深松對(duì)烏拉爾甘草根際土壤養(yǎng)分以及微生物群落功能多樣性的影響

張志政,馬 淼,張旭龍

石河子大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,石河子 832003

深松對(duì)烏拉爾甘草根際土壤養(yǎng)分以及微生物群落功能多樣性的影響

張志政,馬 淼*,張旭龍

石河子大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,石河子 832003

通過大田試驗(yàn)和室內(nèi)分析相結(jié)合,研究了深松對(duì)烏拉爾甘草根際土壤養(yǎng)分和微生物群落功能多樣性的影響,以期為烏拉爾甘草人工種植地土壤耕作措施優(yōu)化和土壤環(huán)境改良提供依據(jù)。結(jié)果表明,與未深松(常規(guī)耕作)處理相比,深松處理對(duì)烏拉爾甘草根際土壤0—20 cm耕層土壤養(yǎng)分含量無顯著性影響,可顯著提高烏拉爾甘草根際土壤20—40 cm耕層有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀的含量,分別提高了60.8%、65.3%、48.9%和86.8%；明顯增加了0—20 cm和20—40 cm耕層細(xì)菌、真菌和放線菌的數(shù)量(P<0.05),3種類型的微生物數(shù)量均呈現(xiàn)出上層大于下層,深松大于未深松的變化趨勢(shì)。在156 h的微生物溫育期內(nèi),深松處理下不同土層的平均顏色變化率(AWCD)均顯著高于未深松處理,并顯著提高了AWCD的利用率(72 h,P<0.05),較未深松分別提高了35.5%和130.8%。與未深松處理相比,深松處理顯著提高了土壤微生物的多樣性指數(shù)(H、S、D)。主成分分析(PCA)表明,深松優(yōu)化了烏拉爾甘草根際土壤微生物的群落組成；聚合物、羧酸類化合物、氨基酸和碳水化合物是深松處理下根際土壤微生物利用的主要碳源。總而言之,深松處理顯著提高烏拉爾甘草根際土壤養(yǎng)分含量、微生物數(shù)量和微生物多樣性指數(shù),改變了微生物群落功能多樣性,造成這種差異的主要原因可能是深松改變了土壤耕層結(jié)構(gòu),改善了微生物的生存環(huán)境。因此,深松對(duì)烏拉爾甘草人工種植地土壤質(zhì)量的改良有積極作用。

深松；烏拉爾甘草；土壤理化性質(zhì)；土壤微生物；Biolog

烏拉爾甘草(Glycyrrhizauralensis)為豆科(Leguminosae)甘草屬(Glycyrrhiza)多年生草本植物[1],素有“藥中國老”和“十方九草”的美稱[2],是新疆道地性藥材之一。由于常年掠奪性的采挖致使野生甘草資源瀕臨枯竭,大力發(fā)展甘草的人工種植,提高栽培甘草的產(chǎn)量和品質(zhì)是解決目前國際市場(chǎng)甘草供不應(yīng)求的唯一方案。

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中極其重要和最為活躍的部分[3- 4],它能夠靈敏、及時(shí)、準(zhǔn)確地反映土壤質(zhì)量的變化狀況,揭示土壤肥力及土壤改良狀況,是土壤質(zhì)量最重要的衡量指標(biāo)之一[5- 6]。土壤耕作在改變土壤結(jié)構(gòu)的同時(shí),常會(huì)對(duì)土壤微生物群落產(chǎn)生影響,因此通過研究土壤微生物來探討耕作方式對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問題[7- 8]。

土壤深松技術(shù)被視為土壤保護(hù)性耕作技術(shù)之一,是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的一項(xiàng)根本性技術(shù)[9]。有研究表明,深松可以降低土壤容重[10- 11],增強(qiáng)土壤通透性[12- 13],增加土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性[14- 16]。土壤深松由于改變了土壤物理結(jié)構(gòu),引起土壤水、肥、氣、熱等變化,進(jìn)而影響土壤微生物學(xué)特性[17- 19]。因此,利用土壤深松技術(shù)改善土壤質(zhì)量對(duì)植物生長和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。

目前,關(guān)于深松對(duì)植物根際土壤理化性質(zhì)和微生物多樣性的影響方面的研究僅限于小麥與玉米等常規(guī)作物[20- 21],而關(guān)于深松對(duì)甘草根際土壤理化性質(zhì)和微生物多樣性影響的研究尚未見報(bào)道。本文探討了深松對(duì)烏拉爾甘草根際土壤養(yǎng)分,微生物數(shù)量和微生物群落多樣性的影響,旨在為改善烏拉爾甘草人工種植環(huán)境土壤耕層結(jié)構(gòu)和提高土壤肥力提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆奎屯前山鎮(zhèn),地處準(zhǔn)噶爾盆地西南緣的奎屯河沖積平原。屬于典型的大陸性北溫帶干旱氣候,夏熱冬寒,日照時(shí)間長,降水稀少,蒸發(fā)量大。全年日照總時(shí)數(shù)2620 h,多年平均降水量160 mm,多年平均蒸發(fā)量1657 mm。土壤類型為灰漠土,主要發(fā)育在黃土狀母質(zhì)上。土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土,土壤容重為1.25 g/cm3,pH為7.4。

