不同施肥处理对盆栽芒果土壤酶活性及微生物群落结构的影响
2024-02-14崔学宇胡林彭玉娇黄玉清章玉平何成新
摘要：为探究不同施肥处理对盆栽芒果土壤微生物结构和土壤酶活的影响，以盆栽芒果为材料，测定施肥处理后土壤酶活的变化，应用高通量测序技术研究土壤细菌和真菌的多样性及其群落结构。细菌测序获得有效序列 4 378 206 条，至少涵盖细菌47门61纲143目282科761属；真菌测序合计获得有效序列4 589 607条，至少涵盖真菌17门59纲143目329科626属。主成分分析，结果表明，施肥处理对盆栽芒果真菌的群落结构改变不显著，施肥处理主要改变了盆栽芒果细菌的群落结构。对细菌多样性进行分析，结果表明，细菌门水平丰度最高的是变形菌门（Proteobacteria），属水平分析发现，施肥处理提高了Rhodanobacter属的相对丰度；真菌多样性分析结果表明，施肥处理在真菌门水平提高了子囊菌门（Ascomycota）的相对丰度，降低了被孢霉门（Mortierellomycota）的相对丰度，属水平提高了镰刀菌属（Fusarium）和Trichocomaceae-unidentified的相对丰度，降低了被孢霉菌属（Mortierella）的相对丰度。施肥后，土壤磷酸酶活性、脲酶活性、过氧化氢酶活性和蔗糖酶活性均有提高，同时施肥处理提高了盆栽芒果的SPAD值。本研究证明了施肥处理改变了盆栽芒果的土壤酶活性、SPAD值、微生物群落结构和多样性，微生物菌肥的施用可以减少普通复合肥的施用。
关键词：盆栽芒果；微生物；群落结构；施肥处理；高通量测序技术；土壤酶；活性；多样性；相对丰度
中图分类号：S667.706" 文献标志码：A
文章编号：1002-1302（2024）24-0220-06
收稿日期：2023-11-16
基金项目：广西科技计划（编号：桂AD20238059）；广西自然科学基金（编号：2020GXNSFAA297250）；广西百色高新区引导专项（编号：K-YS-ST-2018-01）；广东省普通高校重点领域专项（编号：2022ZDZX4098）。
作者简介：崔学宇（1985—），男，黑龙江七台河人，博士，助理研究员，主要从事土壤微生物相关研究。E-mail：yaoyuan200452@163.com。
通信作者：黄玉清，博士，教授，主要从事恢复生态学相关研究。E-mail：hyqcoco@nnnu.edu.cn。
芒果（Mangifera indica）因其具有独特的风味和丰富的营养而受到消费者的青睐，是种植于热带和亚热带地区的重要经济果树［1］。在多年生果树的种植中，普遍存在着土壤退化的现象［2］，土壤酶的活性是评估土壤是否健康的重要指标［3］，在果树的研究中，SPAD值是估算果树产量和长势的重要指标［4］，合理的栽培管理是土壤保持健康和维持植株正常长势的重要手段［5］。微生物是土壤中的重要组分，其群落结构可以灵敏地反映外界环境的变化［6］，同时微生物还可以直接或间接地影响果树健康［7］，因此对芒果盆栽进行不同的施肥处理，测定施肥处理对土壤酶活、SPAD值以及微生物群落的影响，对芒果的栽培管理有一定的参考价值。
不同施肥处理影响了芒果产量、品质和果园土壤肥力［8］。芒果园水肥一体化减量施肥的研究表明，该处理在提高了果园肥料利用效率的同时，使得芒果园其他养分和pH值降低，对长期的果树栽培是不利的［9］；对不同时期芒果进行亏缺灌溉和施肥处理的研究表明，成熟期的合理灌溉及施肥调控可以得到最高的产量以及最佳的芒果品质［10］；对百色地区芒果园施肥调查发现，该地区芒果园应该控制氮肥和磷肥的投入，增加钾肥的投入［11］；对芒果园施用不同配比的有机肥和无机肥发现，合理的施肥配比可以提高芒果的品质和经济效益［12-13］；对施肥后芒果园土壤的研究发现，施肥影响了芒果园土壤养分和土壤酶的活性，对土壤细菌和真菌数量的影响无显著差异［14］。
虽然在芒果中有部分施肥处理的报道，但利用盆栽试验研究施肥对芒果的影响，以及施肥后盆栽芒果土壤微生物群落结构的变化规律尚未清晰。本研究利用盆栽芒果为试验材料，测定了不同施肥处理后土壤酶活性和SPAD值，同时利用高通量测序的方法对土壤细菌和真菌群落进行研究，旨在明确施肥后芒果土壤酶活、SPAD值和微生物群落的变化，为芒果园精准管理提供理论和实践依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验地点选择广西百色高新技术产业开发区芒果种植基地，材料选取株形统一的2年生桂七芒实生苗。复合肥（N、P2O5、K2O含量均为15%，总养分含量≥45%，品牌鄂中），有机肥（有机质含量≥45%，品牌爱科益生），微生物有机肥（有机质含量≥45%，有效活菌≥2亿CFU/g，N、P2O5、K2O含量≥5%，品牌鄂中，有效菌种为枯草芽孢杆菌），微生物菌肥（有效活菌≥2亿CFU/mL，为黑液和白液等量混合施用，简称黑白液，有效菌种为枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌，为复核菌种，品牌金水土）。
