2種灌溉方式下新疆栽培紅花根區微生物群落功能多樣性分析

蘭家萍 趙詳 劉鴦 楊美玲 王紹明

摘要：以滴灌和大水漫灌2種不同灌溉方式下紅花根際土和非根際土為研究對象，采用Biolog-ECO微平板檢測法對土壤微生物群落功能多樣性進行研究。結果顯示，2種不同灌溉方式下紅花根際土含水率以及全氮、全鉀、全磷、有機質、堿解氮、速效鉀、速效磷含量均高于非根際土壤，而電導率、pH值則低于非根際土，滴灌下紅花根際土中大部分理化因子的含量大于大水漫灌;滴灌下的過氧化氫酶、堿性磷酸酶、纖維素酶活性顯著高于大水漫灌;滴灌下平均顏色變化率（AWCD）、香農多樣性指數（H）、豐富度指數均整體高于大水漫灌。說明滴灌有助于改善微生物的生存環境，提高土壤微生物群落功能多樣性，進而增強應對外界環境影響的能力。

關鍵詞：新疆栽培紅花;微生物功能多樣性;滴灌;大水灌溉

中圖分類號： S154.3? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）10-0301-04

紅花（Carthamus tinctorius L.）別稱草紅花和菊紅花，是菊科紅花屬中唯一的栽培品種，是菊科植物的干燥管狀花，屬于雙子葉植物，為一年或兩年生草本植物。在我國，紅花是一種傳統的藥材，同時是集飼料、油料、染料等多種功能為一體的重要經濟作物，有著廣闊的開發前景[1]。紅花喜溫暖干燥、土壤排水性能好的生態環境，具有耐寒、耐旱、耐鹽堿等特性，同時其對土壤的肥力要求也不是特別高，因此栽培管理比較簡便。目前紅花已被廣泛栽種于全球范圍內，調查結果顯示，我國4個主要的紅花產地分別為新疆吉木薩爾、河南新鄉、四川簡陽、云南巍山。其中，新疆占據我國紅花栽培面積和產量的第1位，種植區主要分布于吉木薩爾、伊利、塔城、呼圖壁等地。新疆是我國紅花的主要產區，產量約占全國的80%，被譽為“中國紅花之鄉”[2]。干紅花遠銷全國各個省份，并有部分出口國外。紅花以其較高的經濟和藥用價值受到國內外研究者的關注[3]。迄今為止，研究發現，紅花中主要含有黃酮醇及其苷類、查耳酮類、鏈烷雙烯醇類、脂肪酸類、聚炔類、甾體類等成分。然而，目前對于紅花的研究主要集中在其藥理、化學成分、種質資源保存、遺傳多樣性、品種選育、高效栽培管理技術以及防病防害等方面，近年來，對紅花土壤根區微生物群落多樣性的研究逐漸增多。郭歡等研究發現，叢枝菌根（arbuscular mycorrhiza，AM）從時間和空間上影響紅花根圍微生物的多樣性[4]。

目前在全球范圍內，干旱或水資源短缺已經成為限制作物產量的主要因素之一，隨著經濟和社會的發展以及全球氣候變暖的加劇，干旱缺水形勢日益嚴峻[5]。新疆昌吉州吉木薩爾縣位于新疆維吾爾自治區天山北麓東端，為紅花的主要產地之一，該地區干旱缺水，水資源短缺成為土地開發利用的主要限制因素之一[6]。由于技術落后、資金短缺等方面原因，傳統落后的大水漫灌一直沿用至今。但是，隨著水資源緊缺與需水量逐年增加之間矛盾的日益加劇，大水漫灌正在逐漸被現代化節水模式所取代。隨著我國節水灌溉技術的普及和發展，近幾年，滴灌在我國逐漸被重視并得到了前所未有的推廣。滴灌不僅是干旱缺水地區一種有效利用水資源的灌溉方式，同時也是現代化農業技術措施的有效載體。滴灌能夠遵從作物耗水規律，均勻緩慢、適時適量地供水，使作物根層土壤保持最佳的水分含量、通氣狀態、養分含量等，為作物生長發育創造良好的環境[7]。20世紀以來，人們認識到不同植物之間和相同植物不同品種之間存在水分利用效率差異。為此，進行滴灌和大水漫灌2種不同灌溉方式下新疆栽培紅花根區微生物功能多樣性研究，以期為提高紅花產量和優化栽培管理措施提供一定的理論參考依據。

