任美霖,王紹明,張 霞,王振楠,楊美玲

石河子大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 石河子 832000

準噶爾盆地南緣兩種典型禾本科植物根鞘土壤微生物群落功能多樣性

任美霖,王紹明*,張 霞,王振楠,楊美玲

石河子大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 石河子 832000

以準噶爾盆地南緣兩種禾本科植物的根鞘與其外圍土壤為研究對象,采用Biolog-ECO微平板檢測法對土壤微生物群落功能多樣性進行了研究。結(jié)果表明：兩種植物根鞘土壤的有機質(zhì)、全氮、速效氮和速效鉀均高于根鞘外圍土壤；兩種禾本科植物根鞘土壤的微生物平均顏色變化率(AWCD)、香農(nóng)多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)和豐富度指數(shù)均高于根鞘外圍土壤；兩種植物根鞘土壤微生物主要利用的碳源類型為羧酸、糖類和聚合物,其中芨芨草根鞘微生物是以利用羧酸、糖類、聚合物和氨基酸類物質(zhì)為主,羽毛針禾根鞘土壤微生物是以利用糖類、氨基酸和聚合物為主；微生物平均顏色變化率與Shannon多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、速效鉀和全氮呈顯著相關(guān)性,除了全鉀以外,與其余的土壤理化指標均存在正相關(guān)性?？偠灾?根鞘結(jié)構(gòu)改善了微生物的生存環(huán)境,提高了土壤微生物群落功能多樣性,從而增強了緩沖外界不利影響的能力。

根鞘；微生物功能多樣性；芨芨草；羽毛針禾

Abstract： The present study investigated two Gramineae species growing in both rhizosheath and non-rhizosheath soils on the southern margin of the Junggar Basin. The Biolog-ECO microplate method was used to study the microbial community functional diversity of these species. The results showed that the organic matter, total nitrogen, available nitrogen, and available potassium in the rhizosheath of the two plant species were higher than in the non-rhizosheath soil. The average well color development (AWCD), Shannon diversity index, evenness index, Simpson index, and richness index were all higher in the rhizosheath soil than in the non-rhizosheath soil; the main carbon sources of microbes in the rhizosheath of the two plant species were carboxylic acids, polymers, and carbohydrates. The main carbon sources of microbes in the rhizosheath ofAchnatherumsplendens(Trin.) Nevski were carboxylic acids, carbohydrates, polymers, and amino acids. The main carbon sources of microbes in the rhizosheath ofStipagrostispennatawere carbohydrates, amino acids, and polymers. Significant correlations with the AWCD were found for the Shannon diversity index, Evenness index, available potassium, and total nitrogen. There were positive correlations with AWCD for all physical-chemical soil properties, except for total potassium. Overall, the rhizosheath enhanced the ability to alleviate negative outside influences by improving microorganism survival and increasing the microbial community functional diversity.

KeyWords: Rhizosheath; microbial functional diversity;Stipagrostispennata;Achnatherumsplendens

準噶爾盆地南緣位于新疆北部天山與阿爾泰山之間,屬中亞荒漠與蒙古荒漠的交匯帶處[1],由平原人工林、山區(qū)天然森林和荒漠河谷次生林構(gòu)成生態(tài)環(huán)境的主體,形成以綠洲邊緣防風(fēng)固沙為裙帶、天然荒漠林為前鋒和農(nóng)田林網(wǎng)為骨架的綠色屏障,對氣候調(diào)節(jié)、準噶爾盆地生態(tài)環(huán)境的改善和古爾班通古特沙漠向外擴張的遏制發(fā)揮著不可估量的作用[2]。但近年來,由于長期的不合理開發(fā)利用,導(dǎo)致沙漠化土地面積擴增、土壤鹽漬化嚴重和流動沙丘數(shù)量增加等現(xiàn)象。因此,準噶爾盆地南緣綠洲的生態(tài)環(huán)境保護和恢復(fù)迫在眉睫。

