粉壟耕作對(duì)耕地土壤酶活性、微生物群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性的影響

陳彥云,夏皖豫,趙 輝,曾 明

1 寧夏大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,銀川 750021 2 寧夏大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院,銀川 750021 3 寧夏科技特派員創(chuàng)業(yè)指導(dǎo)服務(wù)中心,銀川 750021

土壤微生物是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,也是土壤生態(tài)系統(tǒng)的核心,直接或間接參與調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分循環(huán)、能量流動(dòng)、有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)換、土壤肥力形成、污染物的降解及環(huán)境凈化等,特別在維持生物多樣性、改善土壤碳固存、生態(tài)系統(tǒng)功能和自然和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的養(yǎng)分循環(huán)方面發(fā)揮著重要作用[1—3]。土壤微生物組成的質(zhì)與量的變化是土壤健康狀況的重要敏感指示,土壤微生物多樣性可以定義為生命的豐富度,代表著微生物群落的穩(wěn)定性,也反映土壤生態(tài)機(jī)制及土壤脅迫對(duì)微生物群落的影響,因此對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的研究一直是土壤與植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)的研究熱點(diǎn)[4—6]。研究表明,土壤微生物群落受到各種因素的影響,包括耕作方式、氣候、施肥和pH,其中耕作方式是對(duì)土壤微生物的影響尤為關(guān)鍵[7—10]。

玉米(ZeamaysL.)是禾本科玉蜀黍?qū)僖荒晟荼局参?是重要的糧食作物和飼料作物,也是全世界總產(chǎn)量最高的農(nóng)作物。耕作方式一直是提高土壤肥力和提高作物生產(chǎn)力的最重要的農(nóng)業(yè)實(shí)踐之一,大量研究表明不同耕作方式對(duì)土壤特性和作物產(chǎn)量的影響[11—14]。寧夏引黃灌區(qū)的玉米種植大多采用傳統(tǒng)耕作。然而,傳統(tǒng)耕作導(dǎo)致水土流失加劇,環(huán)境污染加劇,土壤退化,犁盤緊湊且封閉,阻礙了深層土層中土壤水、肥和熱量的循環(huán)影響生態(tài)系統(tǒng)功能[15—18]。粉壟耕作是一種集深松、深耕、旋耕、垂直耕作優(yōu)點(diǎn)于一體的深耕技術(shù)[19]。它由配備六個(gè)立式螺旋鉆的新型強(qiáng)力機(jī)器進(jìn)行,可以在不擾亂土壤層和生產(chǎn)新的硬質(zhì)犁的情況下打碎壓實(shí)的犁盤并松動(dòng)土層[20]。有研究表明,粉壟耕作模式對(duì)農(nóng)田土壤質(zhì)量、蓄水能力、作物產(chǎn)量、根系活力以及土壤微生物生物量和微生物多樣性等方面的有益作用更強(qiáng)[19,21—24]。近年來,粉壟耕作技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面取得了巨大成功。然而,目前尚不清楚粉壟耕作對(duì)耕地土壤微生物群落和土壤生態(tài)系統(tǒng)功能的影響。

本研究利用高通量 16S rRNA和ITS基因 Illumina 測(cè)序和Biolog-ECO方法,系統(tǒng)地研究了粉壟耕作對(duì)土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)和土壤微生物功能多樣性的影響。本研究的目的是：(1)探尋不同耕作方式下耕地土壤酶活性、土壤微生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)的差異；(2)分析不同耕作方式下土壤微生物群落功能多樣性及功能基團(tuán)；(3)粉壟耕作如何影響土壤微生物結(jié)構(gòu)、酶活性與微生物功能多樣性間的相關(guān)性,使玉米產(chǎn)量得到提升。本研究為粉壟耕作技術(shù)在寧夏引黃灌區(qū)作物栽培中的應(yīng)用發(fā)展提供了科學(xué)理論依據(jù)和農(nóng)業(yè)實(shí)踐理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)樣地

試驗(yàn)于2019年4月—10月在寧夏回族自治區(qū)石嘴山市平羅縣頭閘村(106°63′N、38°95′E)進(jìn)行,屬溫帶大陸性氣候,海拔1091 m,日照充足、晝夜溫差大、干旱少雨、年蒸發(fā)量1755 mm,平均風(fēng)速2—3 m/s,無霜期171 d,年降雨量為184 mm,年均氣溫8.21℃。試驗(yàn)區(qū)土壤為黏土,土壤狀況為全磷0.86 g/kg,全氮1.10 g/kg,堿解氮76.92 mg/kg,速效磷34.69 mg/kg,速效鉀214.03 mg/kg,有機(jī)碳11.42 mg/kg,總鹽0.67 g/kg,含水量12.38%,pH值為8.5。

