摘要:【目的】探究果園地膜覆蓋對土壤化感物質(zhì)及真菌群落的影響?!痉椒ā恳约t富士蘋果為研究對象,采用高效液相色譜技術(shù)和Illumina高通量測序技術(shù)探究了清耕(CK)、覆膜2年(2Y)、覆膜4年(4Y)和覆膜6年(6Y)對蘋果樹根際0~20 cm和>20~40 cm土層土壤理化性質(zhì)、化感物質(zhì)和真菌群落特征的影響?!窘Y(jié)果】蘋果根際土壤脲酶活性隨著覆膜年限的延長而降低。土壤中主要的化感物質(zhì)的含量總體上隨著覆膜年限的延長呈現(xiàn)出降低的趨勢。覆膜措施對蘋果根際土壤中真菌群落特征具有顯著的影響。土壤真菌群落的多樣性隨著覆膜年限的延長而增高,其中鐮刀菌屬豐度顯著增加。綜合對比,覆膜4年的蘋果根際土壤中含水量及有機碳、微生物量碳、全氮含量顯著增加,較CK分別增加了5.65%~15.00%、3.72%~8.29%、50.16%~64.31%和14.19%~31.44%。β-1,4-木糖苷酶、β-1,4-葡萄糖苷酶和纖維二糖水解酶的活性顯著提高,較CK分別增高了78.71%~84.4%、89.01%~97.43%和83.45%~87.68%。并且在0~20 cm的土層中蘋果根系的生長量顯著提高。與CK相比,根系生物量、根表面積和根體積分別增加了489.84%、533.87%和542.39%。相關(guān)性分析結(jié)果表明,土壤脲酶、β-1,4-葡萄糖苷酶和香蘭素是影響土壤真菌群落的主要環(huán)境因子?!窘Y(jié)論】覆蓋地膜可通過影響蘋果根際土壤酶活性和微生物代謝活性,促進土壤碳循環(huán),效果隨覆膜年限而異,以覆膜4 a(年)最佳。同時覆膜年限的延長抑制了土壤中植物化感物質(zhì)的積累,但覆蓋年限過長會對土壤真菌群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響,因此在生產(chǎn)中,覆膜4 a為西北旱地蘋果園適宜的連續(xù)覆膜年限。
關(guān)鍵詞:蘋果園;覆膜年限;土壤酶活性;化感物質(zhì);真菌群落
中圖分類號:S661.1文獻標(biāo)志碼:A文章編號:1009-9980(2024)07-1342-17
Effects of film mulching on allelopathic material accumulation and fun-gal community characteristics in rhizosphere soil of apple in Longdong dryland
SUN Wentai,YANG Yang,MA Ming,DONG Tie,YIN Xiaoning,NIU Junqiang
(Institute of Forestry,F(xiàn)ruits and Floriculture,Gansu Academy of Agricultural Sciences,Lanzhou 730070,Gansu,China)
Abstract:【Objective】Long-term film mulching in the Longdong dry plateau area exacerbated the deg-radation of rhizosphere soil,resulting in a decrease in the content of organic matters in the soil.The community structure and activity of soil microorganisms were closely related to the changes of rhizo-sphere soil microecological environment,root exudates and soil nutrients.Exploring the effects of dif-ferent mulching years on the enzyme activity,root exudates and fungal community characteristics of the rhizoosphere soil of apple trees is helpful to lay a theoretical foundation for the improvement and ratio-nal implementation of water-saving and water-preserving technology in apple orchards in the dry land of Northwest Loess Plateau.【Methods】This study used 18-year old Nagano Fuji No.2 apple trees as the experimental object.High performance liquid chromatography(HPLC)and Illumina high-flux se-quencing technology were used to investigate the effects of clean tillage(Control,CK),film mulchingfor 2 years(2Y),film mulching for 4 years(4Y)and film mulching for 6 years(6Y)on the root-sphere surface soil(0-20 cm)and subsurface soil(>20-40)in apple orchard.Meanwhile,soil physical proper-ties,carbon and nitrogen accumulation,enzyme activities related to carbon and nitrogen metabolism,root biomass and growth distribution characteristics of different soil layers were monitored.