全 文 ：长期不同耕作措施对土壤团聚体特征
及微生物多样性的影响*
李摇 景1 摇 吴会军1**摇 武雪萍1 摇 蔡典雄1 摇 姚宇卿2 摇 吕军杰2 摇 田云龙3
( 1中国农业科学院农业资源与农业区划研究所, 北京 100081; 2洛阳市农业科学研究所, 河南洛阳 471022; 3中国农业科学院
农业环境与可持续发展研究所, 北京 100081)
摘摇 要摇 以豫西丘陵地区 15 年的保护性耕作试验为平台,研究了不同耕作措施对土壤水稳
性团聚体分布及稳定性和土壤细菌、古菌及真菌多样性的影响.结果表明: 与传统耕作相比,
免耕、深松覆盖和小麦鄄花生两茬耕作处理增加了>2000 滋m 粒级团聚体的相对含量,减少了
<53 滋m粒级团聚体的相对含量;显著提高了土壤团聚体平均质量直径(MWD),提高幅度分
别为 18. 0% 、12. 2%和 50. 4% .免耕、深松覆盖和两茬耕作处理均可提高细菌、古菌和真菌的
Shannon指数(H),细菌分别提高 0. 3% 、0. 3%和 0. 6% ,古菌分别提高 20. 2% 、40. 5%和
49. 1% ,真菌分别提高 23. 7% 、19. 5%和 25. 8% .土壤细菌和古菌的 H 指数与大团聚体含量
(R0. 25)和MWD显著相关,而真菌的 H指数与 R0. 25和MWD相关性不显著.综上,采用免耕、深
松结合小麦秸秆覆盖以及小麦鄄花生轮作等措施均可改善土壤团聚体状况,提高土壤微生物
多样性指数.
关键词摇 耕作摇 土壤团聚体摇 微生物多样性摇 PCR鄄DGGE
*国家重点基础研究发展计划项目(2011CB100501)、国家高技术研究发展计划项目(2013AA102901)和公益性行业 (农业)科研专项
(201203077,201203030)资助.
**通讯作者. E鄄mail: hjwu@ caas. ac. cn
2013鄄10鄄25 收稿,2014鄄05鄄13 接受.
文章编号摇 1001-9332(2014)08-2341-08摇 中图分类号摇 S341. 1摇 文献标识码摇 A
Effects of long鄄term tillage measurements on soil aggregate characteristic and microbial di鄄
versity. LI Jing1, WU Hui鄄jun1, WU Xue鄄ping1, CAI Dian鄄xiong1, YAO Yu鄄qing2, L譈 Jun鄄jie2,
TIAN Yun鄄long3 ( 1 Institute of Agricultural Resource and Regional Planning, Chinese Academy of
Agricultural Sciences, Beijing 100081, China; 2Luoyang Institute of Agricultural Sciences, Luoyang
471022, Henan, China; 3 Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chi鄄
nese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. , 2014, 25
(8): 2341-2348.
Abstract: Soil aggregate stability and microbial diversity play important roles in nutrient recycling
in soil鄄crop systems. This study investigated the impacts of different soil tillage systems on soil ag鄄
gregation and soil microbial diversity based on a 15鄄year long鄄term experiment on loess soil in
Henan Province of China. Treatments included reduced tillage (RT), no鄄tillage (NT), sub鄄soiling
with mulch (SM), wheat鄄peanut two crops (TC), and conventional tillage (CT). Soil aggregates
were separated by wet sieving method, and soil microbial (bacterial, archaeal and fungal) diversity
was examined by using the techniques of denaturing gradient gel electrophoresis ( PCR鄄DGGE)
analysis. The results showed that water鄄stable macroaggregates concent (R0. 25) and the mean mass
diameter (MWD) in the surface soil significantly increased under NT, SM and TC, R0. 25 increased
by 21. 5% , 29. 5% and 69. 2% , and MWD increased by 18. 0% , 12. 2% and 50. 4% , respec鄄
tively, as compared with CT. Tillage practices caused changes in bacterial, archaeal and fungal
community compositions. With NT, SM and TC, the bacterial, archaeal and fungal Shannon indi鄄
ces increased by 0. 3% , 0. 3% , and 0. 6% , and 20. 2% , 40. 5% , and 49. 1% , and 23. 7% ,
19. 5% , and 25. 8% , respectively, as compared with CT. Both bacterial and archaeal Shannon in鄄
dices were significantly correlated with the indices of R0. 25 and MWD, while the fungal Shannon in鄄
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 8 月摇 第 25 卷摇 第 8 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Aug. 2014, 25(8): 2341-2348
dex was not significantly correlated with these two indices. In conclusion, conservation tillage, in鄄
cluding NT and SM, and crop rotation, including TC, improved soil aggregation and soil microbial
diversity.
