土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與功能對(duì)咖啡果皮覆蓋的響應(yīng)

張 昂,張堯榆,盧志青,李麗華,董云萍,林興軍,趙青云,孫 燕,譚 軍,龍宇宙

(1. 中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院香料飲料研究所/海南省熱帶香辛飲料作物遺傳改良與品質(zhì)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部香辛飲料作物遺傳資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,海南 萬(wàn)寧 571533;2. 云南省董云萍專家工作站, 云南 普洱 665099;3. 云南省閆林專家工作站, 云南 普洱 665099;4. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)熱帶作物學(xué)院,云南 普洱 665000)

【研究意義】咖啡是世界三大飲料之一,經(jīng)濟(jì)價(jià)值較大?？Х仍谖覈?guó)種植面積超過(guò)1.2×105hm2,生豆產(chǎn)量達(dá)1.7×105t,其產(chǎn)區(qū)主要集中于云南、海南、廣東和廣西等熱帶亞熱帶地區(qū),也是我國(guó)熱帶地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)作物。因此,大力推廣特色咖啡產(chǎn)業(yè)、提高咖啡種植收益,已成為推動(dòng)農(nóng)民致富、鄉(xiāng)村振興的主要途徑之一[1]?？Х葘儆跍\根系作物,其根系分布在10～30 cm土層中[2],傳統(tǒng)上以覆蓋栽培為主要生產(chǎn)模式[3],一般使用椰糠、秸稈等農(nóng)林廢棄物進(jìn)行覆蓋栽培,用以保持水土、改善土壤微環(huán)境、維護(hù)根系健康[4]?；兽r(nóng)藥在土壤中的累積嚴(yán)重威脅咖啡植株健康,加劇咖啡園早衰減產(chǎn)現(xiàn)象。不僅如此,咖啡生果附加值低、咖啡副產(chǎn)物大量損失還造成環(huán)境污染與大量資源浪費(fèi)。因此,采用咖啡凋落物與果皮代替?zhèn)鹘y(tǒng)覆蓋物進(jìn)行生態(tài)循環(huán)栽培,既減少咖啡生產(chǎn)過(guò)程中化肥和除草劑等投入品用量、降低咖啡栽培勞動(dòng)強(qiáng)度與生產(chǎn)成本,又推動(dòng)咖啡廢棄物資源的循環(huán)利用,提高咖啡的綜合利用率,成為提高咖啡種植效益和相關(guān)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】土壤微生物作為土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,不僅調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分循環(huán)和物質(zhì)交換等過(guò)程,還影響動(dòng)植物的生長(zhǎng)發(fā)育以及作物的生產(chǎn)力,進(jìn)而改變農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)多樣性與穩(wěn)定性[5-6],成為表征土壤健康的重要指標(biāo)之一。研究表明,種植模式變化主要通過(guò)改變農(nóng)田微環(huán)境或影響不同生物間互作關(guān)系等途徑直接或間接調(diào)控土壤中微生物群落[7]。例如,覆蓋栽培不僅能夠通過(guò)提高土壤水分含量、促進(jìn)土壤養(yǎng)分累積、增強(qiáng)土壤生物活性等途徑促進(jìn)土壤微生物多樣性[8],還能夠通過(guò)加速有益菌之間的協(xié)同演替,進(jìn)而改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[9-10]。覆蓋栽培同樣可能對(duì)土壤微生物群落產(chǎn)生消極作用,研究表明農(nóng)業(yè)廢棄物覆蓋通過(guò)加速土壤致病菌群落繁殖,導(dǎo)致土壤微生物群落失衡,加劇土傳病害的發(fā)生[11]。因此,不同咖啡廢棄物覆蓋對(duì)咖啡園土壤微生物的影響仍需進(jìn)一步探究。土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的變化能夠影響作物的生長(zhǎng),然而作物新陳代謝或死亡分解產(chǎn)生的有機(jī)物、蛋白質(zhì)和多糖又對(duì)土壤的理化性質(zhì)、微生物群落結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生反饋?zhàn)饔肹12]。因此伴隨咖啡廢棄物的分解過(guò)程,土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能存在較大差異。首先,咖啡果皮與枯落物自身性質(zhì)(養(yǎng)分含量、機(jī)械強(qiáng)度等指標(biāo))的互異,導(dǎo)致其主要的分解微生物類群存在顯著差異[13]。其次,咖啡果皮和枯落物的分解產(chǎn)物可能具有一定的化感作用,不同土壤微生物群落對(duì)不同咖啡廢棄物分解產(chǎn)物的響應(yīng)機(jī)制可能存在顯著差異[14]。再次,咖啡廢棄物的分解過(guò)程主要有環(huán)境因子調(diào)控的前期快速失重階段以及由土壤微生物驅(qū)動(dòng)的后期長(zhǎng)時(shí)間裂解階段[15]。在不同的分解階段,土壤微生物群落演替會(huì)受到咖啡果皮和枯落物殘量的影響[16],導(dǎo)致土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與功能在咖啡廢棄物的不同分解階段,隨著有機(jī)殘?bào)w的演變而發(fā)生變化[17-18]。此外,咖啡廢棄物的覆蓋同樣能夠通過(guò)改變土壤微環(huán)境進(jìn)而調(diào)控土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[17, 19]。前人研究表明,咖啡園中覆蓋咖啡廢棄物能夠顯著提高土壤堿解氮和速效鉀含量,對(duì)提升土壤微生物群落多樣性具有積極作用,但過(guò)量的果皮施用會(huì)導(dǎo)致土壤酸化,對(duì)土壤微生物群落多樣性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定產(chǎn)生消極作用[19]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前仍尚不清晰不同廢棄物對(duì)土壤微生物群落的影響,咖啡土壤微生物對(duì)咖啡果皮和枯落物覆蓋的響應(yīng)機(jī)制仍需進(jìn)一步探究。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究通過(guò)監(jiān)測(cè)不同咖啡廢棄物覆蓋下微生物群落結(jié)構(gòu)與功能差異,明確土壤理化性質(zhì)及微環(huán)境與微生物群落結(jié)構(gòu)及功能的內(nèi)在關(guān)系,闡明咖啡廢棄物分解驅(qū)動(dòng)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)變化的關(guān)鍵調(diào)控因子,為咖啡園土壤健康保育技術(shù)開(kāi)發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)地概況