【Results】The results showed that the urease activity of apple rhizosphere soil decreased with the increase of mulching years,while the enzyme activity of soil sucrase existed the opposite trend.Short-term mulch-ing(2Y and 4Y)treatments effectively improved the activities of soil catalase,sucrase,alkaline phos-phatase,β-1,4-xylosidase,β-1,4-glucosidase and cellobiohydrolase.Compared with CK,the enzyme activities increased by 19.67%,18.46%,29.39%and 84.4%,89.01%and 83.45%,respectively,which contributed to the increase of soil organic carbon,microbial biomass carbon and total nitrogen,which were significantly increased by 15.00%,8.29%,50.16%and 31.44%,respectively by 4Y treatment rela-tive to CK.Favorable rhizosphere environment was conducive to the growth and development of apple roots.The growth of apple roots under 4Y treatment was better than under the other mulch treatments,and the root biomass,root surface area and root volume in 4Y were 54.62 g,10 921.66 cm2 and 220.56 cm3,respectively.In the surface soil,soil ventilation decreased with the increase of mulching years.Compared with CK,2Y,4Y and 6Y treatments had a soil ventilation decreased by 3.23%,24.22%and 18.51%,respectively.Therefore,the root biomass and root surface area of CK,which were 20.63 g and 4 956.95 cm2,respectively,were obviously higher than those of the mulching treatments.The con-tents of main allelochemicals in soil(ferulic acid,benzoic acid,phloroside and vanillin)revealed a de-creasing trend with the increase of film mulching years,but p-hydroxybenzoic acid did not appear in CK and 2Y treatment,but increased with mulching years.The contents of p-hydroxybenzoic acid and cinnamic acid in apple rhizosphere soil under 6Y treatment reached the highest level,while coumaric ac-id reached the highest content at 4Y.Coumaric acid might be the product accumulated under the specif-ic ecological environment of long-term mulch.The dominant fungal groups in the rhizosphere soil of ap-ple with different mulching years were Basidiomycota(5%-19%),Mortierellomycota(5%-22%),Aph-elidiomycota(22%-44%)and Aphelidiomycota(1%-7%),with the dominant fungal genera being Mor-tierella(9%-39%),Solicoccozyma(9%-33%),Petriella(1%-16%)and Fusarium(1%-3%).The char-acteristics of fungal communities in different soil layers were distinctive.In the surface soil,Chao1 in-dex and Shannon index of the fungal community increased with the increase of mulching years,while in the subsurface soil,Chao1 index of the fungal community decreased with the increase of mulching years,while the Shannon index appeared an opposite trend.With the increase of mulching years,the abundance ofFusarium in rhizosphere soil increased significantly.Compared with CK,the contents of soil water content,organic carbon,microbial biomass carbon and total nitrogen in rhizosphere soil un-der 4Y treatment were significantly improved by 5.65%-15.00%,3.72%-8.29%,50.16%-64.31%and 14.19%-31.44%,respectively.The enzyme activities ofβ-1,4-xylosidase,β-1,4-glucosidase and cello-biohydrolase were significantly increased by 78.71%-84.4%,89.01%-97.43%and 83.45%-87.68%,re-spectively,compared with CK.Relative to CK,apple root biomass,root surface area and root volume in-creased by 489.84%,533.87%and 542.39%,respectively.The activities of soil urease andβ-1,4-gluco-sidase,and vanillin content in root exudates were the main environmental factors affecting soil fungal community in rhizosphere ecological environment.