玉米不同种植年限对土壤磷库及含相关功能基因微生物群落的影响

佟德利, 于 鑫,, 许 璐,, 朱广鹏,, 王慎强, 汪 玉

(1. 沈阳师范大学 生命科学学院, 沈阳 110034;2. 中国科学院南京土壤研究所, 土壤与农业可持续发展国家重点实验室, 南京 210008)

0 引 言

科尔沁沙地是我国北方半干旱农牧交错带的重要组成部分[1],近80%的地区已严重沙漠化[2]。在这个风沙环境恶劣和土壤贫瘠地区,沙漠化的主要原因是过度砍伐天然植被、过度放牧和大量耕种天然草原[3]。对抗荒漠化和实现可持续农业是这一地区的重大挑战[4]。玉米种植是该地区主要的种植方式,种植面积在10.6×104hm2以上,占全区粮食种植面积的84%,玉米产量占全年粮食总产量的98%[5]。磷是植物生长必不可缺的营养物质,是一种不可再生的全球资源[6],植物生长过程中需要的磷大部分来自土壤,所以土壤中磷素供给程度将直接关系到作物的产量[7]。Su等[4]的研究表明,沙质草地开垦后,玉米短期种植造成耕层土壤全磷和有效磷显著下降,同时土壤碳氮有效性降低。Brunetto等[8]对沙质草地不同开垦年限的土壤磷形态的研究表明,施磷显著提高了土壤无机磷含量,而有机磷含量未发生显著变化。然而,关于沙质草地农田土壤磷素随时间变化过程中的微生物学影响研究相对较少。

土壤微生物是磷的生物地球化学过程中的关键驱动因素,微生物的活性强弱及群落结构与植物的生长密切相关[9],解磷微生物可以将土壤中较难被作物利用的磷组分转变成可利用形态[10]。磷酸酶基因家族中的phoD基因通常作为一种探究农业生态系统中有机磷矿化过程的生物指示物[11]。大量研究通过检测编码phoD基因的微生物群落变化,评估在不同的种植体系中肥料管理对土壤Po矿化和磷有效性的影响[12-14]。研究发现,种植玉米土壤中解有机磷微生物群落丰度能达到解无机磷微生物群落丰度的133倍[15]。而人们对科尔沁地区风沙土农田土壤磷循环微生物学过程的认识严重不足。因此,本文以科尔沁地区沙质草地开垦后不同玉米种植年限土壤为研究对象,研究随着种植年限的增加其土壤磷库变化规律及微生物响应过程,以期为该地区土壤磷素库容及其有效性的提高提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古通辽市扎鲁特旗境内(121°44′E,44°5′N),是我国北方半干旱农牧交错带的科尔沁沙地腹地。该地区属中温带大陆性季风气候,年均气温6.6 ℃,年均日照时数2 882.7 h,无霜期139 d,降雨主要集中在7～8月份,年均湿度49%。土壤为风沙土,成土母质为风积物。

根据对当地农户的调研结果,选取草地开垦的玉米种植土壤为研究对象,于2018年10月进行集中采样,包括种植10 yr(2009—2018)、种植20 yr(1999—2018)和种植60 yr(1959—2018)的3个处理。一次性施加商品复合肥(N∶P∶K=15∶15∶15):195 kg N ha-1,150 kg P2O5ha-1和90 kg K2O ha-1。土壤样品以5点取样法采集,采集混匀后的土样剔除杂质后,部分土壤经风干、研磨、过筛后室温保存。部分鲜土-20 ℃保存用于微生物指标测定。

1.2 实验分析方法

土壤pH值以1∶2.5土水比测定;全碳、全氮采用碳氮全自动分析仪测定;速效磷用NaHCO3(0.5 mol·L-1,pH=8.5)提取后测定;土壤全磷含量经H2SO4-HClO4预处理,H2O2消煮后钼蓝比色法测定;土壤磷酸酶活性采用试剂盒完成;土壤磷组分利用Tiessen等[16]改进的磷素分级方法进行分析测定, 所有磷形态分为活性磷、中等活性磷及稳态磷3大类,总有机磷为NaHCO3-Po与NaOH-Po之和;土壤中微生物群落丰度采用磷脂脂肪酸法测定[17];功能基因测序由派森诺生物技术有限公司完成,详细步骤参照Maruyama等[18]的方法。

1.3 数据分析

采用SPSS 18.0对土壤理化性质、磷组分以及含phoD基因细菌群落多样性进行单因素方差分析和差异性显著检验,用Origin 2019进行回归分析、制图。基于OUT丰度表的细菌群落主成分分析和土壤理化性质与含phoD基因细菌主要属的相关性热图,均在R软件中完成,采用Canoco 5.0完成环境因子与含phoD基因细菌群落的冗余分析。