1.2 試驗(yàn)處理與土樣采集

采用大區(qū)試驗(yàn),試驗(yàn)面積為900 m2(60 m×15 m),設(shè)置3個(gè)處理分別為傳統(tǒng)耕作深度20 cm(CK)、粉壟耕作深度35 cm(FL1)、粉壟耕作深度50 cm(FL2)。玉米出苗后將各處理的樣地平均分為4個(gè)67.5 m2(15 m×4.5 m)的小區(qū),即為每個(gè)處理的4次重復(fù),每個(gè)小區(qū)之間設(shè)1 m寬走道,重復(fù)小區(qū)間設(shè)走道,寬1 m,四周設(shè)置保護(hù)行,寬3 m。

供試玉米品種為“迪卡5號(hào)”,采用吳忠市伊禾農(nóng)機(jī)作業(yè)服務(wù)有限公司提供的懸掛式粉壟機(jī)作業(yè),全面深松垂直旋磨粉碎土壤,粉壟后鎮(zhèn)壓。傳統(tǒng)耕作采用拖拉機(jī)犁耙整地。2019年5月3日整地,5月16日播種,10月18日收獲。播種密度為82500株/hm2,肥料為控釋肥0.12 kg/m2(N-P-K：30- 12- 5),作為底肥一次性施入,各處理田間管理均一致。土壤采集時(shí)間為10月18日,以五點(diǎn)取樣法在0—20 cm,20—40 cm耕作層取土樣,每個(gè)土壤3個(gè)平行樣品。將土壤樣品裝入無菌袋中,一部分鮮土過2 mm篩后4℃保存,用于土壤酶活性及Biology-ECO測(cè)定,另一部分鮮土過1 mm篩-80℃保存,用于土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的測(cè)定。

1.3 土壤酶活性的測(cè)定

脲酶用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定,以24 h后1 g土壤NH3-N的毫克數(shù)表示；土壤堿性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法,以1 h后1g土壤中對(duì)硝基苯酚的毫克數(shù)表示；轉(zhuǎn)化酶用3,5-二硝基水楊酸比色法,以24 h后1 g土壤葡萄糖的毫克數(shù)表示[25]。

1.4 土壤微生物功能多樣性的測(cè)定

土壤微生物功能多樣性用Biolog方法進(jìn)行測(cè)定[26,27]：稱取5.0 g土壤樣品加入裝有45 mL 0.85%無菌生理鹽水的三角瓶中,25℃ 150 r/min振蕩30 min,冰浴1 min,后靜置30 min,獲得土壤樣品的微生物懸浮液。將土壤懸液梯度稀釋為10-3g/mL,在超凈工作臺(tái)中用移液槍將制備好的土壤懸液接種至Biolog微平板的各孔中,每孔150 μL,蓋好蓋子置于25℃培養(yǎng)箱中暗培養(yǎng)7 d,每隔24 h用酶標(biāo)儀讀取在590 nm與750 nm波長(zhǎng)的數(shù)值。

Shannon指數(shù)(H)用于評(píng)估物種豐富度,計(jì)算公式如下：

H=-∑(Pi×lnPi)

(1)

式中,Pi為第i孔的相對(duì)吸光值與整個(gè)平板相對(duì)吸光值總和的比率。

McIntosh指數(shù)(U)用于評(píng)估群落均一度：

(2)

式中,ni為第i孔的相對(duì)吸光值。

Simpson指數(shù)(D)用于評(píng)估常見種優(yōu)勢(shì)度的指數(shù)：

D=1-∑Pi2

(3)

