劉漢成,孔照霞,隆雪萍,李保成,馬小梅,扎西宗吉,劉 晶
(1.甘肅民族師范學(xué)院 化學(xué)與生命科學(xué)系,甘肅 合作 747000; 2.天祝藏族自治縣人民醫(yī)院,甘肅 天祝 733200;3.青海民族大學(xué) 生態(tài)環(huán)境與資源學(xué)院,青海 西寧 810007)
唐古特大黃(Rheumtanguticum)是蓼科多年生草本植物,因其根、莖中含有蒽醌類、鞣質(zhì)類、萘類等化合物[1-2],被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥行業(yè),是臨床常用藥物之一。目前,唐古特大黃在青藏高原被廣泛種植,對(duì)于帶動(dòng)農(nóng)牧民脫貧致富效果顯著。然而,在種植過程中,土壤質(zhì)量下降或根腐病發(fā)生均導(dǎo)致唐古特大黃品質(zhì)和產(chǎn)量降低。因此,研究不同生長(zhǎng)年限唐古特大黃根部土壤理化性質(zhì)和微生物群落變化狀況,有助于了解土壤理化因子和微生物群落組成對(duì)唐古特大黃產(chǎn)量和品質(zhì)的影響,進(jìn)而推動(dòng)中草藥栽培產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
土壤營(yíng)養(yǎng)元素不僅影響藥用植物的生長(zhǎng)發(fā)育,同時(shí)也是構(gòu)成藥物有效成分的主要因子[3-4]。不同植物從土壤中獲取營(yíng)養(yǎng)元素的能力由自身因素和環(huán)境因素共同決定。從植物自身來講,細(xì)胞膜的通透性及細(xì)胞膜上通道和蛋白質(zhì)的分布數(shù)量和特性直接決定著植物吸收營(yíng)養(yǎng)元素的能力,表現(xiàn)為對(duì)土壤中固有的某種或多種元素的利用效率不足,進(jìn)而需要通過施肥滿足植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)的需求[5-6];環(huán)境因素如土壤pH值、溫度、水分、營(yíng)養(yǎng)元素存在的形式和微生物群落組成等,都會(huì)影響植物根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收利用能力[7-8],進(jìn)而影響栽培作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[9]。
土壤微生物對(duì)土壤肥力形成、土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化以及植物生長(zhǎng)和病蟲害防治均有重要作用[10]。土壤固氮菌對(duì)植物生長(zhǎng)具有顯著的促進(jìn)作用,并且可以提高植株含氮量[11-13];丁麗婧等[14]研究了微生物菌群對(duì)紫蘇生長(zhǎng)的影響,發(fā)現(xiàn)芽孢桿菌屬菌株對(duì)紫蘇生長(zhǎng)有促進(jìn)作用;仇有文[15]研究認(rèn)為,土壤微生物總量與中藥材白術(shù)的生物學(xué)產(chǎn)量之間呈正相關(guān)關(guān)系,即土壤中微生物數(shù)量越多,白術(shù)產(chǎn)量越高。但是,連作或多年生中藥材會(huì)改變土壤理化性質(zhì),影響微生物數(shù)量及多樣性,進(jìn)而影響中草藥的產(chǎn)量和品質(zhì)[16-19]。研究認(rèn)為,中藥材連續(xù)種植會(huì)降低土壤肥力,進(jìn)而會(huì)引起微生物群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化[20-21]。付麗娜等[22]研究結(jié)果也證實(shí),中草藥連作時(shí),植物大量吸收了土壤中的有機(jī)質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),導(dǎo)致土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,減弱了土壤微生物的代謝能力,從而影響中草藥的栽培質(zhì)量。