不同品種菌草對(duì)土壤酶活性及土壤微生物多樣性的影響

崔綰彤, 孟 彤, 齊 彬, 張 威, 張兆榮, 林冬梅, 林占熺, 劉艷玲

(1.福建農(nóng)林大學(xué)國(guó)家菌草工程技術(shù)研究中心，福建 福州 350002；2.福建農(nóng)林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350002)

狼尾草屬(Pennisetum)起源非洲，是禾本科多年生草本植物，約有140種，多分布于熱帶和亞熱帶地區(qū).目前，中國(guó)的狼尾草屬內(nèi)有13種(包括引種栽培)，其生物學(xué)特性相似，多數(shù)可作為優(yōu)良牧草應(yīng)用于畜牧業(yè)[1-3].雜交狼尾草(Pennisetumamericanum×Pennisetumpurpureum)具有生長(zhǎng)速度快、生物量大、品質(zhì)優(yōu)良、抗逆性強(qiáng)和對(duì)土壤要求低等優(yōu)點(diǎn)，可作為能源植物被廣泛應(yīng)用到飼料原料、造紙等領(lǐng)域[4].與雜交狼尾草比，桂閩引象草(PennisetumpurpureumSchum. cv. Guiminyin)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期長(zhǎng)，30～60 d(福建地區(qū))，具有高產(chǎn)性和持久性(可連續(xù)5年維持高產(chǎn))、生長(zhǎng)速度快、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高、抗逆性強(qiáng)、適口性好等特點(diǎn)，多用于飼草，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和生態(tài)價(jià)值[5].象草(Pennisetumpurpereum)是熱帶和亞熱帶地區(qū)普遍栽培的多年生暖季型牧草，具有生長(zhǎng)速度快、生物產(chǎn)量高、營(yíng)養(yǎng)豐富、抗逆性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[6].熱研4號(hào)王草(Pennisetumpurpereum×Pennisetumamericanumcv. Reyan No.4)又名巨象草、皇竹草，具有適應(yīng)性強(qiáng)、產(chǎn)量高等優(yōu)點(diǎn)[7].桂牧1號(hào)(hybridPennisetumpurpureumcv. Guimu-1)具有葉片柔軟、適口性好、分蘗多、葉片數(shù)量多、再生性強(qiáng)、生長(zhǎng)速度快、產(chǎn)量高、抗逆性強(qiáng)、適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)，可用于飼養(yǎng)牛、羊、魚、鵝等草食動(dòng)物[8].巨菌草(CenchrusfungigraminusZ.X.Lin & D.M. Lin & S.R. Lan sp. Nov.)以前歸屬于狼尾草屬，現(xiàn)歸屬于蒺藜草屬，其株高可達(dá)8 m，每公頃可產(chǎn)鮮草約550 t，具有生長(zhǎng)速度快、生物量大、抗性強(qiáng)、適應(yīng)性廣、營(yíng)養(yǎng)豐富且不具生物入侵風(fēng)險(xiǎn)等特點(diǎn)[9].

狼尾草屬生物量大且根系發(fā)達(dá)，可作為生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化利用的優(yōu)良原料[10].狼尾草屬植物大多生性強(qiáng)健、抗逆性強(qiáng)、水分利用率高、耐旱性較強(qiáng)、養(yǎng)護(hù)成本低，亦可作為造景材料用于城市綠化[11-13].近年來，關(guān)于狼尾草屬對(duì)土壤修復(fù)、水土保持、生態(tài)修復(fù)治理等作用的相關(guān)研究也越來越多[1,14-15].雜交狼尾草對(duì)污染物的耐受能力較強(qiáng)，可一定程度上修復(fù)十溴聯(lián)苯醚-鋅復(fù)合污染和重金屬?gòu)?fù)合污染土壤[16-17]；在田間條件下，具有較強(qiáng)的清除土壤鎘、鋅的潛力[18]，在鎘污染土壤修復(fù)中具有較大的潛力和應(yīng)用價(jià)值[19].研究表明，狼尾草屬植物有一定的柴油污染耐受力和耐鹽能力，可作為鹽漬地原油污染土壤的修復(fù)植物[20].施用土壤調(diào)理劑和種植狼尾草對(duì)修復(fù)稀土礦區(qū)尾砂土壤具有顯著效果，也可對(duì)廢棄稀土礦區(qū)及其周邊尾砂土壤進(jìn)行修復(fù)[21].狼尾草可明顯調(diào)節(jié)阿特拉津污染的土壤理化性質(zhì)，進(jìn)而達(dá)到修復(fù)污染土壤和改善土壤的效果[22].

