厌氧消毒对植烟土壤质量及细菌群落结构的影响
2019-09-10刘亚男贺广生韦建玉贾海江黄崇峻蔡一霞蔡昆争潘伯桂王维
刘亚男 贺广生 韦建玉 贾海江 黄崇峻 蔡一霞 蔡昆争 潘伯桂 王维
摘 要:為了解添加不同有机物料的土壤厌氧消毒(Anaerobic soil disinfection,ASD)对土壤质量及细菌群落结构的影响,设置了烟梗、水稻秸秆、菜粕、米糠、甘蔗渣5种有机物料和不添加物料(CK1)的ASD处理,以原始土壤为对照(CK),分析了不同处理的土壤质量和细菌群落结构。结果表明,与CK相比,ASD处理均可显著提高土壤pH,降低土壤EC和Eh,改善土壤养分,其中添加烟梗显著提高了速效钾、有机质的含量,菜粕显著提高了全氮、有机质、速效氮含量及过氧化氢酶以及脲酶的活性。利用16S rDNA对土壤细菌测序表明,ASD显著改变了细菌门类水平上各种群的比例,其中添加菜粕和烟梗的ASD处理微生物构成与CK、CK1差异较大,厚壁菌门及其门下厌氧型细菌梭菌科、瘤胃菌科和耐受性细菌芽孢杆菌科的相对丰度显著增加,而其土壤青枯菌数量却显著降低。总的来看,添加不同有机物料的ASD对植烟土壤的理化性状和细菌群落结构可产生显著不同的影响,其中添加菜粕和烟梗的ASD明显改善土壤养分,影响了土壤细菌群落结构组成及其多样性,厌氧和耐受型细菌丰度大幅增加,青枯菌数量减少。
关键词:土壤厌氧消毒;土壤质量;土壤细菌多样性
中图分类号:S572.01 文章编号:1007-5119(2019)03-0039-08 DOI:10.13496/j.issn.1007-5119.2019.03.006
In order to explore the effects of anaerobic soil disinfection (ASD) with the additions of different organic substances on the quality and bacterial community structure of the soil, ASD treatments were carried out by adding tobacco stem, rice straw, rapeseed meal, rice bran, sugarcane bagasse, with no addition (CK1), and the primary soil (CK) as controls. The results showed that ASD increased soil pH and reduced soil EC and Eh significantly, and improved soil nutrients. Tobacco stem increased the contents of available potassium and organic matter significantly, while rapeseed meal raised the contents of total nitrogen, organic matter, available nitrogen and the activities of catalase and urease. Sequencing of soil bacteria by 16S rDNA showed that ASD changed the ratios of soil bacterial communities at the phylum level, and there were obviously differences in the treatments of different organic substances. Significant differences were found in the bacterial composition of rapeseed meal and tobacco stem treatments when compared with CK and CK1. The relative abundances of the anaerobic bacteria , and were also greatly improved, while the numbers of treated with ASD were greatly reduced, especially for the treatments of adding rapeseed meal and tobacco stem . In conclusion, ASD with the addition of different organic substances had obviously different effects on the physical and chemical properties and bacterial community structure of the tobacco-planting soil. ASD by adding rapeseed meal and tobacco stem significantly improved the soil nutrients, and changed the composition and diversity of the bacterial community, and increased the abundance of anaerobic and tolerant bacteria, which, in turns, decreased the number of significantly.
