不同禾草生长对甘肃马先蒿群落土壤养分和微生物群落的影响

王占青,王午志,马 喆,陈可欣,本红霞,闵珂欣,乔有明

(1. 青海大学生态环境工程学院,青海 西宁 810016; 2. 青海大学农牧学院,青海 西宁 810016;3. 青海大学省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室,青海 西宁 810016)

植物和土壤微生物是陆地生态系统的主要组成部分[1-2]。在陆地生态系统中,植物-微生物-土壤彼此相互联系与作用,三者通过系统内物质循环和能量流动将植物地上部分和土壤微生物等因子统一起来,形成了相互关联的复合有机整体[3-5]。土壤微生物作为土壤中物质循环的调节者,通过自身代谢活动及其他生物与非生物因子的相互作用调节土壤结构和养分循环,而土壤环境的改变又反过来影响植物自身生长或养分的吸收,对维持草地生态系统的稳定起着重要作用[6-7]。在全球变化和人类活动影响下,作为陆地生态系统的重要组成部分的草地生态系统退化严重,尤其是青藏高原的三江源地区生态环境比较脆弱,自然条件严酷,承受着自然不合理利用和人为管理不善的双重外营力作用,呈现出不同程度退化态势,草地植被遭到破坏,地上植物及地下土壤生物群落结构和功能发生了变化[8]。退化生态系统恢复过程中土壤和植被是一个有机整体,二者相辅相承、互相影响。长期以来,研究人员较多关注地上系统或地下系统而未能将二者之间相互作用的关系结合起来进行系统地研究。近年来,随着对生态和环境保护认识日益深入,学者们更多的意识到二者之间相互依赖和相互制约的关系,即植物与土壤间相互作用(植物-土壤反馈)是揭示陆地生物群落动态变化的关键环节,其对维持生态系统的结构和功能具有重要意义[9-10]。然而,关于植物-土壤反馈机理的认识,以及它们在自然生态系统中扮演重要角色的研究仍处于起步阶段,其机理的研究有助于提高我们认知植物-土壤反馈在全球环境变化下对生态系统影响的贡献能力[11]。目前,植物-土壤反馈在植物群落演替过程中的作用已成为当前生态学研究的热点,但植物生长、群落组成及植物多样性和生产力对土壤养分及微生物反馈作用的影响尚未得到深入研究[12]。王珍等[13]综述了植物-土壤微生物反馈在植物群落演替过程中的重要作用机理,不同植物类型、功能群及植物群落组成在群落恢复演替中对土壤微生物产生了重要影响;也有研究发现,植物多样性对土壤养分、微生物群落及后续植物的生长产生反馈作用,且土壤微生物群落对植物的生产力有一定影响[14-15]。但关于不同禾草生长对高寒草甸植物群落土壤养分及微生物群落影响的研究鲜有报道。因此,认识退化草地恢复过程中不同禾草生长对同一植物群落土壤养分及微生物的影响作用,从土壤养分和微生物的角度完善和阐明草地改良过程中地上部分对地下部分影响作用的途径与机制,对揭示植物-土壤反馈在退化草地生态恢复中的作用具有重要意义。

本研究以适于高寒草甸栽培和退化草地修复的老芒麦(Elymussibiricus)、垂穗披碱草(Elymusnutans)、中华羊茅(Festucasinensis)和冷地早熟禾(Poacrymophila)4种禾草为植物材料[16];以草地退化过程中出现的先锋物种甘肃马先蒿(Pediculariskansuensis)群落土壤为栽培基质[17],采用盆栽控制试验,研究不同禾草与土壤养分和微生物间的反馈作用,以了解不同禾草在同一植物群落土壤生长后的土壤养分及微生物群落变化特征,以期为高寒草甸退化草地植被恢复和人工重建提供科学的理论依据。

1 材料与方法

1.1 野外土壤采集

试验土壤采集于青海省泽库县境内以甘肃马先蒿为优势种的退化斑块群落土壤,土壤至少在相隔20 m以上的三个点采集,取土厚度为20 cm左右,将获取的土壤运回实验室进行预处理,除去植物根及砾石等,阴干备用;一部分土样用于试验实验,一部分土样风干过筛后备用。供试禾草种子均来源于同德县青海省牧草良种繁殖场,种子收获于 2020 年8月下旬。