巨菌草在崩崗區(qū)種植不僅能正常生長(zhǎng)，并可在較短時(shí)間內(nèi)固定土壤，有利于植被重建[23].荒坡地種植巨菌草可增加土壤微生物多樣性，并在一定程度上提高土壤肥力[24].砒砂巖地區(qū)種植巨菌草，能明顯促進(jìn)土壤細(xì)菌菌群多樣性和豐富度，有效提高土壤有機(jī)質(zhì)含量[25].此外，巨菌草在修復(fù)重金屬污染土壤、改善土壤微生物含量以及防風(fēng)固沙等方面的應(yīng)用越來越多[26-28].因此，菌草在土壤改良、土壤修復(fù)以及生態(tài)治理方面的實(shí)用價(jià)值較高.但目前，同時(shí)比較不同品種菌草對(duì)土壤養(yǎng)分、土壤酶活性以及土壤微生物多樣性的相關(guān)研究鮮見報(bào)道.本試驗(yàn)擬選用國(guó)家菌草工程技術(shù)研究中心苗圃資源庫(kù)種植的6種菌草的土壤為研究材料，測(cè)定不同土壤樣品的營(yíng)養(yǎng)成分、酶活性，利用高通量測(cè)序技術(shù)檢測(cè)土壤中微生物多樣性以及群落結(jié)構(gòu)，分析不同菌草的種植對(duì)土壤理化性質(zhì)以及土壤微生物多樣性的影響，探討種菌草對(duì)土壤環(huán)境的影響，為評(píng)價(jià)菌草對(duì)土壤微生態(tài)的影響提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地在福建省福州市閩侯縣福建農(nóng)林大學(xué)旗山校區(qū)國(guó)家菌草工程技術(shù)研究中心苗圃資源庫(kù)(以下簡(jiǎn)稱中心苗圃資源庫(kù))，該地處于北緯26°06′，東經(jīng)119°19′，屬于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，溫暖濕潤(rùn)，年平均降水量900～2 100 mm，年平均溫度20～25 ℃，無霜期達(dá)326 d，年平均日照1 700～1 980 h.研究區(qū)中心苗圃之前是農(nóng)田，土壤質(zhì)地是紅壤土，整體規(guī)劃旗山校區(qū)時(shí)因研究區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)高度不夠，后用黏土和少量建筑垃圾進(jìn)行填方至標(biāo)準(zhǔn)高度.在規(guī)劃中心苗圃資源庫(kù)和種植菌草之前，對(duì)土壤表面較大石塊進(jìn)行清理.

1.2 采樣點(diǎn)設(shè)置與樣品采集

供試6種植物分別是：雜交狼尾草(A)、巨菌草(B)、象草(C)、熱研4號(hào)王草(D)、桂閩引象草(E)、桂牧1號(hào)(F)，均種植在中心苗圃資源庫(kù).每塊苗圃面積為5 m×2 m，種植密度均為60 cm×80 cm，小區(qū)間距1 m，所采樣品試驗(yàn)區(qū)的菌草種植時(shí)間均為5年.

5點(diǎn)取樣法選取5個(gè)抽樣方，每個(gè)樣方隨機(jī)選取3個(gè)采樣點(diǎn)，取土前先去除土壤表層凋落物和植被，隨后采集0～20 cm土樣.將3個(gè)樣點(diǎn)的土樣充分混勻后剔除石礫和植物殘根等雜物，過2 mm孔徑篩混勻處理后，部分裝于無菌密封袋，立即放入干冰中運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室，置于-80 ℃保存，用于土壤微生物多樣性研究.部分土壤樣品置于通風(fēng)處陰涼風(fēng)干，經(jīng)粉碎、過篩等處理，用于土壤養(yǎng)分含量及pH測(cè)定.部分新鮮土樣過篩后立即置于冰箱中或進(jìn)行酶活性測(cè)定.

