SO4浸提法。微生物遺傳多樣性測定過程如下:提取凍干土壤中細菌的總DNA,擴增后,取PCR 產(chǎn)物上樣做變性梯度凝膠電泳(Denaturing gradient gel electrophoresis,DGGE),從DGGE膠上切下電泳條帶,染色后用凝膠成像系統(tǒng)(GelDoc XR+,Bio-Rad,美國)拍照。土壤微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性測定參照微生物鑒定系統(tǒng)(Version 4.5,MIDI Sherlock,美國),對土壤微生物磷脂脂肪酸(Phospholipid fatty acid,PLFA)各成分脂肪酸進行鑒定,生成磷脂脂肪酸圖譜[26]。
表1 土壤樣品信息Table 1 General information of the soil samples
表2 水田和果園土壤施肥量Table 2 Fertilization rates in the paddy field and orchard
采用Microsoft Excel 2003軟件處理數(shù)據(jù),Origin 8.0制圖。使用SPSS 17.0 軟件進行差異顯著性分析,采用最小顯著差異(Least significant deviation,LSD)法;相關(guān)性分析采用皮爾森(Pearson)法。采用香農(nóng)-威那(Shannon-Wiener,SW)多樣性指數(shù)表征不同土壤樣品中微生物的多樣性指數(shù),公式如下:
式中,Pi為某群落中第i個類型的物種占總物種的百分比。
本研究中水田改果園系列耕層土壤為壤黏土(國際制土壤質(zhì)地分類),耕層土壤中黏粒含量在299~325 g kg-1之間,表明供試土壤質(zhì)地非常相似。供試水田中自然含水量、pH、>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體、有機質(zhì)、全氮、堿解氮含量整體上高于果園土壤,而全磷、有效磷、全鉀、速效鉀含量整體上低于果園土壤(表3)。這與水田改果園后人為滯水水分狀況消失、土壤透氣性改善、土壤有機質(zhì)礦化速度加快、氯化鉀和過磷酸鈣等酸性化肥施用量增加等因素有關(guān)。
水田耕層土壤微生物生物量碳(Microbial biomass carbon,MBC)平均含量為815.2 mg kg-1,改果園后土壤MBC平均含量降低至455.3 mg kg-1,降幅達44.1%,且其含量與果園年齡呈極顯著負相關(guān)(圖 1)。水田耕層土壤微生物生物量氮(Microbial biomass nitrogen,MBN)平均含量為35.65 mg kg-1,改果園后土壤MBN平含均量降低至14.30 mg kg-1,降幅達59.9%,且其含量與果園年齡呈極顯著負相關(guān)(圖1)。有研究[27]表明水田改為菜地后土壤MBC、MBN下降40%以上,這與本研究的結(jié)論相似。另有研究[28]表明洞庭湖區(qū)水田MBC、MBN明顯高于油菜地等旱地土壤。
相關(guān)分析表明,耕層土壤MBC與土壤pH、自然含水量呈顯著(p<0.05)或極顯著(p<0.01)正相關(guān)(表4),但與土壤有機質(zhì)、全氮等的相關(guān)性未達到顯著水平(p>0.05)(表4),這與研究區(qū)水田改果園后,施入大量蓖麻餅等有機物料而較難為土壤生物所利用有關(guān),這也表明施用有機肥時應(yīng)考慮生物有效性問題。耕層土壤MBN與土壤pH、有機質(zhì)、堿解氮、自然含水量和全氮含量呈顯著(p<0.05)或極顯著(p<0.01)正相關(guān)(表4)。耕層土壤MBC和MBN與土壤全磷、有效磷、全鉀、速效鉀均呈極顯著負相關(guān)(p<0.01)(表4)。由于養(yǎng)分失衡等原因,雖然改果園后土壤磷素和鉀素含量增加,而MBC和MBN依然下降。此外,水田改果園后土壤微生物生物量下降還有以下原因:一方面,稻田土壤為微生物提供了相對充足的有機碳源、氮源和水分等主要營養(yǎng)物質(zhì),使得稻田土壤微生物生長旺盛,土壤微生物生物量相對較高;另一方面,水田改果園后土壤酸化,抑制了土壤微生物活性,特別是占土壤微生物多數(shù)的細菌活性。
