荒坡地种植巨菌草对土壤微生物群落功能多样性及肥力的影响草地学报上传版.docx

1、荒坡地种植巨菌草对土壤微生物群落功能多样性及肥力的影响草地学报上传版荒坡地种植巨菌草对土壤微生物群落功能多样性及土壤肥力的影响林兴生1，林占熺1*，林冬梅1，林辉1，罗海凌1，胡应平1，林春梅1，朱朝枝2(1. 福建农林大学菌草研究所，福建 福州 350002；2. 福建农林大学金山学院，福建 福州 350002)摘要: 研究种植于荒坡地的不同生长年限（1年、2年、3年、5年）的巨菌草对土壤微生物群落功能多样性及肥力的影响，结果表明：不同生长年限巨菌草土壤微生物对不同碳源的利用随培养时间延长而增大，培养7296 h变化最明显，培养144 h后各土壤AWCD值均达到最大值。总体上AWCD 值大小

2、依次为：2年生 3年生 1年生5年生CK，不同生长年限的巨菌草土壤AWCD值均比对照高，且差异显著，2年生AWCD 值最高，其次为3年生，1年生、5年生巨菌草土壤AWCD值差异不显著。对培养96 h土壤微生物利用碳源特性进行主成分分析，主成分1、主成分2能够区分不同生长年限巨菌草土壤的微生物群落特征，2年生、3年生巨菌草土壤微生物功能多样性与CK相比，差异显著。不同生长年限的巨菌草的SHANNON(H)、均匀度、BRILLOUIN指数均高于CK，且差异显著，2年生与3年生差异不显著，1年生与5年生差异不显著。总体上不同生长年限巨菌草的土壤的pH值、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾的含量比对照高，

3、除1年生巨菌草外，有机质、碱解氮含量均与对照差异显著。在荒坡上种植巨菌草，可增加土壤微生物群落功能多样性，在一定程度上提高土壤肥力。关键词:巨菌草；土壤微生物群落；功能多样性；土壤肥力中图分类号： 文献标识码： 文章编号：Effect of Pennisetum sp. Planted in the Barren Hillside on Soil Microbial Community Function Diversity and Fertility LIN Xingsheng1, LIN Zhan-xi1, LIN Dong-mei1, LIN Hui1, LUO Hai-ling1, HU

4、 Ying-ping1, LIN Chun-mei1, ZHU Chao-zhi2 (1.Juncao Research Institute, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China; 2.Jinshan College, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China)Abstract: To study effect of Pennisetum sp. planted in the barren hillside for

5、 1, 2, 3 and 5 years on the soil microbes community function diversity and the influence of fertility, the results indicated that carbon sources utilization for soil microbial increase as culture time went, change was the most obvious when cultured by 72 96 h, AWCD value reached the maximum when cul

6、tured by 144 h. Generally, AWCD was that of Pennisetum sp. planted for 2 years 3 years 1 year 5years CK , AWCD of Pennisetum sp. planted was higher than CK with significant difference, AWCD was highest for Pennisetum sp. planted by 2 years , followed by 3 years. Difference between 1 and 5 years was

7、not significant. Principal component analysis of carbon source characteristics for soil microbial cultured by 96 h was done, principal component 1 and principal component 2 were able to distinguish among soil microbial community characteristics, 收稿日期：2012-09-基金项目：科技部项目（国科发计2011685号）；国家林业公益性行业科研专项（20

8、1004019）；福建省科技重大项目(2009N5001)资助作者简介：林兴生（1973- ），男，福建人，副研究员，博士生，主要从事菌草技术研发、推广、援外和国际培训，E-mail:wittylin；*通讯作者Author for correspondence，E-mail:singelinPennisetum sp. planted by 2 years and 3 years was significantly different with CK. SHANNON (H), EVENNESS and BRILLOUIN index of Pennisetum sp. planted we