1.2 试验方法

1.2.1盆栽试验 盆栽器皿为塑料花盆(15 cm×18 cm,内径×高),装盆前于盆底一侧铺碎石,然后放置一张白纸以隔开土壤与碎石,每盆称土1.5 kg均保持相同重量,将每种禾草种子50粒均匀播种于盆内,每种禾草分别种6盆,空白对照3盆,不播种任何植物。不同禾草生长实验在植物培养间进行,白天温度为20℃,夜晚温度为16℃,光照强度为2 000 lux,光周期12 h。根据禾草种子出苗情况,进行移苗补植和间苗处理,每盆中均保留25株,整个禾草生长阶段盆栽含水量均采用称重法控制在10%左右。

1.2.2禾草生长指标和土壤养分测定 试验周期末(161 d),每种禾草选取长势均匀植物5盆,每盆内随机取植物10株及根部土壤,分别进行禾草生长指标[18-19]和土壤养分测定[20]。将选取的10株植物从花盆中带根取出,用自来水冲洗根部附着的土壤,晾干后,用游标卡尺测量株高(cm)和根长(cm),以选定10株的平均值作为1个生物学重复观察值,每种类型禾草重复5次。植物的叶茎和根分别装入信封中,于鼓风干燥箱中105℃杀青30 min后,80℃烘干至恒重并称重,得到10株植物叶茎的样品合并为地上生物量(g),根部作为地下生物量(g),禾草地上部分磨细过筛后,用于测定禾草碳含量(H2SO4-K2Cr2O7氧化法)、氮含量(凯氏定氮法)、磷含量(钼锑抗比色法)和钾含量(火焰光度计法)。禾草根部采集的土壤,风干过筛后采用常规分析方法进行土壤养分的测定。其中,测定项目包括土壤酸碱度(PHS-3E),有机质含量(重铬酸钾稀释热法),速效钾含量(NH4OAc浸提),速效磷含量(0.5 mol·L-1NaHCO3浸提法),碱解氮含量(碱解扩散法),铵态氮含量(流动注射法)和硝态氮含量(间隔流动分析法)。

1.2.3土壤微生物群落的测定和分析 试验周期末采集盆栽植物根部土壤,微生物分析每个样品5 g左右装入无菌管中,保存于-80℃的冰箱中,用装有干冰的泡沫箱寄送至北京诺禾致源公司进行测序分析。采用Illumina NovaSeq6000 platform平台分别对真菌(ITS)和细菌(16S rRNA)基因的ITS1和V4区(ITS5-1737F,515F and 806R)序列进行高通量测序,进行微生物α多样性和物种相对丰度的测定与分析,利用FUNGuild和FAPROTAX进行土壤真菌和细菌功能注释分析。

1.3 数据分析

使用Microsoft Excel 2013对获得的试验数据进行分类整理,单因素方差分析(Duncan法,P<0.05)使用SPSS 22.0 统计软件,所得结果为每个处理的平均值和标准差;土壤微生物数据及图采用R 4.2.3语言相关软件包处理;Composite结构方程模型利用R语言(piecewiseSEM)等相关软件包来构建,使用Fisher’s C检验来判断模型拟合效果[21]。

2 结果与分析

2.1 不同禾草生长指标和土壤养分在甘肃马先蒿群落土壤中的比较

甘肃马先蒿群落土壤中生长的LM,CP和ZH株高显著高于LD,其值分别是LD的1.58,1.52和1.47倍,而根长和总生物量之间无显著差异(表1)。禾草碳含量在LD处理中分别比LM和ZH处理显著升高了1.19和1.21倍;氮含量在ZH和LD处理中显著高于LM和CP处理;磷含量在1.48～1.52 g·kg-1之间,各处理之间无显著差异;钾含量在LM,CP和ZH处理中分别比LD处理显著升高了1.11,1.15和1.10倍。与CK处理相比,禾草生长提高了土壤酸碱度;土壤有机质含量在45.67～48.00 g·kg-1之间,各处理之间无显著差异;LM,CP,ZH和LD生长的速效钾含量分别显著降低了19.97%,21.90%,13.98%和11.20%;LM生长的速效磷含量显著高于其他处理,分别是CP,ZH,LD和CK处理的1.52,1.59,1.80和1.71倍;碱解氮含量在145.51～160.95 mg·kg-1之间,各处理之间无显著差异;LM,CP,ZH和LD生长的铵态氮含量分别比CK处理显著提高了11.32%,14.65%,12.11%和14.06%;硝态氮含量分别显著降低了55.01%,65.93%,50.80%和37.52%。