式中,Pi為第i孔的相對(duì)吸光值與整個(gè)平板相對(duì)吸光值總和的比率。

1.5 DNA 抽提和 PCR 擴(kuò)增

各土層FL1、FL2和CK一共18個(gè)土壤樣品進(jìn)行IlluminaMiSeq測(cè)序。根據(jù)E.Z.N.A.? soil DNA kit (Omega Bio-tek, Norcross, GA, U.S.)說明書進(jìn)行微生物總DNA抽提,使用1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)DNA的提取質(zhì)量,使用NanoDrop2000測(cè)定DNA濃度和純度；細(xì)菌引物采用338F (5′-ACTCCTACGGGAGGCA GCAG- 3′)和806R (5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT- 3′),真菌引物采用ITS1F (5′-CTTGGTCATTTAGAGGAA GTAA- 3′)和ITS2R (5′-GCTGCGTTCTTCATCGATGC- 3′),擴(kuò)增程序如下：95℃預(yù)變性3 min,27個(gè)循環(huán)(95℃ 變性 30s,55℃ 退火30s, 72℃ 延伸30s),然后 72℃ 穩(wěn)定延伸10min,最后在4℃進(jìn)行保存(PCR儀：ABI GeneAmp? 9700型)。PCR反應(yīng)體系為：5×TransStart FastPfu 緩沖液4 μL,2.5mmol·L-1dNTPs 2μL,上游引物(5μmol·L-1)0.8 μL,下游引物(5μmol·L-1)0.8 μL, TransStart FastPfu DNA聚合酶0.4 μL,模板DNA 10 ng,補(bǔ)足至20 μL。

1.6 Illumina Miseq 測(cè)序和測(cè)序數(shù)據(jù)處理

將同一樣本的PCR產(chǎn)物混合后使用2%瓊脂糖凝膠回收PCR產(chǎn)物,利用AxyPrep DNA Gel Extraction Kit (Axygen Biosciences, Union City, CA, USA)進(jìn)行回收產(chǎn)物純化,2%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),并用QuantusTMFluorometer (Promega, USA)對(duì)回收產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)定量。使用NEXTFLEX Rapid DNA-Seq Kit進(jìn)行建庫(kù)。利用Illumina公司的Miseq PE300平臺(tái)進(jìn)行測(cè)序(上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司)。

使用fastp[28]軟件對(duì)原始測(cè)序序列進(jìn)行質(zhì)控,使用FLASH[29]軟件進(jìn)行拼接。使用UPARSE軟件,根據(jù)97%[30,31]的相似度對(duì)序列進(jìn)行OTU聚類并剔除嵌合體。利用RDP classifier[32]對(duì)每條序列進(jìn)行物種分類注釋,細(xì)菌比對(duì)Silva 16S rRNA數(shù)據(jù)庫(kù),真菌比對(duì)UNITE ITS數(shù)據(jù)庫(kù),設(shè)置比對(duì)閾值為70%。功能注釋分別基于Tax4Fun和FunGuild用于細(xì)菌和真菌。

1.7 數(shù)據(jù)分析

方差分析(ANOVA)采用SPSS 18.0分析軟件(SPSS Inc.,美國(guó))和Tukey檢驗(yàn),在P=0.05顯著性水平上進(jìn)行。結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)用于評(píng)估假設(shè)的潛在因素,使用IBM SPSS Amos 24進(jìn)行分析。使用Microsoft Excel 2016,Origin 2016和R軟件繪圖。

2 結(jié)果Results

2.1 粉壟耕作對(duì)土壤酶活性及玉米產(chǎn)量的影響

表1列出了FL1、FL2和CK處理下不同土壤深度的土壤脲酶、堿性磷酸酶和轉(zhuǎn)化酶活性。在不同處理下,0—20 cm深度的3種酶活性高于20—40 cm深度。0—20 cm土層中,FL1處理的土壤脲酶活性顯著高于CK處理、堿性磷酸酶和轉(zhuǎn)化酶活性顯著高于FL2和CK處理。20—40 cm土層中,FL1和FL2處理的脲酶活性比CK處理提高了28.80%和4.45%,堿性磷酸酶活性比CK處理提高了30.95%和16.67%,FL1處理土壤轉(zhuǎn)化酶比CK處理提高了25.61%,但各處理間差異均沒達(dá)到顯著水平(P>0.05)。FL1、FL2處理產(chǎn)量分別為8.58 t/hm2和 8.38 t/hm2,與對(duì)照處理相比提高了37.9%和34.7%(P<0.05)。

表1 不同土層處理間土壤酶活性Table 1 Soil enzyme activity between treatments in different soil layers