anaerobic soil disinfection; soil quality; soil bacterial diversity
土壤厌氧消毒法(Anaerobic soil disinfection,ASD)是近些年来发展的一种防控土传病害和改善土壤质量的非化学的土壤消毒方法,其基本原理是在厌氧的条件下,土壤环境剧烈变化以及有机物料发酵过程中产生的各种混合物对病原菌、杂草、线虫产生抑制。该方法不仅能有效控制土传病害和杂草,还能充分利用农业废弃物来改善土壤质量。朱同彬等研究发现ASD可以快速修复因酸化、次生盐渍化而严重退化的大棚蔬菜地土壤,减缓土壤的连作障碍。伍朝荣等研究表明ASD可以有效改善番茄地土壤质量,显著增加土壤养分含量,有效降低了土壤中青枯菌的数量和控制番茄青枯病的发生。BUTLER等研究同样证明ASD处理可以提高土壤有机质含量,改善土壤结构。再者,ASD方法还是一种广谱的土传病原菌灭菌方法,对镰刀菌、腐霉菌、茄科劳尔氏菌和植物寄生根结线虫等均有很好的防治效果。
现有研究表明,土壤微环境及微生物区系变化是连作障碍产生的重要机制,微生物群落结构失衡是连作条件下土传病害发生的主要原因。因此,从土壤微生态调控角度寻找有效的、无污染技术措施改良烟田土壤质量来降低土传病害的发生具有十分重要的理论价值和实践意义。研究表明,碳源类型对消毒效果有直接影响。本研究利用ASD技术,探索添加不同有机物料ASD对土壤青枯菌、土壤质量、土壤酶活性及土壤细菌群落结构及多样性的影响,其结果可为ASD技术推广利用、构建健康和谐的烟田土壤生态系统及克服烟草连作障碍提供理论依据和实践参考。
1 材料与方法
1.1 供试材料
试验于2018年5月以广东省梅州市大埔县(24°35' N,116°70' E)土壤退化、连作障碍严重的烟田表层土壤(0~20 cm)为供试土壤,土壤类型为砂泥土。用梅花布点法7点采集土壤样品,经自然风干、清除杂物后过2 mm筛,混匀后贮于华南农业大学农学楼419室干燥处备用。供试土壤基本理化性质:pH 4.5、电导率0.523 mS/cm、有机质42.30 g/kg、速效氮26.81 mg/kg、速效钾54.26 mg/kg、速效磷101.91 mg/kg。
添加的5种有机物分别为烟梗、水稻秸秆、菜粕、米糠、甘蔗渣,经烘干后粉碎,过0.45 mm孔径筛于干燥处储存备用。表1为5种有机物料的全碳和全氮含量以及碳氮比,是各个有机物料经4次重复测定后的平均值。
1.2 试验设计
采用添加不同有机物料和饱和水分处理的方法创造强还原厌氧条件,试验设置了饱和水分处理(CK1)、添加烟梗并饱和水分处理(YG)、添加水稻秸秆并饱和水分处理(JG)、添加菜粕并饱和水分处理(CP)、添加米糠并饱和水分处理(MK)、添加甘蔗渣并饱和水分处理(GZ)等6个处理,以不添加物料不加水处理土壤为对照(CK)。每个处理设4个重复,共28份处理样品。参照伍朝荣等方法,有机物料的添加量为2%(物料与土壤的质量比),1 kg土样与20 g有机物料及水充分混匀后装入自封袋中(32 cm×45 cm),密封,置于28 ℃培养箱恒温处理21 d。
厌氧处理结束后,各处理分成2份,一份直接用于各处理青枯菌数量、微生物高通量测序以及土壤氧化还原电位的测定;另一份风干后,過100目筛,用于测定各处理的电导率(EC)、pH、有机质、全氮、速效氮、速效磷、速效钾以及土壤酶活性。
1.3 测定内容
1.3.1 土壤理化性质 利用ST2100型酸度计测量土壤pH;利用D25-708C多参数分析仪测量土壤电导率(EC);利用SX-630型OPR行测量土壤氧化还原电位(Eh),具体测量方法参照伍朝荣等。土壤样品风干后过100目筛,利用vario TOC分析仪进行土壤全碳与全氮的测定;土壤速效氮测定方法参照文献[11];土壤速效钾、速效磷测定方法参照文献[12];土壤过氧化氢酶、脲酶测定方法参照文献[13];土壤蔗糖酶测定方法参照文献[14]。
1.3.2 土壤青枯菌数量 土壤青枯菌数量测量采用SMSA培养基,采用平板计数法测定土壤中青枯菌数量。
1.3.3 土壤细菌群落结构及多样性分析 土壤细菌测序由广州基迪奥生物科技有限公司利用16S rDNA技术进行测定与分析。
1.4 数据处理