2.2 不同禾草生长的甘肃马先蒿群落土壤微生物

2.2.1微生物OTU数目分析 不同禾草生长的甘肃马先蒿群落土壤共同拥有的真菌OUT数为1 087,其中,CP,ZH和LD生长的非共有真菌OUT数比CK处理分别多37.04%,12.04%和2.78%(图1a)。不同禾草生长的甘肃马先蒿群落土壤细菌共同拥有的OUT数为2 385,LM,CP,ZH和LD生长的非共有土壤细菌OUT数分别比CK处理多了38.66%,10.31%,39.43%和44.07%(图1b)。

图1 不同禾草生长的甘肃马先蒿群落土壤微生物共有和特有的OTU数Fig.1 Shared and unique OTU number based on soil microorganisms in P. kansuensis community of different grass growth注:(a)真菌;(b)细菌;OTU数据为不同禾草生长的甘肃马先蒿群落土壤样品的平均数Note:(a) Fungi;(b) Bacteria;OTU data are the averages of soil samples from the P. kansuensis community of different grass growth

2.2.2微生物群落组成及结构变化分析 不同禾草生长的甘肃马先蒿群落土壤真菌总数为3 817个OTUs的分类结果表明,隶属于17个门,65个纲,153个目,330个科,615个属,1 043个种(表2)。与CK处理相比,土壤真菌群落均以子囊菌门(Ascomycota)最具优势,其相对丰度在LM,CP,ZH和LD中的占比分别为43.82%,45.55%,49.78%和51.79%;次优势类群被孢霉门(Mortierellomycota)在CP,ZH和LD中的相对丰度分别比CK处理显著低了29.34%,26.58%和25.60%,LM与其他处理之间无显著差异;毛霉门(Mucoromycota)在LM和CP中的相对丰度分别比CK处理显著高了86.74%和89.89%,其他处理与CK处理无显著差异;球囊菌门(Glomeromycota)在CP中的相对丰度均比LM和CK处理显著高44.83%,其他处理之间差异不显著。

表2 不同禾草生长的甘肃马先蒿群落土壤微生物在门水平上的丰度变化Table 2 Changes of soil microbial abundance at phyla level in P. kansuensis community of different grass growth

对7 818个OTUs的分类结果表明,细菌分析共检测出55个门,97个纲,220个目,330个科,595个属,270个种(表2)。与CK处理相比,土壤细菌优势类群均为变形菌门(Proteobacteria)(21.84%～26.25%),其相对丰度在各处理中无显著差异;次优势菌群厚壁菌门(Firmicutes)在LM,CP,ZH和LD中的相对丰度分别比CK处理显著低了68.16%,56.77%,47.64%和60.70%,差异显著(P<0.05);酸杆菌门(Acidobacteria)在LM、放线菌门(Actinobacteriota)在ZH和绿弯菌门(Chloroflexi)在LD中的相对丰度分别比CK处理显著高了52.15%,38.39%和61.22%,与其他处理无显著差异;疣微菌门(Verrucomicrobia)在LM中的相对丰度显著高于ZH和LD,与CP和CK之间无显著差异。

2.3 不同禾草生长的甘肃马先蒿群落土壤微生物多样性分析

2.3.1微生物物种多样性分析 不同禾草生长的甘肃马先蒿群落土壤真菌Chao1指数和细菌Shannon指数存在差异(图2)。与CK处理相比,CP生长的土壤真菌Chao1指数显著提高了9.67%,与其他各处理无显著差异;Shannon指数在各处理之间无显著差异。土壤细菌Chao1指数在各处理间无显著差异;与CK处理相比,LD生长的土壤细菌Shannon指数显著提高了7.56%,与其他各处理无显著差异。

图2 不同禾草生长的甘肃马先蒿群落土壤微生物α多样性Fig.2 The α-diversity of soil microbial community in P. kansuensis community of different grass growth

2.3.2微生物功能注释分析 利用FUNGuild对不同禾草生长的甘肃马先蒿群落土壤真菌进行功能注释(表3),与CK处理相比,LM,CP,ZH和LD生长的腐生营养型(Saprotroph)和共生营养型(Symbiotroph)真菌相对丰度在各处理之间无显著差异;病理营养型(Pathotroph)真菌在LD处理中的相对丰度比CK处理显著提高了54.07%,与其他各处理无显著差异;病原-腐生-共生过渡型真菌在CP处理中显著富集;而病理-腐生过渡型和腐生-共生过渡型真菌在LM处理中显著富集。

