外源腐解微生物的物種組合對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及代謝活性的影響*

周 璇, 李玉明, 叢 聰, 王倩倩, 江 恒, 岳龍凱,堯水紅**

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外源腐解微生物的物種組合對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及代謝活性的影響*

周 璇1, 李玉明2, 叢 聰1, 王倩倩1, 江 恒3, 岳龍凱1,堯水紅1**

(1. 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所 北京 100081; 2.黑龍江北大荒農(nóng)業(yè)股份有限公司291分公司農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心 雙鴨山 155923; 3. 中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 哈爾濱 150081)

本文采用飼料類芽孢桿菌(,P)、深紅紫鏈霉菌(,S)和黃綠木霉(, T), 組合構(gòu)建了3種單菌劑(P、S和T)、3種兩菌種復合菌劑(PT、PS和ST)及1種3菌種復合菌劑(PST), 并將之添加到紅壤中, 監(jiān)測各菌劑添加后土壤總磷脂脂肪酸(PLFAs)量、特征微生物PLFAs百分含量、土壤呼吸速率及總代謝熵的變化, 旨在探明外源腐解微生物的物種組合對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和代謝活性的影響, 進而為優(yōu)化有機物分解菌劑種群配置提供參考。結(jié)果顯示, 添加單菌劑的P、S和T處理及添加兩菌種復合菌劑的PT和PS處理, 土壤微生物生物量顯著增加, 增幅17.2%~121.6%(<0.05)。添加外源腐解微生物后, 各處理的土壤微生物群落的細菌百分含量基本穩(wěn)定在79.6%~83.1%, 真菌百分含量顯著增加8.8%~50.6%; 而放線菌百分含量除P和ST處理外, 其他處理顯著降低9.4%~69.8%。PLFAs數(shù)據(jù)的主成分分析表明, 各外源菌劑處理與CK處理間的群落結(jié)構(gòu)變異由小到大依次為: 接種單菌劑的P、S和T處理, 接種兩菌種復合菌劑的PT、PS和ST處理, 接種3菌種復合菌劑的PST處理。添加單菌劑的P、T處理以及添加兩菌種復合菌劑的ST處理, 在短期內(nèi)影響了土壤微生物的對數(shù)生長, 使土壤呼吸速率的峰值分別提高48.7%、53.7%和78.7%; 且外源腐解微生物組合的物種數(shù)量越多, 土壤微生物進入潛伏期所需的時間越長。從外源腐解微生物對土壤肥力的長期影響來看, 兩菌種復合菌劑ST的添加使土壤微生物代謝活性提高28.9%,因此該處理的土壤碳礦化量增加11.1%; 添加單菌劑的S處理使土壤微生物代謝活性顯著降低32.4%, 因此該處理的土壤碳礦化量僅降低7.3%; 而添加兩菌種復合菌劑的PS處理和3菌種復合菌劑的PST處理, 在保持代謝活性不變的情況下, 其土壤碳礦化量也降低5.8%~8.7%, 其原因有待進一步研究。綜上所述, 外源腐解微生物的添加會改變土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)及其生長軌跡, 且隨外源腐解微生物組合的物種數(shù)量增多這一干擾程度越大, 而土壤微生物代謝活性與外源腐解微生物組合的物種數(shù)量無顯著相關(guān)性。

土壤微生物; 外源腐解微生物; 物種組合; 微生物生物量; 微生物群落結(jié)構(gòu); 微生物代謝活性; 土壤呼吸速率

有機物分解是土壤肥力形成的重要過程, 在土壤生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)中起樞紐作用。微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中極其重要的分解者, 也是最為活躍的部分。新鮮有機物輸入土壤后, 在微生物的作用下逐級分解, 最后以CO2形式釋放到大氣中[1-2]。因此, 有機物分解是一個持續(xù)而漫長的過程, 同時也是一個微生物接力的過程, 國內(nèi)外許多學者曾對此進行過研究。有機物分解初期, 易分解的小分子有機物(蛋白質(zhì)、水溶性物)首先被發(fā)酵性腐解微生物利用[3-4]; 隨著易分解有機物的減少, 能分解大分子有機物(纖維素和半纖維素等)的微生物迅速繁殖, 即該階段有機物分解主要依靠真菌群落[5-6]; 最后利用難降解有機物(木質(zhì)素)的微生物成為土壤微生物的優(yōu)勢種群[7-8]。

