新疆绿洲棉花长期连作土壤氨基糖积累特征

王 倩，李子玉，刘建国

（石河子大学新疆兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子 832003）

0 引言

土壤微生物是土壤有机质的主要分解者，在养分循环方面发挥主导作用[1]，土壤微生物的活性和群落结构受到耕作措施的显著影响[2]。同时微生物死亡后的细胞残留物在土壤中的积累同样也受到影响[3]。新疆棉花的主要种植方式为长期连作并伴随秸秆还田，秸秆的大量还田能增加土壤有机质的含量[4]，为微生物提供充实的营养，并提高土壤中微生物的活性[5-7]，相应的微生物死亡率和微生物残体积累量也提高[8]。氨基糖是微生物细胞壁的重要组成部分[9]，稳定性较高，可以在土壤中积累[9]，其微生物的标识物作用已被许多学者认可[10-12]。氨基糖在土壤中的积累量很低，在土壤有机氮中的占比不到10%[13]，由于其具有异源性，可以反映微生物生长期间真、细菌的比例，而且在一定程度上反映微生物群落的信息，以指示来源于真菌和细菌残留的碳氮去向[14]。根据Appuhn等[15]研究发现，土壤中真菌和细菌残留物约占有机质的一半左右，可见，微生物残留对土壤养分的积累有显著影响[5]。目前已成功测定了土壤中4种氨基单糖的含量。其中，氨基葡萄糖(Glucosamine，GluN)在土壤中含量最高，来源于真菌，是几丁质(Chitin)的唯一成分，占土壤氨基糖总量的70%以上[16]，其数量主要反映真菌细胞壁在土壤中的积累[4]；胞壁酸(Muramic acid，MurA)来源于细菌，是脂多糖和肽聚糖的成分[17]，常指示细菌残留物的积累[4]；氨基半乳糖(Galactosamine，GalN)的来源有不同的推断，常认为主要是细菌的合成产物[18]；氨基甘露糖(Mannosamine，ManN)的来源不能确定，且含量极低，在土壤有机质转化的研究中相对较少[19]。

目前，关于不同耕作措施、土壤环境条件及外源有机物料（秸秆、绿肥等）添加对黑土和森林土壤氨基糖积累的影响有较多报道，如李俊娣等[20]研究了长期施用有机物料对土壤氮素和氨基糖的影响；杨静怡等[21]探究氮磷添加对长白山温带森林土壤微生物群落组成和氨基糖的影响等。然而关于棉花土壤氨基糖积累的动态变化对秸秆还田下长期连作响应情况的相关研究少有报道。因此，本文选择氨基糖作为指示物质，研究棉花长期连作与秸秆还田对土壤总氨基糖及3种氨基单糖积累的影响，分析氨基糖在土壤中的积累特征，同时利用GluN/MurA值表示真菌和细菌残留物在土壤有机质方面的作用，期望从微生物标识物的角度，揭示新疆绿洲连作棉田土壤微生物转化特征,为制定棉田地力培育、化肥减施技术措施提供依据，对本地区农业绿色可持续发展具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于新疆石河子市石河子大学农学院试验站长期连作试验田(86°03′E，45°19′N)。属于典型的绿洲灌溉农业区，位于天山北坡冲击洪积平原的中部，大陆性气候强，光照强，年降雨量少，一年一熟。平均海拔443 m，平均日照时数2865 h，≥10℃积度3480～3729℃，无霜期165～170天，年平均降水量125～208 mm，平均蒸发量1000～1660 mm，昼夜温差较大。

