禿玉翔,胡青,辛培堯,陸斌,郭永清,趙敏,郝佳波,趙川,徐亮
(1.西南林業(yè)大學(xué)園林園藝學(xué)院,云南 昆明 650224;2.云南省林業(yè)和草原科學(xué)院,云南 昆明 650201;3.西南林業(yè)大學(xué)國家林業(yè)和草原局西南風(fēng)景園林工程技術(shù)研究中心,云南 昆明 650224;4.西南林業(yè)大學(xué)西南地區(qū)生物多樣性保育國家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南 昆明 650224)
油橄欖(OleaeuropaeaLinn.)為木犀科(Oleaceae)木犀欖屬(OleaLinn.)的一種常綠小喬木植物,原產(chǎn)在地中海沿岸一帶的小亞細(xì)亞等地區(qū),與油茶(CamelliaoleiferaAbel.)、棕櫚[Trachycarpusfortunei(Hook.) H.Wendl.]和椰子(CocosnuciferaL.)合稱世界四大木本油料作物[1]。油橄欖20世紀(jì)60年代開始引種至我國,現(xiàn)在云南、甘肅、四川等主產(chǎn)區(qū)大規(guī)模種植[2]。云南油橄欖種植區(qū)大多為黏重酸性土壤,透氣性差、易板結(jié)、保肥能力差等因素使其生長(zhǎng)受到制約,嚴(yán)重阻礙了油橄欖植株的健康生長(zhǎng),導(dǎo)致其產(chǎn)量低[3]。因此,亟需探究適合的肥料和合理的施肥方案以改變土壤環(huán)境現(xiàn)狀使之更適宜油橄欖生長(zhǎng),提高產(chǎn)量。
高效施肥既能提高肥料利用效率,又能保持土壤長(zhǎng)期可持續(xù)生產(chǎn)[4]。新型緩控釋肥料中的天然活性有機(jī)物質(zhì)具有絡(luò)合性、吸附性等特點(diǎn),在進(jìn)入土壤后能夠激發(fā)土壤微生物活性,從而促進(jìn)有機(jī)氮(微生物氮)和無機(jī)氮的交換[5]。新型緩控釋肥料比普通化肥具有更高的利用率,能夠減少化肥用量從而保護(hù)環(huán)境,成為替代傳統(tǒng)化肥的最佳作物用肥[6]。土壤微生物是土壤生物中最為活躍的部分,能夠運(yùn)輸和供應(yīng)養(yǎng)分以及調(diào)節(jié)土壤環(huán)境,是植物體生長(zhǎng)中不可或缺的部分,其種類和數(shù)量能夠反映出該環(huán)境下其群落的多樣性水平,能夠表現(xiàn)出土壤微生態(tài)的穩(wěn)定程度[7-8]。土壤微生物的活躍程度與土壤肥力存在一定關(guān)聯(lián),研究表明土壤微生物豐富程度能夠決定土壤品質(zhì)與作物的適宜程度和對(duì)作物的養(yǎng)分供應(yīng)狀況,土壤微生物多樣性是影響土壤生產(chǎn)力的重要因素,土壤微環(huán)境越復(fù)雜,功能就越穩(wěn)定[9]。
馮軍等[10]以栽培方式結(jié)合不同施肥水平對(duì)比發(fā)現(xiàn),秸稈覆蓋+緩釋肥減量20%與溝壟覆蓋+緩釋肥減量20%的方式更利于油菜的土壤微生物生長(zhǎng);任宏芳等[11]對(duì)氣候變化背景下緩釋肥處理的麥田土壤進(jìn)行微生物測(cè)序分析,發(fā)現(xiàn)氣候環(huán)境變化較緩釋肥處理對(duì)土壤微生物影響更大,進(jìn)一步認(rèn)識(shí)了影響土壤微生物結(jié)構(gòu)和特征的內(nèi)外因素;唐亞福[12]發(fā)現(xiàn)蘋果施加活化腐植酸緩釋肥后均能夠增加土壤細(xì)菌數(shù)量及種類,但是會(huì)減少真菌及群落結(jié)構(gòu)。這些研究均能說明緩釋肥的使用能夠顯著影響土壤中的微環(huán)境變化,且表現(xiàn)出緩釋肥在生產(chǎn)中具有良好的使用前景,但國內(nèi)關(guān)于緩釋肥對(duì)油橄欖土壤微生物多樣性的影響還鮮有報(bào)道。本研究對(duì)6 a生的油橄欖施用不同組合方案的緩控釋肥,通過分析不同施肥處理下油橄欖不同土層的微生物多樣性,揭示新型緩釋肥組合對(duì)油橄欖土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響,以期為油橄欖種植地的土壤質(zhì)量管理和合理施肥提供參考。