實(shí)驗(yàn)樣地位于海南省東部萬(wàn)寧市興隆熱帶植物園(110°11′ E,18°44′ N,海拔 36 m)。該地位于南亞熱帶與熱帶氣候過(guò)渡帶,屬熱帶季風(fēng)氣候,雨熱資源充足,年降水量2100 mm,年日照時(shí)長(zhǎng)大于1750 h。該地區(qū)土壤分類主要為磚紅壤,土壤pH 6.15,有機(jī)質(zhì)含量22.06 g/kg,土壤總氮含量1.49 g/kg,土壤總磷含量1.28 g/kg,土壤全鉀含量6.29 g/kg。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采取隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),共設(shè)置未覆蓋咖啡廢棄物(C)、覆蓋咖啡枯落物(L)、覆蓋咖啡果皮(P)和同時(shí)覆蓋咖啡枯落物及果皮(PL)4種覆蓋處理。前期通過(guò)隨機(jī)調(diào)查海南咖啡種植園現(xiàn)存咖啡枯落物和果皮累積量,計(jì)算得到咖啡枯落物平均累積量為301.39 g/m2,果皮的平均累積量為239.05 g/m2,本試驗(yàn)按照平均累積量對(duì)咖啡廢棄物進(jìn)行等量添加,具體添加量根據(jù)樹(shù)盤(pán)面積(咖啡植株垂直投影面積)進(jìn)行換算?？Х裙じ采w土壤表面,不進(jìn)行翻耕等處理。每個(gè)覆蓋處理重復(fù)4次。所有咖啡植株采用相同的水肥處理,即統(tǒng)一按照傳統(tǒng)咖啡植株生產(chǎn)模式進(jìn)行澆水和施肥。