根鞘是指由土壤顆粒通過根系和微生物分泌的黏液物質(zhì)組成的緊密鞘狀結(jié)構(gòu)[3]。研究到目前為止,發(fā)現(xiàn)具有根鞘結(jié)構(gòu)的植物主要生長在干旱、營養(yǎng)貧瘠的環(huán)境中,且常見于禾本科植物,因而有研究者認為根鞘是植物響應(yīng)惡劣環(huán)境的形態(tài)對策：其形成的土壤連續(xù)體擴大了植物根系和土壤的接觸,有利于養(yǎng)分和水分的吸收[4]；其黏液物質(zhì)為土壤微生物的生長提供了特殊環(huán)境,也為游動孢子的發(fā)育與附著孕育了場所,促進了根鞘內(nèi)特征微生物的大量繁殖,這些微生物在種類、數(shù)量上與非根鞘微生物存在著顯著差別[5]。

微生物群落對土壤中的物質(zhì)和能量循環(huán)至關(guān)重要,如C、N、S循環(huán),尤其是在干旱土壤中[6- 7]。根鞘微生物在代謝過程會分泌大量黏液物質(zhì),其能粘結(jié)土壤顆粒,真菌和放線菌等的菌絲體能夠與根毛一起纏繞捆綁土壤顆粒,在根鞘的形成和穩(wěn)固過程中發(fā)揮了重要作用[5]。同時根鞘微生物的一些代謝產(chǎn)物能夠誘發(fā)固氮微生物的大量生成,從而促進固氮作用。土壤微生物功能多樣性是指土壤微生物群落所能執(zhí)行的功能范圍以及這些功能的執(zhí)行過程,包括土壤微生物的分解功能、營養(yǎng)傳遞功能以及某些特異功能菌促進或抑制植物生長的功能。因此,對于開展根鞘土壤微生物功能多樣性的研究是十分有必要的。

有研究指出土壤團聚體是形成根鞘的直接原因[8],而土壤微生物是土壤團聚體形成的主要因素,但關(guān)于植物根鞘土壤微生物多樣性方面的研究尚未見報道。本研究以準噶爾盆地南緣兩種典型禾本科植物根鞘土壤與其外圍土壤為研究對象,采用Biolog-ECO平板法,比較了兩種植物根鞘與其外圍土壤微生物功能多樣性的差異,并將根鞘土壤微生物功能多樣性與土壤理化性質(zhì)結(jié)合起來綜合研究分析,以期探索根鞘的形成、作用機理,為揭示具根鞘植物對環(huán)境因子的響應(yīng)機理提供新的思路。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于準噶爾盆地南緣綠洲-沙漠過渡地帶,地理位置85°56′ E, 44°44′ N。屬于溫帶干旱氣候,年平均氣溫6—10 ℃,極端氣溫為43 ℃和-42.8 ℃；空氣相對濕度平均在50%—60%；常年降水量在150 mm左右,沙漠腹地僅有70—100 mm,而蒸發(fā)量卻高達2000 mm,是降水量的20—30倍。該區(qū)域為西風(fēng)氣流,年平均風(fēng)速為1.9 m/s,年平均風(fēng)沙日數(shù)約為119 d,起沙風(fēng)(≥6 m/s)集中于4—9月,以4—6月最為強勁。本地區(qū)代表性植物物種有：梭梭、羽毛針禾(Stipagrostispennata)、芨芨草(Achnatherumsplendens)華北駝絨藜(Ceratoidesarborescens)、鶴虱(Lappulamyosotis)、豬毛菜(Salsolacollina)、白莖絹蒿(Seriphidiumterraealbae)、齒稃草(Schismusarabicus)、角果藜(Ceratocarpusarenarius)等。

2 研究方法

2.1 樣品采集

兩種典型的禾本科植物為羽毛針禾(Stipagrostispennata)和芨芨草(Achnatherumsplendens),于2015年10月在新疆石河子農(nóng)八師147團典型沙漠區(qū)的半固定沙丘上隨機選取長勢、植叢大小相似的羽毛針禾單優(yōu)斑塊作為樣地。于2015年9月在新疆奎屯泉溝水庫旁的荒地區(qū)域隨機選取長勢、植叢大小相似的芨芨草單優(yōu)斑塊作為樣地。在樣地內(nèi)設(shè)置3個5×5 m的樣方,每個樣方內(nèi)選取5—10株植株,挖取與根系深度相同的土壤剖面(羽毛針禾根系的挖取深度為40 cm,芨芨草的為40—80 cm),小心采集植株根系土壤,抖落周圍雜土,將完整的根鞘裝入封口袋中,帶回實驗室后將根系上剝離的土作為根鞘土壤樣品(控制在1—2.5 mm以內(nèi)),分別混合；同時在每個樣方內(nèi)采集與植株根系等深度的外圍土壤,進行混合。根鞘土壤樣品與其外圍土壤樣品均放入4 ℃儲存冰箱保存?zhèn)溆?分別用于微生物功能多樣性分析和土壤理化分析。4種土樣類型為芨芨草根鞘土壤(簡化為JG),芨芨草根鞘外圍土壤(JW),羽毛針禾根鞘土壤(YG)和羽毛針禾根鞘外圍土壤(YW)。

