典型設施菜地中土壤微生物代謝功能多樣性

苑學霞，張 勇，楊貴華，王文博，孫晨曦，鄔元娟，方麗萍

·農業(yè)生物環(huán)境與能源工程·

典型設施菜地中土壤微生物代謝功能多樣性

苑學霞1，張 勇2，楊貴華3，王文博1，孫晨曦1，鄔元娟1，方麗萍1

（1. 山東省農業(yè)科學院農業(yè)質量標準與檢測技術研究所/山東省食品質量與安全檢測技術重點實驗室，濟南 250100；2. 山東省國土空間規(guī)劃院，濟南 250014；3. 濟南市農業(yè)技術推廣服務中心，濟南 250099）

土壤微生物代謝功能多樣性是維持土壤生態(tài)系統(tǒng)健康的關鍵。為評價設施蔬菜種植對土壤微生物代謝功能多樣性的影響，該研究采用Biolog-Eco微平板法，研究2個典型設施蔬菜種植市、不同種植年限設施菜地中土壤微生物代謝功能多樣性；采用相關分析和冗余分析分別研究了與碳源利用相關的細菌群落及影響因子。結果表明：兩地設施菜地土壤中平均顏色變化率（Average Well Color Development，AWCD）、Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)和McIntosh指數(shù)隨著種植年限的增加而降低，但安丘種植14 a和壽光種植10 a菜地土壤不符合此規(guī)律。兩地間土壤微生物對碳源利用的差異大于種植年限導致的差異。在安丘土壤中，16種碳源（分屬糖類、氨基酸類、羧酸類、聚合物類、酚類和胺類）與不同門細菌顯著相關（<0.05）；是與碳源相關種類最多的細菌，與9種碳源顯著相關（<0.05）。在壽光土壤中，11種碳源（分屬糖類、氨基酸類、羧酸類和聚合物類）與不同門細菌顯著相關（<0.05）；是與碳源相關種類最多的細菌，與4種碳源顯著相關（<0.05）。在安丘土壤中，Cd對土壤微生物碳源利用有顯著負作用（<0.01），是影響土壤微生物碳源利用的最強環(huán)境因子，有機質（Organic Matter，OM）對土壤微生物碳源利用有顯著正作用（<0.01）。在壽光土壤中，Zn、OM、Cd對土壤微生物碳源利用有顯著負作用（<0.05），As、pH值對土壤微生物碳源利用有顯著正作用（<0.05）。綜上，兩地之間土壤微生物代謝功能多樣性、與之相關的細菌群落及影響因子均有差異，因此，不同地區(qū)應因地制宜，采取不同耕作措施以改善土壤微生態(tài)環(huán)境，保障設施菜地土壤健康。

土壤；微生物；設施菜地；栽培年限；Biolog-Eco

0 引 言

設施蔬菜種植因其突破了氣候對蔬菜生長的限制、高產出、高收益等優(yōu)勢，成為蔬菜種植體系中極為重要的一部分。中國設施蔬菜產業(yè)發(fā)展迅猛，其栽培面積已達386萬hm2 [1]。設施蔬菜長期種植經(jīng)常引起土壤質量的變化，其主要原因包括以下兩個方面：一是由于設施菜地內封閉性、可控性、缺少雨水淋洗、復種指數(shù)高等因素，其土壤環(huán)境與露地土壤環(huán)境顯著不同[2-3]；二是設施蔬菜栽培過程中化學品的大量施用和土地利用強度增加導致的土壤質量問題，具體包括：大量的化肥施用導致的土壤酸化、次生鹽漬化及營養(yǎng)元素失衡[4-5]，畜禽糞便、農膜、農藥等農業(yè)投入品施用導致的污染物（重金屬、抗生素、有機氯農藥、鄰苯二甲酸酯等[6]）增加。

