不同间作模式对胶园土壤微生物功能多样性的影响

赵春梅, 王文斌, 薛欣欣, 张永发, 任常琦, 罗雪华, 吴晓霜

(中国热带农业科学院土壤肥料研究中心,农业农村部橡胶树生物学与遗传资源利用重点实验室,海南省热带作物栽培生理学重点实验室/省部共建国家重点实验室培育基地,中国热带农业科学院橡胶研究所,海口 571101)

【研究意义】橡胶树(Heveabrasiliensis)是原产于南美洲亚马逊河流域的热带雨林物种,也是制造天然橡胶的重要原料,现分布在亚洲、南美洲、非洲、大洋洲和北美洲等60多个国家或地区[1]。鉴于橡胶树的生态和经济价值,自20世纪50年代起,我国就开始大规模植胶,目前天然橡胶已经成为我国热带地区重要的人工经济林。但是经过砍伐原始森林和次生林而大面积扩种橡胶以及长期高强度割胶、施肥等人为管理,改变了橡胶林原来的土壤肥力和生态平衡[2-6]。随着人们对环境保护和可持续发展意识的提高,近年来,橡胶园土壤生态环境问题和林下资源利用备受关注和重视[7-8],发展橡胶林间作模式成了快速有效增加胶园经济效益和生态效益的重要措施[9-10]。【前人研究进展】土壤微生物是土壤生态系统物质循环和能量流动的介导者,也是指示土壤健康的潜在指标[11]。土壤微生物多样性反映土壤生态系统的结构与功能,特别体现在微生物碳源利用模式上[12]。耕作方式多样不仅能够改变土壤微生物群落结构,提高土壤微生物代谢活性,还可以增加土壤养分来源,从而提高土壤微生物群落的功能多样性[13-17]。研究表明,不同耕作方式,如撂荒、翻耕、免耕和旋耕等,对土壤微生物群落代谢和功能多样性都有显著影响[18]。不同玉米种植方式中长期连作栽培会影响土壤微生物群落功能,降低土壤微生物物种多样性[19]。有机物料种类和腐熟水平可能影响土壤微生物群落对Biolog微平板中碳源的利用能力[20]。以往研究证实土壤微生物碳源代谢对种植、耕作、施肥等管理带来的干扰比较敏感[21],同时土壤养分来源的多样性也会导致土壤碳源组成的复杂多样化[22-23]。【本研究切入点】自20世纪50年代以来,胶园间作一直都是橡胶种植和栽培管理关注和研究的重要课题。迄今关于胶园间作物种和间作制度的探索已取得一系列较高价值成果,如林下间作不同禾本科、豆科、薯类、姜科作物等不仅大幅度增加了胶园产量,提高了林下资源利用率,还改善了土壤微生态环境。但目前对于不同间作条件下胶园土壤微生物群落功能的相关研究报道并不多,间作胶园土壤微生物功能与土壤环境因子的相关性和互作机理还有待进一步探索。【拟解决的关键问题】通过比较不同间作模式胶园土壤理化性状和土壤微生物功能多样性特征,探寻影响不同间作模式下土壤微生物代谢功能的关键类群及其与土壤环境因子的相关性,以期为今后橡胶林下间作栽培和橡胶产业可持续发展提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地设在海南省儋州市中国热带农业科学院试验场三队试验基地的4个相邻间作橡胶林段,位于109°28′30″ E,19°32′47″ N。该地区为典型热带海岛季风气候,旱季、雨季分明,5—10月为雨季,年均降水量约1600 mm,年均气温21.5～28.5 ℃。试验区地势平坦,土壤类型为玄武岩发育砖红壤。试验主栽橡胶树品种为热研7-20-59,定植于2002年。3种间作模式分别为橡胶/益智间作(RP)、橡胶/咖啡间作(RL)、橡胶/王草间作(RC),对照(CK)为无间作的纯林胶园。橡胶/咖啡间作胶园的株行距为株距2 m、宽行20 m、窄行4 m,橡胶/益智间作、橡胶/王草间作胶园的株行距为株距3 m、行距7 m,该试验地块的施肥管理和采胶方法基本一致。

1.2 试验方法

1.2.1 土壤样品采集 2021年5月在每个试验处理小区按“S”形布置10个土壤采样点,采样位置在行间距离橡胶树1.5 m处,采样土层深0～20 cm,采集后将各样点土壤混合成1个重复样品,每个小区共获得3个重复样品。清除土壤中根系和杂质后,将土壤分为2份,1份经空气干燥和研磨,过2 mm筛网进行土壤理化性状的测定分析,1份用于土壤微生物群落代谢功能的测定分析。

