土壤调理剂对草花土壤微生物多样性的影响

张 婷,张莹莹,王新凤,李新畅,李海燕

(1.承德市农林科学院 河北,承德 067000;2.承德市艺风园林绿化工程有限公司 河北,承德 067000)

园林土壤是维系园林植物生命活动的重要物质条件,其土壤的退化极大地制约了园林植物的生长,主要表现为烂根、死根、叶黄、枯死等症状。应用土壤调理剂是改善园林花卉土壤质量的一种重要方法。研究表明,施用土壤改良产品后能够有效促进草花的生长,提高土壤有效肥力[1]。土壤微生物是土壤的重要组成部分,微生物的代谢活动在土壤肥力的形成和发展中起着重要作用。以固体废弃物为原料做土壤调理剂时,大多数研究主要集中在土壤调理剂对土壤理化性质和植物生长的影响等方面[2,3],而有关于土壤调理剂对土壤微生物多样性影响方面的研究相对较少,近年来对土壤微生物种群及其活性影响的研究逐渐受到关注。本研究利用前期以菌渣和粉煤灰为主要原料制备的土壤调理剂,通过添加根瘤菌后,与田园土混合,进行草花栽培试验,探究土壤调理剂对土壤微生物多样性的影响,以期从土壤微生物角度分析土壤调理剂的积极作用。

1 材料与方法

1.1 试验材料

前期以食用菌废菌渣和粉煤灰为原料,并添加根瘤菌制备的土壤调理剂。花苗购自花卉市场。

1.2 试验方法

1.2.1 土壤样品采集

将土壤调理剂与田园土按比例混合后,进行草花栽培,待进入花期后,每种花随机选取5盆,采集根际土壤样品,混合均匀后装入密封袋中,做好标记(J0、A0、Y0分别代表三色堇、矮牵牛和一串红对照组,JT、AT、YT分别代表三色堇、矮牵牛和一串红土壤调理剂处理组),备用。

1.2.2 土壤DNA提取

取混合均匀后的土壤样品约300 mg于灭菌的离心管中,加入1×PBS溶液,震荡混匀后,10000 rpm室温离心3 min,弃置上层液体。倒置2 mL离心管于吸水纸上1 min,直至没有液体流出,采用OMEGA试剂盒提取土壤样品基因组DNA,并检测DNA浓度及质量。

1.2.3 微生物测序

DNA样品合格后,以细菌16SV3-V4区(341F:CCTACGGGNGGCWGCAG;805R:GACTACHVGGGTAT CTAATCC)为引物,进行第一轮PCR扩增。反应体系及扩增条件见表1。第二轮扩增引入Illumina桥式PCR兼容引物,反应体系及扩增条件见表2。产物经2%琼脂糖凝胶电泳检测合格后,进行上机检测。高通量测序工作由生工生物工程(上海)股份有限公司完成。

表1 第一轮扩增反应体系及扩增条件

表2 第二轮扩增反应体系及扩增条件

1.3 数据分析

采用Moheur软件进行Alpha多样性分析。利用R语言工具统计各样本物种组成和相对丰度,并绘制柱状图。

2 结果与分析

2.1 土壤细菌Alpha多样性变化

所有样本所建文库覆盖率均在99%以上,说明测序结果比较可靠,能够真实有效的反映土壤样本环境。从Alpha多样性指数来看,加入土壤调理剂后,土壤OTU数均增加,香农指数、Chao指数、Ace指数与对照组相比均提高,Ace指数和Chao指数常用来估计物种总数,能够反映样品群落分布丰度;香农指数和辛普森指数常用来估算样品中微生物多样性指数,能够反映样品群落分布多样性和均匀度。加入土壤调理剂后,香农指数、Chao指数、Ace指数均增加,说明土壤调理剂能够提高土壤微生物多样性和丰富度。OTU数变化与多样性指数变化相一致。

表3 Alpha多样性指数

2.2 细菌群落组成变化

2.2.1 细菌门水平群落结构变化

从群落结构门水平分布图上来看,各样本的优势菌门种类相同,主要有变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、放线菌门(Actinobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria),相对丰度均大于3%,但在不同样本中相对丰度存在差异。其中变形菌门和酸杆菌门在对照组中的相对丰度均大于处理组,放线菌门在对照组中的相对丰度均小于处理组,说明加入土壤调理剂后,降低了土壤中变形菌门和酸杆菌门细菌的数量,但使放线菌门的细菌数量增加。研究表明,放线菌门在土壤有机质变化过程中起到重要作用。酸杆菌门多数为贫营养型微生物,有机养分的施入能够对其表现为抑制作用[4],酸杆菌门相对丰度降低,说明土壤中的养分含量增加,不利于酸杆菌门的生长。而拟杆菌门在不同花卉中表现出不同的变化,使用土壤调理剂后,三色堇中拟杆菌门相对丰度明显降低,由15.19%降低至6.65%,而在矮牵牛和一串红中,拟杆菌门的相对丰度分别增加14.02%和7.18%。说明土壤调理剂在不同花卉土壤中的影响效果不同。