另外,中藥材根系分泌物也會(huì)對(duì)土壤微生物產(chǎn)生化感作用而影響其群落結(jié)構(gòu)及功能[23-24]。但也有研究發(fā)現(xiàn),懷牛膝連作可改善土壤環(huán)境,有利于植株生長(zhǎng),還能提高根部微生物代謝能力和多樣性[25]??梢姡煌N類的植物生長(zhǎng)對(duì)土壤理化性質(zhì)和根部土壤微生物的影響具有明顯差異。目前,有關(guān)不同中藥材與根部土壤微生物群落組成之間的關(guān)系已有較多報(bào)道,但截至目前,尚無關(guān)于唐古特大黃根部土壤理化性質(zhì)和微生物群落組成方面的研究報(bào)道。鑒于此,研究不同生長(zhǎng)年限唐古特大黃根部土壤理化性質(zhì)和微生物群落組成,探索多年生唐古特大黃對(duì)根部土壤理化性質(zhì)和微生物群落組成的影響,以助力唐古特大黃的產(chǎn)量提高和品質(zhì)提升。
試驗(yàn)土樣于2019 年11 月20 日在甘南藏族自治州合作市門浪灘百草唐古特大黃種植基地采集,以未種植唐古特大黃的農(nóng)田為對(duì)照(樣點(diǎn)1),以唐古特大黃生長(zhǎng)1 a(樣點(diǎn)2)、2 a(樣點(diǎn)3)和3 a(樣點(diǎn)4)為3個(gè)不同生長(zhǎng)年限處理。用直徑4 cm的土鉆在對(duì)照樣點(diǎn)用梅花五點(diǎn)取樣法采集0~15、15~30、30~45 cm土層的土壤;在不同生長(zhǎng)年限試驗(yàn)地內(nèi),隨機(jī)選取5株唐古特大黃,用土鉆采集根部0~15、15~30、30~45 cm土層的土壤;分別將每個(gè)樣點(diǎn)相同土層的土壤樣品混勻后帶回實(shí)驗(yàn)室,立即進(jìn)行土壤微生物分離(4 ℃保存不超過 24 h)、計(jì)數(shù)。
土壤含水量用烘干法測(cè)定,pH值使用pHS型酸度計(jì)測(cè)定,有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀硫酸氧化-外加熱法測(cè)定,全氮含量使用Kjeltec8200半自動(dòng)定氮儀測(cè)定,全磷含量采用堿熔-鉬銻抗比色法測(cè)定,土壤全鉀含量采用堿熔-火焰光度法測(cè)定[26]。
1.3.1 真菌數(shù)量 采用馬丁氏培養(yǎng)基,以平板表面涂抹法計(jì)數(shù)[27]。即稱取土壤鮮樣10 g,在無菌條件下用無菌水配成不同稀釋度懸浮液,取稀釋度為10-2、10-3、10-4的土壤懸浮液各50 μL,接種于盛有滅菌馬丁氏培養(yǎng)基的培養(yǎng)皿中,用無菌刮刀涂抹均勻。每個(gè)濃度3次重復(fù),恒溫(25 ℃)培養(yǎng) 5~7 d,選取每皿菌落數(shù)為 15~150 的稀釋度統(tǒng)計(jì)菌落數(shù),計(jì)算真菌數(shù)量。菌數(shù)(cfu/g)=菌落平均數(shù)×稀釋倍數(shù)/干土質(zhì)量。
1.3.2 放線菌數(shù)量 采用改良高氏一號(hào)培養(yǎng)基,以平板表面涂抹法計(jì)數(shù)。取稀釋度為 10-4、10-5、10-6的土壤懸浮液各50 μL接種于盛有滅菌改良高氏一號(hào)培養(yǎng)基的培養(yǎng)皿中,其余與真菌數(shù)量測(cè)定方法相同。恒溫(28 ℃)培養(yǎng) 7~10 d,按上述方法和公式統(tǒng)計(jì)菌落數(shù)并計(jì)算放線菌數(shù)量。
1.3.3 細(xì)菌數(shù)量 采用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基,以平板表面涂抹法計(jì)數(shù)。取稀釋度為 10-7、10-8、10-9的土壤懸浮液各50 μL接種于盛有滅菌牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基的培養(yǎng)皿中,其余與真菌數(shù)量測(cè)定方法相同。恒溫(28 ℃)培養(yǎng) 3 d 統(tǒng)計(jì)菌落數(shù),按上述方法和公式統(tǒng)計(jì)菌落數(shù)并計(jì)算細(xì)菌數(shù)量。