1.3 實(shí)驗(yàn)材料

本研究采用中粒種咖啡熱研1號(hào)(CoffeacanephoraPierre ex A. Froehner cv. Reyan No.1)?？Х瓤萋湮锸占谥袊?guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院香料飲料研究所咖啡種質(zhì)資源圃,咖啡果皮收集于海南省興隆華僑農(nóng)場(chǎng)太陽(yáng)河咖啡加工廠,枯落物與果皮來(lái)源于與本研究相同的品種。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1 取樣方法 于2021年9月對(duì)土樣進(jìn)行收集,采用3點(diǎn)法進(jìn)行采樣,以土鉆法將同一樣點(diǎn)的3個(gè)土鉆樣品混合獲得0～20 cm耕層土壤樣品,其中一部分混合樣品在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)風(fēng)干后過(guò)1 mm篩,用于測(cè)定土壤理化性質(zhì),另一部分于混合取樣后立即保存于-80 ℃超低溫冰箱,用于土壤微生物豐度和多樣性測(cè)定。

1.4.2 土壤理化性質(zhì)測(cè)定方法 土壤含水量(Soil moisture content,SM)和容重(Bulk density,BD)測(cè)定固定體積下土壤鮮重和干重,土壤含水量=(土壤干重/土壤鮮重)×100%,土壤容重=土壤干重/土壤體積。土壤pH使用FE28型pH計(jì)測(cè)定,有機(jī)質(zhì)(Soil organic matter,SOM)采用總有機(jī)碳分析儀(Multi N/C 3100)測(cè)定,堿解氮(Alkali hydrolyzed nitrogen, SAN)采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定,速效磷(Soil available phosphorus, SAP)采用紫外分光光度計(jì)法測(cè)定, 速效鉀(Soil available potassium, SAK)采用火焰光度計(jì)法測(cè)定。具體測(cè)定方法參照鮑士旦[20]主編的《土壤農(nóng)化分析》(第三版)。

1.4.3 土壤微生物測(cè)定方法 土壤總DNA采用DNA提取試劑盒提取和純化[20]。具體方法是利用標(biāo)記有barcode的引物序列(細(xì)菌:967F/1046R;真菌:ITS1F12/ITS2)擴(kuò)增相應(yīng)土壤細(xì)菌 16SrRNAV3-4區(qū)片段和真菌 ITS-1 序列片段,以2%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)產(chǎn)物片段長(zhǎng)度,根據(jù)定量檢測(cè)結(jié)果,將擴(kuò)增產(chǎn)物混合為1個(gè)樣本,構(gòu)建克隆文庫(kù);利用Illumina MiSeq高通量平臺(tái)測(cè)序,數(shù)據(jù)經(jīng)Flash軟件雙端序列拼接、質(zhì)控、去接頭后獲得優(yōu)化序列,基于優(yōu)化序列進(jìn)行 OTU聚類,獲得 OTU豐度表,用于后續(xù)細(xì)菌多樣性指數(shù)及細(xì)菌群落構(gòu)成分析。FAPROTAX(v1.2.1)和FUNGuild(v1.0)軟件分別用于預(yù)測(cè)和分析具有不同功能的土壤細(xì)菌和真菌群落的相對(duì)豐度[21]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用SAS v8軟件進(jìn)行雙因素方差分析,以枯落物覆蓋和果皮覆蓋為2個(gè)固定因素,區(qū)組為隨機(jī)因素,比較土壤理化性質(zhì)指標(biāo)和細(xì)菌豐度、細(xì)菌豐富度、細(xì)菌多樣性指數(shù)、真菌豐度、真菌豐富度、真菌多樣性指數(shù)等土壤微生物群落指標(biāo)在不同處理下是否存在顯著差異[22]。采用SPSS 23.0軟件進(jìn)行線性相關(guān)分析,用于計(jì)算不同土壤指標(biāo)與土壤微生物群落之間的相關(guān)關(guān)系[23];使用CANOCO 5.0軟件進(jìn)行典型相關(guān)分析(CCA),用于明確影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的主要環(huán)境因子,分析過(guò)程中選擇 manual forward selection 程序使用具有499個(gè)排列的蒙特卡羅測(cè)試,以確定環(huán)境變量參數(shù)的顯著性[23-24]。Spearman的等級(jí)相關(guān)性分析用于測(cè)試土壤微生物優(yōu)勢(shì)群落與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)聯(lián)度[23-24]。使用Origin 9.1和R 4.0.3進(jìn)行數(shù)據(jù)繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同咖啡廢棄物覆蓋對(duì)土壤理化性質(zhì)及微環(huán)境的影響