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 土壤養(yǎng)分含量的測(cè)定 土壤pH采用pH S-3C型酸度計(jì)測(cè)定；速效氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；速效磷含量采用鉬銻抗比色法測(cè)定；全氮含量采用凱氏定氮法測(cè)定；有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定，土壤有機(jī)質(zhì)含量=土壤有機(jī)碳含量×1.724(1.724是土壤有機(jī)碳換成土壤有機(jī)質(zhì)的平均換算系數(shù))[29].

1.3.2 土壤酶活性的測(cè)定 土壤過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定；酸性磷酸酶活性采用對(duì)硝基苯磷酸二鈉比色法測(cè)定；脲酶活性采用苯酚-次氯酸鈉比色法測(cè)定；土壤蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定[30].

1.3.3 土壤微生物測(cè)序 利用土壤DNA提取試劑盒提取土壤基因組總DNA，采用PCR擴(kuò)增細(xì)菌16S rDNA，細(xì)菌鑒定區(qū)域?yàn)?6S rDNA基因的V3-V4區(qū)(前端引物343F：5′-TACGGRAGGCAGCAG-3′.后端引物798R：5′-AGGGTATCTAACCT-3′).采用PCR擴(kuò)增真菌的ITS區(qū)(前端引物ITS1F：5′-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA-3′.后端引物ITS2：5′-GCTGCGTTCTTCATCGATGC-3′)，由北京奧維森基因科技有限公司通過Illumina Miseq測(cè)序平臺(tái)完成測(cè)序.

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析前進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)和方差齊性檢驗(yàn)，采用SPSS 23.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA)，并使用LSD法進(jìn)行多重比較.Pearson相關(guān)性分析土壤酶活性與土壤養(yǎng)分、土壤微生物菌群與土壤養(yǎng)分之間的相關(guān)關(guān)系.表格中的數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種菌草對(duì)土壤養(yǎng)分和土壤酶活性的影響

與空白對(duì)照組的土壤pH相比(表1)，熱研4號(hào)王草土壤pH略有升高，但無顯著差異(P>0.05)，而其他幾種狼尾草的土壤pH均顯著低于對(duì)照組(P<0.05).象草、桂閩引象草、桂牧1號(hào)等土壤養(yǎng)分含量均顯著高于對(duì)照組(P<0.05).與對(duì)照組相比，象草土壤速效磷、桂閩引象草土壤速效氮、桂閩引象草土壤全氮含量分別提高了234.25%、92.67%、175.00%.6種菌草土壤有機(jī)質(zhì)的含量均有顯著提高(P<0.05)，其中桂閩引象草土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，比對(duì)照組提高了280.39%.由此表明，種植菌草可提高土壤養(yǎng)分含量，并能改善土壤質(zhì)量.

土壤酶活性指的是土壤酶催化物質(zhì)轉(zhuǎn)化的能力，是體現(xiàn)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo).6種菌草土壤過氧化氫酶活性與對(duì)照組無顯著差異(表2)，象草和桂閩引象草土壤酸性磷酸酶活性相較于對(duì)照組分別顯著提高了709.05%、116.38%(P<0.05)，其余處理均無顯著差異.與對(duì)照組相比，熱研4號(hào)王草、桂閩引象草土壤蔗糖酶活性分別提高了74.24%、92.39%，其他4種菌草酶活性則有不同程度的降低.6種菌草土壤脲酶活性與對(duì)照組相比均有顯著提高，其中桂閩引象草提高了292.95%.綜上，6種菌草對(duì)于提高土壤酶活性有一定的作用.

表1 不同菌草植物對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響Table 1 Effects of different species of JUNCAO on soil nutrients

表2 種植不同品種菌草對(duì)土壤酶活性的影響1)Table 2 Effect of different species of JUNCAO on soil enzyme activities

表3 土壤養(yǎng)分與土壤酶活性的相關(guān)性分析1)Table 3 Pearson correlation analysis between soil nutrients and enzyme activities

土壤養(yǎng)分與土壤酶活性Pearson相關(guān)性分析結(jié)果表明(表3)，土壤過氧化氫酶與土壤中的速效氮、全氮和有機(jī)質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，土壤磷酸酶與速效磷呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，土壤脲酶與速效氮(P<0.01)、速效磷(P<0.05)、全氮(P<0.01)和有機(jī)質(zhì)(P<0.01)呈顯著正相關(guān)，土壤蔗糖酶與土壤pH和有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)(P<0.01).