土壤微生物多樣性和功能的時空演變規(guī)律及其驅動機制是近年來土壤微生物學主要研究方向之一[7]。土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其通過調節(jié)碳、氮、磷、硫等元素水平，直接或間接地促進養(yǎng)分循環(huán)和肥力維持[8]，在維護陸地生態(tài)系統(tǒng)健康方面發(fā)揮著重要作用。土壤微生物多樣性通過提高土壤微生物功能而促進作物生長[9]，維持土壤的可持續(xù)利用。由于對環(huán)境因素和土壤養(yǎng)分狀況高度敏感，土壤微生物多樣性被廣泛用作土壤健康的重要評價指標[10-11]。土壤微生物對不同碳源代謝功能多樣性是土壤微生物多樣性變化的重要表征[12]。Biolog-Eco微平板因其靈敏度高、分辨力強、最大限度保留微生物群落原有的代謝特征等特點，而被廣泛應用于表征農田[12]、園地[13]、森林[14]、草地[15]、濕地[16]生態(tài)系統(tǒng)中土壤微生物代謝功能多樣性變化。不同的耕作方式和種植年限均會影響土壤微生物代謝功能多樣性。賈鵬麗等[17]發(fā)現(xiàn)玉米地中土壤微生物的Shannon指數(shù)、McIntosh指數(shù)、Simpson指數(shù)均高于水稻、土豆、大豆地。顧美英等[18]對Biolog碳代謝功能進行分析，發(fā)現(xiàn)隨著核桃定植年限的增加，土壤中細菌活性和Shannon指數(shù)先升高后降低，在10～15 a達到最高。

關于設施菜地種植對土壤微生物影響的研究發(fā)現(xiàn)，設施黃瓜連作顯著影響土壤細菌群落結構[19]。對安徽地區(qū)設施菜地進行研究，發(fā)現(xiàn)不同種植年限（3、5、7、10 a）顯著影響土壤中細菌多樣性、豐富度和群落組成[20]。設施菜地中土壤微生物群落變化主要源于栽培過程中土壤理化性質、重金屬等的變化。土壤中大多數(shù)細菌與As、Cd、Cr、Ni和Pb呈顯著正相關，而與Cu、Mn和Zn呈負相關[21]。pH值、Ni[22]、Pb[3]和空間距離[23]等均是引起土壤微生物群落變化的主導因素。以上研究多采用針對核酸的高通量測序方法，研究重點為微生物分類多樣性和遺傳多樣性。但微生物碳代謝活性是了解土壤碳素循環(huán)和儲存的核心[24]，因此，有必要從土壤微生物碳代謝角度對設施菜地土壤中微生物代謝功能的變化，尤其是對不同種植年限和地點導致的差異及影響因素進行深入研究。

山東省是中國重要的設施蔬菜生產地，其設施菜地種植面積占全國總面積的50%以上[25]。本文選取山東省2個典型設施蔬菜生產市（壽光、安丘），采用Biolog-Eco微平板法，研究不同種植年限、不同區(qū)域設施菜地中土壤微生物代謝功能多樣性的差異，進一步分析與碳源利用相關的細菌群落及利用碳源的主要影響因子。本研究將設施蔬菜栽培作用下土壤微生物對碳的代謝功能和細菌群落、土壤中非生物物質聯(lián)系起來，以期為深入了解設施菜地長期連續(xù)種植下土壤質量變化、促進設施菜地土壤的可持續(xù)利用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地點及樣品采集

研究地點位于山東省安丘市和壽光市。通過調查，在安丘市選擇5個蔬菜大棚：大棚集中在300 m范圍內，大棚結構、種植作物等基本一致，種植年限分別為3 a（AQ1）、7 a（AQ2）、10 a（AQ3）、14 a（AQ4）和16 a（AQ5）。土壤類型為潮土。以豬糞、牛糞為基肥（用量約為7.5 kg/m2），種植過程中根據(jù)生長期沖施化學肥料。種植作物為黃瓜、西紅柿，種植時間從9月下旬至來年6月中旬。在壽光市選擇6個蔬菜大棚：大棚集中在600 m范圍內，大棚結構、種植作物等基本一致，種植年限分別為3 a（SG1）、5 a（SG2）、7 a（SG3）、10 a（SG4）、15 a（SG5）和17 a（SG6）。土壤類型為褐土。以稻殼雞糞為基肥（用量約為8.3 kg/m2），種植過程中根據(jù)生長期沖施化學肥料。種植作物為茄子，種植時間從8月中旬至來年6月底。

