蚯蚓堆肥与生物炭对瓜草复合系统土壤及植株的影响

王 帅,徐广亚,杨海波,朱红艳,尹 翠,曹云娥

(宁夏大学 葡萄酒与园艺学院,银川 750021)

目前中国西瓜的设施栽培面积达 8.87 × 104hm2,占西瓜总种植面积的71.18%。然而,设施农业高复种指数、低异质性生境却引发了土壤微生物群落失衡,以及蔓枯病[1]、枯萎病[2]、根结线虫[3]爆发等一系列问题。针对上述问题,前期研究一改先前 “清耕”为主的生产管理模式,基于保护性耕作原则提出了一系列的“主栽作物”—“覆盖作物”生境系统[4-6],在保证农田生物多样性的同时,也最大程度降低了耕层土壤扰动。此外,由于覆盖作物根系生长扩大了耕层土壤孔隙度,这不但利于主栽作物的根系在更大的生物孔道中向深层土壤继续生长[7],也显著提高了土壤酶活性[8],增加了土壤微生物生物量[9]。尽管覆盖作物有上述诸多优点,但覆盖作物播种期[10]、刈割方式[11]、空间配置[12]一旦设置不当,依然可能导致经济作物与覆盖作物之间出现争抢水分、养分的消极生态效益[13]。

为尽量避免上述局面的产生,相关研究从覆盖作物不同组成、不同利用方式等角度展开了调查,如王明亮等[14]发现实施黑麦草、白三叶、早熟禾与红三叶4种覆盖作物的混播模式对茶树耕层土壤的改良效果最佳;若将其刈割的有机废弃物还田腐解,还可有效释放养分归还至土壤中,直接提高土壤养分含量,调节土壤酸碱度,并加速土壤有机质的形成[15-16]。姜黎等[17]研究认为,杏园间作牧草紫花苜蓿虽然使杏树与苜蓿根系会发生较小资源的竞争,但有利于改善林下土壤的理化性质和养分状况,能够有效促进果树的生长发育。研究发现,混配适量砻糠灰可有效改善栽培基质理化特性,显著促进甜瓜植株生长,提高叶片光合作用能力,改善果实品质,并以砻糠灰与市售成品栽培基质体积比为2∶4的混配基质配方最为适宜,可替代传统基质用于甜瓜栽培[18]。

蚯蚓堆肥是指将蚯蚓引入到有机废弃物堆肥处理过程中,利用蚯蚓自身丰富的酶系统(蛋白酶、脂肪酶、纤维酶、淀粉酶等)将有机废弃物迅速彻底分解,转化成易于利用的营养物质,从而加速堆肥腐熟过程。由于蚯蚓堆肥是一个长期嗜常温的进程,该进程富集了大量的有益微生物,如放线菌、固氮菌、原生动物、细菌与藻类等[19]。上述微生物不但能促进蚯蚓堆肥对养分的矿化,而且在园艺或田间使用后还可以保持基质和土壤较高的生物质量[20-21];相比蚯蚓堆肥,生物炭凭借其自身具有巨大比表面积和丰富毛细孔隙的属性,从而成为土壤中众多微生物的栖息地,如Bamminger等[22]发现在农田土壤中施加2%的生物炭,土壤中真菌和细菌的比例均随之提高。然而,目前鲜有研究报道覆盖作物、蚯蚓堆肥与生物炭之间的相互作用关系。

因此,不同于前期果草生境系统研究仅关注养分调控,为了更进一步明确覆盖作物—基质—主栽作物根系界面的微生物活性及驱动机制,本研究选取适应性广、产量高、竞争力强、持久性好的白三叶草(Trifoliumrepens)作为覆盖作物,生物炭结合蚯蚓堆肥作为栽培基质,根敏感型代表作物西瓜作为主栽作物,并在此基础上引入蚯蚓堆肥与生物炭,尝试全面比较不同基质条件下复合生境系统中土壤养分、土壤菌群、植株养分与果实代谢物的变化特征,以期为更广泛地推广此西瓜—白三叶草复合系统提供多角度、成体系的参考依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