2.2 土壤細(xì)菌多樣性及其與土壤養(yǎng)分相關(guān)性分析

2.2.1 細(xì)菌Alpha多樣性指數(shù) 細(xì)菌Alpha多樣性指數(shù)是指一個(gè)特定區(qū)域或生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的多樣性,是反映豐富度和均勻度的綜合指標(biāo)，主要的評(píng)估指標(biāo)有ACE指數(shù)、CHAO指數(shù)、Shannon 指數(shù)、觀測(cè)到的OUT數(shù)目(operational taxonomic unit，observed-species)、覆蓋度(coverage)等.分析結(jié)果表明，種植不同品種菌草對(duì)土壤中細(xì)菌的ACE指數(shù)、CHAO指數(shù)、Shannon 指數(shù)、observed-species均有所提高(表4).與對(duì)照組相比，巨菌草、象草、熱研4號(hào)王草、桂閩引象草和桂牧1號(hào)土壤中的ACE指數(shù)顯著升高(P<0.05)，其中桂牧1號(hào)、熱研4號(hào)王草ACE指數(shù)分別提高了20.54%、15.44%；象草、熱研4號(hào)王草和桂牧1號(hào)Shannon 指數(shù)顯著升高(P<0.05)；除巨菌草外，其他5種菌草土壤中的細(xì)菌CHAO指數(shù)顯著高于對(duì)照組(P<0.05)；熱研4號(hào)王草、桂牧1號(hào)土壤細(xì)菌observed-species分別提高了18.05%、22.28%；土壤細(xì)菌的覆蓋度均>0.96，測(cè)序深度能夠較好地反映土壤樣本中細(xì)菌的真實(shí)情況.

2.2.2 土壤細(xì)菌主成分分析 基于高通量測(cè)序主成分分析(principal component analysis, PCA)(圖1)，PC1和PC2的貢獻(xiàn)率分別是28.22%和15.73%，且PC1和PC2是導(dǎo)致21個(gè)樣品產(chǎn)生差異的主要因素，不同菌草植物對(duì)土壤中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)影響較大.巨菌草、象草、熱研4號(hào)王草組內(nèi)樣品距離相對(duì)較遠(yuǎn)，說明其細(xì)菌菌群組成差異略大.其他組內(nèi)土壤樣品的細(xì)菌群落差異較小.

表4 不同品種菌草土壤中細(xì)菌Alpha多樣性指數(shù)1)Table 4 Alpha bacteria diversity index of the soil planted with different species of JUNCAO

A：雜交狼尾草；B：巨菌草；C：象草；D：熱研4號(hào)王草；E：桂閩引象草；F：桂牧1號(hào).圖1 不同土壤細(xì)菌PCA分析Fig.1 Principal component analysis of soil bacteria

2.2.3 土壤細(xì)菌相對(duì)豐度top統(tǒng)計(jì) 高通量測(cè)序結(jié)果表明，土壤細(xì)菌群落共35個(gè)門、109個(gè)綱、154個(gè)目、271個(gè)科、387個(gè)屬，其中門水平上的主要細(xì)菌類別有變形菌門(Proteobacteria)、酸桿菌門(Acidobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)、放線菌門(Actinobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)等(圖2Ⅰ).其中變形菌門、酸桿菌門、綠彎菌門和放線菌門所占比例總和達(dá)80%以上，是本試驗(yàn)土壤樣品中的優(yōu)勢(shì)菌門.雜交狼尾草、巨菌草和桂閩引象草土壤中變形菌門細(xì)菌相對(duì)豐度高于對(duì)照組，雜交狼尾草、巨菌草、象草、熱研4號(hào)王草、桂閩引象草和桂牧1號(hào)土壤中的放線菌門細(xì)菌的相對(duì)豐度均高于對(duì)照組.