2.2 土壤理化性質(zhì)的測定

土壤中有機質(zhì)含量、全氮(TN)、堿解氮(AN)、全磷(TP)、速效磷(AP)含量的測定,具體研究方法參照喬勝英《土壤理化性質(zhì)實驗指導(dǎo)書》[9]。

2.3 土壤微生物群落功能多樣性測定

采用Biolog-ECO微平板檢測法(Biolog-Eco PlateTM)來測定土壤微生物活性和功能多樣性[10-11]。具體操作步驟如下：稱取干重相當(dāng)于10 g的鮮土置于無菌的250 mL三角瓶中,加質(zhì)量比為0.85%的無菌NaCl溶液90 mL,封好口置于搖床震蕩15 min,靜止10 min取上清,將質(zhì)量比為0.85%的無菌Nacl溶液稀釋至10-3,再取其150 μL分別接種到ECO板的每一個孔中,將接種好的ECO板置于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)7 d,每隔12 h 在Biolog-Eco PlateTM讀數(shù)器上讀取590 nm波長的吸光值。

2.4 數(shù)據(jù)處理

對于Biolog數(shù)據(jù),培養(yǎng)96 h的微生物生長代謝處于旺盛時期,因此選取培養(yǎng)時間96 h的試驗結(jié)果進行分析,利用平均顏色變化率(AWCD)來反映微生物活性,均勻度指數(shù)(E)、優(yōu)勢度指數(shù)(D)、Shannon多樣性指數(shù)(H)和豐富度指數(shù)(S)來表示土壤微生物功能多樣性。

計算公式為：

平均顏色變化率(AWCD)

AWCD=∑(Ci-R)/31

式中,Ci為每孔在590nm下的吸光值,R為ECO板上對照孔Ai的吸光值,31為ECO板上碳源的種類數(shù)。Ci-R< 0的孔,全記為零；

Shannon多樣性指數(shù)(H)

H=-∑pi×logpi

式中,pi為第i孔相對吸光值與整個平板相對吸光值總和的比率；

微生物均勻度指數(shù)(E)

E=H/lnS

式中,H為Shannon多樣性指數(shù),S為ECO板中有顏色變化的孔數(shù)目；

微生物優(yōu)勢度指數(shù)(D)

式中,pi為第i孔相對吸光值與整個平板相對吸光值總和的比率；

豐富度指數(shù)(S)：微生物群落利用碳源種類的數(shù)目,即ECO板中顏色變化的孔數(shù)目。

主成分分析和方差分析采用SPSS 19.0軟件完成,Microsoft Excel 2003和Origin 8.5作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同植物根鞘與其外圍土壤化學(xué)性質(zhì)的比較

從表1中可以看出,準噶爾盆地南緣兩種不同植物之間的有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷和速效鉀含量無論根鞘土壤還是其外圍土壤均存在不同程度的差異；芨芨草根鞘土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、速效氮和速效鉀含量均高于根鞘外圍土壤,其中有機質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀含量均到達顯著水平(P<0.05)；羽毛針禾根鞘土壤有機質(zhì)、全鉀、速效氮和速效鉀含量均高于根鞘外圍土壤,其中有機質(zhì)、速效氮和速效鉀均達到顯著水平(P<0.05),且芨芨草根鞘土壤中的各類理化因子的含量均大于羽毛針禾。土壤養(yǎng)分含量的分析表明,根鞘顯著改善了土壤養(yǎng)分尤其是氮素累積情況。

表1 不同土樣類型下土壤化學(xué)性質(zhì)

OM:有機質(zhì),organic matter; TN:全氮,Total Nitrogen; TP:全磷,Total Phosphorus; TK:全鉀,Total Potassium; AN:速效氮,Available Nitrogen; AP:Available Phosphorus; AK:Available Potassium; JG:芨芨草根鞘土壤; JW:芨芨草根鞘外圍土壤; YG:羽毛針禾根鞘土壤; YW:羽毛針禾根鞘外圍土壤(JG,JW,YG,YW均為拼音縮寫);同列不同的字母表示差異顯著(P<0.05)

