土壤微食物網(wǎng)生物和土壤微生物對小星穗薹草生長和土壤養(yǎng)分的影響差異

董 琦,王一媚,管平婷,宋傳濤,吳東輝,王 平

東北師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院, 國家環(huán)境保護濕地生態(tài)與植被恢復(fù)重點實驗室,長春 130024

隨著地下生態(tài)學(xué)的蓬勃發(fā)展,越來越多研究揭示了地下生物對地上植物的重要性[1]。其中,普遍認為土壤微生物能夠促進植物生長[2—4]。作為分解者,微生物參與調(diào)節(jié)土壤的多個關(guān)鍵生態(tài)過程[5],如改變土壤養(yǎng)分的有效性[6]或促進根系生長[7]等,從而影響植物的生物量[8]、養(yǎng)分含量[9],或提高其抗逆性[6, 10]。一些植物還通過積累土壤有益微生物來促進生長,以提高其在群落中的相對豐度[11]。但地下生物是由功能不同且關(guān)系復(fù)雜的眾多土壤生物群體組成[12—13]。因此,微生物對植物的影響可能因其他土壤生物的存在而被掩蓋或放大,如捕食微生物的土壤線蟲[14]。

土壤線蟲與土壤微生物之間存在極為復(fù)雜的食物鏈關(guān)系,并由此形成土壤微食物網(wǎng)[15]。土壤微食物網(wǎng)是土壤生態(tài)功能的基礎(chǔ),從土壤養(yǎng)分被分解釋放到被植物吸收利用的過程中,土壤線蟲等微食物網(wǎng)成員發(fā)揮著重要作用,其重要性隨著地下生態(tài)學(xué)的迅速發(fā)展和研究手段的改進而逐漸呈現(xiàn)出來[16—17]。例如,一些研究發(fā)現(xiàn),土壤線蟲在捕食微生物過程中,一方面持續(xù)排出超過其代謝所需要的養(yǎng)分物質(zhì),使土壤有效養(yǎng)分含量增加[18]。另一方面線蟲的捕食作用促進了微生物增殖[19],增強了土壤呼吸強度和土壤酶活性[20]。由于線蟲及其與微生物的捕食關(guān)系是土壤微食物網(wǎng)的構(gòu)成主體[21],因此,土壤微食物網(wǎng)生物在土壤養(yǎng)分元素的礦化和釋放[22—23]、有效養(yǎng)分含量提升[17]等方面的作用可能遠大于土壤微生物。此外,有研究發(fā)現(xiàn)土壤線蟲還是植物與微生物養(yǎng)分競爭平衡的關(guān)鍵機制[14]。當(dāng)土壤微生物與植物之間存在養(yǎng)分競爭關(guān)系時[24],線蟲對微生物的捕食作用可能有利于植物的競爭地位[25]。營養(yǎng)級水平較高的線蟲(雜食和捕食線蟲)捕食幾乎所有較小的生物包括對植物有害的植食性線蟲[26],這對植物生長也會產(chǎn)生積極的促進作用[27]。

由于土壤微食物網(wǎng)生物在養(yǎng)分元素的轉(zhuǎn)化、儲存和釋放,調(diào)節(jié)植物-微生物關(guān)系等方面均產(chǎn)生積極影響[28],土壤線蟲及微食物網(wǎng)生物對植物的促進作用逐漸受到關(guān)注[29],被認為是聯(lián)系地下和地上生態(tài)過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[14,30],亟待更多研究揭示其影響過程及作用機制。 基于以上分析,本研究通過設(shè)置土壤微食物網(wǎng)生物和土壤微生物添加處理的室內(nèi)控制實驗,探究土壤微食物網(wǎng)生物對植物生長的促進作用是否大于土壤微生物,以及兩者對植物形態(tài)、生理特征和土壤養(yǎng)分含量等方面的影響是否不同。希望通過本研究,在一定程度上推動土壤微食物網(wǎng)生物對植物的影響研究,為揭示不同營養(yǎng)級土壤生物對植物生長和土壤養(yǎng)分循環(huán)的作用過程和影響機制,以及從植物-土壤生物互作角度深入認識植物生長策略等理論研究提供新思路。