外源腐解微生物是來源于土壤、飼料或堆肥中的能產(chǎn)生降解纖維素酶、半纖維素酶或木質(zhì)素酶等粗纖維酶類的微生物[9-10]。已報道的對纖維素降解能力強的微生物多為木霉菌屬()和類芽孢桿菌屬()等的菌株[11-12], 而黃綠木霉()和飼料類芽孢桿菌()正是其中最具代表性的微生物[13-14]。近年來, 一些隸屬放線菌門的淺紫鏈霉菌()、微桿菌(sp.)和紅球菌(sp.)等微生物也被發(fā)現(xiàn)能有效降解木質(zhì)素和纖維素類物質(zhì)[15]。隨著對外源腐解微生物的認識逐漸加深, 其作為堆肥腐熟劑和秸稈還田腐解劑等備受重視。石其偉等[16]研究表明, 添加微生物菌劑促進了稻草前期的分解作用和后期的腐殖化作用; 王曉娟等[17]研究表明, 添加腐解菌劑能加快雞糞升溫, 延長高溫期, 縮短到達穩(wěn)定期的時間。這些研究均表明外源腐解微生物的添加能顯著加速有機物分解的進程。此外, 肖艷萍[18]研究發(fā)現(xiàn), 復合菌系[鏈格孢霉菌()+短梗霉菌()+鏈霉菌(sp.)+厄氏菌(sp.)]的纖維素分解效率至少是單菌株的2.33倍, 且當各菌株等比例混合時, 其協(xié)同降解能力最佳; 冀頤之等[19]研究發(fā)現(xiàn): 芽孢桿菌復合菌劑較單一芽孢桿菌不僅能加快纖維素和木質(zhì)素的降解速率, 還能提高黃腐酸的產(chǎn)量。此類研究均證實了復合腐解菌系較任何單一菌種能提高降解纖維素與木質(zhì)素能力。近兩年來, 部分研究關(guān)注腐解微生物的物種差異對有機物腐殖化進程的影響, 并指出不同微生物對腐殖化進程的作用體現(xiàn)在不同培養(yǎng)階段對不同物質(zhì)和官能團的利用上[20-21]。但是, 關(guān)于外源腐解微生物對有機物腐解的影響機制尚不明確。

土壤微生物在有機物的分解過程中起到了很重要的作用, 外源腐解微生物的添加會引起土壤微生物數(shù)量和多樣性的改變[22-23], 但以往都是選用單菌劑或者通過篩選構(gòu)建復合菌系來進行研究, 復合腐解菌系往往由于存在菌株組成的種類多, 鑒定困難的缺陷, 因而關(guān)于外源腐解微生物如何通過物種組合來影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及活性的相關(guān)試驗證據(jù)很少。本文通過源頭控制構(gòu)建物種數(shù)量不同的腐解微生物組合, 采用培養(yǎng)試驗動態(tài)監(jiān)測土壤微生物生物量與群落結(jié)構(gòu)的變化, 明確外源腐解菌劑的物種組合對土壤微生物代謝活性及分解功能的影響。該研究結(jié)果不僅能為優(yōu)化有機物分解菌劑種群配置提供參考, 還可為培肥地力和穩(wěn)定土壤生態(tài)系統(tǒng)功能提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤為旱地紅壤, 采自江西省鷹潭市余江縣鄧家埠原種場三分場(28°5′N, 116°5′E), 地上植被為原生草叢, 取樣深度為0~20 cm。根據(jù)美國土壤系統(tǒng)分類[24], 該土壤屬于黏壤老成土, 根據(jù)中國土壤系統(tǒng)分類為富鐵土[25]。土壤的母質(zhì)是第四紀紅黏土, 土壤有機質(zhì)含量5.2 g·kg-1, 速效磷19.3 mg·kg-1, 速效鉀237 mg·kg-1, 陽離子交換量10.2 cmol·kg-1。

供試微生物: 包括飼料類芽孢桿菌, 為桿菌科的一屬細菌; 深紅紫鏈霉菌(), 為鏈霉菌科的一屬放線菌; 黃綠木霉, 為叢梗孢科的一屬真菌。這3個菌種均由中國農(nóng)業(yè)科學院菌種保藏管理中心提供, 是從土壤中分離的腐解微生物, 具有較強的有機物分解能力, 常用于配制商用秸稈腐解菌劑。

1.2 試驗設計

菌株培養(yǎng): 飼料類芽孢桿菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基, 深紅紫鏈霉菌采用高氏一號培養(yǎng)基, 黃綠木霉菌采用馬鈴薯葡萄糖培養(yǎng)基。首先, 將純化的菌株各自接種到已制備好的適宜菌株生長的培養(yǎng)液中, 恒溫(25±3) ℃培養(yǎng)7 d; 然后, 將菌液離心(8 000 r·min-1, 15 min), 經(jīng)無菌水清洗數(shù)次后, 以無菌水稀釋成接近5×108cfu·mL-1菌懸液備用。