3.2 不同植物根鞘與其外圍土壤微生物的平均吸光值

圖1 土壤微生物群落AWCD隨時間的動態(tài)變化Fig.1 AWCD dynamics with incubation time

圖2 6類碳源利用強度 Fig.2 Intensely of utilized sunstrates among chemically similar substrate classes

平均吸光值(AWCD)是反映土壤微生物對總體碳源的利用效率,在一定程度上能夠體現(xiàn)土壤微生物種群的數(shù)量和結(jié)構(gòu)特征[12]。從圖1可知,從接種到培養(yǎng)36 h,羽毛針禾和芨芨草根鞘土壤與其外圍土壤的平均吸光值都無明顯的變化趨勢,隨著培養(yǎng)時間的延長,4種不同的土壤樣品中土壤微生物群落的平均吸光值均呈增長趨勢,其中芨芨草根鞘土壤微生物群落的平均吸光值升高最快,芨芨草根鞘外圍土、羽毛針禾根鞘土壤微生物群落平均吸光值次之且趨勢相近,羽毛針禾根鞘外圍土壤微生物群落平均吸光值上升的最為緩慢,且根鞘外圍土相對于根鞘土上升緩慢,表明根鞘外圍土壤微生物活性較根鞘土壤低。

圖3 土壤微生物利用不同類型碳源AWCD的變化Fig.3 variations of AWCD in soil microbial communities CA:羧酸類,CH：糖類,PM：聚合物,AA：氨基酸類,PA：酚酸類,AM：胺類. 圖中不同字母分別表示顯著性差異(P<0.05)

3.3不同植物根鞘與其外圍土壤微生物利用碳源類型的差異

在4種土樣類型中,羽毛針禾和芨芨草根鞘微生物對六類碳源的利用情況存在一定差異,但碳源利用強度總體以羧酸類,糖類和聚合物最高(圖2)。由圖3可知,羽毛針禾和芨芨草根鞘微生物對ECO板中各類碳源的代謝活性明顯高于根鞘外圍土壤,且芨芨草根鞘微生物對各類碳源的利用強度顯著大于羽毛針禾(P<0.05)。芨芨草根鞘微生物對不同碳源的利用除了糖類物質(zhì),其余的都顯著根鞘外圍土壤(P<0.05)；羽毛針禾根鞘微生物只有對氨基酸類物質(zhì)的利用顯著高于根鞘外圍土壤(P<0.05),其余的碳源都是不同程度的大于根鞘外圍土壤。芨芨草根鞘微生物是以利用羧酸、糖類、聚合物和氨基酸類物質(zhì)為主,而其根鞘外圍土壤微生物是以利用糖類、聚合物和羧酸類物質(zhì)為主；羽毛針禾根鞘土壤微生物是以利用糖類、氨基酸類和聚合物為主,其根鞘外圍土壤是以利用糖類、羧酸類和胺類物質(zhì)為主,幾乎沒有利用酚酸類物質(zhì)(圖3)。

3.4不同植物根鞘與其外圍土壤微生物多樣性指數(shù)分析

圖4 不同土壤類型微生物碳源代謝多樣性指數(shù)Fig.4 Diversity index of carbon source metabolism of soil microbe in different soil pattern圖中不同字母分別表示顯著性差異(P<0.05)

Shannon多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)和豐富度指數(shù)可以從不同側(cè)面反映土壤微生物群落功能多樣性,都是目前應(yīng)用最廣泛的群落多樣性指數(shù)。通常把ECO板中顏色變化孔數(shù)作為土壤微生物群落功能多樣性的豐富度指數(shù)。圖4列出了羽毛針禾和芨芨草根鞘土壤及其外圍土壤微生物在培養(yǎng)96 h后所利用碳源的多樣性指數(shù),包括Shannon多樣性指數(shù)(H)、均勻度指數(shù)(E)、優(yōu)勢度指數(shù)(D)和豐富度指數(shù)(S)。的差異。對于Shannon多樣性指數(shù)，根鞘土壤微生物高于其外圍土壤，芨芨草根鞘與其外圍土壤之間無顯著差異，但羽毛針禾根鞘與其外圍土壤之間存在顯著差異(P<0.05)。均勻度指數(shù)、豐富度指數(shù)與Shannon多樣性指數(shù)的趨勢一樣，芨芨草根鞘土壤>羽毛針禾根鞘土壤>芨芨草根鞘外圍土壤>羽毛針禾根鞘外圍土壤，對于均勻度指數(shù)和豐富度指數(shù)前三者之間無顯著差異，但都與羽毛針禾根鞘外圍土壤存在顯著差異(P<0.05)，而優(yōu)勢度指數(shù)是前兩者之間存在顯著差異(P<0.05)，后兩者之間無顯著差異。也就是說，芨芨草根鞘土壤微生物與其外圍土壤在優(yōu)勢度指數(shù)存在顯著性差異，羽毛針禾根鞘土壤微生物與其外圍土壤是在Shannon多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)和豐富度指數(shù)上存在顯著差異。