土壤取樣深度為0～20 cm。每個大棚設3個重復：由東向西一條直線上均勻分布3個區(qū)域，每個區(qū)域采用梅花采樣法取樣，將土壤現(xiàn)場混合均勻，去除土樣中植物根系、石塊等雜質，然后將其置于4 ℃車載冰箱中運回實驗室。按四分法分為三份：一份置于4 ℃冰箱保存，用于微生物代謝功能多樣性分析；一份風干后用瑪瑙棒研磨，過篩（孔徑0.25 mm），4 ℃避光保存，用于土壤pH值、有機質（Organic Matter，OM）和重金屬測定；最后一份置于-80 ℃超低溫冰箱保存，用于細菌群落分析。

1.2 微生物代謝功能多樣性測定

微生物代謝功能多樣性測定采用Biolog-Eco微平板法[12]。將10 g新鮮土壤置于100 mL 0.85%的無菌NaCl溶液中，在200 r/min下避光振蕩1 h。用0.85%的無菌NaCl溶液再稀釋100倍。將稀釋液接種到Biolog Eco微平板中，每個微孔接種150L。微平板置于（25±1） ℃下恒溫培養(yǎng)7 d，每24 h在BIOLOG EmaxTM（Biolog，Hayward，CA，USA ）上讀取590 nm和750 nm 波長下的吸光值（上述操作均在無菌條件下進行）。

土壤微生物對碳源的利用強度采用每孔平均顏色變化率（Average Well Color Development，AWCD）來描述，計算見式（1）。

式中C為第孔的吸光值；為對照孔的吸光值；為涉及的碳源的個數(shù)。

用Shannon、Simpson和McIntosh 3個指數(shù)表征土壤微生物對碳源利用的功能多樣性。其中Shannon指數(shù)用于評價微生物的豐富度，計算見式（2）；Simpson指數(shù)用于評價土壤微生物群落中最常見物種的優(yōu)勢度，計算見式（3）；McIntosh指數(shù)用于評價群落物種的均一性，計算見式（4）。

式中P是第孔相對吸光值（C-）與相對吸光值總和的比；n是第孔相對吸光值。

1.3 數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計

采用SPSS 17.0 Duncan多重比較判斷處理間顯著性差異（<0.05）。采用SPSS 17.0進行主成分分析（Principal Componets Analysis，PCA）?；赟PSS 17.0 Spearman相關性分析結果，采用Gephi 0.9.2繪制相關性網(wǎng)絡關系圖。采用Canoco 5.0對微生物對碳源的利用情況進行冗余分析（Redundancy Analysis，RDA）。

2 結果與分析

2.1 設施菜地中土壤微生物對碳源的利用

AWCD與土壤中能利用單一碳源的微生物的數(shù)量和種類有關，可反映土壤微生物的密度和活性[26]。AWCD的值越大，土壤微生物的密度和活性越高，土壤微生物對碳源的總利用強度越高。AWCD隨培養(yǎng)時間變化見圖 1。由圖1可知，除AQ4外，安丘其他菜地土壤的AWCD隨著種植年限的增加而降低。除SG4外，壽光其他菜地土壤的AWCD差異如下：SG1和SG2（兩者之間差異不顯著）>SG3和SG5（兩者之間差異不顯著）>SG6。綜上，設施菜地中土壤微生物對碳源的總利用強度隨著種植年限的增加而降低。但AQ4和SG4并不遵循此規(guī)律：AQ4土壤的AWCD均顯著高于AQ2、AQ3和AQ5，SG4土壤的AWCD為壽光土壤中最低。

Biolog-Eco微平板有31種碳源，根據(jù)化學基團分為6類：糖類、氨基酸類、羧酸類、聚合物類、酚類和胺類[24]。為分析設施菜地中土壤微生物對6類碳源的利用情況，分別計算6類碳源AWCD隨培養(yǎng)時間變化，結果見圖 2。由圖2可知，在安丘土壤中：AQ1中6類碳源的AWCD相對較高。AQ5中6類碳源的AWCD相對較低。在壽光土壤中：SG1和SG2中糖類、羧酸類、聚合物類和胺類碳源的AWCD相對較高，但SG1中氨基酸類和酚類碳源的AWCD均為較低。其他處理各類碳源AWCD沒有明顯規(guī)律。表明兩地土壤對各分類碳源的利用偏好不同，較為復雜。綜合分析培養(yǎng)168 h后6類碳源AWCD，在6類碳源中，氨基酸類碳源AWCD最高（0.791～1.211，平均值1.014），酚類碳源AWCD最低（0.251～0.900，平均值0.562）。表明土壤微生物對氨基酸類碳源的利用能力最強，對酚類碳源的利用能力最弱。

