覆蓋模式對(duì)旱作農(nóng)田土壤微生物多樣性及群落結(jié)構(gòu)的影響

劉子涵,黃方園,黎景來,張 鵬,楊寶平,丁瑞霞,聶俊峰,賈志寬,*

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 咸陽(yáng) 712100

2 中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院, 咸陽(yáng) 712100

3 農(nóng)業(yè)部西北黃土高原作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 咸陽(yáng) 712100

作為土壤中最活躍的部分,微生物表現(xiàn)出多樣的代謝功能,直接或間接參與了大量的生物化學(xué)反應(yīng),在陸地生態(tài)系統(tǒng)中起著不可或缺的作用[1-3]。研究表明,微生物群落在調(diào)節(jié)養(yǎng)分循環(huán)、影響植物生產(chǎn)力和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[4-6],并且微生物對(duì)植被和土壤性質(zhì)的改變均能迅速做出反應(yīng)[7-8]。因此,土壤微生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)的變化可被作為重要和敏感的指標(biāo)來表征土壤健康的短期和長(zhǎng)期變化[3,9]。

中國(guó)北方旱地面積約占全國(guó)土地總面積的56%和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的46%[10],是中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要地區(qū)之一。然而,水資源短缺、土壤肥力差是限制西北旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要因素[11]。因此,如何降低土壤水分蒸發(fā),充分利用有限的自然降水,提高作物對(duì)有限水分的利用效率是解決該地區(qū)作物產(chǎn)量的關(guān)鍵所在。農(nóng)田覆蓋通過抑制土壤蒸發(fā),極大地提高了作物的水分利用效率,已被廣泛用于提高旱地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力[12-17]。但前人研究多集中于農(nóng)田覆蓋對(duì)土壤水分、土壤養(yǎng)分和作物產(chǎn)量的影響,而對(duì)農(nóng)田覆蓋條件下土壤微生物群落的變化了解較少。目前已有部分研究發(fā)現(xiàn)農(nóng)田覆蓋措施通過影響土壤結(jié)構(gòu)、土壤微氣候(土壤水分、土壤溫度等)和土壤養(yǎng)分,可顯著影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性。陳月星等[18]、董立國(guó)等[19]和Huang等[20]研究表明,地表覆蓋生草或秸稈均顯著影響了土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及其多樣性和豐富度。Liu等[8]發(fā)現(xiàn)地膜覆蓋處理可顯著改變溫帶半干旱地區(qū)土壤真菌群落組成,而侯曉杰等[21]研究表明地膜覆蓋顯著降低了東北黑土地的土壤微生物功能多樣性。然而,現(xiàn)有研究多集中于單一覆蓋材料或模式對(duì)土壤細(xì)菌或真菌群落結(jié)構(gòu)一方面的影響,不同覆蓋材料或模式間的比較鮮有報(bào)道。此外,土壤細(xì)菌和真菌群落對(duì)農(nóng)田覆蓋的響應(yīng)并不一致,因此要了解農(nóng)田覆蓋對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響,需同時(shí)研究不同農(nóng)田覆蓋模式下土壤細(xì)菌和真菌群落多樣性和組成的變化。

