施磷对干旱胁迫下箭竹根际土壤养分及微生物群落的影响

2021-12-25樊利华张楠楠吴淑兰周星梅王彦杰

生态学报 2021年23期

向君, 樊利华,张楠楠,吴淑兰,郭敏,周星梅,王彦杰,*

1 四川师范大学,生命科学学院, 成都 610100 2 中国科学院成都生物研究所,中国科学院山地生态恢复与生物资源利用重点实验室,生态恢复与生物多样性保育四川省重点实验室, 成都 610041

随着全球气候变暖,干旱等极端天气气候事件发生的频率及强度不断加剧,影响范围不断扩大[1]。目前,干旱地区已经占据陆地表面41%以上的面积[2],而我国干旱半干旱区占地面积达到了我国陆地面积的50%[3],并且开始向湿润区发展[4- 5]。干旱作为一种最为严重的非生物胁迫因子,极大地制约了植物的生长发育、生产力大小及自然更新[6]。

根际是指离根轴表面数毫米范围之内的、在物理、化学和生物学性质上不同于土体的微环境,在植物生长和发育中起着关键作用[7- 8]。根际作为构建植物与土壤交流沟通的桥梁是植物遭受胁迫时优先作出响应的区域,易受到多种因素的干扰而发生变化,如根际土壤微生物数量和结构、根际土壤养分、根际土壤酶活性等发生改变,从而影响植物生长发育、抗逆性和养分的高效利用[7- 9]。在全球气候变化背景下,根际作为土壤-根系-微生物相互作用的微域环境已是植物生理学、土壤学、微生物学、生态学等多学科的研究热点。

土壤养分是由土壤提供给植物生长所必需的营养元素。其中,根际土壤养分与植物养分吸收利用的关系较原土体更为直接,有着重要的生态学意义。根际土壤养分动态除反映根-土养分供求间的关系,也反映着环境条件的影响,对环境变化表现出极敏感性[10]。当土壤环境发生变化时,根际土壤养分的有效性也会随之发生很大的变化[11],水分是影响根际土壤养分转化和有效性最重要的环境因子。然而,以往有关植物根际土壤养分的研究多集中在正常环境条件下,对干旱胁迫下的研究仍相对较少。在全球气候变化日益严峻的形势下,有关干旱胁迫对植物根际土壤养分影响的研究也受到研究者们的高度关注。

被称作植物“第二套基因组”的根际微生物是土壤生态系统中最活跃且不可或缺的重要组成部分,担负着土壤结构的形成、有机质与矿物质的分解、固氮和固碳等重任,在促进土壤质量及植物生长发育等方面发挥着重要作用[12- 13]。此外,根际微生物对土壤环境变化也有很强的敏感性,即使土壤水分、土壤温度等环境因子发生的微小变化,微生物也能精准且快速地做出反应,能敏感地预警陆地生态系统发生的微小变化[14- 15]。因此,在全球气候变化背景下根际微生物研究越来越受到关注。因磷脂是绝大多数生物细胞膜的重要组分,具有较高的生物学种属特性及结构多样性的磷脂脂肪酸(PLFA)是磷脂的主要成分[16],因此可用PLFA生物标记法来进行土壤微生物群落结构特征的分析研究[17]。

磷是植物生长发育不可或缺的大量元素之一,植物主要从土壤磷库中获得磷素[18]。通常,植物对土壤磷素的利用率普遍较低[19- 20],在土壤干旱时情况尤为严重[21],这会影响植物的光合作用、呼吸作用及生物合成等生理活动,进而影响植物的生长发育,这势必会影响植物的根际环境[22- 23]。施磷可改变受旱植物根系生长、养分吸收等生命活动,从而提高植物对干旱环境的适应能力[24- 25]。然而,却很少有从根际微环境角度进行磷素提高植物抗旱性机制的探究。