注：AQ1～AQ5分別代表安丘種植年限3、7、10、14和16 a設施菜地；SG1～SG6分別代表壽光種植年限3、5、7、10、15和17 a設施菜地。下同。

圖2 每類碳源利用平均顏色變化率

2.2 設施菜地中土壤微生物功能多樣性指數(shù)

不同的多樣性指數(shù)表征土壤微生物功能多樣性的不同方面。由表1知，除AQ4外，安丘菜地土壤中Shannon指數(shù)隨著種植年限的增加而降低，其中AQ1的Shannon指數(shù)顯著高于AQ2和AQ3，AQ2和AQ3的Shannon指數(shù)顯著高于AQ5（<0.05）。在壽光，除SG4外，SG1和SG2的Shannon指數(shù)顯著高于SG3和SG5，SG3和SG5的Shannon指數(shù)顯著高于SG6（<0.05）。Simpson指數(shù)、McIntosh指數(shù)與Shannon指數(shù)的變化規(guī)律相一致，只在統(tǒng)計顯著性上略有不同。表明設施菜地中土壤微生物的豐富度、群落中最常見物種的優(yōu)勢度、群落物種的均一性隨種植年限的增加而降低，但AQ4和SG4并不遵循此規(guī)律。綜合分析兩地之間各指數(shù)差異，發(fā)現(xiàn)安丘土壤中Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)均顯著高于壽光（<0.05），而安丘土壤中McIntosh指數(shù)卻顯著低于壽光（<0.05）。表明安丘土壤中微生物的豐富度、群落中最常見物種的優(yōu)勢度高于壽光，但群落物種的均一性低于壽光。

表1 設施菜地土壤中微生物碳源利用多樣性指數(shù)

注：同地區(qū)中同列不同字母表示差異顯著（<0.05）；AQ，安丘；SG，壽光。下同。

Note: Different letters in the same column of one county means significant difference (<0.05). AQ, Anqiu; SG, Shouguang. Same as below.

2.3 設施菜地中土壤微生物群落代謝多樣性

主成分分析可直觀顯示不同土壤微生物對31種碳源的利用情況。對培養(yǎng)168 h 后AWCD數(shù)據(jù)標準化變換后進行典型變量分析，提取前2個主成分因子作荷載圖，結果見圖3。由圖3知，第一主成分（PC1）方差貢獻率為28.83%，第二主成分（PC2）方差貢獻率為11.63%。兩地之間土壤微生物對碳源的利用存在明顯的空間分異。安丘土壤主要分布在第1、第2象限，壽光土壤主要分布在第3、第4象限。在同一個地方不同種植年限設施菜地土壤之間有一定的分異，但其差異小于兩地之間的差異。表明不同的土壤類型、種植模式等對土壤微生物群落代謝多樣性的影響大于種植年限的影響。

2.4 與碳源利用相關的細菌群落

不同設施菜地土壤中細菌群落結果見文獻[22]。相對豐度很低的微生物群落其生態(tài)功能相對有限，故本文中選擇優(yōu)勢細菌群落（相對豐度大于1%[27]）（門水平，13種），分析其與碳源利用的相關性，結果見圖4。結果發(fā)現(xiàn)，在安丘土壤中，6類16種碳源與不同門細菌顯著相關（<0.05），表明以上16種碳源可被土壤細菌利用；在壽光土壤中，糖類、氨基酸類、羧酸類和聚合物類等4類11種碳源與不同門細菌顯著相關（<0.05），表明以上11種碳源可被土壤細菌利用。

圖3 設施菜地土壤中微生物碳源利用的主成分分析

注：只顯示顯著正相關（P<0.05）。

由圖4知，在安丘土壤中，、、和等4個門細菌與不同碳源顯著相關（<0.05）。其中與9種碳源顯著相關（<0.05），是與碳源相關種類最多的細菌，表明此地可利用的碳源種類最多。在壽光土壤中，、、等9個門細菌與不同碳源顯著相關（<0.05）。其中與4種碳源顯著相關（<0.05），是與碳源相關種類最多的細菌，表明此地可利用的碳源種類最多。

