蚯蚓堆肥與生物炭對瓜草復合系統土壤及植株的影響

王 帥,徐廣亞,楊海波,朱紅艷,尹 翠,曹云娥

(寧夏大學 葡萄酒與園藝學院,銀川 750021)

目前中國西瓜的設施栽培面積達 8.87 × 104hm2,占西瓜總種植面積的71.18%。然而,設施農業高復種指數、低異質性生境卻引發了土壤微生物群落失衡,以及蔓枯病[1]、枯萎病[2]、根結線蟲[3]爆發等一系列問題。針對上述問題,前期研究一改先前 “清耕”為主的生產管理模式,基于保護性耕作原則提出了一系列的“主栽作物”—“覆蓋作物”生境系統[4-6],在保證農田生物多樣性的同時,也最大程度降低了耕層土壤擾動。此外,由于覆蓋作物根系生長擴大了耕層土壤孔隙度,這不但利于主栽作物的根系在更大的生物孔道中向深層土壤繼續生長[7],也顯著提高了土壤酶活性[8],增加了土壤微生物生物量[9]。盡管覆蓋作物有上述諸多優點,但覆蓋作物播種期[10]、刈割方式[11]、空間配置[12]一旦設置不當,依然可能導致經濟作物與覆蓋作物之間出現爭搶水分、養分的消極生態效益[13]。

為盡量避免上述局面的產生,相關研究從覆蓋作物不同組成、不同利用方式等角度展開了調查,如王明亮等[14]發現實施黑麥草、白三葉、早熟禾與紅三葉4種覆蓋作物的混播模式對茶樹耕層土壤的改良效果最佳;若將其刈割的有機廢棄物還田腐解,還可有效釋放養分歸還至土壤中,直接提高土壤養分含量,調節土壤酸堿度,并加速土壤有機質的形成[15-16]。姜黎等[17]研究認為,杏園間作牧草紫花苜蓿雖然使杏樹與苜蓿根系會發生較小資源的競爭,但有利于改善林下土壤的理化性質和養分狀況,能夠有效促進果樹的生長發育。研究發現,混配適量礱糠灰可有效改善栽培基質理化特性,顯著促進甜瓜植株生長,提高葉片光合作用能力,改善果實品質,并以礱糠灰與市售成品栽培基質體積比為2∶4的混配基質配方最為適宜,可替代傳統基質用于甜瓜栽培[18]。

蚯蚓堆肥是指將蚯蚓引入到有機廢棄物堆肥處理過程中,利用蚯蚓自身豐富的酶系統(蛋白酶、脂肪酶、纖維酶、淀粉酶等)將有機廢棄物迅速徹底分解,轉化成易于利用的營養物質,從而加速堆肥腐熟過程。由于蚯蚓堆肥是一個長期嗜常溫的進程,該進程富集了大量的有益微生物,如放線菌、固氮菌、原生動物、細菌與藻類等[19]。上述微生物不但能促進蚯蚓堆肥對養分的礦化,而且在園藝或田間使用后還可以保持基質和土壤較高的生物質量[20-21];相比蚯蚓堆肥,生物炭憑借其自身具有巨大比表面積和豐富毛細孔隙的屬性,從而成為土壤中眾多微生物的棲息地,如Bamminger等[22]發現在農田土壤中施加2%的生物炭,土壤中真菌和細菌的比例均隨之提高。然而,目前鮮有研究報道覆蓋作物、蚯蚓堆肥與生物炭之間的相互作用關系。

因此,不同于前期果草生境系統研究僅關注養分調控,為了更進一步明確覆蓋作物—基質—主栽作物根系界面的微生物活性及驅動機制,本研究選取適應性廣、產量高、競爭力強、持久性好的白三葉草(Trifoliumrepens)作為覆蓋作物,生物炭結合蚯蚓堆肥作為栽培基質,根敏感型代表作物西瓜作為主栽作物,并在此基礎上引入蚯蚓堆肥與生物炭,嘗試全面比較不同基質條件下復合生境系統中土壤養分、土壤菌群、植株養分與果實代謝物的變化特征,以期為更廣泛地推廣此西瓜—白三葉草復合系統提供多角度、成體系的參考依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

