种植年限对唐古特大黄根部土壤理化性质及纤毛虫群落的影响

刘汉成,陈庆圆,赵军亮,康生福,马 雄*

(1.甘肃民族师范学院 化学与生命科学系,甘肃 甘南 747000;2.甘南州百草生物科技开发有限公司,甘肃 甘南 747000)

0 引言

【研究意义】唐古特大黄(Rheumtamguticum)属蓼科(Polygonaceae)大黄属(Rheum)多年生草本植物,因其根和茎中富含蒽醌类等多种化合物,广泛应用于医疗[1-3]、保健[4-5]、防腐[6]和养殖业[7]等方面。发展唐古特大黄种植不仅可以满足日益增长的市场需求,同时也是改善农村经济结构、增加农牧民收入及推动乡村振兴的重要举措[8]。研究不同种植年份唐古特大黄根部土壤理化性质及其中微型生物群落结构变化规律,有助于揭示唐古特大黄产量和品质形成与土壤微生态之间的协同关系。【前人研究进展】原生动物是广泛分布于土壤中的一种单细胞动物,是土壤微型生物群落的重要组成部分,参与土壤中物质循环和能量流动,对维持土壤生态平衡和促进植物生长方面具有积极作用。STOUT[9]认为,土壤原生动物的特征和活性与植物的生产性能及土壤动物生物量之间相关。LIU等[10]发现,在覆盖玉米秸秆的土壤中,梨波豆虫可降低土壤微生物量碳,但对铵态氮和硝态氮含量与僧帽肾形虫一样均无显著影响;僧帽肾形虫和大变形虫均可增加土壤速效磷的含量,且大变形虫可明显增加土壤中铵态氮和硝态氮的含量。纤毛虫直接以表膜接触环境,对环境变化十分敏感,若环境质量发生改变,其群落结构会迅速改变甚至衰退[11]。LIU等[12]研究发现,随着不同季节降雨量的变化,土壤中纤毛虫群落构成及物种数量呈现季节性改变,夏、秋季节纤毛虫数量多于冬、春季节。WU等[13]研究表明,研究纤毛虫群落结构和数量特征是监测其生境质量的有效手段。刘汉成等[14]研究唐古特大黄不同生长年限根际土壤的理化性质和微生物群落(细菌、放线菌和真菌)的组成变化发现,土壤微生物数量总体表现为细菌最多,其次为放线菌,真菌最少;细菌和放线菌数量均与唐古特大黄生长年限呈极显著负相关,而与有机质和全钾含量呈极显著正相关;真菌数量与唐古特大黄生长年限、全磷含量呈显著正相关,可见在唐古特大黄种植过程中,土壤质地和理化性质的变化均促使土壤微生物的群落结构和数量特征发生改变。【研究切入点】目前,仅见刘汉成等[14]研究了唐古特大黄不同生长年限根际土壤微生物群落的变化规律,但鲜见相似环境条件对纤毛虫及其他微型生物类群影响的研究报道。【拟解决的关键问题】采用双因素试验设计结合培养计数法和3级10倍稀释法研究生长1～4年的唐古特大黄根部土壤不同土层理化性质、养分含量和纤毛虫群落结构的变化特征,旨在探明不同种植年限唐古特大黄的根部土壤理化性质间及其与土壤纤毛虫数量变化的相关性,为唐古特大黄的科学种植与推动中草药种植产业可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 土样 于2021年9月采用梅花5点取样法[14]采自甘肃省甘南藏族自治州合作市门浪滩百草唐古特大黄种植基地。每个样点各土层采集约1 500 g土壤,共15个样本。

1.1.2 试剂 重铬酸钾(K2Cr2O7)、浓硫酸(H2SO4)、硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)、邻啡罗啉(C12H8N2)、硫酸银(Ag2SO4)、硼酸(H3BO3)、碳酸钠(Na2CO3)、酒石酸锑钾〔K(SbO)C4H4O6·H2O〕、二氧化硅(SiO2)、钼酸铵〔(NH4)6Mo7O24·4H2O〕及氢氧化钠(NaOH)均为分析纯,2,6-二硝基酚(C6H4N2O5,化学纯),甲基红-溴甲酚绿混合指示剂,磷酸二氢钾(KH2PO4)和氯化钾(KCl)均为优级纯。