試驗(yàn)區(qū)為麗江市玉龍納西族自治縣大具鄉(xiāng)田園油橄欖基地(100°15′19″E,27°18′01″N),平均海拔1 724 m。該區(qū)域土壤pH 6.9~7.08,含有機(jī)質(zhì)25.46 g/kg、堿解氮132.88 mg/kg、有效磷20.12 mg/kg、速效鉀32.15 mg/kg,容重1.21 g/cm2,孔隙度54.05,土質(zhì)為粉壤土[13]。地處玉龍雪山北麓、金沙江畔的干熱河谷區(qū),年降水量600~900 mm,年活動(dòng)積溫5 700℃,7月極高溫33.6℃,1月極低溫-4℃,年均氣溫約17℃[14]。
于2021年4月在試驗(yàn)地選取6 a生油橄欖“柯基”(O.europaea‘Koroneiki’)進(jìn)行施肥試驗(yàn),肥料為生物質(zhì)活性半焦礦物肥料和控釋肥組合使用。半焦肥為包頭市新木集團(tuán)生產(chǎn)的將生物激素應(yīng)用于生物肥料的新型肥料;控釋肥為精耕天下(深圳)生態(tài)科技有限公司出品的大顆粒網(wǎng)絡(luò)控釋肥,商品名為“力浮丸”。
試驗(yàn)設(shè)置12個(gè)處理組,包括不施肥對(duì)照處理(CK);每組重復(fù)3次,每組施肥處理6棵樹(表1)。施肥采用環(huán)狀施肥,深度40 cm。試驗(yàn)期間各處理管護(hù)措施保持一致,施肥1 a后對(duì)土壤進(jìn)行取樣。
于2022年6月進(jìn)行土樣采集。在各試驗(yàn)處理點(diǎn)內(nèi),先除去地面枯枝落葉,再依據(jù)“S”型取樣法在各個(gè)取樣點(diǎn)分別挖出剖面,分別水平采集0~10 cm土層(a)、10~20 cm土層(b)土壤樣品,去除植物碎屑和碎石后,分別將每組取樣點(diǎn)中的同一土層樣品混合,按順序?qū)⑻幚斫M與對(duì)應(yīng)樣品編號(hào)(表1)后放于冷藏箱內(nèi)帶回試驗(yàn)室保存在-80℃下,后續(xù)送樣至杭州研趣信息技術(shù)有限公司進(jìn)行土壤微生物DNA提取、PCR擴(kuò)增及高通量測(cè)序。
根據(jù)PCR引物和barcode劃分樣品,使用在線軟件FLASH v1.2.11進(jìn)行Reads拼接,使用UPARSE v7.0.1090軟件將大于97%相似度的序列聚類為分類單元(OTUs)并去除嵌合體后得到有效序列數(shù)。真菌采用UNITE(Release8.0;https://unite.ut.ee/)ITS數(shù)據(jù)庫、細(xì)菌采用SILVA(Release132;http://www.arb-silva.de/)數(shù)據(jù)庫對(duì)97%同源性的OTUs代表序列進(jìn)行物種注釋,之后對(duì)所有樣品做均一化處理,后續(xù)分析均使用處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行。
采用Excel 2013統(tǒng)計(jì)測(cè)序數(shù)據(jù),使用軟件QIIME2(2019.4)繪制出物種結(jié)構(gòu)柱狀圖,計(jì)算Alpha多樣性并進(jìn)行分析,包括Chao1、Sobs、Shannon、Simpson、Pielou—e和Goods—coverage等多樣性指數(shù);得到樣品內(nèi)物種OTUs信息后,使用R腳本的VennDiagram包制作花瓣圖,Pheatmap包繪制聚類熱圖,ggplot2包繪制PCA分析的二維排序圖。