采用IBM Statistics SPSS 19.0软件对数据进行统计分析。采用单因素(one-way ANOVA)和Duncan法进行方差分析和多重比较(=0.05)。利用Excel 2013软件作图。
2 结 果
2.1 不同有机物料对ASD处理土壤pH、Eh和EC的影响
从图1A可知,与CK相比,添加有机物料的ASD处理可以显著提高土壤pH,不同有机物料处理之间差异显著,其中YG和CP使土壤pH值显著升高,分别提高至6.2和6.4。图1B表明ASD显著降低土壤Eh,JG、CP、MK和GZ的土壤Eh显著低于CK1,分别降低至−570.5、−435.5、−318和−289.5 mV,但YG处理与CK1无显著差异(<0.05)。ASD也明显降低土壤EC(图1C),CK1的EC显著低于CK,添加有机物料进一步降低了厌氧消毒后土壤EC(YG除外),但JG、MK和GZ三处理的土壤EC间无显著差异。
2.2 不同有机物料对ASD处理土壤主要养分含量的影响
由表2可知,CK1土壤的有机质、全氮和速效氮与CK间无显著差异,而速效钾显著低于CK,速效磷含量明显增加。添加有机物料可明显改善土壤养分,提高ASD后土壤有机质、全氮、速效氮、磷、钾含量;其中CP处理土壤的有机质、全氮和速效氮含量显著增加,较CK分别增加18.7%、55%和150%;而YG显著提高了土壤有机质和速效钾含量,较CK分别增加18.7%和123%;5种有机物料的土壤速效磷含量明显增加,但物料间无显著差异。
2.3 不同有机物料对ASD处理的土壤主要酶活性的影响
从图2看出,有机物料对ASD处理的土壤过氧化氢酶和土壤脲酶影响趋势基本一致,只有CP处理的土壤过氧化氢酶和土壤脲酶活性显著增加,较CK分别提高了64%和87%。不同有机物料处理的土壤蔗糖酶活性表现却不同,JG和MK与其他物料间存在明显差异,显著提高了土壤蔗糖酶活性,分别比CK增加了3.1倍和2.89倍,而其他物料与CK和CK1无明显差异。
2.4 土壤厌氧消毒对土壤细菌微生物的影响
2.4.1 不同有机物料的ASD处理后土壤细菌群落结构的变化 由表3可见,土壤细菌群落的丰富度(Chao1指数,ACE)以及群落多样性的高低(Observed species,Shannon指数)对ASD及不同有机物料添加的响应趋势基本一致,ASD明显降低土壤细菌群落的丰富度,多样性降低,但不同有机物料对丰富度和多样性影响的程度不同,YG处理的Chao1指数、ACE、Observed species和Shannon指数降幅最大,CP处理次之,而MK、JG和GZ处理的土壤细菌群落的丰富度和多样性与CK1相当,但又明显低于CK。
2.4.2 添加不同有机物料处理的ASD对土壤细菌群落物种构成的影响 不同处理细菌群落在门水平的相对丰度如图3所示。各处理丰度前10的细菌门类均为厚壁菌门、变形菌门、酸杆菌门、绿弯菌门、放线菌门、浮霉菌门、拟杆菌门、疣微菌门、芽单胞菌门,表明厌氧消毒及添加有机物料并不会改变细菌的门类,但是可以明显改变优势种群的比例。与CK相比,ASD处理的厚壁菌门相对丰度显著增加,其中YG与CP处理的厚壁菌门增加尤为明显,较CK分别增加了24和23倍。而变形菌门、绿弯菌门和放线菌门的相对丰度却显著降低。此外,YG与CP处理下的酸杆菌门的相对丰度显著下降。
对厚壁菌门微生物进一步分析表明(图4),梭菌科、瘤胃菌科和芽孢杆菌科3个科的细菌变化幅度最大,ASD处理后此3科细菌的相对丰度较CK都有不同程度的增加,其中YG和CP处理的3科细菌相对丰度显著增加,MK和GZ处理的瘤胃菌科和梭菌科细菌的相对丰度显著增加,而JG处理只有瘤胃菌科细菌相对丰度显著增加,但JG处理的梭菌科细菌的相对丰度明显小于CK1。
2.4.3 添加不同有机物料ASD后细菌微生物的非度量多维尺度分析 从图5可知,CK1和不同有机物料处理的细菌微生物构成与CK之间差异较大,其中YG和CP的微生物构成与CK、CK1差异较大。此外,MK与GZ的处理几乎重合,说明MK与GZ的微生物構成较相似。
2.5 土壤厌氧消毒对土壤青枯菌数量的影响
由图6可知,与CK相比,添加有机物料的厌氧消毒显著降低了土壤中可培养青枯菌数量,降低幅度为63.6%~81.7%,其中YG和CP处理降幅最大,而单纯的厌氧处理土壤中可培养青枯菌含量与CK无显著差异。
3 讨 论
3.1 土壤厌氧消毒对土壤理化特性的影响