2.2 粉壟耕作對(duì)微生物群落組成的影響

本研究中,通過高通量測(cè)序技術(shù)檢測(cè)所有土壤樣品的微生物,獲得了30730個(gè)OTUs,包括26668個(gè)細(xì)菌OTUs和4062個(gè)真菌OTUs。對(duì)各處理平均豐度大于1的所有土壤細(xì)菌和真菌OTUs進(jìn)行了Flower plot分析。對(duì)于土壤細(xì)菌OTUs,在0—20 cm和20—40 cm的FL1、FL2和CK處理共有2296個(gè)相同OTUs。0—20 cm土層中FL1、FL2和CK處理特有細(xì)菌OTUs分別是81、206和72個(gè),20—40 cm土層中FL1、FL2和CK處理特有細(xì)菌OTUs分別是135、83和194個(gè)(圖1)。對(duì)于土壤真菌OTUs,在0—20 cm和20—40 cm的FL1、FL2和CK處理共有211個(gè)相同OTUs。0—20 cm土層中FL1、FL2和CK處理特有真菌OTUs分別是129、85和102個(gè),20—40 cm土層中FL1、FL2和CK處理特有真菌OTUs分別是67、129和88個(gè)(圖1)。在門水平上分析了樣本中的細(xì)菌和真菌分布(圖1)。不同土層各樣本中的細(xì)菌在門水平排名前10的物種組成相同(圖1)。不同土層各處理間優(yōu)勢(shì)菌門為變形桿菌、放線菌門、綠彎菌門和酸桿菌門,達(dá)78.85%—81.83%。0—20 cm土層中的FL1、FL2和CK處理的細(xì)菌門差異不顯著(P>0.05)。

圖1 不同處理下土壤微生物群落組成及花瓣圖Fig.1 Soil microbial community composition and flower plot under different treatments細(xì)菌相對(duì)值：Proteobacteria 變形桿菌；Actinobacteria放線菌門；Chloroflexi 綠彎菌門；Acidobacteria 酸桿菌門；Gemmatimonadetes 芽單胞菌門；Firmicutes 厚壁菌門；Bacteroidetes 擬桿菌門；Planctomycetes 浮霉菌門；Nitrospirae 硝化螺旋菌門；真菌相對(duì)值：Ascomycota 子囊菌門； Basidiomycota 擔(dān)子菌門； Mortierellomycota 被孢霉門； unclassified_k__Fungi 未分類_k__真菌

20—40 cm土層中,FL1處理的Rokubacteria與FL2和CK處理差異顯著(P<0.05),FL2的變形桿菌門與FL1處理差異顯著(P<0.05)。在真菌在不同土層各樣本中,對(duì)豐度小于1%的物種歸類為others。0—20 cm土層中,FL1處理的unclassified_k__Fungi與FL2處理差異顯著(P<0.05)。20—40 cm土層中,FL1處理的子囊菌門與FL2處理差異顯著(P<0.05)(圖1)。

在這些OTUs的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步分析了物種豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)(表2)。總的來說,在0—20 cm土層中,FL2與CK處理的細(xì)菌Ace、Chao和香農(nóng)指數(shù)差異顯著(P<0.05)；FL1與CK處理的真菌Ace指數(shù)、Chao指數(shù)和辛普森指數(shù)差異顯著(P<0.05),FL1與FL2處理間Ace指數(shù)、Chao指數(shù)、香農(nóng)指數(shù)和辛普森指數(shù)差異顯著(P<0.05)。20—40 cm土層中,FL1與FL2處理的細(xì)菌香農(nóng)指數(shù)差異顯著(P<0.05),FL2與CK、FL1處理的細(xì)菌辛普森指數(shù)差異顯著(P<0.05)；FL1與CK處理間真菌辛普森指數(shù)差異顯著(P<0.05)。

表2 不同土層處理間土壤細(xì)菌群落豐富度和群落多樣性指數(shù)Table 2 Soil bacterial community richness and community diversity index between treatments in different soil layers

2.3 粉壟耕作下土壤微生物群落功能多樣性

本研究中以培養(yǎng)96 h獲得的數(shù)據(jù)對(duì)土壤微生物功能多樣性指數(shù)進(jìn)行分析(表3)。0—20 cm土層中,FL1處理的香農(nóng)指數(shù)與FL2處理相比差異顯著(P<0.05),麥金托什指數(shù)中,FL1處理與FL2、CK處理相比差異顯著(P<0.05)。20—40 cm土層中,FL2處理香農(nóng)指數(shù)與FL1、CK處理相比差異顯著(P<0.05),辛普森指數(shù)FL2與CK處理之間差異顯著(P<0.05)。

表3 不同土層處理間土壤微生物功能多樣性Table 3 Soil microbial functional diversity between treatments in different soil layers