不同施肥處理下土壤微生物中共有與特有的OUT信息如圖1所示。從細(xì)菌OTU花瓣圖(圖1A)可知,特有的細(xì)菌OTU數(shù)量最多的是7 a,最少的是8 b。在0~10 cm土層樣品中,所有施肥處理的土樣中細(xì)菌特有OTU數(shù)均大于對(duì)照樣品(a)。在10~20 cm土層中,除了7b其余細(xì)菌OTU數(shù)均小于對(duì)照樣品(b)。說明施肥處理后0~10 cm細(xì)菌增加,而10~20 cm細(xì)菌則被抑制。從真菌OTU花瓣圖(圖1B)可知,特有的真菌OTU數(shù)量最多的是土樣2 a,最少的是土樣b。在兩個(gè)土層中,所有施肥處理的土壤樣品中真菌特有OTU數(shù)均大于對(duì)照樣品。
圖1 不同處理下土壤OTU花瓣圖
由表2所示,在細(xì)菌群落豐富度方面,0~10 cm土壤中施肥處理后的各樣品Chao1指數(shù)均高于對(duì)照樣品(a),處理5、7、8、11a的促進(jìn)效果更為明顯,處理6a與對(duì)照樣品相比促進(jìn)效果并不顯著。10~20 cm施肥樣品的Chao1指數(shù)除了處理5b、7b、11b較對(duì)照樣品(b)高,其中處理7b較為顯著,其余各樣品均低于對(duì)照樣品,只有施用少量半焦肥的情況下可以促進(jìn)一部分細(xì)菌生長(zhǎng),但差異并不顯著。在多樣性方面,施肥處理的0~10 cm土壤中細(xì)菌Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)、Pielou—e指數(shù)、Sobs指數(shù)和Goods—coverage指數(shù)較對(duì)照樣品均顯著升高,表明施肥處理能夠提高0~10 cm土壤中細(xì)菌多樣性。10~20 cm土壤中細(xì)菌Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)、Pielou—e指數(shù)、Sobs指數(shù)和Goods—coverage指數(shù)較對(duì)照樣品顯著降低。
表2 不同施肥處理下土壤細(xì)菌α多樣性指數(shù)
如表3所示,在真菌群落豐富度方面,0~10 cm施肥處理后的各樣品Chao1指數(shù)均高于對(duì)照樣品,11a與對(duì)照樣品a相比促進(jìn)效果相對(duì)較低。10~20 cm土壤施肥處理后的各樣品Chao1指數(shù)均高于對(duì)照樣品,4b和5b的促進(jìn)效果更為明顯。11b與對(duì)照樣品相比促進(jìn)效果相對(duì)較低;在多樣性方面,施肥處理后,0~10 cm土壤中真菌除11a外其余各樣品的Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)、Pielou_e指數(shù)和Sobs指數(shù)顯著高于對(duì)照樣品,而Good’s coverage指數(shù)略低。10~20 cm土壤中真菌的Shannon指數(shù)、Gini-Simpson指數(shù)、Pielou_e指數(shù)和Sobs指數(shù)較對(duì)照樣品顯著升高,而Good’s coverage指數(shù)略微降低。
表3 不同施肥處理下土壤真菌α多樣性指數(shù)
油橄欖所有土樣中共檢測(cè)出細(xì)菌35門111綱268目485科1 087屬;真菌14門42綱95目230科431屬。由圖2可知,所有土樣中的豐度前6的優(yōu)勢(shì)菌門為變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、酸桿菌門(Acidobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)、綠彎菌門(Chloroflexi)和芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)。與對(duì)照樣品相比,所有0~10 cm施肥樣品的變形菌門豐度降低,酸桿菌門和芽單胞菌門豐度上升;同時(shí)所有施肥樣品10~20 cm土壤中的變形菌門豐度升高,而綠彎菌門、酸桿菌門和放線菌門豐度降低。
