不同類型短期逆境脅迫對蕉園土壤團聚體組成及酶活性的影響①

鄧照亮，陳莎莎，孫 敏，楊 華，李 真，王世梅，沈其榮

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不同類型短期逆境脅迫對蕉園土壤團聚體組成及酶活性的影響①

鄧照亮，陳莎莎，孫 敏，楊 華，李 真，王世梅*，沈其榮

(南京農業大學資源與環境科學學院/江蘇省固體有機廢棄物資源化高技術研究重點實驗室，南京 210095)

采集海南蕉園土壤，通過室內模擬試驗研究不同類型環境脅迫對土壤團聚體組成及酶活性的影響。土樣經干旱、漬水、酸化和病原菌入侵處理后，采用濕篩法篩分不同粒徑團聚體，并進行土壤酶活性和微生物檢測。結果發現，除酸化處理土壤>2 mm團聚體比例高于對照外，其余各處理土樣>0.25 mm團聚體所占比例與對照相比均顯著下降，而<0.25 mm小團聚體比例均顯著增加。土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶等的酶活性與對照相比下降20% ~ 90%。土樣經不同處理后細菌數量均顯著降低，酸化和病原菌入侵后尖孢鐮刀菌數量由原來102CFU/g分別提高到103CFU/g及104CFU/g。Miseq測序結果顯示，土壤微生物群落結構也發生了顯著變化。結果表明，短期逆境脅迫會影響蕉園土壤結構及功能，降低土壤質量。

蕉園土壤；團聚體；酶活性；微生物群落結構

香蕉，是一種芭蕉科芭蕉屬植物。香蕉喜濕熱氣候，在土層深、土質疏松、排水良好的土壤中生長旺盛，是我國南方熱帶亞熱帶地區重要的經濟作物[1-2]。海南依靠自身的區位、氣候、資源，大力發展香蕉生產，是我國重要的香蕉產區，但近年來受到香蕉土傳枯萎病的侵害，當地蕉園損失嚴重。香蕉枯萎病是由尖孢鐮刀菌古巴?；? 號生理小種(f. sp.race 4)侵染而引起的一種土傳病害[3-4]。目前，防控香蕉枯萎病采取的措施主要包括：選育抗性品種、輪作、化學熏蒸和生物防治等，均取得一定的效果[5-6]。近年來極端氣候經常出現，如旱、澇、酸雨時有發生，以及種植區病原微生物的入侵等，這些因素對香蕉枯萎病的發生起著不可忽視的作用。研究表明，土壤病原微生物數量增加易導致枯萎病發生[7-8]，而氣候變化及自然災害的發生嚴重影響土壤的理化性質、微生物功能[9-10 ]，故自然災害等逆境條件影響蕉園土壤性質，并與土傳病害的發生存在密切關聯。鑒此，本研究通過室內模擬試驗探討蕉園土壤受到旱、澇、酸雨及病原菌入侵等不利因素對土壤團粒結構、酶活性及微生物群落結構的影響，以闡明不同類型短期逆境脅迫對蕉園土壤結構及功能的影響，進而為防控香蕉枯萎病、促進香蕉產業的可持續發展提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

香蕉園土壤(玄武巖磚紅壤)，于2015年9月采自海南臨高縣臨城鎮蕉園(109°49′ E，19°47′ N)。采集5 ~ 20 cm土層土壤，土壤pH 5.9，含水量254.8 g/kg。土樣經風干，過5 mm篩，備用。

1.2 試驗設計

取500 g土樣裝于1 000 ml的培養瓶中。設置4個處理：①干旱，土樣含水量控制<100 g/kg，置于25℃室溫培養30 d；②漬水，土樣含水量保持在300 ~ 400 g/kg，置于25℃溫室培養30 d；③酸化，土樣滴加0.005 mol/L H2SO430 ml，培養30 d(測定土壤pH 5.39)；④病原菌入侵，土樣添加香蕉尖孢鐮刀菌孢子(，105個/ml)懸液120 ml，培養30 d；⑤對照，保持土壤正常含水量在250 g/kg左右。每個處理設3個重復。培養結束后，測定團聚體的組成比例；土壤酶活性及土壤中微生物群落組成的變化，并分析不同處理間差異。