Key words: tillage; soil aggregation; microbial diversity; PCR鄄DGGE.
摇 摇 土壤微生物群落多样性作为评价土壤质量变化
的重要指标,已越来越引起人们的关注[1] . 研究表
明,微生物在土壤生物化学循环过程中起着重要的
驱动作用,不同的农业管理措施将导致土壤微生物
群落结构的变化[2-4],进而影响土壤的物质能量循
环[5] .研究长期不同耕作制度下土壤微生物多样性
的变化,将为黄土高原坡耕地区选择合理耕作措施
和改善土壤质量提供重要依据.
土壤团聚体是土壤养分的贮藏库和各种微生物
的生境[6] .不同粒级团聚体的物理化学特性以及养
分保持和供应能力均存在差异,这直接影响其中的
微生物生物量、多样性及功能[7-8] . Puget 等[9]研究
发现,大团聚体比小团聚体含有更多的碳、氮、颗粒
状有机质和不稳定有机质,大团聚体含量与微生物
生物量碳、氮含量呈极显著和显著正相关[10] . 罗红
燕等[11]利用麦角固醇和细胞壁酸测定了真菌和细
菌的生物量,结果发现,土壤中 53 ~ 250 滋m 粒级团
聚体中真菌和细菌的生物量最高,在>250 滋m 的大
团聚体中真菌和细菌生物量随粒径的增大而增多.
耕作可影响团聚体的周转速率[12],进而改变微生物
生长所需的养分利用率[13] . 研究表明,免耕有利于
土壤大团聚体的形成[14],增加土壤微生物量并保持
土壤微生物多样性[15];而传统耕作方式破坏了大团
聚体,加速了土壤有机物损失,导致微生物活性降
低. 秸秆覆盖可以为微生物提供生长基质和碳
源[13],影响微生物的群落组成和多样性[16] .目前国
内外虽然对土壤微生物与团聚体的关系有了一定的
研究,但多集中在不同团聚体中微生物数量、酶活性
等方面,缺乏群落尺度的研究. 另外,有关耕作对同
一土壤样本细菌、古菌和真菌 3 种微生物多样性影
响的研究也并不多见.本文以河南豫西地区 15 年耕
作试验的黄绵土为研究对象,应用 PCR鄄DGGE 技术
研究长期耕作措施对土壤细菌、古菌和真菌群落多
样性的影响,以揭示微生物多样性与土壤团聚体分
布特征的关系,为豫西黄土坡耕地区选择合理的耕
作方式提供理论依据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
试验地位于农业部旱地农业野外科学观测实验
站保护性耕作田间试验场内(34. 80毅 N,112. 56毅
E),地处豫西黄土丘陵区河南孟津县,属于黄土高
原东部边缘,土层深厚(50 ~ 100 m),土壤类型是壤
质黄土.气候类型属于亚热带向温带过渡地带,年平
均气温 13. 7 益,l 月最冷,平均为-0. 5 益,7 月最
热,平均为 26. 2 益 . 多年平均降水量为 650. 2 mm,
保证率为 80%的降水量为 600 mm. 全年平均日照
时数为 2270 h,全年平均日照率为 51% . 在作物生
长的 4—10 月,5 月日温差最大,为 12. 7 益,8 月最
小,为 8. 6 益,积温平均为 5046 益,平均无霜期为
235 d.
1郾 2摇 试验设计
试验于 1999 年开始实施,试验前土壤养分含量
与颗粒组成见表 1.试验小区种植的作物是冬小麦,
夏季休闲,两茬处理中夏季种植花生. 共设 5 个处
理:少耕(RT):收获时留茬 10 cm,秸秆不还田,小
麦收获后翻耕 20 cm,同时耙地,播种时施用肥料;
免耕(NT):小麦收获时留茬 30 cm,秸秆脱粒后还
田;深松覆盖(SM):小麦收获时留茬 25 ~ 30 cm,间
隔 60 cm深松 30 ~ 35 cm,秸秆脱粒后还田;小麦鄄花
生两茬耕作(TC):收获小麦后直接播种花生,收获
花生后翻地 20 cm 并施用肥料,然后耙地,播种;传
统耕作(CT):小麦收获时保留 5 ~ 6 cm 的残茬,秸
秆和麦穗带走不还田,翻耕 20 cm,不耙耱,9 月底进
行第2次耕翻,施肥,耙耱,播种 . 各处理肥料施用
表 1摇 基础土壤的养分含量与颗粒组成
Table 1摇 Basic soil nutrient contents and particle composition
土壤养分 Soil nutrient
有机质
OM
(g·kg-1)
全氮
Total N
(g·kg-1)
全磷
Total P
(g·kg-1)
全钾
Total K
(g·kg-1)
有效氮
Available N
(mg·kg-1)
有效磷
Available P
(mg·kg-1)
速效钾
Available K
(mg·kg-1)
颗粒组成 Particle composition (% )
黏粒
Clay
粉粒
Silt
细砂
Fine
sand
粗砂
Coarse
sand
11. 5 1. 1 0. 69 18 82. 5 6. 1 139. 5 15. 2 24. 3 58. 2 2. 3
2432 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
量相同,均为 N 150 kg·hm-2,P2O5 105 kg·hm-2,
K2O 45 kg·hm-2 .