9、re higher than CK with significant difference, Pennisetum sp. planted by 2 years and by 3 years had no significant difference, by 1 years and by 5 years had no significant difference. Generally pH value, organic matter, alkali solution nitrogen, effective phosphorus and Rapidly-available potassium c

10、ontent of soil planted by Pennisetum sp. were higher than CK. Organic matter and alkali solution content of where Pennisetum sp. planted for 2, 3, 5-year effective was different significantly with CK. Pennisetum sp. planted in barren hillside could enhance Soil microbial community Functional diversi

11、ty and improve Soil fertility to a certain extent.Key words: Pennisetum sp.; Soil microbial community; Functional diversity; Soil fertility1986年，福建农林大学发明了菌草技术(Juncao Technology)，经过20多年的发展，已形成了配套综合技术。菌草是指营养适合食用菌、药用菌等微生物生长需要，太阳能利用率高，适应性强，具有某些优良特性，可作为食用菌、药用菌等微生物培养基并有综合开发利用价值的草本植物。菌草技术是指菌草优良品种选育，菌草栽培与加工

12、，菌草生物转化，菌草综合利用的系列技术与工艺。菌草技术已传播到85个国家，已在我国31个省、市的386个县（市）应用1,2。巨菌草(Pennisetum sp.)原产于非洲，隶属禾本科狼尾草属，适宜在热带、亚热带、温带生长和人工栽培。2005年，福建农林大学菌草研究所与南非夸祖鲁奈塔尔省合作，引进该草种，并作为一种高产、优质菌草推广，已在我国福建、宁夏、广西、海南等省及巴布亚新几内亚、卢旺达、莱索托等国种植。巨菌草属典型的四碳植物，太阳能转化率是阔叶树的47.46倍。巨菌草植株高大直立、丛生，株高一般为35 m，测得最高7.08 m，其根系发达，抗逆性强，产量高，年产鲜草达200400 thm

13、-2，粗蛋白含量高（种植4周达10.8%）。福建农林大学率先利用巨菌草栽培食、药用菌，还利用其废菌料生产菌物饲料及饲料添加剂1,2，目前开始探索巨菌草改善土壤、治理水土流失等环保功能。土壤微生物的生理功能多样性和群落功能多样性与地上植物生长有密切关系3，一方面植物通过改变土壤微生物群落特征影响土壤环境4，另一方面土壤微生物在土壤有机质分解和生态系统养分循环的过程中发挥着关键作用5 ， 影响植被的发育与演替6。不同的植物对土壤微生物群落的影响不同7，土壤微生物群落功能多样性反映了土壤微生物群落的生态特征，相关研究集中于施肥、农药、耕作方式及不同群落对土壤生物群落功能多样性的影响8-11，也有关于

14、转基因棉、化感水稻对土壤生物群落功能多样性的报道12，13，有研究表明稻草还田14、不同腐熟程度有机物料15、玉米免耕秸秆覆盖16、毛竹凋落物17都会对土壤微生物群落功能多样性产生影响，此外汪仲琼等18比较了人工和天然湿地芦苇根际土壤细菌群落结构多样性，韩玉竹等19研究了象草根际微生物的种类、数量和时空分布动态，曾艳等20综述了互花米草对土壤生态系统的影响。关于草与土壤肥力方面，前人研究了紫花苜蓿21、百喜草22、红豆草23、生草24、稗草25、多年生禾草26对土壤肥力的影响，认为果园生草具有保持水土，优化果园生态环境，提高土壤肥力等优点。目前尚未见关于巨菌草对土壤微生物群落功能多样性及肥力影

15、响的报道，本文研究了在荒坡上种植巨菌草对土壤微生物群落功能多样性及土壤肥力的影响，探讨巨菌草的生态功能，以期在开发利用巨菌草时，能形成社会、经济、生态三大效益共赢。1 材料与方法1.1 试验地概况试验地点在福建省闽清县丰达生态农业大观园菌草示范基地，地理坐标为25552633N， 1183011901E，年降水量14001900 mm，年均气温19.7 ，境内年平均地面温度为2123 ，最高值平均为37.3 ，最低值平均为15.3 ，极端高温曾达40 ，极端低温-7 福建闽清丰达生态农业大观园原为荒山荒坡地，后逐步开发为生态农业园，2006年该基地通过福建太阳草生物技术有限公司从福建农林大学引

