施磷對干旱脅迫下箭竹根際土壤養分及微生物群落的影響

向 君, 樊利華,張楠楠,吳淑蘭,郭 敏,周星梅,王彥杰,*

1 四川師范大學,生命科學學院, 成都 610100 2 中國科學院成都生物研究所,中國科學院山地生態恢復與生物資源利用重點實驗室,生態恢復與生物多樣性保育四川省重點實驗室, 成都 610041

隨著全球氣候變暖,干旱等極端天氣氣候事件發生的頻率及強度不斷加劇,影響范圍不斷擴大[1]。目前,干旱地區已經占據陸地表面41%以上的面積[2],而我國干旱半干旱區占地面積達到了我國陸地面積的50%[3],并且開始向濕潤區發展[4- 5]。干旱作為一種最為嚴重的非生物脅迫因子,極大地制約了植物的生長發育、生產力大小及自然更新[6]。

根際是指離根軸表面數毫米范圍之內的、在物理、化學和生物學性質上不同于土體的微環境,在植物生長和發育中起著關鍵作用[7- 8]。根際作為構建植物與土壤交流溝通的橋梁是植物遭受脅迫時優先作出響應的區域,易受到多種因素的干擾而發生變化,如根際土壤微生物數量和結構、根際土壤養分、根際土壤酶活性等發生改變,從而影響植物生長發育、抗逆性和養分的高效利用[7- 9]。在全球氣候變化背景下,根際作為土壤-根系-微生物相互作用的微域環境已是植物生理學、土壤學、微生物學、生態學等多學科的研究熱點。

土壤養分是由土壤提供給植物生長所必需的營養元素。其中,根際土壤養分與植物養分吸收利用的關系較原土體更為直接,有著重要的生態學意義。根際土壤養分動態除反映根-土養分供求間的關系,也反映著環境條件的影響,對環境變化表現出極敏感性[10]。當土壤環境發生變化時,根際土壤養分的有效性也會隨之發生很大的變化[11],水分是影響根際土壤養分轉化和有效性最重要的環境因子。然而,以往有關植物根際土壤養分的研究多集中在正常環境條件下,對干旱脅迫下的研究仍相對較少。在全球氣候變化日益嚴峻的形勢下,有關干旱脅迫對植物根際土壤養分影響的研究也受到研究者們的高度關注。

被稱作植物“第二套基因組”的根際微生物是土壤生態系統中最活躍且不可或缺的重要組成部分,擔負著土壤結構的形成、有機質與礦物質的分解、固氮和固碳等重任,在促進土壤質量及植物生長發育等方面發揮著重要作用[12- 13]。此外,根際微生物對土壤環境變化也有很強的敏感性,即使土壤水分、土壤溫度等環境因子發生的微小變化,微生物也能精準且快速地做出反應,能敏感地預警陸地生態系統發生的微小變化[14- 15]。因此,在全球氣候變化背景下根際微生物研究越來越受到關注。因磷脂是絕大多數生物細胞膜的重要組分,具有較高的生物學種屬特性及結構多樣性的磷脂脂肪酸(PLFA)是磷脂的主要成分[16],因此可用PLFA生物標記法來進行土壤微生物群落結構特征的分析研究[17]。

磷是植物生長發育不可或缺的大量元素之一,植物主要從土壤磷庫中獲得磷素[18]。通常,植物對土壤磷素的利用率普遍較低[19- 20],在土壤干旱時情況尤為嚴重[21],這會影響植物的光合作用、呼吸作用及生物合成等生理活動,進而影響植物的生長發育,這勢必會影響植物的根際環境[22- 23]。施磷可改變受旱植物根系生長、養分吸收等生命活動,從而提高植物對干旱環境的適應能力[24- 25]。然而,卻很少有從根際微環境角度進行磷素提高植物抗旱性機制的探究。

箭竹(Fargesia)不僅是國寶大熊貓的主食竹,也是亞高山森林生態系統下層最重要的優勢種群[26],在亞高山森林生態系統的水土保持、水源涵養、群落更新等生態功能方面發揮著重要的作用[27]。箭竹作為淺根系的植物,對水分需求較高,極易受干旱脅迫的影響。在干旱脅迫下,箭竹會出現出筍少或不出筍以及竹葉脫落甚至提早開花死亡的現象;加之,干旱與箭竹極快的生長速率會導致土壤中有效磷匱缺,這將抑制箭竹的后續繁殖更新甚至會引起箭竹的開花死亡,進而對到大熊貓的生存造成威脅[28- 29]。據預測,未來不斷加劇的全球氣候變化將導致箭竹的分布區域減少[30- 31]。然而,有關箭竹根際土壤養分及根際微生物群落對干旱響應及磷素調控研究卻鮮見報道。

