玉米不同種植年限對土壤磷庫及含相關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, 汪 玉

(1. 沈陽師范大學 生命科學學院, 沈陽 110034;2. 中國科學院南京土壤研究所, 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室, 南京 210008)

0 引 言

科爾沁沙地是我國北方半干旱農牧交錯帶的重要組成部分[1],近80%的地區已嚴重沙漠化[2]。在這個風沙環境惡劣和土壤貧瘠地區,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]。對抗荒漠化和實現可持續農業是這一地區的重大挑戰[4]。玉米種植是該地區主要的種植方式,種植面積在10.6×104hm2以上,占全區糧食種植面積的84%,玉米產量占全年糧食總產量的98%[5]。磷是植物生長必不可缺的營養物質,是一種不可再生的全球資源[6],植物生長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系到作物的產量[7]。Su等[4]的研究表明,沙質草地開墾后,玉米短期種植造成耕層土壤全磷和有效磷顯著下降,同時土壤碳氮有效性降低。Brunetto等[8]對沙質草地不同開墾年限的土壤磷形態的研究表明,施磷顯著提高了土壤無機磷含量,而有機磷含量未發生顯著變化。然而,關于沙質草地農田土壤磷素隨時間變化過程中的微生物學影響研究相對較少。

土壤微生物是磷的生物地球化學過程中的關鍵驅動因素,微生物的活性強弱及群落結構與植物的生長密切相關[9],解磷微生物可以將土壤中較難被作物利用的磷組分轉變成可利用形態[10]。磷酸酶基因家族中的phoD基因通常作為一種探究農業生態系統中有機磷礦化過程的生物指示物[11]。大量研究通過檢測編碼phoD基因的微生物群落變化,評估在不同的種植體系中肥料管理對土壤Po礦化和磷有效性的影響[12-14]。研究發現,種植玉米土壤中解有機磷微生物群落豐度能達到解無機磷微生物群落豐度的133倍[15]。而人們對科爾沁地區風沙土農田土壤磷循環微生物學過程的認識嚴重不足。因此,本文以科爾沁地區沙質草地開墾后不同玉米種植年限土壤為研究對象,研究隨著種植年限的增加其土壤磷庫變化規律及微生物響應過程,以期為該地區土壤磷素庫容及其有效性的提高提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古通遼市扎魯特旗境內(121°44′E,44°5′N),是我國北方半干旱農牧交錯帶的科爾沁沙地腹地。該地區屬中溫帶大陸性季風氣候,年均氣溫6.6 ℃,年均日照時數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%。土壤為風沙土,成土母質為風積物。

根據對當地農戶的調研結果,選取草地開墾的玉米種植土壤為研究對象,于2018年10月進行集中采樣,包括種植10 yr(2009—2018)、種植20 yr(1999—2018)和種植60 yr(1959—2018)的3個處理。一次性施加商品復合肥(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點取樣法采集,采集混勻后的土樣剔除雜質后,部分土壤經風干、研磨、過篩后室溫保存。部分鮮土-20 ℃保存用于微生物指標測定。

1.2 實驗分析方法

土壤pH值以1∶2.5土水比測定;全碳、全氮采用碳氮全自動分析儀測定;速效磷用NaHCO3(0.5 mol·L-1,pH=8.5)提取后測定;土壤全磷含量經H2SO4-HClO4預處理,H2O2消煮后鉬藍比色法測定;土壤磷酸酶活性采用試劑盒完成;土壤磷組分利用Tiessen等[16]改進的磷素分級方法進行分析測定, 所有磷形態分為活性磷、中等活性磷及穩態磷3大類,總有機磷為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定[17];功能基因測序由派森諾生物技術有限公司完成,詳細步驟參照Maruyama等[18]的方法。

1.3 數據分析

采用SPSS 18.0對土壤理化性質、磷組分以及含phoD基因細菌群落多樣性進行單因素方差分析和差異性顯著檢驗,用Origin 2019進行回歸分析、制圖。基于OUT豐度表的細菌群落主成分分析和土壤理化性質與含phoD基因細菌主要屬的相關性熱圖,均在R軟件中完成,采用Canoco 5.0完成環境因子與含phoD基因細菌群落的冗余分析。