试验地位于宁夏贺兰县园艺产业园(38°18′N, 106°15′E),该园区属于国家级农业示范园区,园区的年降雨量为180～200 mm,其80%的降雨量集中在6-8月,年平均气温9.7 ℃,无霜期160～170 d,属中温带干旱气候区,具有典型的大陆性气候特点。设施为宁夏日光温室,长80 m,跨度8m,脊高4.4 m,后墙高度4.7 m,室内配有自动化灌溉设备,实现了水肥一体化的灌溉要求。

1.2 试验材料

供试西瓜品种为‘惠玲’(Citrulluslanatuscv. ‘Huilin’),覆盖作物是白花三叶草(Trifoliumrepens)。试验用土壤为砂壤土(全氮0.4 g/kg,全磷8.01 g/kg,速效氮17.13 mg/kg,速效磷347.88 mg/kg,速效钾143.44 mg/kg,有机质50.30 g/kg,pH值为7.60,EC值为0.55 mS/cm);供试蚯蚓由宁夏万辉生态环保科技有限公司提供,品种为‘大平2号’。蚯蚓堆肥由试验开始前投放的蚯蚓消解半腐熟的牛粪产生,其基本理化性质为:容重0.67 g/cm3,总孔隙度47.63%,pH 7.89,EC值为1.83 mS/cm,全氮7.27 g/kg,速效氮160.44 mg/kg,速效磷579.67 mg/kg,速效钾2.73 g/kg; 供试生物炭(主要成分为椰壳,有效碳成分为95%)购买于河南泰源环保科技有限公司。

1.3 试验设计

试验共设8个处理:CK,空白对照(西瓜植株);B,生物炭;W,覆盖三叶草;V,蚯蚓堆肥;WV,覆盖三叶草+蚯蚓堆肥;WB,覆盖三叶草+生物炭;BV,生物炭+蚯蚓堆肥;WBV,覆盖三叶草+生物炭+蚯蚓堆肥。其中,蚯蚓堆肥和生物炭用量均为6 546.64 kg/hm2。各处理在田间随机排列,每个处理为1个小区,3次重复,每个小区长4.7 m,宽3.9 m,面积为18.33 m2,小区间有保护行隔开。每个小区种植2垄,每垄定植2行西瓜幼苗,株距为30 cm。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 土壤理化性质

土壤容重采用环刀法测定;有机质含量采用重铬酸钾—硫酸氧化法测定;全氮含量采用H2SO4—H2O2消化—半微量凯氏定氮法测定;全磷含量采用H2SO4—H2O2消化—钼锑抗比色法测定;速效氮含量采用凯氏定氮法测定;速效磷含量采用钼锑抗比色法测定;速效钾含量采用H2SO4—H2O2消化—火焰光度法测定。具体参考《土壤农化分析》[23]中方法。

1.4.2 土壤微生物DNA提取和16S RNA基因高通量测序

根据soil DNA kit (MoBio Laboratories Inc., CA, USA)说明书的要求对微生物群落总 DNA进行抽提,其DNA浓度与纯度利用Nano Drop 2000进行检测;符合要求后采用Agen court AM Pure XP核酸纯化试剂盒纯化。本研究采用338F(5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′)和806R(5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)引物对土壤菌群DNA的16SrRNA V3-V4区段进行PCR扩增。对应处理的DNA样品运用Illumina Mi Seq平台进行测序。在97%的序列相似度水平上,将质量过滤后的序列进行操作单元(operational taxonomic unit, OTUs)的分类。再用QIIME稀释分析后,进而获得相关丰度数据。

通过 Alpha多样性来分析不同土壤样品的菌群多样性和相对丰度,并运用Ace、Chao1、Shannon、Simpson指数以及Coverage来进行评估。其中Ace、Chao1指数评估菌群丰度,Shannon、Simpson指数评估菌群多样性。Coverage指数是测序深度指标,表示每个样本文库的覆盖率。各指数具体计算方法如下。