那么,干旱脅迫對箭竹根際土壤的養分和微生物群落有何影響？施磷又是如何改變受旱箭竹根際土壤養分及微生物群落來改善受旱箭竹的生長？針對上述問題,本研究從箭竹根際土壤養分及微生物群落角度出發,探究箭竹對干旱的生態適應性及磷素調控機理,可為未來氣候變化下大熊貓棲息地內箭竹林可持續經營與保護提供理論依據與技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗設置于中國科學院成都生物所茂縣生態站(103°53′ E,31°40′ N),該站位于青藏高原東部邊緣與四川盆地的過渡地帶,海拔1820 m,年平均溫度8.6 ℃,年平均降水919.5 mm,年平均蒸發量1322 mm,年平均日照1139.8 h,年無霜期200 d,全年干燥度1.64—1.74。

1.2 實驗材料與實驗設計

本試驗選取缺苞箭竹(FargesiadenudataYi)及其根際土壤為研究材料。選取種子繁殖、生長健壯及長勢相對一致的缺苞箭竹標準株(母株年齡2 a,3—4 g隆分株/標準株),移栽于體積約50 L、內裝70 kg土(取自試驗點附近海拔1800 m次生林下、過篩混勻)的塑料花盆中,每盆栽植1個標準株。然后,將移栽好的植株放置于中國科學院茂縣山地生態系統定位研究站上半受控(只遮雨水)的遮陽棚內進行日常管理。管理條件為：晝/夜溫度為13—33 ℃/8—15 ℃,空氣相對濕度40%—85%。

實驗共設置4個處理,分別是：正常澆水處理,80%—85%土壤相對含水量(Well-watered,-P);干旱脅迫處理,30%—35%土壤相對含水量(Water-stressed,-P);正常澆水+施磷處理(Well-watered,+P);干旱脅迫+施磷處理(Water-stressed,+P),每個處理3個重復,每個重復6盆。處理45 d,每隔15 d施磷1次,共施用3次,每盆共施過磷酸鈣(P2O5含量為16%)18 g,施用量根據竹林土壤有效磷最大流失濃度確定。第一次施磷結束后,開始利用稱重法進行干旱脅迫處理,每3 d澆1次水,補充因蒸散而損失的水分,使每個處理的土壤含水量維持在設定的水平。

實驗處理結束后,植物樣品分為地上部分與地下部分,將樣品分裝于牛皮袋中,帶回實驗室,用于箭竹生物量的測定。土壤樣品采用“抖根法”收集根際土,將采集的根際土分為兩份,一份置于-80℃超低溫冰箱,用于土壤微生物磷脂脂肪酸(PLFA)的測定;一份風干研磨后,用于土壤理化性質的測定。

1.3 研究方法

土壤養分及箭竹生物量的測定：土壤總碳含量使用元素分析儀分析(Elementar vario MACRO),土壤有機碳、可溶性碳和可溶性有機氮利用TOC分析儀分析(Multi-N/C 2100),土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸浸提法測定[32],有效磷采用碳酸氫鈉-鉬銻抗比色法測定[33],植物生物量采用稱重法進行測定。

土壤微生物PLFAs采用修正的Al-Karaki GN法[34]測定,采用末端分枝且飽和的PLFAs(i14:0、i15:0、a15:0、i16:0、i17:0與a17:0)表征革蘭氏陽性細菌(G+bacteria);采用單一不飽和以及環丙基飽和的PLFAs(16:1ω7c、18:1ω7c、cy17:0與cy19:0)表征革蘭氏陰性細菌(G-bacteria);采用18:2ω6, 9c和18:1ω,9c表征真菌(fungi);采用含甲基的、中鏈分枝且飽和的PLFAs(10Me17:0與10Me18:0)表征放線菌(actinobacteria);其余的PLFAs包括14:0、16:0、17:0和18:0也用于土壤微生物群落組成的分析。總PLFAs含量用于表示土樣總微生物量;總細菌PLFAs含量為革蘭氏陽性細菌與革蘭氏陰性細菌的PLFAs含量之和[35- 36]。