表3 不同禾草生长的甘肃马先蒿群落土壤功能微生物丰度变化Table 3 Changes of soil functional microbial abundance in P. kansuensis community of different grass growth

采用Faprotax对不同禾草生长的甘肃马先蒿群落土壤细菌功能进行注释,与CK处理相比,ZH生长的烃类降解菌(Hydrocarbon_degradation)和芳烃降解菌(Aromatic_hydrocarbon_degradation)的相对丰度均比CK处理显著降低了83.33%;ZH和LD生长的亚硝酸盐反硝化菌(Nitrite_denitrification)的相对丰度均比CK处理显著降低了80.00%;LM生长的发酵菌(Fermentation)和硝酸盐还原菌(Nitrate_reduction)的相对丰度分别比CK处理显著降低了59.32%和46.72%,与其他处理之间无显著差异。

2.4 不同禾草生长指标与土壤养分和微生物群落的关系

不同禾草生长与禾草养分、土壤养分和微生物群落结构方程模型结果显示(图3):不同禾草生长能够直接影响土壤微生物多样性和结构组成(路径系数,0.274和0.674);不同禾草生长直接降低了土壤养分的有效性(路径系数为-0.155),而通过土壤微生物多样性和结构组成间接影响土壤养分的有效性(路径系数为0.737和-0.152);禾草种类、禾草养分、土壤微生物多样性、土壤养分、土壤微生物组成及结构共同直接影响禾草生长的生物量(路径系数为0.740,0.427,0.140,0.426和-0.380)。因此,不同禾草生长对禾草养分、甘肃马先蒿土壤养分和微生物群落直接产生影响,而禾草养分、土壤养分和微生物群落也会影响禾草生物量。

图3 不同禾草生长对甘肃马先蒿土壤养分和微生物群落影响路径的结构方程模型Fig.3 Structural equation model of the influence path of different grass growth on soil nutrients and microbial community of P. kansuensis注:箭头表示因果关系,与箭头关联的数字代表标准化路径系数,箭头虚实与路径系数的强度成正比,红色代表正效应,蓝色代表负效应;R2 marginal表示模型中固定效应的解释力;R2conditional表示模型中固定效应和随机效应的总解释力。显著性水平:*,**和 ***分别表示P<0.05,P<0.01和P<0.001Note:Path coefficients along arrows are standardized by the mean of each parameter. The virtual and real arrows are proportional to the strength of the path coefficient. Red is a positive effect and blue is a negative effect in the model. R2 marginal represents the explanatory power of fixed effects in the model. R2conditional represents the total explanatory power of fixed and random effects in the model. *,** and *** indicate significant levels at P<0.05,P<0.01 and P<0.001,respectively

3 讨论

3.1 不同禾草生长对甘肃马先蒿群落土壤养分的影响

生态系统地上与地下部分是统一的整体,植物地上部分通过光合作用方式为土壤微生物提供资源,土壤微生物的变化也会影响土壤理化性质发生改变。同时,植物种类不同根系分泌物不同,导致植物种类对土壤理化性质产生差异性影响[13]。与CK相比,植物反馈作用对土壤有机质含量无显著影响[22-24],本研究中,不同禾草生长对甘肃马先蒿群落土壤有机质含量的影响无显著变化。在植物-土壤反馈过程中,植物可以通过其根部及土壤微生物改变土壤有机质状态,从而提高或降低土壤氮循环,改变氮的有效性[25],即不同禾草生长显著增加了铵态氮含量和降低了硝态氮含量,与曲耀冰等[22-23]研究结果不同。不同禾草生长显著降低了速效钾含量,这与禾草生长吸收有关,并与根长、总生物量和禾草养分含量有较大的关系,表现为冷地早熟禾具有发达的根系、较高生物量、碳、氮和磷含量,再次验证了冷地早熟禾的快速恢复高寒退化草地的功能[26],也说明速效钾是影响禾草生长发育限制性的因素,这与Bezemer等[24]的结论相似。土壤速效磷与禾草株高呈正相关,证明了速效磷是植物生长发育的重要营养元素[27]。植物在生长过程中会试图去改变或调解土壤pH值以满足自身生长及发育所需要的环境[28],本研究中禾草生长提高了土壤pH,这与前人研究结果一致[29],而与Ehrenfeld等[30]的研究植物-土壤反馈作用中有时pH变化差异不显著的结论不同。因此,不同禾草与甘肃马先蒿土壤反馈作用可以引起地下养分和地上生长指标的变化,其变化特征因禾草种类不同而具有差异性。