1.2 试验设计

该试验于2020年在石河子大学农学院长期连作微区试验田进行。2005年开展棉花连作定位试验，在第八师石河子总场三分场二连，按0～20、20～40、40～60cm分层取连作0、5、10、15、20年土壤，按原层次放入连作微区试验田内，四面用厚塑料膜隔离，大小为1.5 m×1.5 m，重复3次，土壤初始背景值相近。本试验在上述棉田基础上选择秸秆还田条件下棉花连作9、14、19、24、29年棉田小区（分别标记为9a、14a、19a、24a和29a），共5个处理，每处理3次重复。棉花收获后，棉秆用铡刀切成5～8 cm，人工翻地还田，深度20 cm，棉花秸秆中C、N、P和K平均含量分别约为41.3%、1.7%、0.4%和3.1%（均以干重计）。棉花种植品种‘新陆早46号’，按照“30 cm+60 cm+30 cm”宽窄间距配置，采用膜下滴灌，于4月16日进行播种，留苗密度为19.8万株/hm2，于7月8日开始打顶。全生育期的滴灌总量为4500 m3/hm2，其他管理措施同一般田间管理一致。

1.3 样品采集与测定

于2020年棉花播种前，采集连作9、14、19、24、29年的棉田土壤。在每个小区选择3个代表性区域，采用土钻取0～10、10～20、20～30 cm土层土壤样品，各区域按“S”形取5个点样品混合成一个样品，装在做好标记的自封袋中带回实验室，去除植物残体、根系、碎石等杂物，样品室温自然风干，过0.25 mm筛，进行土壤理化性状及土壤氨基糖含量的测定。

1.3.1 土壤氨基糖含量的测定 土壤氨基糖采用气相色谱法进行测定[22-23]，得到3种氨基单糖。

1.3.2 土壤氨基糖含量的计算 根据内标法原理，氨基糖的含量(mg/kg)可利用公式(1)进行计算。

式中，mi为添加内标肌醇质量；Ai和Ax是样品中肌醇和氨基糖的峰面积；Rf为氨基糖的相对校正因子，利用标准样品中氨基糖和肌醇的校正因子计算得到。

1.4 统计分析

使用Excel 2010和Origin 2017软件绘制图表，用SPSS 20.0进行方差分析和多重比较，显著性检验水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 不同连作年限棉田土壤基本理化性质的变化

如表1所示，连作年限对土壤的基本理化性质有显著影响。随着连作年限的增加，土壤中有机碳、全氮及土壤硝态氮和铵态氮的含量均显著增加，与棉花短期连作（10年以内）9a相比，中期连作（15年左右）14a、19a土壤中有机碳、全氮分别比9a增加6.9%、17.7%和10.9%、25.5%；长期连作（25年左右）24a、29a土壤有机碳、全氮比9a分别增加19.4%、36.1%和25.2%、40.2%。土壤硝态氮和铵态氮含量分别在5.86～9.83 mg/kg和4.98～7.35 mg/kg之间，均随着棉花连作年限的增加而显著增加。土壤C/N相对来说较稳定，连作年限间差异不显著。

表1 连作棉田土壤的基本理化性质

2.2 长期连作对棉田土壤总氨基糖及氨基单糖含量的影响

土壤中的4种氨基单糖，即氨基葡萄糖、胞壁酸、氨基半乳糖和甘露糖胺可以分离定量，由于甘露糖胺在土壤中含量很低，计算时可以忽略，因此氨基糖总量常用以上3种单糖加和来表示。图1是长期连作棉田土壤中氨基糖含量的变化情况。可以看出，长期连作对土壤总氨基糖及氨基单糖的含量有显著影响，表现为随着连作年限的增加而增加，土壤中氨基单糖对总氨基糖的贡献有所不同，以氨基葡萄糖的含量最高(53.6～125.5mg/kg)，其次是氨基半乳糖(16.5～47.6mg/kg)、胞壁酸最少(3.9～6.5 mg/kg)，分别占土壤氨基糖总量的70.4%～71.1%、22.0%～26.7%和3.6%～5.1%。土壤中3种氨基单糖的积累量有显著差异，说明连作年限对土壤不同微生物的影响不同。连作棉田土壤中氨基葡萄糖占总含量的70.4%～71.1%，在不同连作年限间差异明显，因为氨基葡萄糖在土壤中以特殊的形态存在，稳定性较高，加上黑色素对其的保护，使氨基葡萄糖的分解速度低于胞壁酸[24]，因此土壤中的氨基葡萄糖含量最高。