1.4 數據分析

利用微生物PLFAs數據,計算Shannon-Wiener多樣性指數(H)[37]、Pielou均勻度指數(J)[38]、Margalf豐度指數(M)[39]和Simpson優勢度指數(λ)[40]。

式中,Pi=ni/N,N為PLFAs總含量,ni為每種PLFAs含量,S為PLFAs種類數。

采用單因素方差分析(One-way ANOVA)檢驗不同處理間植株生物量、根際土壤養分及根際土壤微生物群落結構與多樣性的差異顯著性(LSD法,P<0.05);采用基于歐式距離的主成分分析法(PCA)及Bray-Curtis距離的置換多因素方差分析(Adonis)對不同處理間根際土壤微生物群落結構變異進行分析及顯著性檢驗;采用Person法分析根際土壤微生物群落結構與根際土壤養分和植株生物量的相關性。所有數據均為平均值±標準誤。所有數據處理均采用Excel 2016軟件、SPSS 24軟件以及R 2.5.6。圖形繪制采用Origin 9.0軟件和R 2.5.6中的ggplot2包。

2 結果與分析

2.1 施磷對干旱脅迫下箭竹根際土壤養分及箭竹生物量的影響

如表1所示,無論施磷與否,干旱脅迫均顯著低了箭竹根際土壤中微生物量碳、可溶性有機氮、有效磷的含量及箭竹地上、地下生物量(P<0.05),依次分別降低了30.62%、28.00%、43.48%、27.37%和14.98%,但對箭竹根際土壤中總碳、有機碳和可溶性有機碳的含量無顯著影響。無論干旱與否,施磷均能顯著增加箭竹根際土壤中微生物量碳、有效磷的含量以及箭竹地上生物量、地下生物量,其中箭竹根際土壤中有效磷的含量增加最明顯(P<0.05),比正常水分和干旱脅迫下的未施磷處理組分別增加了97.49%和316.14%,但對箭竹根際土壤中總碳、有機碳、可溶性有機碳和可溶性有機氮的含量均無顯著影響。

表1 施磷對干旱脅迫下箭竹根際土壤養分及箭竹生物量的影響

2.2 施磷對干旱脅迫下箭竹根際土壤微生物群落結構的影響

如圖1所示,無論施磷與否,干旱脅迫顯著降低了箭竹根際土壤中總PLFA、真菌PLFA、細菌PLFA、革蘭氏陽性菌PLFA的含量(P<0.05);然而,干旱脅迫只顯著降低了施磷處理下箭竹根際土壤放線菌PLFA含量,對未施磷處理下的無顯著影響;相反地,干旱脅迫只顯著降低了未施磷處理下箭竹革蘭氏陰性菌PLFA含量(P<0.05),對施磷處理下的無顯著影響。施磷雖對正常水分處理下箭竹根際土壤微生物各類群的PLFA含量無顯著影響,但顯著增加了受旱箭竹根際土壤中總PLFA和真菌PLFA的含量(P<0.05),且一定程度地增加了受旱箭竹根際土壤中細菌、革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌和放線菌的PLFA含量,但均增加的不顯著;無論干旱與否,施磷輕微增加了箭竹根際土壤中革蘭氏陽性菌/革蘭氏陰性菌和真菌/細菌的PLFA比值,比未施磷處理的分別增加了8.55%和18.87%。

圖1 施磷對干旱脅迫下箭竹根際土壤微生物群落結構的影響Fig.1 The effect of phosphorus application on soil microbial community structure in rhizosphere of Fargesia under drought stress不同小寫字母代表同一采樣期不同處理間差異顯著(P<0.05)

2.3 施磷對干旱脅迫下箭竹根際土壤微生物群落多樣性的影響

表2對表征土壤微生物多樣性的Shannon-Wiener指數(Shannon-Wiener index)、均勻度指數( index)、豐富度指數(Margalef index)及Simpson優勢度指數(Simpson index)進行分析表明,無論施磷與否,干旱脅迫對箭竹根際土壤微生物的Shannon-Wiener指數、Pielou指數、Margalef指數及Simpson優勢度指數均無顯著影響;施磷只顯著增加了正常水分下箭竹根際土壤微生物豐富度指數,而對干旱脅迫下箭竹根際土壤的這些微生物多樣性指數均無顯著影響。

