不同種植方式對綠洲農(nóng)田土壤酶活性與微生物多樣性的影響

　　摘要：研究了玉米連作10年、小麥連作8年-棉花連作10年、棉花連作15年和棉花6年-6年小麥/油葵輪作4種種植方式對土壤過氧化氫酶、蔗糖酶、芳基硫酸酯酶、脫氫酶和蛋白酶活性的影響，并分析了土壤細(xì)菌、真菌、氨氧化古菌與氨氧化細(xì)菌對北疆綠洲農(nóng)田不同種植方式的響應(yīng)．結(jié)果表明:不同種植方式對土壤過氧化氫酶、芳基硫酸酯酶、脫氫酶和蛋白酶活性影響明顯，但對蔗糖酶無顯著影響;對氨氧化古菌多樣性指數(shù)有顯著影響，對土壤細(xì)菌、真菌和氨氧化細(xì)菌多樣性指數(shù)無明顯影響．土壤真菌和氨氧化細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)對不同種植方式的響應(yīng)較細(xì)菌和氨氧化古菌敏感．長期棉花連作使綠洲農(nóng)田土壤酶活性下降，微生物群落多樣性降低，而輪作可提高土壤酶活性和微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性．

　　關(guān)鍵詞：連作;土壤酶活性;微生物多樣性;輪作;PCＲ-DGGE

　　維持土壤微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性對提高農(nóng)田生產(chǎn)力、抑制土傳病害及增強土壤緩沖能力具有重要意義．微生物廣泛參與土壤C、N、P、S等養(yǎng)分循環(huán)，是土壤有機物降解轉(zhuǎn)化的驅(qū)動力．土壤氮的生物小循環(huán)是地球大循環(huán)中最重要的物質(zhì)循環(huán)，而氨氧化過程是整個氮循環(huán)過程的限速步驟．土壤微生物分泌的各類酶與土壤各種生物轉(zhuǎn)化過程緊密相關(guān)，土壤酶活性可表征土壤生物活性．土壤微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性與生物活性對農(nóng)業(yè)活動中各種人為擾動有敏感的響應(yīng)．賈志紅等［1］利用PCＲ-DGGE技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，烤煙輪作土壤微生物多樣性較連作高;棉花連作致使土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)多樣性發(fā)生較大變化［2］．在新疆綠洲地區(qū)，棉花連作5～10年土壤酶活性明顯降低［3］．李坤等［4］得出葡萄連作使土壤細(xì)菌、真菌種群發(fā) 生 變 化．長期連作影響土壤中氨氧化古菌(ammoniaoxidizingarchaea，AOA)的群落組成，使土壤氨氧化 細(xì) 菌(ammoniaoxidizingbacteria，AOB)的組成趨于單一，同時也使 得AOB優(yōu) 勢 種 群 富 集［5］．宋亞娜等［6］報道，AOA對紅壤硝化作用的影響程度較大．而輪作能有效克服連作障礙，提高土壤微生物多樣性［7］．綜上，不同種植方式可導(dǎo)致土壤生物活性與微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性發(fā)生變化．

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　　1.材料與方法

　　1.1試驗設(shè)計

　　選取北疆綠洲長期種植作物的大田，分 別 為T1:玉米連作10年，樣地面積0．7hm2;T2:小麥連作8年-棉花連作10年，樣地面積0．5hm2;T3:棉花連作15年，樣地面積1hm2;T4:棉花6年-6年小麥/油葵輪作，樣地面積3hm2．土壤類型為典型灌耕灰漠土(calcaricfluvisal)．

　　1.2樣品采集

　　采用多點混合法以“S”型路線在樣地上采集土壤，在樣點附近取12鉆為1個混合樣，共采集3個混合樣．土樣采集后一部分存放在4°C冰箱，用于測定酶活 性．另一部分存放在－80°C冰 箱，用 于 土 壤DNA提取和后續(xù)PCＲ-DGGE分子生物學(xué)指標(biāo)測定．

　　2.結(jié)果與分析

　　2.1不同種植方式對土壤酶活性的影響

　　過氧化氫酶、蔗糖酶、芳基硫酸酯酶、脫氫酶及蛋白酶主要參與土壤有機碳、氮、硫的生物轉(zhuǎn)化與循環(huán)．由表2可知，不同種植方式對過氧化氫酶、芳基硫酸酯酶、脫氫酶和蛋白酶活性均有明顯影響．棉花6年-小麥6年連作/油葵輪作(T4)處理的過氧化氫酶(CAT)活性最高，分別比玉米連作10年(T1)、小麥連作8年-棉花連作10年(T2)和棉花連作15年(T3)的CAT活 性 高8．2%、2．0%和6．7%．T4處 理 的脫 氫酶(DHO)活性也最高，分別比T1、T2和T3處理的DHO活性高15．4%、14．3%和29．6%．芳基硫酸酯酶活性表現(xiàn)為:T4＞T2＞T1＞T3．蛋白酶活性則以T2處理下最高，其次為T4處理，T1處理最低．不同種植方式對土壤蔗糖酶的影響差異不顯著．T4處理的各種酶活性處在一個比較高的水平，說明輪作有利于北疆綠洲農(nóng)田保持較高的土壤酶活性，而長期連作使土壤酶活性明顯下降．