2 結果討論

2.1 玉米種植年限對土壤理化性質及磷庫組分的影響

玉米不同種植年限土壤理化性質見表1,沙質草地開墾種植玉米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,持續的磷肥施入導致土壤全磷濃度持續顯著升高,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時分別顯著增加了119%和138%;穩態磷分別增加了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細菌、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含phoD基因細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基因細菌群落Chao1指數顯著下降。相比于種植20 yr,香農指數與辛普森指數在種植60 yr土壤中顯著上升。通過對含phoD基因細菌群落主成分分析發現,長期玉米種植顯著改變了含phoD基因細菌群落結構的分異(圖4,P<0.05)。玉米種植60 yr與10 yr和20 yr的土壤解磷細菌群落出現明顯分離。

表2 玉米不同種植年限土壤含phoD基因細菌群落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個屬相對豐度出現顯著變化(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)的相對豐度顯著下降(P<0.05)。另外,回歸分析結果表明(圖6),堿性磷酸酶活性與含phoD基因細菌群落豐富度呈顯著負相關,而與土壤有機磷的含量沒有顯著相關性。

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

(a) 堿性磷酸酶與豐富度的關系(b) 堿性磷酸酶與有機磷的關系

2.4 玉米不同種植年限土壤含phoD基因細菌群落與土壤理化性質的關系

冗余分析結果如圖7所示,所選的環境因子共同解釋了解磷細菌群落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%)對含phoD基因細菌群落變化具有顯著影響(P<0.01)。進一步相關分析表明,pH值、全氮以及全碳與Amycolatopsis,Bradyrhizobium,Pseudomonas,Rubrobacter和Sinorhizobium之間顯著相關,Pleomorphomonas與pH值、全碳顯著相關,穩態磷與Amycolatopsis,Rubrobacter顯著相關,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性。

(a) 冗余分析(b) 相關性分析(*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現,土壤全磷隨種植年限的延長顯著增加。較種植10 yr,種植20 yr和60 yr土壤中速效磷、活性磷和穩態磷都顯著增加,有機磷無顯著變化。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,但速效磷沒有顯著變化,這可能是因為土壤碳、氮含量下降影響了磷素轉化過程而導致速效磷供給不足。該試驗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,在供應玉米生長磷需求的同時,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,這與Brunetto等[8]的研究一致。本文研究結果發現,種植玉米60 yr后,土壤全碳、全氮含量顯著下降,這可能是因為在沙質草地開墾耕作,土壤風蝕會導致土壤有機質下降,有機質(活性庫)的損失使重要的土壤性質如團聚體穩定性和氮礦化發生顯著變化,這與前人的研究結果一致[21-22]。李順江等[23]的研究表明,沙質草地開墾為農田后,土壤向粗粒化和單粒化演變,同時土壤有機碳含量嚴重下降。文海燕等[24]對沙質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生顯著變化,這可能與開墾時間和施肥水平有關。

本文的研究結果表明,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,認為土壤中的細菌群落組成主要由土壤性質決定,而與種植年限關系不大。Li等[26]的研究表明,土壤細菌群落演替動態與土壤肥力沿土壤時間序列的變化有關。Lin等[27]的研究表明,大多數叢枝菌根真菌較適應低磷土壤,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,玉米長期種植顯著增加了堿性磷酸酶的活性,對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。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。

大多數的研究表明[30],通常低磷環境可以促使phoD基因編碼磷酸酶礦化有機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。回歸分析表明,堿性磷酸酶活性與含phoD基因的豐富度顯著負相關,與有機磷含量沒有顯著相關關系,這說明長期無機磷肥施加未改變有機磷的礦化過程,而堿性磷酸酶的增加可能是由于其被細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,因而對土壤中磷的有效性不敏感[32]。

冗余分析進一步表明,土壤全氮和pH值顯著影響了含phoD基因細菌群落的變化。同時,大多數屬與全氮、pH值、全碳有顯著相關性。在農田生態系統中,pH值是影響phoD細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繁殖過程中的重要營養元素,在土壤碳氮磷元素循環過程中彼此間密切相關[15]。通常,土壤微生物活性和群落組成取決于有機碳的性質,而有機碳含量的增加可能會促使微生物溶解無機磷或礦化有機磷,以滿足其生長需求[33]。以上結果表明,長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細菌群落結構,進而影響了土壤磷素循環。

4 結 論

1) 沙質草地開墾后,長期玉米種植造成了土壤碳氮下降,全磷和穩態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,影響了土壤有效磷含量。

2) 玉米不同種植年限間大多數微生物的豐度沒有發生顯著變化,但含phoD基因的細菌群落結構在種植60 yr時發生顯著變化,pH值和全氮顯著影響了含phoD基因的細菌群落變化,并與主要屬有顯著相關性。結果表明,玉米種植過程中土壤碳氮下降、pH值升高等土壤性質的變化對土壤磷素循環過程產生重要影響。