Sparling[29]研究表明,如果土壤被過度使用,土壤微生物生物量碳庫將會以較快的速率下降,最終造成微生物商(微生物生物量碳與總有機碳的比值,Microbial biomass carbon/ total organic carbon,MBC/TOC)降低。水田耕層土壤微生物商隨著改果園年限的延長而下降,并與改果園年限呈極顯著負相關(guān)(p< 0.01)(圖2),表明本研究中水田改果園后土壤存在過度使用、土壤退化等問題,影響了土壤的可持續(xù)發(fā)展,同時說明,水田在積累有機碳的同時,也有利于土壤微生物生物量的提高,這與沈冰潔等[30]的結(jié)論一致。
表3 水田和果園耕層土壤理化性質(zhì)Table 3 Physiochemical properties of the soils in the cultivated layers of the paddy fields and orchards
圖1 土壤微生物生物量碳氮與果園年齡之間的相關(guān)性Fig. 1 Correlation coefficient of soil microbial biomass carbon and nitrogen with age of orchard
表4 土壤理化性質(zhì)與土壤微生物生物量相關(guān)性(n=18)Table 4 Correlation coefficient of soil microbial biomass with soil physicochemical properties(n=18)
圖2 土壤微生物商與果園年齡之間的相關(guān)性Fig. 2 Correlation coefficient of ratios of microbial biomass carbon to total organic carbon with age of orchard
對土壤總細菌16S rDNA基因片段的DGGE圖譜(圖3)分析表明,不同含量的細菌在圖譜上形成明暗不同的條帶,條帶類型和相對亮度表明土壤細菌的種類和相對豐度,各泳道差異表征各樣品細菌多樣性差異及樣品之間親緣關(guān)系。如圖3所示,代表水田樣本的泳道(S1~S4)中條帶相對于果園土壤的泳道(S5~S18)復(fù)雜,且條帶較深,這表明水田土壤中微生物種類更加豐富,且含量較高;這與水田土壤中含有較高的水分、有機碳源和氮源等營養(yǎng)物質(zhì)且氧化還原環(huán)境較復(fù)雜有關(guān)。圖3中,代表水田土壤樣本的泳道(S1~S4)中條帶比較相似,而代表果園土壤的泳道(S5~S18)中條帶較相似,表明同一土地利用方式土壤微生物基因多樣性相似度較高。
對耕層土壤細菌DGGE指紋圖譜(圖3)進行聚類分析,結(jié)果顯示,耕層土壤樣品被分為兩簇,一簇屬于水田土壤,另一簇為果園土壤;而果園土壤又可以分為兩簇,分別為短期果園土壤和長期果園土壤(圖4)。水田改果園后,水田和果園土壤之間細菌的基因多樣性存在較大差異,水田和果園土壤的相似度為0.46,而短期果園和長期果園土壤中細菌基因條帶之間的相似度為0.56(圖4)。以上結(jié)果表明,土壤細菌的基因多樣性發(fā)生了階段性變化,水田和果園之間的差異性,要大于短期果園土壤與長期果園土壤之間的差異性(圖4),土地利用方式變化(水田改果園)要大于利用年限對土壤細菌基因多樣性的影響,這與Xue等[19]關(guān)于利用方式和利用年限對微生物群落結(jié)構(gòu)影響的結(jié)論一致。
通過對圖3進行多樣性分析,發(fā)現(xiàn)不同樣品的香農(nóng)-威那多樣性指數(shù)存在一定的差異性。整體表現(xiàn)為,水田土壤(S1~S4)中細菌的香農(nóng)-威那多樣性指數(shù)高于果園土壤(S5~S18)(表5)。表明水田改果園后,由于土壤水分、有機質(zhì)和氮素等營養(yǎng)物質(zhì)減少,氧化還原狀況趨于穩(wěn)定,導(dǎo)致耕層土壤中細菌多樣性降低。
圖3 水田和果園土壤總細菌變性梯度凝膠電泳指紋圖譜Fig. 3 Denaturing gradient gel electrophoresis(DGGE)banding patterns of 16S rDNA gene fragments of soil bacteria in the paddy and orchard soils