2.5 土壤微生物利用碳源的影響因子

不同設施菜地土壤的理化性質和重金屬含量結果見文獻[22]。對兩地土壤理化性質、重金屬和微生物對31種碳源的利用情況進行RDA分析，以評估土壤微生物利用碳源的主要影響因子，結果見圖5，其中箭頭連線的長度和夾角分別代表作用的大小和正負。由圖5可知，在安丘土壤中，RDA1和RDA2可分別解釋30.92%和16.26%的土壤微生物對碳源的利用情況。Cd對土壤微生物碳源利用的負作用顯著（<0.01），是影響土壤微生物碳源利用的最強環(huán)境因子，對總效應的貢獻率為23.4%；OM對土壤微生物碳源利用的正作用顯著（<0.01）。在壽光土壤中，RDA1和RDA2分別可解釋31.02%和9.97%的土壤微生物對碳源的利用情況。Zn、OM、Cd對土壤微生物碳源利用的負作用顯著（<0.05），As、pH值對土壤微生物碳源利用的正作用顯著（<0.05）。

注：1.β-甲基-D-葡萄糖苷；2.D-半乳糖酸γ-內酯；3.D-木糖；4.i-赤藻糖醇；5.D-甘露醇；6.N-乙酰-D-葡萄糖胺；7.D-纖維二糖；8.α-D-葡萄糖-1-磷酸；9.α-D-乳糖；10.D, L-α-磷酸甘油；11.L-精氨酸；12.L-天冬酰胺；13.L-苯丙氨酸；14.L-絲氨酸；15.L-蘇氨酸；16.甘氨酰-L-谷氨酸；17.丙酮酸甲酯；18.D-半乳糖醛酸；19.γ-羥丁酸；20.D-葡糖胺酸；21.衣康酸；22.α-丁酮酸；23.D-蘋果酸；24.吐溫40；25.吐溫80；26.α-環(huán)式糊精；27.肝糖；28.2-羥基苯甲酸；29.4-羥基苯甲酸；30.苯乙胺；31.腐胺。

3 討 論

Biolog-Eco微板上的31種碳源多為植物根系分泌物的主要成分，是根際土壤微生物有效碳源的代表[2]。在東北不同土地利用類型下土壤微生物對不同碳源的利用強度不同，種植玉米、水稻、土豆、大豆和荒地土壤中微生物利用最強的碳源種類均有不同[17]。云南森林中土壤微生物對氨基酸類和羧酸類碳源的利用強度高，對酚類和胺類的利用強度低，并且受季節(jié)的影響[14]。本研究發(fā)現(xiàn)土壤微生物對氨基酸類碳源的利用能力最強，對酚類碳源的利用能力最弱。由此可知，土壤類型、植被、季節(jié)等均可影響土壤微生物對不同碳源的利用強度。

連續(xù)多年的蔬菜種植可引發(fā)嚴重的土壤問題，進而導致土壤微生物多樣性減少[2]。高通量測序結果發(fā)現(xiàn)設施蔬菜種植對土壤微生物群落的影響：Tian等[28]發(fā)現(xiàn)隨著設施蔬菜種植年限的延長，細菌中大部分屬的相對豐度在第3年略有增加后逐漸下降；Song等[29]發(fā)現(xiàn)真菌的多樣性隨設施蔬菜種植年限的增加而降低，但細菌的多樣性沒有顯著變化。土壤中微生物群落與代謝功能密切相關[30]。設施蔬菜連作過程中，人為干擾和自毒性物質引起根際土壤微生物群落的改變，進而導致土壤微生物代謝功能的失調[31]。趙輝等[32]研究發(fā)現(xiàn)，設施蔬菜種植5、7 a后，AWCD和3個多樣性指數(shù)均隨種植年限的增加而逐漸降低，與本研究結果一致。但本研究中AQ4和SG4并不符合其他年限菜地土壤中代謝功能多樣性變化的規(guī)律，具體原因有待進一步研究。