雙因素方差分析結(jié)果(表1)表明咖啡果皮與枯落物覆蓋處理不影響土壤pH、溫度、水分含量、有機(jī)質(zhì)含量和速效磷含量,且兩種處理對(duì)上述指標(biāo)的影響不存在交互效應(yīng)?？Х裙じ采w顯著提高土壤速效鉀含量和土壤堿解氮含量(P<0.05,下同),但咖啡枯落物覆蓋不影響上述2個(gè)指標(biāo),且兩種處理對(duì)上述指標(biāo)的影響不存在交互效應(yīng)(表1～2)。

表1 不同覆蓋模式對(duì)土壤微環(huán)境及理化性質(zhì)的雙因素方差分析結(jié)果(F值)Table 1 Results of two-way ANOVA on soil micro-climate, physical and chemical properties under different mulching patterns (F value)

表2 不同咖啡廢棄物覆蓋模式下土壤理化性質(zhì)Table 2 Soil physicochemical properties under different mulching patterns

2.2 不同咖啡廢棄物覆蓋對(duì)土壤微生物群落多樣性的影響

咖啡果皮與枯落物覆蓋處理不影響細(xì)菌群落豐度、真菌群落豐度、真菌豐富度和多樣性,且兩種處理對(duì)上述指標(biāo)的影響不存在交互效應(yīng)(表3)?？Х裙わ@著提高細(xì)菌群落豐富度和細(xì)菌群落多樣性,但咖啡枯落物蓋不影響上述2個(gè)指標(biāo),且兩種覆蓋處理對(duì)上述指標(biāo)的影響不存在交互效應(yīng)(表3,圖1)。表明,相比于真菌群落,細(xì)菌群落對(duì)咖啡廢棄物覆蓋的響應(yīng)更加敏感,且果皮覆蓋對(duì)細(xì)菌群落豐富度和多樣性的促進(jìn)作用更加顯著。

誤差棒表示標(biāo)準(zhǔn)誤(SE)。Error bar represents SE.圖1 不同咖啡廢棄物覆蓋模式下土壤微生物群落豐度、豐富度和多樣性指數(shù)Fig.1 Soil microbial community abundance, richness and diversity under different mulching patterns

表3 不同覆蓋模式對(duì)土壤微生物群落多樣性與結(jié)構(gòu)的雙因素方差分析結(jié)果(F值)Table 3 Results of two-way ANOVA on soil microbial community diversity and structure under different mulching patterns (F value)

2.3 不同咖啡廢棄物覆蓋對(duì)土壤微生物群落組成與結(jié)構(gòu)的影響

一般將相對(duì)豐度大于1%的菌門(mén)視為優(yōu)勢(shì)菌門(mén)。本研究中變形菌門(mén)、放線菌門(mén)、酸桿菌門(mén)、綠彎菌門(mén)、厚壁菌門(mén)、芽單胞菌門(mén)、粘球菌門(mén)、Methylomirabilota、擬桿菌門(mén)、藍(lán)細(xì)菌門(mén)和疣微菌門(mén)是細(xì)菌群落中的優(yōu)勢(shì)菌門(mén)。不同咖啡廢棄物覆蓋下細(xì)菌群落放線菌門(mén)、酸桿菌門(mén)、綠彎菌門(mén)、芽單胞菌門(mén)、厚壁菌門(mén)、粘球菌門(mén)、Methylomirabilota、擬桿菌門(mén)和疣微菌門(mén)豐度并未存在顯著差異。果皮覆蓋顯著提高變形菌門(mén)豐度以及厚壁菌門(mén)豐度,卻顯著降低藍(lán)細(xì)菌門(mén)豐度?？Х瓤萋湮锔采w顯著提高厚壁菌門(mén)豐度,卻顯著降低藍(lán)細(xì)菌門(mén)豐度,并且兩種廢棄物覆蓋僅對(duì)放線菌門(mén)、厚壁菌門(mén)、芽單胞菌門(mén)和藍(lán)細(xì)菌門(mén)的影響存在交互作用(圖2)。