接種試驗: 試驗在恒溫(25±1) ℃培養(yǎng)箱中進行。首先, 將風干過2 mm篩的土樣調(diào)節(jié)至最大田間持水量的70%, 黑暗培養(yǎng)10 d, 恢復其土壤微生物活性。隨后, 將備用的菌懸液按物種數(shù)量1、2、3自由組合并吸附于載體上(菌種組合見表1), 連同未接種的對照, 共設8個處理。菌劑載體為無菌草炭(總有機碳含量397 g·kg-1, 全氮11.9 g·kg-1, 碳氮比33.5),菌劑載體滅菌后按各處理的菌種組合要求接種菌體, 接種的有效活菌數(shù)為3.8×108CFU·g-1。然后, 將菌劑載體按8‰的質(zhì)量百分比(投入草炭的碳含量與秸稈全量還田的碳含量相當)均勻地混入恢復活性的土壤中, 并將混勻后的土樣均分18份(每份樣品量折合干土重為50 g), 以保障每個取樣時間均能取3個重復。最后, 將各處理的樣品逐一置于250 mL的白色塑料瓶中恒溫培養(yǎng)30 d。在培養(yǎng)的過程中, 定期稱重及時補水, 以保持土壤水分含量相對穩(wěn)定。

取樣時間: 在培養(yǎng)的過程中每天連續(xù)監(jiān)測土壤呼吸速率, 分析接種后土壤微生物的生長軌跡及代謝量; 在培養(yǎng)的第1 d、2 d、4 d、9 d、18 d和30 d, 動態(tài)取樣測定土壤微生物生物量碳, 以計算整個培養(yǎng)周期中各處理的微生物生物量均值, 并結(jié)合累積呼吸量, 分析接種后土壤微生物代謝活性的差異; 在培養(yǎng)結(jié)束的第30 d, 取樣測定土壤磷脂脂肪酸(phospholipid fatty acid, PLFA), 分析土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化。

表1 試驗處理及菌種組合方法

1.3 測定項目與方法

1.3.1 磷脂脂肪酸含量測定

采用改進后的Blight-Dyer法進行磷脂脂肪酸(PLFA)的提取[26-28], 運用GC-MS(Gas Chromatograph- Mass Spectrometry)分析儀分離不同分子, 并結(jié)合脂肪酸標準譜圖(Bacterial Fatty Acid Standards)和美國商品化的MIDI系統(tǒng)(Microbial Identification System)識別與定量磷脂脂肪酸?？侾LFAs含量()的計算公式如下:

式中:A和MW分別為單個PLFA生物標記物的特征峰值和相對分子質(zhì)量,IS為內(nèi)標的濃度,IS為內(nèi)標19:0的特征峰值, DW為土壤干重(g), MW為脂肪酸甲酯的分子量, 2為校正系數(shù), 1 000為nmol的轉(zhuǎn)化系數(shù),為該試驗中總特征PLFAs個數(shù)[29]。

將PLFA譜圖中對提取的PLFA總量的貢獻值小于1%的PLFA剔除[30], 篩選得到49個PLFAs, 其中10:0、12:0、13:0、14:0、15:0 2OH、16:0、17:0、18:0、20:0代表普通細菌源微生物; 革蘭氏陽性細菌[Gram-positive bacteria, G(+) bacteria]包括: 11:0 iso、12:0 iso、13:0 iso、13:0 anteiso、14:0 iso、14:0 anteiso、15:0 iso、15:0 anteiso、16:0 iso、16:0 anteiso、17:0 iso、17:0 anteiso、18:0 iso、19:0 iso; 革蘭氏陰性細菌[Gram-negative bacteria, G(-) bacteria]包括i14:1、a15:1、i15:1、15:1 ω8c、i16:1、16:1 2OH、16:1 ω9c、16:1 ω5c、17:1 ω5c、a17:1、17:1 ω8c、cy17:0、i18:1、18:1 ω7c、19:1 ω6c、19:1 ω11c、cy19:0 ω8c、20:1 ω9c; 18:1 ω9c, 18:2 ω6, 9c和18:3 ω6, 9, 12c代表真菌源微生物; 10Me 16:0, 10Me 17:0, 10Me 18:0和10Me 19:0代表放線菌源微生物。