1.1.3 仪器设备 202-1型电热恒温干燥箱,北京科伟永兴仪器有限公司;PHS-3C型酸度计,上海越平科学仪器制造有限公司;Kjeltec 8200半自动定氮仪,上海本昂科学仪器有限公司;油浴锅HH-10A,青岛聚创环保集团有限公司;电热恒温培养箱GPJ-350,上海梅香仪器有限公司;双光束紫外可见分光光度计UV1900PC型,上海佑科;FP640火焰光度计,上海傲谱分析仪器有限公司;原子吸收分光光度计AA320N,上海仪电科学仪器股份有限公司。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 采用双因素试验设计,A为不同种植年限,分别在生长1年(A1)、2年(A2)、3年(A3)和4年(A4)的唐古特大黄种植地内用直径为4 cm的土钻采集土壤(每钻约300 g);B为土层深度,分别为1～20 cm(B1)、21～40 cm(B2)和41～60 cm(B3)。

1.2.2 土样预处理 将采集的土样分别装袋标号后带回实验室,取1/2新鲜土样用于测定土壤理化性质及纤毛虫数量,其余土样自然风干备用[15]。

1.2.3 指标测定

1) 纤毛虫数量。分别采用培养计数法和3级10倍稀释法进行检测。其中,培养计数法,即称取风干土壤30 g,于直径5 cm的培养皿中先采用非淹没培养法[16]培养土样,然后参考FOISSNER等[17]的方法进行数量统计;3级10倍稀释法,即根据STOUT[9,18]的方法进行培养计数。

2) 土壤理化性质。土壤含水量用烘干法测定,pH采用酸度计测定,有机质含量采用重铬酸钾硫酸氧化-外加热法测定,全氮含量使用半自动定氮仪测定,用碱解扩散法测定碱解氮含量,全磷和速效磷含量采用碱熔-钼锑抗比色法测定,全钾含量采用碱熔-火焰光度法测定,速效钾采用原子吸收分光光度法测定[19]。

1.3 数据统计与分析

采用Excel 2010和SPSS 19.0进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 唐古特大黄根部土壤理化性质

从表1看出不同处理土壤理化性质存在明显差异。

表1 唐古特大黄根部土壤的理化性质Table 1 Physicochemical properties of rhizosphere soil around R. tanguticum

2.1.1 相同土层

1) B1(1～20 cm)。土壤含水量、全氮、碱解氮、全磷和有机质含量：均随唐古特大黄种植年份增加呈下降趋势,其中,土壤含水量A1(20.40%)极显著高于其余处理,A2(16.09%)与A3(15.58%)无显著差异,A2极显著高于A4(14.39%),A3显著高于A4;全氮、碱解氮和有机质,各处理含量分别为1.77～2.66 g/kg、52.35～86.19 mg/kg和33.91～55.59 g/kg,各处理间差异极显著;各处理全磷含量为0.84～0.89 g/kg,依次为A1>A3>A2>A4极显著高于A4,A1极显著高于A4,显著高于A2,A3显著高于A4。pH：随唐古特大黄种植年份增加呈上升趋势,A4(8.22)极显著高于A1(7.83)和A2(7.94),其余处理间无显著差异。全钾含量：随种植年份增加呈先降后升趋势,A4(18.21 g/kg)极显著高于其余处理,A1(17.52 g/kg)与A3(17.53 g/kg)无显著差异,但均显著高于A2(17.22 g/kg)。速效钾含量：随种植年份增加呈先升后降再升趋势,各处理含量为95.33～175.67 mg/kg,依次为A4>A2>A3>A1,各处理间差异极显著。有效磷含量：随种植年份增加呈先升后降趋势,各处理含量为3.20～10.60 mg/kg,依次为A2>A3>A4>A1,A2极显著高于其余处理,A3显著高于A4,二者均极显著高于A1。

