根結線蟲病土引入秸稈碳源對土壤微生物群落結構的影響

張四海， 王意錕， 朱強根， 黃 鍵*， 金愛武， 張 國

(1 麗水學院生態學院， 浙江麗水 323000； 2 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室， 北京 100085)

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試土壤采于北京市大興區魏善莊張家廠村農業標準化生產示范基地。該基地主要種植作物為番茄，由于長年連作，根結線蟲病危害嚴重，產量連年下降。2008年7月，采集該基地0—20 cm耕層的根際土壤，過5 mm篩網，濾去雜質后混勻，作為試驗用土。供試作物為番茄，品種為易感線蟲的“合作908”。

1.2 試驗設計

底肥用量參照北京周邊地區的施用量，每千克土中加入1 g復合肥(N 140 mg，P 80 mg，K 120 mg)1g餅肥(N、P、K不超過20 mg/kg)。試驗期間每盆每天澆500 mL水1次，每盆每周澆250 mL營養液1次。營養液配方如下: 尿素0.5 g/L、磷酸二氫鉀0.3 g/L、硫酸鈣0.1 g/L、硫酸鎂0.05 g/L、硫酸鋅0.0001 g/L、硫酸鐵0.0003 g/L、硫酸銅0.0001 g/L、硫酸錳0.0003 g/L、硼酸粉0.0002 g/L。

1.3 測定項目與方法

番茄收獲后，土樣采用破壞性取樣，將土樣先過2 mm篩網，濾去雜質，而后放置于-80℃的超低溫冰箱保存，以供微生物磷脂脂肪酸(PLFA)測定所用。磷脂脂肪酸組成可以指示微生物群落結構及生物量，從土壤中直接提取磷酯類化合物的量可準確表達成土壤微生物生物量(表1)[8]。PLFA中脂肪酸常用的命名格式為X:YωZ(c/t)，其中X是碳原子總數，Y代表不飽和烯鍵的數目，ω表示甲基末端，Z為烯鍵或環丙烷鏈的位置，前綴a(anteiso)和i(iso)分別代表支鏈的反異構和異構；cy代表環丙基支鏈，后綴c和t分別代表順式和反式同分異構體。10Me表示一個甲基團在距分子末端第10個碳原子上[9]。

PLFA測定方法在Kontro等[10]的方法上加以改進，通過帶有MIDI Sherlock軟件(Vision 6.0B, MIDIInc.，Newark, DE)的Agilent 6850氣相色譜進行色譜分析。色譜柱為ULTRA-2 (25.0m ×200 μm×0.33 mm)，載氣為氫氣，氣相色譜的升溫程序按MIDI Sherlock軟件自動進行(樣品酯化C19 ∶0作為內標)。

表1 估算微生物生物量的脂肪酸

1.4 數據統計與分析方法

采用Excel 2003、DPS和SPSS 16.0對數據進行主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)和兩因素方差分析(Analysis of Variance，ANOVA)。

2 結果與分析

2.1 添加不同秸稈量對土壤微生物生物量的影響

由圖1可以看出，添加不同秸稈量處理土壤微生物總生物量表現不同的變化趨勢。方差分析表明，添加秸稈各處理(S3、S2和S1)與未添加秸稈處理(S0)之間土壤微生物PLFA總量有顯著差異(P<0.01)，以添加秸稈S3處理微生物PLFA總量最高，為30.17nmol/g；S2其次、再次為S1，分別比未添加秸稈處理(S0)增加31.40%、 23.78%和20.73%。對其進行回歸分析，發現乘冪增長，乘冪方程為Y=23.346X0.1913(R2= 0.9506**)。這說明，添加秸稈碳源能提高土壤微生物的生物總量，且隨著種植年限的延長對土壤微生物總生物量的提高作用比較明顯[13]。

圖1 添加不同秸稈量土壤的PLFA總量Fig.1 Total PLFA contents with different added straw amounts

2.2 添加不同量秸稈對土壤細菌生物量的影響

由圖2可知，土壤細菌生物量在添加不同秸稈量條件下，只有添加秸稈碳源的S3處理與未添加秸稈的S0處理存在顯著差異(P<0.05)，S2和S1處理與S0處理不存在顯著差異。S3處理土壤細菌生物量最高為24.27 nmol/g，比S0處理增加27.20%。對其進行回歸分析得出，乘冪方程為Y=19.44X0.1685(R2= 0.9279**)，說明添加秸稈碳源不僅能提高土壤微生物的生物總量，也提高土壤中細菌的生物量。也可以看出，土壤微生物細菌的生物量在微生物總量中占有絕對大的比例，且變化與微生物總生物量變化大致相同，說明土壤微生物是以細菌為主體的群落結構(圖1、圖2)。