表2 不同碳源主成分載荷值

3.5 不同植物根鞘與其外圍土壤微生物多樣性的主成分分析

對培養(yǎng)96 h的31種碳源底物利用情況進行主成分分析,共提取了3個主成分,累計貢獻率達到100%,可以很全面地概括變量的全部信息(表3)。其中PC1的方差貢獻率為64.056%,PC2為24.602%,PC3為11.342%。芨芨草根鞘土壤微生物群落在PC1上的得分較高,而其外圍土壤微生物在PC2上的得分較高；羽毛針禾根鞘土及其外圍土壤微生物在PC3上的得分較高,但它們之間存在較大的差異。

ECO板上31種碳源在3個主成分上的載荷值見表2,載荷值越高,表明該種碳源對主成分的影響越大。對于主成分載荷值接近于1.0的碳源進一步分析,影響PC1的碳源有25種,其中糖類5種,羧酸類5種,氨基酸類5種,聚合物4種,胺類和酚酸類各1種,表明影響PC1的碳源主要是糖類、羧酸類和氨基酸類物質(zhì)(表3)。其中對PC1貢獻率較大的碳源主要有D-半乳糖內(nèi)酯、1-磷酸葡萄糖、丙酮酸甲脂、D-半乳糖醛酸、γ-羥丁酸、D-葡萄胺酸、L-精氨酸、L-絲氨酸、腐胺、吐溫40和吐溫80。影響PC2的碳源主要有8種,其中糖類6種,胺類和酚酸類各1種,表明影響PC2的碳源主要是糖類物質(zhì)。其中對PC2貢獻率較大的碳源主要有β-甲基D-葡萄糖苷、D-木糖、I-赤藻糖醇、N-乙酰基-D-葡萄胺、D-纖維二糖、α-D乳糖、苯乙基胺和2-羥基苯甲酸。影響PC3的碳源主要有兩種,其中糖類1種,氨基酸類1種,表明影響PC3的碳源主要是糖類和氨基酸類物質(zhì)。其中對PC3影響較大的碳源為N-乙?；?D-葡萄胺和L-蘇氨酸。綜合表2和表3可知,聚合物、羧酸類化合物、氨基酸和糖類物質(zhì)是根鞘土壤微生物利用的主要碳源。

表3 主成分得分及貢獻率

表4禾本科植物根鞘與其外圍土壤化學(xué)性質(zhì)與微生物功能多樣性的相關(guān)關(guān)系

Table4Thecorrelativecoefficientsamongsoilmicrobialfunctionaldiversityandsoilnutrientsintherhizosheathandnon-rhizosheathsoilunderdifferentplants

相關(guān)系數(shù)Correlativecoefficients有機質(zhì)Organicmatter全氮TotalN全磷TotalP全鉀TotalK速效氮AvailableN速效鉀AvailableK速效磷AvailableP平均顏色變化率AWCD豐富度指數(shù)SShannon多樣性指數(shù)HGini多樣性指數(shù)D均勻度指數(shù)E有機質(zhì)Organicmatter10.98*0.87-0.910.950.96*0.870.950.710.95*0.750.15全氮TotalN10.860.790.850.97*0.710.97*0.570.96*0.580.36全磷TotalP1-0.780.790.730.96*0.710.380.710.640.22全鉀TotalK1-0.99**-0.81-0.82-0.77-0.87-0.80-0.96*0.28速效氮AvailableN10.880.800.840.860.870.92-0.18速效鉀AvailableK10.601.00**0.711.00**0.630.25速效磷AvailableP10.560.430.570.76-0.045平均顏色變化率AWCD10.671.00**0.570.31*豐富度指數(shù)S10.250.88-0.49Shannon多樣性指數(shù)H10.620.25Gini多樣性指數(shù)D1-0.54均勻度指數(shù)E1