水旱轮作是一种历史悠久、有效控制土传病害的措施,在农业生产上广泛应用。但是黄新琦等发现由于缺乏营养,土壤中的厌氧微生物代谢活动较慢,单纯的淹水并不能有效地抑制土传病害。ASD通过添加有机物料和厌氧发酵,能在短时间内显著改变土壤理化性质。本研究ASD处理均使土壤pH显著增加,土壤Eh显著降低,这结果与以往研究基本一致。但本研究发现不同有机物料使土壤pH上升、Eh下降的幅度存在显著差异,这表明不同有机物料可使土壤处于不同的厌氧还原状态。此外,本研究发现添加YG的ASD处理EC值没有变化,而其他处理的土壤EC值却显著降低,这一结果与伍朝荣等研究结果恰好相反,造成这种差异的原因可能与不同有机物料添加后ASD处理过程中微生物驱动不稳定碳源将离子转化为气体从而使EC值降低有关。
土壤厌氧消毒处理过程中,添加的有机物料经矿化降解可显著增加土壤养分含量。本研究结果表明ASD处理的土壤有机质、全氮、速效氮含量显著高于对照,CP处理尤为明显,这结果与顾志光等的研究相似。究其原因可能与菜粕是一种高氮物料,分解时会释放大量的氮有关。而添加YG的ASD土壤的速效钾含量显著升高,这与烟梗中含有大量的钾有关。此外,本研究ASD可以明显增加土壤有效磷的含量,在分解能源物质过程中,添加有机物料的ASD可以提高微生物对土壤有效磷的保护,减少磷的吸附和固定,从而增加磷的有效性。
3.2 土壤厌氧消毒对土壤酶活的影响
菜粕在土壤中极易分解,为土壤提供了大量的有机碳源和氮源,促进了土壤微生物的活性,从而提高了土壤脲酶的活性。土壤过氧化氢酶活性与土壤有机质含量有关,也与微生物数量有关;土壤蔗糖酶活性则与土壤微生物数量及呼吸强度有直接关系。因此,本研究表明添加CP的ASD处理使土壤脲酶和过氧化氢酶活性显著增加,而添加JG和MK的ASD可提高土壤蔗糖酶活性,上述酶活性变化有益于土壤养分转化,从而改善土壤营养与健康质量。
3.3 土壤厌氧消毒对土壤细菌微生物群落的影响
ASD能在短时间内形成厌氧、强还原性、高温等环境,并能产生挥发性气体、有机酸、低价重金属等各类有毒物质,恶劣的土壤环境导致土壤微生物群落结构也发生变化。本研究ASD处理可显著增加厚壁菌门的相对丰度,降低变形菌门和酸杆菌门的相对丰度,使土壤青枯菌数量显著减少,5种有机物料间存在一定差异,以YG和CP两处理微生物构成与CK、CK1差异更大。引发烟草青枯病的茄科雷尔氏菌属于变形菌门,添加YG与CP处理的变形菌门的丰度下降幅度最大,这表明YG和CP处理抑制了变形菌门的茄科雷尔氏菌,这一结果与MOWLICK等研究相似。本研究还发现YG和CP处理的厚壁菌门相对丰度增加最多,且其门下的瘤胃菌科和梭菌科、芽胞杆菌科细菌的相对丰度也显著升高。UEKI等从ASD处理中分离到梭菌属的两株厌氧型菌株(H110和TB8)能破坏镰刀菌细胞壁,达到致死该病原菌的作用。何玉安等研究发现芽孢杆菌属的LSN02和LLGJ04菌株均能对青枯菌产生明显的抑制作用。这表明本研究中YG和CP处理下厚壁菌门相对丰度的增加可能对青枯菌产生一定抵制作用,但仍需进一步验证。酸杆菌门是土壤微生物的重要成员,在土壤物质循环和生态环境构建过程中起到非常重要的作用,酸杆菌绝对含量与土壤有机质含量呈正相关,而与土壤pH值呈负相关关系。添加YG和CP的土壤pH显著升高,酸杆菌门相对丰度显著降低,这与酸杆菌门细菌的特性相一致。由此可知,添加不同有机物料的ASD处理的微生物群落结构存在一定差异,但是优势群落厚壁菌门相对丰度的增加总体趋势一致,尤以YG和CP两处理增加明显,促进厌氧型和耐受型等细菌生长,抑制包括病原菌等其他细菌群落生长,从而达到控制土传病害的效果。值得注意的是,本研究ASD法产生的极端环境对好氧有益细菌也有一定抑制作用,但不会完全杀死,在后期种植过程中有益菌种群会得到恢复。
4 结 论
本研究表明表明,添加不同有机物料的ASD处理对植烟土壤的理化性状和细菌群落结构可产生不同程度的影响,各有机物料处理间差异显著,其中添加菜粕和烟梗的ASD可以显著提高土壤pH、EC、有机质、全氮和速效氮,显著改变细菌微生物多样性,厌氧菌和耐受型细菌丰度明显升高,青枯菌数量显著降低。此外,本文参照以往研究只用了一种添加剂量,对有机物料不同添加剂量的ASD效果有待进一步,研究烟梗作为有机物料时要防止其带有花叶病毒。
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