1.3 土壤團聚體篩分

采集處理后的土樣，在室溫下自然風干。當土壤含水量達到塑限時，用手沿著土壤的自然斷裂縫隙掰成粒徑約2 cm的土樣。準確稱取100 g土樣置于套篩孔徑至上而下依次為2、0.25、0.053 mm篩板的最上層，再將整個套篩置于裝有去離子水的容器中，浸沒，靜置10 min，然后將其置于濕篩機上(FT-3型電動團粒分析器)進行篩分，時間為5 min。濕篩機振幅上下3 cm，頻率為30次/min。整個濕篩過程套篩組中的土樣須浸沒水中。濕篩完畢后，將每個篩子上的團聚體用去離子水洗至白色托盤，并收集到鋁盒中，留在桶內<0.053 mm的粒級的團聚體靜置48 h后再收集。將收集到的樣品冷凍干燥，用于酶活性測定。再隨機選取3次濕篩分級后的團聚體樣品，于105℃烘干，稱重，計算各粒級團聚體組成[11]。

1.4 土壤酶活性測定

土壤蔗糖酶、脲酶、中性磷酸酶、過氧化氫酶活性測定按酶活試劑盒(科銘生物，蘇州科銘生物技術有限公司)說明書提供的方法進行。

1.5 土壤微生物的測定

土培試驗結束后，取樣測定不同處理土壤中細菌、真菌及尖孢鐮刀菌()的數量。土壤微生物計數采用稀釋平板法。細菌采用牛肉膏蛋白胨培養基，真菌采用馬丁氏培養基，尖孢鐮刀菌采用Komada 選擇性培養基[12]，于28 ℃分別培養1 ~ 2、3 ~ 5 及5 ~ 7 d，計數平板上的菌落數(colony forming unit，CFU)。

1.6 土壤DNA提取及Miseq測序

土壤DNA提?。喝〖s0.5 g混合土壤樣品，按照土壤DNA 提取試劑盒(PowerSoil DNA Isolation Kit)操作步驟說明提取土壤DNA，–20 ℃保存，備用。土壤DNA 樣品MiSeq 高通量測序送至上海凌恩生物技術有限公司完成。測定項目包括細菌和真菌，測序步驟參照Caporaso 等[13]和Kozich 等[14]的方法。細菌16S rRNA 采用引物563F：5′-AYT GGG YDT AAA GVG -3′；802R：5′-TAC NVG GGT ATC TAA TCC -3′ 測定V4區序列；真菌ITS 采用引物ITS1F：5′-CTT GGT CAT TTA GAG GAA GTA A-3′；ITS2R：5′-GCT GCG TTC TTC ATC GAT GC-3′ 測定ITS區序列。

1.7 數據分析

數據統計分析使用Excel和SPSS 19.0軟件，通過Duncan新復極差法檢驗處理間差異的顯著性水平，用Origin 8.6 軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤團聚體組成的影響

干旱、漬水、酸化和病原菌入侵處理對土壤穩定性團聚體的影響見表1。在各短期逆境脅迫處理土壤中，>2、2 ~ 0.25、0.25 ~ 0.053和<0.053 mm這4個粒級的團聚組成與對照相比均發生了改變。除酸化處理土壤>2 mm團聚體所占比例較對照提高42% 外，其余各處理均較對照降低，尤其漬水處理>2 mm團聚體所占比例較對照降低約160%。而<0.25 mm小團聚體，各短期逆境脅迫處理后團聚體比例均高于對照，0.25 ~ 0.053 mm團聚體所占比例均較對照提高80% 以上，<0.053 mm的黏粒所占比例是對照的4倍有余。