在土壤細(xì)菌屬水平上鑒定出的387個(gè)屬中，排名前10的細(xì)菌屬是變形桿菌屬(Variibacter)、嗜血桿菌屬(CandidatusSolibacter)、短根瘤菌屬(Bradyrhizobium)、酸性菌(Acidibacter)、Haliangium、熱酸菌屬(Acidothermus)、布氏桿菌屬(Bryobacter)、Gaiella、Roseiflexus、伯克霍爾德氏菌屬(BurkholderiaParaburkholderia)等(圖2Ⅱ).研究表明，種植菌草后，Variibacter、CandidatusSolibacter、Bradyrhizobium、Haliangium、Acidothermus、BurkholderiaParaburkholderia等細(xì)菌相對(duì)豐度升高.

A：雜交狼尾草；B：巨菌草；C：象草；D：熱研4號(hào)王草；E：桂閩引象草；F：桂牧1號(hào).圖2 土壤微生物中細(xì)菌基于門(Ⅰ)和屬(Ⅱ)水平上的相對(duì)豐度Fig.2 Relative abundance of soil bacteria at the phylum (Ⅰ) and genus (Ⅱ) level

2.2.4 門水平top10細(xì)菌與土壤養(yǎng)分和土壤酶活性的相關(guān)性分析 土壤養(yǎng)分和土壤酶活性與土壤微生物top10細(xì)菌門的相關(guān)性分析結(jié)果表明(表5)：變形菌門與土壤脲酶活性存在顯著正相關(guān)性(P<0.05)；綠彎菌門與土壤速效氮、全氮、有機(jī)質(zhì)和土壤脲酶活性存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；放線菌門與土壤速效氮、全氮、有機(jī)質(zhì)、脲酶和蔗糖酶活性均存在顯著正相關(guān)性(P<0.05)；擬桿菌門與土壤速效氮、全氮、有機(jī)質(zhì)、脲酶和蔗糖酶活性均存在顯著正相關(guān)性，與過氧化氫酶活性存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；疣微菌門(Verrucomicrobia)與土壤pH和過氧化氫酶活性存在顯著負(fù)相關(guān)性，與脲酶活性存在顯著正相關(guān)性(P<0.05)；芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)與土壤pH存在顯著正相關(guān)性，與速效氮、全氮和脲酶活性存在顯著負(fù)相關(guān)性(P<0.05)；硝化螺旋菌門(Nitrospirae)與土壤養(yǎng)分和脲酶活性存在極顯著負(fù)相關(guān)性(P<0.01)；酸桿菌門、匿桿菌門(Latescibacteria)和浮霉菌門(Planctomycetes)與土壤pH、土壤養(yǎng)分和土壤酶活性均不存在顯著相關(guān)性.

表5 土壤養(yǎng)分和土壤酶活性與門水平top10細(xì)菌相對(duì)豐度相關(guān)性分析1)Table 5 Correlation analysis on soil nutrients and soil enzyme activities with bacterial relative abundance ranked top 10 at the phylum level

2.3 土壤真菌多樣性及其與土壤養(yǎng)分相關(guān)性分析

2.3.1 土壤真菌Alpha多樣性指數(shù) 真菌多樣性分析結(jié)果顯示， ACE指數(shù)由高到低的順序?yàn)椋合蟛?桂牧1號(hào)>桂閩引象草>熱研4號(hào)王草>巨菌草>雜交狼尾草>對(duì)照組.與對(duì)照組相比，除了雜交狼尾草，其他菌草真菌ACE指數(shù)均有顯著提高(P<0.05)，象草土壤真菌ACE指數(shù)提高了44.87%；而除了桂牧1號(hào)CHAO指數(shù)顯著高于對(duì)照組(P<0.05)，其他的均無顯著差異；桂牧1號(hào)和象草的Shannon指數(shù)顯著高于對(duì)照組(P<0.05)，其他菌草與對(duì)照組無顯著差異(表6).

