新疆綠洲棉花長期連作土壤氨基糖積累特征

王 倩，李子玉，劉建國

（石河子大學(xué)新疆兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆石河子 832003）

0 引言

土壤微生物是土壤有機(jī)質(zhì)的主要分解者，在養(yǎng)分循環(huán)方面發(fā)揮主導(dǎo)作用[1]，土壤微生物的活性和群落結(jié)構(gòu)受到耕作措施的顯著影響[2]。同時微生物死亡后的細(xì)胞殘留物在土壤中的積累同樣也受到影響[3]。新疆棉花的主要種植方式為長期連作并伴隨秸稈還田，秸稈的大量還田能增加土壤有機(jī)質(zhì)的含量[4]，為微生物提供充實(shí)的營養(yǎng)，并提高土壤中微生物的活性[5-7]，相應(yīng)的微生物死亡率和微生物殘體積累量也提高[8]。氨基糖是微生物細(xì)胞壁的重要組成部分[9]，穩(wěn)定性較高，可以在土壤中積累[9]，其微生物的標(biāo)識物作用已被許多學(xué)者認(rèn)可[10-12]。氨基糖在土壤中的積累量很低，在土壤有機(jī)氮中的占比不到10%[13]，由于其具有異源性，可以反映微生物生長期間真、細(xì)菌的比例，而且在一定程度上反映微生物群落的信息，以指示來源于真菌和細(xì)菌殘留的碳氮去向[14]。根據(jù)Appuhn等[15]研究發(fā)現(xiàn)，土壤中真菌和細(xì)菌殘留物約占有機(jī)質(zhì)的一半左右，可見，微生物殘留對土壤養(yǎng)分的積累有顯著影響[5]。目前已成功測定了土壤中4種氨基單糖的含量。其中，氨基葡萄糖(Glucosamine，GluN)在土壤中含量最高，來源于真菌，是幾丁質(zhì)(Chitin)的唯一成分，占土壤氨基糖總量的70%以上[16]，其數(shù)量主要反映真菌細(xì)胞壁在土壤中的積累[4]；胞壁酸(Muramic acid，MurA)來源于細(xì)菌，是脂多糖和肽聚糖的成分[17]，常指示細(xì)菌殘留物的積累[4]；氨基半乳糖(Galactosamine，GalN)的來源有不同的推斷，常認(rèn)為主要是細(xì)菌的合成產(chǎn)物[18]；氨基甘露糖(Mannosamine，ManN)的來源不能確定，且含量極低，在土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化的研究中相對較少[19]。

目前，關(guān)于不同耕作措施、土壤環(huán)境條件及外源有機(jī)物料（秸稈、綠肥等）添加對黑土和森林土壤氨基糖積累的影響有較多報道，如李俊娣等[20]研究了長期施用有機(jī)物料對土壤氮素和氨基糖的影響；楊靜怡等[21]探究氮磷添加對長白山溫帶森林土壤微生物群落組成和氨基糖的影響等。然而關(guān)于棉花土壤氨基糖積累的動態(tài)變化對秸稈還田下長期連作響應(yīng)情況的相關(guān)研究少有報道。因此，本文選擇氨基糖作為指示物質(zhì)，研究棉花長期連作與秸稈還田對土壤總氨基糖及3種氨基單糖積累的影響，分析氨基糖在土壤中的積累特征，同時利用GluN/MurA值表示真菌和細(xì)菌殘留物在土壤有機(jī)質(zhì)方面的作用，期望從微生物標(biāo)識物的角度，揭示新疆綠洲連作棉田土壤微生物轉(zhuǎn)化特征,為制定棉田地力培育、化肥減施技術(shù)措施提供依據(jù)，對本地區(qū)農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地位于新疆石河子市石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)站長期連作試驗(yàn)田(86°03′E，45°19′N)。屬于典型的綠洲灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，位于天山北坡沖擊洪積平原的中部，大陸性氣候強(qiáng)，光照強(qiáng)，年降雨量少，一年一熟。平均海拔443 m，平均日照時數(shù)2865 h，≥10℃積度3480～3729℃，無霜期165～170天，年平均降水量125～208 mm，平均蒸發(fā)量1000～1660 mm，晝夜溫差較大。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