S:豐富度指數(shù),Substrate richness; H:Shannon多樣性指數(shù), Shannon diversity index; D: Gini多樣性指數(shù),Gini′diversity index; E:均勻度指數(shù),Evenness index; *P<0.05, **P<0.01

3.6 土壤微生物多樣性與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

土壤微生物群落功能多樣性是其環(huán)境因子的反映,與土壤理化性質(zhì)緊密相關(guān),且互相影響[13]。將H、E、D、S和96 h的AWCD值與土壤理化各指標進行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),96 h的AWCD值與全氮和E之間呈顯著相關(guān)(P<0.05),與速效鉀和H之間呈極顯著相關(guān)(P<0.01),除了全鉀以外,與其余的土壤理化因子之間雖未呈顯著相關(guān)性,但都存在正相關(guān)關(guān)系(表4)。由此表明氮素是制約根鞘微生物生長的重要因子,養(yǎng)分含量的提升,有助于微生物的生長,繼而提升其對碳源的利用率,不僅如此速效鉀可能是根鞘微生物功能多樣性變化的驅(qū)動因素。

4 討論

4.1 根鞘具有潛在的保肥生態(tài)功能

前人研究表明,在惡劣的環(huán)境中根鞘結(jié)構(gòu)能夠使植物來抵抗不良的環(huán)境,并在植物-微生物-土壤互作中不斷地提高植物對生境的適應(yīng)性[5]。羅麗朦等以扁穂冰草為研究對象,對其根鞘土壤和周圍環(huán)境土壤的理化性質(zhì)進行了比較研究,得到根鞘土壤的有機質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀都高于周圍環(huán)境土壤[4]。根鞘土壤中較高的含水率很大程度上確保了其生境中土壤養(yǎng)分的有效性[5](表1),芨芨草根鞘土壤有機質(zhì)、全氮、全磷和速效鉀顯著高于根鞘外圍土壤,且羽毛針禾根鞘土壤有機質(zhì)、全氮、速效氮和速效鉀顯著高于根鞘外圍土壤。這些結(jié)果說明,根鞘提高了土壤中有機質(zhì)、全氮和速效鉀等植物生長必須的養(yǎng)分,發(fā)揮了保持肥力的生態(tài)功能,這與羅麗朦等學(xué)者的研究一致。而造成這些現(xiàn)象的原因可能是(1)植物根系分泌物為微生物提供了碳源,微生物的代謝產(chǎn)物和部分固氮菌的存在提高了土壤養(yǎng)分；Othman A A.對Panicumturgidum和Stipagroscoparia根鞘內(nèi)的微生物進行研究,發(fā)現(xiàn)存在種類和數(shù)量較為豐富的固氮菌[14]。隨后吳楠等也從羽毛針禾根鞘土壤中分離得到了草木樨劍菌,該菌具有較強的固氮作用,提高了土壤的全氮含量[15]。(2)根鞘內(nèi)的植物根系分泌物和微生物代謝產(chǎn)物的聚集,從而提高了根鞘的土壤肥力；(3)根鞘擴大了植物根系與土壤的接觸面積,有利于吸收根鞘外圍土壤中養(yǎng)分；(4)植物在生長過程中的枯枝敗葉、一些死亡的根組織沉積導(dǎo)致根鞘土壤養(yǎng)分含量升高[5]。并且本研究表明,土壤質(zhì)地對根鞘的形成有很大的影響。芨芨草根鞘土壤理化因子含量都顯著高于羽毛針禾根鞘土壤(表1),可能是由于芨芨草的生境是鹽堿土壤,而羽毛針禾是沙土,這與張科等學(xué)者的研究結(jié)果一致[16]。有學(xué)者指出,土壤理化性的差異能影響土壤微生物的活動、分布及其多樣性[17],對于根鞘植物-微生物-土壤之間的復(fù)雜關(guān)系,還需研究者們繼續(xù)深入研究。

