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Characteristics of phosphate-solubilizing microbial community in the soil of poplar plantations under successive-planting and rotation.

杨树人工林连作与轮作对土壤解磷微生物类群的影响


采用宏基因组测序技术,研究了杨树人工林Ⅰ代林地和连作Ⅱ代林地根际土和非根际土、Ⅱ代林地主伐后轮作花生地和轮荒地土壤中解磷微生物类群特征及磷酸酶基因丰度变化.结果表明: 参与磷循环微生物共9属,芽孢杆菌属和假单胞菌属为优势菌群.土壤解磷微生物丰度大小顺序为轮荒地>轮作花生地>Ⅱ代林地>Ⅰ代林地;主伐更新后轮作花生地和轮荒地芽孢杆菌属和假单胞菌属丰度显著升高,节杆菌属、慢生根瘤菌属、链霉菌属丰度显著降低;但在人工林根际土壤中,与Ⅰ代林根际相比,Ⅱ代林根际土壤与此规律相反.在根际与非根际土壤中,芽孢杆菌属和假单胞菌属丰度为根际小于非根际,节杆菌属、慢生根瘤菌属、链霉菌属丰度为根际大于非根际.磷酸酶基因总丰度为Ⅰ代林地>轮荒地>Ⅱ代林地>轮作花生地,且在Ⅰ、Ⅱ代林中根际效应明显,但Ⅱ代林根际与非根际差异缩小且部分磷酸酶基因的根际丰度低于非根际丰度.解磷微生物数量与酚酸含量呈显著负相关,与pH值呈正相关.

The metagenome sequencing was used to compare the difference of six soil samples, the rhizosphere soil of the first and the second rotation poplar plantations (RSP1, RSP2), the bulk soil of the first and the second rotation poplar plantations (BSP1, BSP2), the soil of rotated peanut field (RPS) and the abandoned land soil (ALS) after poplar clear cutting, in phosphate-solubilizing microbial community and abundance of phosphatase gene (PG) in a poplar plantation. The results showed that microorganisms from nine genera were related to phosphorus cycle with Bacillus and Pseudomonas being the dominant. The abundance of PSMs was highest in ALS, followed by RPS, RSP2 and BSP2, RSP1 and BSP1, respectively. There was a significant difference of PSMs among the six soil samples. After poplar clear cutting, the abundance of Bacillus and Pseudomonas in RPS and ALS increased significantly, whereas that of Arthrobacter, Bradyrhizobium and Streptomyces decreased. However, in the rhizosphere soil of poplar plantations, an opposite pattern appeared when comparing RSP2 to RSP1. Bacillus and Pseudomonas were more abundant in rhizosphere soils than in bulk soil, while Arthrobacter, Bradyrhizobium and Streptomyces were higher. The abundance of PG presented the regularity of RSP1 and BSP1 > ALS > RSP2 and BSP2 > RPS. Rhizosphere had a more significant effect in the successive rotation poplar plantations than in the second rotation plantation. An even lower phosphatase gene’s abundance was shown in rhizosphere soil than in bulk soil. The number of PSMs was negatively correlated with the content of phenolic acids but positively correlated with pH value.


全 文 :杨树人工林连作与轮作对土壤解磷
微生物类群的影响
马雪松1,2  王文波1,2  王延平1,2  王华田1,2∗  伊文慧1,2
( 1山东省高校森林培育重点实验室, 山东泰安 271018; 2山东农业大学林学院, 山东泰安 271018)
摘  要  采用宏基因组测序技术,研究了杨树人工林Ⅰ代林地和连作Ⅱ代林地根际土和非根
际土、Ⅱ代林地主伐后轮作花生地和轮荒地土壤中解磷微生物类群特征及磷酸酶基因丰度变
化.结果表明: 参与磷循环微生物共 9 属,芽孢杆菌属和假单胞菌属为优势菌群.土壤解磷微
生物丰度大小顺序为轮荒地>轮作花生地>Ⅱ代林地>Ⅰ代林地;主伐更新后轮作花生地和轮
荒地芽孢杆菌属和假单胞菌属丰度显著升高,节杆菌属、慢生根瘤菌属、链霉菌属丰度显著降
低;但在人工林根际土壤中,与Ⅰ代林根际相比,Ⅱ代林根际土壤与此规律相反.在根际与非
根际土壤中,芽孢杆菌属和假单胞菌属丰度为根际小于非根际,节杆菌属、慢生根瘤菌属、链
霉菌属丰度为根际大于非根际.磷酸酶基因总丰度为Ⅰ代林地>轮荒地>Ⅱ代林地>轮作花生
地,且在Ⅰ、Ⅱ代林中根际效应明显,但Ⅱ代林根际与非根际差异缩小且部分磷酸酶基因的根
际丰度低于非根际丰度.解磷微生物数量与酚酸含量呈显著负相关,与 pH值呈正相关.
关键词  连作人工林; 酚酸; 宏基因组测序; 解磷微生物; 磷酸酶基因
本文由国家自然科学基金项目(31270670,31070550)、国家重点基础研究发展计划项目(2012CB416904 / zgc)和史丹利功能性生物肥料基金资
助 This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (31270670,31070550), the National Key Basic Research Program of
China (2012CB416904 / zgc) and the Stanley Functional Biological Fertilizer Foundation.