對(duì)不同土層各處理間土壤微生物群落的碳源利用情況進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn),從土壤微生物群落利用百分比來看,以利用羧酸類、聚合物類、氨基酸類以及糖類為主,胺類和雙親化合物類的利用較低(圖2)。在0—20 cm土層中,FL1、FL2和CK處理利用羧酸類碳源差異顯著(P<0.05)。在20—40 cm土層中,FL1與FL2處理對(duì)胺類碳源的利用差異顯著(P<0.05)(圖2)。

圖2 不同處理下土壤微生物對(duì)6種碳源的相對(duì)利用 Fig.2 The relative utilization of soil microorganisms to 6 carbon sources under different treatments不同小寫表示不同處理間差異顯著(P<0.05)

主成分分析結(jié)果表明,PC1和PC2的貢獻(xiàn)率分別為27.7%和16.6%。影響PC1的碳源主要有糖類、氨基酸類、羧酸類和聚合物類；影響PC2的碳源主要有羧酸類和糖類。0—20 cm土層中,FL1和CK處理位于PC2正端,受PC2上的碳源影響較大,相似度較高,碳源利用差異較??；FL2處理在第三象限,與FL1和CK距離過大,碳源利用差異較大(圖3)。20—40 cm土層中,CK位于第四象限,且FL1、FL2和CK處理相對(duì)分離,說明各處理間碳源利用有差異(圖3)。

圖3 不同處理下土壤微生物群落碳源利用主成分分析 Fig.3 Principal component analysis of carbon source utilization of soil microbial communities under different treatments

2.4 粉壟耕作下土壤細(xì)菌和真菌的功能預(yù)測(cè)

使用Tax4Fun進(jìn)行潛在的微生物KEGG功能預(yù)測(cè),代謝作用和環(huán)境信息處理是主要一級(jí)代謝通路,平均占比分別為63.67%和17.29%(圖4)。在二級(jí)代謝通路上總共注釋了41個(gè)特征,圖5顯示了前15個(gè)細(xì)菌的相對(duì)功能基團(tuán)豐度。在0—20 cm和20—40 cm土層中,FL1、FL2和CK處理的主要細(xì)菌功能基團(tuán)的功能注釋為：氨基酸代謝、碳水化合物代謝、膜運(yùn)輸、信號(hào)傳遞、萜類化合物和聚酮化合物的代謝、能量代謝(圖4)。FL1、FL2和CK處理在0—20 cm土層的輔因子和維生素的代謝差異顯著(P<0.05)。在20—40 cm土層中,FL1、FL2的碳水化合物代謝顯著高于CK處理(P<0.05),FL1的氨基酸代謝、輔因子和維生素的代謝和膜運(yùn)輸顯著高于CK處理(P<0.05),FL2的信號(hào)傳遞、能量代謝顯著高于CK處理(P<0.05)。

圖4 不同處理下不同土層主要土壤細(xì)菌的功能結(jié)構(gòu)(二級(jí)代謝通路)Fig.4 Functional structure of main soil bacteria in different soil layers under different treatments (Pathway level 2)

使用FUNGuild對(duì)真菌進(jìn)行功能Guild注釋(圖5)。按真菌的營(yíng)養(yǎng)類型主要分為9種功能類型：病原-腐生-共生菌、腐生菌、病菌、腐生-共生菌、病原-腐生-共生菌、病菌-腐生菌、共生菌和病菌-共生菌。在0—20 cm土層中,FL1的病菌-腐生菌、病菌-共生菌、腐生菌和腐生-共生菌顯著高于CK(P<0.05),FL2的共生菌和腐生-共生菌顯著高于CK(P<0.05)。在20—40 cm土層中,FL1的病菌-腐生菌-共生菌顯著高于CK(P<0.05),FL2的病菌-腐生菌和共生菌顯著高于CK(P<0.05)(圖5)。

圖5 不同處理下不同土層主要土壤真菌的功能結(jié)構(gòu)(二級(jí)代謝通路)Fig.5 Functional structure of main soil fungi in different soil layers under different treatments (Pathway level 2)

2.5 影響微生物功能多樣性的生態(tài)因素及相關(guān)性分析

結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)檢測(cè)控制因素對(duì)土壤微生物功能多樣性有直接和間接的影響(圖6)。耕作方式的直接效應(yīng)能解釋土壤細(xì)菌群落多樣性總方差的72%(圖6)。土壤細(xì)菌群落多樣性能夠解釋土壤真菌群落多樣性總方差的11%(圖6)。耕作方式和土壤微生物(細(xì)菌、真菌)群落多樣性能解釋土壤酶活性總方差的96% (圖6)。耕作方式、土壤微生物群落多樣性和土壤酶活性能解釋土壤微生物功能多樣性總方差的69% (圖6)。