2) B2(21～40 cm)。土壤含水量、碱解氮、全磷和有机质含量：均随唐古特大黄种植年份增加呈下降趋势,其中,土壤含水量A1(22.29%)极显著高于其余处理,A2(18.45%)与A3(17.83%)无显著差异,二者均极显著高于A4(16.25%);各处理碱解氮含量为51.44～79.87 mg/kg,处理间差异极显著;各处理有机质含量为37.62～66.47 g/kg,A1极显著高于其余处理,A2极显著高于A3和A4,A3显著高于A4;各处理全磷含量为0.82～0.89 g/kg,A1极显著高于其余处理,其余处理无显著差异。全氮含量：随唐古特大黄种植年份增加呈先降后升趋势,各处理含量分别为1.79～3.14 g/kg,依次为A1>A2>A4>A3,处理间差异极显著。pH：各处理为7.66～7.90,依次为A3>A4>A1>A2,A3极显著高于除A4外的其余处理,A4显著高于A1,极显著高于A2,A1显著高于A2。有效磷含量：随唐古特大黄种植年份增加呈先升后降再升趋势,各处理含量为1.73～4.71 mg/kg,A2最高,A3最低,各处理间差异极显著。全钾含量：各处理含量为17.51～17.95 mg/kg,A4极显著高于其余处理,A1、A2和A3间无显著差异。速效钾含量：各处理含量为78.00～140.00 mg/kg,各处理含量依次为A4>A2>A1>A3,处理间差异极显著。

3) B3(41～60 cm)。土壤含水量：随唐古特大黄种植年份增加呈下降趋势,A1(20.92%)显著高于A2(19.39%),二者极高于A3(15.23%)和A4(14.44%),A3与A4差异不显著。pH、全氮、有机质、全磷和速效钾含量：均随唐古特大黄种植年份增加呈先降后升趋势,其中,pH依次为A4>A1>A2>A3,A4(7.87)极显著高于其余处理,其余处理间无显著差异;全氮、全磷和有机质含量均为A1>A2>A4>A3,全氮(1.42～3.07 g/kg)和有机质(31.24～65.35 g/kg)含量各处理间差异极显著,全磷含量A1(0.90 g/kg)与A2(0.88 g/kg)无显著差异,但均极显著高于A4(0.81 g/kg)和A3(0.77 g/kg);速效钾含量依次为A4>A1>A2>A3,A4(120.67 mg/kg)极显著高于其余处理,A1(85.00 mg/kg)与A2(84.00 mg/kg)无显著差异,但均极显著高于A3(77.0 mg/kg)。碱解氮和有效磷含量：呈先升后降再升趋势,均依次为A2>A1>A4>A3,各处理间均差异极显著。全钾含量：呈先降后升再降趋势,依次为A1>A3>A2>A4,各处理间无显著差异。

2.1.2 相同年份

1) A1(1年)。随土壤深度增加,土壤含水量、全氮和有机质含量均呈先升后降趋势,其中,B2的土壤含水量最高(22.29%),与B3(20.92%)无显著差异,但极显著高于B1(20.40%),B3显著高于B1;B1的全氮含量最低(2.66 g/kg),极显著低于B2(3.14 g/kg)和B3(3.07 g/kg),B2和B3无显著差异;有机质含量依次为B2(66.47 g/kg)>B3(65.35 g/kg)>B1(55.59 g/kg),3者间差异均达极显著水平。pH和全钾均呈下降趋势,B1(7.83)极显著高于B3(7.59),B2(7.77)显著高于B3;全钾依次为B1(17.52 g/kg)>B2(17.51 g/kg)>B3(17.38 g/kg),各处理间差异不显著。碱解氮、有效磷和速效钾均呈先降后升趋势,B1的碱解氮最高(86.19 mg/kg),B3(85.74 mg/kg)其次,二者无显著差异,但均极显著高于B2(79.87 mg/kg);有效磷和速效钾均以B1最高(3.20 mg/kg和95.33 mg/kg),有效磷含量B1极显著高于B2(2.52 mg/kg),显著高于B3(2.85 mg/kg),B3显著高于B2;速效钾含量B1极显著高于B2(81.33 mg/kg)和B3(85.00 mg/kg),B3极显著高于B2。各处理全磷含量为0.89～0.90 g/kg,各处理间无显著差异。