表 1 不同處理土壤團聚體的組成變化

注：表中同列不同小寫字母代表不同處理間差異顯著(<0.05)。

2.2 不同處理對土壤酶活性的影響

由圖1可知，土壤經干旱、漬水、酸化和病原菌入侵短期逆境脅迫處理，蔗糖酶活性與對照相比分別降低了48.82%、53.79%、54.38%、54.71%；脲酶活性較對照分別降低了26.09%、21.74%、33.04%、29.57%；磷酸酶活性較對照分別降低了55.05%、44.84%、65.37%、61.70%；過氧化氫酶活性較對照分別降低了19.28%、54.06%、89.29%、82.05%。說明干旱、漬水、酸化等處理影響了土壤酶的活性。

(圖中柱圖上方不同小寫字母代表不同處理間土壤酶活差異顯著(P<0.05))

2.3 不同處理對土壤微生物種群數量的影響

由圖2可知，土壤經干旱、漬水、酸化和病原菌入侵短期逆境脅迫處理后，細菌數量較對照均顯著下降；真菌數量除病原菌入侵處理較對照有所提高外，其余各處理真菌的數量均低于對照，而酸化處理后的土壤中真菌數量與干旱、漬水處理相比略有提高，但差異不顯著。酸化及病原菌入侵處理后，尖孢鐮刀菌的數量與對照相比均顯著提高，分別由原來的102CFU/g提高到了103CFU/g及104CFU/g。

(圖中不同小寫字母表示同一類微生物在不同處理間差異顯著(P<0.05))

2.4 不同處理對土壤微生物群落結構的影響

由圖3A可知，土壤經干旱、漬水、酸化和病原菌入侵短期逆境脅迫處理后，在細菌門水平上相對豐度最高的7個門分別是酸桿菌門(Acidobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、厚壁菌門(Firmicutes)、芽單胞菌門(Gemmatimona-detes)、浮霉菌門(Planctomycetes)、變形菌門(Proteo-bacteria)、疣微菌門(Verrucomicrobia)，占各處理細菌總序列的90% 以上。與對照相比，各短期逆境脅迫處理疣微菌門豐度變化較小，酸桿菌門(Acidobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)的豐度顯著降低，放線菌門(Actinobacteria)的豐度除漬水處理較對照下降外，其他3個處理其豐度顯著增加，厚壁菌門(Firmicutes)和變形菌門(Proteobacteria)的豐度顯著增加，且厚壁菌門(Firmicutes)豐度在漬水處理后增幅最大，增加55.27%，在干旱處理后豐度顯著降低。

由圖3B可知，土壤短期逆境脅迫處理后，子囊菌門(Ascomycota)、擔子菌門(Basidiomycota)、壺菌門(Chytridiomycota)相對豐度較高，占各處理真菌總序列的70% 以上。與對照相比，干旱、酸化和病原菌入侵處理土壤子囊菌門(具有有性生殖階段的鐮刀菌屬于該門)的豐度顯著增加，分別提高了40.07%、32.13%、31.70%，但漬水處理其豐度較對照略有下降；擔子菌門的豐度經干旱、漬水、酸化和病原菌入侵處理后顯著下降，分別降低了37.98%、22.44%、35.97%、36.35%；經漬水處理后壺菌門豐度顯著提高，與對照比提高了3.89%。

圖3 不同處理土壤中細菌門(A)、真菌門(B)的相對豐度變化

3 討論

土壤理化性質對土壤功能的發揮起著重要作用[15-16]，經過干旱、漬水和病原菌入侵處理后，土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶活性與對照相比顯著降低(圖1)，而土壤微生物數量(細菌和真菌)與對照相比，亦顯著下降(圖2)，表明土壤酶活性與土壤微生物數量呈正相關[17]。原因可能是，干旱使土壤水分大量喪失，部分微生物因干燥而死亡；漬水處理，土壤含氧量下降，好氧微生物受到抑制，土壤酶活性降低；酸化則抑制了不耐酸微生物的生長活性，王富國等[18]在研究不同種植年限酸化果園土壤微生物學性狀時發現，土壤蔗糖酶、脲酶及過氧化氫酶活性均隨種植年限增加，隨酸化程度加劇而下降。