Coverage 指数计算公式:

(1)

式中:C表示Coverage指数值;n1表示只含有1条序列的OTU数目;N表示抽样中出现的总序列数目。

Chao 1指数计算公式:

(2)

式中:Schao1表示Chao 1指数值;Sobs表示实际观测到的OTU数目;n1表示只含有1条序列的OTU数目;n2表示只含有2条序列的OTU数目。

根据公式(3)～(7) 计算Ace指数:

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中:SAce表示Ace指数值;ni表示含有i条序列的OTU数目;Srare表示含有或少于M条序列的OTU数目;SM表示多于M条序列的OTU数目;M(abund)表示优势OTU的阈值, 默认为10。

根据公式(8) 计算Shannon指数:

(8)

式中:HShannon表示Shannon指数值;Sobs表示实际观测到的OTU数目;ni表示第i个OTU所包含的序列数;N表示所有的序列数。

根据公式(9) 计算Simpson指数:

(9)

式中:DSimpson表示Simpson指数值。

在真菌β多样性分析中,采用weighted-unifrac距离算法,通过各物种属水平的系统进化树,计算进化树各物种的系统发育进化关系,并将序列的丰度信息进行加权计算,从而计算样本间的距离,采用ANOSIM非参数相似性检验,以检验组间差异是否大于组内差异,并计算R值,计算方式如公式(10)所示:

(10)

1.4.3 西瓜植株养分

在西瓜幼苗定植1个月后(2020年4月17日)开始相关指标测定。于每个处理小区内选取6株代表植株,将待测植株样品风干后用粉碎机粉碎并过0.25 mm筛,向待测植株样品中加入H2SO4,静置,再加入H2O2,在高温下继续分解有机物,采用凯氏蒸馏定氮法测定植株全氮,采用钒钼黄比色法测定植株全磷,采用火焰光度法测定植株全钾[23]。

1.4.4 果实代谢物组学测定

在西瓜成熟期时,每个处理选取大小一致的9个果实,每3个西瓜果实的果肉混合作为1个生物学重复,每个处理设置3个生物学重复。样品保存于50 mL离心管中,先用液氮速冻,再妥善贮存于-80 ℃超低温冰箱中待测。相关代谢组学检测在河北美吉生物科技有限公司实施。

1.5 数据处理

所有指标数据做3次重复,利用Excel 2019和SPSS 24.0软件进行数据分析,采用单因素ANOVA和Duncan法进行方差分析和多重比较,在0.05水平进行差异显著性分析,结果以均值±标准误表示,利用Origin2018软件作图。

土壤微生物使用美吉生物云平台 (cloud.majorbio.com)完成样品的Ace、Chao1、Shannon、Simpson指数以及Coverage分析。代谢组学分析中先后运用软件VennDiagram (R packages,Version1.6.20)绘制文氏图,软件scipy (Python,Version1.0.0)绘制热图、富集KEGG通路(P<0.05),软件ropls(R packages,Version1.6.2)作VIP分析。

2 结果与分析

2.1 西瓜—白三叶草复合系统中土壤理化特征

由表1可知,各引入白三叶草、生物炭与蚯蚓堆肥处理土壤的容重均比空白对照(CK)不同程度降低,但各引入处理间均无显著差异。其中,蚯蚓堆肥处理(V)、生物炭+蚯蚓堆肥处理(BV)和覆盖白三叶草+蚯蚓堆肥处理(WV)土壤的容重与对照无显著差异,而生物炭处理(B)、覆盖白三叶草+生物炭+蚯蚓堆肥处理(WBV)、覆盖白三叶草+生物炭处理(WB)和覆盖白三叶草处理(W)相比CK显著降低14.77%(B)～19.46%(W)。