圖4 水田和果園土壤總細菌變性梯度凝膠電泳指紋圖譜的聚類分析Fig. 4 Cluster analysis of the figureprints in the DGGE profiles of the soil bacteria in the paddy and orchard soils
表5 水田和果園耕層土壤總細菌的香農(nóng)-威那多樣性指數(shù)Table 5 Shannon-Wiener indexes of soil total bacteria in the cultivated soil layer of the paddy fields and orchards
磷脂脂肪酸(PLFA)存在于所有活體細胞膜中,常被作為土壤微生物群落的生物標(biāo)記[31-32]。本研究中,隨著水田改果園年限的延長,耕層土壤微生物主要營養(yǎng)物質(zhì)(水分、碳源和氮源)下降,在水田中土壤微生物總PLFAs平均含量為145.0 nmol,在果園土壤中其平均含量降低至60.79 nmol,降幅達58.1%;土壤微生物總PLFAs含量與微生物生物量碳呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)r= 0.74**(n= 18)。在水田土壤樣品中平均檢測到54種PLFAs,果園土壤樣品中平均檢測到46種PLFAs,表明水田改果園后土壤微生物PLFAs種類減少。水田改果園后,受土壤通氣性增強等因素的影響,耕層土壤中真菌和放線菌在土壤微生物中所占比例增加,細菌和原生動物在土壤微生物中所占比例變化不明顯(圖 5)。改果園后,革蘭氏陰性細菌/革蘭氏陽性細菌(Gram negative bacteria/Gram positive bacteria,Gm-/Gm+)顯著降低(圖6a);由于土壤通氣性增強等因素的影響,耕層土壤中好氧細菌/厭氧細菌(Aerobic bacteria/Anaerobic bacteria,Aerobic/Anaerobic)顯著增加(圖 6b),并與改果園年限呈顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)r= 0.53*(n= 18)。
圖5 水田和果園土壤中主要微生物類群相對含量Fig. 5 Relative abundance of microbial speci fic groups in paddy and orchard soils
有研究表明,用異式脂肪酸(Iso fatty acids,Iso)與反異支鏈脂肪酸(Anteiso fatty acids,Anteiso)的比值可以表征養(yǎng)分脅迫[32]。本研究表明,水田改果園后,耕層土壤表征養(yǎng)分脅迫的Iso /Anteiso顯著增加(圖6c),并與改果園年限呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)r= 0.63**(n= 18)。在饑餓壓力下,革蘭氏陰性菌會將某些單烯PLFA轉(zhuǎn)化為環(huán)丙基脂肪酸,因此,環(huán)丙基脂肪酸和前體物的比值(cyclo fatty acids/ precurso fatty acids,Cy/Pre)也可用來指示微生物所處的壓力狀態(tài)[33-34]。改果園后,表征養(yǎng)分脅迫的Cyc/Pre顯著增強(圖6d),并與改果園年限呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)r= 0.61**(n= 18)。以上結(jié)果表明,水田改果園后,耕層土壤微生物的養(yǎng)分脅迫增強,引起土壤微生物數(shù)量減少,這主要與改果園后自然含水量及碳氮元素含量的降低及氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素的不均衡有關(guān)。