試驗地位于寧夏賀蘭縣園藝產業園(38°18′N, 106°15′E),該園區屬于國家級農業示范園區,園區的年降雨量為180～200 mm,其80%的降雨量集中在6-8月,年平均氣溫9.7 ℃,無霜期160～170 d,屬中溫帶干旱氣候區,具有典型的大陸性氣候特點。設施為寧夏日光溫室,長80 m,跨度8m,脊高4.4 m,后墻高度4.7 m,室內配有自動化灌溉設備,實現了水肥一體化的灌溉要求。

1.2 試驗材料

供試西瓜品種為‘惠玲’(Citrulluslanatuscv. ‘Huilin’),覆蓋作物是白花三葉草(Trifoliumrepens)。試驗用土壤為砂壤土(全氮0.4 g/kg,全磷8.01 g/kg,速效氮17.13 mg/kg,速效磷347.88 mg/kg,速效鉀143.44 mg/kg,有機質50.30 g/kg,pH值為7.60,EC值為0.55 mS/cm);供試蚯蚓由寧夏萬輝生態環保科技有限公司提供,品種為‘大平2號’。蚯蚓堆肥由試驗開始前投放的蚯蚓消解半腐熟的牛糞產生,其基本理化性質為:容重0.67 g/cm3,總孔隙度47.63%,pH 7.89,EC值為1.83 mS/cm,全氮7.27 g/kg,速效氮160.44 mg/kg,速效磷579.67 mg/kg,速效鉀2.73 g/kg; 供試生物炭(主要成分為椰殼,有效碳成分為95%)購買于河南泰源環?？萍加邢薰?。

1.3 試驗設計

試驗共設8個處理:CK,空白對照(西瓜植株);B,生物炭;W,覆蓋三葉草;V,蚯蚓堆肥;WV,覆蓋三葉草+蚯蚓堆肥;WB,覆蓋三葉草+生物炭;BV,生物炭+蚯蚓堆肥;WBV,覆蓋三葉草+生物炭+蚯蚓堆肥。其中,蚯蚓堆肥和生物炭用量均為6 546.64 kg/hm2。各處理在田間隨機排列,每個處理為1個小區,3次重復,每個小區長4.7 m,寬3.9 m,面積為18.33 m2,小區間有保護行隔開。每個小區種植2壟,每壟定植2行西瓜幼苗,株距為30 cm。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 土壤理化性質

土壤容重采用環刀法測定;有機質含量采用重鉻酸鉀—硫酸氧化法測定;全氮含量采用H2SO4—H2O2消化—半微量凱氏定氮法測定;全磷含量采用H2SO4—H2O2消化—鉬銻抗比色法測定;速效氮含量采用凱氏定氮法測定;速效磷含量采用鉬銻抗比色法測定;速效鉀含量采用H2SO4—H2O2消化—火焰光度法測定。具體參考《土壤農化分析》[23]中方法。

1.4.2 土壤微生物DNA提取和16S RNA基因高通量測序

根據soil DNA kit (MoBio Laboratories Inc., CA, USA)說明書的要求對微生物群落總 DNA進行抽提,其DNA濃度與純度利用Nano Drop 2000進行檢測;符合要求后采用Agen court AM Pure XP核酸純化試劑盒純化。本研究采用338F(5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′)和806R(5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)引物對土壤菌群DNA的16SrRNA V3-V4區段進行PCR擴增。對應處理的DNA樣品運用Illumina Mi Seq平臺進行測序。在97%的序列相似度水平上,將質量過濾后的序列進行操作單元(operational taxonomic unit, OTUs)的分類。再用QIIME稀釋分析后,進而獲得相關豐度數據。

通過 Alpha多樣性來分析不同土壤樣品的菌群多樣性和相對豐度,并運用Ace、Chao1、Shannon、Simpson指數以及Coverage來進行評估。其中Ace、Chao1指數評估菌群豐度,Shannon、Simpson指數評估菌群多樣性。Coverage指數是測序深度指標,表示每個樣本文庫的覆蓋率。各指數具體計算方法如下。