表1 不同处理间土壤理化性质的比较

与此同时,各引入处理土壤的有机质含量均比CK不同程度提高,增幅在5%(W)～88.96%(WBV)之间,其中的B、BV和WBV处理增幅均达到显著水平。各引入处理土壤的全氮含量也均比CK显著提升30.43%～71.74%,其中的V处理显著低于其余引入处理,而其余处理间无显著差异;与全氮含量变化特征不同,土壤速效氮含量在各处理及CK间差异均不显著。此外,土壤全磷和有效磷含量在各引入处理下均比CK不同程度提高,但B、W、V处理均与CK无显著差异,而WV、BV、WB处理土壤全磷含量比CK分别显著提高27.01%、39.74%和33.13%,速效磷含量分别显著提高了15.72%、10.62%和12.19%,尤其是WBV处理的速效磷含量最高,比CK显著提高23.88%。另外,各引入处理土壤速效钾含量均比CK大幅度显著提升,增幅在25.03%(W)～102.22%(BV)之间。可见,各引入白三叶草、生物炭与蚯蚓堆肥处理土壤容重不同程度降低,土壤有机质含量显著增加,氮、磷、钾全效养分与速效养分也均有提高,说明引入处理可明显改善土壤环境,提升土壤养分水平,尤其以WBV处理表现更为突出。

2.2 西瓜—白三叶草复合系统中土壤微生物多样性和物种组成特征

2.2.1 群落多样性

引入白三叶草、生物炭与蚯蚓堆肥的复合系统土壤细菌、真菌的群落多样性指数除Coverage外均发生了明显改变(表2)。

表2 不同处理土壤微生物α多样性指数

其中,在细菌多样性方面,与CK相比较,Shannon指数在B、V、BV和WB处理下不同程度提高,在W处理下无变化,在其余处理下降低,但仅WBV处理降幅显著;Simpson指数在WV、WBV处理下不同程度提高,在B处理下无变化,在其余处理下降低,仅WBV处理增幅显著;Ace指数和Chao 1在B和BV处理下不同程度提高,在其余处理下均降低,但各处理变幅均未达到显著水平;进一步分析发现,涉及三叶草的复合系统处理(WB、WV、WBV)在细菌多样性方面均低于生物炭+蚯蚓堆肥处理(BV)。

而在真菌多样性方面,与CK相比较,Shannon指数在B、V和WV处理下均不同程度提高,在其余处理下均降低,但仅V处理变化显著;Simpson指数在W、WB、BV、WBV处理均不同程度提高,在B和WV处理下无变化,在V处理下降低,但仅WB处理变幅显著;Ace和Chao 1指数在B和W处理下不同程度降低,在其余处理下均升高,但仅V处理变幅显著,并均达到最高值;与BV、WB与WBV处理相比,WV处理的真菌Shannon指数、Chao 1指数相对较高,而BV处理的真菌多样性维持在相对较低水平。

2.2.2 群落组成

本研究在不同复合系统土壤细菌群落中共检测到8个相对丰富度较高的门类,分别为放线菌门(Actinobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、厚壁菌门(Firmicutes)、酸杆菌门(Acidobacteriota)、拟杆菌门(Bacteroidota)、芽单胞菌门(Gemmatimonadota)和髌骨菌门(Patescibacteria),而放线菌门、变形菌门、绿弯菌门、厚壁菌门、酸杆菌门这5个菌门的总丰度在各处理中都占到 80%以上(图1,Ⅰ)。其中,WBV处理的放线菌门、变形菌门与厚壁菌门相对丰度依次为25.86%、32.59%和12.41%,比CK依次增长了6.04、10.54和2.65个百分点,而其绿弯菌门、酸杆菌门和芽单胞菌门的相对丰度依次为10.90%、4.73%和3.27%,比CK依次降低9.35、4.44和2.48个百分点。

