不同禾草生長對甘肅馬先蒿群落土壤養分和微生物群落的影響

王占青,王午志,馬 喆,陳可欣,本紅霞,閔珂欣,喬有明

(1. 青海大學生態環境工程學院,青海 西寧 810016; 2. 青海大學農牧學院,青海 西寧 810016;3. 青海大學省部共建三江源生態與高原農牧業國家重點實驗室,青海 西寧 810016)

植物和土壤微生物是陸地生態系統的主要組成部分[1-2]。在陸地生態系統中,植物-微生物-土壤彼此相互聯系與作用,三者通過系統內物質循環和能量流動將植物地上部分和土壤微生物等因子統一起來,形成了相互關聯的復合有機整體[3-5]。土壤微生物作為土壤中物質循環的調節者,通過自身代謝活動及其他生物與非生物因子的相互作用調節土壤結構和養分循環,而土壤環境的改變又反過來影響植物自身生長或養分的吸收,對維持草地生態系統的穩定起著重要作用[6-7]。在全球變化和人類活動影響下,作為陸地生態系統的重要組成部分的草地生態系統退化嚴重,尤其是青藏高原的三江源地區生態環境比較脆弱,自然條件嚴酷,承受著自然不合理利用和人為管理不善的雙重外營力作用,呈現出不同程度退化態勢,草地植被遭到破壞,地上植物及地下土壤生物群落結構和功能發生了變化[8]。退化生態系統恢復過程中土壤和植被是一個有機整體,二者相輔相承、互相影響。長期以來,研究人員較多關注地上系統或地下系統而未能將二者之間相互作用的關系結合起來進行系統地研究。近年來,隨著對生態和環境保護認識日益深入,學者們更多的意識到二者之間相互依賴和相互制約的關系,即植物與土壤間相互作用(植物-土壤反饋)是揭示陸地生物群落動態變化的關鍵環節,其對維持生態系統的結構和功能具有重要意義[9-10]。然而,關于植物-土壤反饋機理的認識,以及它們在自然生態系統中扮演重要角色的研究仍處于起步階段,其機理的研究有助于提高我們認知植物-土壤反饋在全球環境變化下對生態系統影響的貢獻能力[11]。目前,植物-土壤反饋在植物群落演替過程中的作用已成為當前生態學研究的熱點,但植物生長、群落組成及植物多樣性和生產力對土壤養分及微生物反饋作用的影響尚未得到深入研究[12]。王珍等[13]綜述了植物-土壤微生物反饋在植物群落演替過程中的重要作用機理,不同植物類型、功能群及植物群落組成在群落恢復演替中對土壤微生物產生了重要影響;也有研究發現,植物多樣性對土壤養分、微生物群落及后續植物的生長產生反饋作用,且土壤微生物群落對植物的生產力有一定影響[14-15]。但關于不同禾草生長對高寒草甸植物群落土壤養分及微生物群落影響的研究鮮有報道。因此,認識退化草地恢復過程中不同禾草生長對同一植物群落土壤養分及微生物的影響作用,從土壤養分和微生物的角度完善和闡明草地改良過程中地上部分對地下部分影響作用的途徑與機制,對揭示植物-土壤反饋在退化草地生態恢復中的作用具有重要意義。

本研究以適于高寒草甸栽培和退化草地修復的老芒麥(Elymussibiricus)、垂穗披堿草(Elymusnutans)、中華羊茅(Festucasinensis)和冷地早熟禾(Poacrymophila)4種禾草為植物材料[16];以草地退化過程中出現的先鋒物種甘肅馬先蒿(Pediculariskansuensis)群落土壤為栽培基質[17],采用盆栽控制試驗,研究不同禾草與土壤養分和微生物間的反饋作用,以了解不同禾草在同一植物群落土壤生長后的土壤養分及微生物群落變化特征,以期為高寒草甸退化草地植被恢復和人工重建提供科學的理論依據。

1 材料與方法

1.1 野外土壤采集

試驗土壤采集于青海省澤庫縣境內以甘肅馬先蒿為優勢種的退化斑塊群落土壤,土壤至少在相隔20 m以上的三個點采集,取土厚度為20 cm左右,將獲取的土壤運回實驗室進行預處理,除去植物根及礫石等,陰干備用;一部分土樣用于試驗實驗,一部分土樣風干過篩后備用。供試禾草種子均來源于同德縣青海省牧草良種繁殖場,種子收獲于 2020 年8月下旬。