Coverage 指數計算公式:

(1)

式中:C表示Coverage指數值;n1表示只含有1條序列的OTU數目;N表示抽樣中出現的總序列數目。

Chao 1指數計算公式:

(2)

式中:Schao1表示Chao 1指數值;Sobs表示實際觀測到的OTU數目;n1表示只含有1條序列的OTU數目;n2表示只含有2條序列的OTU數目。

根據公式(3)～(7) 計算Ace指數:

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中:SAce表示Ace指數值;ni表示含有i條序列的OTU數目;Srare表示含有或少于M條序列的OTU數目;SM表示多于M條序列的OTU數目;M(abund)表示優勢OTU的閾值, 默認為10。

根據公式(8) 計算Shannon指數:

(8)

式中:HShannon表示Shannon指數值;Sobs表示實際觀測到的OTU數目;ni表示第i個OTU所包含的序列數;N表示所有的序列數。

根據公式(9) 計算Simpson指數:

(9)

式中:DSimpson表示Simpson指數值。

在真菌β多樣性分析中,采用weighted-unifrac距離算法,通過各物種屬水平的系統進化樹,計算進化樹各物種的系統發育進化關系,并將序列的豐度信息進行加權計算,從而計算樣本間的距離,采用ANOSIM非參數相似性檢驗,以檢驗組間差異是否大于組內差異,并計算R值,計算方式如公式(10)所示:

(10)

1.4.3 西瓜植株養分

在西瓜幼苗定植1個月后(2020年4月17日)開始相關指標測定。于每個處理小區內選取6株代表植株,將待測植株樣品風干后用粉碎機粉碎并過0.25 mm篩,向待測植株樣品中加入H2SO4,靜置,再加入H2O2,在高溫下繼續分解有機物,采用凱氏蒸餾定氮法測定植株全氮,采用釩鉬黃比色法測定植株全磷,采用火焰光度法測定植株全鉀[23]。

1.4.4 果實代謝物組學測定

在西瓜成熟期時,每個處理選取大小一致的9個果實,每3個西瓜果實的果肉混合作為1個生物學重復,每個處理設置3個生物學重復。樣品保存于50 mL離心管中,先用液氮速凍,再妥善貯存于-80 ℃超低溫冰箱中待測。相關代謝組學檢測在河北美吉生物科技有限公司實施。

1.5 數據處理

所有指標數據做3次重復,利用Excel 2019和SPSS 24.0軟件進行數據分析,采用單因素ANOVA和Duncan法進行方差分析和多重比較,在0.05水平進行差異顯著性分析,結果以均值±標準誤表示,利用Origin2018軟件作圖。

土壤微生物使用美吉生物云平臺 (cloud.majorbio.com)完成樣品的Ace、Chao1、Shannon、Simpson指數以及Coverage分析。代謝組學分析中先后運用軟件VennDiagram (R packages,Version1.6.20)繪制文氏圖,軟件scipy (Python,Version1.0.0)繪制熱圖、富集KEGG通路(P<0.05),軟件ropls(R packages,Version1.6.2)作VIP分析。

2 結果與分析

2.1 西瓜—白三葉草復合系統中土壤理化特征

由表1可知,各引入白三葉草、生物炭與蚯蚓堆肥處理土壤的容重均比空白對照(CK)不同程度降低,但各引入處理間均無顯著差異。其中,蚯蚓堆肥處理(V)、生物炭+蚯蚓堆肥處理(BV)和覆蓋白三葉草+蚯蚓堆肥處理(WV)土壤的容重與對照無顯著差異,而生物炭處理(B)、覆蓋白三葉草+生物炭+蚯蚓堆肥處理(WBV)、覆蓋白三葉草+生物炭處理(WB)和覆蓋白三葉草處理(W)相比CK顯著降低14.77%(B)～19.46%(W)。