图1 不同处理土壤细菌(Ⅰ)和真菌(Ⅱ)门水平上的相对丰度

相较于其他处理,WBV处理放线菌门相对丰度高出相对丰度最低V处理(18.66%)7.20个百分点,变形菌门相对丰度相比丰度最低的BV处理(20.34%)增长了12.25个百分点,且绿弯菌门和芽单胞菌门相对丰度最低。

同时,图1,Ⅱ显示,本研究在不同复合系统内土壤真菌群落中共检测到5个相对丰富度较高的门类,分别为子囊菌门(Ascomycota)、被孢霉菌门(Mortierellomycota)、未分类的真菌(unclassified-k-Fungi)、罗兹菌门(Rozellomycota)、担子菌门(Basidiomycota),并以子囊菌门为土壤真菌优势菌门,各处理的相对丰度达到78.92%～90.93%;WBV处理中被孢霉门真菌相对丰度(8.59%)比CK增长5.99个百分点,而其担子菌门真菌的相对丰度在所有处理中最低(0.54%),比CK降低1.21个百分点;除CK外,相较于其他处理,WBV处理子囊菌门真菌相对丰度(82.79%)仅高于V处理(78.92%),被孢霉门真菌相对丰度仅高于WV处理(9.44%)。

2.3 不同复合系统西瓜植株氮、磷、钾养分含量特征

首先,各个引入处理西瓜植株根、茎、叶的全氮含量相比于空白对照(CK)均得到显著提升(图2,Ⅰ),其中WBV处理均表现较好,其根、茎、叶部全氮含量比相应CK分别显著提升了156.28%、175.45%和107.05%;其他引入处理根、茎、叶部全氮含量比CK增幅分别为22.94%(W)～180.96%(V)、29.08%(B)～168.17%(WB)和21.41%(WB)～87.11%(BV)。

器官内不同小写字母表示处理间在0.05水平存在显著性差异。

其次,各引入处理西瓜植株根、茎、叶的全磷含量也比CK有不同程度提升(图2,Ⅱ)。其中, 西瓜根的全磷含量在B、W、V处理下均与CK无显著差异,而在WV、BV、WB和WBV处理下较CK显著增加10.96%(BV)～55.55%(WBV);除B和W处理外,其他处理茎的全磷含量均比CK有显著性增加,增幅在5.23%(V)～53.18%(WBV)之间;各引入处理的叶全磷含量比CK增加2.73%(B)～19.14%(WBV),其中的BV、WB和WBV处理增幅达到显著水平。

此外,各引入处理西瓜植株根、茎、叶的全钾含量同样比CK有不同程度提升(图2,Ⅲ)。其中,根的全钾含量在WBV处理下比CK显著提升21.92%,而在其他处理下均与CK无显著差异;所有引入处理茎和叶的全钾含量均比CK大幅显著增加,茎钾含量增幅为16.84%(WV)～47.37%(B),叶钾含量增幅为80.56%(B)～130.56%(WB)。

因此,相较于空白对照(CK),添加生物炭、覆盖三叶草、蚯蚓堆肥处理及各复合处理均可以促进西瓜植株对氮、磷、钾养分的吸收,植株氮、磷、钾含量均有显著提升,并多以WBV处理表现较突出。