圖2 不同施肥處理土壤細(xì)菌門水平相對(duì)豐度
由圖3可知,土壤中真菌主要由子囊菌門(Ascomycota)、擔(dān)子菌門(Basidiomycota)和被包霉門(Mortreiellomycota)組成。與對(duì)照土樣相比,所有施肥后0~10 cm樣品的子囊菌門的豐度顯著降低,擔(dān)子菌門和被包霉門等均顯著增加,處理10號(hào)對(duì)0~10 cm土壤的子囊菌門、擔(dān)子菌門和被包霉門豐度影響均不大。10~20 cm的施肥土樣與對(duì)照土樣相比,所有施肥土樣的子囊菌門和被包霉門的豐度均顯著增加,而擔(dān)子菌門的豐度急劇減少。
圖3 不同施肥處理土壤真菌門水平相對(duì)豐度
如表4所示,不同施肥處理分別促進(jìn)不同的菌群生長(zhǎng)。鐮刀菌屬(Fusarium)在處理10a所占比例最大,為44.03%;無莖真菌屬(Acaulium)在處理8b所占比例最大,為30.44%;瓶毛殼屬(Lophotrichus)在處理11a所占比例最大,為49.49%;小囊菌屬(Microascus)在處理6a所占比例最大,為29.69%;葡孢霉屬(Botryotrichum)在處理9a所占比例最大,為28.53%。與0~10 cm對(duì)照土樣相比,每組施肥處理中半焦肥的增加呈現(xiàn)出一增一減的趨勢(shì),所有施肥的土樣中鐮刀菌屬中除了處理6a、11a豐度略微降低,其余均顯著升高。無莖真菌屬豐度均存在降低趨勢(shì),不同處理下呈現(xiàn)出大幅度的無規(guī)律變化,處理1a、2a、3a和5a降低最明顯。瓶毛殼屬豐度在11a中明顯升高,其余均顯著降低。小囊菌屬除了在處理1a和6a中豐度升高,其余顯著降低。葡孢霉屬在處理5a、8a、9a、10a中豐度大幅度升高,其余均降低。與對(duì)照土樣相比,所有施肥后的10~20 cm土壤中,鐮刀菌屬除了處理1b豐度略有降低,其余均明顯升高。無莖真菌屬除了處理1b、2b、3b、5b、7b和9b豐度顯著降低,其余均有明顯的上升趨勢(shì),但在只施半焦肥的處理中隨著半焦肥施用量增加呈現(xiàn)出一升一降的結(jié)果。瓶毛殼屬除了處理11b升高,其余均明顯降低。小囊菌屬除了處理2b、4b和8b降低,其余明顯升高,其中處理9b最明顯。葡孢霉屬除了處理1b、2b、3b、4b和7b降低,其余顯著升高,并且隨半焦肥增加,豐度降低幅度減小。
表4 不同施肥處理下土壤屬水平真菌群落相對(duì)豐度
如表5所示,假單胞菌屬(Pseudomonas)在處理3b所占比例最大,為60.92%;67-14在處理b所占比例最大,為6.20%;索利紅桿菌屬(Solirubrobacter)在處理3a所占比例最大,為4.31%;Subgroup_6在處理2a中所占比例最大,為3.63%;紅色桿菌屬(Rubrobacter)在處理b中所占比例最大,為4.05%。與對(duì)照土樣相比,所有施肥處理后均使0~10 cm土壤中的假單胞菌屬和紅色桿菌屬豐度顯著降低,而67-14、索利紅桿菌屬和Subgroup—6略微增加但并不顯著。與對(duì)照土樣相比,所有施肥處理后均使10~20 cm土壤中的假單胞菌屬豐度顯著升高,紅色桿菌屬豐度明顯降低,67-14、索利紅桿菌屬和Subgroup_6的豐度變化并不顯著。
表5 不同施肥下土壤屬水平細(xì)菌群落相對(duì)豐度
微生物物種豐度熱圖可以反映樣品之間的物種組成和差異,也可以對(duì)物種進(jìn)行聚類分析。由細(xì)菌屬水平上的物種豐度熱圖(圖4)可知,處理1a、1b、2b和3a在物種組成上較為相似;處理3b、8b和a在物種組成上較為相似。處理a與2a、2b和3a物種組成上具有較大的差異,處理a的假單胞菌屬(Pseudomonas)、土微茵屬(Pedomicrobium)、紅色桿菌屬(Rubrobacter)及游動(dòng)微菌屬(Planomicrobium)組成比例較大,而1、2、4和11處理的0~10 cm土層則較小。