表1 不同處理間土壤理化性質的比較

與此同時,各引入處理土壤的有機質含量均比CK不同程度提高,增幅在5%(W)～88.96%(WBV)之間,其中的B、BV和WBV處理增幅均達到顯著水平。各引入處理土壤的全氮含量也均比CK顯著提升30.43%～71.74%,其中的V處理顯著低于其余引入處理,而其余處理間無顯著差異;與全氮含量變化特征不同,土壤速效氮含量在各處理及CK間差異均不顯著。此外,土壤全磷和有效磷含量在各引入處理下均比CK不同程度提高,但B、W、V處理均與CK無顯著差異,而WV、BV、WB處理土壤全磷含量比CK分別顯著提高27.01%、39.74%和33.13%,速效磷含量分別顯著提高了15.72%、10.62%和12.19%,尤其是WBV處理的速效磷含量最高,比CK顯著提高23.88%。另外,各引入處理土壤速效鉀含量均比CK大幅度顯著提升,增幅在25.03%(W)～102.22%(BV)之間?？梢?各引入白三葉草、生物炭與蚯蚓堆肥處理土壤容重不同程度降低,土壤有機質含量顯著增加,氮、磷、鉀全效養分與速效養分也均有提高,說明引入處理可明顯改善土壤環境,提升土壤養分水平,尤其以WBV處理表現更為突出。

2.2 西瓜—白三葉草復合系統中土壤微生物多樣性和物種組成特征

2.2.1 群落多樣性

引入白三葉草、生物炭與蚯蚓堆肥的復合系統土壤細菌、真菌的群落多樣性指數除Coverage外均發生了明顯改變(表2)。

表2 不同處理土壤微生物α多樣性指數

其中,在細菌多樣性方面,與CK相比較,Shannon指數在B、V、BV和WB處理下不同程度提高,在W處理下無變化,在其余處理下降低,但僅WBV處理降幅顯著;Simpson指數在WV、WBV處理下不同程度提高,在B處理下無變化,在其余處理下降低,僅WBV處理增幅顯著;Ace指數和Chao 1在B和BV處理下不同程度提高,在其余處理下均降低,但各處理變幅均未達到顯著水平;進一步分析發現,涉及三葉草的復合系統處理(WB、WV、WBV)在細菌多樣性方面均低于生物炭+蚯蚓堆肥處理(BV)。

而在真菌多樣性方面,與CK相比較,Shannon指數在B、V和WV處理下均不同程度提高,在其余處理下均降低,但僅V處理變化顯著;Simpson指數在W、WB、BV、WBV處理均不同程度提高,在B和WV處理下無變化,在V處理下降低,但僅WB處理變幅顯著;Ace和Chao 1指數在B和W處理下不同程度降低,在其余處理下均升高,但僅V處理變幅顯著,并均達到最高值;與BV、WB與WBV處理相比,WV處理的真菌Shannon指數、Chao 1指數相對較高,而BV處理的真菌多樣性維持在相對較低水平。

2.2.2 群落組成

本研究在不同復合系統土壤細菌群落中共檢測到8個相對豐富度較高的門類,分別為放線菌門(Actinobacteria)、變形菌門(Proteobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)、厚壁菌門(Firmicutes)、酸桿菌門(Acidobacteriota)、擬桿菌門(Bacteroidota)、芽單胞菌門(Gemmatimonadota)和髕骨菌門(Patescibacteria),而放線菌門、變形菌門、綠彎菌門、厚壁菌門、酸桿菌門這5個菌門的總豐度在各處理中都占到 80%以上(圖1,Ⅰ)。其中,WBV處理的放線菌門、變形菌門與厚壁菌門相對豐度依次為25.86%、32.59%和12.41%,比CK依次增長了6.04、10.54和2.65個百分點,而其綠彎菌門、酸桿菌門和芽單胞菌門的相對豐度依次為10.90%、4.73%和3.27%,比CK依次降低9.35、4.44和2.48個百分點。