2015⁃11⁃23 Received, 2016⁃03⁃23 Accepted.
∗通讯作者 Corresponding author. E⁃mail: wanght@ sdau.edu.cn
Characteristics of phosphate⁃solubilizing microbial community in the soil of poplar planta⁃
tions under successive⁃planting and rotation. MA Xue⁃song1,2, WANG Wen⁃bo1,2, WANG Yan⁃
ping1,2, WANG Hua⁃tian1,2∗, YI Wen⁃hui1,2 ( 1Shandong Province Key Laboratory of Silviculture,
Tai’ an 271018, Shandong, China; 2 College of Forestry, Shandong Agricultural University,
Tai’an 271018, Shandong, China) .
Abstract: The metagenome sequencing was used to compare the difference of six soil samples, the
rhizosphere soil of the first and the second rotation poplar plantations (RSP1, RSP2), the bulk soil
of the first and the second rotation poplar plantations (BSP1, BSP2), the soil of rotated peanut
field (RPS) and the abandoned land soil (ALS) after poplar clear cutting, in phosphate⁃solubili⁃
zing microbial community and abundance of phosphatase gene (PG) in a poplar plantation. The re⁃
sults showed that microorganisms from nine genera were related to phosphorus cycle with Bacillus
and Pseudomonas being the dominant. The abundance of PSMs was highest in ALS, followed by
RPS, RSP2 and BSP2, RSP1 and BSP1, respectively. There was a significant difference of PSMs
among the six soil samples. After poplar clear cutting, the abundance of Bacillus and Pseudomonas
in RPS and ALS increased significantly, whereas that of Arthrobacter, Bradyrhizobium and Strepto⁃
myces decreased. However, in the rhizosphere soil of poplar plantations, an opposite pattern ap⁃
peared when comparing RSP2 to RSP1. Bacillus and Pseudomonas were more abundant in rhizo⁃
sphere soils than in bulk soil, while Arthrobacter, Bradyrhizobium and Streptomyces were higher.
The abundance of PG presented the regularity of RSP1 and BSP1 > ALS > RSP2 and BSP2 > RPS.
Rhizosphere had a more significant effect in the successive rotation poplar plantations than in the
second rotation plantation. An even lower phosphatase gene’s abundance was shown in rhizosphere
应 用 生 态 学 报  2016年 6月  第 27卷  第 6期                                            http: / / www.cjae.net
Chinese Journal of Applied Ecology, Jun. 2016, 27(6): 1877-1885                  DOI: 10.13287 / j.1001-9332.201607.028
soil than in bulk soil. The number of PSMs was negatively correlated with the content of phenolic
acids but positively correlated with pH value.
Key words: successive rotation plantation; phenolic acids; metagenome sequencing; phosphate⁃
solubilizing microorganisms; phosphatase gene.
    磷是植物体内核苷酸、磷脂、DNA、RNA、ATP 等
重要化合物的组成成分,参与植物体内的能量代谢、
碳水化合物代谢、物质转化及运转等生理生化过程,
是继氮素之后对植物的生长和发育发挥重要作用的
营养元素[1-3] .磷循环是典型的沉积循环,磷素的积
累在土壤、植物和微生物之间进行[4],土壤中的磷
呈不溶性或难溶性,仅有 20%能被植物利用[5] .由于
其低有效性和利用率,磷素成为限制植物生长的关
键元素之一[6] .土壤磷循环以微生物活动为中心,有
机磷在微生物的作用下转变成无机磷形态才能被植
物吸收利用,这一过程取决于解磷微生物(phosphate
solubilizing microorganisms, PSMs)的种群结构和数
量以及磷酸酶的活性[7] .研究表明,土壤中分布有大
量能够分解有机磷的解磷菌和溶解无机磷的溶磷
菌,解磷微生物可明显提高土壤中可溶性磷的含量,
增加植物对磷元素的吸收,从而促进植物的生
长[8-11] .土壤解磷微生物主要受土壤、气候、植被类
型以及生态环境等因子的影响,并表现出明显的根
际效应,其种类、数量、分布以及与根际环境间相互
关系等均受根际微域环境的影响[12-15] .因此,对土
壤中磷循环微生物群落的研究有助于了解土壤磷素
供应状况.基于分离培养技术的传统微生物多样性
研究方法为解磷微生物的鉴定和高效菌株筛选提供
了有效的手段,但仅有不足 1%的微生物能够实现
培养和分离[16],因而所获得的微生物多样性信息十
分有限[17] .近年来,基于宏基因组技术研究土壤微
生物的方法应运而生[18-19],不仅能获得全部磷循环
功能微生物的群落特征信息,而且能依据磷素代谢
途径的酶促反应,获得相关功能酶基因丰度信息,为
磷循环微生物类群特征分析和磷酸酶基因丰度分析
提供了一种有效方法.