采用SPSS 19.0軟件對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示測(cè)定結(jié)果,分別對(duì)相同生長(zhǎng)年限不同土層深度處理、同一土層不同生長(zhǎng)年限處理進(jìn)行單因素方差分析,并用Duncan’s法對(duì)各測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較。
由表1可知,從不同樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)土層來看,樣點(diǎn)1各土層土壤含水量顯著高于其他樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)土層(P<0.05),其他樣點(diǎn)中各土層土壤含水量隨著唐古特大黃生長(zhǎng)年限增加而增加;樣點(diǎn)2各土層土壤pH值顯著高于其他樣點(diǎn)(P<0.05);樣點(diǎn)1的0~15、15~30 cm土層有機(jī)質(zhì)含量均顯著大于其他樣點(diǎn),而樣點(diǎn)2的0~15 cm土層有機(jī)質(zhì)含量顯著低于其他樣點(diǎn)(P<0.05),在種植唐古特大黃的樣點(diǎn)中,有機(jī)質(zhì)含量隨唐古特大黃生長(zhǎng)年限增加而增加;樣點(diǎn)3土壤全氮含量最高,其次為樣點(diǎn)4,樣點(diǎn)2最低(P<0.05);土壤全磷含量在樣點(diǎn)4最高,其次為樣點(diǎn)1,樣點(diǎn)3最低;樣點(diǎn)1各土層全鉀含量均最高(P<0.05),其他樣點(diǎn)中全鉀含量總體隨著唐古特大黃生長(zhǎng)年限增加而增加。
表1 唐古特大黃根部土壤中含水量、pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀含量
從每一樣點(diǎn)的不同土層來看,樣點(diǎn)1和3的30~45 cm土層含水量顯著大于另外2個(gè)土層深度(P<0.05),而其他2個(gè)樣點(diǎn)各土層之間無顯著差異(P>0.05);除樣點(diǎn)1的30~45 cm土層pH值顯著小于15~30 cm土層外(P<0.05),其他各樣點(diǎn)各土層無顯著差異(P>0.05);除樣點(diǎn)2的15~30 cm土層有機(jī)質(zhì)含量顯著大于另外2個(gè)土層以外,其余各樣點(diǎn)中均表現(xiàn)為第1土層顯著大于其他土層(P<0.05);樣點(diǎn)1和4的0~15 cm土層全氮含量均顯著高于其他2個(gè)土層,樣點(diǎn)2的15~30 cm土層全氮含量最高,樣點(diǎn)3的30~45 cm土層全氮含量最高(P<0.05);樣點(diǎn)1的0~15 cm土層全磷含量最高,在樣點(diǎn)2中各土層全磷含量無顯著差異,樣點(diǎn)3和4均表現(xiàn)為30~45 cm土層全磷含量最高;樣點(diǎn)1的30~45 cm土層全鉀含量最低,而0~15、15~30 cm土層全鉀含量無顯著差異,樣點(diǎn)2各土層全鉀含量無顯著差異,樣點(diǎn)3的15~30 cm土層、樣點(diǎn)4的30~45 cm土層全鉀含量顯著高于其他2個(gè)土層(P<0.05)。
F測(cè)驗(yàn)(表2)表明,生長(zhǎng)年限對(duì)唐古特大黃根部土壤含水量、pH值、有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、全磷含量和全鉀含量影響極顯著(P<0.01);土層深度對(duì)土壤含水量、有機(jī)質(zhì)含量、全磷含量、全鉀含量影響極顯著(P<0.01),而對(duì)pH值和全氮含量無顯著差異;生長(zhǎng)年限×土層深度對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀含量影響極顯著(P<0.01),而對(duì)含水量和pH值無顯著差異。
