APP下载

不同种植年限苜蓿地球囊霉素相关土壤蛋白含量及其影响因素

2024-04-24牛伊宁何仁元张耀全罗珠珠

草业科学 2024年3期
关键词:土壤有机苜蓿侵染

高 瑞,牛伊宁,何仁元,张耀全,海 龙,罗珠珠,

(1.甘肃农业大学资源与环境学院, 甘肃 兰州 730070;2.省部共建干旱生境作物学国家重点实验室, 甘肃 兰州 730070)

隶属于球囊菌门(Glomeromycota)的有益微生物丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhiza fungi,AMF)能与陆地上80%的植物互惠共生形成丛枝菌根[1]。AMF 对土壤理化性质变化响应敏感,通过根外菌丝将植物根系与土壤密切联系起来[2],以丛枝和泡囊的结构存在于植物根系中,以菌丝网和孢子的形式分布在植物根围土壤中[3],菌丝可延伸至与根系没有接触的土壤中拓展植物根系的吸收面积,促进植物对氮、磷、钾及其他养分和水分的吸收[4-5],增强植物抗逆性[6]。球囊霉素相关土壤蛋白(glomalin related soil protein,GRSP)是由AMF 所在的菌丝和孢子壁代谢的,随菌丝和孢子的降解进入土壤中内含有金属离子的耐热糖蛋白[7],对维护AMF 自身的生理功能格外重要。GRSP 含量占土壤碳库的4%~5%,对土壤碳库的贡献不容忽视[8],对土壤总氮最大贡献率达到5%,是土壤氮素的一个重要来源[9]。同时,GRSP 被誉为“超级胶水”,其独特的黏附能力可以促进微团聚体形成大团聚体并有利于维持团粒结构稳定性,提高土壤抗侵蚀能力[10]。土壤有机碳和团聚体也存在相互作用,有机碳胶结土壤颗粒促进团聚体的形成,团聚体的形成又在一定程度上有利于土壤固碳[11]。因此,通过研究GRSP 含量可进一步明确AMF 在促进营养物质循环、维持土壤结构中的作用机理。

紫花苜蓿(Medicago sativa)是一种多年生优良豆科牧草,由于其抗旱、抗寒、耐盐碱、耐瘠薄、生长适应性强[12],常常被作为黄土高原区域退耕还林还草的主要草种[13]。持续多年种植紫花苜蓿后促进土壤碳氮含量提高,但其过度消耗土壤水分和磷素,使得苜蓿产量下降,并制约后续作物生长。有研究表明,为了提高土壤磷利用率,植物与AMF 形成共生结构以增加磷的吸收[14]。GRSP 是由AMF 代谢的结构相对稳定的产物[15],常作为指标分析AMF 对生态系统物质循环的影响[16]。有研究表明,GRSP 含量和有机碳、全氮和速效磷含量正相关[17];但也有研究发现,随施磷水平提高,GRSP 含量先升后降[18],这说明土壤GRSP 含量与组成受土壤性质、植物种类、环境因子等多种因素的影响。黄土高原半干旱区苜蓿长期种植后,GRSP 含量是如何响应这样一种低磷土壤环境呢?以往研究大多集中于土壤水分、养分和微生物[19-21]等方面,针对GRSP含量在紫花苜蓿栽培草地的分布状况及其与土壤性质关系鲜见报道。

因此,本研究通过测定紫花苜蓿不同种植年限AMF 丰度和GRSP 含量,评估其对土壤有机碳库和团聚体稳定性的贡献,并结合土壤理化因子明确GRSP 含量的主要影响因素,为区域紫花苜蓿栽培草地可持续利用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究基于布设在定西市甘肃农业大学旱作农业综合试验站(104°44′ E, 35°28′ N)的长期定位试验进行。试区为雨养农业区,土壤为黄绵土,海拔2 000 m,干燥度2.53,无霜期140 d,年均日照时数2 476.6 h,年均降水量390 mm,年蒸发量1 531 mm,年均气温为6.4 ℃,年均太阳辐射量为592.9 kJ·cm-2[13]。