圖2 不同咖啡廢棄物覆蓋模式下土壤微生物優(yōu)勢(shì)菌門(mén)相對(duì)豐度Fig.2 Relative abundance of dominant microbe in soil under different mulching patterns

本研究中子囊菌門(mén)、擔(dān)子菌門(mén)、壺菌門(mén)、羅茲菌門(mén)、毛霉菌門(mén)和球囊菌門(mén)是真菌群落中的優(yōu)勢(shì)菌門(mén)?？Х裙じ采w對(duì)所有真菌優(yōu)勢(shì)菌門(mén)均無(wú)影響,但咖啡枯落物覆蓋卻顯著提高子囊菌門(mén)豐度,并且顯著降低放線菌門(mén)豐度。兩種廢棄物覆蓋僅對(duì)子囊菌門(mén)的影響存在交互作用(圖2)。

2.4 不同咖啡廢棄物覆蓋對(duì)土壤微生物群落功能的影響

由表4可知,對(duì)細(xì)菌功能而言,咖啡枯落物覆蓋顯著促進(jìn)化學(xué)自養(yǎng)氮循環(huán)相關(guān)功能細(xì)菌多度增加,卻顯著減少光自養(yǎng)細(xì)菌相對(duì)豐度和有機(jī)質(zhì)降解相關(guān)細(xì)菌相對(duì)豐度?？Х裙じ采w同樣分別顯著提高化能自養(yǎng)和氮循環(huán)細(xì)菌的相對(duì)豐度,卻顯著減少光自養(yǎng)相關(guān)功能細(xì)菌的相對(duì)豐度。對(duì)真菌功能而言,咖啡枯落物覆蓋顯著降低菌根真菌的相對(duì)豐度?？Х裙じ采w處理在顯著提高菌根真菌的相對(duì)豐度的同時(shí)卻顯著降低病原體真菌的相對(duì)豐度。

表4 不同咖啡廢棄物覆蓋模式下土壤微生物群落功能Table 4 Soil microbial functions under different mulching patterns

2.5 土壤非生物因子與土壤微生物多樣性和結(jié)構(gòu)的相關(guān)性分析

土壤理化性質(zhì)與微生物豐度、豐富度和多樣性的相關(guān)性分析(圖3)表明,細(xì)菌豐度與土壤濕度(R=0.54,P<0.05)呈顯著負(fù)相關(guān)。細(xì)菌豐富度(R=0.55,P<0.05)、多樣性(R=0.50,P<0.05)與土壤速效鉀含量呈顯著正相關(guān)。真菌群落豐度、豐富度和多樣性對(duì)土壤非生物因子變化的響應(yīng)不敏感。

“*”表示P<0.05, “**”表示P<0.01?！?’ represents P<0.05, and ‘**’ represents P<0.01.圖3 不同咖啡廢棄物覆蓋下咖啡微生物群落指標(biāo)與環(huán)境因子相關(guān)性分析Fig.3 Correlation analysis of soil microbial community index and environmental factor under different mulching patterns

采用典型相關(guān)分析(CCA)進(jìn)一步分析各土壤非生物因子與微生物群落結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。影響細(xì)菌群落優(yōu)勢(shì)菌門(mén)最大的土壤理化指標(biāo)為SAK(F=3.20,P=0.03)和SOM(F=3.00,P=0.03,圖4-a)。所有的環(huán)境變量共同解釋了樣本間細(xì)菌群落變異的53.41%,影響順序?yàn)?SAK>SOM>SM>pH>SAN>SAP>ST。CCA的前2個(gè)排序軸分別解釋總方差的44.73%和8.68%。影響真菌群落優(yōu)勢(shì)菌門(mén)的環(huán)境變量順序?yàn)镾OM>SM>SAK>SAN>pH>ST>SAP(圖4-b)。所有環(huán)境變量共同解釋樣本間真菌群落變異的36.62%,CCA的前2個(gè)排序軸分別解釋總方差的25.08%和11.54%。