圖6 耕作方法、土壤酶活性、細(xì)菌和真菌多樣性指數(shù)和土壤微生物功能多樣性的結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)Fig.6 Structural equation model (SEM) of farming methods, soil enzyme activity, bacterial and fungal diversity index and soil microbial functional diversity箭頭的粗細(xì)表示標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)的大小;R2 值代表每個(gè)內(nèi)生變量解釋方差的比例；GFI：擬合優(yōu)度指數(shù)；RMSEA：近似的均方根誤差;*P < 0.05, **P < 0.01, ***P < 0.001

如表4所示,玉米產(chǎn)量與土壤脲酶、轉(zhuǎn)化酶、土壤微生物香農(nóng)指數(shù)(H)、麥金托什指數(shù)(U)和細(xì)菌群落香農(nóng)指數(shù)(H′)顯著正相關(guān)(P<0.05) ; 三種土壤酶(Ure、Inv、Alp)均與土壤微生物辛普森指數(shù)(D)、細(xì)菌群落多樣性指數(shù)(Ace、Chao、H′、D′)和真菌群落多樣性指數(shù)(Ace、Chao)顯著正相關(guān)(P<0.05)；土壤微生物香農(nóng)指數(shù)(H)與細(xì)菌群落多樣性指數(shù)(Ace、Chao、H′、D′)和真菌群落多樣性指數(shù)(H′、D′)顯著正相關(guān)(P<0.05)。

表4 土壤酶活性、微生物群落與微生物功能多樣性以及產(chǎn)量相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis of soil enzyme activity, microbial community and microbial functional diversity and yield

3 討論

3.1 粉壟耕作對(duì)土壤微生物的影響

土壤微生物群落活動(dòng)和組成受到農(nóng)業(yè)耕作方式影響[33—35]。粉壟耕作較常規(guī)耕作有效提高土壤微生物數(shù)量,使土壤中的氨化細(xì)菌、固氮菌、無機(jī)磷細(xì)菌和鉀細(xì)菌的數(shù)量高于旋耕耕作處理和深翻耕作處理[24]。楊博[36]研究發(fā)現(xiàn),粉壟耕作為深層土壤微生物的生存提供了有利條件,0—20 cm和20—40 cm土層土壤微生物總菌落數(shù)較傳統(tǒng)耕作顯著提升。本研究中,細(xì)菌的OTUs數(shù)量明顯高于真菌的OTUs,表明土壤細(xì)菌占土壤微生物總數(shù)量的比例較大。本研究發(fā)現(xiàn),粉壟耕作與傳統(tǒng)耕作相比改變了細(xì)菌的多樣性和群落組成(圖1,表2)。

造成的原因可能是,粉壟耕作提高了耕地土壤耕層碳存儲(chǔ),降低了土壤緊實(shí)度,促進(jìn)了土壤大團(tuán)聚體的形成[37,38]。土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化又反饋控制土壤微生物活動(dòng)和土壤有機(jī)質(zhì)組分的分異作用,使土壤有機(jī)質(zhì)組分-土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)-微生物群落結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化之間存在耦合作用[39],從而改變了細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性。此外,由于細(xì)菌提供信號(hào)分子或?qū)⒔橘|(zhì)化合物轉(zhuǎn)化為真菌消耗的物質(zhì)促進(jìn)了真菌的生長(zhǎng),提高了真菌的定殖率,甚至促進(jìn)真菌的完整生命周期[40—42]。這些結(jié)果表明,真菌群落間接地受到了粉壟耕作方式的影響,導(dǎo)致真菌群落結(jié)構(gòu)、物種豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)較傳統(tǒng)耕作有所提升(圖1,表2)。粉壟耕作提升了耕地土壤的微生物群落多樣性,使參與土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的功能型微生物增加,為維系耕地土壤微生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定發(fā)揮了重要作用。