2.4 不同西瓜—白三叶草复合系统PLS-DA分析和果肉差异代谢物分析

图中不同的颜色代表不同的对比组的差异代谢物,重叠部分表示多个代谢集中共有的代谢物数目,没有重叠的部分表示该代谢集所特有的代谢物数目,数字表示对应的代谢物数目。

表3 PLS-DA分析模型参数

其中,WBV处理中独有19种代谢物,分别为1-亚油酸甘油磷酸胆碱、紫菀氯化环戊肽I、4,5-二甲基恶唑、2-氨基-4-({1-(羧甲基)-C-羟基碳酰亚氨基-2-{2,4-二羟基-5-(2E)-3-(4-羟基苯基)丙烯酰基-3,6-二氧杂环己-1,4-二烯-1-基硫基}乙基}-C-羟基碳酰亚氨基)丁酸、阿托诺C、3,4,5-三羟基-6-{8-羟基-2-氧代-2H-呋喃并2,3-h香豆素-4-基氧基}氧杂环戊二酸、9(S)-羟基十二烯酸内酯、尿苷、2,4,6-三羟基-2-[羟基(4-羟基苯基)甲基]-2,3-二氢-1-苯并呋喃-3-酮、D-氨基葡萄糖苷、11,13-二氢蒲公英酸葡萄糖基酯、二代邻甲基西蒙德辛、5-十四烯酸、{4-(5-{3-2,4-二羟基-5-(3-甲基丁-2-烯-1-基)苯基-2-羟基-3-酮基丙基}-2-羟基苯基)-2-甲基丁-2-烯-1-基氧}磺酸、3,4,5-三羟基-6-{8-甲氧基-6-(3-甲基丁-2-烯-1-基)-2-氧代-2H-香豆素-7-基氧基}氧杂环戊二酸、1-油酰基溶血磷脂(0∶0/20∶2(11Z,14Z))、2-氨基-4-({1-(羧甲基)-C-羟基碳酰亚氨基-2-{2-羟基-2-甲氧基-1-(7-甲基-2-氧代-2H-香豆素-6-基)乙基硫基}乙基}-C-羟基碳酰亚氨基)丁酸、利巴林和甘草苷A。

为比较差异代谢物在样本中的贡献及其重要程度,本研究通过VIP分析(图4)发现,相比空白对照(CK),WBV处理中生物素、苏氨酰半胱氨酸、(R)-S-乳酰谷胱甘肽酸盐离子(1-)、3,4,5-三羟基-6-(2-甲基-3-苯基丙氧基)氧杂环己-2-羧酸、蜜环菌、月桂酰甘氨酸、N-谷氨酰胺烯丙基半胱氨酸、(3α,5α,22R,23R)-胆甾烷-3,22,23-三醇、二氢辣椒素、辣椒素、辛卡索尔B、银杏酸、顺-3-己烯基乳酸酯、氧化聚乙烯含量呈现显著下调趋势,其VIP变化范围为1.755 4～2.967 1,其中磷酰肌醇酸[18∶1(11Z)/0∶0]、10-(3-丁烯酰基)-5,7-二羟基-8,8-二甲基-4-丙基-2H,6H,7H,8H-吡喃并3,2-g香豆素-2-酮、舒普芬烯丙醇、N-庚酰甘氨酸含量呈现极显著下调趋势,其VIP变化范围为1.755 4～2.653 4;同时,2,4,6-三羟基-2-[羟基(4-羟基苯基)甲基]-2,3-二氢-1-苯并呋喃-3-酮、2-氨基-4-({1-(羧甲基)-C-羟基碳酰亚胺-2-({5,11-二羟基-16,18-二酮-6,8,19-三过氧化五环己十九烷-1(12),2(9),10,13(17)-四烯-4-基}硫基)乙基}-C-羟基碳酰亚胺)丁酸、槲皮素-3-芸香糖苷、异鼠李素-2″-O-葡萄糖苷、2-氨基-4-({1-(羧甲基)-C-羟基碳氮-2-({2,4-二羟基-5-(2E)-3-(4-羟基苯基)丙-2-烯酰基-3,6-杂环己-1,4-二烯-1-基}硫)乙基}-C-羟基碳氮)丁酸、2-氨基-4-({1-(羧甲基)-C-羟基碳氮-2-{1,3-二羟基-1-(7-甲氧基-2-氧代-2H-苯并吡喃-6-基)-3-甲基丁烷-2-基硫}乙基}-C-羟基碳氮)丁酸、2-氨基-4-({1-(羧甲基)-C-羟基碳氮-2-{2-羟基-2-甲氧基-1-(7-甲基-2-氧代-2H-苯并吡茵-6-基)乙基硫}乙基}-C-羟基碳氮)丁酸、芦丁酸、半叶花槐苷A、异麦芽苷素2″-O-葡萄糖苷、裂解型磷脂酰胆碱(17∶0)、异鲁布霉素-10-龙胆苷含量在WBV处理中显著高于CK,而半叶花槐苷A 含量在WBV处理中极显著高于CK,其VIP值为2.5002。