選土壤條件一致的地塊作為試驗(yàn)區(qū),試驗(yàn)區(qū)面積200 m2,長20 m,寬10 m。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)隨機(jī)選4 m×4 m的樣地10個(gè),按600 kg/hm2和150 kg/hm2的劑量各施磷酸氫二銨和硫酸鉀,均勻施撒作為底肥。隨機(jī)選其中5個(gè)樣地作為對(duì)照(常規(guī)耕作)，標(biāo)記為W，撒施化肥后淺松(淺松犁型號(hào)：1L-225)，耕深20 cm，余下的5個(gè)樣地為深松處理，標(biāo)記為S，撒施化肥后深松(深松犁型號(hào)：ISQ-320)，耕深40—50cm。對(duì)照未深松處理與深松處理均由大馬力配套不同耕作犁完成，于播種前進(jìn)行耕犁。于2015年4月10日膜下播種,膜寬125 cm,膜距55 cm,一膜6行播種,行距20 cm,穴距10 cm,每穴3—5粒種子,出苗后每穴留兩苗,膜下滴灌,每月給水1次,每次給水6—8 h,除底肥外不再施肥。除松土深度不同外,其余管理措施均相同。

1.2 樣品采集

2015年9月采用5點(diǎn)取樣法采集深松區(qū)與對(duì)照組烏拉爾甘草根際土樣,以烏拉爾甘草主根0—5 cm范圍內(nèi)取土,每樣點(diǎn)取距地表0—20 cm和20—40 cm土壤樣品。深松區(qū)土樣標(biāo)記為S0—20和S20—40；未經(jīng)過深松處理的對(duì)照區(qū)標(biāo)記為W0—20和W20—40。每個(gè)樣品采土3次作為重復(fù),取土500 g組成混合樣品。將土樣去除細(xì)根和雜物,碾碎,過1 mm篩并混勻,部分土樣風(fēng)干后測(cè)定土樣理化性質(zhì),另一部分土壤樣品立即進(jìn)行相關(guān)的微生物測(cè)定。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 土壤理化性質(zhì)測(cè)定

土壤理化指標(biāo)測(cè)定方法參照鮑士旦的《土壤農(nóng)化分析》[22],其中有機(jī)質(zhì)的含量測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法；全氮含量測(cè)定采用H2SO4消煮-凱氏定氮法[凱氏自動(dòng)定氮儀：美國海能(Hanon)儀器有限公司(K9840)]；全磷含量測(cè)定采用濃H2SO4-HClO4消煮-鉬銻抗比色法測(cè)定；全鉀含量測(cè)定采用NaOH熔融-火焰光度計(jì)法測(cè)定。

1.3.2 土壤微生物數(shù)量測(cè)定方法

土壤微生物數(shù)量采用平板計(jì)數(shù)法測(cè)定,細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨瓊脂(BPA)培養(yǎng)基,37℃培養(yǎng)；真菌采用馬鈴薯葡萄糖瓊脂(PDA)培養(yǎng)基(加入30 mg/L鏈霉素抑制細(xì)菌生長),28℃培養(yǎng)；放線菌采用高氏1號(hào)瓊脂(GA)培養(yǎng)基(加入50 μg /L 重鉻酸鉀抑制雜菌),28℃培養(yǎng)。每個(gè)土樣(微生物類群)預(yù)設(shè)3個(gè)濃度梯度,每個(gè)濃度梯度3次重復(fù),選取最適計(jì)數(shù)濃度取其平均數(shù)進(jìn)行計(jì)算作為該土樣的微生物數(shù)量。

1.3.3 土壤微生物功能多樣性分析

微生物群落功能多樣性采用 Biolog(Biolog-Eco PlateTM)方法進(jìn)行分析。稱取相當(dāng)于10 g烘干土的鮮土加入到已裝有100 mL滅菌的0.85%生理鹽水三角瓶中,室溫震蕩60 min,然后用0.85%生理鹽水稀釋至1000倍液,再震蕩30 min,吸取稀釋液接種到生態(tài)板(ECO板)中,每孔加150 μL。將接種好的微平板置于25℃的恒溫培養(yǎng)箱中避光培養(yǎng),每隔12 h在Biolog EmaxTM讀數(shù)器上讀取波長590 nm下的光密度值,持續(xù)156 h。用31個(gè)孔的平均顏色變化率(AWCD)表示微生物代謝的整體活性。計(jì)算Shannon物種豐富度指數(shù)(H),Shannon均勻度指數(shù)(E),Shannon優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D),碳源利用豐富度指數(shù)(S),具體計(jì)算公式如下[22- 24]：

