玉米不同種植年限對(duì)土壤磷庫及含相關(guān)功能基因微生物群落的影響

佟德利, 于 鑫,, 許 璐,, 朱廣鵬,, 王慎強(qiáng), 汪 玉

(1. 沈陽師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 沈陽 110034;2. 中國科學(xué)院南京土壤研究所, 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210008)

0 引 言

科爾沁沙地是我國北方半干旱農(nóng)牧交錯(cuò)帶的重要組成部分[1],近80%的地區(qū)已嚴(yán)重沙漠化[2]。在這個(gè)風(fēng)沙環(huán)境惡劣和土壤貧瘠地區(qū),沙漠化的主要原因是過度砍伐天然植被、過度放牧和大量耕種天然草原[3]。對(duì)抗荒漠化和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)是這一地區(qū)的重大挑戰(zhàn)[4]。玉米種植是該地區(qū)主要的種植方式,種植面積在10.6×104hm2以上,占全區(qū)糧食種植面積的84%,玉米產(chǎn)量占全年糧食總產(chǎn)量的98%[5]。磷是植物生長(zhǎng)必不可缺的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),是一種不可再生的全球資源[6],植物生長(zhǎng)過程中需要的磷大部分來自土壤,所以土壤中磷素供給程度將直接關(guān)系到作物的產(chǎn)量[7]。Su等[4]的研究表明,沙質(zhì)草地開墾后,玉米短期種植造成耕層土壤全磷和有效磷顯著下降,同時(shí)土壤碳氮有效性降低。Brunetto等[8]對(duì)沙質(zhì)草地不同開墾年限的土壤磷形態(tài)的研究表明,施磷顯著提高了土壤無機(jī)磷含量,而有機(jī)磷含量未發(fā)生顯著變化。然而,關(guān)于沙質(zhì)草地農(nóng)田土壤磷素隨時(shí)間變化過程中的微生物學(xué)影響研究相對(duì)較少。

土壤微生物是磷的生物地球化學(xué)過程中的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素,微生物的活性強(qiáng)弱及群落結(jié)構(gòu)與植物的生長(zhǎng)密切相關(guān)[9],解磷微生物可以將土壤中較難被作物利用的磷組分轉(zhuǎn)變成可利用形態(tài)[10]。磷酸酶基因家族中的phoD基因通常作為一種探究農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)磷礦化過程的生物指示物[11]。大量研究通過檢測(cè)編碼phoD基因的微生物群落變化,評(píng)估在不同的種植體系中肥料管理對(duì)土壤Po礦化和磷有效性的影響[12-14]。研究發(fā)現(xiàn),種植玉米土壤中解有機(jī)磷微生物群落豐度能達(dá)到解無機(jī)磷微生物群落豐度的133倍[15]。而人們對(duì)科爾沁地區(qū)風(fēng)沙土農(nóng)田土壤磷循環(huán)微生物學(xué)過程的認(rèn)識(shí)嚴(yán)重不足。因此,本文以科爾沁地區(qū)沙質(zhì)草地開墾后不同玉米種植年限土壤為研究對(duì)象,研究隨著種植年限的增加其土壤磷庫變化規(guī)律及微生物響應(yīng)過程,以期為該地區(qū)土壤磷素庫容及其有效性的提高提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古通遼市扎魯特旗境內(nèi)(121°44′E,44°5′N),是我國北方半干旱農(nóng)牧交錯(cuò)帶的科爾沁沙地腹地。該地區(qū)屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年均氣溫6.6 ℃,年均日照時(shí)數(shù)2 882.7 h,無霜期139 d,降雨主要集中在7～8月份,年均濕度49%。土壤為風(fēng)沙土,成土母質(zhì)為風(fēng)積物。

根據(jù)對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶的調(diào)研結(jié)果,選取草地開墾的玉米種植土壤為研究對(duì)象,于2018年10月進(jìn)行集中采樣,包括種植10 yr(2009—2018)、種植20 yr(1999—2018)和種植60 yr(1959—2018)的3個(gè)處理。一次性施加商品復(fù)合肥(N∶P∶K=15∶15∶15):195 kg N ha-1,150 kg P2O5ha-1和90 kg K2O ha-1。土壤樣品以5點(diǎn)取樣法采集,采集混勻后的土樣剔除雜質(zhì)后,部分土壤經(jīng)風(fēng)干、研磨、過篩后室溫保存。部分鮮土-20 ℃保存用于微生物指標(biāo)測(cè)定。