圖2 不同秸稈量處理對土壤細菌、真菌PLFA量以及真菌/細菌的影響Fig.2 PLFA of bacteria and fungi contents and fungi/bacteria in the treatments with different added straw amounts

2.3 添加不同量秸稈對土壤真菌生物量的影響

圖2表明，在添加不同秸稈量條件下，土壤真菌生物量變化趨勢和細菌生物量大致相同，也是隨秸稈添加量的增加而增加。方差分析表明，添加秸稈各處理(S3、S2和S1)與S0處理之間土壤真菌生物量有顯著差異(P<0.05)，以添加秸稈S3處理土壤真菌生物量最高，為5.90 nmol/g，其次是S2，再次為S1，分別比S0處理增加52.06%、36.60%和27.06%。對其進行回歸分析得出，乘冪方程為Y=3.9126X0.2946(R2= 0.9875**),說明添加秸稈碳源提高土壤中細菌的生物量的同時，也提高土壤中真菌的生物量。也可以看出，土壤微生物真菌的生物量在微生物總量中占有很少一部分，且變化與微生物總生物量和細菌生物量變化大致相同(圖1、圖2)，說明土壤真菌不是土壤微生物的主體群落結構。

2.4 不同添加秸稈量對土壤真菌/細菌(F/B)的影響

真菌/細菌的比例可反映真菌和細菌相對含量的變化范圍[9]和2個種群的相對豐富程度[8]。由圖2看出，在添加不同秸稈量條件下，土壤F/B變化趨勢也是隨秸稈添加量的增加而增加。方差分析表明，除S1處理外，添加秸稈的S3、S2處理與未添加秸稈的S0處理間達到顯著性差異(P<0.05)。S3處理的F/B比例最高，與其他處理均到達差異顯著(P<0.05)(S2除外)，S3和S2處理分別比S0增加了19.93%和13.04%。對其進行回歸分析得出，乘冪方程為：Y=0.2012X0.1274(R2= 0.9710**)，說明添加秸稈碳源提高土壤中細菌、真菌的生物量的同時，更提高了F/B(圖2)。也可以看出，添加秸稈碳源改善了土壤環境更有利于土壤真菌的生長。

2.5 不同添加秸稈量對土壤的微生物群落結構的影響

經主成分分析(圖3)得出，主成分一和主成分二基本上能把不同添加秸稈量處理區分開來。S3和S2處理與主成分一表現出高度正相關，而S1處理與主成分一表現出負相關；S1處理變異很大，與主成分二之間呈正相關關系，其次是S0處理也與主成分二之間呈正相關關系，S2和S3處理表現出負關。S2和S3與S0處理相距較遠，說明S2和S3這兩種處理土壤與S0處理的土壤的微生物群落結構差異很大。而S2和S3處理相距較近且還有些重合說明這兩種處理土壤的微生物群落結構較為相似。

通過每種脂肪酸在主成分上的因子載荷分析結果表明(圖4)，i17 ∶00、15 ∶0、a17 ∶0、a15 ∶0、i14 ∶0、14 ∶0、cy19 ∶0、18 ∶1ω9c和16 ∶1ω5c，在主成分一上的載荷值較高，主成分一是它們的代表因子。其中支鏈脂肪酸多來自于革蘭氏陽性菌，i17 ∶0、15 ∶0、a17 ∶0、a15 ∶0、i14 ∶0、14 ∶0是用來表征革蘭氏陰性菌的脂肪酸，而cy19 ∶0，是用來表征革蘭氏陰性菌的脂肪酸，18 ∶1ω9c和16 ∶1ω5c是真菌的標志性脂肪酸。說明添加秸稈配合磷素施用處理使土壤中革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌增多，同時也有利于真菌的生長。i14 ∶1、12 ∶0、a16 ∶0、16 ∶1 2OH、18 ∶0和16 ∶0在主成分二上有較高的載荷值，而18 ∶1ω9t、18 ∶1ω5c、15 ∶0 3OH、18 ∶2ω6c和i17 ∶1在主成分二上的載荷值較低，可以認為主成分二是i14 ∶1、12 ∶0、a16 ∶0、16 ∶1 2OH、18 ∶0和16 ∶0的代表因子。說明添加秸稈處理使土壤中土細菌的含量較高。綜合分析得出，添加秸稈處理使土壤中微生物群落結構發生了變化，產生明顯的種群優勢。