【Conclusion】In conclusion,mulching measures can improve the enzyme activity and microbial metabolic activity of apple rhizosphere soil to a certain extent,and promote the carbon cycling process in the soil.The increase of mulching years reduces the accumulation of allelochemicals in the soil,but too long mulching may have adverse effects on the soilfungal community structure and promote the accumulation ofFusarium,which is harmful to the healthy development of rhizosphere soil and roots.Therefore,4 years of film mulching is the appropriate contin-uous mulching years for apple orchards in the northwest dryland.
Key words:Apple orchard;Film-mulching period;Soil enzyme activity;Allelochemicals;Fungal com-munity
甘肅隴東黃土高原地區(qū)海拔高、日照充足、晝夜溫差大,所產(chǎn)蘋果(Malus pumila Mill.)糖分含量高,品質(zhì)較好,目前該地區(qū)蘋果的栽培面積已超過44萬hm2,為中國蘋果的主要產(chǎn)區(qū)之一[1]。但該地屬于干旱半干旱大陸性氣候,年降雨量少,降水變率大,易干旱[2]。此外,該蘋果產(chǎn)區(qū)土質(zhì)多為黃綿土,土層深厚,但土壤有機質(zhì)含量較低,土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差,保水保肥能力差,易發(fā)生干旱和水土流失現(xiàn)象。干旱缺水、土壤養(yǎng)分虧缺和土壤退化等已成為限制當(dāng)?shù)靥O果產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素[3-4]。目前,黃土高原蘋果園多采用傳統(tǒng)清耕的土壤管理模式,加劇了土壤的退化,導(dǎo)致土壤中有機質(zhì)的含量降低、生物的多樣性下降等土壤質(zhì)量問題的發(fā)生[5]。地膜覆蓋技術(shù)相較于傳統(tǒng)清耕方式有助于改善土壤水熱情況,抗旱保墑,防止水土流失,此外地膜覆蓋有利于提高土壤酶活性,促進土壤養(yǎng)分的分解利用,改善微生物的生存環(huán)境,進而改良土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)[6-7]。真菌作為土壤微生物的重要組分之一,具有較強的抗逆性,參與了土壤腐殖化過程,促進土壤有機質(zhì)轉(zhuǎn)化,在土壤碳氮循環(huán)過程中發(fā)揮了重要的作用[8-9]。研究表明土壤的理化特征和植物根系分泌物對土壤真菌群落特征具有顯著的影響。Li等[10]研究發(fā)現(xiàn)人參根際分泌物中的酚酸類物質(zhì)提高了土壤中真菌的豐度,但降低真菌的多樣性,進而影響了土壤中真菌群落的結(jié)構(gòu)組成。Lin等[11]研究發(fā)現(xiàn)植物根系分泌物有利于提高土壤肥力,改善土壤結(jié)構(gòu),進而增加土壤微生物的多樣性和豐度。地膜覆蓋作為西北旱地果園重要的節(jié)水保墑措施,明確其對土壤理化性質(zhì)、植物自毒物質(zhì)積累和土壤微生物群落特征的影響,對旱地果園科學(xué)管理和提高地力具有重要的意義。筆者在本研究中基于長期定位試驗,以紅富士蘋果樹為研究對象,分析了不同地膜覆蓋年限對蘋果樹根際土壤酶活性、根系分泌物和真菌群落特征的影響,以期為西北黃土高原旱地蘋果園地膜覆蓋保墑技術(shù)的完善和合理實施奠定一定的理論基礎(chǔ)。
1材料和方法
1.1試驗地概況
試驗地位于甘肅省平?jīng)鍪徐o寧縣國家蘋果產(chǎn)業(yè)體系平?jīng)鼍C合試驗站(N 35°24′,E 105°43′),蘋果種植面積為3.34 hm2。該地屬于暖溫帶半濕潤半干旱氣候,平均海拔1561m,年均氣溫7℃,年均日照時數(shù)2238h,年平均降水量450 mm,降水期集中于夏季。試驗地土壤為黃綿土,土壤pH值為8.60,有機質(zhì)含量(w,后同)為12.23 g·kg-1,全磷含量為0.96 g·kg-1,全氮含量為1.01 g·kg-1,全鉀含量(w,后同)16.84 g·kg-1,堿解氮含量為71.75 mg·kg-1,速效鉀含量為276.51 mg·kg-1,速效磷含量為31.00 mg·kg-1。
1.2試驗設(shè)計和采樣方法
試驗選取種植年限為18 a(年)的紅富士蘋果,品種為長富2號(Nagano Fuji No.2),砧木為山荊子(Malus baccata),種植株行距為4 m×5 m。選取樹冠大?。ㄖ睆?.8~5.5 m)相似且長勢一致(高3.5~4.0 m)的健康植株,分別設(shè)置清耕(未覆膜,CK),覆膜2 a(2Y)、覆膜4 a(4Y)、覆膜6 a(6Y)共4個處理。在距離果樹主干0~1.5 m的范圍內(nèi)覆蓋黑色地膜,地膜厚度0.02 mm,寬1.5 m,行間免耕,行間預(yù)留1m左右的操作行。地膜每6個月更換1次。30株樹為1個處理,每個處理設(shè)置3個重復(fù),10株樹為1個重復(fù),不同處理間設(shè)置空白行作為保護行。