AWCD =∑(Ci-Ri) /n

式中,Ci為每個(gè)孔的光密度值,Ri為對(duì)照孔的光密度值,n=31,為ECO板的孔數(shù)。

H=-∑Pi(lnPi)

式中,Pi= (Ci-Ri) / ∑(Ci-Ri)。

D=1-∑(Pi)2

式中,S=被利用碳源的總數(shù)

1.4 數(shù)據(jù)處理

對(duì)深松處理組和對(duì)照組不同土層數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析,用培養(yǎng)72 h的光密度值進(jìn)行主成分分析(PCA)。數(shù)據(jù)處理采用軟件Excel 2003和SPSS 18.0完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 深松處理對(duì)烏拉爾甘草根際土壤養(yǎng)分的影響

土壤有機(jī)質(zhì)及土壤全氮、全磷、全鉀的含量作為土壤肥力的主要指標(biāo),能夠表征土壤的肥力狀況。由表1可知,深松與未深松不同土層單位土壤體積中有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀的含量存在著不同程度的差異。S0—20與W0—20相比,有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷含量無顯著性差異,但深松處理組土樣中全鉀含量顯著提高了82.5%；與W20—40相比,S20—40土樣中的有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀的含量均有顯著提高(P<0.05),分別提高了60.8%、65.3%、48.9%和86.8%。

表1 深松處理對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

S：深松區(qū) subsoiling block；W：未深松區(qū) non-subsoiling block；S0—20：深松區(qū)0—20 cm土層 0—20 cm soil layer of subsoiling block；W0—20：未深松區(qū)0—20 cm土層 0—20 cm soil layer of non-subsoiling block；S20—40：深松區(qū)20—40 cm土層 20—40 cm soil layer of subsoiling block；W20—40：未深松區(qū)20—40 cm土層 0—20 cm soil layer of non-subsoiling block；同列不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)

2.2 深松處理對(duì)烏拉爾甘草根際土壤微生物數(shù)量的影響

土壤微生物數(shù)量直接影響土壤的生物化學(xué)活性及土壤養(yǎng)分的組成與轉(zhuǎn)化,是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)之一。土壤微生物的三大類群(細(xì)菌、放線菌和真菌)是構(gòu)成土壤微生物的主要生物類群,其數(shù)量變化通常能反映出土壤生物活性水平,顯示土壤中物質(zhì)代謝的旺盛程度[23]。由表2可見,深松處理顯著提高了土壤中細(xì)菌、真菌和放線菌的數(shù)量,較未深松具有顯著性差異(P<0.05)。S0—20樣品中的細(xì)菌、真菌和放線菌的數(shù)量較W0—20分別提高了25.1%、33.3%和38.6%；S20—40樣品中的細(xì)菌、真菌和放線菌的數(shù)量較W20—40分別提高了177.1%、98.4%和48.0%。3種類型的微生物數(shù)量均呈現(xiàn)出上層大于下層,深松大于未深松的變化趨勢(shì)。

表2 深松處理對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響

同列不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)

2.3 深松處理對(duì)烏拉爾甘草根際土壤微生物AWCD的影響

圖1 AWCD 隨溫育時(shí)間的變化Fig.1 AWCD changes with incubation time S：深松區(qū) subsoiling block；W：未深松區(qū) non-subsoiling block；S0—20：深松區(qū)0—20 cm土層 0—20 cm soil layer of subsoiling block；W0—20：未深松區(qū)0—20 cm土層 0—20 cm soil layer of non-subsoiling block；S20—40：深松區(qū)20—40 cm土層 20—40 cm soil layer of subsoiling block；W20—40：未深松區(qū)20—40 cm土層 0—20 cm soil layer of non-subsoiling block；同列不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)

AWCD是表征土壤微生物對(duì)總體碳源的利用能力,反映其生物活性的一個(gè)重要指標(biāo)[24- 25]。31種碳源的AWCD變化如圖1所示,隨著溫育時(shí)間的延長,AWCD逐漸升高,在0—12 h時(shí),S0—20、W0—20、S20—40、W20—40 cm的AWCD值均為零,在12 h均開始利用單一碳源進(jìn)行代謝。S0—20、W0—20和S20—40在36 h進(jìn)入對(duì)數(shù)增長期；而W20—40在48 h進(jìn)入對(duì)數(shù)增長期。各處理在144 h時(shí)均趨于穩(wěn)定。不同土壤樣品微生物平均光密度值隨時(shí)間變化均呈近“S”形曲線,符合微生物利用基質(zhì)的一般生長曲線規(guī)律。與W0—20和W20—40相比,S0—20和S20—40的溫育72 h微生物代謝活性顯著提高了35.5%和130.8%(P<0.05)。