圖中a為細(xì)菌,b為真菌?！癙rote”代表變形桿菌門(mén),“Acti”代表放線菌門(mén),“Acid”代表酸桿菌門(mén),“Chlo”代表綠彎菌門(mén),“Firm”代表厚壁菌門(mén),“Gemm”代表芽單胞菌門(mén),“ Myxo”代表粘球菌門(mén),“Meth”代表Methylomirabilota,“Bact”代表擬桿菌門(mén),“Cyan”代表藍(lán)細(xì)菌門(mén),“Verr”代表疣微菌門(mén),“Asco”代表子囊菌門(mén),“Basi”代表?yè)?dān)子菌門(mén),“Chyt”代表壺菌門(mén),“Roze”代表羅茲菌門(mén),“Mort”代表毛霉菌門(mén),“Glom”代表球囊菌門(mén)。In the figure, a is bacteria, and b is fungi. ‘Prote’ represents Proteobacteria,‘Acti’ represents Actinobacteriota,‘Acid’ represents Acidobacteriota,‘Chlo’ represents Chloroflexi,‘Firm’ represents Firmicutes,‘Gemm’ represents Gemmatimonadota, ‘Myxo’ represents Myxococcota,‘Meth’ represents Methylomirabilota,‘Bact’ represents Bacteroidota,‘Cyan’ represents Cyanobacteria,‘Verr’ represents Verrucomicrobiota,‘Asco’ represents Ascomycota,‘Basi’ represents Basidiomycota,‘Chyt’ represents Chytridiomycota,‘Roze’ represents Rozellomycota,‘Mort’ represents Mortierellomycota and ‘Glom’ represents Glomeromycota.圖4 土壤微生物群落優(yōu)勢(shì)菌門(mén)與環(huán)境因子的典型分析(CCA)Fig.4 Canonical correlation analysis (CCA) of dominant soil microbial community phyla and environmental factors

3 討 論

3.1 土壤理化性質(zhì)對(duì)不同咖啡廢棄物覆蓋的響應(yīng)

在不同的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中,覆蓋栽培模式對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響存在較大差異。其差異主要與生態(tài)系統(tǒng)微環(huán)境變化和覆蓋物的分解特性密切相關(guān)[25]。而在同一農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中,不同的覆蓋材料對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響主要?dú)w因于分解特性的差異和對(duì)土壤微環(huán)境的調(diào)控[26]。本研究中,咖啡果皮覆蓋顯著提高土壤速效鉀和堿解氮含量,主要?dú)w因于咖啡果皮中氮和鉀含量較高[1]。而枯落物對(duì)土壤理化性質(zhì)的中性效應(yīng)可能與咖啡葉片較低的碳氮比有關(guān)。前期研究表明,具有較高氮含量的葉片在分解初期具有較快的分解速率[27]。在本試驗(yàn)采樣期間,咖啡枯落物已進(jìn)入分解后期,其纖維素和木質(zhì)素分解較慢,因此對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響較小。一般認(rèn)為農(nóng)林廢棄物覆蓋能夠通過(guò)調(diào)控土壤水分和降低土壤溫度進(jìn)而影響土壤養(yǎng)分含量及理化性質(zhì),但在本研究中,土壤溫濕度和pH并非調(diào)控不同咖啡廢棄物覆蓋下土壤性質(zhì)的主要因子。

3.2 不同咖啡廢棄物覆蓋對(duì)土壤微生物群落多樣性的影響

土壤微生物群落是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分[28],主要參與土壤中有機(jī)質(zhì)的分解、腐殖質(zhì)的形成和養(yǎng)分循環(huán)等生態(tài)過(guò)程[29]。土壤養(yǎng)分含量在微生物群落結(jié)構(gòu)裝配過(guò)程中同樣具有重要作用,是主導(dǎo)微生物群落演替以及維持土壤微生物多樣性的重要因子[30]。一般認(rèn)為,覆蓋作物能夠通過(guò)增加分解底物顯著促進(jìn)部分功能微生物基因豐度,提高細(xì)菌群落多樣性[8, 31]。本試驗(yàn)中咖啡果皮覆蓋通過(guò)加速鉀和氮在土壤中的累積,顯著提高細(xì)菌豐度以及多樣性,支持上述論點(diǎn)。盡管土壤溫度、容重、含水量、孔隙度同樣對(duì)土壤細(xì)菌的多樣性具有較大影響[32],但在本研究中細(xì)菌多樣性并不響應(yīng)于土壤溫濕度以及pH的變化,表明在不同咖啡廢棄物覆蓋下,上述土壤性質(zhì)及微環(huán)境并非是驅(qū)動(dòng)細(xì)菌演替的主要因子。此外,一般認(rèn)為細(xì)菌和真菌群落對(duì)土壤性質(zhì)等環(huán)境因子的響應(yīng)存在顯著差異[33]。本研究中土壤真菌群落多樣性對(duì)咖啡廢棄物覆蓋不敏感,與前期研究結(jié)果保持一致。