1.2.2 土壤理化指标测定 参照《土壤农业化学分析方法》[24]测定土壤含水量、pH、有机质、全氮、有效磷和速效钾含量指标。土壤含水量测定采用烘干法,pH测定采用电位法(土水比为1.0∶2.5),有机质含量测定采用重铬酸钾容量法,有效磷含量测定采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法,速效钾含量测定采用中性NH4OAc浸提-火焰光度法,全氮含量测定采用凯氏定氮法。

1.2.3 土壤微生物代谢功能测定 采用Biolog-ECO(31种碳源)微平板培养技术测定土壤微生物群落碳代谢功能多样性。称取10 g土样加入到90 mL含少量玻璃珠的无菌水中,120 r/min振荡30 min,得到土壤悬浊液备用。取土壤悬浊液5 mL用45 mL无菌水进行稀释,重复稀释2次,制得1∶100的提取液。用八通道移液器吸取150 μL提取液加入Biolog-ECO微孔板(Biolog, Hayward, USA)中,28 ℃恒温避光培养240 h,每隔24 h用酶标仪(Customized Microplate Reader, Elx808TM, Biolog, Hayward, USA)读取590、750 nm处的吸光值。

土壤微生物代谢功能多样性指数AWCD值、Shannon-Wiener多样性指数(H′)、Simpson优势度指数(D)、McIntosh指数(E)的计算公式参考文献[25]。

1.3 统计分析

数据统计采用Excel 2012和SPSS 19.0软件,并进行方差分析(ANOVA)、主成分分析(PCA)和相关性分析(Pearson)。

2 结果与分析

2.1 不同间作模式对胶园土壤理化性质的影响

由表1可知,间作胶园土壤含水率、有机质、有效磷、速效钾含量均显著高于纯林胶园(对照),橡胶/益智、橡胶/咖啡、橡胶/王草间作的土壤含水率较对照分别提高25.51%、30.10%、47.12%,有机质含量较对照分别提高74.97%、71.70%、57.32%,速效钾含量分别提高11.99%、43.23%、78.73%,橡胶/咖啡、橡胶/王草间作的土壤有效磷含量较对照分别提高233.18%、48.82%;RP、RC、RL与CK处理之间土壤pH、全氮差异不显著,但间作胶园土壤pH、全氮含量均高于不间作胶园。说明不同间作模式对胶园土壤肥力有提升作用。

表1 不同间作胶园土壤理化性状Table 1 Physical and chemical properties of soil in different intercropping rubber plantations

2.2 不同间作模式土壤微生物碳源利用特征

从图1可以看出,随着培养时间延长,土壤微生物碳源代谢的平均吸光值AWCD逐渐增大,说明土壤微生物对碳源的利用强度增大。培养24 h内,对照与间作处理土壤AWCD值均无明显变化,但在培养48～96 h内,AWCD值变化最明显,48～96 h期间AWCD值随培养时间增长而陡然升高,在培养96～168 h内,AWCD值增长速率减慢并逐渐稳定,216 h后AWCD值基本趋于平稳。方差分析多重比较表明,间作胶园土壤微生物碳源代谢的吸光值AWCD显著高于不间作胶园,土壤微生物对碳源利用的平均吸光值大小依次为橡胶/王草间作>橡胶/咖啡间作>橡胶/益智间作>对照(纯林胶园)。说明间作胶园土壤微生物对碳源代谢的活性高于纯林胶园。

图1 不同间作胶园土壤平均吸光度值随时间的变化Fig.1 Changes of average well color development with incubation time in different intercropping rubber plantations

土壤微生物利用碳源主要分成六大类,包括碳水化合物类、氨基酸类、羧酸类、酚酸类、多聚物类、胺类[26]。从图2可以看出,培养216 h时,不同处理土壤微生物对碳水化合物、氨基酸、酚酸、羧酸代谢的AWCD值最高的是王草间作,分别是对照的2.09、1.81、1.81、1.26倍,土壤AWCD值大小依次为橡胶/王草>橡胶/咖啡>橡胶/益智>对照;土壤多聚物代谢的AWCD值依次为橡胶/王草>橡胶/益智>橡胶/咖啡>对照,最高值是王草间作,为对照的2.33倍;胺类代谢的AWCD值依次为橡胶/咖啡>橡胶/王草>橡胶/益智>对照,最高值是咖啡间作,为对照的1.86倍。表明,间作土壤微生物对六大碳源的代谢特征与对照之间显著差异,不同间作处理之间土壤微生物对不同碳源的代谢也存在差异。