1.2 試驗方法

1.2.1盆栽試驗 盆栽器皿為塑料花盆(15 cm×18 cm,內徑×高),裝盆前于盆底一側鋪碎石,然后放置一張白紙以隔開土壤與碎石,每盆稱土1.5 kg均保持相同重量,將每種禾草種子50粒均勻播種于盆內,每種禾草分別種6盆,空白對照3盆,不播種任何植物。不同禾草生長實驗在植物培養間進行,白天溫度為20℃,夜晚溫度為16℃,光照強度為2 000 lux,光周期12 h。根據禾草種子出苗情況,進行移苗補植和間苗處理,每盆中均保留25株,整個禾草生長階段盆栽含水量均采用稱重法控制在10%左右。

1.2.2禾草生長指標和土壤養分測定 試驗周期末(161 d),每種禾草選取長勢均勻植物5盆,每盆內隨機取植物10株及根部土壤,分別進行禾草生長指標[18-19]和土壤養分測定[20]。將選取的10株植物從花盆中帶根取出,用自來水沖洗根部附著的土壤,晾干后,用游標卡尺測量株高(cm)和根長(cm),以選定10株的平均值作為1個生物學重復觀察值,每種類型禾草重復5次。植物的葉莖和根分別裝入信封中,于鼓風干燥箱中105℃殺青30 min后,80℃烘干至恒重并稱重,得到10株植物葉莖的樣品合并為地上生物量(g),根部作為地下生物量(g),禾草地上部分磨細過篩后,用于測定禾草碳含量(H2SO4-K2Cr2O7氧化法)、氮含量(凱氏定氮法)、磷含量(鉬銻抗比色法)和鉀含量(火焰光度計法)。禾草根部采集的土壤,風干過篩后采用常規分析方法進行土壤養分的測定。其中,測定項目包括土壤酸堿度(PHS-3E),有機質含量(重鉻酸鉀稀釋熱法),速效鉀含量(NH4OAc浸提),速效磷含量(0.5 mol·L-1NaHCO3浸提法),堿解氮含量(堿解擴散法),銨態氮含量(流動注射法)和硝態氮含量(間隔流動分析法)。

1.2.3土壤微生物群落的測定和分析 試驗周期末采集盆栽植物根部土壤,微生物分析每個樣品5 g左右裝入無菌管中,保存于-80℃的冰箱中,用裝有干冰的泡沫箱寄送至北京諾禾致源公司進行測序分析。采用Illumina NovaSeq6000 platform平臺分別對真菌(ITS)和細菌(16S rRNA)基因的ITS1和V4區(ITS5-1737F,515F and 806R)序列進行高通量測序,進行微生物α多樣性和物種相對豐度的測定與分析,利用FUNGuild和FAPROTAX進行土壤真菌和細菌功能注釋分析。

1.3 數據分析

使用Microsoft Excel 2013對獲得的試驗數據進行分類整理,單因素方差分析(Duncan法,P<0.05)使用SPSS 22.0 統計軟件,所得結果為每個處理的平均值和標準差;土壤微生物數據及圖采用R 4.2.3語言相關軟件包處理;Composite結構方程模型利用R語言(piecewiseSEM)等相關軟件包來構建,使用Fisher’s C檢驗來判斷模型擬合效果[21]。

2 結果與分析

2.1 不同禾草生長指標和土壤養分在甘肅馬先蒿群落土壤中的比較

甘肅馬先蒿群落土壤中生長的LM,CP和ZH株高顯著高于LD,其值分別是LD的1.58,1.52和1.47倍,而根長和總生物量之間無顯著差異(表1)。禾草碳含量在LD處理中分別比LM和ZH處理顯著升高了1.19和1.21倍;氮含量在ZH和LD處理中顯著高于LM和CP處理;磷含量在1.48～1.52 g·kg-1之間,各處理之間無顯著差異;鉀含量在LM,CP和ZH處理中分別比LD處理顯著升高了1.11,1.15和1.10倍。與CK處理相比,禾草生長提高了土壤酸堿度;土壤有機質含量在45.67～48.00 g·kg-1之間,各處理之間無顯著差異;LM,CP,ZH和LD生長的速效鉀含量分別顯著降低了19.97%,21.90%,13.98%和11.20%;LM生長的速效磷含量顯著高于其他處理,分別是CP,ZH,LD和CK處理的1.52,1.59,1.80和1.71倍;堿解氮含量在145.51～160.95 mg·kg-1之間,各處理之間無顯著差異;LM,CP,ZH和LD生長的銨態氮含量分別比CK處理顯著提高了11.32%,14.65%,12.11%和14.06%;硝態氮含量分別顯著降低了55.01%,65.93%,50.80%和37.52%。