箭竹(Fargesia)不仅是国宝大熊猫的主食竹,也是亚高山森林生态系统下层最重要的优势种群[26],在亚高山森林生态系统的水土保持、水源涵养、群落更新等生态功能方面发挥着重要的作用[27]。箭竹作为浅根系的植物,对水分需求较高,极易受干旱胁迫的影响。在干旱胁迫下,箭竹会出现出笋少或不出笋以及竹叶脱落甚至提早开花死亡的现象;加之,干旱与箭竹极快的生长速率会导致土壤中有效磷匮缺,这将抑制箭竹的后续繁殖更新甚至会引起箭竹的开花死亡,进而对到大熊猫的生存造成威胁[28- 29]。据预测,未来不断加剧的全球气候变化将导致箭竹的分布区域减少[30- 31]。然而,有关箭竹根际土壤养分及根际微生物群落对干旱响应及磷素调控研究却鲜见报道。

那么,干旱胁迫对箭竹根际土壤的养分和微生物群落有何影响？施磷又是如何改变受旱箭竹根际土壤养分及微生物群落来改善受旱箭竹的生长？针对上述问题,本研究从箭竹根际土壤养分及微生物群落角度出发,探究箭竹对干旱的生态适应性及磷素调控机理,可为未来气候变化下大熊猫栖息地内箭竹林可持续经营与保护提供理论依据与技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验设置于中国科学院成都生物所茂县生态站(103°53′ E,31°40′ N),该站位于青藏高原东部边缘与四川盆地的过渡地带,海拔1820 m,年平均温度8.6 ℃,年平均降水919.5 mm,年平均蒸发量1322 mm,年平均日照1139.8 h,年无霜期200 d,全年干燥度1.64—1.74。

1.2 实验材料与实验设计

本试验选取缺苞箭竹(FargesiadenudataYi)及其根际土壤为研究材料。选取种子繁殖、生长健壮及长势相对一致的缺苞箭竹标准株(母株年龄2 a,3—4 g隆分株/标准株),移栽于体积约50 L、内装70 kg土(取自试验点附近海拔1800 m次生林下、过筛混匀)的塑料花盆中,每盆栽植1个标准株。然后,将移栽好的植株放置于中国科学院茂县山地生态系统定位研究站上半受控(只遮雨水)的遮阳棚内进行日常管理。管理条件为：昼/夜温度为13—33 ℃/8—15 ℃,空气相对湿度40%—85%。

实验共设置4个处理,分别是：正常浇水处理,80%—85%土壤相对含水量(Well-watered,-P);干旱胁迫处理,30%—35%土壤相对含水量(Water-stressed,-P);正常浇水+施磷处理(Well-watered,+P);干旱胁迫+施磷处理(Water-stressed,+P),每个处理3个重复,每个重复6盆。处理45 d,每隔15 d施磷1次,共施用3次,每盆共施过磷酸钙(P2O5含量为16%)18 g,施用量根据竹林土壤有效磷最大流失浓度确定。第一次施磷结束后,开始利用称重法进行干旱胁迫处理,每3 d浇1次水,补充因蒸散而损失的水分,使每个处理的土壤含水量维持在设定的水平。

实验处理结束后,植物样品分为地上部分与地下部分,将样品分装于牛皮袋中,带回实验室,用于箭竹生物量的测定。土壤样品采用“抖根法”收集根际土,将采集的根际土分为两份,一份置于-80℃超低温冰箱,用于土壤微生物磷脂脂肪酸(PLFA)的测定;一份风干研磨后,用于土壤理化性质的测定。

1.3 研究方法

土壤养分及箭竹生物量的测定：土壤总碳含量使用元素分析仪分析(Elementar vario MACRO),土壤有机碳、可溶性碳和可溶性有机氮利用TOC分析仪分析(Multi-N/C 2100),土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸浸提法测定[32],有效磷采用碳酸氢钠-钼锑抗比色法测定[33],植物生物量采用称重法进行测定。

土壤微生物PLFAs采用修正的Al-Karaki GN法[34]测定,采用末端分枝且饱和的PLFAs(i14:0、i15:0、a15:0、i16:0、i17:0与a17:0)表征革兰氏阳性细菌(G+bacteria);采用单一不饱和以及环丙基饱和的PLFAs(16:1ω7c、18:1ω7c、cy17:0与cy19:0)表征革兰氏阴性细菌(G-bacteria);采用18:2ω6, 9c和18:1ω,9c表征真菌(fungi);采用含甲基的、中链分枝且饱和的PLFAs(10Me17:0与10Me18:0)表征放线菌(actinobacteria);其余的PLFAs包括14:0、16:0、17:0和18:0也用于土壤微生物群落组成的分析。总PLFAs含量用于表示土样总微生物量;总细菌PLFAs含量为革兰氏阳性细菌与革兰氏阴性细菌的PLFAs含量之和[35- 36]。