4.2 土壤微生物在根鞘形成過程中的生態(tài)學(xué)作用

土壤微生物群落對Biolog-ECO微平板中碳源的情況的不同反映了土壤中微生物群落代謝功能的差異[18]。Biolog微平板中有6種碳源類型,31種碳源,其中單孔的顏色變化體現(xiàn)了土壤微生物群落代謝活性的大小和對碳源的利用能力,其值越大,說明土壤微生物群落的代謝活性越大[19]。本研究中,在0—36 h微生物處于適應(yīng)期階段,在36 h之后,微生物逐漸進入對數(shù)增長期,并在144 h后基本進入穩(wěn)定期,不同土壤樣品微生物平均光密度值隨時間變化均呈近“S”形曲線,符合微生物利用基質(zhì)生長的一般規(guī)律[20](圖1)。在整個溫育期內(nèi),根鞘土壤的AWCD都高于其外圍土壤,且芨芨草土樣的AWCD都高于羽毛針禾的土壤樣品,即JG>JW>YG>YW,這結(jié)果與土壤有機質(zhì)含量的趨勢一致(表1)。Zhao等研究指出土壤中較高的有機質(zhì),可能會提高土壤微生物功能多樣性[21],這可能是由于供土壤微生物利用的碳源增加的原因。本文進一步證明了,土壤中較高的有機質(zhì)含量,可以提高土壤微生物群落的代謝活性。

本研究結(jié)果顯示,植物根鞘利用碳源的強度顯著高于根鞘外圍土壤,芨芨草和羽毛針禾根鞘土壤微生物利用的主要碳源類型為羧酸類、糖類和聚合物(圖2,圖3)。羧酸類物質(zhì)是植物根系分泌物的主要組成部分,與養(yǎng)分的有效性有關(guān)。糖類物質(zhì)是微生物利用最廣的碳源類型,是根鞘中黏液的主要組成部分[11],其粘結(jié)作用能夠粘性膠結(jié)土壤顆粒,并且它還具有吸水、親水和保水的作用,從而影響土壤團聚體的比例和結(jié)構(gòu),是根鞘形成過程中主要的影響因素[8]。同時,也有學(xué)者認為,糖類不僅是能源物質(zhì),還是對應(yīng)脅迫或外界干擾時的緩沖物質(zhì),有利于維持植物的合適度,在植物抗逆性和維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性方面發(fā)揮著重要作用[22],體現(xiàn)了根鞘的生態(tài)功能。土壤微生物利用的聚合物主要包括蛋白質(zhì)和纖維素等,其主要來源于植物根系,楊震宇等也對此進行了驗證[23]。

微生物群落多樣性指數(shù)是體現(xiàn)物種均勻度和豐富度的綜合指標,其變化能夠體現(xiàn)群落功能多樣性總體的變化趨勢,但選用的多樣性指數(shù)不同,研究結(jié)果也會有所不同[24]。Shannon指數(shù)能客觀地反映物種的豐富度和均勻度,微孔中能被利用的碳源越多,利用強度越大,則Shannon指數(shù)也越大[25]。Shannon多樣性指數(shù)(H、D、E)和豐富度指數(shù)(S)是表示群落多樣性的最常用指標。有研究表明Achnatherumhymenoides、Calamovilfalongifolia、Hesperodtipacomata、Pascoyrumsmithii等植物根鞘土壤中的微生物數(shù)量及多樣性遠高于松散沙土[14,26]。而本研究結(jié)果與之類似,微生物均勻度指數(shù)、Shannon多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)的總體趨勢為芨芨草根鞘土壤>羽毛針禾根鞘土壤>芨芨草根鞘外圍土壤>羽毛針禾根鞘外圍土壤,表明植物根鞘土壤微生物的均勻度和豐富度均高于根鞘外圍土壤,可能與植物種類、土壤質(zhì)地和土壤理化等因素有關(guān),這與安韶山等人的研究結(jié)果一致[27](圖4)。

主成分分析表明根鞘對土壤微生物的碳源利用能力影響顯著,提高了土壤微生物群落代謝能力。芨芨草根鞘土壤樣品在PC1得分最高,芨芨草根鞘外圍土壤樣品在PC2上得分最高,羽毛針禾根鞘土壤樣品在PC3上得分最高,其中芨芨草根鞘土壤樣品和其根鞘外圍土壤樣品在PC1上有較大分異,羽毛針禾根鞘土壤樣品與其根鞘外圍土壤樣品在PC2上有較大分異,表明根鞘改變了其土壤微生物群落功能多樣性,而這種改變是由根鞘微生物對PC1和PC2上相關(guān)系數(shù)較高的碳源的差異利用所引起的,這與孟慶杰[28]等的研究結(jié)果相一致。芨芨草根鞘土壤樣品和羽毛針禾根鞘土壤樣品在PC1上有較大分異,表明芨芨草根鞘微生物與羽毛針禾根鞘微生物對PC1上相關(guān)系數(shù)較高的碳源具利用具有較大的差異,即對糖類物質(zhì)、羧酸類物質(zhì)和氨基酸類物質(zhì)的利用具有明顯的差異,可能與根系分泌物的組成和根鞘微生物的組成有關(guān)。