表2 施磷對干旱脅迫下箭竹根際土壤微生物群落多樣性的影響

2.4 施磷對干旱脅迫下箭竹根際土壤微生物群落結構的影響

由圖2可知,就不同處理間箭竹根際土壤微生物群落結構變異而言,第一主成分(PC1)解釋了變異的76.78%,第二主成分(PC2)解釋了變異的11.98%,PC1和PC2共同解釋了總變異的88.76%,這可以全面反映不同處理下箭竹根際土壤微生物群落結構特征。PC1基本上能把正常水分處理和干旱處理區分開,而PC2不能把未施磷處理和施磷處理的區分開。進一步通過基于Bray-Curtis距離的置換多因素方差分析(Adonis)表明,無論施磷與否,干旱使箭竹根際土壤微生物群落結構發生了較為顯著的改變(F=12.836,R2=0.562,P=0.004);而無論干旱與否,施磷雖使箭竹根際土壤微生物群落結構發生改變,但變化不明顯(F=3.138,R2=0.239,P=0.098)。由此可見,干旱和施磷對箭竹根際土壤微生物群落結構均有不同程度的影響,但干旱脅迫的影響較為顯著。

2.5 箭竹根際土壤微生物群落結構與箭竹根際土壤養分和箭竹生物量的相關性分析

由表3可知,在箭竹根際土壤中,總碳(TC)與革蘭氏陽性菌(G+)和細菌(B)的PLFA含量呈顯著正相關,可溶性有機碳(DOC)與革蘭氏陽性菌/革蘭氏陰性菌(G+/G-)比值呈顯著正相關。此外,箭竹地上生物量(AB)、箭竹根際土壤微生物量碳(MBC)和可溶性有機氮(DOC)均與箭竹根際土壤總PLFA(TP)、革蘭氏陽性菌(G+)PLFA、革蘭氏陰性菌(G-)PLFA、真菌(F)PLFA、細菌(B)PLFA和放線菌(A)PLFA的含量以及真菌/細菌(F/B)和G+/G-呈顯著正相關。除箭竹根際土壤革蘭氏陰性菌(G-)PLFA含量以外,箭竹地下生物量與箭竹根際土壤中其它幾種微生物PLFA的含量均呈顯著正相關。

表3 箭竹根際土壤微生物群落結構與箭竹根際土壤養分和箭竹生物量的相關性分析

3 討論

3.1 施磷對干旱脅迫下箭竹根際土壤養分及箭竹生物量的影響

圖2 施磷對干旱脅迫下箭竹根際土壤微生物群落結構影響的主成分分析Fig.2 Principal component analysis of the effect of phosphorus application on soil microbial community structure in rhizosphere of Fargesia under drought stress

根際土壤養分的轉化、遷移及作物對養分的吸收等過程,均會受到根際環境條件的影響[41]。其中,土壤碳氮循環是植物和土壤系統之間傳遞土壤養分最關鍵的過程,它也毫不例外地會受干旱影響[42- 43]。可溶性有機碳、微生物量碳、可溶性有機氮等土壤活性養分因直接參與土壤生物化學轉化過程,而極易受土壤水分等因子的影響,因此常作為土壤碳庫和氮庫對氣候響應的敏感性與真實性評價指標[44- 45]。此外,干旱脅迫會顯著降低土壤磷素的有效性[46]。土壤有效磷是植物吸收磷素的直接形態,是表征土壤磷素供磷能力的重要指標[47]。目前,關于根際土壤養分對干旱的響應已在小麥、紫花苜蓿、核桃、黑麥草和刺槐等植物上進行了研究,但結果不盡相同,表現為同一土壤養分指標在不同植物的根際研究中呈增高、降低或沒有影響[48- 51]。在本研究中,干旱脅迫顯著降低了箭竹根際土壤中微生物量碳、可溶性有機氮及有效磷的含量;同時,也降低了箭竹的生物量。干旱脅迫對植物根際養分影響的研究結果存在一定差異,這可能與受試植物種類或干旱脅迫的時間和強度的不同有關[8]。一些研究表明,施磷不僅能增加植物根際土壤中有機碳含量,也能有效緩減土壤有效磷的缺乏,從而改善植物的生長[52- 54]。本研究表明,無論干旱與否,施磷雖對箭竹根際土壤中總碳、有機碳、可溶性有機碳和可溶性有機氮的含量無顯著影響,但均能顯著增加箭竹根際土壤中微生物量碳和有效磷的含量,這不僅有利于促進正常條件下箭竹的生長,也有利于改善干旱脅迫下箭竹的生長(表1)。