1.4 数据分析

利用微生物PLFAs数据,计算Shannon-Wiener多样性指数(H)[37]、Pielou均匀度指数(J)[38]、Margalf丰度指数(M)[39]和Simpson优势度指数(λ)[40]。

式中,Pi=ni/N,N为PLFAs总含量,ni为每种PLFAs含量,S为PLFAs种类数。

采用单因素方差分析(One-way ANOVA)检验不同处理间植株生物量、根际土壤养分及根际土壤微生物群落结构与多样性的差异显著性(LSD法,P<0.05);采用基于欧式距离的主成分分析法(PCA)及Bray-Curtis距离的置换多因素方差分析(Adonis)对不同处理间根际土壤微生物群落结构变异进行分析及显著性检验;采用Person法分析根际土壤微生物群落结构与根际土壤养分和植株生物量的相关性。所有数据均为平均值±标准误。所有数据处理均采用Excel 2016软件、SPSS 24软件以及R 2.5.6。图形绘制采用Origin 9.0软件和R 2.5.6中的ggplot2包。

2 结果与分析

2.1 施磷对干旱胁迫下箭竹根际土壤养分及箭竹生物量的影响

如表1所示,无论施磷与否,干旱胁迫均显著低了箭竹根际土壤中微生物量碳、可溶性有机氮、有效磷的含量及箭竹地上、地下生物量(P<0.05),依次分别降低了30.62%、28.00%、43.48%、27.37%和14.98%,但对箭竹根际土壤中总碳、有机碳和可溶性有机碳的含量无显著影响。无论干旱与否,施磷均能显著增加箭竹根际土壤中微生物量碳、有效磷的含量以及箭竹地上生物量、地下生物量,其中箭竹根际土壤中有效磷的含量增加最明显(P<0.05),比正常水分和干旱胁迫下的未施磷处理组分别增加了97.49%和316.14%,但对箭竹根际土壤中总碳、有机碳、可溶性有机碳和可溶性有机氮的含量均无显著影响。

表1 施磷对干旱胁迫下箭竹根际土壤养分及箭竹生物量的影响

2.2 施磷对干旱胁迫下箭竹根际土壤微生物群落结构的影响

如图1所示,无论施磷与否,干旱胁迫显著降低了箭竹根际土壤中总PLFA、真菌PLFA、细菌PLFA、革兰氏阳性菌PLFA的含量(P<0.05);然而,干旱胁迫只显著降低了施磷处理下箭竹根际土壤放线菌PLFA含量,对未施磷处理下的无显著影响;相反地,干旱胁迫只显著降低了未施磷处理下箭竹革兰氏阴性菌PLFA含量(P<0.05),对施磷处理下的无显著影响。施磷虽对正常水分处理下箭竹根际土壤微生物各类群的PLFA含量无显著影响,但显著增加了受旱箭竹根际土壤中总PLFA和真菌PLFA的含量(P<0.05),且一定程度地增加了受旱箭竹根际土壤中细菌、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌和放线菌的PLFA含量,但均增加的不显著;无论干旱与否,施磷轻微增加了箭竹根际土壤中革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌和真菌/细菌的PLFA比值,比未施磷处理的分别增加了8.55%和18.87%。

图1 施磷对干旱胁迫下箭竹根际土壤微生物群落结构的影响Fig.1 The effect of phosphorus application on soil microbial community structure in rhizosphere of Fargesia under drought stress不同小写字母代表同一采样期不同处理间差异显著(P<0.05)