土壤微生物群落對土壤中的物質和能量循環發揮著至關重要的作用，是土壤生態系統中最為活躍的部分[8]，90%左右的土壤反應過程都有微生物的參與[9-10]。根際是一個由根系分泌物輸入高能量而使得微生物劇烈活動的生態系統，同時是植物和微生物進行物質與能量交流較活躍的土壤微區，也是近年來國內外土壤微生物研究的熱點[11]。根際土壤微生物可以影響土壤營養的分解、轉化以及植物對營養物質的吸收利用，是衡量土壤肥力和養分含量的重要指標。各級土壤微生物群落結構與作物產量密切相關，微生物種群結構失衡是導致藥用作物發病和減產的主要原因之一[1]。土壤微生物多樣性對土壤生態系統的結構和功能有一定的影響，參與維持土壤生產力，是評價土壤質量的重要參考指標之一。研究作物與其根際土壤微生物多樣性之間的關系，對進一步了解作物品種遺傳性、土壤適應性和制定栽培管理方案具有重要參考意義。

Garland等首次采用Biolog微孔板對微生物群落功能多樣性進行描述[12]，此后該技術被廣泛用于評價環境微生物群落功能多樣性[13]。目前Biolog技術已被廣泛應用于對土壤微生物群落功能多樣性的評價，例如比較不同土壤類型、同類土壤不同植物物種根際、不同植被根際土壤微生物群落的功能多樣性。

本研究采用Biolog-ECO微平板檢測法，以滴灌和大水漫灌2種不同灌溉方式下栽培紅花根際土和非根際土為研究對象，探討2種不同灌溉方式下紅花分區微生物的多樣性。

1 研究區概況

研究區位于新疆昌吉州吉木薩爾縣北庭鎮農六師紅旗農場分廠一連，該區位于新疆維吾爾自治區天山北麓東端，準噶爾盆地東南緣（88°30′～89°30′E，43°30′～45°30′N）。屬溫帶大陸性氣候，冬季長而嚴寒，夏季短而炎熱，春秋季節不明顯，干旱且降水量少，晝夜溫差大。年平均氣溫為7.0 ℃，年平均日照時數為2 861.1 h。

2 研究方法

2.1 樣品采集

灌溉方式為滴灌、大水漫灌，以2016年6月在新疆昌吉州吉木薩爾縣北庭鎮紅旗農場隨機選取的長勢、株叢大小等相似的紅花地作為樣地。在樣地內設置3個5 m×5 m的樣方，在每個樣方內隨機選取5～10株植株作為樣本，在植株根處挖取與根系深度（約為20 cm）相同的土壤剖面（注意采集植物根系土壤時要小心地進行），剔除植物殘根、石礫以及周圍的雜土，將完整的根系裝入無菌封口袋內，迅速帶回實驗室，將根系上剝離的土（控制在根系周圍1.0～2.5 mm以內）作為根際土壤樣品;同時在每個樣方內采集與植株根系等深度的外圍土壤并進行混合。根際土壤樣品與其外圍土壤樣品均放入4 ℃冰箱內保存，用于土壤理化性質、微生物功能多樣性分析[14]。將試驗中用到的土壤分別命名為滴灌紅花根際土（DG）、滴灌紅花非根際土（DF）、大水漫灌紅花根際土（SG）、大水漫灌紅花非根際土（SF）。

2.2 土壤理化性質的測定

土壤含水率采用烘干法測定;電導率采用電導法測定;土壤中有機質含量的測定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法;土壤全氮含量的測定采用半微量凱氏法;堿解氮含量的測定采用堿解擴散法;全磷含量的測定采用酸溶-鉬銻抗比色法;速效磷含量的測定采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法;全鉀含量的測定采用HF-HClO4消煮-火焰光度計法;速效鉀含量的測定采用乙酸銨浸提-火焰光度計法;土壤pH值測定時的水土體積比為2.5 ∶ 1.0[15]。