1.2 试验设计

研究对象为不同建植年限[2019 年(L2019)、2012年(L2012)、2003 年(L2003)]紫花苜蓿地,对照为玉米(Zea mays)农田,小区面积均为3 m × 7 m,3 次重复,随机区组排列。苜蓿品种均为‘陇东苜蓿’,采用条播方式播种,播量为22.5 kg·hm-2,在建植当年施P2O5105 kg·hm-2、纯氮 105 kg·hm-2,苜蓿生长期间未采取施肥措施,每年6 月、10 月刈割两次。农田自 2013 年开始连续每年播种该地主栽作物玉米,品种为‘先玉335’,每年播前施P2O5105 kg·hm-2、纯N 200 kg·hm-2, 种植密度5.25 万株·hm-2。试验期间未施肥灌水,各处理田间管理保持一致。

1.3 土样采集

用土钻使用对角线五点法于2021 年6 月苜蓿第1 茬盛花期收集苜蓿和农田玉米土壤(0-20 cm),混合成一个样品,每个处理3 次重复,剔除土样中的各种杂物,将土样充分混匀后带回实验室。部分土样过筛(2 mm)于4 ℃冰箱保存用于土壤硝态氮测定,其余土样风干后过1、2 和0.25 mm 筛,用于土壤其他理化指标及菌丝密度的测定;在每个小区采集0-30 cm 土层土壤装盒带回,在室内风干过程中沿土壤自然缝隙将土壤掰成小于1 cm 的小块用于土壤团聚体测定。将苜蓿根系挖出,干冰保存带回实验室,挑选细根洗净后剪成1 cm 左右的根段保存,用于测定根系菌根侵染率。

1.4 土壤相关指标测定

测定方法参考《土壤农化分析》[22]。土壤容重使用环刀法;全氮使用凯氏定氮法;有机碳使用浓硫酸-重铬酸钾外加热法;全磷使用高氯酸-浓硫酸-钼锑抗比色法;速效磷使用碳酸氢钠-钼锑抗比色法;速效钾使用醋酸铵-火焰光度法;硝态氮使用2 mol·L-1氯化钾浸提全自动化学间断分析仪测定;pH 使用pH 计;土壤微生物生物量碳熏蒸后用硫酸钾浸提碳氮联合分析仪测定。

土壤团粒结构采用湿筛法[23]。用干筛法得到各粒径团聚体,按比例配成湿筛法所需土样,装入孔径自上而下为5、2、1、0.5、0.25 mm 的团聚体分析套于水桶内,加蒸馏水没过土壤(振动频率为30次·min-1,时间为5 min)。之后用烘干法测得每个粒级土壤质量。土壤水稳性团粒结构特征用平均重量直径(mean weight diameter, MWD)、大团聚体所占比重R0.25表示。MWD 指团聚体分布评估的综合指标,值越大即大粒径团聚体含量越高,两者代表团聚体结构稳定性和抗侵蚀能力。

式中:d¯i为各级土壤团聚体的平均直径;wi为各粒级土壤团聚体占总试样的百分比。

AMF 侵染率采用墨水醋染色法测定[24]。菌丝密度采用真空泵抽滤法测定[25]。参考Wright 和Upadhyaya[26]方法测定GRSP 含量。称取1 g 过2 mm筛土壤样品,易提取球囊霉素相关土壤蛋白(easily extractable glomalin related soil protein,EE-GRSP)含量 用20 mmol·L-1柠 檬 酸 钠 溶 液(pH 7.0)在121 ℃下提取30 min,5 000 r·min-1离心20 min 后收集上清液;总提取球囊素相关土壤蛋白(total glomalin related soil protein,T-GRSP)含量用50 mmol·L-1柠檬酸钠溶液、pH 8.0 在121 ℃下提取60 min,5 000 r·min-1离心20 min 后收集上清液,重复以上步骤直到上清液失去红棕色。提取后在紫外-可见光分光光度计(UV-2450,日本岛津)在595 nm 波长下比色。