本研究發(fā)現(xiàn)兩地之間土壤微生物對碳源利用具有差異，可能有幾個方面原因：土壤類型是土壤微生物豐度和多樣性的主要驅動因素[33]，研究發(fā)現(xiàn)土壤類型對土壤微生物群落結構的影響甚至大于重金屬Cd的影響[34]，本研究中兩地土壤分別屬于潮土和褐土，這可能是兩地之間土壤微生物代謝功能多樣性差異的原因之一；由于不同種類糞肥中含有的動物腸道菌、抗生素含量及營養(yǎng)成分等不同，施用牛糞、雞糞和豬糞對土壤微生物多樣性的影響也截然不同[35-36]，本研究中壽光施用稻殼雞糞，而安丘施用牛糞和豬糞。因此，糞肥種類也可能是導致兩地土壤微生物代謝功能多樣性差異原因；兩地種植的作物不同對土壤微生物代謝功能多樣性不同也有貢獻。不同作物產生的植物凋落物的成分和數(shù)量[37]、根系分泌物的成分和數(shù)量[38]、植物根系的特征[39]等不同。由于植物為土壤微生物提供了大量的碳源（特別是可溶性碳源），其對微生物代謝活性及多樣性起決定性作用[40]；另外，連續(xù)單作是減少土壤微生物多樣性的主要原因之一[2]，本研究中壽光為茄子單作，而安丘是黃瓜和西紅柿輪作。綜上，本研究中兩地之間土壤微生物對于碳源利用的差異主要源于土壤類型、糞肥種類、種植作物及種植方式的差異。

糖類、氨基酸類、羧酸類等根系分泌物的主要功能是為土微生物提供營養(yǎng)物質[41]。本研究結果進一步證實了這一點。安丘土壤中細菌可利用16種碳源（6類）、壽光土壤中細菌可利用11種碳源（4類）。在細菌利用碳源種類數(shù)量方面：在安丘土壤中，豐度為第二[22]，是利用碳源種類最多的細菌，可以利用9種碳源。在壽光土壤中，雖然豐度較低[22]，但是可利用4種碳源，是此地利用碳源種類最多的細菌。另外，兩地中雖然是豐度最高的細菌[22]，但利用碳源的種類都不是最多。因此，細菌的豐度的高低與可利用碳源的種類數(shù)量多少并不一致。這個結果的另一個原因也可能是，本研究所選擇的碳源種類只有31種，所覆蓋的碳源種類有限。

土壤微生物主要利用土壤中的可溶性有機碳進行碳代謝，因此土壤中可溶性有機碳是影響微生物碳源利用的決定性因素[40]。本研究發(fā)現(xiàn)OM是碳源利用的重要影響因子，但是在兩地中作用截然不同，在安丘土壤中OM對土壤微生物碳源利用的影響是正作用，而在壽光土壤中其影響是負作用。這可能是因為OM的成分復雜，不同土壤類型中能溶解的碳的種類和濃度可能存在差異，這一點還有待進一步研究。重金屬對土壤微生物種群具有抑制或毒性作用，其作用取決于重金屬類型和濃度[3,42]，而連續(xù)多年設施蔬菜栽培可引起土壤中重金屬的積累[6,43]。在重金屬污染的土壤中，具有更高金屬耐受性的微生物比其他微生物生長得更好，導致微生物物種替換或多樣性改變。研究發(fā)現(xiàn)重金屬污染對土壤中真菌的多樣性抑制大于細菌，土壤中微生物碳儲存和對碳的利用模式隨之改變[42]。本研究中重金屬Cd（安丘、壽光）、Zn（壽光）對土壤微生物對碳源的利用強度的負作用，進一步證實了重金屬（特別是Cd）對土壤微生物代謝功能多樣性的抑制作用。另外，多項研究發(fā)現(xiàn)pH值顯著影響土壤微生物群落[20,22]，本研究在壽光土壤中發(fā)現(xiàn)pH值顯著影響土壤微生物對碳源的利用。因此，pH值可能通過影響土壤中微生物群落而影響其對碳源的代謝功能。

4 結 論

本研究從不同種植年限和地點2個方面，初步揭示了設施菜地連續(xù)種植對土壤微生物代謝功能多樣性的影響，得到如下結論：

1）除AQ4（安丘種植14 a）和SG4（壽光種植10 a）外，其他設施菜地土壤中平均顏色變化率、Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)和McIntosh指數(shù)隨著種植年限的增加而降低。