該試驗(yàn)于2020年在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院長期連作微區(qū)試驗(yàn)田進(jìn)行。2005年開展棉花連作定位試驗(yàn)，在第八師石河子總場三分場二連，按0～20、20～40、40～60cm分層取連作0、5、10、15、20年土壤，按原層次放入連作微區(qū)試驗(yàn)田內(nèi)，四面用厚塑料膜隔離，大小為1.5 m×1.5 m，重復(fù)3次，土壤初始背景值相近。本試驗(yàn)在上述棉田基礎(chǔ)上選擇秸稈還田條件下棉花連作9、14、19、24、29年棉田小區(qū)（分別標(biāo)記為9a、14a、19a、24a和29a），共5個處理，每處理3次重復(fù)。棉花收獲后，棉稈用鍘刀切成5～8 cm，人工翻地還田，深度20 cm，棉花秸稈中C、N、P和K平均含量分別約為41.3%、1.7%、0.4%和3.1%（均以干重計）。棉花種植品種‘新陸早46號’，按照“30 cm+60 cm+30 cm”寬窄間距配置，采用膜下滴灌，于4月16日進(jìn)行播種，留苗密度為19.8萬株/hm2，于7月8日開始打頂。全生育期的滴灌總量為4500 m3/hm2，其他管理措施同一般田間管理一致。

1.3 樣品采集與測定

于2020年棉花播種前，采集連作9、14、19、24、29年的棉田土壤。在每個小區(qū)選擇3個代表性區(qū)域，采用土鉆取0～10、10～20、20～30 cm土層土壤樣品，各區(qū)域按“S”形取5個點(diǎn)樣品混合成一個樣品，裝在做好標(biāo)記的自封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室，去除植物殘體、根系、碎石等雜物，樣品室溫自然風(fēng)干，過0.25 mm篩，進(jìn)行土壤理化性狀及土壤氨基糖含量的測定。

1.3.1 土壤氨基糖含量的測定 土壤氨基糖采用氣相色譜法進(jìn)行測定[22-23]，得到3種氨基單糖。

1.3.2 土壤氨基糖含量的計算 根據(jù)內(nèi)標(biāo)法原理，氨基糖的含量(mg/kg)可利用公式(1)進(jìn)行計算。

式中，mi為添加內(nèi)標(biāo)肌醇質(zhì)量；Ai和Ax是樣品中肌醇和氨基糖的峰面積；Rf為氨基糖的相對校正因子，利用標(biāo)準(zhǔn)樣品中氨基糖和肌醇的校正因子計算得到。

1.4 統(tǒng)計分析

使用Excel 2010和Origin 2017軟件繪制圖表，用SPSS 20.0進(jìn)行方差分析和多重比較，顯著性檢驗(yàn)水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同連作年限棉田土壤基本理化性質(zhì)的變化

如表1所示，連作年限對土壤的基本理化性質(zhì)有顯著影響。隨著連作年限的增加，土壤中有機(jī)碳、全氮及土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的含量均顯著增加，與棉花短期連作（10年以內(nèi)）9a相比，中期連作（15年左右）14a、19a土壤中有機(jī)碳、全氮分別比9a增加6.9%、17.7%和10.9%、25.5%；長期連作（25年左右）24a、29a土壤有機(jī)碳、全氮比9a分別增加19.4%、36.1%和25.2%、40.2%。土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量分別在5.86～9.83 mg/kg和4.98～7.35 mg/kg之間，均隨著棉花連作年限的增加而顯著增加。土壤C/N相對來說較穩(wěn)定，連作年限間差異不顯著。

表1 連作棉田土壤的基本理化性質(zhì)

2.2 長期連作對棉田土壤總氨基糖及氨基單糖含量的影響

土壤中的4種氨基單糖，即氨基葡萄糖、胞壁酸、氨基半乳糖和甘露糖胺可以分離定量，由于甘露糖胺在土壤中含量很低，計算時可以忽略，因此氨基糖總量常用以上3種單糖加和來表示。圖1是長期連作棉田土壤中氨基糖含量的變化情況?？梢钥闯?，長期連作對土壤總氨基糖及氨基單糖的含量有顯著影響，表現(xiàn)為隨著連作年限的增加而增加，土壤中氨基單糖對總氨基糖的貢獻(xiàn)有所不同，以氨基葡萄糖的含量最高(53.6～125.5mg/kg)，其次是氨基半乳糖(16.5～47.6mg/kg)、胞壁酸最少(3.9～6.5 mg/kg)，分別占土壤氨基糖總量的70.4%～71.1%、22.0%～26.7%和3.6%～5.1%。土壤中3種氨基單糖的積累量有顯著差異，說明連作年限對土壤不同微生物的影響不同。連作棉田土壤中氨基葡萄糖占總含量的70.4%～71.1%，在不同連作年限間差異明顯，因?yàn)榘被咸烟窃谕寥乐幸蕴厥獾男螒B(tài)存在，穩(wěn)定性較高，加上黑色素對其的保護(hù)，使氨基葡萄糖的分解速度低于胞壁酸[24]，因此土壤中的氨基葡萄糖含量最高。