2.3 施磷对干旱胁迫下箭竹根际土壤微生物群落多样性的影响

表2对表征土壤微生物多样性的Shannon-Wiener指数(Shannon-Wiener index)、均匀度指数( index)、丰富度指数(Margalef index)及Simpson优势度指数(Simpson index)进行分析表明,无论施磷与否,干旱胁迫对箭竹根际土壤微生物的Shannon-Wiener指数、Pielou指数、Margalef指数及Simpson优势度指数均无显著影响;施磷只显著增加了正常水分下箭竹根际土壤微生物丰富度指数,而对干旱胁迫下箭竹根际土壤的这些微生物多样性指数均无显著影响。

表2 施磷对干旱胁迫下箭竹根际土壤微生物群落多样性的影响

2.4 施磷对干旱胁迫下箭竹根际土壤微生物群落结构的影响

由图2可知,就不同处理间箭竹根际土壤微生物群落结构变异而言,第一主成分(PC1)解释了变异的76.78%,第二主成分(PC2)解释了变异的11.98%,PC1和PC2共同解释了总变异的88.76%,这可以全面反映不同处理下箭竹根际土壤微生物群落结构特征。PC1基本上能把正常水分处理和干旱处理区分开,而PC2不能把未施磷处理和施磷处理的区分开。进一步通过基于Bray-Curtis距离的置换多因素方差分析(Adonis)表明,无论施磷与否,干旱使箭竹根际土壤微生物群落结构发生了较为显著的改变(F=12.836,R2=0.562,P=0.004);而无论干旱与否,施磷虽使箭竹根际土壤微生物群落结构发生改变,但变化不明显(F=3.138,R2=0.239,P=0.098)。由此可见,干旱和施磷对箭竹根际土壤微生物群落结构均有不同程度的影响,但干旱胁迫的影响较为显著。

2.5 箭竹根际土壤微生物群落结构与箭竹根际土壤养分和箭竹生物量的相关性分析

由表3可知,在箭竹根际土壤中,总碳(TC)与革兰氏阳性菌(G+)和细菌(B)的PLFA含量呈显著正相关,可溶性有机碳(DOC)与革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌(G+/G-)比值呈显著正相关。此外,箭竹地上生物量(AB)、箭竹根际土壤微生物量碳(MBC)和可溶性有机氮(DOC)均与箭竹根际土壤总PLFA(TP)、革兰氏阳性菌(G+)PLFA、革兰氏阴性菌(G-)PLFA、真菌(F)PLFA、细菌(B)PLFA和放线菌(A)PLFA的含量以及真菌/细菌(F/B)和G+/G-呈显著正相关。除箭竹根际土壤革兰氏阴性菌(G-)PLFA含量以外,箭竹地下生物量与箭竹根际土壤中其它几种微生物PLFA的含量均呈显著正相关。

表3 箭竹根际土壤微生物群落结构与箭竹根际土壤养分和箭竹生物量的相关性分析

3 讨论

3.1 施磷对干旱胁迫下箭竹根际土壤养分及箭竹生物量的影响

图2 施磷对干旱胁迫下箭竹根际土壤微生物群落结构影响的主成分分析Fig.2 Principal component analysis of the effect of phosphorus application on soil microbial community structure in rhizosphere of Fargesia under drought stress

根际土壤养分的转化、迁移及作物对养分的吸收等过程,均会受到根际环境条件的影响[41]。其中,土壤碳氮循环是植物和土壤系统之间传递土壤养分最关键的过程,它也毫不例外地会受干旱影响[42- 43]。可溶性有机碳、微生物量碳、可溶性有机氮等土壤活性养分因直接参与土壤生物化学转化过程,而极易受土壤水分等因子的影响,因此常作为土壤碳库和氮库对气候响应的敏感性与真实性评价指标[44- 45]。此外,干旱胁迫会显著降低土壤磷素的有效性[46]。土壤有效磷是植物吸收磷素的直接形态,是表征土壤磷素供磷能力的重要指标[47]。目前,关于根际土壤养分对干旱的响应已在小麦、紫花苜蓿、核桃、黑麦草和刺槐等植物上进行了研究,但结果不尽相同,表现为同一土壤养分指标在不同植物的根际研究中呈增高、降低或没有影响[48- 51]。在本研究中,干旱胁迫显著降低了箭竹根际土壤中微生物量碳、可溶性有机氮及有效磷的含量;同时,也降低了箭竹的生物量。干旱胁迫对植物根际养分影响的研究结果存在一定差异,这可能与受试植物种类或干旱胁迫的时间和强度的不同有关[8]。一些研究表明,施磷不仅能增加植物根际土壤中有机碳含量,也能有效缓减土壤有效磷的缺乏,从而改善植物的生长[52- 54]。本研究表明,无论干旱与否,施磷虽对箭竹根际土壤中总碳、有机碳、可溶性有机碳和可溶性有机氮的含量无显著影响,但均能显著增加箭竹根际土壤中微生物量碳和有效磷的含量,这不仅有利于促进正常条件下箭竹的生长,也有利于改善干旱胁迫下箭竹的生长(表1)。