1.3.2 土壤呼吸速率測定

采用堿液靜態(tài)吸收法[31-32], 吸取5 mL 0.1 mol·L-1于10 mL特制吸收容量瓶中, 并將此瓶懸掛于250 mL的白色培養(yǎng)瓶中, 以吸收微生物呼吸釋放的CO2, 25 ℃恒溫箱培養(yǎng)24 h, 用0.1 mol·L-1HCl滴定剩余的NaOH, 以計算CO2釋放速率。

1.3.3 土壤微生物生物量碳的測定

采用氯仿熏蒸浸提法, 詳見Vance等[33]、林啟美等[34]。以0.5 mol·L-1K2SO4溶液浸提熏蒸和未熏蒸的土壤, 浸提液過濾后直接用TOC儀(Vario TOC select, Elementar, Germany)測定[35]。轉(zhuǎn)換系數(shù)取0.38。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)處理采用Microsoft Excel 2013軟件; 不同處理間的差異用單因素方差分析(One-Way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)值進行分析比較; 通過主成分分析來研究接種不同物種組合微生物后土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化, 統(tǒng)計軟件為SPSS 19.0, 并使用Origin 9.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源微生物的物種組合對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

土壤微生物生物量以可提取的土壤總PLFAs含量表征。試驗所用的紅壤土著微生物生物量為141 nmol·g-1。該紅壤的微生物群落結(jié)構(gòu)組成中: 普通細菌類PLFAs占27.0%, G(+)細菌類PLFAs占20.4%, G(-)細菌類PLFAs占35.4%, 真菌PLFAs占9.1%, 放線菌類PLFAs占8.1%(圖1)。草炭是外源微生物接種的常用載體, 含有較為豐富的有機質(zhì)和礦物質(zhì), 且疏松多孔, 因而利于微生物的生長繁殖[36-38]。在未接種試驗開始時(即0 d), 紅壤加無菌草炭處理的微生物生物量為154 nmol·g-1, 較紅壤本底值有一定程度上的增加; 但該處理的各類微生物的特征PLFAs所占百分含量與紅壤土著微生物群落間無顯著差異(圖1), 說明紅壤加無菌草炭并未影響微生物的群落組成。因此, 以紅壤加無菌草炭作為本試驗的對照處理, 能有效地反映接種外源腐解微生物對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。

圖1 試驗用紅壤及紅壤加草炭的微生物群落結(jié)構(gòu)組成

不同小寫字母表示處理間差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters demonstrate significant differences between red soil and red soil with sterile peat.

接種不同物種組合的外源微生物并培養(yǎng)30 d后,各處理微生物生物量呈現(xiàn)一定的差異(圖2A)。未接種的紅壤加草炭處理(對照, CK)的微生物生物量為91 nmol·g-1; 接種單菌劑的P、S和T處理的微生物生物量為107~199 nmol·g-1, 顯著高于未接種的CK處理(<0.05); 接種兩菌種復合菌劑的PS和PT處理的微生物生物量分別為164 nmol·g-1、201 nmol·g-1, 也顯著高于未接種的CK處理(<0.05); 而接種兩菌種復合菌劑的ST和接種3菌種復合菌劑的PST處理微生物生物量分別為97 nmol·g-1和93 nmol·g-1, 與未接種的CK處理無顯著差異。

土壤微生物群落結(jié)構(gòu)組成用各類微生物特征PLFAs的百分含量表征。單因素方差分析顯示, 未接種的對照處理(CK)的3大類菌群(細菌、真菌和放線菌)在培養(yǎng)結(jié)束后與0 d時相比無顯著差異。培養(yǎng)30 d后, 未接種CK處理的微生物群落中細菌類微生物占絕對優(yōu)勢, 其中普通細菌類占22.4%、G(-)細菌類占30.6%、G(+)細菌類占29.5%(圖2B); 真菌和放線菌類PLFAs分別占9.2%和8.3%(圖2C和D)。接種不同物種組合的外源微生物后, 各處理微生物群落中細菌的總比例(79.6%~83.1%)較未接種CK處理無顯著差異, 但細菌的組成有一定的變化(圖2B)。與未接種的CK處理相比, 接種單菌劑的S處理, 普通細菌PLFAs百分含量顯著下降20.0%, 而G(-)細菌PLFAs百分含量顯著增加11.4%; 接種兩菌種復合菌劑的ST處理, G(+)細菌PLFAs百分含量顯著下降41.4%, 而G(-)細菌PLFAs百分含量增加19.5%; 接種3菌種復合菌劑的PST處理, G(+)細菌PLFAs百分含量顯著下降17.9%(圖2B)。接種不同物種組合的外源微生物后, 各處理的微生物群落中真菌所占比例顯著高出未接種的CK處理的8.8%~50.6%(圖2C)。各處理的微生物群落中放線菌所占比例, 接種單菌劑的P處理與未接種的CK處理無顯著差異, 接種兩菌種復合菌劑的ST處理顯著高于未接種CK處理, 而其他5種菌劑處理較未接種的CK處理顯著降低9.4%~69.8%(圖2D)。