2.2 不同禾草生長的甘肅馬先蒿群落土壤微生物

2.2.1微生物OTU數目分析 不同禾草生長的甘肅馬先蒿群落土壤共同擁有的真菌OUT數為1 087,其中,CP,ZH和LD生長的非共有真菌OUT數比CK處理分別多37.04%,12.04%和2.78%(圖1a)。不同禾草生長的甘肅馬先蒿群落土壤細菌共同擁有的OUT數為2 385,LM,CP,ZH和LD生長的非共有土壤細菌OUT數分別比CK處理多了38.66%,10.31%,39.43%和44.07%(圖1b)。

圖1 不同禾草生長的甘肅馬先蒿群落土壤微生物共有和特有的OTU數Fig.1 Shared and unique OTU number based on soil microorganisms in P. kansuensis community of different grass growth注:(a)真菌;(b)細菌;OTU數據為不同禾草生長的甘肅馬先蒿群落土壤樣品的平均數Note:(a) Fungi;(b) Bacteria;OTU data are the averages of soil samples from the P. kansuensis community of different grass growth

2.2.2微生物群落組成及結構變化分析 不同禾草生長的甘肅馬先蒿群落土壤真菌總數為3 817個OTUs的分類結果表明,隸屬于17個門,65個綱,153個目,330個科,615個屬,1 043個種(表2)。與CK處理相比,土壤真菌群落均以子囊菌門(Ascomycota)最具優勢,其相對豐度在LM,CP,ZH和LD中的占比分別為43.82%,45.55%,49.78%和51.79%;次優勢類群被孢霉門(Mortierellomycota)在CP,ZH和LD中的相對豐度分別比CK處理顯著低了29.34%,26.58%和25.60%,LM與其他處理之間無顯著差異;毛霉門(Mucoromycota)在LM和CP中的相對豐度分別比CK處理顯著高了86.74%和89.89%,其他處理與CK處理無顯著差異;球囊菌門(Glomeromycota)在CP中的相對豐度均比LM和CK處理顯著高44.83%,其他處理之間差異不顯著。

表2 不同禾草生長的甘肅馬先蒿群落土壤微生物在門水平上的豐度變化Table 2 Changes of soil microbial abundance at phyla level in P. kansuensis community of different grass growth

對7 818個OTUs的分類結果表明,細菌分析共檢測出55個門,97個綱,220個目,330個科,595個屬,270個種(表2)。與CK處理相比,土壤細菌優勢類群均為變形菌門(Proteobacteria)(21.84%～26.25%),其相對豐度在各處理中無顯著差異;次優勢菌群厚壁菌門(Firmicutes)在LM,CP,ZH和LD中的相對豐度分別比CK處理顯著低了68.16%,56.77%,47.64%和60.70%,差異顯著(P<0.05);酸桿菌門(Acidobacteria)在LM、放線菌門(Actinobacteriota)在ZH和綠彎菌門(Chloroflexi)在LD中的相對豐度分別比CK處理顯著高了52.15%,38.39%和61.22%,與其他處理無顯著差異;疣微菌門(Verrucomicrobia)在LM中的相對豐度顯著高于ZH和LD,與CP和CK之間無顯著差異。

2.3 不同禾草生長的甘肅馬先蒿群落土壤微生物多樣性分析

2.3.1微生物物種多樣性分析 不同禾草生長的甘肅馬先蒿群落土壤真菌Chao1指數和細菌Shannon指數存在差異(圖2)。與CK處理相比,CP生長的土壤真菌Chao1指數顯著提高了9.67%,與其他各處理無顯著差異;Shannon指數在各處理之間無顯著差異。土壤細菌Chao1指數在各處理間無顯著差異;與CK處理相比,LD生長的土壤細菌Shannon指數顯著提高了7.56%,與其他各處理無顯著差異。

圖2 不同禾草生長的甘肅馬先蒿群落土壤微生物α多樣性Fig.2 The α-diversity of soil microbial community in P. kansuensis community of different grass growth

2.3.2微生物功能注釋分析 利用FUNGuild對不同禾草生長的甘肅馬先蒿群落土壤真菌進行功能注釋(表3),與CK處理相比,LM,CP,ZH和LD生長的腐生營養型(Saprotroph)和共生營養型(Symbiotroph)真菌相對豐度在各處理之間無顯著差異;病理營養型(Pathotroph)真菌在LD處理中的相對豐度比CK處理顯著提高了54.07%,與其他各處理無顯著差異;病原-腐生-共生過渡型真菌在CP處理中顯著富集;而病理-腐生過渡型和腐生-共生過渡型真菌在LM處理中顯著富集。