圖1 不同處理土壤細菌(Ⅰ)和真菌(Ⅱ)門水平上的相對豐度

相較于其他處理,WBV處理放線菌門相對豐度高出相對豐度最低V處理(18.66%)7.20個百分點,變形菌門相對豐度相比豐度最低的BV處理(20.34%)增長了12.25個百分點,且綠彎菌門和芽單胞菌門相對豐度最低。

同時,圖1,Ⅱ顯示,本研究在不同復合系統內土壤真菌群落中共檢測到5個相對豐富度較高的門類,分別為子囊菌門(Ascomycota)、被孢霉菌門(Mortierellomycota)、未分類的真菌(unclassified-k-Fungi)、羅茲菌門(Rozellomycota)、擔子菌門(Basidiomycota),并以子囊菌門為土壤真菌優勢菌門,各處理的相對豐度達到78.92%～90.93%;WBV處理中被孢霉門真菌相對豐度(8.59%)比CK增長5.99個百分點,而其擔子菌門真菌的相對豐度在所有處理中最低(0.54%),比CK降低1.21個百分點;除CK外,相較于其他處理,WBV處理子囊菌門真菌相對豐度(82.79%)僅高于V處理(78.92%),被孢霉門真菌相對豐度僅高于WV處理(9.44%)。

2.3 不同復合系統西瓜植株氮、磷、鉀養分含量特征

首先,各個引入處理西瓜植株根、莖、葉的全氮含量相比于空白對照(CK)均得到顯著提升(圖2,Ⅰ),其中WBV處理均表現較好,其根、莖、葉部全氮含量比相應CK分別顯著提升了156.28%、175.45%和107.05%;其他引入處理根、莖、葉部全氮含量比CK增幅分別為22.94%(W)～180.96%(V)、29.08%(B)～168.17%(WB)和21.41%(WB)～87.11%(BV)。

器官內不同小寫字母表示處理間在0.05水平存在顯著性差異。

其次,各引入處理西瓜植株根、莖、葉的全磷含量也比CK有不同程度提升(圖2,Ⅱ)。其中, 西瓜根的全磷含量在B、W、V處理下均與CK無顯著差異,而在WV、BV、WB和WBV處理下較CK顯著增加10.96%(BV)～55.55%(WBV);除B和W處理外,其他處理莖的全磷含量均比CK有顯著性增加,增幅在5.23%(V)～53.18%(WBV)之間;各引入處理的葉全磷含量比CK增加2.73%(B)～19.14%(WBV),其中的BV、WB和WBV處理增幅達到顯著水平。

此外,各引入處理西瓜植株根、莖、葉的全鉀含量同樣比CK有不同程度提升(圖2,Ⅲ)。其中,根的全鉀含量在WBV處理下比CK顯著提升21.92%,而在其他處理下均與CK無顯著差異;所有引入處理莖和葉的全鉀含量均比CK大幅顯著增加,莖鉀含量增幅為16.84%(WV)～47.37%(B),葉鉀含量增幅為80.56%(B)～130.56%(WB)。

因此,相較于空白對照(CK),添加生物炭、覆蓋三葉草、蚯蚓堆肥處理及各復合處理均可以促進西瓜植株對氮、磷、鉀養分的吸收,植株氮、磷、鉀含量均有顯著提升,并多以WBV處理表現較突出。