根系采集方法:于2021年蘋果根系發(fā)根高峰期(果實采后至落葉)采用土壤剖面法采樣,于樹干中心沿垂直行向的方向挖長1.5 m、寬1.5 m、深40 cm(0~20 cm,>20~40 cm,共2層)的觀測面中所有的根系取出帶回實驗室,每個土層采集根系(R=2mm),用去離子水清洗根系,裝入密封袋后,用保鮮盒帶回實驗室待測,每處理5次重復(fù),每重復(fù)1株樹。根圍土采集方法:在每個試驗區(qū)內(nèi),用環(huán)刀分別采取0~20 cm和>20~40 cm的根圍土,轉(zhuǎn)置鋁盒內(nèi),用于土壤物理指標(biāo)的測定。根際土壤采集方法:在0~20 cm和>20~40 cm土層中取蘋果根系樣本,裝入無菌密封袋,冰袋保存迅速帶回實驗室。在無菌條件下,將采集的根系樣本先抖落與根系結(jié)合較松的土壤(非根際土),留下與根系結(jié)合較緊密的土即為根際土[12],將采集的根際土分為3份,一份用液氮速凍,置于-80℃的冰箱里保存,用于土壤真菌群落的測定;一份新鮮土壤用于β-1,4-木糖苷酶、纖維二糖水解酶和β-1,4-葡萄糖苷酶活性的測定;一份自然風(fēng)干過篩研磨后用于土壤化感物質(zhì)和土壤理化性質(zhì)的測定,采集的根系清洗干凈晾干后用于測定根系生長量。
1.3土壤理化性質(zhì)及根系生長量測定
土壤含水量和土壤通氣度采用烘干法[13]測定,有機碳含量采用重鉻酸鉀氧化-分光光度法測定,土壤全氮含量采用凱氏定氮法測定,微生物量碳含量采用氯仿熏蒸浸提法測定。蘋果根系生物量采用烘干法測定;根體積和根表面積采用Epson Expres-sion 10000XL根系掃描儀測定[14]。
土壤脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉顯色法測定,土壤蔗糖酶活性采用硫代硫酸鈉滴定法測定,土壤過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定,土壤堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法[15]測定。土壤β-1,4-木糖苷酶、纖維二糖水解酶和β-1,4-葡萄糖苷酶活性采用微孔板熒光法[16]測定。
1.4土壤化感物質(zhì)測定
準(zhǔn)確稱取風(fēng)干土樣過篩后的土壤100 g,加入適量硅藻土于燒杯中與土樣混合均勻。在100 mL萃取池底部加墊纖維素膜,將混合均勻的樣品裝入萃取池中,先加入無水乙醇進行萃取,萃取溫度120℃,壓強10.3 MPa,時間5 min,循環(huán)次數(shù)2次,吹掃體積60%,吹掃時間90 s,以甲醇為萃取溶劑在相同條件下再次萃取。萃取完成后,收集萃取液混合均勻后減壓濃縮至半干狀態(tài),加入1 mL甲醇復(fù)溶,用0.22μm有機相濾膜過濾,濾液用于HPLC分析[17]。
HPLC色譜儀為Waters e2695,色譜柱為Ac-claim 120 C18(3μm,150 mm×3 mm),柱溫30℃。流動相A為乙腈,流動相B為水(乙酸調(diào)pH至2.6),流速為0.5 mL·min-1;進樣方式為自動進樣,進樣體積為5μL;檢測波長280nm。
1.5土壤真菌群落測定
準(zhǔn)確稱取0.5 g的根際土壤,利用試劑盒(Fast DNA SPIN kit for soil)提取土壤真菌DNA,使用ITS1F/ITS4R(5'-CTTGGTCATTTAGAGGAAG-TAA-3'/5'-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3')對真菌ITSRNA基因序列進行PCR擴增。反應(yīng)體系:PCR 2×Master Mix(2×)15μL,引物(0.2μmol·μL-1)338F/806R各加1μL,DNA模板(1 ng·μL-1)加1μL,ddH2O加2μL。反應(yīng)條件:95℃預(yù)變性2 min,95℃變性10 s,62℃退火30 s,68℃延伸30 s,25次循環(huán),68℃再延伸10min。使用2%瓊脂糖凝膠電泳檢測PCR產(chǎn)物純度,純化后的產(chǎn)物使用Qiagen Gel Ex-traction Kit試劑盒進行回收。使用TruSeq?DNA PCR-Free Sample Preparation Ki試劑盒構(gòu)建基因文庫,使用Qubit進行DNA定量和文庫檢測,使用Illu-minaMiSeq平臺進行基因測序,測序工作由北京諾禾致源科技股份有限公司完成。獲得的原始數(shù)據(jù)使用QIIME2data2插件進行質(zhì)控、修剪、去噪和去除嵌合體,通過97%的相似率對OTU(Operational Taxo-nomic Units)進行聚類,使用RDP-classifier軟件對代表序列進行物種注釋,獲得物種信息。
1.6數(shù)據(jù)處理與分析
采用SPSS Statistics 21.0對不同處理間的差異進行單因素方差分析(ANOVA,LSD,p<0.05),并使用Origin 2021軟件繪制土壤理化性質(zhì)和根系生長量的多Y軸條形圖和土壤理化性質(zhì)、根系生長量與化感物質(zhì)的相關(guān)性熱圖。土壤微生物高通量測序數(shù)據(jù)使用QIIME軟件分析不同分類水平的物種豐度,使用Origin 2021軟件繪制真菌多樣性指數(shù)箱線圖和真菌豐度圖;使用R 4.1.3軟件的ggplot包繪制真菌OTU韋恩圖。使用R 4.1.3的Psych包計算樣品OTU之間的相關(guān)系數(shù),基于RMT(隨機矩陣理論)構(gòu)建微生物互作網(wǎng)絡(luò)的臨界值,利用Gephi 0.9.3軟件進行數(shù)據(jù)可視化分析。使用R 4.1.3的ggcor包進行Mental檢驗,分析真菌群落和外界環(huán)境因素之間的相關(guān)性。采用Canoco5軟件對豐度較高的10個真菌門和土壤理化因素、根系生長量與化感物質(zhì)的相關(guān)性進行RDA分析。
2結(jié)果與分析
2.1不同覆膜年限對蘋果根際土壤理化性狀及根系生長的影響