2.4深松處理對(duì)烏拉爾甘草根際土壤微生物多樣性指數(shù)的影響

Shannon多樣性指數(shù)可以從不同側(cè)面反映土壤微生物群落功能多樣性,是目前應(yīng)用最廣泛的群落多樣性指數(shù)之一[26]。通常把顏色變化孔數(shù)作為根際微生物群落功能多樣性的豐富度[27- 28]。由圖2可見,土壤微生物對(duì)碳源利用的Shannon多樣性指數(shù)(H、D)和碳源利用豐富度指數(shù)(S)的變化表現(xiàn)出類似的規(guī)律：S0—20最高而W20—40最低,S0—20與W0—20無顯著性差異,而S20—40的H、D、S值顯著地高于W20—40,分別提高了15.0%、4.6%和95.6%；Shannon均勻度指數(shù)(E)以W20—40最大,且與其他土樣間均具有顯著性差異(P<0.05)。

圖2 深松處理對(duì)土壤微生物群落多樣性指數(shù)的影響Fig.2 Effects of subsoiling on soil microbial diversity index

2.5 微生物碳源利用的主成分分析

對(duì)培養(yǎng)72 h的31種碳源利用情況進(jìn)行主成分分析,共提取3個(gè)主成分：第一主成分(PC1)、第二主成分(PC2)和第三主成分(PC3),分別可以解釋所有變量的54.666%、23.972%和21.362%。3個(gè)主成分累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到100%,可以全面地反映31個(gè)變量的特征,并據(jù)其得分來表征微生物群落碳源代謝特征。從表3可看出,深松與未深松的4個(gè)不同土層中,S0—20在PC1得分最高,W0—20在PC2上得分最高,S20—40在PC3上得分最高。

因子載荷反映了主成分與碳源利用的相關(guān)程度,因子載荷絕對(duì)值越接近于1,表示該碳源對(duì)主成分的影響越大。與第一主成分相關(guān)性較高的碳源有23個(gè)(表4),主要包括酚酸類化合物：4-羥基苯甲酸；胺類化合物：腐胺；聚合物：吐溫40、吐溫80和α-環(huán)式糊精；氨基酸：L-精氨酸、L-天冬酰胺酸、L-絲氨酸、L-蘇氨酸和甘氨酰-L-谷氨酸；羧酸類化合物：丙酮酸甲脂、D-半乳糖醛酸、γ-羥基丁酸、D-葡萄胺酸、衣康酸和α-丁酮酸；碳水化合物：β-甲基-D-葡萄糖苷、D-半乳糖內(nèi)酯、I-赤藻糖醇、D-甘露醇、N-乙酰基-D-葡萄胺、葡萄糖- 1-磷酸鹽和D,L-α-甘油。與第二主成分相關(guān)性較高的碳源有8個(gè),主要包括酚酸類化合物：2-羥基苯甲酸；胺類化合物：苯乙基胺；氨基酸：L-苯基丙氨酸；羧酸類化合物：衣康酸和α-丁酮酸；碳水化合物：D-甘露醇、N-乙?；?D-葡萄胺和D-纖維二糖。與第三主成分相關(guān)性較高的碳源有6個(gè),主要包括聚合物：肝糖；羧酸類化合物：D-蘋果酸；碳水化合物：β-甲基D-葡萄糖苷、D-木糖、I-赤藻糖醇和α-D-乳糖。綜合表3和表4可知,聚合物、羧酸類化合物、氨基酸和碳水化合物是深松處理下根際土壤微生物利用的主要碳源。

表3 主成分得分及貢獻(xiàn)率

表4 31種碳源的因子載荷(|r|>0.6)

3 討論

土壤有機(jī)質(zhì)是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo),它不僅能增強(qiáng)土壤的保肥和供肥能力,提高土壤養(yǎng)分的有效性,而且可促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成,改善土壤的透水性、蓄水能力及通氣性,增強(qiáng)土壤的緩沖性等[29]。有研究報(bào)道,深松處理有助于有機(jī)質(zhì)向下層分布[30]；謝迎新[31]等研究指出,深松處理對(duì)表層有機(jī)碳含量影響較小,可明顯增加下層土壤有機(jī)碳含量。本研究表明,深松處理對(duì)0—20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量影響不顯著,但能夠顯著增加20—40 cm土層有機(jī)質(zhì)的積累,這與謝迎新等人的研究結(jié)果是一致的。其原因可能是深松打破了犁底層,降低了土壤容重,同時(shí)也為下耕層土壤微生物營造了良好的生長環(huán)境,從而促進(jìn)了下耕層有機(jī)質(zhì)的積累。

土壤全氮、全磷和全鉀的含量是反映土壤長期肥力水平的重要指標(biāo)。本研究表明,深松處理可顯著增加20—40 cm土層中的全氮、全磷和全鉀含量,但對(duì)0—20 cm土層影響較小；除全磷外,全氮和全鉀含量都是上層高于下層,表現(xiàn)出上肥下瘦的特點(diǎn)。這與何騰兵[32]等人的研究結(jié)果相一致。其原因可能是深松加深了土壤耕層,改變了土壤結(jié)構(gòu),使富集在表層的養(yǎng)分部分下移,增加了下層土壤養(yǎng)分的積累,但是由于烏拉爾甘草側(cè)根多分布于20—40 cm,可充分吸收下層養(yǎng)分,從而造成上肥下瘦的特點(diǎn)。另一方面可能是由于深松主要改變了20—40 cm耕層結(jié)構(gòu),使得深松處理與未深松處理烏拉爾甘草20—40 cm根系生長分布格局不同,其固氮能力也有所差異,這可能也是造成耕層全氮含量差異顯著的原因之一。有研究表明,烏拉爾甘草具有吸收富集礦質(zhì)元素的習(xí)性[33],這可能是造成對(duì)不同營養(yǎng)元素吸收利用有所差異的主要原因。