2) A2(2年)。土壤含水量、全氮、碱解氮和有机质均随土壤深度增加而增加,其中,土壤含水量B1最低(16.09%),极显著低于B2(18.45%)和B3(19.39%),B2与B3无显著差异;碱解氮B1最低(73.11 mg/kg),B2(75.81 mg/kg)其次,二者无显著差异,但均极显著低于B3(88.45 mg/kg);全氮和有机质均为B3(2.82 g/kg和62.06 g/kg)>B2(2.53 g/kg和52.20 g/kg)>B1(2.16 g/kg和44.25 g/kg),各处理间差异均达极显著水平。pH、有效磷和速效钾均随土壤深度增加而降低,其中,B1的pH和有效磷(7.94和10.60 mg/kg)均极显著高于B2(7.66和4.71 mg/kg)和B3(7.56和4.20 mg/kg);速效钾各处理间差异均达极显著水平。全钾依次为B2(17.60 g/kg)>B3(17.32 g/kg)>B1(17.22 g/kg),B2显著高于B1。全磷依次为B3(0.88 g/kg)>B1(0.86 g/kg)>B2(0.82 g/kg),B3与B2差异极显著,B1显著高于B2。

3) A3(3年)。土壤含水量、碱解氮和有机质含量均随土壤深度增加呈先升后降趋势,其中,土壤含水量B2(17.83%)极显著高于B1(15.58%)和B3(15.23%),碱解氮(37.91～64.08 mg/kg)和有机质(31.24～38.76 g/kg)各处理间差异均达极显著水平;pH、全氮、全磷和速效钾含量均随土壤深度增加而降低,B1和B2的pH(8.07和7.98)极显著高于B3,全氮(1.42～1.88 g/kg)和全磷(0.77～0.87 g/kg)各处理间差异均达极显著水平,速效钾B1(115.67 mg/kg)极显著高于B2(78.00 mg/kg)和B3(77.00 mg/kg);有效磷含量随土壤深度增加呈先降后升趋势,依次为B1(7.06 mg/kg)>B3(2.02 mg/kg)>B2(1.73 mg/kg),各处理间差异极显著;全钾含量(17.33～17.53 g/kg)各处理间无显著差异。

4) A4(4年)。土壤含水量、全氮和有机质含量均随土壤深度增加呈先升后降趋势,土壤含水量和有机质依次为B2(16.25%和37.62 g/kg)>B3(14.44%和36.92 g/kg)>B1(14.39%和33.91 g/kg),全氮依次为B2(1.88 g/kg)>B1(1.77 g/kg)>B3(1.75 g/kg),其中,B2的土壤含水量和全氮含量均极显著高于B1和B3,B2和B3的有机质含量均极显著高于B1。pH、碱解氮、全磷、有效磷、全钾和速效钾均随土壤深度增加呈下降趋势,即B1>B2>B3,其中,B1的pH(8.22)极显著高于B2(7.90)和B3(7.87),B1和B2的碱解氮和全钾含量(52.35 mg/kg和18.21 g/kg、51.44 mg/kg和17.95 g/kg)均极显著高于B3(45.13 mg/kg和17.12 g/kg),全磷含量B1(0.84 g/kg)显著高于B3(0.81 g/kg),有效磷(2.41～6.25 mg/kg)和速效钾(120.67～175.67 mg/kg)含量各处理间差异极显著。

2.2 唐古特大黄根部土壤纤毛虫的数量

从表2看出,培养计数法的纤毛虫为756.67～6 473.33 ind./g,除A2B1外,其余处理均明显高于3级10倍稀释培养法获得的纤毛虫数量(48.67～3 020.00 ind./g)。

表2 不同处理唐古特大黄根部土壤纤毛虫的数量 Table 2 Quantitative characteristics of ciliate in rhizosphere soil of R. tanguticum under different treatments

2.2.1 相同土层 土壤纤毛虫数量随唐古特大黄种植年份增加呈先降后升趋势,A1与A4间无显著差异,但二者极显著高于A2和A3,相比之下,A3纤毛虫数量最少,为756.67～1 036.67 ind./g(培养计数法)和48.67～698.00 ind./g(3级10倍稀释培养法)。

2.2.2 相同年份 4个样点中纤毛虫数量均随着土壤深度增加而减少,培养计数法B1土壤中纤毛虫数量最多,为1 036.67～6 703.33 ind./g;B2次之,为853.33～3 580.00 ind./g;B3最少,为756.67～1 226.67 ind./g。