由表1可知,在0~20 cm的土層內(nèi)土壤脲酶活性隨著覆膜年限的延長而降低,與CK相比,2Y和6Y處理的土壤脲酶活性分別降低了4.95%和9.90%。2Y處理的土壤過氧化氫酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性顯著高于其他處理,較CK 3種酶的活性分別增高了19.67%、18.46%和29.39%。4Y處理的土壤β-1,4-木糖苷酶、β-1,4-葡萄糖苷酶和纖維二糖水解酶活性達到最高水平,較CK處理3種酶的活性分別增高了84.4%、89.01%和83.45%。在>20~40 cm土層范圍,土壤脲酶的活性隨著覆膜年限的延長呈現(xiàn)降低的趨勢,而土壤蔗糖酶活性隨著覆膜年限的延長而增高。2Y處理的土壤過氧化氫酶和蔗糖酶活性達到最高水平,較CK處理分別增高了20.78%和79.82%。4Y處理的土壤堿性磷酸酶、β-1,4-木糖苷酶、β-1,4-葡萄糖苷酶和纖維二糖水解酶活性顯著高于其他處理,較CK分別增高了39.94%、78.71%、97.43%和87.68%。
由圖1可知,在0~20 cm的土層內(nèi),土壤通氣度隨著覆蓋年限的增加而降低,較CK分別降低了3.23%、24.22%和18.51%。4Y處理的土壤含水量及土壤有機碳、微生物量碳和全氮的含量均達到最高水平,較CK分別增加了15.00%、8.29%、50.16%和31.44%。4Y處理的蘋果根系生長量均高于其他覆膜年限,根系生物量、根表面積和根體積分別為54.62 g、10 921.66 cm2和220.56 cm3。在>20~40 cm的土層內(nèi),2Y處理的土壤含水量達到最高水平,較CK增加了18.04%。土壤通氣度變化與0~20 cm土壤的變化趨勢一致。4Y處理的土壤有機碳、微生物量碳和全氮的含量較CK分別增加了3.72%、64.31%和14.19%。CK處理的根系生物量和根表面積顯著高于其他覆膜年限,分別為20.63 g、4 956.95 cm2,2Y的蘋果根體積最大,為103.93 cm3。
2.2不同覆膜年限對蘋果根際土壤化感物質(zhì)含量的影響
由表2可知,在0~20 cm土層范圍內(nèi),隨著覆膜年限的延長,土壤中阿魏酸、苯甲酸、根皮苷和香蘭素含量顯著降低。6Y處理的蘋果根際土壤中對羥基苯甲酸和肉桂酸的含量達到最高水平,而香豆酸含量在4Y處理時達到最高水平。在>20~40 cm土層范圍,隨著覆膜年限的延長,土壤中咖啡酸、香蘭素、苯甲酸、香豆素、根皮苷、肉桂酸和根皮素的相對含量顯著下降,與CK相比,6Y處理的土壤中咖啡酸、香蘭素、苯甲酸、香豆素、根皮苷、肉桂酸和根皮素的含量分別下降了72.20%、100.00%、77.67%、100.00%、83.21%、54.35%和52.03%。對羥基苯甲酸和阿魏酸僅在4Y和6Y處理的土壤中檢測出,不同土層土壤中對羥基苯甲酸的含量分別為0.88 mg·kg-1和0.96 mg·kg-1,阿魏酸的含量分別為1.09 mg·kg-1和0.82 mg·kg-1。
2.3不同覆膜年限對蘋果根際土壤真菌群落多樣性的影響
通過97%的相似性對OTU進行聚類,共得到6402個真菌OTU,其中每個OTU代表一個物種。通過OTU差異性分析可知(圖2-C、F),0~20 cm土層中不同處理土壤樣品共有OTU 935個(14.6%),特有OTU數(shù)量分別為CK(273)、2Y(342)、4Y(428)和6Y(821),分別占OTU總數(shù)的4.26%、5.34%、6.69%和12.82%。>20~40 cm土層中不同處理土壤樣品共有OTU為850個(13.28%),特有OTU數(shù)量分別為CK(500)、2Y(246)、4Y(460)和6Y(374),分別占OTU總數(shù)的7.81%、3.84%、7.19%和5.84%。0~20 cm土層土壤真菌群落Chao1指數(shù)和Shannon指數(shù)均隨著覆膜年限的延長而升高(圖2-A、B),而在>20~40 cm土層中真菌群落Chao1指數(shù)隨著覆膜年限的延長而降低,Shannon指數(shù)則隨著覆膜年限的延長而增高(圖2-D、E)。
2.4不同覆膜年限對蘋果根際土壤真菌群落豐度的影響
由圖3可知,不同覆膜年限蘋果根際土壤中真菌群落的優(yōu)勢真菌門(相對豐度>1%)主要為擔(dān)子菌門(Basidiomycota,5%~19%)、被孢霉門(Mortier-ellomycota,5%~22%)、子囊菌門(Ascomycota,22%~44%)和芽枝霉門(Aphelidiomycota,1%~7%)。在0~20 cm土層范圍內(nèi),被孢霉門的相對豐度隨著覆膜年限的延長而增加,較CK分別增加了2%、4%和5%。2Y處理的根際土壤中擔(dān)子菌門的相對豐度最高(15%),6Y處理的根際土壤中被孢霉門的相對豐度最高(圖3-A)。在>20~40 cm土層范圍內(nèi),擔(dān)子菌門和被孢霉門的相對豐度均隨著覆膜年限的延長而增加,2Y處理的根際土壤中擔(dān)子菌門的相對豐度達到最高水平,6Y處理的根際土壤中被孢霉門的相對豐度達到最高水平。土壤中子囊菌門的相對豐度則隨著覆膜年限的延長而降低,較CK分別降低了17%、19%和22%。6Y處理的根際土壤中芽枝霉門的相對豐度均高于其他處理(圖3-C)。
不同覆膜年限果樹根際土壤中的優(yōu)勢真菌屬(相對豐度>1%)主要為被孢霉屬(Mortierella,9%~39%)、Solicoccozyma屬(9%~33%)、Petriella屬(1%~16%)、鐮刀菌屬(Fusarium,1%~3%)。在0~20 cm土層范圍,Petriella屬和鐮刀菌屬的相對豐度均隨著覆膜年限的延長而增加(圖3-B)。其中4Y處理的根際土壤中Petriella屬的相對豐度較高(14%),6Y處理的根際土壤中被孢霉屬的相對豐度達到最高水平(32%),2Y處理的根際土壤中Solicoccozyma屬的相對豐度達到最高水平(33%)。在>20~40 cm土層范圍,優(yōu)勢真菌的變化趨勢與0~20 cm土層范圍呈一致的變化趨勢(圖3-D)。
2.5不同覆膜年限對蘋果根際土壤真菌群落分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的影響