本研究基于3年連續(xù)田間試驗(yàn),在西北旱作區(qū)的設(shè)置了3種不同覆蓋方式：平作地膜覆蓋(P)、平作秸稈覆蓋(S)和壟膜溝播覆蓋(R),以平作不覆蓋為對(duì)照(CK)。應(yīng)用Illumina HiSeq測(cè)序技術(shù)分析土壤細(xì)菌和真菌群落組成和多樣性,比較不同覆蓋模式下的土壤微生物群落的變化,目的是探明連年農(nóng)田不同地表覆蓋對(duì)土壤微生物多樣性和群落組成的影響差異,并結(jié)合相關(guān)的土壤理化性質(zhì)(即pH：土壤酸堿度,SM：土壤水分,ST：土壤溫度,SOM：土壤有機(jī)質(zhì),NO3-N：土壤硝態(tài)氮和TN：土壤全氮)變化,明確土壤微生物群落變化與土壤理化性狀之間的關(guān)系,從而為西北旱作區(qū)農(nóng)田覆蓋栽培技術(shù)的合理應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)在陜西楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院試驗(yàn)田(34°20′ N, 108°04′ E)進(jìn)行。該試驗(yàn)區(qū)海拔466.7 m,多年平均降水量585.0 mm,7月至9月期間多年平均降雨量為380 mm,年蒸發(fā)量993.2 mm。年均氣溫13.5℃,年均日照時(shí)數(shù)為2196 h,無霜期 220天。屬暖溫帶半濕潤(rùn)易旱區(qū),土壤類型為塿土。0—20 cm土層土壤全氮含量1.21 g/kg,有機(jī)質(zhì)含量11.97 g/kg,全氮含量1.31 g/kg,速效氮含量53.35 mg/kg,速效磷含量21.35 mg/kg,速效鉀含量142.97 mg/kg。容重為1.28 g/cm3。耕作方式為春玉米連作。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),設(shè)3個(gè)覆蓋處理：(1)平作地膜覆蓋(P)：覆蓋方式為平膜全覆蓋,膜寬120 cm；(2)平作秸稈覆蓋(S)：秸稈為玉米秸稈,整稈均勻覆蓋,覆蓋量為9000 kg/hm2；(3)壟膜溝播覆蓋(R): 溝、壟寬均為60 cm,壟高15 cm,其中壟上覆蓋地膜,膜寬70 cm,溝內(nèi)種植區(qū)不進(jìn)行覆膜；以傳統(tǒng)平作不覆蓋為對(duì)照(CK),共4個(gè)處理,每個(gè)處理3次重復(fù),每個(gè)小區(qū)面積58.8 m2(14 m×4.2 m)。地膜為聚乙烯塑料地膜(天水天寶塑業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)),厚度0.01 mm。上季作物收獲后,將各覆膜(P、R)處理的舊地膜全部移除,秋季整地后重新覆蓋地膜。覆蓋后沿地膜帶垂直方向每隔200 cm壓一土帶,防大風(fēng)揭膜。在S處理中,上季作物收獲后,移除不能分解腐爛的秸稈,秋天整地后重新覆蓋秸稈。所有處理覆蓋時(shí)間均為秋季作物收獲后(8月中旬)覆蓋。

試驗(yàn)始于2013年,作物為春玉米,品種為大豐30,于每年4月中下旬進(jìn)行播種,8月中旬收獲。各處理播種密度均為67,000 株/hm2(行距60 cm,株距25 cm),用鷹嘴播種(施肥)器人工播種,播種深度為4—5 cm。播種時(shí)各處理用人工鷹嘴播種(施肥)器施用基肥(N 140 kg/hm2和 P2O5150 kg/hm2),玉米播種后65天后在玉米棵間進(jìn)行追肥(N 140 kg/hm2),施肥深度為4—5 cm,全生育期不灌水。試驗(yàn)期間所有處理沒有發(fā)生病蟲害,并根據(jù)情況進(jìn)行人工除草。

1.3 土壤取樣

在大田試驗(yàn)第3年的2016 年7月1日(播后74天,玉米吐絲期)進(jìn)行取樣,直徑5 cm 的土鉆遠(yuǎn)離植物根部以“S”形取樣收集9個(gè)重復(fù)樣品(0—20 cm土層的土壤),然后混合均化作為每個(gè)重復(fù)小區(qū)的復(fù)合樣品。將樣品過2 mm 篩,移除根系和其他其他肉眼可見的雜物。每個(gè)樣品分成三部分：一部分鮮土用于硝態(tài)氮(NO3-N)的測(cè)定；一部分分裝到50 mL 離心管中,立即放入-80℃冰箱中保存,用于土壤微生物 DNA 的提取；剩余土樣風(fēng)干后用于土壤 pH、土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)、土壤全氮(TN)等指標(biāo)的測(cè)定。

1.4 土壤理化性質(zhì)測(cè)定

土壤水分與溫度：取土樣的同時(shí)用烘干法測(cè)定0—20 cm 土壤水分(SM),每個(gè)小區(qū)3次重復(fù)。同時(shí)用地溫計(jì)在取樣前后連續(xù)3天測(cè)定5、10、15、20 cm的土壤溫度(ST),以5—20厘米的土壤溫度的平均值作為每個(gè)小區(qū)的土壤溫度。

土壤pH：取風(fēng)干土10 g,按土∶水=1∶2.5 的倍數(shù)加入25 mL水后劇烈震蕩搖勻后,靜置 30 min,用 pH 計(jì)測(cè)定[22]。