土壤團聚體是礦物質、有機質、生物質相互作用在特定條件下的組合，是土壤最基本結構單元[19]。研究表明，大團聚體可提高土壤質量，塑造良好的土壤結構，調節土壤通氣與持水、養分釋放與保持的矛盾，促進作物生長，防控土傳病害發生[20]。土壤團聚體形成過程中細菌分泌的多糖、真菌菌絲及植物根系對團聚體的形成與穩定起著重要作用[21-22]。本研究發現，土壤經逆境脅迫后，土壤中細菌數量均下降，土壤真菌除病原菌入侵處理數量略有上升外，干旱、漬水和酸化處理亦顯著下降。土壤微生物數量減少，不利于小團聚體向大團聚體轉變。文獻報道土壤大團聚體的形成與土壤微生物量和微生物多樣性呈正相關性[23]，尤其絲狀真菌對大團聚體的形成和穩定性起著重要作用[24]。<0.25 mm的小團聚體所占比例均高于對照，這與土壤微生物數量變化相符。各種不利因素處理后，與對照相比，土壤微生物群落結構發生了較大變化，細菌門水平上酸桿菌門(Acidoba-cteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、芽單胞菌門(Gemma-ti-monadetes)豐度與對照相比顯著下降；真菌門水平上，干旱、酸化和病原菌入侵處理子囊菌門(Ascom-ycota)豐度顯著增加，而漬水處理子囊菌門豐度有所下降，圖3B表明子囊菌門(Ascomycota)是真菌最主要的類群，占真菌豐度的50% ~ 90%，具有有性生殖階段的鐮刀菌及多種常見的動植物病原菌屬于該門[25]。沈宗專[26]研究認為土壤中子囊菌門真菌豐度升高與香蕉枯萎病的爆發有一定的關系。

4 結論

蕉園土壤經短期干旱、漬水、酸化和病原菌入侵逆境脅迫處理后，土壤大粒級團聚體(> 0.25 mm)比例下降17% ~ 21%，土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶及過氧化氫酶的酶活性降低20% ~ 90%，土壤微生物數量及群落結構也發生了較大變化，其中漬水處理顯著降低了子囊菌門(Ascomycota)真菌豐度，酸化與病原菌入侵處理大幅提高了土壤中尖孢鐮刀菌的數量。

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Effects of Different Short-Term Stresses on Aggregate Compositions and Enzyme Activities ofBanana Orchard Soil

DENG Zhaoliang, CHEN Shasha, SUN Min, YANG Hua, LI Zhen, WANG Shimei*, SHEN Qirong

(College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University / Jiangsu Provincial Key Lab for Organic Solid Waste Utilization, Nanjing 210095, China)

Soil samples were collected from a banana orchard in Hainan, the distribution of soil aggregates and enzyme activities were analyzed after the soils were cultured under various conditions such as drought, wet, acidification and pathogen invasion (). Soil aggregates (>2, 2-0.25, 0.25-0.053 and <0.053 mm) were separated by wet sieve method. Compared with the control, the proportion of water-stable macroaggregates (>0.25 mm) significantly decreased except for the >2 mm macroaggregates under acidification, while microaggregates (< 0.25 mm) increased significantly in all the treatments. The activities of soil invertase, urease, phosphatase and catalase were reduced by 20%-90%, and bacteria populations were also significantly reduced. Acidification and pathogen invasion significantly increased the numbers offrom 102CFU/g to 103CFU/g and 104CFU/g respectively. DNA analyses indicated that soil microbial community structure was also significantly changed. Thus, adverse environmental factors can seriously affect soil quality, e.g., aggregate formation and soil enzyme activities.

Banana Orchid soils; Aggregates; Enzyme activities; Microbial community structure

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目(2015CB150504)和國家自然科學基金項目(41671256)資助。

(smwang@njau.edu.cn)

鄧照亮(1990—)，男，安徽安慶人，碩士研究生，主要從事土壤微生物方面的研究。E-mail：2014103043@njau.edu.cn

10.13758/j.cnki.tr.2018.03.007

S182

A