表3 不同禾草生長的甘肅馬先蒿群落土壤功能微生物豐度變化Table 3 Changes of soil functional microbial abundance in P. kansuensis community of different grass growth

采用Faprotax對不同禾草生長的甘肅馬先蒿群落土壤細菌功能進行注釋,與CK處理相比,ZH生長的烴類降解菌(Hydrocarbon_degradation)和芳烴降解菌(Aromatic_hydrocarbon_degradation)的相對豐度均比CK處理顯著降低了83.33%;ZH和LD生長的亞硝酸鹽反硝化菌(Nitrite_denitrification)的相對豐度均比CK處理顯著降低了80.00%;LM生長的發酵菌(Fermentation)和硝酸鹽還原菌(Nitrate_reduction)的相對豐度分別比CK處理顯著降低了59.32%和46.72%,與其他處理之間無顯著差異。

2.4 不同禾草生長指標與土壤養分和微生物群落的關系

不同禾草生長與禾草養分、土壤養分和微生物群落結構方程模型結果顯示(圖3):不同禾草生長能夠直接影響土壤微生物多樣性和結構組成(路徑系數,0.274和0.674);不同禾草生長直接降低了土壤養分的有效性(路徑系數為-0.155),而通過土壤微生物多樣性和結構組成間接影響土壤養分的有效性(路徑系數為0.737和-0.152);禾草種類、禾草養分、土壤微生物多樣性、土壤養分、土壤微生物組成及結構共同直接影響禾草生長的生物量(路徑系數為0.740,0.427,0.140,0.426和-0.380)。因此,不同禾草生長對禾草養分、甘肅馬先蒿土壤養分和微生物群落直接產生影響,而禾草養分、土壤養分和微生物群落也會影響禾草生物量。

圖3 不同禾草生長對甘肅馬先蒿土壤養分和微生物群落影響路徑的結構方程模型Fig.3 Structural equation model of the influence path of different grass growth on soil nutrients and microbial community of P. kansuensis注:箭頭表示因果關系,與箭頭關聯的數字代表標準化路徑系數,箭頭虛實與路徑系數的強度成正比,紅色代表正效應,藍色代表負效應;R2 marginal表示模型中固定效應的解釋力;R2conditional表示模型中固定效應和隨機效應的總解釋力。顯著性水平:*,**和 ***分別表示P<0.05,P<0.01和P<0.001Note:Path coefficients along arrows are standardized by the mean of each parameter. The virtual and real arrows are proportional to the strength of the path coefficient. Red is a positive effect and blue is a negative effect in the model. R2 marginal represents the explanatory power of fixed effects in the model. R2conditional represents the total explanatory power of fixed and random effects in the model. *,** and *** indicate significant levels at P<0.05,P<0.01 and P<0.001,respectively

3 討論

3.1 不同禾草生長對甘肅馬先蒿群落土壤養分的影響

生態系統地上與地下部分是統一的整體,植物地上部分通過光合作用方式為土壤微生物提供資源,土壤微生物的變化也會影響土壤理化性質發生改變。同時,植物種類不同根系分泌物不同,導致植物種類對土壤理化性質產生差異性影響[13]。與CK相比,植物反饋作用對土壤有機質含量無顯著影響[22-24],本研究中,不同禾草生長對甘肅馬先蒿群落土壤有機質含量的影響無顯著變化。在植物-土壤反饋過程中,植物可以通過其根部及土壤微生物改變土壤有機質狀態,從而提高或降低土壤氮循環,改變氮的有效性[25],即不同禾草生長顯著增加了銨態氮含量和降低了硝態氮含量,與曲耀冰等[22-23]研究結果不同。不同禾草生長顯著降低了速效鉀含量,這與禾草生長吸收有關,并與根長、總生物量和禾草養分含量有較大的關系,表現為冷地早熟禾具有發達的根系、較高生物量、碳、氮和磷含量,再次驗證了冷地早熟禾的快速恢復高寒退化草地的功能[26],也說明速效鉀是影響禾草生長發育限制性的因素,這與Bezemer等[24]的結論相似。土壤速效磷與禾草株高呈正相關,證明了速效磷是植物生長發育的重要營養元素[27]。植物在生長過程中會試圖去改變或調解土壤pH值以滿足自身生長及發育所需要的環境[28],本研究中禾草生長提高了土壤pH,這與前人研究結果一致[29],而與Ehrenfeld等[30]的研究植物-土壤反饋作用中有時pH變化差異不顯著的結論不同。因此,不同禾草與甘肅馬先蒿土壤反饋作用可以引起地下養分和地上生長指標的變化,其變化特征因禾草種類不同而具有差異性。