土壤養(yǎng)分測(cè)定：土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定[22]；土壤全氮含量采用凱氏定氮法測(cè)定[22]；土壤硝態(tài)氮含量采用流動(dòng)分析儀進(jìn)行測(cè)定：取新鮮土樣5 g,加入50 mL 1.0 mol/L KCl振蕩30 min,然后過濾提取物,使用流動(dòng)分析儀(Autoanalyzer 3,Bran Luebbe,德國(guó))測(cè)定硝態(tài)氮濃度。

1.5 DNA提取和Illumina HiSeq測(cè)序

土壤微生物DNA使用FastDNA試劑盒(MP Biomedicals, USA)提取。應(yīng)用帶有barcode的特異引物序列(細(xì)菌：341F 5′-CCTACGGGRSGCAGCAG-3′和806R 5′-GGACTACVVGGGTATCTAATC-3′；真菌：F2045 5′-GCATCGATGAAGAACGCAGC-3′和R2390 5′-TCCTCCGCTTAT TGATATGC-3′)擴(kuò)增相應(yīng)土壤細(xì)菌16S rRNA V3-V4區(qū)域和真菌ITS基因。擴(kuò)增體系包括：2×KAPA HiFi Hotstart ReadyMix15 μL,正反向引物各1 μL,10 ng DNA模板,最后用dd H2O補(bǔ)足至30 μL。PCR擴(kuò)增條件為：95℃預(yù)變性3 min；然后94℃變性20 s,58℃退火30s,72℃延伸30 s持續(xù)24個(gè)循環(huán)；最后72℃延伸150 s結(jié)束。

擴(kuò)增子使用AxyPrep DNA凝膠提取試劑盒(Axygen Biosciences,Union City,CA,USA)從2%瓊脂糖凝膠中提取并使用Qubit dsDNA HS Assay Kit(Promega,USA)純化DNA。將純化的擴(kuò)增子以等摩爾濃度合并,然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方案在Illumina HiSeq PE250平臺(tái)上進(jìn)行配對(duì)末端測(cè)序(2×250 bp)。Illumina HiSeq 測(cè)序在上海銳翌生物科技有限公司完成。PANDAseq軟件用于合并來自原始DNA片段的配對(duì)序列讀數(shù)[23]。使用USEARCH v5.2.32對(duì)序列進(jìn)行進(jìn)一步分析,通過聚類相似序列的差異小于3%來過濾和去噪數(shù)據(jù)。對(duì)微生物生態(tài)學(xué)管道軟件的定量分析被用來通過將聚類OTUs的讀數(shù)組合為97%相似性來選擇操作分類單元(Operational Taxonomic Units,OTU)[24]。

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用單因素方差分析法分析土壤理化性狀,以確定處理之間的差異(顯著差異在95%的置信水平下確定)。當(dāng)檢測(cè)到顯著性時(shí)(P<0.05水平),使用鄧肯法進(jìn)行多重比較。使用QIIME軟件計(jì)算阿爾法多樣性。用Chao1估計(jì)法和Shannon多樣性指數(shù)計(jì)算細(xì)菌群落估計(jì)的豐富度和多樣性。使用Canoco 5.0軟件進(jìn)行冗余分析(Redundancy analysis, RDA),以辨別微生物群落組成與環(huán)境參數(shù)之間的相關(guān)性。在RDA中選擇manual forward selection程序以使用具有999個(gè)排列的蒙特卡羅測(cè)試來確定環(huán)境變量參數(shù)的顯著性。Spearman的等級(jí)相關(guān)性用于測(cè)試微生物群落組成與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)聯(lián)。使用SPSS18.0(SPSS Inc., Chicago,IL,USA)進(jìn)行所有統(tǒng)計(jì)分析和Spearman等級(jí)相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)

連續(xù)覆蓋3年后,各處理的土壤理化性質(zhì)發(fā)生了顯著變化(表1)。覆蓋處理(P、S和R)顯著降低了土壤pH(P=0.01)；與CK相比,R和S處理TN和NO3-N含量(P<0.01)分別顯著提高12.84%、7.96%和14.95%、25.13%,而P處理下玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)旺盛,過度消耗地力,土壤TN含量較CK顯著降低5.08%；覆蓋模式對(duì)SOM影響不顯著,各處理下土壤SOM含量在15.00—15.58 mg/kg；P和R處理均顯著提高了SM和ST,春玉米產(chǎn)量較CK分別顯著提高 17.4%和16.69%(圖1)。秸稈覆蓋對(duì)SM、ST和產(chǎn)量影響不顯著。