2.3 土壤理化性质及其与纤毛虫数量的相关性

从表3看出,纤毛虫数量与土壤含水量、有机质含量、全钾和速效钾含量呈极显著正相关,相关性系数分别为0.712、0.651、0.575和0.471,与土壤全氮含量呈显著正相关(0.219),而与土壤pH呈极显著负相关(-0.556)。土壤含水量随唐古特大黄种植年份增加呈极显著降低趋势(-0.817);土壤pH随唐古特大黄种植年份增加呈极显著增加趋势(0.496),但与土壤含水量(-0.469)和土壤深度(-0.374)分别呈极显著和显著负相关;全氮含量与样点(-0.862)和pH(-0.441)呈极显著负相关,而与土壤含水量呈极显著正相关(0.904);碱解氮含量与样点(-0.862)和pH(-0.375)呈显著负相关,而与土壤含水量(0.833)和全氮含量(0.907)呈极显著正相关;全磷含量分别与土壤含水量(0.661)、全氮(0.784)和碱解氮(0.792)含量呈极显著正相关,而与样点之间(-0.675)呈极显著负相关,有效磷含量随土壤深度增加呈极显著减少趋势(-0.639);全钾含量随唐古特大黄种植年份增加呈增加趋势(0.337),与土壤深度呈负相关(-0.628);速效钾含量与样点(0.618)、pH(0.457)、有效磷(0.529)和全钾(0.549)呈极显著正相关,但与土壤深度(-0.522)、含水量(-0.628)和全氮(-0.419)、碱解氮(-0.404)含量分别呈极显著和显著负相关;土壤有机质含量随含水量(0.915)、全氮(0.990)、碱解氮(0.902)和全磷(0.740)含量的增加呈极显著增加趋势,而随唐古特大黄生长年份(-0.870)、pH(-0.472)和速效钾(-0.507)含量的增加呈极显著降低趋势。

表3 唐古特大黄根际土壤纤毛虫数量与土壤理化性质的相关性 Table 3 Correlations between ciliate quantity in rhizosphere soil of R. tanguticum and soil physicochemical properties

3 讨论

土壤理化因子是促进作物生长的必要条件,随着唐古特大黄种植年份的增加,土壤理化性质表现出不同的变化规律。含水量变化：由于该基地在种植幼苗时,地表覆膜,但随着种植年份的增加,覆膜风化破损,失去了其保水功能,因此,土壤中含水量逐渐降低;但从相同样点不同土壤深度看,21～40 cm土层土壤含水量最高,与汪海娇等[20]的研究结果一致。pH变化规律：pH随着唐古特大黄种植年份的增加而逐渐升高。鞠会艳等[21]认为,连作物根部分泌并积累的化感物质可直接影响其根际土壤的pH,也会影响土壤中化感物质和其他有机质的分解;土壤有机质含量减少,也是影响pH升高的重要因素[22]。土壤全氮、碱解氮、全磷和有机质含量随着唐古特大黄种植年份的增加而逐渐减少,说明大黄生长过程中不断吸收利用这些营养元素,但从不同深度看,第1年和第2年的大黄根际深部土壤含氮量高于浅层土壤,可见此时大黄根部较小,未能吸收利用到深部土壤中的营养元素;随着根系不断扎深,其根部尤其是随着根尖部分的深入,其可吸收利用更多深部土壤中的营养元素,因此,在3年和4年生的大黄根部表层土壤中含氮量高于深部土壤,当然,有机质含量的减少也影响到营养元素的积累[23-26]。全钾和速效钾含量随土壤深度增加而降低[27],但随着唐古特大黄种植年份的增加而呈先升后降再升趋势,虽然与滕爱娣等[28-29]的研究结果一致,但与李琳等[30-32]的研究结果存在差异,其中机理尚待继续探究。

