荒坡地种植巨菌草对土壤微生物群落功能多样性及土壤肥力的影响

2014-09-19林兴生林占熺林冬梅罗海凌胡应平林春梅朱朝枝

生态学报 2014年15期

林兴生, 林占熺,*, 林冬梅, 林辉, 罗海凌, 胡应平, 林春梅, 朱朝枝

(1. 福建农林大学菌草研究所，福州 350002； 2. 国家菌草工程技术研究中心，福州 350002；3. 福建农林大学金山学院，福州 350002)

1986年，福建农林大学发明了“以草代木”栽培食、药用菌技术，经过20多年的研究和拓展，该技术已发展形成菌草优良品种选育，菌草栽培与加工，菌草生物转化(菌草栽培食、药用菌)及菌草综合利用(包括菌草菌物饲料、菌草生物质材料、生物质能开发，菌草生态治理等)的系列技术与工艺，称为菌草技术。菌草是指可作为食用菌、药用菌培养基并有综合开发利用价值的草本植物。菌草技术具有太阳能利用率高、资源利用率高、投资少、周期短、见效快等优点，利用菌草技术发展菌草业，既能增加农民收入，脱贫致富，又能改善生态环境，把社会、经济、生态三大效益有机结合起来。菌草技术已传播到87个国家，已在我国31个省、市的386个县(市)应用[1-3]。

福建农林大学已筛选出45种菌草，其中巨菌草(Pennisetumsp.)是在2005—2007年，福建农林大学菌草研究所与南非夸祖鲁奈塔尔省开展菌草技术合作期间，从南非引进的一种草，因当地生长时植株特别高大，故暂定名巨菌草，隶属禾本科狼尾草属，多年生，适宜在热带、亚热带、温带生长和人工栽培。经初步试验，它与国内其他狼尾草存在一定区别，目前正在申报新品种认定。巨菌草属典型的C4植物，太阳能转化率是阔叶树的4—7.46倍，年产鲜草达200—400 t/hm2，粗蛋白含量高(种植4周达10.8%)，其植株高大直立、丛生，一般为3—5 m，测得最高7.08 m，根系发达，抗逆性强。巨菌草具有适应性强、利用期长、生物量高、营养价值和适口性好等特点，其用途广泛，既可作为优质的食、药用菌生产原料(代替木屑栽培，不仅生物学效率高，而且品质好)，又可作为饲料(发展养殖，如养牛、羊、鹿、鹅、鱼)，还可利用其代煤发电，生产沼气及治理水土流失等，是一种具有较大种植潜力和社会经济生态效益的草种[4]。

土壤微生物的生理功能多样性和群落功能多样性与地上植物生长有密切关系，一方面植物通过改变土壤微生物群落特征影响土壤环境[5]，另一方面土壤微生物在土壤有机质分解和生态系统养分循环的过程中发挥着关键作用，影响植被的发育与演替[6]。不同的植物对土壤微生物群落的影响不同[7]，土壤微生物群落功能多样性反映了土壤微生物群落的生态特征，相关研究集中于施肥、农药、耕作方式及不同群落对土壤生物群落功能多样性的影响[8-10]，也有关于转基因棉、化感水稻对土壤生物群落功能多样性的报道[11]，有研究表明稻草还田[12]、不同腐熟程度有机物料[13]、玉米免耕秸秆覆盖[14]、毛竹凋落物都会对土壤微生物群落功能多样性产生影响。此外，汪仲琼等[15]比较了人工和天然湿地芦苇根际土壤细菌群落结构多样性；韩玉竹等[16]研究了象草根际微生物的种类、数量和时空分布动态；曾艳等[17]综述了互花米草对土壤生态系统的影响。关于草与土壤肥力方面，前人研究了紫花苜蓿、百喜草、红豆草、生草、稗草、多年生禾草对土壤肥力的影响，认为果园生草具有保持水土，优化果园生态环境，提高土壤肥力等优点[18-21]。目前尚未见关于巨菌草对土壤微生物群落功能多样性及肥力影响的报道，本文研究了在荒坡地种植巨菌草对土壤微生物群落功能多样性及土壤肥力的影响，旨在为荒坡地发展巨菌草提供科学依据，以期在开发利用巨菌草时，能形成社会、经济、生态三大效益共赢。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点在福建省闽清县丰达生态农业大观园菌草示范基地，地理坐标为25°55′—26°33′N， 118°30′—119°01′E，年降水量1400—1900 mm，年均气温19.7 ℃，境内年平均地面温度为21—23 ℃，最高值平均为37.3 ℃，最低值平均为15.3 ℃，极端高温曾达40 ℃，极端低温-7 ℃。福建闽清丰达生态农业大观园原为荒山荒坡地，后逐步开发为生态农业园，2006年该基地通过福建太阳草生物技术有限公司从福建农林大学引进巨菌草并在荒坡地种植，采用扦插法，将巨菌草茎秆截成段，每段2节，株行距为60 cm×80 cm。此后该基地每年均种植巨菌草，用于园内的水土保持、食用菌种植、牛羊鱼饲养和旅游观光等。