微生物作為土壤和植物兩者之間極其重要的紐帶,推動(dòng)著土壤有機(jī)質(zhì)和土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化與循環(huán),是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)之一,其數(shù)量受土壤環(huán)境和土壤耕作措施影響[34]。本研究結(jié)果表明,土壤微生物數(shù)量隨土壤深度的增加而顯著減少；深松處理能夠顯著增加土壤微生物數(shù)量,且對(duì)20—40 cm土層影響尤為顯著,其主要原因可能是深松改善了耕層下部土壤的物理結(jié)構(gòu),影響耕層下部土壤養(yǎng)分的積累,營造了一個(gè)較適宜微生物繁殖的土壤環(huán)境,進(jìn)而影響20 cm以下耕層的土壤微生物數(shù)量[13]。梁金鳳等[35]研究證明,深松可以降低土壤容重,增加土壤孔隙度,有利于土壤氣體交換,提高細(xì)菌、放線菌和微生物的總體數(shù)量,改善深層土壤的微生態(tài)環(huán)境,進(jìn)而有利于培肥地力。

光密度平均顏色變化率AWCD反應(yīng)土壤微生物利用總碳源的能力和代謝活性的大小,AWCD越大,其代謝活性越強(qiáng)。本研究中,在0—24 h時(shí)微生物處于適應(yīng)期階段,在24 h之后,微生物逐漸進(jìn)入對(duì)數(shù)增長期,并在144 h后基本進(jìn)入穩(wěn)定期,不同土壤樣品微生物平均光密度值隨時(shí)間變化均呈近“S”形曲線,符合微生物利用基質(zhì)生長的一般規(guī)律[36]。在整個(gè)溫育期內(nèi),深松處理不同土層的AWCD都高于未深松的土壤樣品,即S0—20>W0—20,S20—40>W20—40。

碳源代謝的多樣性指數(shù)分析可以準(zhǔn)確地反映微生物群落功能多樣性的變化,Shannon指數(shù)能客觀地反映物種的豐富度和均勻度,微孔中能被利用的碳源越多,利用強(qiáng)度越大,則Shannon指數(shù)也越大[26]。Shannon多樣性指數(shù)(H、D、E)和碳源利用豐富度指數(shù)(S)是表示群落多樣性的最常用指標(biāo)。本研究表明,深松處理0—20 cm和20—40 cm土層的土壤微生物Shannon 多樣性指數(shù)(H、D)和碳源利用豐富度指數(shù)(S)分別顯著高于未深松處理0—20 cm和20—40 cm土層,表明深松使土壤微生物群落多樣性增加,其原因可能是因?yàn)樯钏筛淖兞烁麑油寥澜Y(jié)構(gòu),從而改善了土壤微生物的生存環(huán)境。Lupwayi等[37]研究發(fā)現(xiàn),保護(hù)性耕作有利于提高土壤微生物多樣性,這與本研究的結(jié)果是一致的。W20—40的Shannon均勻度指數(shù)(E)均大于其他3個(gè)土層,且S0—20的均勻度指數(shù)最小,與其余3種指數(shù)變化趨勢(shì)不一致,這可能是某些微生物傾向于利用烏拉爾甘草根系分泌物和其植物殘?bào)w而引起的,這與羅希茜[38]等人的研究結(jié)果相似。

主成分分析表明深松處理對(duì)烏拉爾甘草根際土壤微生物的碳源利用能力影響顯著,使烏拉爾甘草根際土壤微生物群落代謝特征發(fā)生改變。S0—20在PC1得分最高,W0—20在PC2上得分最高,S20—40在PC3上得分最高,其中S0—20和W0—20在PC2上有較大分異,S20—40與W20—40在PC3上有較大分異,表明深松改變了其根際微生物群落功能多樣性,而這種改變是由根際微生物對(duì)PC2和PC3上相關(guān)系數(shù)較高的碳源的差異利用所引起的,這與孟慶杰[39]等的研究結(jié)果相一致。

土壤深松被視為土壤保護(hù)性耕作技術(shù)之一,是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的重要技術(shù)措施。深松可以改善耕層土壤的物理結(jié)構(gòu),從而改善土壤微生物的生存微環(huán)境,對(duì)土壤養(yǎng)分的積累和土壤微生物多樣性的提高有著極為重要的影響[40- 44]。深松處理可以顯著提高烏拉爾甘草20—40 cm耕層土壤養(yǎng)分的積累,顯著增加其土壤中的微生物數(shù)量,對(duì)其AWCD和土壤微生物多樣性指數(shù)(H、D、E)都有顯著提高,改善了土壤微生物功能,優(yōu)化了微生物群落結(jié)構(gòu)。因此,對(duì)烏拉爾甘草地進(jìn)行深松耕作可有效改善土壤質(zhì)量,提高土壤肥力,值得大力推廣。

[1] 中國科學(xué)院中國植物志編輯委員會(huì). 中國植物志. 北京: 科學(xué)出版社, 1998.