表2 唐古特大黃根部土壤中含水量、pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀含量的方差分析
從表3可以看出,唐古特大黃根部土壤中細(xì)菌數(shù)量最多,其次為放線菌,真菌數(shù)量最少。從三大類微生物在不同樣點(diǎn)各土層的分布來看,0~15 cm土層,樣點(diǎn)1的土壤細(xì)菌和放線菌數(shù)量顯著大于其他樣點(diǎn),以樣點(diǎn)4細(xì)菌數(shù)量最少,真菌數(shù)量則表現(xiàn)為樣點(diǎn)3顯著小于其他樣點(diǎn)(P<0.05),其他 3個(gè)樣點(diǎn)無顯著差異(P>0.05);15~30 cm土層,細(xì)菌和放線菌數(shù)量仍然在樣點(diǎn)1最多,其他3個(gè)樣點(diǎn)間無顯著差異,4個(gè)樣點(diǎn)真菌數(shù)量無顯著差異(P>0.05);30~45 cm土層,細(xì)菌和放線菌數(shù)量表現(xiàn)為樣點(diǎn)1極顯著大于其他樣點(diǎn),細(xì)菌數(shù)量在樣點(diǎn)2最少,放線菌數(shù)量在樣點(diǎn)3最少,而真菌數(shù)量表現(xiàn)為樣點(diǎn)3和4顯著大于其他2個(gè)樣點(diǎn)(P<0.05)。
從微生物在各樣點(diǎn)的分布來看,樣點(diǎn)1中,細(xì)菌數(shù)量隨土層深度增加而逐漸減少,各土層間差異顯著,15~30、30~45 cm土層中放線菌數(shù)量顯著大于0~15 cm土層(P<0.05),真菌數(shù)量在0~15、15~30 cm土層間無顯著差異,但顯著多于30~45 cm土層;樣點(diǎn)2中,細(xì)菌數(shù)量分布與樣點(diǎn)1相同,放線菌數(shù)量在3個(gè)土層間無顯著差異,0~15 cm土層真菌數(shù)量最多;樣點(diǎn)3中,細(xì)菌數(shù)量仍以0~15 cm土層最多,15~30、30~45 cm土層放線菌數(shù)量無顯著差異,但顯著高于0~15 cm土層,真菌數(shù)量在各土層間無顯著差異(P>0.05);樣點(diǎn)4中,細(xì)菌和真菌數(shù)量在各土層間無顯著差異,而放線菌數(shù)量以30~45 cm土層最多,顯著大于0~15、15~30 cm土層(P<0.05)。
表3 唐古特大黃根部土壤微生物群落特征Tab.3 Characteristics of soil microbial community in the rhizosphere of Rheum tanguticum
根據(jù)生長(zhǎng)年限和土壤土層深度及二者共同作用對(duì)唐古特大黃根部土壤中細(xì)菌、放線菌和真菌數(shù)量的主體效應(yīng)分析(表4)可知,生長(zhǎng)年限對(duì)細(xì)菌和放線菌數(shù)量的影響極顯著(P<0.01),對(duì)真菌數(shù)量影響顯著(P<0.05);不同土層深度細(xì)菌和放線菌數(shù)量差異極顯著(P<0.01),而其對(duì)真菌數(shù)量無顯著影響(P>0.05);生長(zhǎng)年限×土層深度對(duì)細(xì)菌和放線菌數(shù)量的影響極顯著(P<0.01),對(duì)真菌數(shù)量影響顯著(P<0.05)。
表4 唐古特大黃根部微生物數(shù)量的方差分析Tab.4 Variance analysis on the soil microorganism quantity in the rhizosphere of Rheum tanguticum