表6 不同品種菌草土壤中真菌Alpha多樣性指數(shù)1)Table 6 Alpha fungi diversity of the soil planted with different species of JUNCAO

A：雜交狼尾草；B：巨菌草；C：象草；D：熱研4號(hào)王草；E：桂閩引象草；F：桂牧1號(hào).圖3 不同土壤真菌PCA分析Fig.3 Principal component analysis of different soil fungi

2.3.2 土壤真菌主成分分析 基于高通量測(cè)序主成分分析結(jié)果(圖3)，PC1和PC2的貢獻(xiàn)率分別是25.08%和17.13%，且PC1和PC2是導(dǎo)致21個(gè)土壤樣品存在差異的主要因素，不同品種菌草對(duì)土壤中的真菌群落結(jié)構(gòu)影響較大；桂牧1號(hào)組內(nèi)樣品之間距離較遠(yuǎn)，說明該組內(nèi)土壤真菌群落差異略大，而其他樣品之間距離比較近，說明其土壤真菌群落組成差異較小.

2.3.3 土壤真菌相對(duì)豐度top統(tǒng)計(jì) 高通量測(cè)序結(jié)果表明，在土壤真菌門水平上共13個(gè)門，相對(duì)優(yōu)勢(shì)真菌有子囊菌門(Ascomycota)、擔(dān)子菌門(Basidiomycota)、被孢霉門(Mortierellomycota)和球囊菌門(Glomeromycota)等，其中子囊菌門和擔(dān)子菌門相對(duì)豐度的總和超過60%(圖4Ⅰ).在土壤真菌屬水平上的565個(gè)屬中，粗糙孔菌屬(Trechispora)、被孢霉屬(Mortierella)、枝孢霉屬(Cladosporium)、珊瑚菌屬(Clavaria)、鐮刀菌屬(Fusarium)、青霉屬(Penicillium)、Chloridium、大孢圓孢霉屬(Staphylotrichum)、木霉屬(Trichoderma)和枝頂孢霉屬(Acremonium)等是相對(duì)豐度較高的優(yōu)勢(shì)菌屬.其中，粗糙孔菌屬相對(duì)豐度由高到低依次是巨菌草、熱研4號(hào)王草、雜交狼尾草、象草、桂閩引象草、對(duì)照組、桂牧1號(hào)；被孢霉屬、枝孢霉屬和鐮刀菌屬是對(duì)照組相對(duì)豐度最高；珊瑚菌屬則是桂閩引象草相對(duì)豐度最高，其次是桂牧1號(hào)(圖4Ⅱ).

2.3.4 門水平top 10真菌與土壤養(yǎng)分和酶活性相關(guān)性分析 土壤微生物top10真菌門與土壤養(yǎng)分和土壤酶活性之間的相關(guān)性分析結(jié)果表明(表7)：被孢霉門與土壤養(yǎng)分和脲酶活性存在顯著負(fù)相關(guān)性，與土壤pH存在顯著正相關(guān)性(P<0.05)；壺菌門(Chytridiomycota)與速效磷、酸性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性存在顯著正相關(guān)性(P<0.05)；Kickxellomycota與土壤pH和蔗糖酶活性存在顯著負(fù)相關(guān)性(P<0.05)；羅茲菌門(Rozellomycota)與土壤全氮存在顯著的正相關(guān)性(P<0.05)；油壺菌門(Olpidiomycota)與速效氮、全氮、有機(jī)質(zhì)、脲酶和蔗糖酶活性在顯著正相關(guān)性(P<0.05)；Calcarisporiellomycota與土壤養(yǎng)分和脲酶活性存在顯著的負(fù)相關(guān)性(P<0.05)；子囊菌門、擔(dān)子菌門、球囊菌門和霉亞門(Entomophthoromycota)與土壤pH、土壤養(yǎng)分和土壤酶活性均不存在顯著相關(guān)性.

A：雜交狼尾草；B：巨菌草；C：象草；D：熱研4號(hào)王草；E：桂閩引象草；F：桂牧1號(hào).圖4 土壤微生物中真菌基于門(Ⅰ)和屬(Ⅱ)水平上的相對(duì)豐度Fig.4 Relative abundance of soil fungi at the phylum (Ⅰ) and genus (Ⅱ) level