圖4 不同施肥處理下土壤細(xì)菌群落屬水平上的物種豐度熱圖
如圖5所示,土壤真菌在屬水平上的熱圖分析表明,1號(hào)與和6號(hào)的不同土層之間物種組成差異較大,2處理與12處理(CK)的不同土層之間物種組成差異較小,處理1a和2a在真菌群落組成上較為相似。不同施肥處理的樣品在不同深度的土層中優(yōu)勢(shì)真菌屬存在較為明顯的差異,聚類比較分散,說明真菌的群落組成在屬水平上與土層相關(guān)性較小。
圖5 不同施肥處理土壤真菌群落屬水平上的物種豐度熱圖
圖6所示,在土壤細(xì)菌PCA分析結(jié)果中,各樣品之間分離均不明顯,各處理間的土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異較小。其中:處理a和3a,2b、4b、9b和10b距離最近;處理6a與對(duì)照樣品a距離較遠(yuǎn),分離明顯;6處理0~10 cm土壤中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)存在明顯差異。土壤真菌PCA分析中,樣品間分離明顯,且與對(duì)照處理a和b也存在明顯差異。其中:處理10a與對(duì)照樣品差異最明顯;10處理下土壤真菌群落結(jié)構(gòu)差異明顯;處理2a與2b,處理11a與11b的距離最近,差異不明顯;處理2和11處理對(duì)土壤真菌群落結(jié)構(gòu)影響較小。
圖6 不同處理下土壤微生物群落結(jié)構(gòu)PCA分析
本研究結(jié)果顯示,不同土層中的微生物群落結(jié)構(gòu)及物種多樣性方面存在差異。0~10 cm土層微生物多樣性指數(shù)顯著高于10~20 cm土層,此結(jié)果與趙彬陽等[15]在研究枯落物輸入變化條件下云南松(Pinusyunnanensis)林地土壤特征研究中的微生物數(shù)量結(jié)果相似。而細(xì)菌種類遠(yuǎn)大于真菌,只是不同微生物種類的豐度變化有所差異,曾維軍等[16]在探究菌塘土壤營養(yǎng)變化與其微生物多樣性變化時(shí)也得出相似的結(jié)果。這可能是由于土壤表層部分的物質(zhì)難以滲入深層土壤,使得土壤表層養(yǎng)分充足,同時(shí)有機(jī)質(zhì)的輸入能夠激發(fā)土壤細(xì)菌的分解能力,從而促進(jìn)了其大量生長(zhǎng)和繁殖[17]。本研究結(jié)果表明,施肥處理后的土壤微生物數(shù)量相比不施肥處理都有所增加。這主要是由于施用的肥料中含有的有機(jī)物質(zhì)能使微生物更容易獲得養(yǎng)分,從而為土壤微生物提供額外的代謝營養(yǎng)元素[18]。
混合施肥能全面供給作物生長(zhǎng)所需養(yǎng)分,改良作物對(duì)養(yǎng)分的吸收條件從而提高肥效,增強(qiáng)土壤的可持續(xù)利用。馬肖[19]發(fā)現(xiàn)使用緩釋肥與化肥混施的方式能影響土壤菌群中與植物養(yǎng)分吸收有關(guān)的菌群來促進(jìn)植物養(yǎng)分吸收。包明琢等[20]發(fā)現(xiàn)在磷肥中加生物炭能夠有效改善杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.]林分的土壤養(yǎng)分,總體上能夠豐富土壤微生物種類。在本試驗(yàn)結(jié)果中,混施方案的微生物數(shù)量明顯優(yōu)于單施方案,并且能夠改善種植地0~10 cm土層土壤細(xì)菌群落多樣性和10~20 cm土層真菌群落多樣性,其中在4號(hào)(6 kg半焦肥+8顆力浮丸)方案中體現(xiàn)出最明顯的優(yōu)勢(shì),該結(jié)果與前人研究結(jié)果基本相似。因此,今后在油橄欖生產(chǎn)栽培中可考慮以該方案作為復(fù)合緩釋肥的開發(fā)與推廣應(yīng)用對(duì)象,以達(dá)到改善土壤性質(zhì)、增加產(chǎn)量的目的,使其發(fā)揮最大效用。同時(shí),該施肥方案會(huì)促進(jìn)鐮刀菌屬真菌的大量生長(zhǎng),因此在推廣該施肥方案時(shí),也需要采取預(yù)防和防治苗木產(chǎn)生根腐病害的措施,具體可參考龐躍剛等[21]的防治方法。