Ⅰ.代谢物聚类树状热图:分支越近,说明样本内所有代谢物的表达模式越接近;热图每列表示1个样本,每行表示1个代谢物,颜色表示该代谢物在该组样本中相对表达量的大小,颜色梯度与数值大小的对应关系见梯度色块。Ⅱ.代谢物VIP条形图:条形长度表示该代谢物对两组差异的贡献值,默认不小于1,值越大表示该代谢物在两组间差异越大。条形颜色表示代谢物在两组样本中差异显著性,即-lg(P) 越大,颜色越深。*代表P<0.05,**代表P<0.01,***代表P<0.001。

2.5 不同西瓜—白三叶草复合系统果肉差异代谢物代谢途径富集分析

为进一步解析复合系统对西瓜果肉差异代谢物影响的分子机制,本研究基于WBV vs CK检测到的110个差异代谢产物富集并注释到了36条代谢通路(图5)。

横坐标为富集率,纵坐标为KEGG通路名称。图中气泡大小代表该通路中富集到代谢集中代谢物数量的多少,气泡颜色表示不同富集显著性P值大小。

其中,显著差异代谢通路有11条(P<0.05),分别为α-亚麻酸代谢(富集到产生创伤酸)、烟酸与烟酰胺代谢(富集到产生天冬氨酸)、类单萜生物合成、亚麻酸生物合成(富集到产生9-HODE、9-OxoODE等)、生物素代谢与丙氨酸、天冬氨酸与谷氨酸代谢(富集到产生琥珀酸),该富集分析结果与2.4节中差异代谢物存在很好的对应关系。

3 讨 论

本研究发现WBV处理的西瓜植株速效氮、速效磷含量到达最高,依次为19.08 mg/kg、427.51 mg/kg,其速效钾含量仅次于BV处理达到了354.4 mg/kg,该结果与李会科[24]、付学琴等[25]研究结果并不一致。前人的研究结果表明无论是长期生草还是清耕后的土壤速效养分会随着草生长时间的变化先降低后增加,出现该变化特征的原因在于覆盖作物与经济作物的生长都需要消耗、利用土壤养分而造成在一段时间内土壤养分含量连续下降;之后由于草的残枝落叶及自身根系生成的一些物质进入土壤发生腐解,进而成为土壤的一部分并满足土壤活物代谢需要,使得土壤中的速效养分含量累积。而本研究中WBV处理之所以会出现速效营养维持在高水平,一方面是因为蚯蚓堆肥中的大量和微量营养含量均高于相同原材料的普通堆肥产物[26],另一方面是因为生物炭孔隙度好、吸附能力强,增加了土壤营养持留时间进而提高了其利用效率[27-28]。在该试验中,正是由于蚯蚓堆肥与生物炭存在上述相辅相成的作用,才真正缓解了西瓜—白三叶草复合系统对养分竞争、消耗的紧张局面。