2.3 土壤中酶活性的測定

土壤蔗糖酶、纖維素酶活性的測定采用3，5-二硝基水楊酸比色法;脲酶活性的測定采用苯酚鈉比色法;過氧化氫酶活性的測定采用高錳酸鉀滴定容量法;堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定。

2.4 土壤微生物功能多樣性Biolog測定

本試驗采用Biolog-ECO微平板檢測法（Biolog-ECO Plate TM）進行土壤微生物活性和功能多樣性測定。每個Biolog-ECO板內包含96個小孔，設3次重復，每組重復含1個對照和31種碳源[16]。

將Biolog-ECO平板（BIOLOG公司）從冰箱中取出，預熱至25 ℃，稱取相當于10 g干質量的鮮土，將其加入到裝有90 mL無菌NaCl溶液（質量濃度為0.85%）的三角瓶中，封口后在170 r/min搖床上振蕩15 min，靜置10 min后，取上清，將土壤溶液按10倍梯度依次稀釋至10-3稀釋度，用8道移液器取150 μL土壤溶液稀釋液分別加入Biolog-ECO平板的微孔中。最后將接種好的微孔板置于25 ℃恒溫培養箱中避光培養168 h，每隔12 h在Biolog-ECO Plate TM讀盤機上用Biolog Reader 4.2軟件讀取590 nm波長下的吸光度（D590 nm）[17]。

2.5 數據分析

培養72 h的土壤微生物處于代謝旺盛期，因此將該培養條件下的數據用于土壤微生物碳源利用分析和主成分分析。

（1）Biolog-ECO平板上每個微孔的平均顏色變化率（AWCD）可用于表示微生物種群碳源代謝強度，是反映土壤微生物活性及功能多樣性的一個重要指標[18]，計算公式如下：

式中：Ci表示Biolog-ECO平板上每個微孔在590 nm波長下的光密度值;R表示空白微孔Ai的光密度值，其中Ci-R小于0.06的數值按0處理;31表示Biolog-ECO平板上碳源的種類數為31。

（2）微生物多樣性指數（H）采用Shannon-Wiener指數法計算，用于評估物種的豐富度，稱為香農多樣性指數（H），計算公式[13]如下：

式中：pi為第i孔相對吸光度與整個平板相對吸光度總和的比率;pi=（Ci-Ri）/∑（Ci-Ri），Ri為對照孔的吸光度。

（3）微生物均勻度指數（E），計算公式如下：

式中：S為Biolog-ECO平板上有顏色變化的孔數。

（4）微生物優勢度指數（D）用于評估某些最常見種的優勢度，計算公式如下：

D=1-∑pi2。

（5）豐富度指數（S）：微生物群落利用碳源種類的數目，即Biolog-ECO平板上有顏色變化的孔數。

所有數據的計算與處理采用Microsoft Excel 2007軟件，差異顯著性分析采用SPSS 19.0軟件，畫圖采用Microsoft Excel 2007和Origin 8.5軟件。

3 結果與分析

3.1 不同灌溉方式下栽培紅花根區土壤理化性質的比較

從表1可以看出，滴灌下紅花根際土的電導率、pH值比非根際土低349.34 μS/cm、0.16，根際土含水率及全氮、全鉀、全磷、有機質、堿解氮、速效鉀、速效磷含量均高于非根際土;大水漫灌紅花根際土pH值、電導率低于非根際土，含水率及全氮、全鉀、全磷、有機質、堿解氮、速效鉀、速效磷含量均高于非根際土。滴灌方式下的根際土土壤理化性質指標除

pH值和電導率外均大于大水漫灌方式。

3.2 不同灌溉方式下栽培紅花根區土壤中酶活性比較

從表2可以看出，滴灌、大水漫灌紅花根際土過氧化氫酶活性與非根際土沒有顯著性差異，但滴灌下的過氧化氫酶活性顯著高于大水漫灌。大水漫灌紅花根際土的脲酶活性與非根際土沒有顯著性差異，而滴灌紅花根際土的脲酶活性顯著大于非根際土。滴灌紅花根際土的堿性磷酸酶和纖維素酶活性顯著高于非根際土，大水漫灌也有類似的結果，且滴灌下的纖維素酶活性顯著高于大水灌溉。滴灌、大水漫灌紅花根際土蔗糖酶活性不存在顯著性差異，但2種灌溉方式下紅花根際土蔗糖酶活性均顯著高于非根際土，其中大水漫灌下紅花根際土的蔗糖酶活性約是非根際土的1.6倍。