4.3 根鞘土壤微生物與土壤理化指標之間的關(guān)系

土壤微生物不僅能調(diào)節(jié)土壤有機質(zhì)和一些主要營養(yǎng)元素(如C、N、P、S等)的生物轉(zhuǎn)化過程,還影響著土壤的理化性質(zhì),如土壤pH變化和土壤的團聚體的形成等[29]。同樣,土壤理化性質(zhì)也影響著土壤微生物活性及其多樣性[30]。本研究結(jié)果顯示,土壤微生物群落代謝活性與全氮和速效磷呈顯著相關(guān)性(P<0.05,表6),且除了全鉀以外,其余的土壤理化指標指標都存在正相關(guān)性,表明土壤理化性質(zhì)和碳源物質(zhì)的來源等是影響土壤微生物多樣性的主要因素,進一步證明氮素是影響微生物群落的重要因素。

5 結(jié)論

(1)植物根鞘土壤的Biolog分析參數(shù)(包括AWCD以及功能多樣性指數(shù))均大于根鞘外圍土壤,體現(xiàn)了根鞘土壤微生物具有較高的功能多樣性,說明根鞘結(jié)構(gòu)顯著提高了土壤微生物群落的物種豐富度和分布均勻度,增強植物緩沖外界不利影響的能力,也進一步證明了根鞘的保護功能。

(2)氮素影響根鞘微生物群落的主要因素,這可能是參與氮循環(huán)的微生物群落對氮素利用的結(jié)果,進一步證明了微生物的氮循環(huán)以及參與氮循環(huán)的微生物群落在生態(tài)系統(tǒng)中的重要地位。

(3)不同植物的根鞘微生物對碳源的利用存在一定的差異,但都以糖類、氨基酸類和聚合物為主。通過分析根鞘微生物對不同碳源的利用,探討根鞘微生物群落的組成,為根鞘的形成機制提供理論依據(jù)。

(4)在準噶爾盆地南緣建立羽毛針禾固沙植被和芨芨草植被,能夠提高該生境土壤微生物群落的代謝多樣性,改善土壤結(jié)構(gòu),為更多微生物種群的發(fā)育和繁殖提供有力的條件,從而增加土壤微生物的多樣性。芨芨草作為中等品質(zhì)飼草,大量種植還可以解決冬春季節(jié)大牲畜的飼草問題。

本研究中,植物根鞘土壤的Biolog分析參數(shù)(包括AWCD以及功能多樣性指數(shù))和土壤中主要的理化指標均大于根鞘外圍土壤,顯現(xiàn)出根鞘所形成的獨特微環(huán)境在其土壤理化性質(zhì)的改善和微生物功能多樣性提高之間的相互響應(yīng),它的保肥特性為土壤微生物提供了有利的生存條件,優(yōu)化了微生物群落結(jié)構(gòu),從而使土壤微生物功能多樣提高。因此,從土壤微生物功能多樣性方面來探討根鞘的形成、作用機制是十分必要的?？偠灾?植物的根鞘結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生一定的生態(tài)正效應(yīng),為準噶盆地的生態(tài)恢復(fù)提供重要的參考依據(jù)。

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RhizosheathsoilmicrobialfunctionaldiversityoftwotypicalGramineaeplantsinthesouthernmarginoftheJunggarbasin

REN Meilin, WANG Shaoming*, ZHANG Xia, WANG Zhennan, YANG Meiling

CollegeofLifeScience,ShiheziUniversity,Shihezi832000,China

新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團社會發(fā)展科技攻關(guān)與成果轉(zhuǎn)化計劃項目(2015AD023)

2016- 05- 31; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 04- 24

10.5846/stxb201605311044

*通訊作者Corresponding author.E-mail: westwild@vip.sina.com

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