2.4 不同西瓜—白三葉草復合系統PLS-DA分析和果肉差異代謝物分析

圖中不同的顏色代表不同的對比組的差異代謝物,重疊部分表示多個代謝集中共有的代謝物數目,沒有重疊的部分表示該代謝集所特有的代謝物數目,數字表示對應的代謝物數目。

表3 PLS-DA分析模型參數

其中,WBV處理中獨有19種代謝物,分別為1-亞油酸甘油磷酸膽堿、紫菀氯化環戊肽I、4,5-二甲基惡唑、2-氨基-4-({1-(羧甲基)-C-羥基碳酰亞氨基-2-{2,4-二羥基-5-(2E)-3-(4-羥基苯基)丙烯酰基-3,6-二氧雜環己-1,4-二烯-1-基硫基}乙基}-C-羥基碳酰亞氨基)丁酸、阿托諾C、3,4,5-三羥基-6-{8-羥基-2-氧代-2H-呋喃并2,3-h香豆素-4-基氧基}氧雜環戊二酸、9(S)-羥基十二烯酸內酯、尿苷、2,4,6-三羥基-2-[羥基(4-羥基苯基)甲基]-2,3-二氫-1-苯并呋喃-3-酮、D-氨基葡萄糖苷、11,13-二氫蒲公英酸葡萄糖基酯、二代鄰甲基西蒙德辛、5-十四烯酸、{4-(5-{3-2,4-二羥基-5-(3-甲基丁-2-烯-1-基)苯基-2-羥基-3-酮基丙基}-2-羥基苯基)-2-甲基丁-2-烯-1-基氧}磺酸、3,4,5-三羥基-6-{8-甲氧基-6-(3-甲基丁-2-烯-1-基)-2-氧代-2H-香豆素-7-基氧基}氧雜環戊二酸、1-油酰基溶血磷脂(0∶0/20∶2(11Z,14Z))、2-氨基-4-({1-(羧甲基)-C-羥基碳酰亞氨基-2-{2-羥基-2-甲氧基-1-(7-甲基-2-氧代-2H-香豆素-6-基)乙基硫基}乙基}-C-羥基碳酰亞氨基)丁酸、利巴林和甘草苷A。

為比較差異代謝物在樣本中的貢獻及其重要程度,本研究通過VIP分析(圖4)發現,相比空白對照(CK),WBV處理中生物素、蘇氨酰半胱氨酸、(R)-S-乳酰谷胱甘肽酸鹽離子(1-)、3,4,5-三羥基-6-(2-甲基-3-苯基丙氧基)氧雜環己-2-羧酸、蜜環菌、月桂酰甘氨酸、N-谷氨酰胺烯丙基半胱氨酸、(3α,5α,22R,23R)-膽甾烷-3,22,23-三醇、二氫辣椒素、辣椒素、辛卡索爾B、銀杏酸、順-3-己烯基乳酸酯、氧化聚乙烯含量呈現顯著下調趨勢,其VIP變化范圍為1.755 4～2.967 1,其中磷酰肌醇酸[18∶1(11Z)/0∶0]、10-(3-丁烯酰基)-5,7-二羥基-8,8-二甲基-4-丙基-2H,6H,7H,8H-吡喃并3,2-g香豆素-2-酮、舒普芬烯丙醇、N-庚酰甘氨酸含量呈現極顯著下調趨勢,其VIP變化范圍為1.755 4～2.653 4;同時,2,4,6-三羥基-2-[羥基(4-羥基苯基)甲基]-2,3-二氫-1-苯并呋喃-3-酮、2-氨基-4-({1-(羧甲基)-C-羥基碳酰亞胺-2-({5,11-二羥基-16,18-二酮-6,8,19-三過氧化五環己十九烷-1(12),2(9),10,13(17)-四烯-4-基}硫基)乙基}-C-羥基碳酰亞胺)丁酸、槲皮素-3-蕓香糖苷、異鼠李素-2″-O-葡萄糖苷、2-氨基-4-({1-(羧甲基)-C-羥基碳氮-2-({2,4-二羥基-5-(2E)-3-(4-羥基苯基)丙-2-烯酰基-3,6-雜環己-1,4-二烯-1-基}硫)乙基}-C-羥基碳氮)丁酸、2-氨基-4-({1-(羧甲基)-C-羥基碳氮-2-{1,3-二羥基-1-(7-甲氧基-2-氧代-2H-苯并吡喃-6-基)-3-甲基丁烷-2-基硫}乙基}-C-羥基碳氮)丁酸、2-氨基-4-({1-(羧甲基)-C-羥基碳氮-2-{2-羥基-2-甲氧基-1-(7-甲基-2-氧代-2H-苯并吡茵-6-基)乙基硫}乙基}-C-羥基碳氮)丁酸、蘆丁酸、半葉花槐苷A、異麥芽苷素2″-O-葡萄糖苷、裂解型磷脂酰膽堿(17∶0)、異魯布霉素-10-龍膽苷含量在WBV處理中顯著高于CK,而半葉花槐苷A 含量在WBV處理中極顯著高于CK,其VIP值為2.5002。