1郾 3摇 测定项目与方法
1郾 3郾 1 取样摇 2013 年 7 月采集 0 ~ 10 cm土层样品,
用直径为 3 cm 的土钻取样,每个小区取 9 个点混
合.取样时尽量避免挤压以保持原状土壤结构,迅速
放入移动冰箱中带回实验室,沿自然结构轻轻掰成
直径约 1 cm的小土块,除去植物残体、小石块以及
蚯蚓等大型动物. 将土样分为两部分,一部分过
2 mm筛后放入 4 益冰箱保存,用于测定土壤微生物
多样性(PCR鄄DGGE);一部分放于阴凉处风干,用于
测定土壤水稳性团聚体.
1郾 3郾 2 团聚体分级 摇 团聚体分级参考 Cambardella
和 Elliott[17]的湿筛法,并稍作修改. 具体方法如下:
称取 100 g风干土平铺于 2000 滋m 筛子上,在室温
下浸没 5 min.手动上下震动筛子,移动幅度为3 cm,
频率为 25 次·min-1,共上下震荡 2 min. 小心取出
2000 滋m筛子,用蒸馏水将团聚体洗到铁盒中.依次
过 1000、250 和 53 滋m筛,重复 3 次,将收集到的各
级团聚体烘干,称量.
1郾 3郾 3 土壤总 DNA 提取及聚合酶链式反应 摇 土壤
微生物基因组 DNA提取及纯化所用试剂盒为 Power
Soil DNA Isolation kit (Mo Bio Laboratories, Solana
Beach, California),纯化后的土壤总基因组保存在
-20 益 .细菌 16S rDNA基因的 V3 区、真菌 ITS区和
古菌的 16S rDNA序列扩增所得片段均约为 200 bp,
所需引物如表 2 所示. 其中真菌和古菌的扩增为巢
式 PCR,PCR 扩增条件如表 3 所示,PCR 扩增体系
参照 RuReTaqTM Ready鄄To鄄GoTM PCR beads说明书.
1郾 3郾 4 变性梯度凝胶电泳 DGGE摇 DGGE 电泳分析
使用德国 Biorad仪器(DcodeTM, Biorad, Germany),
变性胶的浓度范围细菌、古菌为 30% ~ 65% ,真菌
为 30% ~ 55% ,变性胶的浓度从上至下递增. 待变
性胶完全凝固后,将胶板放入装有 1伊TAE 电泳缓冲
液的电泳槽中,取 PCR 产物 40 滋L 加入加样孔中,
在 100 V、60 益下电泳 9 h.采用 SYBER green染色,
应用 Bio鄄Rad公司的 Quantity One 分析软件分析结
果,图像处理过程中,对于在 DGGE 电泳图上肉眼
可见、但被软件忽略掉的一些小条带进行手动处理,
条带的密度由该软件自动算出.
1郾 4摇 数据处理与计算方法
1郾 4郾 1 团聚体指标 摇 利用各粒级团聚体数据,计算
大团聚体的含量(macro鄄aggregate content,R0. 25 )和
平均质量直径(mean mass diameter,MWD) [23] .
表 2摇 PCR鄄DGGE扩增所需引物的名称及序列[18-22]
Table 2摇 Names and sequences of primers of bacteria (16S rDNA), fungi (ITS) and archaea (16S) in PCR鄄DGGE[18-22]
微生物种类
Microbial species
引物
Primer
序列摇 摇 摇
Sequence (5忆鄄3忆) 摇 摇 摇
文献
Reference
细菌 Bacteria 338F ACTCCTACGGGAGGCAGCAG Lane[18]
518 R ATTACCGCGGCTGCTGG
古菌 Archaea A20F TTCCGGTTGATCCYGCCRG Zaikova, et al. [19]
A958R YCCGGCGTTGAMTCCAATT
PARCH340F CCCTACGGGGYGCASCAG
PARCH519R TTACCGCGGCKGCTG
真菌 Fungi EF4F TCCTCTAAATGACCAAGTTTG Smit, et al. [20]
EF3R GGAAGGGRTGTATTTATTAG
NS3F GCAAGTCTGGTGCCAGCAGCC White, et al. [21]
Fungal5R GTAAAAGTCCTGGTTCCCC Smit, et al. [20]
GC clamp:CGCCCGCCGCGCGCGGCGGGCGGGGCGGGGGCACGGGGGG Muyzer, et al. [22]
R=A(G), Y=C(T), S=G(C), K=G(T), M=A(C), W=A(T).