1.2 實(shí)驗(yàn)分析方法

土壤pH值以1∶2.5土水比測(cè)定;全碳、全氮采用碳氮全自動(dòng)分析儀測(cè)定;速效磷用NaHCO3(0.5 mol·L-1,pH=8.5)提取后測(cè)定;土壤全磷含量經(jīng)H2SO4-HClO4預(yù)處理,H2O2消煮后鉬藍(lán)比色法測(cè)定;土壤磷酸酶活性采用試劑盒完成;土壤磷組分利用Tiessen等[16]改進(jìn)的磷素分級(jí)方法進(jìn)行分析測(cè)定, 所有磷形態(tài)分為活性磷、中等活性磷及穩(wěn)態(tài)磷3大類,總有機(jī)磷為NaHCO3-Po與NaOH-Po之和;土壤中微生物群落豐度采用磷脂脂肪酸法測(cè)定[17];功能基因測(cè)序由派森諾生物技術(shù)有限公司完成,詳細(xì)步驟參照Maruyama等[18]的方法。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 18.0對(duì)土壤理化性質(zhì)、磷組分以及含phoD基因細(xì)菌群落多樣性進(jìn)行單因素方差分析和差異性顯著檢驗(yàn),用Origin 2019進(jìn)行回歸分析、制圖?；贠UT豐度表的細(xì)菌群落主成分分析和土壤理化性質(zhì)與含phoD基因細(xì)菌主要屬的相關(guān)性熱圖,均在R軟件中完成,采用Canoco 5.0完成環(huán)境因子與含phoD基因細(xì)菌群落的冗余分析。

2 結(jié)果討論

2.1 玉米種植年限對(duì)土壤理化性質(zhì)及磷庫組分的影響

玉米不同種植年限土壤理化性質(zhì)見表1,沙質(zhì)草地開墾種植玉米60 yr,土壤pH值分別較種植10 yr,20 yr顯著升高0.27和0.26個(gè)單位。較種植10 yr,玉米種植60 yr后,土壤全碳和全氮含量分別顯著下降44.7%和23.3%,20 yr土壤中沒有顯著變化,而土壤碳氮比先升高后下降。此外,隨玉米種植年限的增加,持續(xù)的磷肥施入導(dǎo)致土壤全磷濃度持續(xù)顯著升高,土壤碳磷比顯著下降(P< 0.05)。

表1 玉米不同種植年限土壤理化性質(zhì)Table 1 Soil properties for different cultivation years of maize

如圖1所示,相較種植10 yr,速效磷在種植20 yr和60 yr時(shí)分別顯著增加了119%和138%;穩(wěn)態(tài)磷分別增加了71%和110%(P<0.05);種植20 yr后中等活性磷顯著升高(P<0.05),由18.7 mg·kg-1增加到22.0 mg·kg-1。

圖1 玉米不同種植年限土壤磷庫組分變化Fig.1 Changes of P pool components in soil of Maize for different cultivation years

2.2 玉米不同種植年限對(duì)土壤磷酸酶和微生物群落的影響

如圖2所示,種植玉米60 yr及20 yr土壤堿性磷酸酶活性較種植10 yr土壤分別顯著增加了3.81和5.68 μmol·d-1·g-1(P<0.05),土壤酸性磷酸酶活性無顯著變化(P>0.05)。玉米不同種植年限對(duì)細(xì)菌、真菌、革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌和放線菌的豐度沒有顯著影響(圖3)。叢枝菌根真菌豐度顯著降低,相比種植10 yr,在玉米種植60 yr時(shí)其在土壤中含量由29.14 μg·g-1降低至23.79 μg·g-1(P<0.05),降幅達(dá)22.5%。

圖2 玉米不同種植年限土壤磷酸酶活性Fig.2 Soil phosphatase activity in different cultivation years of maize

圖3 玉米不同種植年限土壤微生物群落豐度

2.3 玉米不同種植年限對(duì)含phoD基因細(xì)菌群落多樣性和組成的影響

玉米不同種植年限土壤含phoD基因細(xì)菌群落α-多樣性見表2。相比于種植10 yr和20 yr,玉米種植60 yr土壤含phoD基因細(xì)菌群落Chao1指數(shù)顯著下降。相比于種植20 yr,香農(nóng)指數(shù)與辛普森指數(shù)在種植60 yr土壤中顯著上升。通過對(duì)含phoD基因細(xì)菌群落主成分分析發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)期玉米種植顯著改變了含phoD基因細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的分異(圖4,P<0.05)。玉米種植60 yr與10 yr和20 yr的土壤解磷細(xì)菌群落出現(xiàn)明顯分離。