圖1 不同覆蓋處理的玉米產(chǎn)量

表1 0—20 cm土層土壤理化性質(zhì)

2.2 土壤微生物群落多樣性及與土壤理化特性的關(guān)系

采用操作分類單元(OTU)水平方法計(jì)算不同覆蓋條件下微生物群落豐富度和多樣性(表2)可知, 各覆蓋處理(P,S和R)下土壤細(xì)菌的OTU、Chao1指數(shù)和Shannon多樣性指數(shù)較CK 處理均有提高。而真菌豐富度和多樣性對(duì)覆蓋模式的響應(yīng)不同,除P處理外,其他覆蓋處理(S和R)的Chao1指數(shù)、OTU和Shannon多樣性指數(shù)均顯著高于CK,而P處理下土壤真菌多樣性和豐富度與CK處理相比差異不顯著。Spearman相關(guān)系數(shù)分析表明,細(xì)菌群落的OTU和Shannon多樣性指數(shù)與SM均呈顯著正相關(guān),OTU和Chao1指數(shù)與NO3-N含量呈極顯著正相關(guān)；真菌群落的OTU、Chao1指數(shù)和Shannon指數(shù)均與ST呈顯著負(fù)相關(guān),和TN、NO3-N含量均呈顯著正相關(guān)(圖2)。

圖2 土壤微生物多樣性與環(huán)境因子的斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)

表2 不同覆蓋處理土壤微生物的豐富度和多樣性指數(shù)

2.3 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及與土壤理化特性的關(guān)系

通過對(duì)所有土壤樣品進(jìn)行質(zhì)量測(cè)序,細(xì)菌群落和真菌群落分別獲得143025和139826個(gè)序列。每個(gè)樣本的細(xì)菌序列數(shù)量為33155—38411(平均值= 35756),而真菌序列的數(shù)量為33438—36800(平均值= 34957)。由圖3可知,細(xì)菌的優(yōu)勢(shì)門是變形菌門(Proteobacteria)、酸桿菌門(Acidobacteria)和放線菌門(Actinobacteria),它們的相對(duì)豐度范圍分別為28.92%—30.55%、25.66%—30.48%和17.85%—27.3%。真菌群落的優(yōu)勢(shì)門是子囊菌門(Ascomycota)、擔(dān)子菌門(Basidiomycota)、球囊菌門(Glomeromycota)和接合菌門(Zygomycota),它們的相對(duì)豐度范圍分別為49.78%—64.36%,13.52%—33.44%,5.55%—7.75%和3.93%—10.27%。另外,在所有樣品中均發(fā)現(xiàn)了低豐度的壺菌門(Chytridiomycota)。

圖3 不同處理土壤微生物群落在門分類水平下的組成和相對(duì)豐度

此外,Spearman等級(jí)相關(guān)分析(表3)表明土壤理化特性顯著影響了微生物群落組成。在細(xì)菌群落組成中,酸桿菌門的相對(duì)豐度與TN、NO3-N和SOM呈顯著正相關(guān),與pH呈顯著負(fù)相關(guān)。芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)和擬桿菌(Bacteroidetes)的相對(duì)豐度均與TN呈顯著正相關(guān)。此外,NO3-N也和擬桿菌呈顯著正相關(guān)。對(duì)于真菌群落而言,ST顯著影響擔(dān)子菌門和接合菌門,并與前者呈顯著正相關(guān),后者與之相反。球囊菌門與TN和NO3-N呈顯著正相關(guān),與pH則呈顯著負(fù)相關(guān)。壺菌門的相對(duì)豐度與SM呈顯著正相關(guān)。由此可知土壤溫度和氮含量是改變微生物群落組成的主要因素。

表3 土壤微生物(門分類水平)的群落組成與土壤理化性質(zhì)的Spearman等級(jí)相關(guān)系數(shù)