土壤中的放線菌可以大量分解土壤中的植物有機(jī)殘?bào)w,還能改善土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu),是生產(chǎn)抗生素和生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑等最實(shí)用的資源,已成為植物病害防治、生長(zhǎng)環(huán)境改善及維持土壤資源持續(xù)發(fā)展的重要措施之一[22]。有研究發(fā)現(xiàn),土壤中的放線菌對(duì)水稻(OryzasativaL.)[23]、番茄(SolanumlycopersicumL.)[24]和金銀花(LonicerajaponicaThunb.)[25]等多種植物具有良好的防病與促生作用。本研究經(jīng)施肥處理后0~10 cm土層土壤中的放線菌豐度顯著增加,放線菌豐度增加的原因可能是:一方面,由于在自然條件下,一部分微生物通過產(chǎn)生代謝產(chǎn)物供其他細(xì)菌使用,促進(jìn)土壤中的元素釋放,形成化學(xué)循環(huán),同時(shí)產(chǎn)生放線菌[26];另一方面,由于氣溫較高,放線菌會(huì)形成特殊的代謝機(jī)制并產(chǎn)生獨(dú)特的次生代謝物,這些次生代謝物中含有的有機(jī)酸和氨基酸等小分子化合物能夠供給放線菌適應(yīng)環(huán)境以維持自身的物種多樣性[27]。
鐮刀菌屬在自然界中分布廣泛,作為植株根腐枯萎病主要病原菌,在作物致病源頭中扮演重要角色。因其所致病害在如豇豆[Vignaunguiculata(L.) Walp.][28]和花魔芋(AmorphophalluskonjacK.Koch)[29]等農(nóng)作物以及牛膝(AchyranthesbidentataBlume.)[30]和藏紅花(CrocussativusL.)[31]等中藥材及其他120多種植物中都有發(fā)生。在本試驗(yàn)中,鐮刀菌屬除了在處理5b、6a、11a豐度略微降低,其余土樣均能促進(jìn)生長(zhǎng),尤以其在處理10a中所占比例最大。這說明其在10號(hào)方案(7 kg半焦肥)表層土壤中生長(zhǎng)最活躍,因此10號(hào)方案(7 kg半焦肥)對(duì)作物存在很大的病害隱患,不建議在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用。
緩釋肥處理下的油橄欖種植地0~10 cm和10~20 cm土層的土壤微生物多樣性較為豐富。6個(gè)優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門相互之間表現(xiàn)出的差異不明顯,3個(gè)優(yōu)勢(shì)真菌門表現(xiàn)出在施用緩釋肥后會(huì)引起不同菌門豐度變化。所有施肥處理均表現(xiàn)為能夠促進(jìn)土壤中0~20 cm土層的真菌和0~10 cm土層的細(xì)菌生長(zhǎng),而抑制10~20 cm土層細(xì)菌生長(zhǎng)。半焦肥+力浮丸組合施用較單獨(dú)施用可明顯提高細(xì)菌和真菌多樣性。細(xì)菌和真菌的群落優(yōu)勢(shì)屬隨施肥的種類和水平變化表現(xiàn)出明顯差異,6 kg半焦肥+8顆力浮丸處理在提高油橄欖土壤微生物多樣性方面表現(xiàn)最佳。