由表5可知,唐古特大黃根部土壤含水量與土層深度呈顯著正相關(guān)(P<0.05);pH值與生長(zhǎng)年限呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),與含水量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05);有機(jī)質(zhì)含量與生長(zhǎng)年限呈顯著負(fù)相關(guān),與含水量呈顯著正相關(guān)(P<0.05);全氮含量與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān),而與pH值呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01);全磷含量與有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與含水量呈顯著正相關(guān)(P<0.05);全鉀含量與含水量、有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量呈極顯著正相關(guān),與pH值呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01);細(xì)菌數(shù)量與有機(jī)質(zhì)、全鉀含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與含水量呈顯著正相關(guān)(P<0.05),而與生長(zhǎng)年限和土層深度呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01);放線菌數(shù)量與土壤含水量、有機(jī)質(zhì)含量、全鉀含量和細(xì)菌數(shù)量呈極顯著正相關(guān),但與生長(zhǎng)年限呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01);真菌數(shù)量則與生長(zhǎng)年限、全磷含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。
表5 唐古特大黃根部土壤理化性質(zhì)與微生物數(shù)量Pearson相關(guān)性分析Tab.5 Pearson correlation analysis between physical and chemical properties and microbial quantity in soil of rhizosphere of Rheum tanguticum
續(xù)表5 唐古特大黃根部土壤理化性質(zhì)與微生物數(shù)量Pearson相關(guān)性分析Tab.5(Continued) Pearson correlation analysis between physical and chemical properties and microbial quantity in soil of rhizosphere of Rheum tanguticum
連續(xù)種植會(huì)改變土壤的理化性質(zhì),進(jìn)而影響到栽培植物的品質(zhì)和生產(chǎn)性能[20-21,28]。中草藥大多為單品種連續(xù)種植,這種種植模式下土壤的理化性質(zhì)較其他種植模式更容易改變。張向東等[29]、朱亞等[30]研究了商洛地區(qū)中藥材種植地土壤理化特性,認(rèn)為土壤中磷含量較高,但有機(jī)質(zhì)、全氮和全鉀等缺乏。路京等[31]比較了不同種植模式下杭白菊土壤理化性質(zhì),認(rèn)為輪作的杭白菊根部土壤肥力和生物多樣性均高于連作,有利于杭白菊高產(chǎn)。祖勒胡瑪爾·烏斯?jié)M江[32]研究了連作和輪作對(duì)甘草種植地土壤理化性質(zhì)的影響,認(rèn)為連作模式土壤養(yǎng)分顯著低于輪作模式。王娟英等[33]研究了不同連作年限懷牛膝土壤中元素含量的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)懷牛膝連作會(huì)使土壤中大部分元素含量增加,而對(duì)全氮、全鉀含量的影響不大。