1 材料與方法

1.1 實驗材料及來源

本研究所用植物和土壤實驗材料均來源于吉林省的金川泥炭沼澤,位于吉林龍灣國家級自然保護區(qū)。該保護區(qū)是中國最大的火口湖群分布區(qū),具有特殊性和典型性。金川泥炭沼澤是在火山噴發(fā)形成火口湖的基礎(chǔ)上,經(jīng)過漫長沼澤化過程而形成,在我國濕地分類體系中具有獨特地位[31]。金川泥炭沼澤的優(yōu)勢植物為薹草屬植物。其中小星穗薹草(Carexangustior)在沼澤中分布廣泛,該物種也是我國北方泥炭沼澤中的常見種[32]。因此,本研究以小星穗薹草為植物材料。植物種子于2020年7月采集,帶回東北師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院實驗室,置于通風(fēng)處陰干備用。8月以赤霉素和濃硫酸處理小星穗薹草種子促其萌發(fā)[33],并用0.3%的高錳酸鉀溶液進行消毒處理。將消毒后的種子放在帶蓋培養(yǎng)皿中,在浸以無菌水的濾紙上萌發(fā)。3周左右后,將萌發(fā)種子陸續(xù)移栽至生長室的育苗盤中培養(yǎng),育苗盤中土壤為高溫蒸汽滅菌土壤(121℃滅菌2h,間隔3d后再次滅菌),采用無菌水澆灌。生長室光照 12h/12h,溫度 30℃/22℃,后續(xù)植物培育均在此環(huán)境條件下進行。

2020年10月,在采集小星穗薹草種子的相同區(qū)域采集新鮮沼澤土壤,隨即4℃保存運輸至東北師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院實驗室。關(guān)于土壤線蟲和微生物群落的物種組成及多樣性指標(biāo)詳見文獻[34]。按照通用方法分別提取土壤微食物網(wǎng)生物和土壤微生物[35]。即首先將土壤浸提液(1∶1水土比)過45μm無菌微孔濾膜,得到土壤微食物網(wǎng)生物濾液(同時含有土壤微生物和線蟲);然后從該濾液中分別隨機取兩份,一份過22μm無菌微孔濾膜獲得土壤微生物濾液(僅含土壤微生物),另一份滅菌(方法同土壤滅菌)作為對照處理(圖1)。

圖1 實驗設(shè)計示意圖

1.2 實驗處理

本研究共設(shè)置土壤微食物網(wǎng)生物添加、微生物添加和滅菌土壤三個實驗處理,每種處理10個重復(fù)種植容器。所有處理使用相同土壤基質(zhì),即高溫蒸汽滅菌泥炭沼澤土壤。將等量滅菌土壤(約570g鮮重)裝入已滅菌種植容器中(直徑8cm,高16cm的底部無孔塑料瓶),澆入齊地表的蒸餾水靜置1天待土壤穩(wěn)定。隨后挑選育苗盤中長勢良好且個體大小基本一致的小星穗薹草幼苗移栽到容器瓶中。每瓶移栽2—3株。待1—2周移栽苗生長穩(wěn)定后每瓶定株1株植物。

11月初,分別將10mL微食物網(wǎng)生物浸提液、微生物浸提液或滅菌浸提液對應(yīng)實驗處理添加至種植容器中。在整個實驗過程中均采用無菌水澆灌,種植瓶水位始終維持在齊地表狀態(tài),以模擬小星穗薹草的野外濕生環(huán)境。

1.3 樣品采集與處理

2021年3月,即實驗處理設(shè)置4個月后收獲植物和土壤樣品。測量每株植物的絕對高度后齊地面剪下小星穗薹草的地上部分。將植物根系與土壤仔細分離后清洗,然后置于根盤中掃描,獲得每株植物的完整根系圖片。將掃描后根系與植物地上部分放置在65℃烘箱烘干至恒重后分別稱重,計算獲得總生物量和根莖比。利用 WinRHIZO軟件分析根系圖片,獲得總根長、根系平均直徑和細根長(直徑<1mm)占總根長的比例等形態(tài)指標(biāo)。基于總根長和根系干重計算獲比根長。

使用球磨儀將烘干植物粉碎過篩后,分別測量地上部分和根系的總氮(凱氏定氮法,連續(xù)流動分析儀Skalar SAN ++)和總磷濃度(鉬銻抗分光光度法,連續(xù)流動分析儀Skalar SAN ++)。基于植物地上和地下生物量及總氮、總磷濃度計算獲得整株植物所吸收固定的總氮量和總磷量。

