不同濃度根系分泌物調(diào)控植物土壤微生物群落結(jié)構(gòu)研究

劉志中，陳漢章，楊 嬌

(1. 閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 龍巖 364021； 2. 福建農(nóng)林大學(xué) 林學(xué)院，福建 福州 350002)

植被在生長過程中受到水熱等一系列因素的制約，為促進(jìn)自身生長發(fā)育，植被體內(nèi)器官會采取相應(yīng)的自我調(diào)節(jié)以適應(yīng)外在環(huán)境的制約，從而形成環(huán)境脅迫反應(yīng)[1-2]，水熱條件直接制約植被生長發(fā)育及新陳代謝，而土壤質(zhì)量制約植被對養(yǎng)分的利用，對于植被生長發(fā)育尤為重要。無論是無機(jī)離子還是小分子有機(jī)物，這些根系分泌物均作用于植被的根際生長環(huán)境[3-4]，其受外界環(huán)境因子的影響較大，是自我調(diào)節(jié)作用機(jī)理的表現(xiàn)[5]，根系分泌物很大一部分會在微生物新陳代謝過程中被吸收，促進(jìn)了植被及微生物對根際養(yǎng)分的吸收利用，在利于植被生長的同時促進(jìn)微生物群落分布，提升有機(jī)質(zhì)降解速率。大量學(xué)者通過實證研究對比分析得知，在根系分泌物作用下，植株的生長狀況相對較好，隨著研究的不斷深入，不同學(xué)者從不同研究角度進(jìn)行對比分析，在探究植被與土壤關(guān)系的同時，注重分析根系分泌物的作用機(jī)理，以及微生物的影響機(jī)制，從根系土壤及微生物角度，探究物質(zhì)及能量交換的作用機(jī)理[6-7]。

根系分泌物的作用機(jī)理具有復(fù)雜性和多樣性，對土壤活性及養(yǎng)分狀況的影響較為復(fù)雜，且起著關(guān)鍵作用，進(jìn)而制約植株的生長發(fā)育[8-9]。植被生長除受水熱條件的直接影響外，還受土壤及微生物的制約，土壤活性等狀況對植被的養(yǎng)分吸收及根系生長產(chǎn)生直接作用[10]，而微生物群落分布直接制約土壤有機(jī)質(zhì)的分解和降解，進(jìn)而制約土壤肥力和活性，對植株生長發(fā)育影響復(fù)雜，在形成不同微生物群落分布的同時，導(dǎo)致不同質(zhì)量的土壤分布。影響微生物豐度和均勻度的因子多樣且復(fù)雜[11-12]，微生物的分布狀況對有機(jī)質(zhì)的降解產(chǎn)生直接作用，影響土壤養(yǎng)分的積累，在根系分泌物分泌較為充足的情況下，能為微生物新陳代謝提供更多能量，大幅提升有機(jī)質(zhì)的降解速率，微生物群落分布發(fā)生改變，土壤質(zhì)量得以改善。植被群落分布受一系列因素的制約，如外部水熱等氣候環(huán)境，以及根系發(fā)達(dá)程度、土壤養(yǎng)分狀況及微生物分布等，環(huán)境因子的交互作用導(dǎo)致其影響因素的復(fù)雜性[13-14]。在有機(jī)質(zhì)降解過程中，微生物是主要的分解者，而酶在這一過程中也發(fā)揮著無可替代的作用，有利于養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，為植被生長提供更為豐富的養(yǎng)分條件。植被生長發(fā)育離不開氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，這些營養(yǎng)元素來自于施肥和有機(jī)質(zhì)的降解轉(zhuǎn)化。近年來，大量學(xué)者對此開展了一系列研究，但主要從農(nóng)業(yè)及土壤方面開展研究，立足于園林植被的研究較少[14]?；诖耍谘芯客寥兰拔⑸镉绊憴C(jī)理的基礎(chǔ)上，探究根系分泌物的作用機(jī)理，對比微生物分布群落差異，從多個角度探究園林植被生長的影響因子，以利于開展針對性開發(fā)及保護(hù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