表2 玉米不同種植年限土壤含phoD基因細(xì)菌群落α-多樣性Table 2 The α-diversity of phoD-harboring bacteria community in maize soils under different cultivation years

圖4 玉米不同種植年限土壤解磷細(xì)菌群落主成分分析Fig.4 Principal component analysis in maize soils with different cultivation years

在屬水平上,其中有5個(gè)屬相對(duì)豐度出現(xiàn)顯著變化(P<0.05)。如圖5所示,相比種植10 yr,在種植60 yr玉米的土壤中,假單胞菌屬(Pseudomonas)、紅色桿菌屬(Rubrobacter)和中華根瘤菌屬(Sinorhizobium)的相對(duì)豐度均顯著增加;而慢生根瘤菌屬(Bradyrhizobium)和擬無枝酸菌屬(Amycolatopsis)的相對(duì)豐度顯著下降(P<0.05)。另外,回歸分析結(jié)果表明(圖6),堿性磷酸酶活性與含phoD基因細(xì)菌群落豐富度呈顯著負(fù)相關(guān),而與土壤有機(jī)磷的含量沒有顯著相關(guān)性。

圖5 玉米不同種植年限含phoD基因細(xì)菌屬水平群落組成(*p<0.05, **p<0.001)

(a) 堿性磷酸酶與豐富度的關(guān)系(b) 堿性磷酸酶與有機(jī)磷的關(guān)系

2.4 玉米不同種植年限土壤含phoD基因細(xì)菌群落與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

冗余分析結(jié)果如圖7所示,所選的環(huán)境因子共同解釋了解磷細(xì)菌群落68.49%的分異,冗余分析第一排序軸和第二排序軸分別解釋了49.23%和19.26%,其中,全氮(45.8%),pH(17.6%)對(duì)含phoD基因細(xì)菌群落變化具有顯著影響(P<0.01)。進(jìn)一步相關(guān)分析表明,pH值、全氮以及全碳與Amycolatopsis,Bradyrhizobium,Pseudomonas,Rubrobacter和Sinorhizobium之間顯著相關(guān),Pleomorphomonas與pH值、全碳顯著相關(guān),穩(wěn)態(tài)磷與Amycolatopsis,Rubrobacter顯著相關(guān),而活性磷、中等活性磷以及速效磷與主要解磷物種之間沒有顯著相關(guān)性。

(a) 冗余分析(b) 相關(guān)性分析(*p<0.05, **p<0.001)

3 討 論

本文通過比較玉米不同種植年限土壤磷庫組分變化發(fā)現(xiàn),土壤全磷隨種植年限的延長(zhǎng)顯著增加。較種植10 yr,種植20 yr和60 yr土壤中速效磷、活性磷和穩(wěn)態(tài)磷都顯著增加,有機(jī)磷無顯著變化。但種植60 yr與種植20 yr相比,盡管有磷肥施入,土壤中活性磷和中等活性磷有下降趨勢(shì),但速效磷沒有顯著變化,這可能是因?yàn)橥寥捞?、氮含量下降影響了磷素轉(zhuǎn)化過程而導(dǎo)致速效磷供給不足。該試驗(yàn)田由草地改為玉米種植,原始總磷濃度比較低,改為玉米種植后由于磷肥的施入,在供應(yīng)玉米生長(zhǎng)磷需求的同時(shí),大部分磷都固定吸附在土壤中[19-20],因而土壤磷庫呈增加趨勢(shì),這與Brunetto等[8]的研究一致。本文研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),種植玉米60 yr后,土壤全碳、全氮含量顯著下降,這可能是因?yàn)樵谏迟|(zhì)草地開墾耕作,土壤風(fēng)蝕會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)下降,有機(jī)質(zhì)(活性庫)的損失使重要的土壤性質(zhì)如團(tuán)聚體穩(wěn)定性和氮礦化發(fā)生顯著變化,這與前人的研究結(jié)果一致[21-22]。李順江等[23]的研究表明,沙質(zhì)草地開墾為農(nóng)田后,土壤向粗?；蛦瘟；葑?同時(shí)土壤有機(jī)碳含量嚴(yán)重下降。文海燕等[24]對(duì)沙質(zhì)草地開墾后土壤性狀的研究表明,開墾5年后,土壤耕作層損失大量的碳和氮,而耕作層的全磷和速效磷含量沒有發(fā)生顯著變化,這可能與開墾時(shí)間和施肥水平有關(guān)。