式中:C表示标准曲线值(μg);Vt表示提取上清液体积(mL);Vs表示测定时加样体积(mL);Wf表示样品重(g)。

1.5 数据统计与分析

本研究使用Excel 2016 对土壤理化性质、GRSP含量进行数据统计分析,用SPSS 25.0 对数据进行单因素(ANOVA)方差分析、多重比较(LSD 法,P< 0.05)进行差异显著性分析,结果用平均值 ± 标准误表示。运用Origin2021 进行团粒结构特征、侵染状况及一元线性回归分析并绘图,运用Canoco5软件进行冗余分析(redundancy analysis,RDA),用Adobe Illustrator 2020 软件对图表进行调整修饰。

2 结果与分析

2.1 不同种植年限苜蓿地土壤基本性质

土壤基本性质表明(表1),土壤有机碳、全氮和微生物生物量碳随苜蓿种植年限增加而提高,且L2003处理显著高于农田(P< 0.05);土壤全磷、速效磷和硝态氮表现为农田显著高于苜蓿地(P< 0.05),且全磷和速效磷随苜蓿种植年限增加而降低;土壤水稳性团聚体结构特征表明,平均重量直径、大团聚体所占比重(R0.25)均随苜蓿种植年限的增加而提高,且L2003处理显著高于其他处理(P< 0.05);土壤容重、速效钾和pH 各处理间未表现出明显差异。

表1 不同处理土壤基本性质Table 1 Soil properties under different treatments

2.2 不同种植年限苜蓿地土壤AMF 丰度

根系菌根侵染率和菌丝密度均随苜蓿种植年限增加而提高(图1),其中菌根侵染率表现为L2003(74%)处理显著高于其他处理(P< 0.05),菌丝密度表现为L2003和L2012显著高于L2019和农田(P< 0.05)。

图1 不同处理AMF 侵染率和菌丝密度Figure 1 Colonization rate and hypha density of arbuscular mycorrhizal fungi under different treatments

2.3 不同种植年限苜蓿地球囊霉素相关土壤蛋白

T-GRSP 和EE-GRSP 含量均表现为随苜蓿种植年限增加而提高(表2),且L2003处理显著高于其他处理(P< 0.05)。EE-GRSP/T-GRSP 在处理间无明显差异,T-GRSP/SOC 随苜蓿种植年限增加而提高,L2003处理显著高于农田(P< 0.05)。线性回归分析结果表明(图2),土壤有机碳和微生物量碳与T-GRSP显著正相关(P< 0.05),R0.25和MWD 与T-GRSP 和EE-GRSP 之间均显著正相关(P< 0.05)。

图2 球囊霉素相关土壤蛋白与土壤有机碳、微生物生物量碳及团聚体结构特征的关系Figure 2 Relationship between glomalin-related soil proteins with Soil organic carbon, microbial biomass carbon, and aggregate characteristics

表2 不同处理球囊霉素相关土壤蛋白含量及相关比例Table 2 Glomalin Related Soil Protein and correlation proportions under different treatments

2.4 土壤AMF 指标与土壤基本性质关系

RDA 分析结果表明,RDA1 和RDA2 共解释了总方差的87.14% (图3)。蒙特卡洛检验进一步表明(表3),土壤速效磷(avail phosphorous,AP)和微生物量碳(microbial biomass carbon,MBC)是主导AMF丰度和GRSP 的主要环境因子(P< 0.01),其中GRSP 与速效磷极显著负相关(P= 0.002),与微生物量碳极显著正相关(P= 0.002)。

图3 土壤AMF 丰度和GRSP 与土壤基本性质冗余分析Figure 3 Redundancy analysis (RDA) of soil AMF Abundance, GRSP, and soil properties

表3 土壤基本性质对AMF 丰度和GRSP 的影响Table 3 The effects of soil properties on AMF Abundance and GRSP