圖1 不同連作年限棉田土壤中總氨基糖及氨基單糖含量變化

棉花長期連作對土壤氨基糖總量的影響見圖1a所示，不同土層深度下其含量隨連作年限的增加而增加。在土層深度0～10、10～20、20～30 cm短期9a處理下總氨基糖含量分別為140.4、127.9、75.3 mg/kg，長期29a處理較9a分別增加25.0%、39.2%和99.9%。0～10 cm土層中總氨基糖含量在24a達(dá)到最大值，但與29a差異不顯著；10～20、20～30 cm土層中的總氨基糖含量均在29a時達(dá)到最大值，分別為178.2、150.4 mg/kg，說明棉花連作年限的增加顯著促進(jìn)總氨基糖在耕作層土壤中的積累?？偘被呛吭诓煌翆由疃乳g的積累也有顯著差異，隨著土層深度的增加，各處理總氨基糖的含量均顯著下降，表現(xiàn)為0～10 cm＞10～20 cm＞20～30 cm，即表層土壤更有利于氨基糖的積累，且長期連作處理24a、29a顯著高于中短期連作9a、14a、19a處理。

氨基葡萄糖含量在不同連作年限間的變化趨勢與總氨基糖含量變化一致，表現(xiàn)為隨著連作年限的增加而顯著增加（圖1b），0～10 cm土層深度下為24a達(dá)到最大值；10～20、20～30 cm土層均為29a達(dá)到最大值，分別為124.9、104.3 mg/kg，較9a分別增加34.5%、91.8%。隨著土層深度的增加，不同處理的氨基葡萄糖的含量顯著降低，其中以0～10 cm土層含量最高，不同處理平均占總量的39.3%，其次是10～20cm，占35.5%，20～30cm最低，占25.2%。

氨基半乳糖含量低于氨基葡萄糖含量高于胞壁酸含量。從圖1c中可知，氨基半乳糖含量在不同土層中均隨連作年限的增加而顯著增加，在29a時達(dá)到最大值，分別為 47.6、47.0、40.6 mg/kg，較 9a處理增加48.9%、60.5%和145.3%。3個土層中不同處理下氨基半乳糖含量均表現(xiàn)為0～10 cm＞10～20 cm＞20～30 cm，且每個土層中各處理之間差異顯著。關(guān)于氨基半乳糖在土壤中的合成問題一直有不同的推斷，大多數(shù)研究認(rèn)為細(xì)菌對氨基半乳糖的合成貢獻(xiàn)較大，然而,也有研究表明氨基半乳糖主要來源于真菌[24]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同連作年限中氨基半乳糖含量的積累與氨基葡萄糖相似，且氨基葡萄糖主要來源于真菌，表明真菌對氨基半乳糖的貢獻(xiàn)不容忽視。

土壤胞壁酸含量的變化見圖1d。其含量在不同棉花連作年限間表現(xiàn)與氨基葡萄糖和氨基半乳糖有所不同：隨著連作年限的增加，在0～10 cm土層深度中胞壁酸含量逐步減少，9a處理較14a、19a、24a、29a處理分別增加17.6%、9.5%、9.9%和16.4%；而在10～20、20～30 cm土層深度中胞壁酸含量隨著棉花連作年限增加先減少后顯著增加，9a處理較14a、19a分別增加了7.6%、35.8%和8.7%、13.2%；29a處理較9a分別增加7.7%和27.0%。土壤胞壁酸含量在不同土層間的表現(xiàn)為0～10 cm＞10～20 cm＞20～30 cm。

2.3 不同連作年限棉田土壤氨基葡萄糖與胞壁酸比值的變化

土壤中的氨基葡萄糖僅來源于真菌，而胞壁酸僅來源于細(xì)菌，故常用GluN/MurA值來表示真菌和細(xì)菌對土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化的相對貢獻(xiàn)[24]。

從圖2不同連作年限棉田土壤GluN/MurA比值可以看出，連作棉田土壤中GluN/MurA值隨著棉花連作年限增加呈增加趨勢，在0～30 cm耕作層范圍內(nèi)隨著土層深度的增加呈現(xiàn)下降趨勢，從0～10 cm至10～20 cm土層深度之間氨基葡萄糖與胞壁酸的比值變化較平緩，差異不顯著；而隨著土層深度的繼續(xù)增加，從10～20 cm到20～30 cm土層之間GluN/MurA值顯著下降，說明棉花長期連作加之棉稈全量還田對GluN/MurA值有顯著影響。隨著連作年限的增加，土壤中GluN/MurA值也顯著增大，且主要影響0～20 cm土壤，說明有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程逐漸以真菌占主導(dǎo)作用，長期連作棉田土壤向著真菌為優(yōu)勢群體的環(huán)境轉(zhuǎn)變。