16、进巨菌草并在荒坡地种植，采用扦插法，将巨菌草茎秆截成段，每段2节，株行距为60 cm80 cm。此后该基地每年均种植巨菌草，用于园内的水土保持、食用菌种植、牛羊鱼饲养和旅游观光等。1.2 样地设置与样品采集在福建闽清丰达生态农业大观园菌草示范基地，土壤分别取自种植于荒坡生长年限不同（1年、2年、3年、5年）的巨菌草草地和未种植巨菌草的对照地，分别选择3块具有代表性的草地，每块草地面积为1 m 1 m，先除去地表的凋落物层，然后采用5点梅花法取样，垂直钻取020 cm 的土壤，充分混匀，除去植物残体、根系、石块等杂物，用无菌自封袋封装。将土样分为2组： 一组土样置于4 的冰箱，用于测定土壤微生物

17、群落功能多样性，另一组土样风干后用于测定土壤养分。1.3 研究方法1.3.1 Biolog-ECO分析 采用 31 种碳源的生态板(Biolog-Eco)分析微生物群落的代谢特征，生态板有96个孔，3份重复，每份重复有32孔（包括31个单一碳源孔和1个对照孔）。称取10 g鲜土（称量前测量含水量），加入90 ml无菌生理盐水中稀释，用摇床振荡30 min， 静止沉淀35 min，然后进行100 倍稀释，以每孔150 L 稀释液加入微孔板中，将制备好的菌悬液倒入无菌移液槽中，使用八孔移液器将其接种于微平板的 96 孔中。接种好的微平板放到铺有六层纱布的塑料盒中，为防止微平板鉴定孔中的菌悬液挥发，

18、纱布保持一定的湿度，塑料盒用保鲜膜包裹，保鲜膜上用注射针头扎若干个小眼，以保证微生物的培养所需要的氧气，ECO 生态板置于 30 恒温箱避光培养，分别于培养24 h、48 h、72 h、96 h、120 h、144 h 时用ELISA 反应微平板读数器在590 nm 处读取吸光值。1.3.2 颜色平均变化率测定 土壤微生物群落 ELSI A反应采用 BIOLOG-ECO平板每孔颜色平均变化率(Average Well Color Development, AWCD)表示，AWCD = (C- R) /n，公式中：C为所测定的碳源孔的吸光值，R为对照孔的吸光值，n为培养基碳源种类数（本研究中为3

19、1）。1.3.3 土壤微生物群落功能多样性指数计算 以培养96 h土壤微生物利用单一碳源的AWCD情况，参照植物生态学中的方法8计算：Shannon指数H= -；Simpson指数J=1- ；Brillouin指数 H= (1/N) ln N! / (n1!n2! n3! )；McIntosh指数DMC=(N-)/(N-)；Shannon均匀度E=H/ lnS；McIntosh均匀度指数 E =(N DMC)/N - N /。式中：S为颜色变化孔的数目；ni为第i孔的相对吸光值，N为吸光值总和。1.3.4 土壤理化性质分析 由福建省农业科学院土肥研究所测定，有机质采用K2CrO7容量法测定，速

20、效钾采用NH4OAc浸提-火焰光度法测定，有效磷采用钼锑抗比色法测定，碱解氮采用碱解扩散法测定。1.4 数据统计分析 数据统计、主成分分析采用SPSS16.0软件，主成分作图用Canodraw 软件。2 结果与分析2.1 不同生长年限的巨菌草土壤微生物功能多样性的BIOLOG分析2.1.1 碳源平均颜色变化率(AWCD)随时间变化 随培养时间延长，土壤微生物对不同碳源的利用程度增大，培养7296 h变化最明显，培养144 h后各土壤AWCD值均达到最大值。不同生长年限巨菌草土壤微生物对多聚物、氨基酸代谢的AWCD 值大小依次为：2年生 3年生 1年生 5年生CK，最高的是2年生，培养144 h