種植瓶土壤風(fēng)干后粉碎過篩測定土壤的全效養(yǎng)分和有效養(yǎng)分含量。以0.8mol/L重鉻酸鉀滴定法測定土壤有機質(zhì)含量,凱氏定氮法測定土壤總氮含量,總有機碳分析儀法測定土壤可溶性有機碳,堿性擴散滴定法測定土壤有效氮含量,通過鉬銻抗分光光度法測定總磷和有效磷濃度。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用單因素方差分析法確定各個植物和土壤指標(biāo)是否存在顯著的處理間差異,并以Duncan檢驗法進行各指標(biāo)的多重比較。統(tǒng)計分析前檢查所有數(shù)據(jù)的正態(tài)性,對不符合正態(tài)的變量進行適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。所有統(tǒng)計分析基于IBM SPSS 23.0軟件,使用Origin 2017軟件制圖,圖中數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物株高、生物量及根莖比

不同處理之間植物株高(F=0.370,P=0.694)無顯著性差異(圖2)。土壤微生物對植物生物量的促進作用未達到顯著水平,但微食物網(wǎng)生物顯著提高了植物生物量(圖2)。與對照組相比,土壤微食物網(wǎng)處理組的植物生物量增加了74.32% ±4.95%。在添加微食物網(wǎng)生物和微生物后植物根莖比有所下降,但下降程度未達到顯著水平(F=2.175,P=0.133,圖2)。

上述結(jié)果表明,土壤微食物網(wǎng)生物對植物生物量的促進作用顯著大于微生物的作用,土壤微生物對植物生長的促進作用未達到顯著性水平。在本研究中,土壤生物未明顯改變植物的株高和地上地下分配策略。

2.2 植物根系形態(tài)特征

添加土壤微食物網(wǎng)生物后,植物的根系總長度顯著增加(圖3),但植物的比根長、根系平均直徑和細根長占比,均與對照組植物相似(圖3)。土壤微生物對植物總根長的促進作用未達到顯著水平(圖3),卻顯著提高了比根長(圖3)和細根長占比(圖3),并且顯著降低了根系的平均直徑(圖3)。

圖3 三種土壤生物處理條件下植物總根長、比根長、根平均直徑和細根長占比

上述結(jié)果表明,土壤微食物網(wǎng)生物和微生物對植物根系形態(tài)特征產(chǎn)生的影響不同。土壤微食物網(wǎng)生物使植物總根長顯著增加,不改變根系的形態(tài)特征,而土壤微生物并未顯著增加植物總根長,卻改變了植物的根系形態(tài),使根系明顯纖細化。

2.3 植物氮磷濃度和總量

不同處理之間無論是植物葉片(F=0.061,P=0.941)和根系(F=2.968,P=0.127)的氮濃度(圖4),還是根系的磷濃度(F=0.395,P=0.690,圖4)均未出現(xiàn)明顯變化。但土壤微食物網(wǎng)生物顯著降低了植物葉片的磷濃度(圖4)。

圖4 三種土壤生物處理條件下植物葉片和根系的總氮和總磷濃度、植物的總氮量和總磷量

當(dāng)添加土壤微食物網(wǎng)生物或微生物時,植物吸收固定的總氮量增加(圖4)。但與對照組相比,土壤微生物組的促進作用并未達到顯著水平。在土壤微食物網(wǎng)生物處理條件下,植物固定的總氮量顯著高于對照組的(86.89±14.72)%,并且與微生物組的差異也達到顯著水平(圖4)。在本實驗中,無論添加土壤微食物網(wǎng)生物還是微生物,均未明顯改變植物吸收固定的總磷量(F=0.237,P=0.796,圖4)。

上述結(jié)果表明,土壤微食物網(wǎng)生物和微生物對植物氮磷濃度和氮磷元素總量的影響不同。土壤微食物網(wǎng)生物雖未明顯改變植物的氮濃度,卻幫助小星穗薹草吸收了更多的土壤氮。土壤微生物對小星穗薹草葉片和根系的氮磷濃度,以及吸收固定的氮磷總量影響較小。

2.4 土壤養(yǎng)分含量

土壤微食物網(wǎng)生物和微生物均未顯著影響土壤的有機質(zhì)(F=0.379,P=0.700)、總氮(F=2.014,P=0.214)和總磷(F=1.041,P=0.409)含量(圖5)。

圖5 三種土壤生物處理條件下土壤有機質(zhì)、總氮、總磷、可溶性有機碳、有效氮和有效磷含量

添加土壤生物后,土壤可溶性有機碳含量增加,并且微生物處理條件下的可溶性有機碳含量顯著高于對照組(圖5)。土壤微食物網(wǎng)生物和微生物未顯著改變土壤有效氮含量(F=0.787,P=0.497,圖5),但均顯著降低了土壤有效磷含量(圖5)。并且微食物網(wǎng)生物對土壤有效磷的降低作用顯著大于土壤微生物的作用。