3 讨论

3.1 不同种植年限AMF 丰度及球囊霉素相关土壤蛋白和团聚体结构特征的关系

GRSP 是由AMF 菌丝分泌的一种含有37%的碳和3%~5%氮的理论假设糖蛋白[27],保存在GRSP中的碳对土壤碳库的贡献很大,甚至其含碳量要高于土壤微生物的含碳量[28],在土壤碳循环过程中发挥重要作用。苜蓿根系菌根侵染率和菌丝密度均随苜蓿种植年限增加而提高,其中菌根侵染率表现为L2003处理显著高于其他处理,菌丝密度表现为L2003和L2012处理显著高于L2019和农田处理。相应地,T-GRSP 和EE-GRSP 含量亦表现为随苜蓿种植年限增加而提高,表明持续多年种植苜蓿后由于根系AMF 丰度的增加,促使分泌更多的GRSP。大量研究证实GRSP 充当土壤中的“超级胶水”,具备增强土壤团聚体形成及稳定性的功能[29],可将小土壤颗粒黏结成微团聚体至粒径稍大的团聚体,进而发展成稳定的大团聚体( > 0.25 mm),其黏附土壤颗粒的能力比其他土壤糖类物质强3~10 倍[30],能增加土壤团聚体稳定性。前人研究发现GRSP 含量与粒径大于2 mm 的大团聚含量和团聚体结构稳定性指数MWD 显著正相关[31-32]。本研究中土壤水稳性团聚体结构特征表明,MWD、R0.25均苜蓿随种植年限的增加而提高。线性回归分析也表明,TGRSP 与EE-GRSP 与MWD 和R0.25显著正相关。L2003处理中GRSP 含量最高,相对应的土壤水稳性团粒结构特征也显著高于其他处理,进一步表明持续多年种植苜蓿后GRSP 含量的增加有利于土壤颗粒黏结为团聚体,从而对包裹在其中的有机碳形成保护,维持有机碳的稳定性,提高有机碳含量并改善土壤结构。

3.2 不同种植年限苜蓿地球囊霉素相关土壤蛋白影响因素

GRSP 是土壤有机质的主要组成部分,是土壤中有机碳、氮的重要来源[33],因此,GRSP 常常被认为是AMF 对宿主植物生长环境改变的一种应答机制。大量研究证实,土壤GRSP 含量和有机碳、氮、含量正相关[34-35];但是,GRSP 含量和土壤磷的含量关系较为复杂,高磷土壤中与土壤速效磷显著正相关[36],土壤缺磷情况下与土壤速效磷无显著相关性[17]或负相关[37]。本研究中土壤速效磷含量随苜蓿种植年限的增加而降低,微生物量碳和GRSP含量随苜蓿种植年限增加而提高,且RDA 和蒙特卡洛检验结果表明GRSP 含量与速效磷含量极显著负相关,原因可能是黄绵土区土壤磷缺乏,苜蓿种植多年并未施肥,种植年限越长速效磷含量越低,在该环境下植物更容易受到磷限制而不是氮限制,磷限制情况下植物会释放更多的化学信号来刺激AMF 生长。L2003处理AMF 侵染率显著高于其他处理,当土壤中的速效磷含量越低,AMF 的侵染率可能就越高,菌丝延伸吸收土壤养分、GRSP 随菌丝腐解释放于土壤,导致速效磷含量低的土壤分泌的GRSP 含量可能就越高。

4 结论

黄绵土区长期种植紫花苜蓿显著改变了土壤基本性质,进而提高了AMF 丰度和GRSP 含量。GRSP含量与土壤有机碳及团聚体稳定性之间显著相关。冗余分析表明,影响土壤AMF 丰度和GRSP 含量的主要环境因子是土壤速效磷和微生物生物量碳。与农田相比,T-GRSP 含量在土壤有机碳中的比例随苜蓿种植年限的增加而提高,说明长期种植苜蓿引起GRSP 含量增加并促进了其在土壤有机碳中的积累,提高了GRSP 含量对团聚体稳定性和土壤有机碳的贡献。该研究结果可为黄绵土GRSP 研究及紫花苜蓿栽培草地可持续利用提供理论依据。

猜你喜欢

土壤有机苜蓿侵染
揭示水霉菌繁殖和侵染过程
苜蓿的种植及田间管理技术
苜蓿的种植技术
苜蓿:天马的食粮
西双版纳橡胶林土壤有机碳分布特征研究
芸薹根肿菌侵染过程及影响因子研究
要造就一片草原……
甘蓝根肿病菌休眠孢子的生物学特性及侵染寄主的显微观察
秸秆还田的土壤有机碳周转特征
土壤有机碳转化研究及其进展