3.2 不同禾草生長對甘肅馬先蒿群落土壤微生物的影響

植物在生長過程中可以通過根系分泌物等形成特有的根部環境,從而形成特有的地下微生物群落結構組成與功能[9]。本研究中甘肅馬先蒿土壤細菌OTU數及種類均高于真菌群落,表明土壤微生物類群以細菌為主,這與張杰雪等[31-32]關于高寒人工草地土壤微生物的研究結果一致。不同植物類型的土壤微生物組成和結構存在顯著差異[12,33],本研究中,與空白對照相比,垂穗披堿草生長顯著提高了土壤真菌Chao1指數,冷地早熟禾生長顯著提高了土壤細菌Shannon指數。在門分類水平上,土壤中真菌群落均以子囊菌門最具優勢,垂穗披堿草、中華羊茅和冷地早熟禾生長土壤中被孢霉門相對豐度顯著降低了;老芒麥和垂穗披堿草生長土壤中毛霉門相對豐度顯著升高;垂穗披堿草生長土壤中球囊菌門相對豐度顯著升高,說明禾草種類是真菌群落相對豐度差異的主要原因。

不同禾草生長的甘肅馬先蒿土壤細菌群落均以變形菌門最具優勢,這與其他學者關于人工草地土壤細菌群落結構的研究結果相一致[31-32]。禾草生長土壤中厚壁菌門相對豐度顯著降低,而老芒麥生長的酸桿菌門、中華羊茅生長的放線菌門和冷地早熟禾生長的綠彎菌門相對豐度顯著升高,因此,禾草種類也會影響細菌群落相對豐度發生變化。本研究結果與前人研究結論植物反饋作用會顯著影響土壤真菌和細菌群落結構相一致[11,34],說明不同禾草生長改變了甘肅馬先蒿群落土壤真菌和細菌群落結構組成,引起這種差異的原因與禾草種類不同有關。

土壤真菌營養型類型的分化與生長植物類型和土壤養分含量不同密切關聯[35]。本研究中土壤真菌主要營養類型均為腐生營養型真菌,病理營養型真菌在冷地早熟禾生長土壤中顯著富集,病原-腐生-共生過渡型真菌在垂穗披堿草生長土壤中顯著富集;病理-腐生過渡型和腐生-共生過渡型真菌在老芒麥生長土壤中顯著富集,尹亞麗[36]研究認為病理營養型真菌豐度在未退化草地中高于輕度退化草地,本研究部分結果與之相似。另外,不同禾草生長改變了土壤細菌群落功能群的分布,表現為老芒麥的生長顯著降低了發酵菌和硝酸鹽還原菌的相對豐度,中華羊茅的生長顯著降低了烴類降解菌和芳烴降解菌的相對豐度,冷地早熟禾的生長顯著降低了亞硝酸鹽反硝化菌的相對豐度,本研究結果與Yu等[37]的研究硝酸鹽還原菌在未退化草地中豐度顯著低于不同退化程度草地的結果相符合。植物群落組成的改變可以引起土壤微生物群落結構、多樣性和功能的變化,而土壤微生物的變化也會影響土壤理化性質發生改變[38]。植物和土壤之間復雜的協同互作對土壤群落結構具有調控作用,即不同禾草生長對土壤微生物群落結構和功能的影響因禾草種類不同而有差異性,這與艾澤民[19]和Baxendale等[25]的研究結論相似。

4 結論

種植禾草在一定程度上改變了以甘肅馬先蒿為優勢種的退化群落土壤養分和微生物群落結構及功能。禾草生長提高了甘肅馬先蒿群落土壤pH和銨態氮含量,顯著降低了速效鉀和硝態氮含量,對有機質含量無顯著影響。垂穗披堿草生長可顯著增加土壤真菌的豐富度,冷地早熟禾生長可顯著增加土壤細菌多樣性。土壤真菌和細菌群落的相對豐度因種植不同禾草而異;不同禾草生長對土壤養分、土壤微生物多樣性、土壤微生物群落結構組成產生直接影響,土壤養分和微生物群落是影響禾草生物量的主要因素。因此,利用禾草對甘肅馬先蒿群落退化草地進行改良,有利于草地土壤養分條件的改善和植物生長良好土壤微生物環境的形成。