图1 不同连作年限棉田土壤中总氨基糖及氨基单糖含量变化

棉花长期连作对土壤氨基糖总量的影响见图1a所示，不同土层深度下其含量随连作年限的增加而增加。在土层深度0～10、10～20、20～30 cm短期9a处理下总氨基糖含量分别为140.4、127.9、75.3 mg/kg，长期29a处理较9a分别增加25.0%、39.2%和99.9%。0～10 cm土层中总氨基糖含量在24a达到最大值，但与29a差异不显著；10～20、20～30 cm土层中的总氨基糖含量均在29a时达到最大值，分别为178.2、150.4 mg/kg，说明棉花连作年限的增加显著促进总氨基糖在耕作层土壤中的积累。总氨基糖含量在不同土层深度间的积累也有显著差异，随着土层深度的增加，各处理总氨基糖的含量均显著下降，表现为0～10 cm＞10～20 cm＞20～30 cm，即表层土壤更有利于氨基糖的积累，且长期连作处理24a、29a显著高于中短期连作9a、14a、19a处理。

氨基葡萄糖含量在不同连作年限间的变化趋势与总氨基糖含量变化一致，表现为随着连作年限的增加而显著增加（图1b），0～10 cm土层深度下为24a达到最大值；10～20、20～30 cm土层均为29a达到最大值，分别为124.9、104.3 mg/kg，较9a分别增加34.5%、91.8%。随着土层深度的增加，不同处理的氨基葡萄糖的含量显著降低，其中以0～10 cm土层含量最高，不同处理平均占总量的39.3%，其次是10～20cm，占35.5%，20～30cm最低，占25.2%。

氨基半乳糖含量低于氨基葡萄糖含量高于胞壁酸含量。从图1c中可知，氨基半乳糖含量在不同土层中均随连作年限的增加而显著增加，在29a时达到最大值，分别为 47.6、47.0、40.6 mg/kg，较 9a处理增加48.9%、60.5%和145.3%。3个土层中不同处理下氨基半乳糖含量均表现为0～10 cm＞10～20 cm＞20～30 cm，且每个土层中各处理之间差异显著。关于氨基半乳糖在土壤中的合成问题一直有不同的推断，大多数研究认为细菌对氨基半乳糖的合成贡献较大，然而,也有研究表明氨基半乳糖主要来源于真菌[24]。本试验结果表明，在不同连作年限中氨基半乳糖含量的积累与氨基葡萄糖相似，且氨基葡萄糖主要来源于真菌，表明真菌对氨基半乳糖的贡献不容忽视。

土壤胞壁酸含量的变化见图1d。其含量在不同棉花连作年限间表现与氨基葡萄糖和氨基半乳糖有所不同：随着连作年限的增加，在0～10 cm土层深度中胞壁酸含量逐步减少，9a处理较14a、19a、24a、29a处理分别增加17.6%、9.5%、9.9%和16.4%；而在10～20、20～30 cm土层深度中胞壁酸含量随着棉花连作年限增加先减少后显著增加，9a处理较14a、19a分别增加了7.6%、35.8%和8.7%、13.2%；29a处理较9a分别增加7.7%和27.0%。土壤胞壁酸含量在不同土层间的表现为0～10 cm＞10～20 cm＞20～30 cm。

2.3 不同连作年限棉田土壤氨基葡萄糖与胞壁酸比值的变化

土壤中的氨基葡萄糖仅来源于真菌，而胞壁酸仅来源于细菌，故常用GluN/MurA值来表示真菌和细菌对土壤有机质转化的相对贡献[24]。

从图2不同连作年限棉田土壤GluN/MurA比值可以看出，连作棉田土壤中GluN/MurA值随着棉花连作年限增加呈增加趋势，在0～30 cm耕作层范围内随着土层深度的增加呈现下降趋势，从0～10 cm至10～20 cm土层深度之间氨基葡萄糖与胞壁酸的比值变化较平缓，差异不显著；而随着土层深度的继续增加，从10～20 cm到20～30 cm土层之间GluN/MurA值显著下降，说明棉花长期连作加之棉秆全量还田对GluN/MurA值有显著影响。随着连作年限的增加，土壤中GluN/MurA值也显著增大，且主要影响0～20 cm土壤，说明有机质的转化过程逐渐以真菌占主导作用，长期连作棉田土壤向着真菌为优势群体的环境转变。