杨树是我国重要的工业人工林造林树种.由于
长期连作经营,导致林地生产力逐代下降.针对这一
问题,不少学者先后对连作杨树人工林地土壤养
分[20]、土壤微生物区系[21]、土壤酶活性和化感物质
的积累[22-23]等进行了大量研究,明确了土壤养分循
环和化感效应在杨树人工林连作障碍产生机制中的
地位和作用.研究表明,人工林连作导致土壤磷素含
量下降[24],使人工林出现养分亏缺.鉴于土壤微生
物在磷循环中的重要作用,以及对人工林土壤解磷
微生物类群特征与磷酸酶基因丰度的了解较少,本
文采用宏基因组测序技术,研究了杨树人工林不同
轮作方式土壤解磷微生物类群和磷酸酶基因丰度变
化,以阐明连作和轮作对杨树人工林土壤解磷微生
物类群结构和功能的影响,为深入揭示杨树人工林
衰退机制提供科学依据.
1  研究区域与研究方法
1􀆰 1  研究区概况
研究地点位于山东省泰安市宁阳县国有高桥林
场(116°50′ E,35°53′ N).该林场位于大汶河南岸,
属暖温带半湿润季风气候,四季分明,年均降水量约
700 mm,年均气温 13.4 ℃ .林场土壤为粗沙河潮土,
颗粒较粗,保水保肥性差,土壤容重为 1. 477
g·cm-3,孔隙度为 41.89%.试验林地为相邻的欧美
杨 I⁃107(Populus ×euramericana ‘Neva’)Ⅰ代林地
和Ⅱ代林地、Ⅱ代林主伐更新后的当年轮作花生地
和轮荒地,主伐时间为 2012 年春季.其中,Ⅰ代林龄
为 4 a,株行距 4 m×5 m,平均树高(15.4±0.3) m,平
均胸径(13. 6 ± 0. 2) cm;Ⅱ代林龄为 5 a,株行距
4 m×5 m,平均树高(15.1±0.4) m,平均胸径(12.2±
0.3) cm;轮作花生地采用覆膜栽培,单作,播种前施
用氮肥和磷肥,生长期浇水 1 ~ 2 次,适时喷洒药剂
防治病虫害;轮荒地为不加任何干扰的自然生境,物
种以灰绿藜(Chenopodium glaucum)、苋菜(Amaran⁃
thus tricolor)、马唐 (Digitaria sanguinalis)、狗尾草
(Setaria viridis)等草本植物为主.
1􀆰 2  土壤取样
于 2013年 10月 12日进行取样.调查固定样地
内杨树Ⅰ、Ⅱ代林的胸径、树高和冠幅,按照平均树
高和平均胸径 2倍标准差的标准,选取干形通直、树
冠饱满的 5株标准木.在距离标准木树干基部 1.0 m
处呈梅花形等距布设 5 个取样点,去除表层杂草和
浮土,挖取 5 ~ 20 cm 土层中的须根,抖落其上黏附
土壤并经 10目过筛,等量混合,即得杨树Ⅰ代林根
际土(RSP1)和杨树Ⅱ代林根际土(RSP2);在同株
标准木下分别取非根际土壤并经相同处理后,即得
杨树Ⅰ代林非根际土(BSP1)和杨树Ⅱ代林非根际
8781 应  用  生  态  学  报                                      27卷
土(BSP2).在轮作花生地和轮荒地沿“S”形分别布
设 5个点,每个点设置直径 2.0 m圆圈并均匀布设 5
个采样点,去除表层杂草和浮土,挖取 5 ~ 20 cm 土
层中的土壤并经 10 目过筛,等量混合,即为该取样
点轮作地土样,编号为轮作花生土壤(RPS)和轮荒
土壤(ALS).土样装入标记编号的无菌离心管并置
于液氮罐中,运回实验室处理.
1􀆰 3  测定方法
在实验室,一部分土样储存于-80 ℃的冰箱中,
用于分子生物学研究;另一部分土样风干,参考常规
方法进行土壤理化性质分析[25-26](表 1,2).其中,土
壤酚酸含量采用谭秀梅等[27]的土壤提取液及标样
制备方法,利用超高效液相色谱仪(Waters,美国)进
行测定.宏基因组测序首先采用 MOBIO PowerSoil
DNA Isolation Kit试剂盒(MOBIO 公司,美国)提取
土壤样品微生物基因组 DNA,检测样品 DNA 是否
符合上机要求.检测合格的 DNA 样品用超声波破碎
仪随机打断成长度为 300 bp 的片段,经末端修复、
加 A尾、加测序接头、纯化、PCR 扩增等步骤,完成
整个文库制备.文库构建完成后,先使用 Qubit 2.0
进行初步定量,稀释文库至 1 ng·μL-1,随后使用
Agilent 2100对文库的插入片段大小进行检测,插入
片段符合预期后,使用 Q⁃PCR方法对文库的有效浓
度进行准确定量(文库有效浓度>2 nmol·L-1),以
保证文库质量.库检合格后,使用 IlluminaHiSeq 2000
测序平台进行双末端(Paired⁃End, PE)测序,得到
下机数据,经处理后得到的有效数据用于后续的生
物信息分析.