圖3 添加秸稈處理土壤微生物群落PLFA的主成分分析 Fig.3 Principe components analysis of PLFA profile from soil microbial communities under the straw adding treatments

圖4 添加秸稈對土壤微生物群落PLFA載荷因子貢獻Fig.4 Eigenvector loading of PLFA contribution to soil microbial communities under the straw adding treatments

3 討論

添加秸稈處理土壤微生物總生物量、細菌和真菌生物量與未添加秸稈處理相比有明顯增加作用。秸稈碳源施入土壤中后，為微生物提供了適宜的生長繁殖的土壤環境，也為微生物的生長提供了豐富的食物來源(即碳源和氮源)，提高了土壤微生物的活性，促進了微生物的生長，特別是增加了真菌和細菌比例[13-15]。在土壤中有機物的分解途徑分為兩條途徑，即真菌和細菌途徑。真菌途徑多存在于難分解以及高碳氮比的有機物，資源循環時間相對較長[16]，為慢周轉方式；細菌途徑主要發生容易分解的有機質，碳周轉和營養循環速度較快[17-18]。

本試驗研究的土壤是來自長年連作根結線蟲病危害嚴重的土樣，在根結線蟲爆發的土壤有一個顯著的特點，食細菌線蟲高達90%以上，食真菌線蟲所占比例卻很小[19]。食真菌線蟲的比例很小，暗示土壤中真菌(食真菌線蟲的食物來源)的比例很小，說明土壤食物網中在真菌能量途徑上的營養位缺失，特別是真菌的生物量和多樣性。在一個比較健康的土壤食物網中，食細菌途徑和食真菌途徑上的土壤生物是同時存在的，這兩條途徑上的土壤生物種類和數量比較平衡，接近1 ∶1，各個營養位點都被占據，特別是捕食者的種類多，數量豐富。這樣的土壤食物網對病原生物有較強的抑制作用。自然狀態下的草原和森林土壤中就存在著這種類型的土壤碎屑食物網。土壤食物網間接作用于根系，通過構建良好的土壤和養分條件來幫助有益生物與病原生物進行養分競爭、捕食病原生物、占據病原生物侵染位點、改變土壤條件等來抑制病原生物[20]。秸稈碳源主要組成是難分解的半纖維素、纖維素和木質素，以真菌分解途徑為主，因而相應提高真菌的相對比例。秸稈碳源的施入為真菌提供了豐富的食物來源，保證真菌繁育，為食真菌線蟲提供了豐富的食物來源，為真菌提供了更好的生長發育環境，也會相應的提高真菌和食真菌線蟲的相對比例，從而達到修復食物網中缺失的營養位，改善整個土壤食物網的結構，使其趨于平衡與穩定(健康土壤食物網結構是平衡穩定的)，達到抑制病蟲害，特別是根結線蟲病害的目的。

土壤中添加秸稈對土壤中微生物總生物量、細菌和真菌生物量和真菌/細菌(F/B)比值的影響比較顯著。在土壤F/B比值，既反映了真菌和細菌相對含量，也是農田土壤生態系統穩定性指標[21, 22]，F/B比值越高，暗示農田土壤生態系統更為持續穩定。各個不同處理F/B比值的結果表明，秸稈碳源施入各處理與未添加秸稈碳源處理相比微生物總生物量、細菌和真菌生物量和真菌/細菌(F/B)均有所提高；添加秸稈碳源后，隨著秸稈施入量的的增加，微生物總生物量、細菌和真菌生物量和F/B比值均有升高的趨勢。特別是有利于F/B比值增加，說明秸稈碳源的施入改變F/B比值，從而改善病土食物網結構和土壤生態系統食物網營養結構。

4 結論

1)添加不同水平秸稈碳源下, 土壤微生物總生物量、土壤細菌量和土壤真菌量存在差異，隨著秸稈量的增加土壤微生物總生物量、土壤細菌量、土壤真菌量相應增加。

2) 添加不同水平秸稈碳源下，對土壤真菌和細菌比值(F/B)也產生了顯著的影響, F/B有隨著秸稈量的增加而增加的趨勢。

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