Ⅰ.代謝物聚類樹狀熱圖:分支越近,說明樣本內所有代謝物的表達模式越接近;熱圖每列表示1個樣本,每行表示1個代謝物,顏色表示該代謝物在該組樣本中相對表達量的大小,顏色梯度與數值大小的對應關系見梯度色塊。Ⅱ.代謝物VIP條形圖:條形長度表示該代謝物對兩組差異的貢獻值,默認不小于1,值越大表示該代謝物在兩組間差異越大。條形顏色表示代謝物在兩組樣本中差異顯著性,即-lg(P) 越大,顏色越深。*代表P<0.05,**代表P<0.01,***代表P<0.001。

2.5 不同西瓜—白三葉草復合系統果肉差異代謝物代謝途徑富集分析

為進一步解析復合系統對西瓜果肉差異代謝物影響的分子機制,本研究基于WBV vs CK檢測到的110個差異代謝產物富集并注釋到了36條代謝通路(圖5)。

橫坐標為富集率,縱坐標為KEGG通路名稱。圖中氣泡大小代表該通路中富集到代謝集中代謝物數量的多少,氣泡顏色表示不同富集顯著性P值大小。

其中,顯著差異代謝通路有11條(P<0.05),分別為α-亞麻酸代謝(富集到產生創傷酸)、煙酸與煙酰胺代謝(富集到產生天冬氨酸)、類單萜生物合成、亞麻酸生物合成(富集到產生9-HODE、9-OxoODE等)、生物素代謝與丙氨酸、天冬氨酸與谷氨酸代謝(富集到產生琥珀酸),該富集分析結果與2.4節中差異代謝物存在很好的對應關系。

3 討 論

本研究發現WBV處理的西瓜植株速效氮、速效磷含量到達最高,依次為19.08 mg/kg、427.51 mg/kg,其速效鉀含量僅次于BV處理達到了354.4 mg/kg,該結果與李會科[24]、付學琴等[25]研究結果并不一致。前人的研究結果表明無論是長期生草還是清耕后的土壤速效養分會隨著草生長時間的變化先降低后增加,出現該變化特征的原因在于覆蓋作物與經濟作物的生長都需要消耗、利用土壤養分而造成在一段時間內土壤養分含量連續下降;之后由于草的殘枝落葉及自身根系生成的一些物質進入土壤發生腐解,進而成為土壤的一部分并滿足土壤活物代謝需要,使得土壤中的速效養分含量累積。而本研究中WBV處理之所以會出現速效營養維持在高水平,一方面是因為蚯蚓堆肥中的大量和微量營養含量均高于相同原材料的普通堆肥產物[26],另一方面是因為生物炭孔隙度好、吸附能力強,增加了土壤營養持留時間進而提高了其利用效率[27-28]。在該試驗中,正是由于蚯蚓堆肥與生物炭存在上述相輔相成的作用,才真正緩解了西瓜—白三葉草復合系統對養分競爭、消耗的緊張局面。