3.3 不同灌溉方式下栽培紅花根區微生物的AWCD比較

AWCD是反映土壤微生物對總體碳源利用效率的指標，在一定程度上能夠體現土壤微生物種群的數量和結構特征[19]。培養開始后，每隔12 h測定1次AWCD，得到AWCD隨時間的動態變化趨勢。由圖1可知，從接種到培養36 h，滴灌、大水漫灌紅花根際土、非根際土的AWCD均沒有明顯的變化，對碳源的利用能力整體隨時間的延長而增強。隨著培養時間的延長，4種不同土壤樣品中的土壤微生物群落的AWCD均整體呈增長趨勢，其中滴灌紅花根際土微生物群落的AWCD升高得最快，其非根際土的AWCD次之，而大水漫灌紅花根際土和非根際土的土壤微生物群落AWCD變化趨勢相近，較滴灌方式緩慢，表明滴灌方式下紅花根區土壤微生物活性較大水灌溉方式下高。

3.4 不同灌溉方式下栽培紅花根區土壤微生物群落功能多樣性的比較

土壤微生物群落功能多樣性是表示土壤微生物群落狀態與功能的指標，反映了土壤微生物的生態特征。香農多樣性指數（H）、均勻度指數（E）、優勢度指數（D）和豐富度指數（S）等可以從不同的方面反映土壤微生物群落功能多樣性，均為應用較為廣泛的群落多樣性指數。表3中列出了2種不同灌溉方式下紅花根際土、非根際土在培養72 h后所利用碳源的多樣性指數。

從表3可以看出，滴灌、大水漫灌紅花根際土的微生物香農多樣性指數高于非根際土;滴灌條件下根際土的微生物香農多樣性指數高于大水漫灌條件下。微生物均勻度指數表現為滴灌紅花非根際土（DF）>大水漫灌紅花根際土（SG）>大水漫灌紅花非根際土（SF）>滴灌紅花根際土（DG）。微生物豐富度指數均表現為滴灌紅花根際土（DG）>大水漫灌紅花根際土（SG）>滴灌紅花非根際土（DF）>大水漫灌紅花非根際土（SF）。2種灌溉方式下微生物優勢度指數無明顯差異，但根際土的微生物優勢度指數均低于非根際土。

4 結論與討論

土壤微生物群落在土壤生態系統中發揮著關鍵作用，例如在地球化學循環及能量流動、土壤肥力演變、土壤有機質的代謝等方面都起著重要作用。根際是植物和微生物進行物質和能量交流的活躍土壤區域，植物根際及微生物組成了一個微生態系統，根際微生物可以影響土壤營養物質的分解和轉化、植物根系對土壤營養物質的分解和轉化、植物根系對土壤營養物質的吸收利用，其多樣性是衡量土壤肥力和養分的一個重要指標[20]。徐鴻斌等的研究結果顯示，紅花根際土壤微生物磷脂脂肪酶生物標記組成豐富，且不同基因型的擬南芥之間根際微生物群落差異顯著[20]。彭振寶等的研究結果表明，根際土壤微生物對于農藥甲拌磷的污染干擾能力強于非根際土壤[21]。研究根際土壤微生物種群結構和功能，對于了解農作物生態系統的活動性和穩定性十分重要。

土壤微生物與紅花的生長密切相關，目前人們對紅花的研究多集中在其藥理或栽培技術等方面，而對紅花微生物的研究相對較少。陸爽等對新疆栽培紅花不同生長期的土壤微生物群落結構進行研究，結果發現，微生物總數由大到小依次為伸長期、種子成熟期、蓮座期、花期[22]。郭歡等研究了水肥處理對紅花根際化學計量特征的影響，結果顯示，施肥對土壤中主要營養元素如C、N、P等的含量有提高作用，合理有效的水肥管理對土壤養分的提高有著顯著意義[4]。羅麗朦等以扁穗冰草為研究對象，分析比較其根鞘土壤和周圍環境土壤的理化性質，結果發現，根鞘土壤的有機質、全氮、速效氮、速效鉀含量均高于周圍環境土壤[23]。