3.2 不同禾草生长对甘肃马先蒿群落土壤微生物的影响

植物在生长过程中可以通过根系分泌物等形成特有的根部环境,从而形成特有的地下微生物群落结构组成与功能[9]。本研究中甘肃马先蒿土壤细菌OTU数及种类均高于真菌群落,表明土壤微生物类群以细菌为主,这与张杰雪等[31-32]关于高寒人工草地土壤微生物的研究结果一致。不同植物类型的土壤微生物组成和结构存在显著差异[12,33],本研究中,与空白对照相比,垂穗披碱草生长显著提高了土壤真菌Chao1指数,冷地早熟禾生长显著提高了土壤细菌Shannon指数。在门分类水平上,土壤中真菌群落均以子囊菌门最具优势,垂穗披碱草、中华羊茅和冷地早熟禾生长土壤中被孢霉门相对丰度显著降低了;老芒麦和垂穗披碱草生长土壤中毛霉门相对丰度显著升高;垂穗披碱草生长土壤中球囊菌门相对丰度显著升高,说明禾草种类是真菌群落相对丰度差异的主要原因。

不同禾草生长的甘肃马先蒿土壤细菌群落均以变形菌门最具优势,这与其他学者关于人工草地土壤细菌群落结构的研究结果相一致[31-32]。禾草生长土壤中厚壁菌门相对丰度显著降低,而老芒麦生长的酸杆菌门、中华羊茅生长的放线菌门和冷地早熟禾生长的绿弯菌门相对丰度显著升高,因此,禾草种类也会影响细菌群落相对丰度发生变化。本研究结果与前人研究结论植物反馈作用会显著影响土壤真菌和细菌群落结构相一致[11,34],说明不同禾草生长改变了甘肃马先蒿群落土壤真菌和细菌群落结构组成,引起这种差异的原因与禾草种类不同有关。

土壤真菌营养型类型的分化与生长植物类型和土壤养分含量不同密切关联[35]。本研究中土壤真菌主要营养类型均为腐生营养型真菌,病理营养型真菌在冷地早熟禾生长土壤中显著富集,病原-腐生-共生过渡型真菌在垂穗披碱草生长土壤中显著富集;病理-腐生过渡型和腐生-共生过渡型真菌在老芒麦生长土壤中显著富集,尹亚丽[36]研究认为病理营养型真菌丰度在未退化草地中高于轻度退化草地,本研究部分结果与之相似。另外,不同禾草生长改变了土壤细菌群落功能群的分布,表现为老芒麦的生长显著降低了发酵菌和硝酸盐还原菌的相对丰度,中华羊茅的生长显著降低了烃类降解菌和芳烃降解菌的相对丰度,冷地早熟禾的生长显著降低了亚硝酸盐反硝化菌的相对丰度,本研究结果与Yu等[37]的研究硝酸盐还原菌在未退化草地中丰度显著低于不同退化程度草地的结果相符合。植物群落组成的改变可以引起土壤微生物群落结构、多样性和功能的变化,而土壤微生物的变化也会影响土壤理化性质发生改变[38]。植物和土壤之间复杂的协同互作对土壤群落结构具有调控作用,即不同禾草生长对土壤微生物群落结构和功能的影响因禾草种类不同而有差异性,这与艾泽民[19]和Baxendale等[25]的研究结论相似。

4 结论

种植禾草在一定程度上改变了以甘肃马先蒿为优势种的退化群落土壤养分和微生物群落结构及功能。禾草生长提高了甘肃马先蒿群落土壤pH和铵态氮含量,显著降低了速效钾和硝态氮含量,对有机质含量无显著影响。垂穗披碱草生长可显著增加土壤真菌的丰富度,冷地早熟禾生长可显著增加土壤细菌多样性。土壤真菌和细菌群落的相对丰度因种植不同禾草而异;不同禾草生长对土壤养分、土壤微生物多样性、土壤微生物群落结构组成产生直接影响,土壤养分和微生物群落是影响禾草生物量的主要因素。因此,利用禾草对甘肃马先蒿群落退化草地进行改良,有利于草地土壤养分条件的改善和植物生长良好土壤微生物环境的形成。