不同處理下土壤微生物PLFAs數(shù)據(jù)的主成分分析進一步表明: 外源腐解微生物對土著微生物的群落結(jié)構(gòu)有顯著影響, 各處理在PC1和PC2上與未接種的CK處理均無交集(圖3A)。此外, 微生物的群落結(jié)構(gòu)與外源腐解微生物組合中的物種數(shù)量也呈一定的相關(guān)性。接種單菌劑的P、S和T處理均位于X軸的上方, 與未接種的CK處理最為接近(圖3A); 而接種兩菌種復合菌劑的PT、PS和ST處理處在X軸下方的第4象限, 與未接種的CK處理的間距大于接種單菌劑的3個處理; 接種3菌種復合菌劑的PST處理則位于X軸下方的第3象限, 與未接種的CK處理的間距最遠(圖3A)。從PLFAs在主成分上的因子載荷圖分析, 對PC1貢獻大的PLFAs(特征向量系數(shù)>0.5)有13種, 其中普通細菌類PLFAs有5種, G(+)細菌類PLFAs有4種, G(-)細菌類PLFAs有2種, 放線菌類PLFAs有1種, 真菌類PLFAs有1種。對PC2起主要作用的PLFAs(特征向量系數(shù)>0.5)有8種, 其中普通細菌類PLFAs有1種, G(+)細菌類PLFAs有2種, G(-)細菌類PLFAs有3種, 放線菌PLFAs有2種(圖3B)。

2.2 外源微生物的物種組合對土壤微生物活性的影響

土壤微生物活性即微生物代謝活力, 可以用多種方法測定[39-42]。CO2釋放速率作為測定土壤微生物活性最常用的方法之一, 盡管存在一定的局限性, 但一直被廣泛的應用[43]。外源腐解菌劑接種后土壤呼吸速率的動態(tài)變化, 反映了不同物種組合的外源腐解微生物對土著微生物的擾動軌跡(圖4)。由圖4可見, 未接種的CK處理在培養(yǎng)的過程中呈一條典型的微生物生長特征曲線, 即: a-b為對數(shù)生長期, 微生物以恒定的幾何級數(shù)增長; b-c為穩(wěn)定期, 由于營養(yǎng)物質(zhì)消耗殆盡, 微生物數(shù)保持較穩(wěn)定的個數(shù); c-d為衰亡期, 微生物生長減慢, 死亡數(shù)目增多; d-e為潛伏期, 微生物恢復到自然活性狀態(tài)。

圖2 培養(yǎng)30d后接種不同菌種及組合的土壤微生物生物量及特征微生物種群百分含量

不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters indicate significant differences among treatments at 0.05 level.

圖3 接種不同菌種及組合處理的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)差異的主成分分析

外源腐解微生物的添加影響土壤微生物的對數(shù)生長(表2)。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn): 除P處理在接種單一飼料類芽孢桿菌后有一個明顯的停滯期, 其他單菌劑和復合菌劑的處理均快速進入對數(shù)生長期, 土壤呼吸速率在培養(yǎng)1 d后出現(xiàn)峰值(圖4, 表2)。在出現(xiàn)峰值時, 接種單菌劑的P、T處理和接種兩菌種復合菌劑的ST處理, 土壤呼吸速率分別高出未接種的CK處理48.7%、53.7%和78.7%, 而其他4種菌劑處理的土壤呼吸速率與未接種的CK處理間無顯著差異。對數(shù)生長后, 各處理均快速進入衰亡期、最后進入潛伏期(圖4, 表2), 接種單菌劑的3個處理均在培養(yǎng)6~7 d后進入潛伏期; 而接種兩菌種復合菌劑的3個處理在培養(yǎng)10~12 d后進入潛伏期; 接種3菌種復合菌劑的PST處理的波動周期最長, 在培養(yǎng)16 d后進入潛伏期。

圖4 培養(yǎng)過程中接種不同菌種及組合處理的土壤呼吸速率變化

a→b代表微生物生長特征曲線的對數(shù)期; b→c代表穩(wěn)定期; c→d代表衰亡期; d→e代表潛伏期。a→b represents the logarithmic phase of microbial growth curve; b→c represents the stable phase of microbial growth curve; c→d represents the decline phase of microbial growth curve; d→e represents the latency phase of microbial growth curve.