2 结果讨论

2.1 玉米种植年限对土壤理化性质及磷库组分的影响

玉米不同种植年限土壤理化性质见表1,沙质草地开垦种植玉米60 yr,土壤pH值分别较种植10 yr,20 yr显著升高0.27和0.26个单位。较种植10 yr,玉米种植60 yr后,土壤全碳和全氮含量分别显著下降44.7%和23.3%,20 yr土壤中没有显著变化,而土壤碳氮比先升高后下降。此外,随玉米种植年限的增加,持续的磷肥施入导致土壤全磷浓度持续显著升高,土壤碳磷比显著下降(P< 0.05)。

表1 玉米不同种植年限土壤理化性质Table 1 Soil properties for different cultivation years of maize

如图1所示,相较种植10 yr,速效磷在种植20 yr和60 yr时分别显著增加了119%和138%;稳态磷分别增加了71%和110%(P<0.05);种植20 yr后中等活性磷显著升高(P<0.05),由18.7 mg·kg-1增加到22.0 mg·kg-1。

图1 玉米不同种植年限土壤磷库组分变化Fig.1 Changes of P pool components in soil of Maize for different cultivation years

2.2 玉米不同种植年限对土壤磷酸酶和微生物群落的影响

如图2所示,种植玉米60 yr及20 yr土壤碱性磷酸酶活性较种植10 yr土壤分别显著增加了3.81和5.68 μmol·d-1·g-1(P<0.05),土壤酸性磷酸酶活性无显著变化(P>0.05)。玉米不同种植年限对细菌、真菌、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌和放线菌的丰度没有显著影响(图3)。丛枝菌根真菌丰度显著降低,相比种植10 yr,在玉米种植60 yr时其在土壤中含量由29.14 μg·g-1降低至23.79 μg·g-1(P<0.05),降幅达22.5%。

图2 玉米不同种植年限土壤磷酸酶活性Fig.2 Soil phosphatase activity in different cultivation years of maize

图3 玉米不同种植年限土壤微生物群落丰度

2.3 玉米不同种植年限对含phoD基因细菌群落多样性和组成的影响

玉米不同种植年限土壤含phoD基因细菌群落α-多样性见表2。相比于种植10 yr和20 yr,玉米种植60 yr土壤含phoD基因细菌群落Chao1指数显著下降。相比于种植20 yr,香农指数与辛普森指数在种植60 yr土壤中显著上升。通过对含phoD基因细菌群落主成分分析发现,长期玉米种植显著改变了含phoD基因细菌群落结构的分异(图4,P<0.05)。玉米种植60 yr与10 yr和20 yr的土壤解磷细菌群落出现明显分离。

表2 玉米不同种植年限土壤含phoD基因细菌群落α-多样性Table 2 The α-diversity of phoD-harboring bacteria community in maize soils under different cultivation years

图4 玉米不同种植年限土壤解磷细菌群落主成分分析Fig.4 Principal component analysis in maize soils with different cultivation years

在属水平上,其中有5个属相对丰度出现显著变化(P<0.05)。如图5所示,相比种植10 yr,在种植60 yr玉米的土壤中,假单胞菌属(Pseudomonas)、红色杆菌属(Rubrobacter)和中华根瘤菌属(Sinorhizobium)的相对丰度均显著增加;而慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium)和拟无枝酸菌属(Amycolatopsis)的相对丰度显著下降(P<0.05)。另外,回归分析结果表明(图6),碱性磷酸酶活性与含phoD基因细菌群落丰富度呈显著负相关,而与土壤有机磷的含量没有显著相关性。

图5 玉米不同种植年限含phoD基因细菌属水平群落组成(*p<0.05, **p<0.001)

(a) 碱性磷酸酶与丰富度的关系(b) 碱性磷酸酶与有机磷的关系

2.4 玉米不同种植年限土壤含phoD基因细菌群落与土壤理化性质的关系

冗余分析结果如图7所示,所选的环境因子共同解释了解磷细菌群落68.49%的分异,冗余分析第一排序轴和第二排序轴分别解释了49.23%和19.26%,其中,全氮(45.8%),pH(17.6%)对含phoD基因细菌群落变化具有显著影响(P<0.01)。进一步相关分析表明,pH值、全氮以及全碳与Amycolatopsis,Bradyrhizobium,Pseudomonas,Rubrobacter和Sinorhizobium之间显著相关,Pleomorphomonas与pH值、全碳显著相关,稳态磷与Amycolatopsis,Rubrobacter显著相关,而活性磷、中等活性磷以及速效磷与主要解磷物种之间没有显著相关性。

(a) 冗余分析(b) 相关性分析(*p<0.05, **p<0.001)