1.2 样地设置与样品采集

在福建闽清丰达生态农业大观园菌草示范基地，土壤分别取自种植于荒坡生长年限不同(1、2、3、5a)的巨菌草草地和未种植巨菌草的对照地，分别选择3块具有代表性的草地，每块草地面积为1 m × 1 m，先除去地表的凋落物层，然后采用5点梅花法取样，垂直钻取0—20 cm 的土壤，充分混匀，除去植物残体、根系、石块等杂物，用无菌自封袋封装。将土样分为2组：一组土样置于4 ℃的冰箱，用于测定土壤微生物群落功能多样性，另一组土样风干后用于测定土壤养分。

1.3 研究方法

1.3.1 Biolog-Eco分析

采用 31 种碳源的生态板(Biolog-Eco)分析微生物群落的代谢特征，生态板有96个孔，3份重复，每份重复有32孔(包括31个单一碳源孔和1个对照孔)。称取10 g鲜土(称量前测量含水量)，加入90 ml无菌生理盐水中稀释，用摇床振荡30 min，静止沉淀3—5 min，然后进行100 倍稀释，以每孔150 μL 稀释液加入微孔板中，将制备好的菌悬液倒入无菌移液槽中，使用八孔移液器将其接种于微平板的 96 孔中。接种好的微平板放到铺有6层纱布的塑料盒中，为防止微平板鉴定孔中的菌悬液挥发，纱布保持一定的湿度，塑料盒用保鲜膜包裹，保鲜膜上用注射针头扎若干个小眼，以保证微生物的培养所需要的氧气，Eco 生态板置于 30 ℃恒温箱避光培养，分别于培养24、48、72、96、120、144 h 时用ELISA 反应微平板读数器在590 nm 处读取吸光值。

1.3.2 颜色平均变化率测定

土壤微生物群落 ELSIA反应采用 Biolog-Eco平板每孔平均颜色变化率(Average Well Color Development, AWCD)表示

AWCD = ∑(C-R)/n

式中,C为所测定的碳源孔的吸光值，R为对照孔的吸光值，n为培养基碳源种类数(本研究中为31)。

1.3.3 土壤微生物群落功能多样性指数计算

以培养96 h土壤微生物利用单一碳源的AWCD情况，参照植物生态学中的方法[8]计算：

Brillouin指数

H=(1/N) ln [N! / (n1!n2!n3! …)]