3.3 不同咖啡廢棄物覆蓋對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與功能的影響

微生物組成與結(jié)構(gòu)變化是廢棄物覆蓋條件下生態(tài)系統(tǒng)特性和環(huán)境因素綜合作用的結(jié)果,其中凋落物質(zhì)量是重要影響因素之一[34]。此外,土壤性質(zhì)與水熱條件差異也是引起微生物組成與結(jié)構(gòu)的重要影響因素之一[35]。前人研究表明,細(xì)菌中最龐大的菌門(mén)是變形菌門(mén)細(xì)菌,具有廣泛的生理代謝功能,能夠適應(yīng)多種復(fù)雜的環(huán)境[36-37]。變形菌門(mén)細(xì)菌作為嗜養(yǎng)菌,富含碳的環(huán)境中能夠刺激其快速增長(zhǎng)[38],因此咖啡果皮覆蓋通過(guò)為變形菌提供充足的代謝底物,促進(jìn)其生長(zhǎng)和繁殖。厚壁菌門(mén)細(xì)菌多為化能異養(yǎng)型細(xì)菌,能夠促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)分解,其豐度與土壤速效磷、速效鉀和堿解氮呈正相關(guān)[23],因此本研究中兩種覆蓋栽培通過(guò)增加土壤速效養(yǎng)分含量進(jìn)而提高了厚壁菌門(mén)細(xì)菌豐度。藍(lán)細(xì)菌門(mén)細(xì)菌是一類通過(guò)產(chǎn)氧光合作用獲取能量的細(xì)菌,但其中也有部分是異養(yǎng)型細(xì)菌咖啡廢棄物的覆蓋通過(guò)增加土壤異養(yǎng)代謝底物顯著增強(qiáng)異養(yǎng)型微生物競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),引起藍(lán)細(xì)菌門(mén)的相對(duì)比例顯著下降[39]。

本研究中土壤真菌群落除子囊菌門(mén)、擔(dān)子菌門(mén)外對(duì)咖啡廢棄物覆蓋的響應(yīng)不敏感。子囊菌門(mén)真菌的主要功能是加速纖維素或木質(zhì)素的分解[40],因此,在咖啡枯落物分解后期剩余纖維素含量較高的葉柄和枯枝等殘?bào)w,能夠引起子囊菌門(mén)相對(duì)比例的提高。擔(dān)子菌門(mén)的功能較復(fù)雜,其中部分是作物致病菌[41]。因此,咖啡枯落物覆蓋后降低擔(dān)子菌門(mén)相對(duì)豐度可能對(duì)維持咖啡能作物健康有潛在的積極作用。

4 結(jié) 論

本研究中咖啡果皮與枯落物覆蓋均不影響土壤真菌群落,并且細(xì)菌群落豐富度與多樣性對(duì)咖啡枯落物覆蓋的響應(yīng)不敏感。咖啡果皮覆蓋顯著提高土壤速效鉀和堿解氮含量以及促進(jìn)土壤細(xì)菌群落豐富度與多樣性,并提高變形桿菌門(mén)和厚壁菌門(mén)細(xì)菌以及降低藍(lán)細(xì)菌門(mén)細(xì)菌相對(duì)豐度,但土壤微生物主要功能未發(fā)生較大改變。咖啡果皮的養(yǎng)分分解與遷移直接驅(qū)動(dòng)土壤微生物群落多樣性的提高以及維持結(jié)構(gòu)與功能的相對(duì)穩(wěn)定。咖啡果皮覆蓋栽培有助于咖啡園土壤健康保育以及咖啡種植產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。