21、多聚物、氨基酸代谢的AWCD分别是CK的1.98倍、1.75倍；对羧酸、酚酸代谢的AWCD 值大小依次为：2年生 1年生 5年生3年生 CK，最高的是2年生，培养144 h羧酸、酚酸代谢的AWCD分别是CK的1.68倍、2.00倍；对糖类代谢的AWCD 值大小依次为：3年生 2年生5年生1年生CK，最高的是3年生，培养144 h的AWCD是CK的2.18倍；对胺类代谢的AWCD 值大小依次为：3年生 2年生 1年生 5年生CK，最高的是3年生，培养144 h的AWCD是CK的2.96倍。综合看不同生长年限的巨菌草土壤AWCD 值大小依次为：2年生 3年生 1年生 5年生CK，不同生长年限的巨菌

22、草土壤AWCD值均比对照高，且差异显著，2年生AWCD 值最高，其次为3年生，1年生、5年生巨菌草土壤AWCD值差异不显著（图1）。图1 不同生长年限巨菌草土壤微生物碳源平均颜色变化率(AWCD)Fig. 1 Soil microbial carbon source average color change rate (AWCD) of Pennisetum sp.with different growth period图2 不同生长年限巨菌草土壤微生物利用碳源主成分Fig. 2 Principal component on soil microorganisms using carbon s

23、ource of Pennisetum sp.with different growth period2.1.2 不同生长年限巨菌草土壤微生物利用碳源主成分分析 根据培养96 h土壤微生物利用单一碳源的AWCD值，对不同土壤微生物利用单一碳源特性进行主成分分析，结果表明：从31个碳源中提取的与土壤微生物碳源利用相关的主成分8个，其中主成分1至主成分8分别能够解释变量方差的25.39%、18.89%、11.28%、9.31%、6.84%、5.60%、5.26%、4.71%，合计解释变量方差的87.27%。CK全部分布于主成分1、2的负端，除了5年生巨菌草外，1年生、2年生巨菌草主要分别于主成分1

24、的负端和主成分2的正端，3年生巨菌草主要分布于主成分1的正端和主成分3的负端，均与CK差异显著(P0. 05)，主成分1、主成分2能够区分不同生长年限巨菌草土壤的微生物群落特征，2年生、3年生巨菌草土壤微生物功能多样性与CK相比，发生了显著的变化(图2)。对主成分的得分系数与单一碳源AWCD 进行相关分析表明，与主成分1显著相关的碳源主要是糖类（D-木糖 D-xylose、-甲基-D-葡萄糖-Methyl-D-glucose、葡萄糖-1-磷酸Glucose-1-Phosphate），氨基酸（L-精氨酸L-Arginine、谷氨酰-L-谷氨酸Glycyl-L-Glutamic acid），羧酸（

25、D-苹果酸 D-Malic acid）和多聚物（D-甘露醇 D-Mannitol），与主成分2显著相关的碳源主要是氨基酸（L-丝氨酸 L-serine）。2.1.3 不同生长年限巨菌草土壤微生物利用培养基的多样性指数13 土壤微生物群落利用碳源类型的多与少可以用各种的多样性指数表示。从表1可看出，McIntosh指数不能区分不同生长年限巨菌草土壤微生物群落利用碳源类型的多与少差异， Simpson指数不能区分不同生长年限巨菌草土壤微生物群落利用碳源类型的差异，SHANNON(H)、均匀度、BRILLOUIN均能在一定程度上反映不同生长年限巨菌草土壤的利用碳源类型差异，不同生长年限的巨菌草在SH