3.2 施磷對干旱脅迫下箭竹根際土壤微生物群落的影響

根際土壤微生物是土壤生態系統中最活躍的分解者,它在土壤養分循環中扮演著重要角色,對土壤環境變化十分敏感[55- 56]。當土壤發生干旱時,根際土壤微生物群落結構、生物量和活性等也會發生改變,這將直接改變根際微環境中物質的轉化和流通[57]。本研究發現,干旱脅迫雖對箭竹根際土壤微生物群落多樣性無顯著影響,但顯著降低了箭竹根際土壤總PLFA及真菌、細菌、革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌的PLFA的含量及革蘭氏陽性菌/革蘭氏陰性菌的PLFA比值,表明干旱脅迫顯著降低了箭竹根際土壤微生物的生物量,明顯改變了箭竹根際土壤微生物群落結構,且主成分與置換多因素方差的分析也進一步證實了干旱脅迫對箭竹根際土壤微生物群落結構影響顯著,這可能是因為：(1)干旱脅迫引起了根際土壤微生物發生滲透脅迫,進而導致微生物的細胞裂解或死亡[58],(2)干旱脅迫降低了植物的光合作用,使得可被微生物利用的碳源發生改變[59-60],這與在白羊草上的研究結果相似[61]。此外,我們進一步相關性分析表明,箭竹根際土壤中真菌、細菌、革蘭氏菌、放線菌的PLFA含量、總PLFA含量以及革蘭氏陽性菌/革蘭氏陰性菌和真菌/細菌的PLFA比值與箭竹地上生物量、箭竹根際土壤微生物量碳和可溶性有機氮的含量均呈顯著正相關,這可能因為：(1)植株生長茂盛,向地下部分輸送的有機物較多,使根際土壤微生物活動和數量增加[62];(2)微生物量碳是微生物體元素之一,微生物數量越大,微生物量碳就越大;(3)可溶性有機氮作為微生物較容易利用的溶解性有機質,促進微生物的生長,影響著微生物群落結構[63]。

施磷不僅影響著土壤微生物群落的生物量及結構,也可提高土壤微生物對環境脅迫的耐受力[64- 65]。本研究發現,無論干旱與否,施磷雖對箭竹根際土壤微生物群落多樣性大體上無顯著影響,但顯著增加了受旱箭竹根際土壤中總PLFA和真菌PLFA的含量,且在一定程度上也增加了受旱箭竹根際土壤中細菌、革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌和放線菌的PLFA含量,這與施磷增加了受旱箭竹根際土壤微生物量碳的含量密切相關(表1),相關性分析也證實箭竹根際土壤中這些微生物的PLFA含量與箭竹根際土壤微生物量碳的含量變化呈顯著正相關;然而,箭竹根際土壤微生物的這些指標與箭竹根際土壤有效磷的含量無顯著相關性,這可能是施磷通過調節土壤碳循環和化學性質,間接影響土壤微生物的原因,且也有研究表明土壤微生物對有機磷的礦化作用是基于對碳源的需求而非磷素本身[66- 67]。一些研究表明,與革蘭氏陰性菌相比,革蘭氏陽性菌更具有競爭力,也更能適應干旱脅迫[68];也有研究發現干旱脅迫下,細菌穩定性差,而真菌可塑性強,更能適應水分波動[69-70]。本研究發現,施磷使兩種水分條件下箭竹根際土壤革蘭氏陽性菌/革蘭氏陰性菌及真菌/細菌的PLFA比值均有所增加,這有利于箭竹對干旱的適應。由此可見,施磷可在一定程度上緩解干旱對箭竹根際土壤微生物群落的不利影響,但相對于干旱脅迫,施磷對箭竹根際土壤微微生物群落結構的影響較小,且主成分分析也能證實。

4 結論

(1)干旱脅迫顯著降低了箭竹根際土壤中微生物量碳、可溶性有機氮和有效磷的含量,雖對箭竹根際土壤中微生物多樣性無顯著影響,但顯著降低了微生物的生物量,顯著改變了微生物群落的結構,且顯著降低了箭竹的生物量。

(2)施磷顯著增加了受旱箭竹根際土壤中微生物量碳和有效磷的含量,雖大體上對受旱箭竹根際土壤微生物群落多樣性無顯著影響,但可在一定程度上改善微生物的生物量及群落結構,并改善受旱箭竹的生長。

(3)干旱對箭竹根際土壤微生物群落結構的影響顯著,而施磷對其影響相對較小。

(4)箭竹根際土壤微生物群落結構與箭竹生物量及箭竹根際土壤中微生物量碳和可溶性有機氮密切相關。