[2] Dong Y Y, Gao W Y, Zhang J Z, Zuo B M, Huang L Q. Quantification of four active ingredients and fingerprint analysis of Licorice (GlycyrrhizauralensisFisch.) after spaceflight by HPLC-DAD. Research on Chemical Intermediates, 2012, 38(8): 1719- 1731.

[3] Abbott L K, Murphy D V. Soil Biological Fertility: A Key to Sustainable Land Use in Agriculture. Netherlands: Kluwer Academic Publishers, 2003.

[4] 朱丹, 張磊, 韋澤秀, 劉曉燕, 周志峰, 代先祝, 王曉鋒, 夏志強(qiáng), 吳先勤, 蔚建軍, 付莉. 菌肥對(duì)青稞根際土壤理化性質(zhì)以及微生物群落的影響. 土壤學(xué)報(bào), 2014, 51(3): 627- 637.

[5] 劉占鋒, 傅伯杰, 劉國華, 朱永官. 土壤質(zhì)量與土壤質(zhì)量指標(biāo)及其評(píng)價(jià). 生態(tài)學(xué)報(bào), 2006, 26(3): 901- 913.

[6] 張心昱, 陳利頂, 傅伯杰, 李琪, 齊鑫, 馬巖. 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)不同土地利用方式與管理措施對(duì)土壤質(zhì)量的影響. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2007, 18(2): 303- 309.

[7] Carpenter-Boggs L, Stahl P D, Lindstrom M J, Schumacher T E. Soil microbial properties under permanent grass, conventional tillage, and no-till management in South Dakota. Soil and Tillage Research, 2003, 71(1): 15- 23.

[8] 姬艷艷, 張貴龍, 張瑞, 劉玉升, 楊殿林, 王彩靈. 耕作方式對(duì)農(nóng)田土壤微生物功能多樣性的影響. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào), 2013, 29(6): 117- 123.

[9] 張麗, 張中東, 郭正宇, 宮帥, 王若男, 陶洪斌, 王璞. 深松耕作和秸稈還田對(duì)農(nóng)田土壤物理特性的影響. 水土保持通報(bào), 2015, 35(1): 102- 106, 117- 117.

[10] Laddha K C, Totawat K L. Effects of deep tillage under rainfed agriculture on production of sorghum (SorghumbiocolorL. Moench) intercropped with green gram (VignaradiataL. Wilczek) in western India. Soil and Tillage Research, 1997, 43(3/4): 241- 250.

[11] 何潤兵, 李傳友, 王明武. 深松對(duì)土壤理化性質(zhì)和冬小麥生長特性的影響. 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào), 2014, 35(2): 119- 122.

[12] Heuer H, Tomanová O, Koch H J, M?rl?nder B. Subsoil properties and cereal growth as affected by a single pass of heavy machinery and two tillage systems on a Luvisol. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 2008, 171(4): 580- 590.

[13] Lampurlanés J, Cantero-Martínez C. Soil bulk density and penetration resistance under different tillage and crop management systems and their relationship with barley root growth. Agronomy Journal, 2003, 95(3): 526- 536.

[14] 楊江山, 張恩和, 黃高寶, 張仁陟. 保護(hù)性耕作對(duì)麥藥輪作土壤酶活性和微生物數(shù)量的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 30(3): 824- 829.

[15] Piovanelli C, Gamba C, Brandi G, Simoncini S, Batistoni E. Tillage choices affect biochemical properties in the soil profile. Soil and Tillage Research, 2006, 90(1/2): 84- 92.

[16] Ji B Y, Hu H, Zhao Y L, Mu X Y, Liu K, Li C H. Effects of deep tillage and straw returning on soil microorganism and enzyme activities. The Scientific World Journal, 2014, 2014: 451493.

[17] 王群, 尹飛, 郝四平, 李潮海. 下層土壤容重對(duì)玉米根際土壤微生物數(shù)量及微生物量碳、氮的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2009, 29(6): 3096- 3104.

[18] 張彬, 何紅波, 白震, 劉寧, 丁雪麗, 解宏圖, 張旭東. 保護(hù)性耕作對(duì)土壤微生物特性和酶活性的影響. 土壤通報(bào), 2010, 41(1): 230- 236.