基于不同覆膜年限的真菌序列數(shù)據(jù),采用RMD網(wǎng)絡(luò)分析真菌之間潛在的互作關(guān)系,選取OTU(相對豐度>0.5%)構(gòu)建真菌分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)分析的相關(guān)參數(shù)如表3所示。0~20 cm土層范圍內(nèi),2Y處理對根際土壤真菌分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的影響較大,節(jié)點數(shù)和邊數(shù)均低于CK,4Y和6Y處理土壤中真菌分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)和邊數(shù)則均高于CK??傮w上隨著覆膜年限的延長,真菌群落的分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的正相關(guān)系數(shù)降低,負相關(guān)系數(shù)增加,真菌群落之間的協(xié)同作用降低,拮抗作用增強,導(dǎo)致真菌群落的穩(wěn)定性下降。>20~40 cm土層范圍內(nèi),隨著覆膜年限的延長,土壤中真菌分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)和邊數(shù)呈現(xiàn)降低的趨勢,4Y和6Y處理土壤真菌群落的分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的正相關(guān)系數(shù)顯著降低,其中6Y處理的正相關(guān)系數(shù)最低,為59.65%,表明連續(xù)覆膜6 a土壤真菌群落之間的拮抗作用增強。并且6Y處理構(gòu)成真菌群落的節(jié)點數(shù)和邊數(shù)最少,表明構(gòu)成真菌群落的分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性降低。不同覆膜年限的不同土層中構(gòu)成真菌分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的主要類群為子囊菌門、被孢霉門、擔(dān)子菌門和壺菌門(圖4)。
2.6蘋果根際土壤理化性狀、根系生長量與化感物質(zhì)含量相關(guān)性分析
由相關(guān)性分析(p<0.01,p<0.05)(圖5)可知,在0~20 cm土層范圍內(nèi),土壤含水量與苯甲酸含量呈極顯著正相關(guān)。土壤通氣度與咖啡酸、香蘭素、香豆素含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,與根皮苷、肉桂酸含量呈顯著正相關(guān)。蘋果根系生物量、根表面積和根體積均與香豆酸含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,與根皮苷含量呈顯著的負相關(guān)關(guān)系,與香豆素含量呈極顯著負相關(guān)關(guān)系,土壤脲酶活性與咖啡酸、香蘭素、阿魏酸、苯甲酸、肉桂酸和根皮素含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,與對羥基苯甲酸含量呈極顯著負相關(guān)關(guān)系。土壤過氧化氫酶活性與香豆酸含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,與香豆素、根皮苷含量呈極顯著負相關(guān)關(guān)系。土壤蔗糖酶活性與苯甲酸含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,與對羥基苯甲酸含量呈極顯著負相關(guān)關(guān)系(圖5-A)。
在>20~40 cm土層范圍內(nèi),土壤通氣度與對羥基苯甲酸、咖啡酸、香蘭素、苯甲酸、根皮苷、香豆素、肉桂酸、根皮素含量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。蘋果根系生物量、根表面積和根體積均與對羥基苯甲酸、咖啡酸、香蘭素、苯甲酸、根皮苷、香豆素、肉桂酸和根皮素含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。土壤過氧化氫酶活性與阿魏酸含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,與對羥基苯甲酸、咖啡酸、香蘭素、苯甲酸、根皮苷、香豆素、肉桂酸和根皮素含量呈極顯著負相關(guān)關(guān)系。土壤蔗糖酶活性與對羥基苯甲酸、阿魏酸、香豆素和根皮素含量呈極顯著負相關(guān)關(guān)系,與咖啡酸、苯甲酸、根皮苷含量呈顯著負相關(guān)關(guān)系。而β-1,4-木糖苷酶、β-1,4-葡萄糖苷酶和纖維二糖水解酶活性與阿魏酸含量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(圖5-B)。
2.7蘋果根際土壤真菌群落與土壤理化性狀、根系生長量及化感物質(zhì)含量的相關(guān)性分析
Mental檢驗結(jié)果表明,土壤理化性狀和根系生長量對不同覆膜年限的根際土壤中真菌群落結(jié)構(gòu)的影響具有顯著差異。在0~20 cm土層范圍內(nèi),過氧化氫酶對CK處理的蘋果根際土壤中真菌群落結(jié)構(gòu)的影響較為顯著,相關(guān)系數(shù)為0.45(p=0.027)。4Y處理根際土壤中真菌的群落結(jié)構(gòu)主要受土壤通氣度、有機碳含量、微生物量碳含量、全氮含量、根系生物量、根表面積、根體積、β-1,4-木糖苷酶、β-1,4-葡萄糖苷酶和纖維二糖水解酶活性的影響,相關(guān)系數(shù)分別為0.38(p=0.002)、0.32(p=0.29)、0.25(p=0.035)、0.38(p=0.031)、0.54(p=0.002)、0.48(p=0.001)、0.41(p=0.014)、0.31(p=0.046)、0.32(p=0.05)和0.33(p=0.04)。6Y處理的土壤中真菌的群落結(jié)構(gòu)主要受土壤含水量及脲酶和蔗糖酶活性的影響,相關(guān)系數(shù)分別為0.38(p=0.021)、0.41(p=0.014)和0.35(p=0.024)(圖6-A)。>20~40 cm土層范圍內(nèi)土壤酶活性對不同處理的蘋果根際土壤中真菌群落結(jié)構(gòu)均具有一定的影響,其中土壤蔗糖酶活性對CK和2Y處理的土壤真菌群落結(jié)構(gòu)的影響較為顯著,相關(guān)系數(shù)分別為0.37(p=0.007)和0.30(p=0.042)。而6Y處理的土壤中真菌群落結(jié)構(gòu)主要受土壤含水量、根表面積和根體積的影響,相關(guān)系數(shù)分別為0.42(p=0.018)、0.56(p=0.002)和0.0.63(p=0.001)(圖6-B)。