上述結(jié)果表明,在本實驗條件下,添加土壤食物網(wǎng)微生物和微生物均未改變土壤的碳氮磷全效養(yǎng)分含量,但提高了土壤可溶性碳含量、降低了土壤有效磷含量。雖然雙方對土壤有效養(yǎng)分含量的作用方向相同,但作用程度存在差異。基本表現(xiàn)為,與對照相比,添加微食物網(wǎng)生物更明顯降低了土壤有效磷含量,而添加土壤微生物則明顯提高了土壤可溶性碳含量。

3 討論

3.1 土壤微食物網(wǎng)生物對植物生長的促進作用顯著大于土壤微生物

在本研究中,土壤微生物對小星穗薹草生物量的促進作用未達到顯著水平,土壤微食物網(wǎng)處理則顯著提高了植物生物量(圖2)。本研究及前人的一些研究[17, 36—37],均觀察到添加土壤線蟲對植物生長產(chǎn)生的促進作用十分明顯。通常情況下,土壤微生物分解釋放的養(yǎng)分僅有一部分能夠被植物根系吸收利用,而70%—80%的土壤碳、氮等元素則被微生物自身所固持[38]。線蟲等土壤動物通過捕食微生物把這些養(yǎng)分釋放出來,使植物能夠得以獲取和利用[14]。以往一些研究中設(shè)置的微生物添加處理,例如向滅菌土壤中添加未滅菌土壤或土壤濾液,實質(zhì)上添加的可能是包含土壤線蟲在內(nèi)的微食物網(wǎng)生物[39]。以往研究表明,土壤線蟲一方面通過捕食作用提高了微生物的代謝活性,另一方面線蟲的分泌物及排泄物也為微生物提供了養(yǎng)分[17]。因此,由相互作用的線蟲和微生物構(gòu)成的土壤微食物網(wǎng),可加快土壤碳氮元素周轉(zhuǎn)[40],從而提高植物對土壤養(yǎng)分的利用率[41]。在本研究的土壤微食物網(wǎng)生物添加處理中,小星穗薹草的植物總氮量顯著高于其他兩個處理(圖4)。這證明土壤微食物網(wǎng)生物幫助植物吸收了更多的土壤可利用養(yǎng)分資源[18,42],最終促進植物生長[43—44]。

此外,土壤線蟲及其他原生動物能夠通過激素效應(yīng)刺激植物生長,如促進植物根尖和根系生長[45]、增加根系分枝等[40],這也是微食物網(wǎng)生物促進植物生長的原因之一。添加土壤微食物網(wǎng)生物后,小星穗薹草的總根長明顯大于對照組植物(圖3),植物占有和吸收土壤養(yǎng)分的能力顯著增加。除促進根系發(fā)育外,土壤線蟲還幫助有益微生物(如硝化細菌)到達植物的新生根尖處[46],進一步增強植物對土壤養(yǎng)分的利用能力。

與土壤微食物網(wǎng)生物對植物根系產(chǎn)生的作用不同,土壤微生物并未顯著提高小星穗薹草的總根長,卻改變了根系的生長策略和形態(tài)。與其他處理相比,土壤微生物使小星穗薹草傾向于采取消耗等量干物質(zhì)形成更長根系的生長策略(比根長增大,圖3),從而使整個根系的外部形態(tài)更顯纖細(根系平均直徑減小,細根所占長度比例增加,圖3)。植物具有改變生長策略,調(diào)整其形態(tài)和結(jié)構(gòu)以提高環(huán)境適合度的能力[47—48]。小星穗薹草根系發(fā)生的上述生長策略和形態(tài)變化與植物在低養(yǎng)分環(huán)境中的表現(xiàn)相似[49]。這或許是因為在本研究的濕生環(huán)境中,土壤微生物對土壤養(yǎng)分的礦化能力受到限制,其分解釋放的養(yǎng)分無法充分滿足微生物和植物的共同需求,從而出現(xiàn)某種程度的養(yǎng)分競爭,使得小星穗薹草對根系的投資策略發(fā)生了適應(yīng)性改變。前人研究發(fā)現(xiàn)線蟲對植物生長的促進作用通常發(fā)生在微生物與植物競爭養(yǎng)分的環(huán)境中[36],未來應(yīng)開展相關(guān)研究以提供更多實驗證據(jù)。