[19] 黃國勤, 楊濱娟, 王淑彬, 黃小洋, 張兆飛, 姚珍, 黃祿星, 趙其國. 稻田實(shí)行保護(hù)性耕作對(duì)水稻產(chǎn)量、土壤理化及生物學(xué)性狀的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 35(4): 1225- 1234.

[20] 王蕓, 李增嘉, 韓賓, 史忠強(qiáng), 寧堂原, 江曉東, 鄭延海, 白美, 趙建波. 保護(hù)性耕作對(duì)土壤微生物量及活性的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2007, 27(8): 3384- 3390.

[21] Wingeyer A B, Walters D T, Drijber R A, Olk D C, Arkebauer T J, Verma S B, Wedin D A, Francis C A. Fall conservation deep tillage stabilizes maize residues into soil organic matter. Soil Science Society of America Journal, 2012, 76(6): 2154- 2163.

[22] 鮑士旦. 土壤農(nóng)化分析. 北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社, 2000.

[23] 趙亞麗, 郭海斌, 薛志偉, 穆心愿, 李潮海. 耕作方式與秸稈還田對(duì)土壤微生物數(shù)量、酶活性及作物產(chǎn)量的影響. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 26(6): 1785- 1792.

[24] Weber K P, Grove J A, Gehder M, Anderson W A, Legge R L. Data transformations in the analysis of community-level substrate utilization data from microplates. Journal of Microbiological Methods, 2007, 69(3): 461- 469.

[25] 周德平, 褚長彬, 范潔群, 姜震方, 吳淑杭. 不同種植年限設(shè)施蘆筍土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與功能研究. 土壤, 2014, 46(6): 1076- 1082.

[26] Larkin R P. Characterization of soil microbial communities under different potato cropping systems by microbial population dynamics, substrate utilization, and fatty acid profiles. Soil Biology and Biochemistry, 2003, 35(11): 1451- 1466.

[27] Choi K H, Dobbs F C. Comparison of two kinds of Biolog microplates (GN and ECO) in their ability to distinguish among aquatic microbial communities. Journal of Microbiological Methods, 1999, 36(3): 203- 213.

[28] 閔偉, 侯振安, 冶軍, 馬麗娟, 曹志, 羅慧蘭. 長期咸水滴灌棉田土壤微生物活性及群落功能多樣性. 生態(tài)學(xué)雜志, 2014, 33(11): 2950- 2958.

[29] 王蕓. 保護(hù)性耕作對(duì)麥田土壤微生物特性及理化性狀的影響[D]. 泰安: 山東農(nóng)業(yè)大學(xué), 2007.

[30] 冀保毅. 深耕與秸稈還田的土壤改良效果及其作物增產(chǎn)效應(yīng)研究[D]. 鄭州: 河南農(nóng)業(yè)大學(xué), 2013.

[31] 謝迎新, 靳海洋, 孟慶陽, 王永華, 王晨陽, 賀德先, 郭天財(cái). 深耕改善砂姜黑土理化性狀提高小麥產(chǎn)量. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2015, 31(10): 167- 173.

[32] 何騰兵, 樊博, 李博, 張麗敏, 鄧冬冬, 楊柳, 張佩, 李官平. 保護(hù)性耕作對(duì)喀斯特山區(qū)旱地土壤理化性質(zhì)的影響. 水土保持學(xué)報(bào), 2014, 28(4): 163- 167.

[33] 陸嘉惠. 三種藥用甘草耐鹽性及耐鹽機(jī)制研究[D]. 石河子: 石河子大學(xué), 2014.

[34] 郭曉霞, 劉景輝, 張星杰, 李立軍, 趙寶平, Acharya S N. 免耕對(duì)旱作燕麥田耕層土壤微生物生物量碳、氮、磷的影響. 土壤學(xué)報(bào), 2012, 49(3): 575- 582.

[35] 梁金鳳, 齊慶振, 賈小紅, 宮少俊, 黃元仿. 不同耕作方式對(duì)土壤性質(zhì)與玉米生長的影響研究. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2010, 19(4): 945- 950.

[36] 沈萍. 微生物學(xué). 北京: 高等教育出版社, 2000.

[37] Lupwayi N Z, Monreal M A, Clayton G W, Grant C A, Johnston A M, Rice W A. Soil microbial biomass and diversity respond to tillage and sulphur fertilizers. Canadian Journal of Soil Science, 2001, 81(5): 577- 589.

[38] 羅希茜, 郝曉暉, 陳濤, 鄧嬋娟, 吳金水, 胡榮桂. 長期不同施肥對(duì)稻田土壤微生物群落功能多樣性的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2009, 29(2): 740- 748.

[39] 孟慶杰, 許艷麗, 李春杰, 韓曉增, 裴希超. 不同植被覆蓋對(duì)黑土微生物功能多樣性的影響. 生態(tài)學(xué)雜志, 2008, 27(7): 1134- 1140.

[40] 何進(jìn), 李洪文, 高煥文. 中國北方保護(hù)性耕作條件下深松效應(yīng)與經(jīng)濟(jì)效益研究. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2006, 22(10): 62- 67.