如圖7所示,由于土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的差異,水田樣本及其最適物種分別集中在α(陰影區(qū))和A區(qū)域內(nèi),短期果園土壤樣本及其最適物種分別集中在β(陰影區(qū))和B區(qū)域內(nèi),長期果園土壤樣本及其最適物種分別集中在γ(陰影區(qū))和C區(qū)域內(nèi)。依據(jù)土壤樣本在冗余分析排序圖中聚集的結(jié)果可將果園土壤分為短期果園土壤(S5~S11,≤13 a)和長期果園土壤(S12~S18,> 13 a)兩個階段,該分組結(jié)果與DGGE指紋條帶的聚類分析結(jié)果一致(圖4)。圖7所示,> 0.25 mm水穩(wěn)性團聚體和水分含量兩種環(huán)境因子沿水田樣本聚集方向(α區(qū)域)增加最明顯,說明它們與水田微生物群落關(guān)系最密切,即在A區(qū)域出現(xiàn)的土壤微生物對水分依賴性較強。有機質(zhì)和氮素延伸方向位于α和γ區(qū)域之間,表明A和C區(qū)域土壤微生物對有機質(zhì)和氮素依賴性較強,這與水田中有機質(zhì)和氮素含量較高及長期果園土壤施用大量蓖麻餅有一定關(guān)系。pH和鹽基飽和度在短期果園土壤(β區(qū)域)方向延伸,說明這兩種環(huán)境因子對短期果園土壤微生物影響較大,這與水田改果園后土壤酸化有一定關(guān)系。鉀素和磷素在長期果園土壤(γ區(qū)域)方向延伸,說明磷素和鉀素對C區(qū)域內(nèi)土壤微生物影響更明顯,這與長期果園土壤中大量施用化肥關(guān)系密切。
耕層土壤冗余分析結(jié)果顯示,第一排序軸解釋了樣本中83.5%的變異,第二排序軸解釋了樣本中2.9%的變異,前4個排序軸共同解釋了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)演替中89.4%的變異。前2個排序軸的物種—環(huán)境相關(guān)系數(shù)均達到0.92,說明土壤微生物區(qū)系與土壤環(huán)境因子之間關(guān)系密切,這11種土壤環(huán)境因子的改變是影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的主要原因。土壤環(huán)境因子中土壤含水量、有機質(zhì)、全氮、堿解氮和有效磷與前2個排序軸相關(guān)性最強,呈極顯著正相關(guān)(p<0.01),因而這5種因子是決定水田和果園微生物群落結(jié)構(gòu)差異的最重要因子,與沈冰潔等[30]關(guān)于水田和旱地中土壤有機碳和全氮對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)影響最為顯著的結(jié)論相比,本結(jié)論中影響因子更全面。前四個排序軸的物種—環(huán)境累積百分比變化率達到97.9%。第一排序軸與自然含水量、全磷、有效磷、全鉀和速效鉀均呈顯著(p<0.05)或極顯著(p<0.01)相關(guān),第二排序軸與pH、有機質(zhì)、全氮和堿解氮呈顯著相關(guān)(p<0.05),第三排序軸與鹽基飽和度呈極顯著負相關(guān)。
圖7 耕層土壤微生物磷脂脂肪酸冗余分析排序圖Fig. 7 Sequencing graph of soil microorganism phospholipid fatty acids in the plow layer soils in redundancy analysis
土地利用方式及其轉(zhuǎn)變時間能夠?qū)ν寥览砘再|(zhì)和微生物多樣性帶來較大影響。水田改果園后,土壤微生物生物量和微生物商顯著下降,土壤微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化,并且隨果園年齡的增加而日趨明顯。聚類分析和冗余分析表明,在水田和果園生態(tài)系統(tǒng)中,土壤水分、有機質(zhì)、氮素和有效磷是影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的最主要環(huán)境因素(p<0.01)。土地利用方式轉(zhuǎn)變對土壤微生物的影響要大于利用年限的影響。研究表明,水田是地球生態(tài)系統(tǒng)中重要的碳匯,其微生物多樣性較豐富,水田種植是一種可以促進土壤可持續(xù)利用的有效方式。水田改為果園不利于土壤可持續(xù)利用,此外,長期種植果樹可能會引起土壤養(yǎng)分失衡等一系列問題。因而,應(yīng)盡量避免將大面積水田改為果園,并應(yīng)對已改制的果園實行輪作等種植方式以維護土壤生態(tài)功能,促進土壤可持續(xù)發(fā)展。
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