1.2 试验方法
盆栽土壤为百色当地未施肥土壤经混匀后使用，具体为有机质含量30.28 g/kg、铵态氮含量53.23 mg/kg、硝态氮含量58.76 mg/kg。2022年1月15日进行施肥处理，3个月后取样进行测试，设置7个施肥处理组，以未施肥组为对照，每组5个重复，处理及分组如下：黑白液（各10 mL）+微生物有机肥400 g+复合肥50 g（A组）、黑白液（各10 mL）+复合肥50 g（B组）、普通有机肥400 g+复合肥50 g（C组）、复合肥50 g（D组）、复合肥75 g（E组）、微生物有机肥400 g+复合肥50 g（F组）、黑白液（各10 mL）+普通有机肥400 g+复合肥50 g（G组）。
ITS和16S测序委托北京诺禾致源科技股份有限公司完成，土壤酶活委托上海酶联生物科技有限公司完成。
2 结果与分析
2.1 盆栽芒果土壤微生物群落多样性分析
40个供试样本的ITS测序合计获得4 701 609条原始序列，将低质量的序列过滤后，获得 4 589 607 条有效序列，有效序列比例为97.62%，合计获得碱基572 356 747 nt，测序数据经比对后，至少涵盖真菌17门59纲143目329科626属；16S测序合计获得4 706 950条原始序列，将低质量的序列过滤后，获得4 378 206条有效序列，有效序列比例为93.02%，合计获得碱基1 050 972 744 nt，测序数据经比对后，至少涵盖细菌真菌47门61纲143目282科761属。各组样本真菌、细菌群落α多样性指数如表1所示。
对所有样本细菌测序结果进行均一化处理后，各个组别共有的操作分类单元（OTU）为1 941个，各组别特有的OTU数目如表2所示，其中黑白液+普通有机肥400 g+复合肥50 g组（G）特有的OTU最多；对所有样本真菌测序结果进行均一化处理后，其中各个组别共有的OTU为122个，各组别特有的OTU数目如表2所示，与细菌结果类似，其中黑白液+普通有机肥400 g+复合肥50 g组（G）特有的OTU同样最多。
2.2 不同施肥处理对盆栽芒果优势菌群的影响
2.2.1 对盆栽芒果优势菌群组成结构的影响
主成分分析（principal component analysis，PCA）技术的样本距离可以表示物种的组成结构，本研究中 PC1和PC2合计解释了细菌变量的16.44%，真菌变量的15.43%。由图1可知，不同的施肥处理改变了盆栽芒果细菌的群落结构，不同的施肥处理对盆栽芒果真菌的群落结构改变不显著。
2.2.2 不同施肥处理后盆栽芒果土壤微生物门分类水平比较
不同施肥处理改变了盆栽芒果土壤细菌的群落结构，选择weighted Unifrac距离的 UPGMA聚类树在细菌门水平上对8组处理进行分析，由图2可知，CK、A、B、G被分为一组，即对照和施用黑白液的处理被分为一组；C、E、D、F被分为一组，对其具体分析发现相对丰度最高的是变形菌门（Proteobacteria），其次是放线菌门（Actinobacteria），变形菌门在各个组别的相对丰度都超过50%。
选择weighted Unifrac距离的UPGMA聚类树在真菌门水平上对8组处理进行分析，由图3可知，真菌的聚类与细菌不同，CK、C、E、D、F被分为一组，A、B、G被分为一组，即黑白液处理被分为一组。对其具体分析发现，和对照相比，施肥处理提高了子囊菌门（Ascomycota）的相对丰度，降低了被孢霉门（Mortierellomycota）的相对丰度。
2.2.3 不同施肥处理后盆栽芒果土壤微生物属分类水平比较
在属分类水平对盆栽芒果土壤细菌进行分析，本研究的40个样本至少获得了763个属，利用相对丰度前10位的属比较作图。由图4可知，不同施肥处理改变了盆栽芒果细菌的群落结构，与对照相比，各个施肥处理组Rhodanobacter属的相对丰度均有所提高，Chujaibacter在A处理组相对丰度最高，Pandoraea属的相对丰度在B组最高。