土壤纤毛虫是土壤微型生物群落的重要组成部分,参与土壤中的物质循环和能量流动[33],但由于其以表膜直接接触土壤,对土壤环境的变化敏感,反应迅速,主要表现在其数量和群落结构的变化。随着唐古特大黄生长年份增加,纤毛虫数量呈先减后增趋势,依次为A1>A4>A2>A3,A1与A4之间、A2与A3之间无显著差异,而A1和A4与A2、A3之间差异显著;同一年份中,随着土壤深度增加,A1和A4的纤毛虫数量均呈显著减少趋势,A2的第1土层和第2土层之间无显著差异而与第3土层间差异极显著,A3的第1土层中纤毛虫数量显著高于其他2个土层。研究结果表明,纤毛虫数量受土壤水分、全氮及有机质等营养成分的明显影响,而与土壤pH呈负相关关系。高露等[34]认为,随土壤深度增加土壤含水量逐渐减少、土壤pH逐渐增加,不利于土壤纤毛虫的生存[35],导致纤毛虫数量随深度增加而减少;另外土壤有机质作为土壤养分含量也随着土壤深度增加而减少,减少了微生物的营养来源,进而影响到纤毛虫数量[36-37],上层土壤(1～20 cm)所有的微生物数量占土壤微生物总量的95%,是土壤纤毛虫的主要食物来源[38],因此,随着土壤深度的增加纤毛虫数量呈减少趋势。

从不同年份看,唐古特大黄生长1年的土壤纤毛虫数量最多,2年的次之,3年的最少。曹纬国等[39-42]研究认为,唐古特大黄生长过程中产生的蒽醌类化合物及相关代谢产物渗入根部土壤后影响土壤酶活性,进而对土壤微型生物群落造成一定的抑制作用。第4年时,唐古特大黄根部土壤纤毛虫数量又出现增长趋势,可能是此时唐古特大黄进入生殖生长阶段,消耗蒽醌类物质,导致体内蒽醌类物质含量下降[43],致使纤毛虫数量增加;也可能是因为大部分纤毛虫对唐古特大黄根部分泌物的耐受性增加致使种群数量逐渐增多[44-45]。

培养计数法获得的纤毛虫数量为756.67～6 473.33 ind./g,大于3级10倍稀释法获得的纤毛虫数量(48.67～3 020.00 ind./g)。从纤毛虫2种计数方法看,培养计数法得到的纤毛虫数量远高于3级10倍稀释培养法,其原因在于培养计数法在9 d的培养过程中得到了大量萌发的纤毛虫包囊,具有累积效应,而3级10倍稀释法仅依靠在每个环中纤毛虫出现与否得出的最大或然数[46],具有随机性,因而ADL[47]更倾向于使用培养计数法。虽然使用培养计数法得到了更多的纤毛虫数量,但与FOISSNER等[16,48]直接计数法得出的结果相差极大,主要是因为地域环境差异所致,如FOISSNER等研究的是奥地利东部天然林中0～10 cm的土壤,其中纤毛虫数量最多为10 925 ind./g,宁应之[48]则在亚热带湖北神农架样点获得了最高纤毛虫数量,达631 300 ind./g,主要是因为天然林土壤中的有机质、碳、氮含量高及土壤微生物丰富度和多样性指数高[49],研究采用土壤采自唐古特大黄种植地内,其所含蒽醌类化合物本身对土壤微型生物有抑制作用。

研究初步分析了不同生长年份的唐古特大黄根部土壤中纤毛虫数量变化趋势,虽然此变化特征也能在一定程度上反映出纤毛虫群落对环境变化的响应,但未分析纤毛虫群落结构的组成及其变化特征。因此,在下一步研究中将重点分析唐古特大黄生长过程中对哪些纤毛虫物种产生影响及其影响机制,为检测唐古特大黄的生长需求和改善环境微生态效应提供指示物种。

4 结论

随着唐古特大黄生长年份的增加,除钾素含量和pH外,土壤其他营养元素和有机质含量均呈下降趋势,表明种植唐古特大黄对土壤营养元素消耗明显。相关性分析结果显示,纤毛虫数量与土壤含水量、有机质含量、全钾和速效钾含量呈极显著正相关,与全氮含量呈显著正相关,而与土壤pH呈极显著负相关。唐古特大黄生长前3年对土壤纤毛虫有较强的抑制作用,第4年时,随着土壤结构的稳定性和纤毛虫的耐受性增强,纤毛虫数量又逐步恢复。唐古特大黄生长对根部土壤环境和土壤微型生物数量影响明显,在种植唐古特大黄时,若能及时补充水分和有机肥,不仅能满足唐古特大黄的生长需求,提高唐古特大黄的产量,还有助于维持土壤微生态平衡。