本研究結果表明，無論是在滴灌還是大水漫灌方式下，根際土的含水率高于非根際土，這有助于確保紅花生長環境中土壤養分的有效性;根際土中有機質、全氮、速效鉀、全磷、速效磷含量均高于非根際土，說明根際土中植物生長的必要養分含量高于非根際土，能夠更有效地發揮其保持土壤養分和肥力的功能，這一點與徐鴻斌等的研究結果[20]是一致的。而關于植物根際及土壤微生物組成的特殊微生態系統中復雜的關系，還需要進一步研究。

Biolog技術通過測定微生物對不同碳源利用程度來表征其代謝活性及其功能多樣性，通過AWCD值來表示微生物群落對碳源的代謝能力，且AWCD值可作為土壤微生物活性的有效指標。采用香農多樣性指數及均勻度指數表示群落的豐富度，其值越大說明群落多樣性越高。植物根系的代謝活動能為微生物提供多種營養物質和穩定的生長條件，且對土壤微生物群落的生長與代謝具有激活作用[16]。微生物群落多樣性指數可綜合性體現物種的均勻度和豐富度，多樣性指數的變化可以反映微生物群落功能多樣性的變化，然而選擇分析的多樣性指數不同，得出的試驗結果也會有所差異。

本研究中，AWCD在培養的36 h內無明顯變化，在0～36 h 微生物處于適應期階段，在36 h之后，微生物逐漸進入對數增長期，并在72 h后基本進入穩定期，不同土壤樣品的AWCD隨時間的變化曲線基本呈近S型，這符合微生物利用基質生長的一般規律。在36～72 h范圍內，AWCD呈現上升趨勢，說明在培養的36～72 h內微生物對碳源的利用能力強，代謝活性高。在不同的灌溉方式下，根際土的AWCD均整體高于非根際土，說明根際土中較高的有機質含量可以提高土壤微生物群落的代謝活性。微生物豐富度指數表現為滴灌紅花根際土>大水漫灌紅花根際土>滴灌紅花非根際土>大水漫灌紅花非根際土，表明植物根際土的微生物豐富度高于非根際土，說明植物根際土微生物群落的多樣性較高[14]。

新疆是我國紅花的主產區之一，種植面積占全國的60%以上，產量已占全國總產量的80%。其干爽的氣候，豐富的光熱資源，較大的晝夜溫差，為紅花的生長栽培提供了非常適宜的條件，紅花已成為新疆塔城地區、兵團農六師等地的支柱產業之一。然而，新疆的紅花栽培也不斷面臨著新的問題，部分紅花品種在長期的栽培過程中不斷退化，并且長期的粗放栽培管理以及缺乏科學規劃的灌溉和施肥等，造成紅花生長受到脅迫，降低了紅花藥材質量。譚勇等對不同栽培方式下的紅花產量和品質進行了研究，結果發現，滴灌栽培條件下紅花的產量較高[3]。

本研究比較2種灌溉方式下紅花根際土和非根際土的微生物群落多樣性，結果發現，不論是根際土還是非根際土，在滴灌下土壤全氮、全鉀、速效鉀、全磷、速效磷含量均高于大水漫灌灌溉方式，說明滴灌下土壤中植物生長的必要養分含量高于大水漫灌，可以更有效地發揮其保持土壤養分和肥力的功能。同時AWCD、豐富度指數在滴灌方式下均整體較大水灌溉高。表明滴灌下紅花的有機質含量、根區土壤微生物功能多樣性大部分高于大水漫灌條件下，這與已有的研究結果[22]一致。

總之，根際是植物和微生物進行物質和能量交流的活躍土壤區域，根際微生物較非根際微生物更能影響土壤肥力、微生物功能多樣性。與大水漫灌相比，滴灌可以提高根際土壤有機質含量，改善微生物的生存環境，提高土壤微生物群落功能多樣性，進而增強應對外界環境影響的能力。

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