在属分类水平对盆栽芒果土壤真菌进行分析，本研究的40个样本至少获得了626个属，利用相对丰度前10位的属比较作图。由图5可知，不同施肥处理改变了盆栽芒果真菌的群落结构，与对照相比，各个施肥处理组镰刀菌属（Fusarium）和Trichocomaceae-unidentified的相对丰度均有所提高，被孢霉菌属（Mortierella）相对丰度均有降低。
2.3 不同处理对盆栽芒果土壤酶活的影响
土壤磷酸酶在土壤中具有催化有机磷矿化为无机磷的作用，该酶活性是评价土壤磷相关微生物功能的重要指标［15］。由图6可知，与对照相比，黑白液微生物肥低复合肥混合处理组（A）、微生物肥低复合肥混合处理组（F）明显提高了土壤磷酸酶活性，其中黑白液微生物肥低复合肥混合处理组（A）土壤磷酸酶活性最高。
土壤脲酶可以催化尿素分解为氨气和二氧化碳，是土壤代谢的重要动力［16］，与对照相比，除低复合肥组（D）、低复合肥有机肥（C）混合组外，其他施肥组均显著提高了土壤脲酶的活性，其中黑白液微生物肥低复合肥混合处理组（A）土壤脲酶活性最高。
植物栽培的过程中，根系会分泌过氧化氢等物质，过氧化氢酶可以消除土壤中的过氧化氢对植物的危害［17］，黑白液微生物肥低复合肥混合处理组（A）土壤过氧化氢酶活性最高，且与其他组别均有显著性差异。
土壤蔗糖酶是土壤中非常重要的转化蔗糖的酶，可以将蔗糖转化为单糖，土壤蔗糖酶活性可以直接反映土壤有机碳的转化规律［18］，黑白液微生物肥低复合肥混合处理组蔗糖酶活性最高（A）。
2.4 不同处理对盆栽芒果相对叶绿素含量的影响
SPAD值通过反映植物叶绿素的含量，间接反映植物的营养和健康情况［19］。由图7可知，施肥处理提高了盆栽芒果的SPAD值，黑白液微生物肥低复合肥混合处理组（A）盆栽芒果的SPAD值最高。
3 讨论
施肥处理可以改变土壤微生物的群落结构［20］。本研究对不同施肥处理下盆栽芒果的土壤微生物进行了测定，对各个组别特有OTU进行分析发现，其中黑白液+普通有机肥400 g+复合肥50 g组（G）特有的OTU数均最多，PCA结果表明施肥处理改变了土壤细菌的群落结构。
门水平上对不同处理后细菌和真菌进行聚类分析，细菌门水平聚类发现，对照和黑白液处理组被划分到一个类群中，对其分析发现，施肥处理各组变形菌门（Proteobacteria）丰度均高于对照组，由于变形菌门在土壤中具有提高氮肥利用率的功能［21］，证明了施肥处理可能提高土壤对氮肥的利用。
真菌门水平聚类发现，黑白液处理被划分在一个类群中，对其分析发现，施肥处理提高了子囊菌门（Ascomycota）的相对丰度，其中黑白液处理后子囊菌门相对丰度提高更多。子囊菌门是土壤中重要的分解者，对土壤中纤维素有较强的分解能力［22］，因此，黑白液处理有利于盆栽芒果土壤对有机质的矿化。
土壤细菌、真菌、土壤小动物以及植物的根系等构成了一个复杂的整体，土壤酶的活性是土壤生物代谢强度的一个重要反馈［23-24］。本研究表明，施肥处理土壤的蔗糖酶、磷酸酶、脲酶和过氧化氢酶活性均高于对照，这一结果与前人大量的施肥试验结果［25-26］相似，施肥处理提高了主要的土壤酶活性，被研究测试的4组土壤酶活性，均为对照组最低，黑白液微生物肥低复合肥组（A）土壤酶活性最高，证明了黑白液和微生物肥的处理在消除土壤过氧化氢毒害、改良土壤功能上有积极的作用。研究表明，合理的施肥处理可以提高作物的SPAD值［27］，本研究在芒果中得到了类似的结果，7个施肥处理组的SPAD值均高于对照，黑白液微生物肥低复合肥组（A）SPAD值最高，表明了施肥处理对盆栽芒果的光合有着积极的影响。
近年来，已有大量的关于土壤酶活性、土壤细菌、真菌以及其与产量品质的研究，但芒果作为多年生果树，有其独特的生长规律，利用盆栽研究不同的施肥方式对芒果果树的影响，在芒果栽培实践中有重要的参考意义。本研究分析了7种施肥处理后，盆栽芒果细菌、真菌、主要土壤酶活性以及芒果SPAD值的变化趋势，为科学的芒果园管理提供了积极的参考。
4 结论
（1）不同施肥处理对盆栽芒果细菌群落结构影响较大，黑白液+普通有机肥400 g+复合肥50 g组（A）细菌和真菌特有的OTU最多；（2）施肥处理提高了盆栽芒果的土壤酶活性，黑白菌液处理液（微生物菌肥）、微生物有机肥处理在消除土壤过氧化氢毒害、改良土壤功能上有积极的作用；（3）施肥处理提高了盆栽芒果的SPAD值。
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