以夾竹桃為研究對象，開展實地連續(xù)觀測對比。在實地采樣過程中采集植被根系，對其進(jìn)行多次清洗，待清洗干凈后置入Hoagland營養(yǎng)液，增氧泵通氣處理3 d；通氣處理后進(jìn)行消毒，置于1%濃度的NaClO消毒溶液中，處理15 min，然后使用無菌水進(jìn)行沖洗，置于1 000 mL燒杯中，無菌水完全浸沒，置于溫室中培養(yǎng)，分別在6、12、24 h進(jìn)行指標(biāo)測定，尤其是液體體積等，最后過濾；減壓，10倍濃縮處理，密封后置于實驗室待后續(xù)指標(biāo)測定。

1.2 土壤理化性狀測定

采用原位土取樣法進(jìn)行土樣采集，此方法能有效降低實驗誤差。采集土樣先通過孔徑1 mm篩子處理，然后取出80 g進(jìn)行根系分泌物濃縮液成分測定；土樣中各融入10 mL根系分泌物濃縮液，分別置于螺口瓶中用于指標(biāo)測定。設(shè)置高、中、低濃度及對照處理，低濃度處理為10 mL去離子水中加入5 mL根系分泌物；中濃度處理為10 mL根系分泌物與5 mL去離子水混合；高濃度處理為根系分泌物濃縮液15 mL；對照組(CK)為去離子水15 mL，不添加根系分泌物。3次重復(fù)實驗。

1.3 土壤有機(jī)碳、微生物量碳及基礎(chǔ)呼吸測定

有機(jī)碳SOC含量采用外加熱法進(jìn)行測定，溫度180 ℃維持5 min的沸騰狀態(tài)，在重鉻酸鉀溶液的參與下，其易形成氧化，采用滴定法核算含量[15]。

采用熏蒸提取法測量微生物量碳(MBC)含量，在干燥器中放入新鮮土樣，將NaOH溶液、乙醇氯仿分別置于不同燒杯中，同時放入干燥器中進(jìn)行真空加熱，直至氯仿沸騰3 min，待24 h后進(jìn)行指標(biāo)測定[15]。

結(jié)合《土壤農(nóng)化分析》開展土樣研究，對微生物群落分布特點進(jìn)行對比分析[16]。借助Duncan多重比較分析法研究α和β多樣性等分布特點[11]。

2 結(jié)果與分析

2.1 根系分泌物對土壤理化性狀的影響

不同處理土壤理化性狀測定見圖1。

從圖1可以看出，根系分泌物回接后因培養(yǎng)時間和濃度不同，土壤pH、有機(jī)碳、全氮含量差異顯著，尤其是連續(xù)培養(yǎng)3周后的變化更為明顯，而全磷含量無明顯變化，且未通過0.05顯著檢驗。不同濃度處理，有機(jī)碳、全氮含量均存在一定差異，但均高于對照組，且濃度越高的情況下，其含量越高；土壤pH則低于對照組。

2.2 根系分泌物對土壤酶活性的影響

不同處理土壤酶活性測定結(jié)果見圖2。

從圖2可以看出，根系分泌物回接后因培養(yǎng)時間不同，土壤蔗糖酶、磷酸酶、脲酶和過氧化氫酶活性間差異顯著，尤其是連續(xù)培養(yǎng)3周后的變化更為明顯。在根系分泌物濃度越高的情況下，4種酶活性越強(qiáng)，高濃度處理與其他濃度處理相比差異顯著，通過了0.05顯著檢驗。

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)(下同)。

2.3 根系分泌物對土壤微生物量碳、氮、磷含量的影響

不同處理土壤微生物量碳、氮、磷含量測定結(jié)果見圖3。

圖2 根系分泌物對土壤酶活性的影響Fig.2 Effects of root exudates on soil enzyme activity

從圖3可以看出，根系分泌物回接后因培養(yǎng)時間不同，微生物量碳、氮、磷含量間差異顯著，尤其是連續(xù)培養(yǎng)3周后的變化更為明顯。在根系分泌物濃度越高的情況下，微生物量碳、氮、磷含量越高，高濃度處理與其他濃度處理相比差異顯著，通過了0.05顯著檢驗。而中濃度處理與低濃度處理相比差異不顯著。

圖3 根系分泌物對土壤微生物量碳、氮、磷含量的影響Fig.3 Effects of root exudates on soil microbial biomass carbon, nitrogen and phosphorus contents