采用冗余分析(RDA)進(jìn)一步分析各土壤環(huán)境因子與微生物群落結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。圖4為細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系,蒙特卡洛置換檢驗(yàn)表明(表4),土壤SM(F=10.1,P=0.001)、ST(F=4.5,P=0.012)和TN(F=3.7,P=0.025)是細(xì)菌群落變異的三個(gè)最重要的貢獻(xiàn)者。所有的環(huán)境變量共同解釋了樣本間細(xì)菌群落變異的86.7%,影響大小順序?yàn)镾M>ST>TN>NO3-N>pH>SOM。RDA的前兩個(gè)排序軸分別解釋了總方差的59.96%和16.63%。在第一個(gè)排序軸上,來自P處理樣品點(diǎn)的聚集度與其余處理的樣品點(diǎn)的聚集度相距較遠(yuǎn)。圖4為真菌群落結(jié)構(gòu)與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系,影響真菌群落組成最大的土壤理化性質(zhì)為SM(F=6.2,P=0.004)(表4)。所有的環(huán)境變量共同解釋了樣本間真菌群落變異的83.4%,影響的順序?yàn)?SM>TN>ST>NO3-N>pH>SOM。RDA的前兩個(gè)排序軸分別解釋了總方差的51.9%和26.6%,在第一個(gè)排序軸上,CK和S處理的樣品點(diǎn)距離較近,來自P和R處理樣品點(diǎn)的聚集度與它們相距較遠(yuǎn)。

圖4 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與土壤理化特性的冗余分析(RDA)

表4 環(huán)境變量對(duì)土壤微生物群落分布的貢獻(xiàn)及其顯著性

3 討論

3.1 覆蓋對(duì)土壤微生物多樣性的影響

土壤微生物可以敏感地指示氣候和土壤環(huán)境條件的變化[3,9],同時(shí)土壤微生物多樣性受土壤養(yǎng)分、結(jié)構(gòu)、pH、溫度和水分等條件的影響[2]。前人研究發(fā)現(xiàn),秸稈覆蓋、麥草覆蓋以及集雨地膜覆蓋均有利于維持土壤微生物多樣性,提高土壤微生物群落的豐富度和群落物種的均勻度[18,25-26]。本研究發(fā)現(xiàn)各覆蓋處理(秸稈覆蓋:S、壟膜溝播覆蓋:R、地膜覆蓋:P)均顯著提高了土壤細(xì)菌多樣性和豐富度,而不同覆蓋措施對(duì)土壤真菌多樣性影響不同(表2),這主要與土壤理化性質(zhì)的變化有關(guān)。我們發(fā)現(xiàn)土壤細(xì)菌多樣性主要受土壤水分的影響(圖2),水分通過改變微生物的細(xì)胞滲透狀態(tài)、土壤基質(zhì)有效性、pH值、氣體擴(kuò)散和溫度等直接或間接影響土壤微生物的多樣性,微生物尤其是細(xì)菌在相對(duì)較高的水勢(shì)環(huán)境下活性更高[27-28]。而本試驗(yàn)中的各覆蓋處理(P、S和R)均能有效改善半干旱區(qū)的土壤水分條件(表1),為土壤細(xì)菌的生長(zhǎng)提供了一個(gè)穩(wěn)定而潮濕的環(huán)境促進(jìn)其生長(zhǎng)和繁殖。覆蓋措施對(duì)微生物豐富度的積極影響可能還要得益于某些優(yōu)勢(shì)菌門的豐度增加,如酸桿菌門(Acidobacteria)和球囊菌(Glomeromycota)(圖3),這表明覆蓋措施促進(jìn)了微生物在選擇性方向上發(fā)育。此外本試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),與細(xì)菌相比,秸稈覆蓋和壟膜溝播種植方式會(huì)導(dǎo)致微生物群落α多樣性中更高的真菌優(yōu)勢(shì)(表2)。這是因?yàn)橥寥勒婢燃?xì)菌具有更廣的適應(yīng)性和多功能性[29],由于真菌擅長(zhǎng)分解有機(jī)物,壟溝結(jié)構(gòu)促進(jìn)了作物根系的生長(zhǎng)從而分泌更多的有機(jī)物[26],秸稈覆蓋植物殘?jiān)掷m(xù)的碳氮輸入,這些都優(yōu)先刺激了真菌的生長(zhǎng)和增殖,真菌豐富度的增加又使其分解有機(jī)物能力更強(qiáng),由此形成良性循環(huán),這有利于農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中土壤SOM穩(wěn)定和土壤健康[30]。對(duì)于土壤真菌群落多樣性和豐富度而言土壤溫度是主要影響因素,且二者之間呈顯著負(fù)相關(guān)(圖2,圖4),這表明當(dāng)土壤溫度推到微生物活動(dòng)的最適值以上時(shí)會(huì)限制其生長(zhǎng)繁殖[31-33],因此地膜覆蓋(P)處理下較高的土壤溫度在一定程度上限制了土壤真菌的生長(zhǎng)[34]。相比之下,僅用塑料薄膜覆蓋壟部的R處理下的土壤部分熱量會(huì)從溝中裸露部分逸散出來,為土壤真菌群落的生長(zhǎng)提供了更適宜土壤溫度。而秸稈覆蓋(S)對(duì)土壤真菌群落多樣性和豐富度的積極作用還要?dú)w因于玉米秸稈腐解后有機(jī)物可以歸還土壤并以此補(bǔ)充土壤有機(jī)碳氮養(yǎng)分,為土壤真菌提供了豐富的碳源和氮源[35-36]。此外,土壤養(yǎng)分也是影響土壤微生物(細(xì)菌和真菌)多樣性的另一主要因素,由于本試驗(yàn)所處地區(qū)降水時(shí)空分布不均,土壤缺水時(shí)植物會(huì)受到脅迫而改變其對(duì)地下的碳分配,影響作物與微生物之間的競(jìng)爭(zhēng)策略,進(jìn)而改變土壤微生物多樣性[37-38]。相關(guān)性分析表明土壤微生物多樣性與土壤養(yǎng)分(TN和NO3-N)呈顯著正相關(guān),壟膜溝播(R)處理的壟溝結(jié)構(gòu)促進(jìn)了作物根系的生長(zhǎng)從而分泌更多的有機(jī)物[13,26],以及秸稈覆蓋下凋落物持續(xù)的碳氮輸入均為土壤微生物群落生長(zhǎng)創(chuàng)造了良好的土壤養(yǎng)分環(huán)境。P覆蓋處理下較高的土壤水分和土壤溫度促使作物旺長(zhǎng),消耗了大量的土壤養(yǎng)分,使土壤微生物和作物競(jìng)爭(zhēng)有限的礦化養(yǎng)分[39],不利于土壤微生物群落的發(fā)展。因此,S和R處理土壤均同時(shí)提高了土壤細(xì)菌和真菌群落多樣性和豐富度,而P處理下土壤真菌群落多樣性和豐富度與對(duì)照處理無顯著性差異。這些都是農(nóng)田覆蓋引起的土壤微環(huán)境的改變,最終導(dǎo)致的土壤微生物多樣性的差異[40]。

