华南生草栽培果园中不同草种养分效益差异及其微生物机制

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华南红壤果园中化肥的大量使用和果园本身不良的立地条件不利于该区域果园的可持续生产。农业部于2015年提出“化肥使用零增长”行动方案,要求果园生产应采用更科学和可持续性的果园土壤管理方式。充分利用果园生态系统中现有的生物资源、实现可持续的果园土壤管理是一个颇具前景的思路。果园生草栽培体系中,生草草种的引入可以调动土壤中的有益微生物资源,充分发挥其在土壤养分循环和改善土壤肥力等方面的作用。生草栽培对果树生产、果园微域环境、土壤肥力和结构等的促进和改善方面的宏观研究已有大量报道,但是,目前对生草栽培体系中土壤养分循环的微生物机制等方面的微观研究比较缺乏。更为重要的是,禾本科和豆科这两类具有不同生态效应的生草草种对促进土壤养分循环是否具有不同的微生物机制,这一点也需要深入研究。因此,本论文以华南果园常用的生草草种百喜草(Paspalum notatum Flüggé,禾本科)和柱花草(Stylosanthes guianensias,豆科)为试材,分别在田间和实验室进行研究,主要结果如下:(1)红壤果园实施生草栽培3年后,百喜草由于输入土壤的大量生物量以及更深的根系分布,显著增加土壤有机质(SOM)和总球囊霉素土壤相关蛋白含量、土壤总氮(TN)和速效氮(AN)含量;而柱花草的养分效应不明显;百喜草覆盖结合丛枝菌根真菌(AMF)接种处理的土壤养分效应最为明显;生草和接种处理对真菌群落的改变比较强烈;生草增加土壤细菌和真菌群落的α多样性,其中百喜草覆盖结合AMF接种的增加程度最大;百喜草覆盖显著增加土壤细菌数量;土壤TN和总钾、AN分别是影响细菌群落结构和真菌群落结构的重要土壤因子,TN和土壤总有机碳是影响微生物群落养分循环相关功能的重要土壤因子。(2)盆栽试验表明,禾本科和豆科草种不同程度地改变了土壤养分含量,豆科草种根际土壤TN和速效磷(AP)含量显著高于禾本科草种;豆科草种根际土壤细菌群落α多样性显著高于禾本科草种;禾本科和豆科草种均显著增加土壤细菌和真菌数量,并且豆科草种根际土壤真菌增加程度大于禾本科草种;禾本科草种土壤富集了拟杆菌门(Bacteroidetes)细菌,而豆科草种土壤富集了放线菌门(Actinobacteria)和硝化螺旋菌门(Nitrospirae)细菌;3种豆科草种土壤微生物群落结构之间的差异大于3种禾本科草种之间的差异。(3)土壤宏基因组测序表明,柱花草对土壤微生物群落结构和功能的影响效应大于百喜草;对KEGG注释结果而言,柱花草主要增加土壤微生物群落的代谢活性丰度(metabolism),而百喜草则增加遗传信息过程丰度(genetic information processing);对于CAZy注释结果而言,柱花草主要增加糖基水解酶基因丰度,而百喜草则主要增加碳水化合物结合模块和糖基水解酶基因丰度;土壤水溶性代谢物组合显著影响土壤微生物群落结构(壬酸、木酮糖、2-溴十二烷、3-十七碳烯和十七烷)和功能(壬酸、乙酰胺和环己烷);而土壤TN是与微生物群落结构和功能显著相关的土壤因子。(4)柱花草根际土壤CH/Cenz(几丁质酶/胞外水解酶活性之比)高于百喜草和对照(无植物);宏基因组测序数据表明柱花草根际土壤微生物具有更高的氮素同化活性潜能,氮循环微生物群落功能多样性指数显著高于百喜草和对照,但是氮循环微生物群落组成多样性却低于百喜草和对照,柱花草土壤存在较丰富的一般氮循环类群Generalists(即参与多条氮循环路径的类群)。(5)生草不影响土壤无机磷库,但是影响磷组分之间的转化,显著降低磷酸铝盐(Al-P)含量而增加闭蓄态磷(O-P)的含量;柱花草显著增加土壤中稳性有机磷含量,有增加土壤总有机磷含量的趋势,而百喜草则与对照无差异;柱花草显著降低土壤的C/P,增强土壤磷酸酶活性;不同草种根际土壤微生物在群落水平上具有不同的磷获取策略,柱花草根际土壤具有较高丰度的磷矿化基因和3-磷酸甘油转运系统基因、小分子C-P化合物的跨膜转运基因,而百喜草根际土壤含有更高丰度的无机磷转运蛋白基因、磷特异转运系统基因和6-磷酸葡萄糖的反向跨膜运输基因。(6)土壤有机碳(SDC)的含量远高于植物来源的有机碳(PDC),是维持细菌数量的重要有机碳类型;百喜草具有更高含量的PDC,柱花草PDC对微生物利用SDC具有明显的激发效应;PDC对根际微生物具有强烈的选择作用,砂培条件下细菌群落的不相似性和特有OTU比例大于土培群落,SDC的存在减弱了PDC对土壤细菌群落的调控作用。(7)百喜草的存在降低了根系凋落物的降解,柱花草的存在对根系凋落物的降解没有显著影响;生草改变了降解微生物的群落结构和根际土壤养分含量;生草对根系凋落物降解的影响主要是通过对降解微生物群落的调控实现的;因生草引起的土壤养分的改变并不直接与凋落物降解相关,但是可以通过对降解微生物群落的作用间接影响凋落物的降解。(8)生草草种显著影响土壤NO3-含量,β-木糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶活性和氨氧化细菌amoA丰度,影响根际细菌群落结构;根际土壤碳循环(β-葡萄糖苷酶和β-木糖苷酶活性)、氮循环(几丁质酶活性,narG、nirS和nosZ基因丰度)、磷循环(磷酸单酯酶活性和alp基因丰度)功能都具有根际效应;根际微生物群落组成也具有根际效应,两种植物根室微生物群落差异明显,而远根室区域则比较相似;土壤理化性状在更大程度上影响微生物群落养分循环相关水解功能,而微生物群落组成对功能的直接效应则较小。这些结果表明,禾本科植和豆科植物作为生草草种能改变华南红壤果园土壤微生物群落组成和功能潜能,影响果园土壤养分循环。禾本科草种因其较大的有机碳输入而改变土壤有机碳和根际微生物群落,但是对微生物群落组成和功能的影响均没有豆科草种强烈;豆科草种显著改变根际微生物群落结构、功能和土壤氮循环、磷循环过程。本研究中不同草种养分效应的微生物机制表明,生草栽培果园应该根据果园土壤状况选择合适的草种,禾本科和豆科草种混种可能实现双重养分效益。
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