　　2.2不同種植方式對細(xì)菌、真菌群落結(jié)構(gòu)的影響

　　對不同種植方式下土壤細(xì)菌、真菌的DGGE指紋圖譜進行主成分分析(principalcomponentanaly-sis，PCA) ，其因子載荷可反映土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)的變化．由圖1A可以看出，土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)遺傳多樣性的2個主成分PC1和PC2分別代表總變量的21．3%和19．0%．在相似度為80%情況下，棉花連作15年(T3)處理的土壤細(xì)菌群落在第1主成分軸上(PC1)明顯不同于棉花6年-6年小麥/油葵輪作(T4)處理，由第2主成分軸同樣發(fā)現(xiàn)，T4處理 細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)明顯不同于T3處理，玉米連作10年(T1)、小麥連作8年-棉花連作10年(T2)兩處理細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與T3處理比較接近．表明綠洲農(nóng)田不同種植方式對土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)有明顯影響．土壤真菌群落的2個主成分PC1和PC2分別代表總變量的28．2%和24．9%，累 計 方 差 貢 獻(xiàn) 率 為53．1%(圖1B)．在相似度為73%水平下，土壤真菌群落結(jié)構(gòu)在第1主成分軸把T3和T4聚為一類，且明顯有別于T1和T2;在第2主成分軸上T1處理的真菌群落結(jié)構(gòu)則顯著不同于T2處理．說明不同種植方式改變了土壤真菌群落結(jié)構(gòu)，且綠洲農(nóng)田土壤真菌群落結(jié)構(gòu)對不同作物長期種植的響應(yīng)比細(xì)菌敏感．

　　3討論

　　存在于農(nóng)田土壤中的過氧化氫酶、蔗糖酶、芳基硫酸酯酶、脫氫酶、蛋白酶，對土壤中C、N、P、S等主要營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)轉(zhuǎn)化起著重要的作用［18］．棉花6年-6年小麥/油葵 輪 作(T4)處理中過氧化氫酶、蔗糖酶、芳基硫酸酯酶、脫氫酶活性均高于其他3個處理，而蛋白酶活性則在小麥連作8年-棉 花 連 作10年(T2)處理出現(xiàn)最高值，其次為T4，T1最低．原因可能是T2長期秸稈還田提供了充足的氮源和適宜的根際微生態(tài)環(huán)境，所以有較高的蛋白酶活性．

　　土壤微生物群落功能與遺傳結(jié)構(gòu)多樣性間存在著復(fù)雜的關(guān)系，農(nóng)田土壤功能的發(fā)揮依賴于穩(wěn)定的土壤生物群落結(jié)構(gòu)和豐富的群落多樣性．研究普遍認(rèn)為，長期連作會使土壤由“細(xì)菌型”向“真菌型”轉(zhuǎn)化．如董艷等［19］研究發(fā)現(xiàn)，土壤真菌數(shù)量隨設(shè)施大棚年限增加而逐漸升高，種植10年和20年的細(xì)菌/真菌比(B/F)顯著低于露地土壤．作物輪作則可明顯增加土壤細(xì)菌和放線菌數(shù)量，顯著降低真菌數(shù)量，且輪作方式下土壤微生物的多樣性較高，尤其是土壤細(xì)菌群落多樣性明顯提高．

　　本文主成分 分 析 表 明，棉 花6年-6年 小 麥/油葵輪作(T4)處理細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)明顯區(qū)別于棉花連作15年(T3)處理，玉米連作10年(T1)、小麥連作8年-棉花連作10年(T2)兩處理細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與T3處理比較接近，但通過對DGGE指紋圖譜的多樣性指數(shù)進一步分析發(fā)現(xiàn)，無論細(xì)菌還是真菌的多樣性指數(shù)(Shannon指數(shù)與Simpson指數(shù))在各處理間并無顯著差異．輪作處理細(xì)菌多樣性并沒有明顯優(yōu)于連作處理，反而是T1和T3的細(xì)菌多樣性指數(shù)略高于T4，這與前人研究結(jié)果［1，4］不一致．可能是由于長期連作條件下，土壤異養(yǎng)微生物對土壤化感物質(zhì)的分解能力增強而引起其多樣性指數(shù)增加［20－21］，當(dāng)連作年限達(dá)到一定限度，土壤與作物根系環(huán)境篩選出適宜的菌群，細(xì)菌多樣性趨于新的相對穩(wěn)定狀態(tài)．此外，新疆綠洲農(nóng)田長期秸稈還田對土壤有機質(zhì)含量和組成有一定影響，加之根系分泌物參與腐殖質(zhì)形成，給土壤菌群繁殖生長提供了豐富的碳源與氮源，這些因素均可改變土壤微生態(tài)環(huán)境，并影響微生物群落與多樣性．如李鑫等［22］報道，鹽堿土pH和鹽度是制約微生物群落多樣性的主要因素;Marschner等［23］研究表明，施用有機肥可使細(xì)菌/真菌 的 比 例提高，且細(xì)菌群落多樣性會受到土壤有機碳與C/N的影響．

　　參考文獻(xiàn):

　?。?］JiaZ-H(賈志紅) ，YiJ-H(易建華) ，SuY-Ｒ(蘇以榮) ，etal．Diversitycomparisonofsoilbacteriacommu-nitiesinrotationandcontinuousflue-curedtobaccocrop-ping．EcologyandEnvironmentalSciences(生態(tài)環(huán)境學(xué)報) ，2010，19(7) :1578－1585(inChinese)

　　［2］ZhangW(張偉) ，ChenY-F(陳一峰)．AnalysisofthebacterialcommunitiesincontinuouscottonfieldsofXinjiangProvince．ActaEcologicaSinica(生態(tài)學(xué)報) ，2014，34(16) :4682－4689(inChinese)

　　［3］LiuJ-G(劉建國) ，ZhangW(張偉) ，LiY-B(李彥斌) ，etal．Effectsoflong-termcontinuouscroppingsystemofcottononsoilphysical-chemicalpropertiesandactivitiesofsoilenzymeinoasisinXinjiang．ScientiaAgriculturaSinica(中 國 農(nóng) 業(yè) 科 學(xué)) ，2009，42(2) :725－733(inChinese)

　　李銳 劉瑜褚 貴新

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