1􀆰 4  数据处理
利用 Excel 2013 和 SPSS 20.0 软件分别对数据
进行筛选和统计分析.相对丰度是一个样本中解磷
微生物丰度与所有微生物丰度之和的比值.采用单
因素方差(one⁃way ANOVA)法对不同样地土壤解磷
微生物和磷酸酶基因进行方差分析,用 Duncan法进
行显著性检验,显著性水平设定为 α = 0.05.解磷微
生物与土壤因子之间的相关分析通过 SPSS 20.0 软
件实现.
2  结果与分析
2􀆰 1  杨树人工林不同轮作方式土壤解磷微生物类
群结构
由表 3 可知,杨树人工林不同轮作方式土壤中
共检测出 9 属解磷微生物.其中:细菌 7 属,分别为
芽孢杆菌属、假单胞菌属、黄杆菌属、类芽孢杆菌属、
慢生根瘤菌属、泛生菌属、沙雷氏菌属;放线菌 2
属 ,为链霉菌属和节杆菌属.其中可参与有机磷代谢
表 1  不同土壤样本中主要土壤因子
Table 1  Main soil factors of different soil samples (mean±SD)
土样
Soil sample
pH 有机质
Organic matter
(mg·g-1)
全磷
Total P
(mg·g-1)
有效磷
Available P
(μg·g-1)
有效钾
Available K
(μg·g-1)
有效氮
Available N
(mg·g-1)
RSP1 6.09±0.01d 16.52±0.57b 0.11±0.004cd 22.74±4.45b 79.85±26.42ab 45.77±1.10b
RSP2 6.04±0.01e 20.50±0.72a 0.14±0.012ab 23.39±4.23ab 88.90±8.03a 40.10±4.10b
BSP1 6.22±0.02b 7.84±1.02e 0.10±0.025d 28.39±4.23a 77.15±5.28ab 39.52±2.34b
BSP2 6.20±0.03b 10.34±2.10d 0.13±0.012abc 22.28±2.22b 62.88±6.84b 40.18±2.30b
RPS 6.16±0.01c 12.63±1.17c 0.16±0.022a 25.40±1.74ab 93.62±7.08a 42.92±5.96b
ALS 6.39±0.02a 4.14±1.23f 0.12±0.004bcd 23.23±1.67ab 17.68±7.85c 55.95±0.56a
RSP1:Ⅰ代林根际土 Rhizosphere soil of first⁃generation poplar plantation; RSP2:Ⅱ代林根际土 Rhizosphere soil of second⁃generation poplar planta⁃
tion; BSP1:Ⅰ代林非根际土 Bulk soil of first⁃generation poplar plantation; BSP2:Ⅱ代林非根际土 Bulk soil of second⁃generation poplar plantation;
RPS: 轮作花生土壤 Rotated peanut soil; ALS: 轮荒土壤 Abandoned land soil. 同列不同字母表示不同样地之间差异显著(P<0.05) Different let⁃
ters in same columns mean significant difference among different soil samples separately at 0.05 level. 下同 The same below.
表 2  不同土壤样本中酚酸类化感物质含量
Table 2  Content of phenolic acids in different soil samples (mean±SD, μg·g-1)
土样
Soil
sample
对羟基苯甲酸
P⁃hydroxybenzonic
acid
苯甲酸
Benzoic
acid
阿魏酸
Ferulic
acid
香草醛
Vanillin
肉桂酸
Cinnamic
acid
总量
Total
amount
RSP1 21.56±0.10b 7.21±0.28ab 8.50±0.54a 3.86±0.10a 0.59±0.07ab 41.72±0.18b
RSP2 25.84±0.23a 7.53±0.17a 6.49±0.20b 2.65±0.10b 0.98±0.13a 43.49±0.03a
BSP1 5.07±0.18d 6.25±0.14b 3.29±0.38c 2.45±0.08b 0.47±0.13b 17.54±0.47d
BSP2 6.03±0.17c 6.78±0.24ab 3.73±0.31c 1.59±0.14c 0.63±0.06ab 18.76±0.04c
RPS 7.44±0.16d 6.32±0.12b 4.59±0.35c 1.95±0.06b 0.50±0.14b 20.80±0.45d
ALS 5.71±0.12b 4.32±0.21ab 6.52±0.24a 1.33±0.06a 0.42±0.06ab 18.31±0.23b
97816期                      马雪松等: 杨树人工林连作与轮作对土壤解磷微生物类群的影响           
的是芽孢杆菌属、假单胞菌属、节杆菌属、沙雷氏菌
属和链霉菌属.芽孢杆菌属和假单胞菌属为优势菌
群,尤其以芽孢杆菌属群落丰度最高,在各样地中达
到了解磷微生物总丰度的 87%以上.泛生菌属、类芽
孢杆菌和沙雷氏菌属分别为Ⅰ代林地、Ⅱ代林地和
轮荒地独有菌群,但所占比例均低于 0.1%.