基于上述覆蓋作物殘留物的腐解及蚯蚓堆肥、生物炭改善土壤養分的作用,微生物群落的生態位寬度也相應增加[29]。然而在本研究中,Shannon指數、Chao 1指數由大到小依次為BV、WB、WV、WBV處理,WBV處理中微生物菌群豐富度反而下降可能與生物炭、蚯蚓堆肥等(非)生物因子介入復合系統后顯著改變C∶N有關:低比例碳氮的添加對土壤呼吸和微生物量(微生物生物量碳和真菌數量)具有抑制作用,但對硝化活性和氨氧化微生物有顯著的促進作用[30],此觀點仍需要后期試驗加以驗證。此外,本研究結果進一步表明:在土壤菌群門水平上,細菌中放線菌門、變形菌門、綠彎菌門、厚壁菌門和酸桿菌門這5個菌門的總豐度在各處理中都占到 80%以上;真菌則包括子囊菌門、被孢霉菌門、未分類的真菌、羅茲菌門和擔子菌門,其中子囊菌門是土壤真菌優勢菌門,其相對豐度為78.92%～90.93%。肖力婷等[31]通過在蜜橘園覆蓋黑麥草與白三葉草也同樣發現細菌群落中變形菌門、酸桿菌門、綠彎菌門和放線菌門為優勢菌門,其相對豐度依次達到了30.94%～55.06%、19.07%～33.14%、7.54%～13.54%和6.81%～13.41%;真菌群落中子囊菌門、擔子菌門和被孢霉門為土壤優勢菌門,其相對豐度分別為44.94%～87.00%、5.12%～12.99%和0.65%～13.46%。但是,本研究也發現WBV處理的放線菌門、變形菌門和厚壁菌門相對豐度與CK相比依次增長6.04,10.54,2.65個百分點,其中,變形菌門與放線菌門均屬于富營養型類群,放線菌門是微食物網營養和能量流動的重要參與者,變形菌門則憑借參與氫氧化、甲烷氧化、反硝化作用和硫酸鹽還原等生化反應驅動氮、碳、硫等元素循環[32],而厚壁菌門細菌細胞壁厚,結構簡單,可以產生芽孢,它可以抵抗脫水和極端環境,因而能較好地適應惡劣環境[33];在真菌層面WBV處理中被孢霉門相對豐度為8.59%,與CK相比增長5.99個百分點。相關結果表明被孢霉門能促進植株生長,是土壤中的有益微生物,可補充氮素、溶磷,提高植物的抗病性[34-35]。

上述土壤養分與菌群組成的改善不但促使植株體內全氮、全磷含量的顯著提高,而且也影響著其代謝化合物的組成。陳靜等[36]發現放線菌門比例與亞油酸、溶血磷脂酰膽堿含量,綠彎菌門比例與亞油酸含量呈現顯著正相關(P<0.05)。本研究也發現WBV處理中亞麻酸、9-氧代常微醚(9-OxoODE)、溶血磷脂酰膽堿(17∶0)等脂質化合物及其相關代謝通路被反復檢測到,該結果側面證實了西瓜—白三葉草復合系統能保護作物細胞生物膜完整性[37]。不僅如此,本研究還在該復合系統中檢測到了丙氨酸、天冬氨酸與谷氨酸等氨基酸,而西瓜因其生長發育階段水分消耗極大,隨時面對干旱脅迫,復合系統通過積累上述關鍵氨基酸進一步增強了西瓜抗旱性能[38]。此外,楊姍姍等[39]發現L-天冬氨酸、L-谷氨酸、L-丙氨酸與琥珀酸均可顯著促進西瓜嗜酸菌的趨化性,而上述有機酸的陰離子可與無機磷及有機磷競爭土壤的吸附位點而釋放土壤吸附的磷酸根[40],微生物也可能會分泌活化磷的磷酸酶/植酸酶來提高土壤磷的有效性[41],增強作物對磷的吸收。

4 結 論

本研究通過比較不同物料投入條件下西瓜-白三葉草復合系統中土壤理化性質、土壤微生物群落組成變化特征及西瓜果肉代謝物(通路)差異,探討蚯蚓堆肥與生物炭對復合系統養分調控的影響。在該復合系統中,覆蓋白三葉草+生物炭+蚯蚓堆肥處理中的土壤速效氮、速效磷含量顯著高于其他處理,上述土壤營養狀況的改變促使放線菌門、變形菌門、厚壁菌門細菌與被孢霉門真菌相對豐度均有所提高;而上述土壤環境的改善不但促進了西瓜對氮、磷元素的吸收,更改變了西瓜植株體內對脂質、有機酸及氨基酸的代謝水平。這些結果為認知合理配比物料、合理調控復合系統養分提供了新的科學依據。