图2 不同连作年限棉田土壤中氨基葡萄糖与胞壁酸的比值

3 结论

棉花长期连作伴随全量秸秆还田增加了棉田耕层土壤中总氨基糖及3种氨基单糖的含量，但不同微生物来源的氨基糖表现出不同的积累特征，氨基葡萄糖的转化积累具有明显优势，随着连作年限的增加，更有利于氨基葡萄糖为代表的真菌残留物的积累，说明连作棉田中真菌逐渐转为优势群体，这有利于提高土壤中有机质的转化和积累，并能提高其在土壤中的稳定性。

4 讨论

4.1 连作棉田土壤中总氨基糖及氨基单糖含量的积累特征

土壤氨基糖主要来源于微生物死亡残体的贡献[25]。氨基糖作为微生物的重要标识物和细胞壁的重要组分[26]，可以用来研究微生物对环境变化的反映及其对土壤有机质积累和转化的相对贡献。研究表明，土壤理化性质、土地耕作方式、气候环境变化等均会引起土壤中氨基糖含量的变化[3,27]。

本研究结果表明，土壤中氨基糖的积累特征受到棉花连作年限的显著影响，连作时间的增加促进了总氨基糖及氨基单糖含量的积累，长期连作29年比连作9年增加了23.1%～145.3%。因为随着连作年限的逐渐增加，土壤有机质含量显著增加[28]，土壤有机质为微生物提供生长所需的养分和能源，从而增加了土壤微生物的数量与活性，氨基糖作为微生物细胞壁主要残留物质，其积累也得到了促进[29]。长期连作伴随秸秆还田，使有机质常年积累在土壤中，尤其富集在表层[24]。本研究中，不同连作年限处理各氨基糖组分在表层的富集现象与上述研究相吻合。

氨基单糖的含量在长期连作年限下呈明显增加。其中氨基葡萄糖的增加幅度远大于胞壁酸，说明氨基葡萄糖的积累速度大于胞壁酸。由于真菌和放线菌的合成产物比细菌难分解，且细菌是真菌细胞壁物质的分解者[14]，此外，真菌细胞壁有黑色素保护，所以真菌细胞壁物质的循环速率较慢[24]，促进了其在土壤中的积累，这与本研究结果相符。氨基半乳糖含量随连作年限增加而增加，说明氨基半乳糖在土壤中不易分解，这一结果与同为细菌来源的胞壁酸不同，虽然氨基半乳糖被认为主要来源于细菌[14]，但其来源并不明确。Glaser等[30]的选择性培养试验还表明，真菌对氨基半乳糖的贡献大于细菌。今后对氨基半乳糖的微生物来源还需要进一步研究。

4.2 连作棉田土壤中氨基葡萄糖与胞壁酸比值变化

土壤微生物对有机质的转化和积累主要由真菌和细菌两种方式共同参与完成。由于土壤中氨基葡萄糖和胞壁酸分别用来表示真菌和细菌残留物的积累特征，研究GluN/MurN值，可以获得有关真菌和细菌对土壤有机质转化和积累的相对贡献[24]。此次研究中，GluN/MurN比值的变化规律总体呈现为长期连作（25年左右）24a、29a大于中期连作（15年左右）14a、19a大于短期连作（10年以内）9a，说明棉花长期连作加之棉秆全量还田对GluN/MurN值的变化有显著影响，表现为随连作年限的增加比值也显著增加，且主要影响0～20 cm土壤。GluN/MurA比值增加说明真菌的相对贡献远大于细菌的贡献，连作棉田土壤中有机质的转化过程以真菌为主，长期连作棉田土壤向着真菌为优势群体的环境转变。