2􀆰 2  杨树人工林不同轮作方式土壤解磷微生物类
群丰度
由表 3可知,杨树人工林连作、轮作和轮荒后,
Ⅰ代林地和Ⅱ代林地解磷微生物占各样地解磷微生
物总丰度的 22.4%和 23.1%,轮作花生地和轮荒地
解磷微生物占各样地解磷微生物总丰度的 26.8%和
27.7%,轮荒地、轮作花生地与杨树林地解磷微生物
总丰度存在显著差异,与连作相比,轮作可以增加解
磷微生物的数量.与Ⅰ代林地相比,Ⅱ代林地土壤中
各属共有解磷微生物丰度均有不同程度的增加,且
假单胞菌属、节杆菌属、慢生根瘤菌属、链霉菌属和
黄杆菌属显著升高(P<0.05);与Ⅱ代林地相比,主
伐更新后轮作花生地和轮荒地土壤中芽孢杆菌属和
假单胞菌属丰度显著升高,轮作花生地土壤中增加
19.9% 和 30. 3%,轮荒地土壤中增加 20. 4% 和
71.4%,而节杆菌属、慢生根瘤菌属、链霉菌属丰度
则显著降低,且降幅均在 50%以上,链霉菌属在轮
作花生地土壤中降幅达 99%.
2􀆰 3  杨树人工林根际与非根际解磷微生物类群
丰度
由表 3 可知,杨树人工林根际与非根际解磷微
生物总丰度之间存在显著差异(P<0.05),根际解磷
微生物总丰度显著低于非根际.各属微生物丰度在
根际与非根际中存在显著差异,芽孢杆菌属和假单
胞菌属细菌在杨树根际土壤中显著低于非根际土
壤,R / S值分别为 0.6~0.7和 0.4~0.7,而节杆菌属、
慢生根瘤菌属、链霉菌属的丰度显著高于非根际土
壤,细菌 R / S值为 4~7,放线菌 R / S 值为 2 ~ 6.连作
后在根际土壤中各属解磷微生物丰度变化较大,Ⅱ
代林根际土壤中芽孢杆菌属和假单胞菌属细菌丰度
低于Ⅰ代林根际土壤,但并未达到显著水平;而节杆
菌属、慢生根瘤菌属、链霉菌属丰度较Ⅰ代林根际显
著升高.
2􀆰 4  杨树人工林不同轮作方式磷酸酶基因丰度
依据测序结果,筛选出磷酸酶基因表达数量并
进行多样本丰度分析(表 4),发现在不同土壤中磷
酸酶基因总丰度存在显著差异(P<0.05),表现为Ⅰ
代林地>轮荒地>Ⅱ代林地>轮作花生地,而且,Ⅱ代
林地主伐更新后,轮荒地磷酸酶基因总丰度显著升
高,轮作花生地磷酸酶基因总丰度值为 3416,为各
样本中最低.根际与非根际之间磷酸酶基因丰度存
在显著差异,Ⅰ、Ⅱ代林土壤磷酸酶 R / S 值分别为
1.39和 1.09,在Ⅱ代林中根际与非根际土壤磷酸酶
丰度差异缩小,部分磷酸酶丰度甚至低于非根际土
壤,如碱性磷酸酶(EC:3.1.3.1)在根际和非根际中
的基因表达数分别为 958 条和 1144 条.而且对根际
土壤磷酸酶基因丰度分析可知,Ⅱ代林根际土壤各
磷酸酶丰度显著低于Ⅰ代林根际土壤.
2􀆰 5  解磷微生物与土壤因子的关系
由表 5 可知,总体上解磷微生物丰度与酚酸含
量呈显著负相关(P<0.05),与土壤 pH 值显著正相
关,与有机质含量、全磷含量、有效磷含量不相关(P
>0.05).由表 6可知,酚酸含量与芽孢杆菌属和假单
胞菌属显著负相关,与节杆菌属、慢生根瘤菌属和链
表 3  不同土壤样本中解磷微生物的相对丰度
Table 3  Relative abundance of PSMs in different soil samples (mean±SD)
类别
Category
土 样 Soil sample
RSP1 RSP2 BSP1 BSP2 RPS ALS
芽孢杆菌属 Bacillus 51.15±0.43b 49.79±1.58b 73.02±2.02a 75.77±2.29a 75.30±2.23a 75.58±3.68a
假单胞菌属 Pseudomonas 4.34±0.12e 3.34±0.09f 6.41±0.03d 7.83±0.04b 7.27±0.05c 9.57±0.08a
节杆菌属 Arthrobacter 1.38±0.07b 2.68±0.10a 0.75±0.05c 0.69±0.06c 0.62±0.07c 0.71±0.04c
黄杆菌属 Flavobacterium 0.09±0.03b 0.05±0.03b 0.04±0.01b 0.28±0.08a 0 0.23±0.07a
类芽孢杆菌 Paenibacillus 0 0 0 0.20±0.01a 0 0
慢生根瘤菌属 Bradyrhizobium 1.09±0.12b 1.84±0.13a 0.27±0.10c 0.28±0.08c 0.31±0.05c 0.25±0.06c
泛生菌属 Pantoea 0 0 0.02±0.01a 0 0 0
沙雷氏菌属 Serratia 0 0 0 0 0.01±0.01a 0
链霉菌属 Streptomyces 0.81±0.20b 1.13±0.25a 0.01±0.01c 0.02±0.01c 0.02±0.02c 0.17±0.03c
总丰度 Total abundance 58.86±0.79c 58.82±1.35c 80.51±2.15b 84.89±2.30a 83.53±2.17ab 86.50±3.74a
同行不同字母表示不同样本间差异显著(P<0.05) Different letters in same row mean significant difference among different soil samples separately at
0.05 level. 下同 The same below.