[41] 路怡青, 朱安寧, 張佳寶, 陳效民, 舒馨. 免耕和秸稈還田對(duì)小麥生長期內(nèi)土壤酶活性的影響. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào), 2013, 29(3): 329- 334.

[42] Govaerts B, Mezzalama M, Unno Y, Sayre K D, Luna-Guido M, Vanherck K, Dendooven L, Deckers J. Influence of tillage, residue management, and crop rotation on soil microbial biomass and catabolic diversity. Applied Soil Ecology, 2007, 37(1/2): 18- 30.

[43] Helgason B L, Walley F L, Germida J J. Fungal and bacterial abundance in long-term no-till and intensive-till soils of the Northern Great Plains. Soil Science Society of America Journal, 2009, 73(1): 120- 127.

[44] Spedding T A, Hamel C, Mehuys G R, Madramootoo C A. Soil microbial dynamics in maize-growing soil under different tillage and residue management systems. Soil Biology and Biochemistry, 2004, 36(3): 499- 512.

EffectofsubsoilingonsoilnutrientandmicrobefunctionaldiversityofGlycyrrhizauralensisrhizospheres

ZHANG Zhizheng, MA Miao*, ZHANG Xulong

CollegeofLifeScience,ShiheziUniversity,Xinjiang832003,China

As a fundamental soil component, soil microorganisms can sensitively, timeously, and accurately reflect the status of the change of soil quality and reveal the condition of soil fertility and improvement, which are important indicators of soil quality. At present, subsoiling technology is considered a soil conservation-tillage technology, which can change the soil structure and influence the soil microbial community. Therefore, the effect of tillage methods on microbes in soil ecosystems is being well studied globally. However, little is known about effect of subsoiling on soil nutrients and the functional diversity of microbial communities in rhizosphere soil ofGlycyrrhizauralensis. The purpose of this study was to provide the basis for improving tillage practices and soil environmental condition of licorice. Compared to conventional methods, Biolog technology can effectively provide useful information on soil microbial community functional diversity. Therefore, in this study, two treatments, including rotary tillage (CK) and subsoiling, were conducted in licorice planting land. Using field experiments and laboratory analysis, the effect of subsoiling on soil nutrients and the functional diversity of microbial communities in rhizosphere soil ofG.uralensiswas determined. The results showed that the effect of subsoiling on soil nutrients in the 0—20 cm depth of rhizosphere soil ofG.uralensiswas not significant, but greatly improved the total nitrogen (TN), phosphorus (TP), and potassium (TK) contents in the 20—40 cm depth of rhizosphere soil ofG.uralensis(which increased by 60.8, 65.3, 48.9, and 86.8%, respectively). Meanwhile, the number and abundance of bacteria, fungi, and actinomycetes within the 0—20 and 20—40 cm depths of rhizosphere soil ofG.uralensiswas significantly increased (P< 0.05). The quantity of three types of microorganisms present in the upper layer was greater than in the lower layer, and was greater in the subsoiling than non-subsoiling. After 156 h of microbial incubation, Average Well Color Development (AWCD) of different soil layers of subsoiling treatments were obviously higher than those of non-subsoiling treatments, and subsoiling treatment significantly improved the utilization of AWCD (72 h,P< 0.05), by 35.5 and 130.8% in the upper and lower soil layers, respectively. Compared with the non-subsoiling treatment, subsoiling significantly increased the microbial diversity index (such as the Shannon Index (H), Substrate Richness Index (S), and Simpson′s Dominance Index (D)). A principal component analysis (PCA) showed that subsoiling treatment could optimize microbial community composition in licorice rhizosphere soil; polymers, carboxylic acids, amino acids, and carbohydrates were primary carbon sources of rhizosphere soil microbes in subsoiling areas. Overall, the nutrient content of soil, the number of microbes, and the microbial community diversity index were obviously improved by subsoiling in licorice rhizosphere soil, and the microbial community functional diversity was changed. The arable layer soil structure was enhanced, and therefore the survival of microorganisms was improved by subsoiling. Therefore, subsoiling treatment could effectively improve the quality of rhizosphere soil ofG.uralensis.

subsoiling;Glycyrrhizauralensis; soil physical and chemical property; soil microorganism; Biolog

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31360047);石河子大學(xué)重大科技攻關(guān)資助項(xiàng)目(gxjs2012-zdgg06-04)

2016- 05- 09; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 03- 22

10.5846/stxb201605090893

*通訊作者Corresponding author.E-mail: mamiaogg@126.com

張志政,馬淼,張旭龍.深松對(duì)烏拉爾甘草根際土壤養(yǎng)分以及微生物群落功能多樣性的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(15):5137- 5145.

Zhang Z Z, Ma M, Zhang X L.Effect of subsoiling on soil nutrient and microbe functional diversity ofGlycyrrhizauralensisrhizospheres.Acta Ecologica Sinica,2017,37(15):5137- 5145.