3 討論

中心苗圃資源庫(kù)初期是一片被黏土和建筑垃圾填方的農(nóng)田，在清除表面大塊垃圾并略微施肥后開始建立苗圃并種植菌草.福建省約70%的耕地土壤為酸性或強(qiáng)酸性，其中福州地區(qū)pH平均值為5.62[31].本研究區(qū)土壤pH范圍為5.45～6.23，雖然所測(cè)對(duì)照組與種植6種菌草土壤pH有差異，但均為弱酸性(5.5≤pH<6.5)[32].土壤pH變化受自然氣候因素、土壤類型、施肥管理和作物體系等諸多因素的影響[31,33]，本研究中種植幾種菌草的土壤pH低于對(duì)照組，推測(cè)可能與種植時(shí)間有關(guān)[34].此外，本試驗(yàn)結(jié)果表明，種植6種狼尾屬菌草的土壤中的有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮和速效磷等養(yǎng)分均有不同程度的升高，推測(cè)可能與植物本身的凋落物以及植物內(nèi)生菌有關(guān)，植物凋落物等有機(jī)物在腐解過程中將其養(yǎng)分釋放回土壤中，有利于提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，從而影響土壤中養(yǎng)分變化[35-37]，以及土壤微生物多樣性和酶活性[38-39].

表7 土壤養(yǎng)分和土壤酶活性與門水平top10真菌相對(duì)豐度相關(guān)性分析1)Table 7 Correlation analysis on soil nutrients and soil enzyme activities with fungal relative abundance ranked top 10 at the phylum level

土壤酶參與土壤生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)質(zhì)的分解和合成、土壤養(yǎng)分的釋放和循環(huán)過程等[40-41].諸多研究表明，土壤pH、有機(jī)質(zhì)、含水量、土壤容重和氮、磷、鉀含量等土壤理化因子均會(huì)影響土壤中的酶活性[42-43].本研究結(jié)果表明，桂閩引象草土壤過氧化氫酶活性顯著低于對(duì)照組，而桂閩引象草土壤速效氮、全氮和有機(jī)質(zhì)均顯著高于對(duì)照組，這與過氧化氫酶活性與土壤速效氮、全氮和有機(jī)質(zhì)均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系結(jié)果一致.本研究中土壤pH偏酸性，因此酸性磷酸酶起主導(dǎo)作用[44].象草和桂閩引象草的酸性磷酸酶活性顯著高于對(duì)照組，且土壤速效磷含量均顯著高于對(duì)照組，相關(guān)性分析結(jié)果表明，酸性磷酸酶活性與速效磷含量存在顯著正相關(guān)關(guān)系，這與戰(zhàn)厚強(qiáng)等[45]研究中酸性磷酸酶活性與速效磷含量存在極顯著正相關(guān)結(jié)果一致.土壤脲酶活性可間接反映土壤的肥沃程度，且脲酶是土壤氮素轉(zhuǎn)化過程中的關(guān)鍵酶[46-47].本研究中，6種菌草土壤脲酶活性均顯著高于對(duì)照組，相關(guān)性分析結(jié)果顯示脲酶與速效氮、速效磷、全氮和有機(jī)質(zhì)均存在顯著正相關(guān)性，這與前文中種植6種菌草土壤中的速效氮、速效磷、全氮和有機(jī)質(zhì)顯著高于對(duì)照組的結(jié)果一致.土壤蔗糖酶直接參與含碳有機(jī)物的代謝和低分子糖的釋放過程，其活性反映土壤中有機(jī)碳轉(zhuǎn)化能力[48].熱研4號(hào)王草和桂閩引象草土壤蔗糖酶顯著高于對(duì)照組，相關(guān)性分析結(jié)果顯示，土壤中蔗糖酶活性與pH、有機(jī)質(zhì)含量存在顯著正相關(guān)性，而本研究土壤偏酸性，pH與土壤蔗糖酶活性呈正相關(guān)，說明酸性土壤對(duì)蔗糖酶活性有一定的促進(jìn)作用.土壤蔗糖酶活性升高，有利于土壤肥力的提高與平衡[49-50].