0881 应  用  生  态  学  报                                      27卷
表 4  不同土壤样本中磷酸酶基因(含植酸酶基因)丰度
Table 4  Abundance of phosphatase gene ( including phytasegenes) in different soil samples (mean±SD)
磷酸酶基因
Phosphatase gene
酶编号
EC number
土 样 Soil sample
RSP1 RSP2 BSP1 BSP2 RPS ALS
酸性磷酸酶(B类)
acid phosphatase (class B)
[EC:3.1.3.2] 8±1.7a 4±1.0b 6±1.7ab 6±1.0ab 4±1.0ab 5±1.7ab
碱性磷酸酶
alkaline phosphatase
[EC:3.1.3.1] 1114±87.9c 958±55.8d 1170±80.2bc 1144±73.7c 1483±69.4a 1320±81.9b
酸性磷酸酶(A类)
acid phosphatase (class A)
[EC:3.1.3.2] 92±14.0a 82±18.0a 34±13.1b 44±15.6b 28±4.6b 46±13.0b
4⁃植酸酶 /酸性磷酸酶
4⁃phytase / acid phosphatase
[EC:3.1.3.26 3.1.3.2] 68±17.1a 38±21.5ab 14±5.0c 54±11.4ab 30±10.0b 54±15.7ab
酸性磷酸酶
acid phosphatase
[EC:3.1.3.2] 544±32.1a 374±59.4b 540±40.5a 484±41.1a 316±54.7b 374±60.3b
碱性磷酸酶 D
alkaline phosphatase D
[EC:3.1.3.1] 4114±54.0a 3008±52.1b 2606±61.5c 2384±39.4d 1570±41.2e 2626±52.9c
3⁃植酸酶
3⁃phytase
[EC:3.1.3.8] 192±14.2a 110±24.6bc 48±15.5e 82±14.7cd 70±11.0de 116±17.1b
总基因数 Total abundance 6132±66.1a 4574±59.6b 4418±121.0b 4198±80.7c 3416±118.9d 4524±74.4b
表 5  解磷微生物与土壤因子的相关系数
Table 5  Correlation coefficients among PSMs and soil fac⁃
tors (n=6)
相关系数
Correlation
coefficients
酚酸含量
Phenolic
content
pH 有机质含量
Organic
matter
content
全磷含量
Total P
content
有效磷含量
Available
P content
解磷微生物
PSMs
-0.981∗ 0.829∗ ns ns ns
∗P<0.05; ns: P>0.05. 下同 The same below.
表 6  土壤酚酸含量与主要解磷微生物的相关系数
Table 6   Correlation coefficients among phenolic content
and main PSMs in soil (n=6)
相关系数
Correlation
coefficients
芽孢
杆菌属
Bacillus
假单胞
菌属
Pseudomonas
节杆
菌属
Arthrobacter
慢生根瘤
菌属
Bradyrhizobium
链霉
菌属
Streptomyces
酚酸含量
Phenolic content
-0.989∗ -0.886∗ 0.873∗ 0.946∗ 0.973∗
霉菌属显著正相关,与黄杆菌属不相关.
3  讨    论
3􀆰 1  人工林连作对解磷微生物酚酸的影响机制
在人工林连作障碍机制的研究中,化感效应具
有广泛而深刻的作用,并成为许多学者关注的焦点.
植物通过根系和根系凋落物向土壤中释放酚类、有
机酸、激素等低分子有机物质[28],随着连作代数及
年限的增加,根系分泌物不断积累,而且植物的枝、
叶、花、果实残体在土壤中分解也会产生酚酸类物
质,随着化感物质的不断累积,化感效应逐渐显现.