由圖6-C可知,在0~20 cm土層范圍內(nèi)覆膜4Y和6Y的土壤真菌群落受土壤化感物質(zhì)的影響較顯著,香豆酸和香豆素是影響4Y處理土壤真菌群落的主要化感物質(zhì),相關(guān)系數(shù)分別為0.47(p=0.002)和0.49(p=0.002)。6Y處理土壤真菌群落主要受對羥基苯甲酸、咖啡酸、香蘭素和苯甲酸含量的影響較顯著,相關(guān)系數(shù)分別為0.67(p=0.003)、0.35(p=0.02)、0.40(p=0.007)、0.57(p=0.001)。由圖6-D可知,在>20~40 cm土層范圍內(nèi)4Y處理土壤真菌群落主要受香豆素含量的影響,相關(guān)系數(shù)為0.32(p=0.04)。6Y處理土壤真菌群落主要受香蘭素含量的影響,相關(guān)系數(shù)為0.38(p=0.01)。
RDA分析結(jié)果表明,在0~20 cm土層,土壤理化性狀、根系生長量和化感物質(zhì)含量對土壤真菌群落結(jié)構(gòu)影響的解釋率為84.19%,其中軸變量的解釋率分別為50.77%和33.42%。由圖7-A可知,土壤脲酶(p=0.03)和β-1,4-葡萄糖苷酶(p=0.007 4)活性是影響真菌群落的主要因子,與擔(dān)子菌門、子囊菌門、毛霉門、羅茲菌門和球囊菌門均呈顯著負相關(guān)關(guān)系。與被孢霉門呈顯著正相關(guān)關(guān)系。在>20~40 cm土層,土壤理化性狀、根系生長量和化感物質(zhì)含量對土壤真菌群落結(jié)構(gòu)影響的解釋率為92.53%,其中軸變量解釋率分別為72.65%和19.88%。由圖7-B可知,土壤香蘭素(p=0.042)和咖啡酸(p=0.034)含量是影響土壤真菌群落的主要因子,與擔(dān)子菌門呈顯著正相關(guān)關(guān)系,與子囊菌門和被孢霉門呈顯著負相關(guān)關(guān)系。
3討論
3.1不同覆膜年限對蘋果根際土壤理化性狀和根系生長的影響
研究表明覆蓋措施能夠改變土壤的生化特性,對土壤養(yǎng)分循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化均具有一定的影響[18]。Xiang等[19]研究發(fā)現(xiàn)果園覆草能夠顯著提高土壤中轉(zhuǎn)化酶、脲酶、磷酸酶和纖維素酶活性。Li等[20]研究發(fā)現(xiàn)地膜覆蓋能夠提高土壤有機碳、微生物量氮和硝態(tài)氮的含量,但促進了土壤的反硝化作用,引起土壤氮素流失。前人研究表明過氧化氫酶能促進土壤中微生物的代謝,并促進了土壤中有機質(zhì)分解[21]。土壤中蔗糖酶的活性與土壤微生物的數(shù)量、土壤呼吸強度呈正相關(guān)關(guān)系,促進了土壤中蔗糖的分解,增加土壤中易溶解性有機物質(zhì)的含量,與土壤的肥力呈正相關(guān)關(guān)系[22]。而土壤堿性磷酸酶主要來源于土壤微生物,該酶可將土壤中的有機磷水解成植物可利用的磷酸鹽,促進了植物對磷的吸收[23]。在本研究中,隨著覆膜年限的延長,土壤通氣度顯著降低。覆膜2年(2Y)和4年(4Y)的蘋果根際土壤含水量較高。覆膜能夠有效改善土壤物理性狀,在果樹生長初期有利于根系的伸展和膜內(nèi)的水分下滲,阻止了田間積水流失和蒸發(fā)所造成的損失,從而提高土壤含水量[24]。2Y處理的蘋果根際土壤中過氧化氫酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性顯著增高,而土壤過氧化氫酶和蔗糖酶和堿性磷酸酶活性均與微生物的活性呈正相關(guān)[21-23]。因此覆膜2 a能有效激發(fā)蘋果根際土壤微生物的代謝活性,從而促進土壤的養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)。覆膜4 a的蘋果根際土壤中β-1,4-木糖苷酶、β-1,4-葡萄糖苷酶和纖維二糖水解酶活性顯著增高,這3種酶均與土壤中纖維素的水解有關(guān),是參與土壤碳循環(huán)的主要酶。而3種酶活性的增高能夠顯著增加土壤中有機碳含量,并提高土壤中有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化效率,從而促進了土壤的碳循環(huán)[25]。此外4Y處理的土壤中有機碳、微生物量碳和全氮的含量均顯著高于其他處理,但隨著覆膜年限的延長,土壤脲酶活性顯著降低,而脲酶活性與土壤的氮素循環(huán)有關(guān),說明連續(xù)覆膜在一定程度上影響了土壤中氮素的轉(zhuǎn)化,因此地膜覆蓋過程中應(yīng)適量的補充氮素,防止土壤氮素的虧缺[13]。此外,4Y處理的蘋果根系生物量、根表面積和根體積均高于其他處理,在0~20 cm的土層中對根系生長的影響尤為顯著。較CK處理,4Y處理的蘋果根系生物量、根表面積和根體積分別增加了489.84%、533.87%和542.39%。這可能與土壤中養(yǎng)分的含量有關(guān)[26]。
3.2不同覆膜年限對蘋果根際土壤化感物質(zhì)的影響
果樹生長發(fā)育過程中會向土壤中分泌大量的代謝產(chǎn)物,植物根系分泌物經(jīng)過長期累積會導(dǎo)致植物產(chǎn)生明顯的自毒效應(yīng)[27]。根系分泌物及其分解產(chǎn)物不僅能夠影響果樹的生長和生理特性,而且根系分泌物及其分解產(chǎn)物的過度累積則會改變土壤微生物群落的碳源,導(dǎo)致土壤微生物群落發(fā)生變化[27]。研究表明根系分泌的酚酸類物質(zhì)過度積累導(dǎo)致土壤環(huán)境發(fā)生變化,有利于真菌的生存,而病原類真菌的耐受性較強,更容易生存,因此酚酸類物質(zhì)過度積累會導(dǎo)致果樹病害的發(fā)生[28]。筆者在本研究中測定分析了可能導(dǎo)致蘋果果樹自毒作用的主要化感物質(zhì),對比分析了不同覆膜年限對蘋果果樹根際土壤中化感物質(zhì)含量的影響,結(jié)果表明隨著覆膜年限的延長,不同土層的土壤中苯甲酸和根皮苷含量均顯著下降,而其他的化感物質(zhì)則均未呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢??傮w上較其他處理,地膜覆蓋6 a的土壤中主要化感物質(zhì)(咖啡酸、香蘭素、苯甲酸、香豆素、根皮苷、肉桂酸和根皮素)的相對含量下降較為顯著,其中根皮苷、根皮素和苯甲酸等是抑制蘋果樹生長的主要化感物質(zhì)[29],此外6Y處理的蘋果根系生物量、根表面積和根體積均顯著降低??梢婋S著覆膜年限的延長,地膜覆蓋措施在一定程度上抑制了蘋果根系的生長,并降低了蘋果樹根際土壤中化感物質(zhì)的積累。土壤中的自毒物質(zhì)主要由植物及其分解產(chǎn)物構(gòu)成,主要來源于植物根系,表明根系的減少和自毒物質(zhì)的積累呈顯著的正相關(guān)。