Shannon均匀度E=H′/ lnS

式中,S为颜色变化孔的数目；ni为第i孔的相对吸光值，N为吸光值总和。

1.3.4 土壤理化性质分析

有机质采用K2CrO7容量法测定，速效钾采用NH4OAc浸提-火焰光度法测定，有效磷采用钼锑抗比色法测定，碱解氮采用碱解扩散法测定。

1.4 数据统计分析

数据统计、主成分分析采用SPSS16.0软件，主成分作图用Canodraw软件。

2 结果与分析

2.1 不同生长年限的巨菌草土壤微生物功能多样性的Biolog分析

2.1.1 碳源平均颜色变化率(AWCD)随时间变化

随培养时间延长，土壤微生物对不同碳源的利用程度增大，培养72—96 h变化最明显，培养144 h后各土壤AWCD值均达到最大值。不同生长年限巨菌草土壤微生物对多聚物、氨基酸代谢的AWCD 值大小依次为：2年生> 3年生> 1年生> 5年生>CK，最高的是2年生，培养144 h多聚物、氨基酸代谢的AWCD分别是CK的1.98倍、1.75倍；对羧酸、酚酸代谢的AWCD 值大小依次为：2年生> 1年生> 5年生>3年生> CK，最高的是2年生，培养144 h羧酸、酚酸代谢的AWCD分别是CK的1.68倍、2.00倍；对糖类代谢的AWCD 值大小依次为：3年生> 2年生>5年生>1年生>CK，最高的是3年生，培养144 h的AWCD是CK的2.18倍；对胺类代谢的AWCD 值大小依次为：3年生> 2年生> 1年生> 5年生>CK，最高的是3年生，培养144 h的AWCD是CK的2.96倍。综合看不同生长年限的巨菌草土壤AWCD 值大小依次为：2年生> 3年生> 1年生> 5年生>CK，不同生长年限的巨菌草土壤AWCD值均比对照高，且差异显著，2年生AWCD 值最高，其次为3年生，1年生、5年生巨菌草土壤AWCD值差异不显著(图1)。

2.1.2不同生长年限巨菌草土壤微生物利用碳源主成分分析

根据培养96 h土壤微生物利用单一碳源的AWCD值，对不同土壤微生物利用单一碳源特性进行主成分分析，结果表明，从31个碳源中提取的与土壤微生物碳源利用相关的主成分8个，其中主成分1至主成分8分别能够解释变量方差的25.39%、18.89%、11.28%、9.31%、6.84%、5.60%、5.26%、4.71%，合计解释变量方差的87.27%。CK全部分布于主成分1、2的负端，除了5年生巨菌草外，1年生、2年生巨菌草主要分别于主成分1的负端和主成分2的正端，3年生巨菌草主要分布于主成分1的正端和主成分3的负端，均与CK差异显著(p<0. 05)，主成分1、主成分2能够区分不同生长年限巨菌草土壤的微生物群落特征，2年生、3年生巨菌草土壤微生物功能多样性与CK相比，发生了显著的变化(图2)。对主成分的得分系数与单一碳源AWCD 进行相关分析表明，与主成分1显著相关的碳源主要是糖类(D-木糖 D-xylose、β-甲基-D-葡萄糖β-Methyl-D-glucose、葡萄糖-1-磷酸Glucose-1-Phosphate)，氨基酸(L-精氨酸L-Arginine、谷氨酰-L-谷氨酸Glycyl-L-Glutamic acid)，羧酸(D-苹果酸 D-Malic acid)和多聚物(D-甘露醇 D-Mannitol)，与主成分2显著相关的碳源主要是氨基酸(L-丝氨酸 L-serine)。

2.1.3不同生长年限巨菌草土壤微生物利用培养基的多样性指数[13]

土壤微生物群落利用碳源类型的多与少可以用各种的多样性指数表示。从表1可看出，McIntosh指数不能区分不同生长年限巨菌草土壤微生物群落利用碳源类型的多与少差异，Simpson指数不能区分不同生长年限巨菌草土壤微生物群落利用碳源类型的差异，Shannon (H)、均匀度、Brillouin均能在一定程度上反映不同生长年限巨菌草土壤的利用碳源类型差异，不同生长年限的巨菌草在Shannon (H)、均匀度、Brillouin指数均高于CK，且差异显著(P<0.05)，2年生与3年生差异不显著，1年生与5年生差异不显著。

图1 不同生长年限巨菌草土壤微生物碳源平均颜色变化率(AWCD)