表2 接種不同菌種及組合處理土壤微生物活性特征指數(shù)

不同小寫字母表示不同處理間的差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters indicate significant differences among treatments at 0.05 level.

外源腐解微生物的添加改變了土壤微生物的生長軌跡, 間接造成了各處理下土壤累積呼吸量的差異(圖5A)。土壤累積呼吸量反映了外源腐解微生物的添加對土壤微生物活性的長期影響。未接種的CK處理的土壤累積呼吸量為1 145 mg·kg-1, 接種單菌劑的P和T處理及接種兩菌種復合菌劑的PT處理, 土壤累積呼吸量與CK處理無顯著差異; 接種兩菌種復合菌劑的ST處理, 土壤累積呼吸量較CK處理顯著增加了11.1%; 而接種單菌劑的S處理, 接種兩菌種復合菌劑的PS處理和接種3菌種復合菌劑的PST處理, 土壤累積呼吸量較之略有降低。微生物總代謝熵由土壤累積呼吸量與微生物生物量均值的比率來表征, 各處理微生物總代謝熵(qCO2)也存在一定的差異(圖5B)。接種單菌劑的S處理的微生物總代謝熵顯著低于CK處理; 而接種兩菌種復合菌劑的ST處理的總代謝熵較之增加了28.9%; 其他菌劑處理的微生物總代謝熵與CK處理間無顯著差異。

圖5 培養(yǎng)周期內(nèi)接種不同菌種及組合處理的土壤累積呼吸量(A)和微生物總呼吸熵(B)

不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters indicate significant differences among treatments at 0.05 level.

3 討論

3.1 外源腐解微生物的物種組合對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

外源腐解微生物的添加改變了土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)。本文研究發(fā)現(xiàn): 接種深紅紫鏈霉菌(放線菌)的S、PS、ST、PST處理與CK處理相比, G(+)細菌的百分含量顯著降低, 說明深紅紫鏈霉菌的添加抑制了G(+)細菌的生長, 這與前人的研究一致[44-45]。此外, 研究還發(fā)現(xiàn): 外源腐解微生物添加后, 土壤微生物群落中的真菌百分含量增加、放線菌百分含量除P處理和ST處理外, 顯著下降。

從本研究中PCA分析結(jié)果可知: 各外源菌劑處理與CK處理間均無交集, 且各處理與CK處理間的差異, 以接種單菌劑的3個處理最小, 接種兩菌種復合菌劑的3個處理較大, 而接種3菌種復合菌劑的PST處理最大。這一結(jié)果表明, 外源微生物的添加會顯著改變土壤微生物的群落結(jié)構(gòu), 且外源腐解微生物對土壤微生物群落的擾動作用隨其物種數(shù)量增多而加強。究其原因可能是外源腐解微生物進入土壤后, 與土著微生物競爭養(yǎng)分與生態(tài)位[46], 從而引起土壤中整個微生物群落結(jié)構(gòu)的改變。

土壤微生物生物量能反映土壤質(zhì)量狀況, 是評價土壤微生物狀況隨環(huán)境變化的敏感指標。本體土壤中的微生物生物量在一定的條件下是相對穩(wěn)定的, 而當外源腐解微生物進入后, 土壤微生物生物量將發(fā)生改變[47-49]。本研究顯示, 單一飼料類芽孢桿菌(細菌)、深紅紫鏈霉菌(放線菌)和黃綠木霉(真菌)添加, 增加了土壤微生物生物量。此外, 菌種間無顯著的拮抗作用的復合菌, 也能適應紅壤土體的酸性環(huán)境并迅速繁殖, 土壤微生物生物量顯著增加, 如本研究中的PS處理(飼料類芽孢桿菌和深紅紫鏈霉菌復合菌)與PT處理(飼料類芽孢桿菌和黃綠木霉菌復合菌)。與此同時, ST處理(深紅紫鏈霉菌和黃綠木霉菌復合菌)與PST處理(飼料類芽孢桿菌、深紅紫鏈霉菌和黃綠木霉菌復合菌), 土壤微生物生物量與對照(CK)間無顯著的差異, 但僅通過土壤微生物生物量還不足以證明菌株間的拮抗作用, 其原因可能是多菌混合后菌量增加所引起的競爭性抑制作用, 也可能是菌株代謝產(chǎn)生的次級代謝產(chǎn)物所引起的抑菌現(xiàn)象, 具體原因?qū)⑦M一步探究。