2.2.2 细菌纲水平群落结构变化

从细菌纲水平上来看,主要优势细菌纲有α-变形菌纲(Alphaproteobacteria)、γ-变形菌纲(Gammaprot-eobacteria)、噬几丁质菌纲(Chitinophagia)和放线菌纲(Actinobacteria),相对丰度均在2.5%以上。其中α-变形菌纲在三种花卉处理组中的相对丰度均小于对照组,放线菌纲处理组相对丰度均大于对照组,这些变化结果与门水平变化结果相一致。除此之外,酸微菌纲(Acidimicrobiia)在加入土壤调理剂后相对丰度均增加,研究表明,酸微菌纲在中性、酸性和弱碱性环境中均有存在,具有矿石氧化和合成新型活性物质的能力[5]。

图1 细菌门水平群落结构分布图

图2 细菌纲水平群落结构分布图

2.2.3 细菌属水平群落结构变化

从细菌属水平上来看,红肠杆菌属(Rhodanobacter)、德沃斯菌属(Devosia)、Dongia属、假单胞菌属(Pseudomonas)和噬几丁质菌属(Chitinophaga)在各个样本中均属于优势菌属,相对丰度均≥1%。但在不同花卉上,优势菌属相对丰度的变化不同。其中红肠杆菌属、德沃斯菌属和Dongia属在三色堇处理组中相对丰度均增加,红肠杆菌属、噬几丁质菌属在矮牵牛处理组中相对丰度均增加,但仅有假单胞菌属在一串红处理组中增加,其余优势菌属均表现出下降趋势。使用土壤调理剂后,三种花根际土壤中有益菌属均增加。其中根瘤菌属在三种花中相对丰度分别增加1.28%、0.62%和0.10%,说明土壤调理剂中的根瘤菌能够在土壤中定殖,并使土壤中的根瘤菌数量增加。除此之外,使用土壤调理剂后,三种花根际土壤中的Saccharibacteria_genera_incertae_sedis、WPS-1_genera_incertae_sedis和GP6菌属相对丰度也有所增加,其中Saccharibacteria_genera_incertae_sedis和WPS-1_genera_incertae_sedis在三色堇处理组中相对丰度增加最多,分别高达4.36%、4.44%。研究表明,Saccharibacteria_genera_incertae_sedis能够降解一些碳水化合物和有机大分子物质,对提高土壤肥力和养分含量起着重要作用。

图3 细菌属水平群落结构分布图

3 结论与讨论

土壤微生物是土壤—植物系统中重要的组成部分,也是相对活跃的组成成分,它在土壤有机质和养分循环与转化过程中起到重要作用。通过施用土壤调理剂,增加了草花根际土壤中微生物多样性和丰富度,提高了土壤放线菌门的相对丰度,同时增加了土壤中根瘤菌属、Saccharibacteria_genera_incertae_sedis、WPS-1_genera_incertae_sedis和GP6菌属的相对丰度。

细菌是土壤中数量最多的微生物,施用有机肥料有利于提高土壤细菌数量和多样性[6,7],土壤调理剂中的菌渣含有丰富的有机质,施用后提高了土壤中细菌的数量。土壤调理剂中添加了植物促生菌根瘤菌,与田园土配施栽培草花后,土壤中根瘤菌数量增加,说明根瘤菌能够在调理剂和土壤中定殖。根瘤菌是具有固氮功能的一类微生物,其相对丰度的增加会促进土壤氮素平衡供应[8]。土壤调理剂对不同草花土壤微生物群落结构影响效果存在一定差异,土壤调理剂的施入能够改变土壤理化性质,同时也会对植物根系分泌物产生影响,不同植物根系分泌物变化不同,对根系微生物菌群产生不同的刺激,从而引起土壤微生物群落结构变化[9]。

土壤调理剂中添加的粉煤灰和有机酸能够维持土壤中的酸碱平衡,使土壤保持适宜的pH值,同时改变土壤的透气性,改善土壤微生物生存环境,提高微生物活性。调理剂中的菌渣富含有机质和氮磷钾等营养物质,增加了土壤中微生物可利用的养分,同时能够激发微生物活性和一些功能酶的分泌,从而调控土壤微生物群落结构[10-12]。