3.2 施磷对干旱胁迫下箭竹根际土壤微生物群落的影响

根际土壤微生物是土壤生态系统中最活跃的分解者,它在土壤养分循环中扮演着重要角色,对土壤环境变化十分敏感[55- 56]。当土壤发生干旱时,根际土壤微生物群落结构、生物量和活性等也会发生改变,这将直接改变根际微环境中物质的转化和流通[57]。本研究发现,干旱胁迫虽对箭竹根际土壤微生物群落多样性无显著影响,但显著降低了箭竹根际土壤总PLFA及真菌、细菌、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌的PLFA的含量及革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌的PLFA比值,表明干旱胁迫显著降低了箭竹根际土壤微生物的生物量,明显改变了箭竹根际土壤微生物群落结构,且主成分与置换多因素方差的分析也进一步证实了干旱胁迫对箭竹根际土壤微生物群落结构影响显著,这可能是因为：(1)干旱胁迫引起了根际土壤微生物发生渗透胁迫,进而导致微生物的细胞裂解或死亡[58],(2)干旱胁迫降低了植物的光合作用,使得可被微生物利用的碳源发生改变[59-60],这与在白羊草上的研究结果相似[61]。此外,我们进一步相关性分析表明,箭竹根际土壤中真菌、细菌、革兰氏菌、放线菌的PLFA含量、总PLFA含量以及革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌和真菌/细菌的PLFA比值与箭竹地上生物量、箭竹根际土壤微生物量碳和可溶性有机氮的含量均呈显著正相关,这可能因为：(1)植株生长茂盛,向地下部分输送的有机物较多,使根际土壤微生物活动和数量增加[62];(2)微生物量碳是微生物体元素之一,微生物数量越大,微生物量碳就越大;(3)可溶性有机氮作为微生物较容易利用的溶解性有机质,促进微生物的生长,影响着微生物群落结构[63]。

施磷不仅影响着土壤微生物群落的生物量及结构,也可提高土壤微生物对环境胁迫的耐受力[64- 65]。本研究发现,无论干旱与否,施磷虽对箭竹根际土壤微生物群落多样性大体上无显著影响,但显著增加了受旱箭竹根际土壤中总PLFA和真菌PLFA的含量,且在一定程度上也增加了受旱箭竹根际土壤中细菌、革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌和放线菌的PLFA含量,这与施磷增加了受旱箭竹根际土壤微生物量碳的含量密切相关(表1),相关性分析也证实箭竹根际土壤中这些微生物的PLFA含量与箭竹根际土壤微生物量碳的含量变化呈显著正相关;然而,箭竹根际土壤微生物的这些指标与箭竹根际土壤有效磷的含量无显著相关性,这可能是施磷通过调节土壤碳循环和化学性质,间接影响土壤微生物的原因,且也有研究表明土壤微生物对有机磷的矿化作用是基于对碳源的需求而非磷素本身[66- 67]。一些研究表明,与革兰氏阴性菌相比,革兰氏阳性菌更具有竞争力,也更能适应干旱胁迫[68];也有研究发现干旱胁迫下,细菌稳定性差,而真菌可塑性强,更能适应水分波动[69-70]。本研究发现,施磷使两种水分条件下箭竹根际土壤革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌及真菌/细菌的PLFA比值均有所增加,这有利于箭竹对干旱的适应。由此可见,施磷可在一定程度上缓解干旱对箭竹根际土壤微生物群落的不利影响,但相对于干旱胁迫,施磷对箭竹根际土壤微微生物群落结构的影响较小,且主成分分析也能证实。