3.2 外源腐解微生物的物種組合對土壤微生物活性的影響

土壤呼吸的動態(tài)特征在一定程度上可反映土壤微生物活性的變化[50]。本文研究結(jié)果發(fā)現(xiàn), 外源腐解微生物的添加刺激土壤微生物的生長, 使土壤微生物群落快速進入對數(shù)生長期(圖4), 之前的研究也有過類似報道: 證實自生細菌接種土壤后會對農(nóng)田土壤產(chǎn)生短期影響[51]。此外, 菌種組合中微生物的物種數(shù)量越多, 土壤微生物進入潛伏期所需的時間越長, 這可能是由于外源微生物組合中的物種數(shù)量越多, 與土著微生物在養(yǎng)分、水分及生存空間上的競爭更激烈, 土著微生物抵抗干擾所需的周期更長[52]。菌種組合中的物種數(shù)量與土壤累積呼吸量間無相關(guān)關(guān)系。

微生物總代謝熵(qCO2)可靈敏地反映土壤微生物的代謝活性[53], qCO2越高, 微生物利用相同能量形成的生物量小, 釋放的CO2多, 土壤微生物代謝活性越強[54], 反之亦然。本研究發(fā)現(xiàn), 接種單菌劑的S處理使qCO2顯著降低, 接種兩菌種復合菌劑的ST處理使qCO2顯著增加, 而其他5種外源菌劑處理不改變土壤的qCO2, 這說明接種單一深紅紫鏈霉菌的S處理能提高土壤微生物對碳的利用率, 從而利于土壤質(zhì)量的改善。接種兩菌種復合菌劑的ST處理較大程度地擾動了紅壤微生物群落, 需要微生物耗費更多的能量來平衡外界的干擾[55]?？傮w上來說, 土壤微生物代謝活性與菌種組合中的物種數(shù)量間并無相關(guān)關(guān)系, 這除了土著微生物對外界干擾的抵抗外, 還可能與外源腐解菌種間的協(xié)同作用有關(guān), 其中原因需要進一步研究。

4 結(jié)論

外源腐解微生物的添加影響土壤微生物生物量, 改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu), 且外源腐解微生物對土著微生物群落結(jié)構(gòu)的干擾程度隨菌種組合中的物種數(shù)量增多而加強。本研究發(fā)現(xiàn)添加單菌劑P、S和T處理及添加兩菌種復合菌劑的PT和PS處理較未接種的CK處理土壤微生物生物量顯著增加, 其他處理與未接種的CK處理無顯著差異。本研究中除ST處理外, 其余各處理均在一定程度增加真菌的百分含量, 降低放線菌的百分含量; 且由PCA分析結(jié)果可知, 各處理與CK處理間的差異, 以接種單菌劑的3個處理最小, 接種兩菌種復合菌劑的3個處理較大, 而接種3菌種復合菌劑的PST處理最大。

外源腐解微生物的添加短期內(nèi)影響土壤微生物的對數(shù)生長, 且菌種組合中的物種數(shù)量改變了土壤微生物進入潛伏期的時間, 但土壤微生物的總體代謝能力與菌種組合中的物種數(shù)量無關(guān)。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn): 除P處理有一個明顯的停滯期, 其他單菌劑和復合菌劑的處理均快速進入對數(shù)生長期; 且在對數(shù)生長后, 接種單菌劑的3個處理進入潛伏期所需時間最短; 接種兩菌種復合菌劑的3個處理進入潛伏期所需時間居中; 接種3菌種復合菌劑的PST處理進入潛伏期所需時間最長。此外本研究也發(fā)現(xiàn), 添加單菌劑的P、T處理以及添加兩菌種復合菌劑的ST處理, 土壤呼吸速率峰值顯著提高; 但土壤累積呼吸量除ST處理較CK處理顯著增加外, 其他處理低于或與CK處理無顯著差異。

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Effects of species-combined exogenous decomposing micro-organisms on soil microbial community structure and metabolic activity*

ZHOU Xuan1, LI Yuming2, CONG Cong1, WANG Qianqian1, JIANG Heng3,YUE Longkai1, YAO Shuihong1**

(1. Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China; 2. Center of Agricultural Technology Extension, No. 291 Branch of Heilongjiang Beidahuang Agriculture Company Ltd, Shuangyashan 155923, China; 3. Northeast Institute of Geography and Agro-ecology, Chinese Academy of Sciences, Harbin 150081, China)