本文的研究結(jié)果表明,種植年限的增加顯著降低了土壤中叢枝菌根真菌的群落豐度,這與之前的研究結(jié)果一致。Williams等[25]利用磷脂脂肪酸法研究了瑞典4種土壤55年不同施肥處理下微生物群落組成的響應(yīng),認(rèn)為土壤中的細(xì)菌群落組成主要由土壤性質(zhì)決定,而與種植年限關(guān)系不大。Li等[26]的研究表明,土壤細(xì)菌群落演替動(dòng)態(tài)與土壤肥力沿土壤時(shí)間序列的變化有關(guān)。Lin等[27]的研究表明,大多數(shù)叢枝菌根真菌較適應(yīng)低磷土壤,磷肥的施用降低了叢枝菌根真菌的豐富度和多樣性。磷酸酶可以酶促土壤中Po化合物的礦化[28]。本文中,玉米長(zhǎng)期種植顯著增加了堿性磷酸酶的活性,對(duì)酸性磷酸酶沒有顯著影響,這可能與不同種類磷酸酶的最適pH值有關(guān)。莫雪等[29]的研究表明,酸性磷酸酶的最適pH值在4～6,堿性磷酸酶的最適pH值在8～10。

大多數(shù)的研究表明[30],通常低磷環(huán)境可以促使phoD基因編碼磷酸酶礦化有機(jī)磷以緩解土壤中存在的磷饑餓。在本研究中,相比于種植10 yr,土壤中有效磷含量在種植20 yr之后顯著增加,而攜帶phoD基因的解磷細(xì)菌群落豐富度沒有顯著變化,這與Chen等[31]的研究一致,表明phoD基因編碼磷酸酶并不只是受土壤速效磷水平的影響?；貧w分析表明,堿性磷酸酶活性與含phoD基因的豐富度顯著負(fù)相關(guān),與有機(jī)磷含量沒有顯著相關(guān)關(guān)系,這說明長(zhǎng)期無機(jī)磷肥施加未改變有機(jī)磷的礦化過程,而堿性磷酸酶的增加可能是由于其被細(xì)胞釋放后被具有表面活性的土壤顆粒捕獲,這種胞外酶活性不受基因合成的控制,因而對(duì)土壤中磷的有效性不敏感[32]。

冗余分析進(jìn)一步表明,土壤全氮和pH值顯著影響了含phoD基因細(xì)菌群落的變化。同時(shí),大多數(shù)屬與全氮、pH值、全碳有顯著相關(guān)性。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中,pH值是影響phoD細(xì)菌群落的重要影響因子[32]。土壤碳、氮和磷是微生物代謝生長(zhǎng)繁殖過程中的重要營(yíng)養(yǎng)元素,在土壤碳氮磷元素循環(huán)過程中彼此間密切相關(guān)[15]。通常,土壤微生物活性和群落組成取決于有機(jī)碳的性質(zhì),而有機(jī)碳含量的增加可能會(huì)促使微生物溶解無機(jī)磷或礦化有機(jī)磷,以滿足其生長(zhǎng)需求[33]。以上結(jié)果表明,長(zhǎng)期玉米種植造成土壤pH值改變及碳氮元素含量降低影響了phoD細(xì)菌群落結(jié)構(gòu),進(jìn)而影響了土壤磷素循環(huán)。

4 結(jié) 論

1) 沙質(zhì)草地開墾后,長(zhǎng)期玉米種植造成了土壤碳氮下降,全磷和穩(wěn)態(tài)磷含量隨種植年限增加而顯著上升,而活性磷和中等活性磷在種植20 yr到60 yr之間呈下降趨勢(shì),影響了土壤有效磷含量。

2) 玉米不同種植年限間大多數(shù)微生物的豐度沒有發(fā)生顯著變化,但含phoD基因的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)在種植60 yr時(shí)發(fā)生顯著變化,pH值和全氮顯著影響了含phoD基因的細(xì)菌群落變化,并與主要屬有顯著相關(guān)性。結(jié)果表明,玉米種植過程中土壤碳氮下降、pH值升高等土壤性質(zhì)的變化對(duì)土壤磷素循環(huán)過程產(chǎn)生重要影響。