圖2 不同連作年限棉田土壤中氨基葡萄糖與胞壁酸的比值

3 結(jié)論

棉花長期連作伴隨全量秸稈還田增加了棉田耕層土壤中總氨基糖及3種氨基單糖的含量，但不同微生物來源的氨基糖表現(xiàn)出不同的積累特征，氨基葡萄糖的轉(zhuǎn)化積累具有明顯優(yōu)勢，隨著連作年限的增加，更有利于氨基葡萄糖為代表的真菌殘留物的積累，說明連作棉田中真菌逐漸轉(zhuǎn)為優(yōu)勢群體，這有利于提高土壤中有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化和積累，并能提高其在土壤中的穩(wěn)定性。

4 討論

4.1 連作棉田土壤中總氨基糖及氨基單糖含量的積累特征

土壤氨基糖主要來源于微生物死亡殘體的貢獻(xiàn)[25]。氨基糖作為微生物的重要標(biāo)識物和細(xì)胞壁的重要組分[26]，可以用來研究微生物對環(huán)境變化的反映及其對土壤有機(jī)質(zhì)積累和轉(zhuǎn)化的相對貢獻(xiàn)。研究表明，土壤理化性質(zhì)、土地耕作方式、氣候環(huán)境變化等均會引起土壤中氨基糖含量的變化[3,27]。

本研究結(jié)果表明，土壤中氨基糖的積累特征受到棉花連作年限的顯著影響，連作時間的增加促進(jìn)了總氨基糖及氨基單糖含量的積累，長期連作29年比連作9年增加了23.1%～145.3%。因?yàn)殡S著連作年限的逐漸增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著增加[28]，土壤有機(jī)質(zhì)為微生物提供生長所需的養(yǎng)分和能源，從而增加了土壤微生物的數(shù)量與活性，氨基糖作為微生物細(xì)胞壁主要?dú)埩粑镔|(zhì)，其積累也得到了促進(jìn)[29]。長期連作伴隨秸稈還田，使有機(jī)質(zhì)常年積累在土壤中，尤其富集在表層[24]。本研究中，不同連作年限處理各氨基糖組分在表層的富集現(xiàn)象與上述研究相吻合。

氨基單糖的含量在長期連作年限下呈明顯增加。其中氨基葡萄糖的增加幅度遠(yuǎn)大于胞壁酸，說明氨基葡萄糖的積累速度大于胞壁酸。由于真菌和放線菌的合成產(chǎn)物比細(xì)菌難分解，且細(xì)菌是真菌細(xì)胞壁物質(zhì)的分解者[14]，此外，真菌細(xì)胞壁有黑色素保護(hù)，所以真菌細(xì)胞壁物質(zhì)的循環(huán)速率較慢[24]，促進(jìn)了其在土壤中的積累，這與本研究結(jié)果相符。氨基半乳糖含量隨連作年限增加而增加，說明氨基半乳糖在土壤中不易分解，這一結(jié)果與同為細(xì)菌來源的胞壁酸不同，雖然氨基半乳糖被認(rèn)為主要來源于細(xì)菌[14]，但其來源并不明確。Glaser等[30]的選擇性培養(yǎng)試驗(yàn)還表明，真菌對氨基半乳糖的貢獻(xiàn)大于細(xì)菌。今后對氨基半乳糖的微生物來源還需要進(jìn)一步研究。

4.2 連作棉田土壤中氨基葡萄糖與胞壁酸比值變化

土壤微生物對有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化和積累主要由真菌和細(xì)菌兩種方式共同參與完成。由于土壤中氨基葡萄糖和胞壁酸分別用來表示真菌和細(xì)菌殘留物的積累特征，研究GluN/MurN值，可以獲得有關(guān)真菌和細(xì)菌對土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化和積累的相對貢獻(xiàn)[24]。此次研究中，GluN/MurN比值的變化規(guī)律總體呈現(xiàn)為長期連作（25年左右）24a、29a大于中期連作（15年左右）14a、19a大于短期連作（10年以內(nèi)）9a，說明棉花長期連作加之棉稈全量還田對GluN/MurN值的變化有顯著影響，表現(xiàn)為隨連作年限的增加比值也顯著增加，且主要影響0～20 cm土壤。GluN/MurA比值增加說明真菌的相對貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于細(xì)菌的貢獻(xiàn)，連作棉田土壤中有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程以真菌為主，長期連作棉田土壤向著真菌為優(yōu)勢群體的環(huán)境轉(zhuǎn)變。