An incubation experiment was conducted to study the effects of species combination of exogenous decomposing micro-organisms on soil microbial community structure and metabolic activity. The objective of the study was to lay the basis for the optimization of population configuration of decomposing microbial agents. In the study, three microbe species —(P),(S) and(T) — were selected. For the experiments, in addition to single P, S and T microbe strains, the microbes were merged to produce two species (PT, PS and ST) and three species (PST) combinations of decomposing microorganisms (forming a total of 7 microbial agents). These microbial agents were then added to red soil sampled from Jiangxi Province in South China. Moreover, a control treatment of red soil added with sterile peat was set to the experimental design. During the incubation period, temporal changes in soil respiration rate and microbial biomass carbon were monitored. Additionally, the changes in total PLFAs content and in the proportion of characteristic microbial population in different treatments after 30 days of incubation were determined. The PLFAs percentages of microbial communities showed the total microbial biomass and composition of soil microbial communities. The results showed that, except for ST and PST, most treatments showed that total microbial biomass increased from 17.2% to 121.6% (< 0.05). Compared with the control, the proportion of fungus in all the treatments increased by 8.8%–50.6% (< 0.05). However, the proportion of bacteria in PLFAs remained basically unchanged, increasing from 79.6% to 83.1%. For most of the treatments, except for P and ST, the proportion of actinomyces decreased from 9.4% to 69.8%. Principal component analysis (PCA) of PLFAs data indicated that soil microbial community structure was influenced by different decomposing micro-organisms agents. The change in microbial community structure varied with treatment type, among which single P, S and T microbe strains were smallest and their trio-combination (PST) biggest, compared with the control. The results of soil respiration rate showed the growth of micro-organisms. Treatments of single P and T microbe strains and binary combination of micro-organisms S and T (ST) affected logarithmic growth of soil microbes in the short-term, increasing peak soil respiration rate by 48.7% (P), 53.7% (T) and 78.7% (ST), respectively. Additionally, with increasing number of species of decomposing micro-organisms, it took more time for soil microbes to enter latent phase. From long-term impact of exogenous decomposing micro-organisms on soil fertility, these micro-organisms changed soil microbial metabolic activity, which led to a change in the amount of soil carbon mineralization. The addition of ST combination of microorganisms increased soil microbial metabolic quotient by 28.9%, consequently, the amount of soil carbon mineralization increased by 11.1%. The addition of single S microbe strain decreased soil microbial metabolic quotient by 32.4%, while the amount of soil carbon mineralization only decreased by 7.3%. However, under PS and PST combinations, microbial metabolic activity remained unchanged, while the amount of soil carbon mineralization decreased by 5.8% and 8.7%, separately. There was the need for further study on these treatment combinations. In conclusion, the addition of exogenous decomposing micro-organisms changed soil microbial community structure and growth trajectory. Furthermore, with increasing number of species of decomposing micro-organisms, change in microbial community structure increased. Finally, the study failed to account for any relationship between soil microbial metabolic activity and the number of species of decomposing micro-organisms.

Soil micro-organisms; Exogenous decomposing micro-organism; Species combination; Microbial biomass; Microbial community structure; Microbial metabolic activity; Soil respiration rate

, E-mail: yaoshuihong@caas.cn

Dec. 29, 2017;

Apr. 7, 2018

S154.36

A

1671-3990(2018)07-1056-11

10.13930/j.cnki.cjea.171216

* 國家自然科學基金青年基金項目(31400461)和中國農(nóng)業(yè)科學院知識創(chuàng)新工程農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所優(yōu)秀青年項目(634-6)資助

堯水紅, 主要研究方向為土壤生物物理與微生物生態(tài)。E-mail: yaoshuihong@caas.cn 周璇, 研究方向為土壤微生物生態(tài)。E-mail: xuanzhou15@163.com

2017-12-29

2018-04-07

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31400461) and the Outstanding Youth Project of Agricultural Resources and Agricultural Regionalization Institute from Intellectual Innovation Project of Chinese Academy of Agricultural Sciences (634-6).

周璇, 李玉明, 叢聰, 王倩倩, 江恒, 岳龍凱, 堯水紅. 外源腐解微生物的物種組合對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及代謝活性的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報, 2018, 26(7): 1056-1066

ZHOU X, LI Y M, CONG C, WANG Q Q, JIANG H, YUE L K, YAO S H. Effects of species-combined exogenous decomposing micro-organisms on soil microbial community structure and metabolic activity[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(7): 1056-1066