图2 不同生长年限巨菌草土壤微生物利用碳源主成分

表1不同生长年限的巨菌草土壤微生物利用培养基多样性指数

Table1DiversityindexoftheculturemediumutilizationofsoilmicrobesofGiantJuncaowithdifferentgrowthyears

生长年限Growth years辛普森Simpson(J)香农Shannon(H)均匀度Evenness布里渊Brillouin麦金塔McIntosh(DMC)对照CK0.9781±0.0103 a4.2733±0.0615 c0.8626±0.0124 c2.6708±0.0916 c0.9819±0.0022 a1年生1-year0.9992±0.0015 a4.3699±0.0597 b0.8942±0.0121 b3.061±0.1726 b0.9979±0.0048 a2年生 2-year0.9937±0.001 a4.5701±0.104 a0.9225±0.021 a3.2807±0.0836 a1.0434±0.024 a3年生3-year0.9941±0.0028 a4.4589±0.0065 ab0.9 ±0.0013 ab3.168±0.0428 ab0.9842±0.0074 a5年生5-year1.0061±0.0008 a4.3445±0.0439 b0.8969±0.0089 b2.8668±0.034 b1.0153±0.0021 a

同列不同小写字母表示差异显著(P<0. 05)

2.2 巨菌草不同生长年限对土壤肥力的影响

除3年生巨菌草的速效钾含量外，不同生长年限巨菌草的土壤的pH值及有机质、碱解氮、有效磷、速效钾的含量总体上均比未种植菌草的土壤(CK)高，其中3年生巨菌草的土壤有机质最高，比对照高98.20%除1年生巨菌草外，与对照比均差异显著；5年生巨菌草土壤的碱解氮为160.40 mg/kg，比对照高93.2%，除1年生巨菌草外，与对照比均差异显著；1年生、5年生巨菌草土壤的有效磷含量与对照差异显著，2年生、3年生巨菌草土壤的有效磷含量与对照差异不显著；不同生长年限巨菌草土壤的速效钾与对照差异不显著。结果表明，种植巨菌草能在一定程度上提高土壤肥力(表2)。

表2 不同生长年限巨菌草的土壤肥力测定

3 讨论与结论

3.1 不同生长年限巨菌草对土壤微生物群落多功能性的影响

互花米草、大米草是外来入侵物种，福建农林大学通过菌草生物转化技术，已可将其用于栽培食、药用菌，可化害为利，互花米草、大米草和巨菌草均是可利用的菌草。左平等认为互花米草和大米草在保滩护岸、促淤造陆、改良土壤等方面产生生态正效应，从此种意义上讲，大米草和互花米草是优秀的植物种质资源[22]。目前关于巨菌草的相关研究鲜有报道，为此，笔者以互花米草等草类的相关研究作比较。

清华等[23]、周虹霞等[24]研究认为，互花米草的高生物量和高生产力为土壤微生物提供丰富的碳源，与光滩相比，互花米草所在的土壤中有更多微生物赖以生长的碳源种类，其生长的土壤中的微生物量也相应较高。Batten 等[25]报道互花米草地上部分群落密度大，极大影响地下微生物群落；王蒙[26]报道互花米草的生长会使裸滩土壤微生物增加；Ravit等[27]研究表明互花米草发达的根系对土壤微生物群落结构有显著影响。巨菌草同样具有高的生物量和发达的根系，本研究也表明与未种植巨菌草的荒坡比，在荒坡上种植巨菌草后会显著改变土壤微生物群落功能的多样性。