3.2 土壤微食物網(wǎng)生物和微生物對土壤有效養(yǎng)分含量的影響不同

植物根系吸收和獲取的營養(yǎng)資源與土壤微食物網(wǎng)生物活動密切相關(guān)[16]。小星穗薹草需不斷從土壤中獲取可利用營養(yǎng)以滿足生長所需。以往研究表明,土壤生物影響土壤養(yǎng)分的可利用性,繼而影響植物對營養(yǎng)元素的吸收[16, 18, 43]。一般而言,土壤的全效養(yǎng)分含量反映土壤養(yǎng)分的儲量,而有效養(yǎng)分含量反映土壤礦化與植物吸收之間的動態(tài)平衡[50]。在本次四個月的實驗周期中,短期的實驗處理并未明顯改變土壤的碳、氮、磷全效養(yǎng)分含量(圖5)。但在土壤生物和小星穗薹草的共同作用下,土壤有效養(yǎng)分含量發(fā)生差異性變化,表明有無、以及不同土壤生物對土壤礦化與植物吸收的動態(tài)平衡產(chǎn)生了不同影響。

土壤微生物的代謝活動促進了土壤可溶性有機碳的釋放[51],使土壤可溶性有機碳含量明顯升高(圖5)。因土壤微生物直接參與有機物分解,土壤碳循環(huán)易受到微生物的影響[52]。土壤線蟲也可促進土壤可溶性有機碳的釋放[53],特別是食微線蟲(食細菌線蟲和食真菌線蟲)。但線蟲從微生物中獲取得的大部分碳被各營養(yǎng)級線蟲(包括高營養(yǎng)級捕食性線蟲和雜食性線蟲)呼吸代謝消耗[54]。這可能是導(dǎo)致微食物網(wǎng)處理的土壤可溶性有機碳含量略低于微生物處理的原因之一(圖5)。

土壤有效磷含量在不同處理間也差異明顯。添加土壤生物后,土壤的有效磷含量顯著下降,而且微食物網(wǎng)生物對土壤有效磷的降低作用大于土壤微生物(圖5)。土壤生物有利于土壤養(yǎng)分的礦化[55],但礦化后的養(yǎng)分元素可能很快又被植物或地下生物吸收轉(zhuǎn)化而固定,土壤的有效養(yǎng)分含量未必提高,甚至可能因土壤生物的固持反而降低。如以往研究發(fā)現(xiàn),細菌重新固持已分解釋放的磷素[56],并且當(dāng)土壤線蟲存在時這種磷固持現(xiàn)象更明顯[17,57]。這是因為線蟲的碳磷比(C/P)值與微生物接近,線蟲取食微生物后很少釋放有效磷,從而導(dǎo)致土壤有效磷含量較低[58]。

4 結(jié)論

土壤生物與植物之間相互依存,但不同土壤生物類群對植物生長產(chǎn)生的影響各不相同。本研究發(fā)現(xiàn),土壤微食物網(wǎng)生物對植物生長的促進作用大于土壤微生物的作用。土壤微食物網(wǎng)生物未改變植物的氮濃度和土壤有效氮含量,卻促進了植物對土壤氮元素的吸收,使植物的總氮量顯著增加。土壤微食物網(wǎng)生物和土壤微生物在植物形態(tài)、生理特征和土壤養(yǎng)分含量等方面存在的差異性影響結(jié)果,可能是因為土壤微食物網(wǎng)生物比土壤微生物更加快了土壤養(yǎng)分的釋放和周轉(zhuǎn),使植物能夠從土壤中吸收更多可利用養(yǎng)分,相關(guān)生態(tài)過程和作用機制研究亟待深入開展。此外,應(yīng)構(gòu)建野外環(huán)境條件下合理可行的實驗方法和途徑,以確定室內(nèi)實驗的研究結(jié)論是否與野外環(huán)境中的一致。未來在開展相關(guān)研究工作時,還應(yīng)考慮到土壤線蟲與土壤微生物、以及不同營養(yǎng)級線蟲和不同種類微生物之間的復(fù)雜關(guān)系。其中的一些重要關(guān)系,以及這些關(guān)系與土壤養(yǎng)分的反饋作用,可能是揭示土壤微食物網(wǎng)生物對植物生長的影響過程和作用機制的關(guān)鍵樞紐。