2.4 根系分泌物對土壤微生物數(shù)量的影響

不同處理土壤微生物數(shù)量測定結(jié)果見圖4。

從圖4可以看出，根系分泌物回接后因培養(yǎng)時間不同，細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量和微生物總數(shù)分布間差異顯著，尤其是連續(xù)培養(yǎng)3周后的變化更為明顯。在根系分泌物濃度越高的情況下，細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量及微生物總數(shù)越多，高濃度處理與其他濃度處理相比差異顯著，通過了0.05顯著檢驗。而中濃度處理和低濃度處理相比差異不顯著。

2.5 根系分泌物對土壤微生物呼吸的影響

不同處理土壤微生物呼吸情況見圖5。

從圖5可以看出，根系分泌物回接后因培養(yǎng)時間不同，土壤CO2釋放量間差異顯著，尤其是連續(xù)培養(yǎng)3周后的變化更為明顯。不同濃度處理間差異達(dá)顯著水平，通過了0.05顯著檢驗。

圖4 根系分泌物對土壤微生物數(shù)量的影響Fig.4 Effects of root exudates on the number of soil microorganisms

2.6 根系分泌物對土壤微生物群落多樣性的影響

不同處理土壤微生物群落多樣性情況見圖6。

從圖6可以看出，不同根系分泌物濃度對微生物群落分布影響較大，微生物豐度指數(shù)(H)、均勻度指數(shù)(E)間雖有所差異，但均高于對照組，且不同濃度處理間差異達(dá)顯著水平，通過了0.05顯著檢驗。在根系分泌物濃度越高的情況下，物種豐度指數(shù)、均勻度指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)(Ds)、碳源利用豐度指數(shù)(S)越高；而中濃度處理與低濃度處理相比差異并不顯著。

圖5 根系分泌物對土壤微生物呼吸的影響Fig.5 Effects of root exudates on soil microbial respiration

2.7 土壤微生物群落代謝功能主成分分析

不同處理土壤微生物群落代謝功能主成分分析結(jié)果見圖7。

從圖7可以看出，主成分分析可以提取兩個主成分因子，其變量的方差解釋度分別達(dá)到49%、37%；在PC2軸的正值端、負(fù)值端分別分布著CK處理和中濃度、高濃度處理；而低濃度處理均有分布。PC1軸未能對不同濃度處理進(jìn)行有效分離。綜合來看，中濃度處理土壤微生物群落分布狀況與對照組較為接近。

3 結(jié)論

通過對比分析得知，不同濃度的根系分泌物對土壤pH的影響存在較大差異，但均低于對照組CK，且通過了0.05水平顯著性檢驗；有機(jī)碳、全氮含量均超過對照組，通過了0.05水平顯著性檢驗，且根系分泌物濃度越高，有機(jī)碳、全氮含量越高，含量最高的為高濃度處理；土壤全磷含量并未受到根系分泌物濃度的顯著影響。

圖6 根系分泌物對土壤微生物群落多樣性的影響Fig.6 Effects of root exudates on soil microbial community diversity

不同根系分泌物濃度對細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量的影響存在較大差異，但均高于對照組CK，通過了0.05水平顯著性檢驗，不同菌群的數(shù)量差異達(dá)到顯著，且根系分泌物濃度越高，細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量和微生物總數(shù)越多，數(shù)量最高的是高濃度處理。微生物量碳、氮和磷受不同根系分泌物濃度的影響，其含量也存在顯著差異，通過了0.05水平顯著性檢驗，均超過對照組，且根系分泌物濃度越高，其含量越高，其中最高的是高濃度處理。豐富度指數(shù)、Mcintosh指數(shù)受不同根系分泌物濃度的影響，也存在較為顯著差異，通過了0.05水平顯著性檢驗，且均超過了對照組；濃度越高的情況下，其含量越高，其中最高的是高濃度處理。優(yōu)勢度受不同根系分泌物濃度的影響，其指數(shù)也存在一定差異，但并不顯著，未通過0.05水平顯著性檢驗[17-19]。通過冗余分析得知，根系分泌物中濃度處理土壤微生物分布及新陳代謝等方面與對照組較為接近，與高濃度處理相比存在顯著差異[20]。綜合來看，微生物與土壤具有突出的相輔相成關(guān)系，共同制約植被生長發(fā)育。

圖7 土壤微生物群落代謝功能主成分分析Fig.7 Principal component analysis of metabolic function of soil microbial community