3.2 覆蓋對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

本研究發(fā)現(xiàn)農(nóng)田覆蓋措施顯著影響了土壤微生物群落的組成,所有樣品中土壤細(xì)菌群落中的優(yōu)勢(shì)種群為變形菌門(Proteobacteria)、酸桿菌門(Acidobacteria)和放線菌門(Actinobacteria)。同樣,金志薇等[41]、Lipson等[42]和陳月星等[17]研究發(fā)現(xiàn)放線菌門和變形菌門也是高寒草地、高山和果園土壤環(huán)境中最常見的類群。此外我們發(fā)現(xiàn)各覆蓋處理(P、S和R)下變形菌門和酸桿菌門的相對(duì)豐度均高于對(duì)照(圖3),這是由于變形菌作為一種嗜營(yíng)養(yǎng)菌,富碳環(huán)境可刺激其快速增長(zhǎng)[43],因此農(nóng)田覆蓋條件下土壤中豐富的SOM和NO3-N為變形菌提供了充足的代謝底物促進(jìn)了其生長(zhǎng)和繁殖；酸桿菌被認(rèn)為可分解難降解的碳源,對(duì)于分解植物殘?jiān)鼇矸置讦?葡萄糖苷酶和木聚糖酶起著重要作用[44],各覆蓋處理下較低的pH和豐富的碳氮養(yǎng)分刺激了酸桿菌的生長(zhǎng),進(jìn)而會(huì)加速土壤中現(xiàn)有碳源的分解[44-46]。放線菌已被發(fā)現(xiàn)廣泛分布在陸地生態(tài)系統(tǒng)中,特別是在干旱土壤中。各覆蓋處理(P、S和R)的放線菌相對(duì)豐度均低于CK,這可能是由于地表覆蓋抑制了土壤水分蒸發(fā),增強(qiáng)了儲(chǔ)水能力,因此放線菌門的相對(duì)豐度在土壤含水量較低的CK中最高。