土壤微生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)代表了土壤中物質(zhì)代謝程度，是衡量土壤肥力和養(yǎng)分的重要指標(biāo)[51].細(xì)菌是土壤微生物中數(shù)量最多、種類最多的一類[52]，其中，變形菌門、酸桿菌門和放線菌門均是普遍存在的細(xì)菌[53].本研究中，巨菌草、象草、熱研4號(hào)王草、桂閩引象草和桂牧1號(hào)細(xì)菌多樣性ACE指數(shù)和CHAO均顯著高于對(duì)照組.變形菌門在全球碳、氮和硫循環(huán)中發(fā)揮著重要作用，從農(nóng)田、草地到原始森林的各種土壤中，變形菌門都是土壤細(xì)菌群落種最重要的門[54],并且是水稻、韭菜和沙蔥的主要根基細(xì)菌[55-56].本研究結(jié)果表明：變形菌門是第一優(yōu)勢(shì)菌群，相對(duì)豐度為24.81%～34.02%；第二是酸桿菌門，相對(duì)豐度為21.75%～25.49%，酸桿菌門在土壤生態(tài)系統(tǒng)中亦扮演著重要角色；第三優(yōu)勢(shì)菌群是綠彎菌門，相對(duì)豐度是10.24%～24.40%，屬于兼性厭氧生物，光合作用中不產(chǎn)生氧氣，不能固氮；第四是放線菌門，不僅參與自然界物質(zhì)循環(huán)，還促進(jìn)土壤形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)從而達(dá)到改善土壤的作用[57].土壤真菌作為分解者存在于生態(tài)系統(tǒng)中，并參與物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)和信息傳遞[58-59].本試驗(yàn)中，6種菌草土壤中真菌ACE指數(shù)均顯著高于對(duì)照組，桂牧1號(hào)真菌CHAO指數(shù)顯著高于對(duì)照組.高通量測(cè)序結(jié)果表明，在門水平上，子囊菌門為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)菌群，相對(duì)豐度為40.24%～55.49%，其在雜交狼尾草和桂牧1號(hào)土壤真菌中相對(duì)豐度分別是50.67%、55.49%，而其他4種菌草的土壤真菌中，子囊菌門相對(duì)豐度在40.24%～47.37%范圍內(nèi).擔(dān)子菌門作為6種菌草的土壤真菌中的優(yōu)勢(shì)菌群，其相對(duì)豐度在巨菌草土壤中最高(34.83%)，在其他幾種菌草土壤中的相對(duì)豐度為15.83%～27.42%.其次是未命名真菌，相對(duì)豐度為11.03%～18.21%，而Mortierellomycota和球囊菌門等相對(duì)豐度較低.

土壤養(yǎng)分是土壤微生物的碳源和氮源，而土壤微生物的多樣性和群落結(jié)構(gòu)某種程度上決定土壤酶的來源[60-61]，土壤養(yǎng)分、土壤微生物及酶活性之間存在著相互促進(jìn)或制約的關(guān)系[62].本試驗(yàn)結(jié)果表明，種植菌草可以提高土壤速效氮、速效磷、全氮和有機(jī)質(zhì)的含量，并在一定程度上影響著土壤酶活性以及土壤微生物多樣性和群落結(jié)構(gòu).土壤微生物與土壤養(yǎng)分相關(guān)性分析結(jié)果表明，土壤中放線菌門和擬桿菌門與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)性，這與前人研究結(jié)果一致，土壤有機(jī)質(zhì)含量可較大程度影響土壤微生物的多樣性和群落結(jié)構(gòu)[63-64].與對(duì)照組相比，種植菌草后細(xì)菌多樣性降低、真菌多樣性增加，推測(cè)與長(zhǎng)期種植菌草有關(guān).長(zhǎng)期種植過程中未進(jìn)行翻土透氣，會(huì)導(dǎo)致土壤粘結(jié)，不透氣，進(jìn)而影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu).有研究結(jié)果表明，長(zhǎng)期連作的土壤中微生物豐富度低，細(xì)菌/真菌比例下降[65]，可增加土傳病害的發(fā)生[66].因此，后續(xù)在菌草種植過程中，應(yīng)注意翻地的重要性.

4 結(jié)論

本試驗(yàn)結(jié)果表明，與未種植菌草的空白對(duì)照組土壤相比，種植菌草土壤中的速效氮、速效磷、全氮和有機(jī)碳等養(yǎng)分含量以及土壤脲酶活性均顯著升高；種植菌草后土壤微生物多樣性亦顯著升高.這一結(jié)果可為菌草生態(tài)治理、改善土壤環(huán)境等方面研究提供一定的依據(jù)和技術(shù)支撐，為菌草產(chǎn)業(yè)發(fā)展助力.