基于上述覆盖作物残留物的腐解及蚯蚓堆肥、生物炭改善土壤养分的作用,微生物群落的生态位宽度也相应增加[29]。然而在本研究中,Shannon指数、Chao 1指数由大到小依次为BV、WB、WV、WBV处理,WBV处理中微生物菌群丰富度反而下降可能与生物炭、蚯蚓堆肥等(非)生物因子介入复合系统后显著改变C∶N有关:低比例碳氮的添加对土壤呼吸和微生物量(微生物生物量碳和真菌数量)具有抑制作用,但对硝化活性和氨氧化微生物有显著的促进作用[30],此观点仍需要后期试验加以验证。此外,本研究结果进一步表明:在土壤菌群门水平上,细菌中放线菌门、变形菌门、绿弯菌门、厚壁菌门和酸杆菌门这5个菌门的总丰度在各处理中都占到 80%以上;真菌则包括子囊菌门、被孢霉菌门、未分类的真菌、罗兹菌门和担子菌门,其中子囊菌门是土壤真菌优势菌门,其相对丰度为78.92%～90.93%。肖力婷等[31]通过在蜜橘园覆盖黑麦草与白三叶草也同样发现细菌群落中变形菌门、酸杆菌门、绿弯菌门和放线菌门为优势菌门,其相对丰度依次达到了30.94%～55.06%、19.07%～33.14%、7.54%～13.54%和6.81%～13.41%;真菌群落中子囊菌门、担子菌门和被孢霉门为土壤优势菌门,其相对丰度分别为44.94%～87.00%、5.12%～12.99%和0.65%～13.46%。但是,本研究也发现WBV处理的放线菌门、变形菌门和厚壁菌门相对丰度与CK相比依次增长6.04,10.54,2.65个百分点,其中,变形菌门与放线菌门均属于富营养型类群,放线菌门是微食物网营养和能量流动的重要参与者,变形菌门则凭借参与氢氧化、甲烷氧化、反硝化作用和硫酸盐还原等生化反应驱动氮、碳、硫等元素循环[32],而厚壁菌门细菌细胞壁厚,结构简单,可以产生芽孢,它可以抵抗脱水和极端环境,因而能较好地适应恶劣环境[33];在真菌层面WBV处理中被孢霉门相对丰度为8.59%,与CK相比增长5.99个百分点。相关结果表明被孢霉门能促进植株生长,是土壤中的有益微生物,可补充氮素、溶磷,提高植物的抗病性[34-35]。

上述土壤养分与菌群组成的改善不但促使植株体内全氮、全磷含量的显著提高,而且也影响着其代谢化合物的组成。陈静等[36]发现放线菌门比例与亚油酸、溶血磷脂酰胆碱含量,绿弯菌门比例与亚油酸含量呈现显著正相关(P<0.05)。本研究也发现WBV处理中亚麻酸、9-氧代常微醚(9-OxoODE)、溶血磷脂酰胆碱(17∶0)等脂质化合物及其相关代谢通路被反复检测到,该结果侧面证实了西瓜—白三叶草复合系统能保护作物细胞生物膜完整性[37]。不仅如此,本研究还在该复合系统中检测到了丙氨酸、天冬氨酸与谷氨酸等氨基酸,而西瓜因其生长发育阶段水分消耗极大,随时面对干旱胁迫,复合系统通过积累上述关键氨基酸进一步增强了西瓜抗旱性能[38]。此外,杨姗姗等[39]发现L-天冬氨酸、L-谷氨酸、L-丙氨酸与琥珀酸均可显著促进西瓜嗜酸菌的趋化性,而上述有机酸的阴离子可与无机磷及有机磷竞争土壤的吸附位点而释放土壤吸附的磷酸根[40],微生物也可能会分泌活化磷的磷酸酶/植酸酶来提高土壤磷的有效性[41],增强作物对磷的吸收。

4 结 论

本研究通过比较不同物料投入条件下西瓜-白三叶草复合系统中土壤理化性质、土壤微生物群落组成变化特征及西瓜果肉代谢物(通路)差异,探讨蚯蚓堆肥与生物炭对复合系统养分调控的影响。在该复合系统中,覆盖白三叶草+生物炭+蚯蚓堆肥处理中的土壤速效氮、速效磷含量显著高于其他处理,上述土壤营养状况的改变促使放线菌门、变形菌门、厚壁菌门细菌与被孢霉门真菌相对丰度均有所提高;而上述土壤环境的改善不但促进了西瓜对氮、磷元素的吸收,更改变了西瓜植株体内对脂质、有机酸及氨基酸的代谢水平。这些结果为认知合理配比物料、合理调控复合系统养分提供了新的科学依据。