2）兩地導致的土壤微生物對碳源利用的差異顯著，大于種植年限導致的差異。在安丘土壤中，是與碳源相關種類最多的細菌，與9種碳源顯著相關。在壽光土壤中，是與碳源相關種類最多的細菌，與4種碳源顯著相關。

3）在安丘土壤中，Cd對土壤微生物碳源利用有顯著負作用，是影響安丘土壤微生物碳源利用的最強環(huán)境因子，有機質對土壤微生物碳源利用有顯著正作用。在壽光土壤中，Zn、OM、Cd對土壤微生物碳源利用有顯著負作用，As、pH值對土壤微生物碳源利用有顯著正作用。設施蔬菜長期種植引起的土壤質量下降及重金屬（特別是Cd）對土壤微生物的負作用應引起重視。

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Soil microbial metabolism functional diversity in typical facility vegetable fields

Yuan Xuexia1, Zhang Yong2, Yang Guihua3, Wang Wenbo1, Sun Chenxi1, Wu Yuanjuan1, Fang Liping1

(1.-,,250100,;2.,250014,;3.,250099,)

Metabolic functional diversity of soil microorganisms can greatly contribute to the health of the soil ecosystems in facility vegetable field. However, the soil quality is seriously deteriorated in recent years, due to the frequency input of organic and chemical fertilizers, pesticides, and fungicides. The Biolog-Eco method has been widely used to demonstrate the carbon metabolic activity of culturable microorganisms. The ecological status of microbial communities can also be characterized by the metabolic functional diversity in diverse environments. In this study, a systematic investigation was carried out to clarify the impacts of cultivation periods and geographical location on the functional diversity of soil microbial metabolism using a Biolog-Eco microplate. Correlation analysis and Redundancy Analysis (RDA) were used to reveal the relative bacterial phyla and effect factors. The soil samples were collected from 11 facility vegetable fields in the two typical vegetable cultivation counties (Anqiu and Shouguang) of China. The key influencing factors were then identified for the microorganisms and carbon source utilization. The results showed that the Average Well Color Development (AWCD), Simpson index, McIntosh index, and Shannon index decreased with the increase of cultivation years, except for the AQ4 (cultivation history of 14 a in Anqiu), and SG4 (cultivation history of 10 a in Shouguang). The Principal Component Analysis (PCA) result demonstrated that the difference in the soil microbial utilization of carbon sources between two counties was much more significant than those among the soils with different cultivation histories in the same county. It infers that the geographical location played a more important role than the cultivation years. Correlation analysis showed that 16 different carbon sources (six types of carbon source involved) were closely related to the different bacterial phyla (<0.05), andof soil bacterial phylum was positively related to the most kinds of carbon sources (9 kinds) in the Anqiu soil. In Shouguang soil, 11 different carbon sources (four types: carbohydrates, amino acids, carboxylic acids, and polymers) were closely related to the different bacterial phyla (<0.05), andpositively related to most kinds of carbon sources (4 kinds). RDA showed that the Cd was the top environmental factor, negatively affecting the soil microbial carbon sources utilization in Anqiu soil (<0.01), while the positive effect of organic matter was significant (<0.01). Zn, organic matter, and Cd were negatively dominated the utilization of microbial carbon sources (<0.05) in Shouguang, whereas, the effects of As and pH were significantly positive (<0.05). This finding can provide direct evidence that the significant decrease in soil microbial functional diversity was caused by the long-term cultivation of facility vegetable, different relative bacteria and effect factors caused by location in the north of China. It is urgent to take different measures according to different situation to improve the soil micro-environment for the healthy environments in the vegetable fields.

soils; microorganism; facility vegetable field; cultivation years; Biolog-Eco

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.24.016

X172

A

1002-6819(2022)-24-0145-08

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Yuan Xuexia, Zhang Yong, Yang Guihua, et al. Soil microbial metabolism functional diversity in typical facility vegetablefields[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(24): 145-152. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.24.016 http://www.tcsae.org

2022-10-10

2022-11-16

國家自然科學基金項目（41907030）

苑學霞，研究員，研究方向為農業(yè)環(huán)境安全與風險評估。Email：xuexiayuan@163.com