26、ANNON(H)、均匀度、BRILLOUIN指数均高于CK，且差异显著(P0. 05)，2年生与3年生差异不显著，1年生与5年生差异不显著。表1 不同生长年限的巨菌草土壤微生物利用培养基多样性指数Table 1 Diversity index for soil microorganisms using the culture medium of Pennisetum sp.with different growth period生长年限Growth yearsSIMPSON(J)SHANNON(H)均匀度EVENNESSBRILLOUINMcIntosh(DMC)CK1年生1-year2年生

27、2-year3年生3-year5年生5-year0.97810.0103 a0.99920.0015 a0.99370.001 a0.99410.0028 a1.00610.0008 a4.27330.0615 c4.36990.0597 b4.57010.104 a4.45890.0065 ab4.34450.0439 b0.86260.0124 c0.89420.0121 b0.92250.021 a0.9 0.0013 ab0.89690.0089 b2.67080.0916 c3.0610.1726 b3.28070.0836 a3.1680.0428 ab2.86680.034 b0

28、.98190.0022 a0.99790.0048 a1.04340.024 a0.98420.0074 a1.01530.0021 a小写字母表示差异显著(P0. 05) Different small letters indicated significant difference at 0. 05 level. 下同The same below.表2 不同生长年限巨菌草的土壤肥力测定Table 2 Soil fertility determination of Pennisetum sp. with different growth period生长年限Growth yearspH有机质

29、% Organic matter碱解氮(mgkg-1)Alkali solution nitrogen有效磷(mgkg-1) Effective phosphorus速效钾(mgkg-1) Rapidly-available potassium CK4.460.08 b1.690.64 b83.0018.23 c7.004.50 b115.2797.57 a1年生1-year4.610.32 b2.140.13 b91.308.30 bc19.802.00 a123.3016.10 a2年生2-year4.860.47 b3.140.17 a158.5011.10 a11.301.20 b14

30、5.6045.83 a3年生3-year6.820.18 a3.350.15 a108.708.10 b8.190.16 b104.205.50 a5年生5-year4.610.28 b3.120.22 a160.407.50 a18.102.10 a128.0012.50 a2.2 巨菌草不同生长年限对土壤肥力的影响除3年生巨菌草的速效钾含量外，不同生长年限巨菌草的土壤的pH值及有机质、碱解氮、有效磷、速效钾的含量总体上均比未种植菌草的土壤（CK）高，其中3年生巨菌草的土壤有机质最高，比对照高98.20%除1年生巨菌草外，与对照比均差异显著；5年生巨菌草土壤的碱解氮为160.40 mgkg-

31、1，比对照高93.2%，除1年生巨菌草外，与对照比均差异显著；1年生、5年生巨菌草土壤的有效磷含量与对照差异显著，2年生、3年生巨菌草土壤的有效磷含量与对照差异不显著；不同生长年限巨菌草土壤的速效钾与对照差异不显著。结果表明：种植巨菌草能在一定程度上提高土壤肥力（表2）。3 讨论与结论3.1 不同生长年限巨菌草对土壤微生物群落多功能性的影响清华等27、周虹霞等28研究认为，互花米草的高生物量和高生产力为土壤微生物提供丰富的碳源，与光滩相比，互花米草所在的土壤中有更多微生物赖以生长的碳源种类，其生长的土壤中的微生物量也相应较高，Batten 等29报道互花米草地上部分群落密度大，极大影响地下微生物群落，王蒙30报道互花米草的生长会使裸滩土壤微生物增加，Ravit等31研究表明互花米草发达的根系对土壤微生物群落结构有显著影响。巨菌草同样具有高的生物量和发达的根系，本研究也表明与未种植巨菌草的荒坡比，在荒坡上种植巨菌草后会显著改变土壤微生物群落功能的多样性。BIOLOG 氧化还原技术，是以微孔板碳源利用为基础的定量分析方法，为研究微生物