本研究中真菌群落以子囊菌門(Ascomycota)和擔(dān)子菌門(Basidiomycota)為主,二者作為腐生菌是復(fù)雜化合物的重要分解者,對(duì)分解植物殘?bào)w和降解秸稈殘留物具有重要作用[47-48]。其中R處理下子囊菌門相對(duì)豐度較低,與NO3-N含量呈負(fù)相關(guān),這與李瑞霞等[49]研究結(jié)果一致。此類別中的大多數(shù)物種在土壤生態(tài)系統(tǒng)中反硝化作用中起重要作用,影響土壤碳的分解, R處理中較低的子囊菌門相對(duì)豐度反而會(huì)反硝化過程中產(chǎn)生較少的溫室氣體N2O,可能有利于生態(tài)圈平衡[45]。與之相反,擔(dān)子菌門(Basidiomycota)相對(duì)豐度在R處理土壤中比較豐富,遠(yuǎn)高于其他處理,表明壟膜溝播覆蓋為擔(dān)子菌的生存提供了良好的棲息環(huán)境。有研究表明擔(dān)子菌可以與植物形成外生菌根,加速了作物根系對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收[46],有益于作物產(chǎn)量的形成。我們的試驗(yàn)結(jié)果也顯示R處理產(chǎn)量為所有處理最高(圖1)。球囊菌(Glomeromycota)可構(gòu)成陸生植物的叢枝菌根,形成菌根的球囊菌廣泛的分布在全世界的土壤中,它和植物的根形成共生關(guān)系,促進(jìn)根部養(yǎng)分吸收和生長(zhǎng),對(duì)提高植物抗旱性、耐澇性、耐鹽性以及植物對(duì)害蟲和病原體的抵抗力發(fā)揮著重要作用[50-52]。本研究發(fā)現(xiàn)各覆蓋處理(P、S、R)下土壤中球囊菌門的相對(duì)豐度均大于CK,這是由于土壤中較低的pH和豐富氮含量有利于球囊菌的生長(zhǎng)[53]。因此,本研究認(rèn)為,覆蓋模式通過改善土壤水溫和氮含量,改變了微生物的群落結(jié)構(gòu),微生物群落反過來調(diào)節(jié)作物對(duì)土壤水分和養(yǎng)分的吸收利用,促進(jìn)了作物的生長(zhǎng)發(fā)育,最終各覆蓋處理玉米產(chǎn)量較CK均有不同程度提高。P處理雖然顯著提高了玉米產(chǎn)量,但是由于該處理作物對(duì)土壤養(yǎng)分的過度消耗,導(dǎo)致土壤氮含量較低(表1),不利于土壤的可持續(xù)利用。R和S 處理均提高了微生物多樣性,有利于維持長(zhǎng)期的土壤健康。而S處理雖然改善了作物根區(qū)的土壤水分條件,但是秸稈覆蓋下較低的土壤溫度抑制了微生物對(duì)養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和供給,限制了種子的萌發(fā)、根莖葉的形成乃至生殖生長(zhǎng)的進(jìn)程,導(dǎo)致土壤營(yíng)養(yǎng)狀況雖然良好而作物產(chǎn)量和CK差異并不顯著。R處理下適宜的土壤水分和溫度為微生物提供了良好的生存環(huán)境,有利于土壤養(yǎng)分的釋放,作物產(chǎn)量顯著提高。

4 結(jié)論

農(nóng)田覆蓋顯著改變了土壤理化性質(zhì)(pH,TN,NO3-N,SM和ST),且與土壤微生物群落密切相關(guān),分別解釋了細(xì)菌群落86.7%和真菌群落83.4%的變化。土壤水分是對(duì)微生物多樣性影響貢獻(xiàn)率最大的理化因子,地表覆蓋通過提高土壤水分含量增加了土壤微生物多樣性。微生物群落組成變化主要受SM、ST、NO3-N及TN含量的影響,地表覆蓋下較高的NO3-N含量提高了土壤中酸桿菌門(Acidobacteria)和球囊菌(Glomeromycota)的相對(duì)豐度；秸稈覆蓋降低了ST,抑制了擔(dān)子菌門(Basidiomycota)的生長(zhǎng)繁殖。與其他覆蓋處理相比,壟膜溝播處理(R)提高了土壤細(xì)菌和真菌的豐富度與多樣性,增加了部分有利于作物生產(chǎn)菌門(酸桿菌門、球囊菌、擔(dān)子菌門)的相對(duì)豐度,春玉米產(chǎn)量為所有處理中最高。因此,建議采用壟膜溝播(R)作為該地區(qū)的種植方式。