小写字母不同表示差异显著(P<0.05)。下同。Different small letters indicate significant difference at P<0.05. The same as below.图2 不同间作胶园土壤微生物碳源平均颜色变化率Fig.2 AWCD of carbon sources of soil microbes in different intercropping rubber plantations

2.3 不同间作模式土壤微生物群落功能多样性

土壤微生物群落对碳源利用的差异可以用多样性指数来表示。由表2可知,3种间作胶园的AWCD值均显著高于对照。McIntosh指数能区分土壤微生物利用碳源类型的多少,3种间作胶园McIntosh指数均显著高于对照,其大小依次为橡胶/王草>橡胶/咖啡>橡胶/益智>对照。不同处理之间Shannon指数、Simpson指数差异不显著,但间作胶园Shannon指数均高于纯林胶园。

表2 不同间作胶园土壤微生物群落功能多样性Table 2 Functional diversity indices of microbial community in different intercropping rubber plantations

2.4 不同间作模式土壤微生物利用碳源主成分分析

利用单一碳源AWCD值对31种碳源利用特征进行主成分分析(PCA),共提取3个与土壤微生物碳源利用相关的主成分:PCA1、PCA2、PCA3,其解释变量方差分别为41.94%、35.38%、22.68%,选择PCA1、PCA2 2个主成分因子做载荷载图,累积贡献率达77.32%。从图3可知,不同处理分布在主成分图中不同象限,纯林胶园位于第四象限,橡胶/王草间作位于第三象限,橡胶/咖啡间作、橡胶/益智间作同时分布于第二象限。3种间作模式与对照之间差异显著,橡胶/咖啡与橡胶/益智差异不明显,说明主成分PCA1、PCA2能够区分不同处理土壤微生物群落的代谢功能特征。

图3 不同间作胶园土壤微生物利用碳源主成分分析Fig.3 The principal component of carbon source utilization of soil microbes in different intercropping rubber plantations

对胶园土壤微生物利用碳源主成分的得分系数与单一碳源的AWCD值进行相关分析(表3),对主成分1贡献率最大(相关系数绝对值大于0.800)的碳源是碳水化合物类(α-D-乳糖、β-甲基-D-葡萄糖苷)、氨基酸类(L-精氨酸、L-天门冬酰胺、L-丝氨酸)、羧酸类(D-葡萄糖胺酸、丙酮酸甲酯)、酚酸类(2-羟基苯甲酸)、多聚物类(吐温40、吐温80);对主成分2贡献率最大的碳源是碳水化合物类(D-纤维二糖、D-木糖D、i-赤藓糖醇、N-乙酰-D葡萄糖氨、D,L-α-磷酸甘油)、氨基酸类(甘氨酰-L-谷氨酸)、羧酸类(衣康酸)、多聚物类(肝糖)。说明,胶园土壤微生物利用碳水化合物类、氨基酸类、羧酸类、多聚物类碳源代谢能力较强,而对酚酸类、胺类碳源利用能力较差。

表3 31种碳源在主成分上的特征向量Table 3 Eigenvectors of principal components of 31 sole-carbon sources

2.5 土壤微生物碳源利用与土壤理化性质的相关性

从表4可知,吐温40与土壤有机质含量呈显著负相关,α-D-乳糖与有机质含量呈显著正相关,β-甲基D-葡萄糖苷含量与含水量、pH均呈显著正相关,D-木糖含量与全氮含量呈显著正相关,D-甘露醇含量与pH、速效钾含量呈显著负相关,1-磷酸葡萄糖、2-羟基苯甲酸与有机质含量均呈显著正相关,4-羟基苯甲酸含量分别与有机质、全氮含量呈显著负相关,γ-羟丁酸与有效磷含量呈显著负相关,α-丁酮酸与全氮含量呈显著负相关,D-苹果酸含量与含水量、pH呈极显著负相关,与速效钾含量呈显著负相关,L-精氨酸与有效磷含量呈显著正相关,L-天门冬酰胺与有效磷含量呈显著负相关,L-苯丙氨酸含量与含水量呈极显著负相关,与pH呈显著负相关,L-丝氨酸与有机质含量呈显著正相关。说明,胶园土壤微生物碳源利用与土壤理化因子有着密切相关性。