Biolog技术，是以微孔板碳源利用为基础的定量分析方法，为研究微生物群落功能多样性提供了一种更简单、更快速的方法, 已广泛应用于评价土壤微生物群落的功能多样性。土壤微生物利用碳源的能力和代谢活性的大小可通过AWCD反映出来，其值越高，土壤中微生物群落代谢活性也就越高[28]。孟庆杰等[29]研究了草地、农田和裸地等3个的生态系统土壤微生物功能多样性的动态变化，结果表明，土壤微生物平均颜色变化率(AWCD)和Shannon多样性指数均表现为草地最高，农田次之，裸地最低。本研究结果得出在荒坡上种植巨菌草比相同土壤条件未种植巨菌草的荒坡土壤微生物AWCD 高。但时鹏等[9]研究显示长期耕作加大了对土壤的扰动，破坏土壤结构，未干扰的撂荒土壤微生物碳源利用活性高土壤微生物多样性指数显著高于其他耕作处理。

利用主成分分析，可以比较不同处理间土壤微生物碳源利用的差异[9]。本研究发现，主成分1、主成分2解释了大部分的变异，CK全部分布于主成分1、2的负端，除了5年生巨菌草外，1年生、2年生巨菌草主要分别于主成分1的负端和主成分2的正端，3年生巨菌草主要分布于主成分1的正端和主成分3的负端，均与CK差异显著(P<0. 05)， 2年生、3年生巨菌草土壤微生物功能多样性与CK相比，发生了明显的变化，不同生长年限的巨菌草草地土壤微生物的碳源利用能力均与对照差异显著，种植巨菌草对土壤微生物产生较大影响。

3.2 不同生长年限巨菌草对土壤肥力的影响

本研究结果显示，在荒坡地种植巨菌草，随生长年限增加，土壤有机质含量呈先升后降趋势，但均比同一土壤条件未种植巨菌草的荒坡高，这与生草、花互米草的相关研究结果基本一致。孙霞等[19]报道生草能提高0—60 cm 土层有机质含量，种植禾本科牧草有机质年积累0.11%，豆科牧草年积累0.15%，随着生草年限的增加较深土层土壤有机质也趋于增加。在崇明滩的调查研究发现，互花米草群落的氮库比本地群落海三棱藨草和芦苇高[30]；江苏沿海互花米草入侵碱蓬带的研究显示，互花米草入侵8—14 a，其土壤有机碳比本地植物碱蓬生长的土壤升高27.0%—69.6%[31]。荒坡上种植巨菌草能提高土壤有机质，可能是由于巨菌草根系发达，能改善土壤颗粒结构，此外巨菌草落叶等植物残体，增加了土壤腐殖质，在微生物作用下形成矿质营养逐渐向土壤淋析，补充了土壤营养，这类似于作物残体还田的作用，作物残体可培肥土壤、保持及提高土壤有机质含量。研究表明，作物残体施入土壤后，显著影响土壤有机质组成[7]，可提高土壤孔隙度，降低容重，改善土壤通透性和保水保肥性能，增强土壤缓冲性。Hooker 等[32]研究发现，玉米秸秆还田，显著增加了常规耕作土壤中有机碳的含量。现有研究表明，互花米草入侵光滩和草本植物滩涂，使得土壤全磷含量升高。王红丽等[33]报道互花米草入侵崇明东滩潮滩芦苇湿地，芦苇、米草共生区土壤全磷含量(0.7 g/kg)大于芦苇湿地(0.3 g/kg)，互花米草入侵红树林湿地，土壤全磷含量升高。孙霞等[19]报道生草对N、P、K 营养的影响主要表现在0—40 cm 土层，生草能提高0—40 cm土层水解N、速效P及速效K 含量。本研究也得出了相似的结果，在荒坡地种植巨菌草在一定程度上能提高土壤碱解氮、有效磷、速效钾的含量。

3.3 结论

生长年限为2、3a的巨菌草土壤微生物群落功能多样性及土壤有机质含量最高，表明在荒坡上种植巨菌草2—3a，可以显著增加荒坡地土壤微生物群落功能多样性，同时有利于提高土壤肥力。笔者对巨菌草的相关研究显示，种植巨菌草可明显影响群落的植物多样性，提高昆虫多样性[34]，本研究则表明巨菌草与互花米草、大米草等菌草一样具有一定的改良土壤的功能，同时对土壤微生物及其功能多样性产生影响，总的来说，巨菌草可产生一定的生态正效应。

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