化感效应不仅存在于植物种间,也对根际微生物的
种类、数量、分布和活性产生影响[29] .研究表明,地
黄(Rehmannia glutinosa)连作两年后土壤总酚酸含
量与对照相比显著升高.同时运用宏蛋白质组学系
统鉴定连续种植体系中根际土壤不同蛋白的表达
量,结果表明,地黄连续种植导致根际酚酸类物质积
累,引起土壤微生物生态环境的改变[30-31] .在连作
杨树人工林研究中,化感效应的研究以酚酸类物质
为主,谭秀梅等[27]利用高效液相色谱法分析发现,
杨树人工林土壤中含有对羟基苯甲酸、苯甲酸、香草
醛、阿魏酸、肉桂酸 5 种酚酸类化感物质,并且随连
作代数的增加而累积,进而对微生物的种类和数量
产生影响.可见,根系分泌物在改变微生物类群特征
方面发挥极其重要的作用.根际微生物的数量与化
感物质的分布具有一定的相关性.化感物质对根际
微生物具有选择塑造作用,其种类和浓度对不同微
生物产生不同的刺激或抑制效果,使特定的微生物
定殖在根周围[32-34],进而影响土壤微生物的群落结
构.Gschwendtner等[35]研究发现,不同的马铃薯(So⁃
lanum tuberosum)品种之间根际微生物群落差异很
大,而且在不同生长发育时期,马铃薯根际微生物群
落结构也发生变化,这可能都与根系分泌物的组成
和数量不同有关.李培栋等[36]发现,随着花生连作
年限的增加,土壤中对羟基苯甲酸、香草酸和香豆酸
含量增加,但土壤中根际细菌和放线菌的数量明显
减少,真菌数量增多,土壤微生物区系发生改变.谭
秀梅等[27]通过外源引入酚酸对土壤微生物的影响
研究发现,随着化感物质浓度的增加,对羟基苯甲酸
对土壤细菌、放线菌表现为抑制作用,香草醛对放线
菌表现为抑制作用.而且,根系分泌物对土壤微生物
的活性也会产生影响,豆科植物根系分泌物黄酮和
异黄酮对根瘤菌结瘤起着诱导作用[37],化感物质通
过对土壤微生物的影响抑制土壤硝化作用[38] .可
见,根系分泌的化感物质可以显著地影响土壤中微
18816期                      马雪松等: 杨树人工林连作与轮作对土壤解磷微生物类群的影响           
生物的群落结构,选择性地增强土壤中特殊微生物
种类的同时也会抑制其他一些土壤有益微生物的数
量和活性.在本研究中,杨树人工林连作后,Ⅱ代林
根际土壤中解磷微生物总丰度降低,但未达到显著
水平,而磷酸酶基因总丰度显著低于Ⅰ代林根际土
壤(P<0.05).杨树人工林连作对解磷微生物表现出
明显的选择性,Ⅱ代杨树人工林根际土壤中优势菌
群丰度低于Ⅰ代林根际土壤中的丰度,而节杆菌属、
慢生根瘤菌属、链霉菌属丰度显著高于Ⅰ代林根际
土壤(P<0.05).这些可能与杨树根系分泌的酚酸类
化感物质的种类和浓度积累有关.相关性分析也表
明,芽孢杆菌属和假单胞菌属丰度与酚酸含量呈显
著负相关,节杆菌属、慢生根瘤菌属、链霉菌属丰度
与酚酸含量呈显著正相关,但其生物学效应的作用
机制有待深入研究.综上分析认为,连作人工林土壤
解磷微生物类群结构和丰度可能与化感物质作用有
关,化感物质对解磷微生物具有选择性,解磷微生物
的丰度和活性受化感物质的种类和浓度影响.
3􀆰 2  人工林连作影响解磷微生物的类群特征
关于连作对土壤微生物类群特征的影响,由于
受土壤、植被类型和研究方法等条件影响,结论也不
尽相同.陈冬梅等[39]采用末端限制性片段长度多态
性(T⁃RFLP)技术分析白肋烟根际土壤微生物群落
变化,结果表明,微生物群落 Shannon 指数和丰富度
指数随着种植年限的增加呈现出先增后减的趋势,
连作 4年后微生物群落的多样性水平显著降低,且
连作使根际鞘氨醇单胞菌属和链霉菌属等益生菌数
量减少.顾美英等[40]采用 Biolog 技术分析连作对棉
花根际土壤微生物群落的影响也发现相同规律.Yao
等[41]采用群落水平生理剖面评价(CLPP)和随机扩
增多态性 DNA(RAPD)分析黄瓜连作和轮作下土壤
微生物群落的多样性,发现微生物群落 Shannon 指
数在连作 7 年的土壤中最低. Wu 等[42] 通过 16S
rRNA测序分析香草连作对土壤细菌和真菌的影响
时发现,香草连作使厚壁菌门、放线菌门、拟杆菌门、
担子菌门相对丰度大大降低,根瘤菌和芽孢杆菌等
有益菌群数量明显下降.本研究结果表明,杨树人工
林连作一代后,土壤中解磷微生物在不同分析水平
上差异较大.具体表现为与Ⅰ代林相比,Ⅱ代林中解
磷微生物总丰度以及各属共有解磷微生物的丰度均
有不同程度的增加;在根际与非根际间,根际解磷微
生物总丰度显著低于非根际,说明根际环境的变化
对解磷微生物产生了抑制效果;而在根际土壤中,总
丰度无显著差异,但Ⅱ代林根际土壤中芽孢杆菌属
和假单胞菌属细菌丰度低于Ⅰ代林根际土壤,节杆
菌属、慢生根瘤菌属、链霉菌属丰度则显著高于Ⅰ代
林根际土壤.这说明连作后根际微域环境对各属解
磷微生物具有选择性,对芽孢杆菌属和假单胞菌属
选择性抑制,对节杆菌属、慢生根瘤菌属、链霉菌属
选择性富集.这可能与人工林根际积累的酚酸类化
感物质有关.
已有研究表明,解磷微生物根际效应明显[15],
即根际土壤解磷微生物数量高于非根际土壤.