從本研究結(jié)果來看,唐古特大黃根部土壤含水量隨生長(zhǎng)年限的增加呈上升趨勢(shì),可見,隨著唐古特大黃生長(zhǎng)年限的增加,土壤中有機(jī)質(zhì)含量升高,土壤持水能力也加強(qiáng)。而土壤pH值除樣點(diǎn)1外,隨著唐古特大黃生長(zhǎng)年限的增加而降低,說明唐古特大黃根系分泌物可有效降低土壤酸堿度;在種植唐古特大黃各樣點(diǎn)內(nèi),隨生長(zhǎng)年限的增加,土壤有機(jī)質(zhì)含量逐漸增加,這可能是pH值降低的原因[34],這一現(xiàn)象在樣點(diǎn)2表現(xiàn)明顯,樣點(diǎn)2有機(jī)質(zhì)含量最低,其土壤pH值最高。除樣點(diǎn)1外,土壤全氮含量在唐古特大黃生長(zhǎng)2 a的樣點(diǎn)3最高,樣點(diǎn)4次之,樣點(diǎn)2最低,其原因主要是樣點(diǎn)2土壤質(zhì)地貧瘠、營(yíng)養(yǎng)元素匱乏,而樣點(diǎn)3和樣點(diǎn)4三個(gè)土層土壤全氮含量隨生長(zhǎng)年限增加表現(xiàn)為降低,說明植物在生長(zhǎng)過程中吸收利用了土壤中的氮。全磷含量在樣點(diǎn)4最高,這與朱亞等[30]、王娟英等[33]的研究結(jié)果一致,即隨生長(zhǎng)年限增加,磷元素含量增加。全鉀含量隨唐古特大黃生長(zhǎng)年限增加也表現(xiàn)出增加趨勢(shì),這與前人研究結(jié)果[35-37]一致。
細(xì)菌、放線菌和真菌是土壤微生物的三大類群,一般而言,細(xì)菌數(shù)量最多,放線菌次之,真菌數(shù)量最少,但也有部分土壤中真菌數(shù)量多于放線菌[38]。如前所述,連作會(huì)影響土壤理化性質(zhì),而中藥材由于多年種植其根部分泌物的增加會(huì)改變土壤理化性質(zhì),進(jìn)而引起土壤生物分布及數(shù)量的變動(dòng),尤其是對(duì)環(huán)境變化敏感的微型生物[39]。土壤微生物的變化是造成連作障礙的主要原因[40],王茂勝等[41]分析了不同連作年限植煙土壤中微生物群落動(dòng)態(tài),發(fā)現(xiàn)隨著連作年限增加,土壤中細(xì)菌數(shù)量顯著減少,而真菌和放線菌數(shù)量顯著增加;而在懷牛膝連作10 a和30 a的土壤中,微生物總量增長(zhǎng),表現(xiàn)出懷牛膝連作的促進(jìn)作用[33]。從本研究結(jié)果來看,唐古特大黃根部土壤中細(xì)菌數(shù)量>放線菌數(shù)量>真菌數(shù)量,與前人研究結(jié)果一致。從生長(zhǎng)年限來看,細(xì)菌數(shù)量隨生長(zhǎng)年限的增加而減少,而放線菌和真菌數(shù)量顯著增加,這與王茂勝等[41]的研究結(jié)果一致。從微生物的垂直分布來看,除放線菌外,細(xì)菌和真菌數(shù)量均隨土層深度的增加而減少,與前人研究結(jié)果一致[42-44],這主要是由于表層土壤中充足的營(yíng)養(yǎng)和氧氣以及適宜的溫濕度條件更有利于微生物生長(zhǎng)繁殖[45]。本研究中放線菌的數(shù)量隨土層深度增加而增加,原因尚不明確,可能是唐古特大黃根部分泌物對(duì)該類群的影響所致。
不同植物根部對(duì)土壤或表現(xiàn)為促進(jìn)作用,或表現(xiàn)為抑制作用[46-47]。單品種作物連作會(huì)消耗土壤中的營(yíng)養(yǎng)元素,減少土壤微生物的營(yíng)養(yǎng)來源,致使土壤微生物群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化,甚至降低微生物數(shù)量[20,22]。而郝慧榮等[48]認(rèn)為,懷牛膝連作10 a、20 a甚至30 a以上,土壤理化性質(zhì)均有所改善,微生物群落結(jié)構(gòu)也趨于復(fù)雜。本研究中,從唐古特大黃根部土壤理化性質(zhì)和微生物群落相關(guān)性來看,土壤中細(xì)菌和放線菌數(shù)量與唐古特大黃生長(zhǎng)年限呈極顯著負(fù)相關(guān),而真菌數(shù)量與生長(zhǎng)年限呈顯著正相關(guān),說明種植唐古特大黃對(duì)土壤中細(xì)菌和放線菌有一定的抑制效應(yīng),而對(duì)真菌生長(zhǎng)有促進(jìn)作用。當(dāng)然,微生物數(shù)量隨唐古特大黃生長(zhǎng)年限增加而下降可能也與該種植基地的施肥策略有關(guān),在該基地,唐古特大黃種植前施油渣為基肥,種植幼苗后不再施肥直至收獲。