表4 土壤微生物碳源利用与土壤理化性质的相关性Table 4 Correlation between soil physicochemical properties and soil microbial carbon source

3 讨 论

不同林分土壤特性不同,不同种植模式也会改变土壤理化性质。本研究发现,与纯林胶园相比,间作增加了林下植被覆盖,减少了水分蒸发,提高了土壤含水量。间作物王草、益智为禾本科和多年生草本植物,其枯落物和植物残体为土壤腐解过程增添了丰富有机物料,从而提高了土壤有机质和养分含量。幼龄胶园间种香蕉和葛藤均可提高胶园土壤有机质、全氮、速效磷和速效钾含量[27],成龄胶园间作豆科、姜科、禾本科、薯芋类等作物降低了土壤pH、速效磷含量,增加了硝态氮、铵态氮、速效钾含量[28]。但不同间作物对胶园土壤pH的影响不同,杨曾奖等[29]研究表明,胶园种植咖啡后降低了土壤pH,李娟等[30]研究发现,咖啡间作土壤pH明显高于不间作胶园,刘小琼等[31]也发现,连续间种咖啡提高了胶园土壤速效磷含量和pH。本研究发现,咖啡间作同样提高了土壤pH,说明间作作物种类、间作时间以及管理措施等都有可能是引起土壤肥力变化的重要因素。

不同间作模式为土壤微生物生长和代谢提供了丰富的碳源。AWCD值能够指示微生物群落代谢活性的强弱,常被用于反映土壤微生物对碳源的吸收利用能力[32]。本研究发现,间作胶园的AWCD值均显著高于纯林胶园,各种间作模式中土壤微生物对碳源的利用能力依次为橡胶/王草>橡胶/咖啡>橡胶/益智,说明王草间作土壤微生物碳代谢活性最强,益智间作最弱。在土壤微生物功能多样性分析中,不同间作胶园和纯林胶园之间土壤微生物碳代谢功能的多样性Shannon指数和优势度Simpson指数无显著差异,但是McIntosh值却显著高于不间作,说明间作胶园土壤中碳源利用多样性的空间分布均匀度更高,可利用碳源种类更多,微生物代谢能力更强。本研究发现,胶园土壤微生物对碳水化合物类、氨基酸类、多聚物类、羧酸类碳源利用能力较强,而对酚酸类、胺类碳源利用能力较差,说明碳水化合物类、氨基酸类是橡胶林土壤微生物代谢最强的碳源[33-34],同时证明物种间的合理组合更有利于增加土壤微生物对碳源利用的种类和数量[35]。

土壤微生物群落代谢功能与土壤养分之间存在密切关系,水分条件和pH是影响土壤养分有效性与土壤微生物活性的重要因素[36-37]。李万年等[38]在混交林土壤微生物功能多样性研究中发现,较低的土壤pH适于凋落物降解和微生物生长,更能提高微生物功能多样性。研究发现,β-甲基D-葡萄糖苷、D-苹果酸、L-苯丙氨酸均与土壤含水量和pH呈显著相关,说明水分和pH也是影响胶园土壤微生物代谢功能的重要因子。不同间作物可以增加更多类型和数量的凋落物,为土壤提供大量碳源和营养元素,有利于微生物的繁殖和代谢活性[39],本研究发现,间作王草、益智、咖啡均不同程度提高胶园土壤有机质含量,从而增强土壤微生物对碳源利用的代谢能力。

4 结 论

不同间作模式对胶园土壤微生物碳代谢功能和多样性都有显著影响。间作胶园土壤微生物对碳源利用的平均吸光值高于纯林胶园,间作王草模式土壤微生物对碳水化合物类、氨基酸类、酚酸类、羧酸类和多聚物类的代谢能力较强,间作咖啡模式土壤微生物对胺类的代谢能力较强。间作胶园与纯林胶园之间土壤微生物碳代谢功能多样性差异显著,间作后土壤碳源代谢的微生物物种更加丰富。胶园土壤微生物碳源代谢功能与土壤理化性状之间有着密切关系,土壤含水量、pH、有机质是影响胶园土壤碳代谢差异的主要环境因子。