3 讨 论

本文通过比较玉米不同种植年限土壤磷库组分变化发现,土壤全磷随种植年限的延长显著增加。较种植10 yr,种植20 yr和60 yr土壤中速效磷、活性磷和稳态磷都显著增加,有机磷无显著变化。但种植60 yr与种植20 yr相比,尽管有磷肥施入,土壤中活性磷和中等活性磷有下降趋势,但速效磷没有显著变化,这可能是因为土壤碳、氮含量下降影响了磷素转化过程而导致速效磷供给不足。该试验田由草地改为玉米种植,原始总磷浓度比较低,改为玉米种植后由于磷肥的施入,在供应玉米生长磷需求的同时,大部分磷都固定吸附在土壤中[19-20],因而土壤磷库呈增加趋势,这与Brunetto等[8]的研究一致。本文研究结果发现,种植玉米60 yr后,土壤全碳、全氮含量显著下降,这可能是因为在沙质草地开垦耕作,土壤风蚀会导致土壤有机质下降,有机质(活性库)的损失使重要的土壤性质如团聚体稳定性和氮矿化发生显著变化,这与前人的研究结果一致[21-22]。李顺江等[23]的研究表明,沙质草地开垦为农田后,土壤向粗粒化和单粒化演变,同时土壤有机碳含量严重下降。文海燕等[24]对沙质草地开垦后土壤性状的研究表明,开垦5年后,土壤耕作层损失大量的碳和氮,而耕作层的全磷和速效磷含量没有发生显著变化,这可能与开垦时间和施肥水平有关。

本文的研究结果表明,种植年限的增加显著降低了土壤中丛枝菌根真菌的群落丰度,这与之前的研究结果一致。Williams等[25]利用磷脂脂肪酸法研究了瑞典4种土壤55年不同施肥处理下微生物群落组成的响应,认为土壤中的细菌群落组成主要由土壤性质决定,而与种植年限关系不大。Li等[26]的研究表明,土壤细菌群落演替动态与土壤肥力沿土壤时间序列的变化有关。Lin等[27]的研究表明,大多数丛枝菌根真菌较适应低磷土壤,磷肥的施用降低了丛枝菌根真菌的丰富度和多样性。磷酸酶可以酶促土壤中Po化合物的矿化[28]。本文中,玉米长期种植显著增加了碱性磷酸酶的活性,对酸性磷酸酶没有显著影响,这可能与不同种类磷酸酶的最适pH值有关。莫雪等[29]的研究表明,酸性磷酸酶的最适pH值在4～6,碱性磷酸酶的最适pH值在8～10。

大多数的研究表明[30],通常低磷环境可以促使phoD基因编码磷酸酶矿化有机磷以缓解土壤中存在的磷饥饿。在本研究中,相比于种植10 yr,土壤中有效磷含量在种植20 yr之后显著增加,而携带phoD基因的解磷细菌群落丰富度没有显著变化,这与Chen等[31]的研究一致,表明phoD基因编码磷酸酶并不只是受土壤速效磷水平的影响。回归分析表明,碱性磷酸酶活性与含phoD基因的丰富度显著负相关,与有机磷含量没有显著相关关系,这说明长期无机磷肥施加未改变有机磷的矿化过程,而碱性磷酸酶的增加可能是由于其被细胞释放后被具有表面活性的土壤颗粒捕获,这种胞外酶活性不受基因合成的控制,因而对土壤中磷的有效性不敏感[32]。

冗余分析进一步表明,土壤全氮和pH值显著影响了含phoD基因细菌群落的变化。同时,大多数属与全氮、pH值、全碳有显著相关性。在农田生态系统中,pH值是影响phoD细菌群落的重要影响因子[32]。土壤碳、氮和磷是微生物代谢生长繁殖过程中的重要营养元素,在土壤碳氮磷元素循环过程中彼此间密切相关[15]。通常,土壤微生物活性和群落组成取决于有机碳的性质,而有机碳含量的增加可能会促使微生物溶解无机磷或矿化有机磷,以满足其生长需求[33]。以上结果表明,长期玉米种植造成土壤pH值改变及碳氮元素含量降低影响了phoD细菌群落结构,进而影响了土壤磷素循环。

4 结 论

1) 沙质草地开垦后,长期玉米种植造成了土壤碳氮下降,全磷和稳态磷含量随种植年限增加而显著上升,而活性磷和中等活性磷在种植20 yr到60 yr之间呈下降趋势,影响了土壤有效磷含量。

2) 玉米不同种植年限间大多数微生物的丰度没有发生显著变化,但含phoD基因的细菌群落结构在种植60 yr时发生显著变化,pH值和全氮显著影响了含phoD基因的细菌群落变化,并与主要属有显著相关性。结果表明,玉米种植过程中土壤碳氮下降、pH值升高等土壤性质的变化对土壤磷素循环过程产生重要影响。