3.2 控制因素對(duì)土壤酶活性的影響

研究發(fā)現(xiàn),耕作方式和土壤酶活性顯著正相關(guān)(圖6)。土壤中的氮、磷轉(zhuǎn)化以及碳水化合物的代謝和運(yùn)輸貯藏與脲酶、轉(zhuǎn)化酶和堿性磷酸酶密切相關(guān)[43,44]。作物根系可以產(chǎn)生酶進(jìn)行養(yǎng)分吸收[45],粉壟耕作通過物理方式改善作物土壤環(huán)境,使作物根系具有活力,向下伸展[46],釋放出更多的酶來加強(qiáng)與土壤微生境養(yǎng)分的互換[24],使粉壟耕作比傳統(tǒng)耕作具有更高的土壤酶活性。土壤中的酶不僅來源于作物根系,還來源于土壤微生物的代謝活動(dòng)[47]。異養(yǎng)型細(xì)菌為了自身發(fā)展,會(huì)釋放出相應(yīng)功能的酶,來參與土壤養(yǎng)分的循環(huán)[48]。王丹等[49]研究發(fā)現(xiàn),放線菌門(Actinobacteriota)可以降解土壤中各種不溶性有機(jī)物質(zhì)以供細(xì)胞代謝所需的各種營(yíng)養(yǎng),與水解酶的活性有顯著相關(guān)。擬桿菌門(Bacteroidota)是具有溶磷作用的富營(yíng)養(yǎng)菌,參與養(yǎng)分代謝,與脲酶、轉(zhuǎn)化酶和堿性磷酸酶呈正相關(guān)[50]。真菌群落的發(fā)展使養(yǎng)分循環(huán)加快,能量代謝有關(guān)的真菌和參與養(yǎng)分循環(huán)土壤酶高度相關(guān)[51],也進(jìn)一步證明土壤酶活性的高低受土壤真菌的影響。傳統(tǒng)耕作不利于作物表層根系發(fā)育和土壤微生物活動(dòng)[52],導(dǎo)致土壤中酶活性低。粉壟耕作通過改善耕地土壤物理結(jié)構(gòu),促進(jìn)了作物根系的生長(zhǎng)和土壤微生物自身發(fā)展,并釋放出相應(yīng)的酶,加快了土壤養(yǎng)分的循環(huán),使粉壟耕作下的土壤酶活性高于傳統(tǒng)耕作(表1),并且脲酶和轉(zhuǎn)化酶活性與產(chǎn)量顯著正相關(guān)(表4),粉壟耕作處理的玉米產(chǎn)量得到提升。

3.3 控制因素對(duì)功能多樣性的影響

已有研究表明,根系的生長(zhǎng)可以釋放酶和碳源[53],從而影響分解碳源的微生物,有利于土壤微生物多樣性的增加[54,55]。粉壟耕作與傳統(tǒng)耕作之間微生物群落結(jié)構(gòu)存在差異,粉壟耕作深度35 cm顯著提升了0—20 cm土層的功能多樣性,粉壟耕作深度50 cm顯著提升了20—40 cm土層微生物功能多樣性。造成的原因可能是,粉壟耕作可以促進(jìn)根系生長(zhǎng),使根系釋放出更多的碳源,從而提高了微生物功能多樣性。有研究表明,患病根系增加了羧酸類和胺類碳源的釋放,從而提升了土壤微生物對(duì)羧酸類和胺類碳源的利用[56,57]。本研究得出,在0—20 cm土層中粉壟耕作對(duì)羧酸類碳源的利用率顯著降低；在20—40 cm土層中,粉壟耕作深度35 cm和粉壟耕作深度50 cm相比顯著降低了對(duì)胺類碳源的利用比例。說明粉壟耕作可以減少作物根系患病的幾率,患病根系向周圍分泌羧酸類和胺類碳源減弱,使微生物利用碳源的能力發(fā)生改變。