Katzenlson等[43]研究发现,玉米(Zea mays)、燕麦
(Avena sativa)、红三叶草 ( Trifolium repens)、亚麻
(Linum usitatissimum)、黄桦(Betula costata)树苗、大
麦(Hordeum vulgare)根际解磷细菌比非根际土壤高
1~2个数量级,群落数为 106 ~ 108 cfu·g-1 .吕德国
等[14]将几株解磷细菌接种至土壤,经过培养后发现
解磷菌大部分都定殖在本溪山樱(Cerasus sachalin⁃
ensis)根际.但本研究与此相反,杨树人工林根际解
磷微生物总丰度低于非根际,而就各属解磷微生物
丰度而言,节杆菌属、慢生根瘤菌属、链霉菌属在根
际土壤中的丰度明显高于非根际土壤,表现出明显
的根际效应,而优势菌群芽孢杆菌属和假单胞菌属
细菌丰度低于非根际土壤,各属解磷微生物在根际
分布的不均性可能与人工林根系分泌的酚酸等化感
物质累积对根际解磷微生物的选择性抑制有关,酚
酸等化感物质通过根系分泌至植物体外并逐渐在根
际周围累积,会对根际微生态环境产生一定的影
响[44] .就磷酸酶基因总丰度而言,其在Ⅰ、Ⅱ代人工
林地具有根际效应,但在Ⅱ代林地中已出现根际与
非根际差异缩小及部分磷酸酶基因丰度在根际低于
非根际的现象,说明连作抑制了根际解磷微生物的
活性.这与孙艳艳等[45]研究加工番茄( Lycopersicon
esculentum)连作对土壤酶活性的影响结果相似.且
在Ⅰ、Ⅱ代人工林中,酚酸含量与磷酸酶基因总丰度
呈显著负相关.这与王延平等[22]随酚酸浓度升高磷
酸酶活性显著降低的研究结果相似,说明解磷微生
物活性的降低与酚酸含量有关.因此,在连作人工林
中,解磷微生物的分布、丰度和活性同时受到根际效
应和化感物质累积所产生的化感效应的影响.土壤微
生物对土壤质量和功能具有重要影响,是表征土壤肥
力的指标之一[46],杨树人工林根际解磷微生物数量
变化和活性降低,会对土壤肥力产生影响.据此推论,
连作人工林由于根际土壤中化感物质积累所产生的
化感效应不仅可以改变解磷微生物分布和数量,也会
降低微生物的解磷活性,影响土壤磷素转化.
2881 应  用  生  态  学  报                                      27卷
合理轮作是防止土壤连作障碍发生的有效途
径[47] .与连作相比,轮作可以增加土壤中细菌、放线
菌等有益微生物的数量,提高土壤微生物多样性,增
强土壤微生物的活性,改变土壤微生态环境,缓解连
作障碍[48-49] . Larkin[50] 研究发现,菜豆 ( Phaseolus
vulgaris)、大豆(Glycine max)与连作马铃薯( Sola⁃
num tuberosum)轮作后,土壤中微生物群落丰富度、
土壤微生物活性都有了明显的改善.张鼎华等[51]研
究表明,与连作相比,杉木⁃马尾松轮作不同土层土
壤的细菌、放线菌、固氮菌和纤维素分解菌的数量均
增多,酶活性增强,土壤有效养分增加,林分生长量
提高.在本研究中,连作Ⅱ代林主伐更新轮作后,轮
荒地和轮作花生地土壤中解磷微生物总丰度差异显
著,芽孢杆菌属和假单胞菌属丰度显著升高,节杆菌
属、慢生根瘤菌属、链霉菌属丰度则显著降低,总丰
度表现为显著升高,说明轮作后,土壤生态环境的改
变会对解磷微生物的种群结构和数量产生影响,改
变了土壤微生态环境.轮荒地土壤中磷酸酶基因总
丰度比Ⅱ代林显著升高,说明轮荒有利于消除连作
对微生物解磷活性的不利影响.轮作花生地磷酸酶
基因总丰度值,为各样本中最低,可能与播种前施磷
肥及生长期田间管理措施有关.
3􀆰 3  解磷微生物与土壤因子的关系
研究表明,土壤有效磷含量与解磷微生物数量
之间并没有直接的相关性[12] .在本研究中,土壤有
效磷含量与解磷微生物数量之间相关不显著,说明
土壤有效磷含量的高低不只受微生物解磷影响,还
可能与其他环境因子有关.
有机质的积累会对微生物的数量产生影响,高
有机质含量的土壤会形成高数量的细菌和放线
菌[52] .Rames 等[53]和 Lazcano 等[54]发现,在土壤中
施入有机改良剂或有机肥后,细菌和放线菌数量增
加,土壤微生物区系结构比例发生改变.但本研究中
土壤有机质含量与解磷微生物数量并没有相关性.
这可能是由于多种环境因子造成的,其影响机制有
待深入研究.
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作者简介  马雪松,男,1990 年生,硕士研究生.主要从事工
业人工林经营理论与技术研究. E⁃mail: cedarms@ 163.com
责任编辑  肖  红
马雪松, 王文波, 王延平, 等.杨树人工林连作与轮作对土壤解磷微生物类群的影响. 应用生态学报, 2016, 27(6): 1877-
1885
Ma X⁃S,Wang W⁃B, Wang Y⁃P, et al. Characteristics of phosphate⁃solubilizing microbial community in the soil of poplar plantations
under successive⁃planting and rotation. Chinese Journal of Applied Ecology, 2016, 27(6): 1877-1885 (in Chinese)
58816期                      马雪松等: 杨树人工林连作与轮作对土壤解磷微生物类群的影响