3.3覆膜年限對蘋果根際土壤真菌群落的影響
土壤真菌所分泌的水解酶和氧化酶參與了土壤中有機質(zhì)分解過程,真菌作為土壤中有機殘體的主要分解者,在土壤的碳循環(huán)過程中具有重要作用,土壤真菌群落特征是評價土壤肥力特征變化的主要指標(biāo)[30-31]。在本研究中,隨著覆膜年限的延長,土壤真菌的多樣性和豐富度總體上呈增加的趨勢,不同覆膜年限的土壤中優(yōu)勢真菌門主要為子囊菌門、擔(dān)子菌門和被孢霉門等,其中被孢霉門的相對豐度隨著覆膜年限的延長顯著增加。研究表明被孢霉門的真菌具有較強的抗逆性,是土壤中纖維素、半纖維素和幾丁質(zhì)的主要分解菌,在土壤腐殖質(zhì)的形成中發(fā)揮著重要的作用[31]。Kruczyńska等[32]研究發(fā)現(xiàn)被孢霉門真菌對耕作措施具有較高的敏感性。在本研究中被孢霉門的相對豐度顯著增加,表明被孢霉門對地膜覆蓋措施具有較強的適應(yīng)能力,其中在覆膜4 a的蘋果根際土壤中被孢霉門的豐度顯著增高,表明4Y處理能夠促進蘋果根際土壤中纖維類物質(zhì)的降解、有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化和腐殖質(zhì)的形成,這與酶和養(yǎng)分的變化一致。此外,筆者在本研究中發(fā)現(xiàn),不同覆膜年限處理的土壤中優(yōu)勢真菌屬主要為被孢霉屬、Solicoc-cozyma屬、Petriella屬和鐮刀菌屬。其中鐮刀菌屬是植物的潛在致病菌,能夠引起多種植物病害,而在本研究中,土壤中鐮刀菌屬相對豐度隨著覆膜年限的延長而增加,因此在地膜覆蓋過程中應(yīng)配合相應(yīng)的防治措施,預(yù)防土壤鐮刀菌屬所引起的果樹病害發(fā)生。此外,研究結(jié)果表明隨著地膜覆蓋年限的延長,土壤中真菌群落之間的正相關(guān)系數(shù)降低,表明地膜覆蓋措施在一定程度上導(dǎo)致土壤真菌群落的復(fù)雜度下降,從而使得真菌群落對外界環(huán)境因子的抗逆性下降[33]。
3.4不同覆膜年限蘋果根際土壤理化因素、根系生長量和化感物質(zhì)與真菌群落的相關(guān)性分析
土壤覆膜措施對土壤表層及亞表層的土壤環(huán)境均具有一定的影響,從而改變了土壤中微生物的群落特征,研究表明地膜覆蓋會改變土壤中養(yǎng)分含量和生態(tài)酶計量比,改變土壤微生物養(yǎng)分供需,從而導(dǎo)致微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[34]。如土壤酶活性會影響土壤中養(yǎng)分的分解和循環(huán),進而對植物的生長產(chǎn)生影響[35-36]。反之植物生長過程中產(chǎn)生的根系分泌物改變了根際周圍的土壤環(huán)境,植物的代謝產(chǎn)物過度積累會導(dǎo)致土壤中微生物的群落特征發(fā)生變化,從而影響了微生物的生理代謝,導(dǎo)致土壤酶活性改變[37-38]。白羽祥等[39]研究發(fā)現(xiàn)土壤理化性質(zhì)的改變均對土壤中酚酸類物質(zhì)的含量產(chǎn)生一定的影響。而在本研究中,土壤通氣性與化感物質(zhì)的含量均呈顯著的正相關(guān),研究表明土壤通氣性與植物根系活力相關(guān),根系活力的增強可能導(dǎo)致土壤中代謝物質(zhì)的累積,其影響機制有待進一步研究[40]。此外土壤過氧化氫酶和蔗糖酶活性均與主要的土壤化感物質(zhì)呈顯著負相關(guān),其中過氧化氫酶活性與土壤的氧化還原作用相關(guān),其酶活性的增高能夠緩解自毒物質(zhì)的積累。這與以上研究結(jié)果一致。Zhalnina等[41]研究發(fā)現(xiàn)植物根系分泌物會改變根際土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)和土壤的酶活性。在本研究中,蘋果根系生物量、根表面積和根體積的增加促進了土壤中化感物質(zhì)的累積,在>20~40 cm的范圍內(nèi),這種影響效應(yīng)尤為顯著(p<0.01)。因此6Y處理的土壤中化感物的含量總體上呈現(xiàn)降低的趨勢,這可能與長期覆膜后蘋果根系的生長量大幅下降有關(guān)[42]。此外覆膜年限過長,土壤通氣性降低,對微生物群落會產(chǎn)生不利的影響,導(dǎo)致有機質(zhì)的分解速度及養(yǎng)分的有效性降低[43]。通過土壤理化性狀、根系生長量和土壤化感物質(zhì)與土壤真菌群落之間的相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)土壤脲酶和β-1,4-葡萄糖苷酶是影響蘋果根際土壤真菌群落的主要酶,在本研究中,脲酶活性隨著覆膜年限的延長而降低,而β-1,4-葡萄糖苷酶活性顯著增高,說明土壤覆膜不利于土壤中與氮素循環(huán)相關(guān)的真菌群落增加,而有益于與碳循環(huán)相關(guān)的真菌群落增加[44]。而土壤香蘭素是影響蘋果根際土壤真菌群落的主要化感物質(zhì),香蘭素為酚類物質(zhì),在本研究中,隨著覆膜年限的延長土壤中香蘭素含量呈顯著下降趨勢,有利于子囊菌門和被孢霉門的真菌,而子囊菌門和被孢霉門的真菌與土壤中有機物質(zhì)分解相關(guān),說明土壤覆膜通過減少自毒物質(zhì)積累,從而促進土壤中有機物質(zhì)的轉(zhuǎn)化[45]。
4結(jié)論
果園覆膜處理在一定程度上提高了蘋果根際土壤中養(yǎng)分含量和土壤酶活性,且對蘋果的根系生長具有一定的促進作用,并提高了蘋果根際土壤真菌群落的多樣性,綜合對比不同覆膜年限,結(jié)果表明覆膜4 a的蘋果根際土壤保水性、土壤養(yǎng)分、土壤酶活性和蘋果根系的生長量均達到最高水平,若覆膜年限過長則會導(dǎo)致蘋果根際土壤中通氣性、養(yǎng)分含量、酶活性和蘋果根系的生長量呈現(xiàn)下降趨勢,且土壤真菌群落的穩(wěn)定性隨著覆膜年限的延長而降低。因此覆膜年限不宜過長,并且覆膜過程中需補充氮素營養(yǎng),注意防治有害微生物的滋生。
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