土壤微生物細(xì)菌和真菌群落多樣性可以直接影響微生物功能多樣性(圖6)。已有研究表明,土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)和碳源代謝緊密相關(guān)[58]。土壤中擁有代謝、遺傳信息處理、有機(jī)系統(tǒng)3類功能基因的共養(yǎng)生物(copiotrophs、R-strategists)和寡養(yǎng)生物(oligotrophs、K-strategists)相互作用,促進(jìn)了細(xì)菌群落從土壤中吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和溶解鐵和小分子等來加速自身生長(zhǎng),使土壤細(xì)菌代謝旺盛,提高了細(xì)菌功能群落多樣性[59—61]。真菌功能預(yù)測(cè)的腐生營(yíng)養(yǎng)型為最主要的營(yíng)養(yǎng)型,這可能與子囊菌門為優(yōu)勢(shì)菌門有關(guān)。子囊菌門大多為腐生菌,是土壤中重要的分解者[62],可以分解難降解的有機(jī)質(zhì),在養(yǎng)分循環(huán)方面起著重要作用[63]。另外,含有共生營(yíng)養(yǎng)型的叢枝菌根真菌(AMF)與宿主植物建立共生關(guān)系后, 不僅顯著影響植物生長(zhǎng), 還能引起根系分泌物的變化[64,65]。AMF與植物共生可以影響土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性[66]。本研究得出,粉壟耕作下細(xì)菌功能預(yù)測(cè)的一級(jí)代謝通路代謝作用和環(huán)境信息處理比傳統(tǒng)耕作顯著增加(圖4),真菌的功能預(yù)測(cè)出的營(yíng)養(yǎng)類型也比傳統(tǒng)耕作顯著提高(圖5)。原因可能是,粉壟耕作可以增加了細(xì)菌的功能基團(tuán),細(xì)菌增強(qiáng)了養(yǎng)分的攝取能力,功能代謝得到提升。真菌不同營(yíng)養(yǎng)類型的功能基團(tuán)增加,提升了自己參與碳源代謝的能力。真菌不僅可以分解出細(xì)菌利用的碳源,而且間接促進(jìn)根系向土壤釋放碳源[67]。細(xì)菌真菌相互作用,使土壤中代謝底物變得豐富多樣,土壤微生物功能多樣性提升。此外,粉壟耕作下的病菌-腐生菌、病菌-共生菌、腐生菌、腐生-共生菌和病菌-腐生菌-共生菌等功能基團(tuán)不同程度下均高于傳統(tǒng)耕作處理,可能的原因是,粉壟耕作處理顯著改變了真菌群落結(jié)構(gòu),真菌數(shù)量增多,導(dǎo)致相應(yīng)功能的功能基團(tuán)也增多。

土壤酶活性作為微生物活性的指示物,與微生物功能多樣性顯著相關(guān)[68—71]。段益莉等[72]研究表明,土壤酶活性的高低不僅可以反映出有機(jī)物質(zhì)的水解程度,還能反映出對(duì)碳源利用能力的高低。本研究也發(fā)現(xiàn),土壤酶活性顯著影響了微生物功能多樣性(圖6),表明粉壟耕作可以通過提升酶活性間接的使土壤微生物功能多樣性提高,使土壤微生物群落利用養(yǎng)分的能力加強(qiáng),群落功能結(jié)構(gòu)完善,增加了土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,提升了玉米的產(chǎn)量。

4 結(jié)論

本文研究了粉壟耕作對(duì)玉米耕地土壤酶活性、微生物群落結(jié)構(gòu)和功能代謝的影響,研究表明：粉壟耕作可以顯著改善土壤細(xì)菌、真菌群落結(jié)構(gòu),增加參與養(yǎng)分代謝的功能基團(tuán),提高土壤微生物群落多樣性,并增加了玉米產(chǎn)量；粉壟耕作提升了參與養(yǎng)分循環(huán)的土壤脲酶、轉(zhuǎn)化酶和堿性磷酸酶的活性；粉壟耕作技術(shù)促進(jìn)了土壤微生物養(yǎng)分代謝的能力,使土壤微生物總體的功能多樣性得到提升；從土壤微生物群落多樣性、功能多樣性、酶活性和玉米產(chǎn)量可以看出,粉壟耕作深度35 cm處理優(yōu)于粉壟耕作深度50 cm?？偟膩碚f,從土壤微生態(tài)的角度可以初步得出粉壟耕作技術(shù)可以促進(jìn)了養(yǎng)分循環(huán),使土壤耕地質(zhì)量得到提升,增加了農(nóng)作物的產(chǎn)量。本研究為粉壟耕作技術(shù)在中國(guó)西部干旱半干旱地區(qū)作物栽培的應(yīng)用發(fā)展提供了科學(xué)依據(jù)。

耕作方式對(duì)耕地質(zhì)量的影響是一個(gè)周期較長(zhǎng)的過程。因此,隨著長(zhǎng)期粉壟耕作的使用,耕地物理結(jié)構(gòu)和土壤微生態(tài)也會(huì)發(fā)生著變化。本團(tuán)隊(duì)僅研究了一年的粉壟耕作不同深度對(duì)耕地土壤酶活性、微生物群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性的影響,未來會(huì)在此試驗(yàn)田進(jìn)行長(zhǎng)期工作,今后會(huì)對(duì)土壤微生態(tài)的變化進(jìn)行長(zhǎng)期檢測(cè)和跟蹤研究,并進(jìn)一步增加關(guān)于土壤團(tuán)聚體、土壤碳含量以及土壤病害等研究?jī)?nèi)容。