表 3摇 细菌(16S rDNA)、真菌(ITS)和古菌(16S) PCR扩增条件
Table 3摇 PCR amplification conditions of bacteria (16S rDNA), fungi (ITS) and archaea (16S)
微生物种类
Microbial species
PCR反应条件
PCR amplification condition
细菌 Bacteria 94 益 3 min;94 益 30 s,55 益 30 s,72 益 30 s,30 个循环;72 益 10 min; 12 益保存
古菌 Archaea 第 1 轮 First round 94 益 3 min;94 益 30 s,55 益 30 s,72 益 1 min,30 个循环;72 益 10 min; 12 益保存
第 2 轮 Second round 94 益 3 min;94 益 30 s,54 益 30 s,72 益 30 s,30 个循环;72 益 10 min; 12 益保存
真菌 Fungi 第 1 轮 First round 94 益 3 min;94 益 30 s,48 益 30 s,72 益 1 min,30 个循环;72 益 10 min; 12 益保存
第 2 轮 Second round 94 益 3 min;94 益 30 s,54 益 30 s,72 益 30 s,30 个循环;72 益 10 min; 12 益保存
34328 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 李摇 景等: 长期不同耕作措施对土壤团聚体特征及微生物多样性的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
摇 摇 R0. 25 =
Mr>0. 25
MT
=1-
Mr<0. 25
MT
(1)
式中: Mr < 0. 25为粒径小于 0. 25 mm 的团聚体质量;
Mr > 0. 25为粒径大于 0. 25 mm 的团聚体质量;MT为团
聚体总质量.
MWD =
移
n
i = 1
軃xiw i
移
n
i = 1
w i
(2)
式中:軃xi 为某级团聚体平均直径; w i 为 i 粒级团聚
体质量百分含量.
1郾 4郾 2 微生物群落多样性、丰富度和均匀度指数 摇
利用 DGGE图谱的数字化结果计算 Shannon 多样性
指数(H)、丰富度指数(S)和均匀度指数(E) [16] .
H=-移
S
i = 1
P i lnP i (3)
E=H / lnS (4)
式中:P i为第 i条带灰度值占该泳道总灰度的比率;
S为丰富度,即 DGGE胶中条带数量.
采用 Excel 2003 软件进行数据、图表处理,利用
SAS 9. 1 软件进行方差分析(ANOVA),用最小显著
差异法(LSD)进行显著性检验(琢=0. 05).
2摇 结果与分析
2郾 1摇 不同耕作措施下土壤团聚体数量及分布状况
不同耕作处理土壤各粒级团聚体含量表现出相
同的规律(表 4),53 ~ 250 滋m 团聚体含量最高,达
到总量的 73. 0% ~79. 2% ;<53 滋m 团聚体次之,占
总量的 12. 8% ~ 20. 4% ;1000 ~ 2000 滋m 团聚体含
量最低,仅为总量的 0. 6% ~ 1. 1% . 耕作处理显著
影响土壤各粒级团聚体含量. 对于>2000 滋m 粒级
团聚体,免耕、深松覆盖和两茬耕作处理显著高于传
统耕作处理,与传统耕作相比分别提高了 37. 2% 、
23. 0%和 116. 3% ;对于 1000 ~ 2000 滋m 粒级团聚
体,免耕和两茬耕作处理显著高于传统耕作处理,分
别提高了 19. 2%和 40. 8% ;对于 250 ~ 1000 滋m 粒
级团聚体,免耕、深松覆盖、两茬耕作处理显著高于
传统耕作处理,分别提高了 16. 3% 、 36. 6% 和
57郾 3% ;对于 53 ~ 250 滋m 粒级团聚体,免耕处理显
著高于传统耕作处理,提高了 8. 5% ;对于<53 滋m
粒级团聚体,少耕、免耕、深松覆盖和两茬耕作处理
显著低于传统耕作处理,分别降低了 21郾 3% 、
37郾 5% 、20. 7%和 34. 2% .
一般把粒径>0. 25 mm 的团聚体称为土壤大团
聚体,其数量与土壤肥力呈正相关[6],本研究用
R0. 25表示土壤大团聚体含量的变化. 不同耕作处理
可显著影响土壤 R0. 25值,免耕、深松覆盖和两茬耕
作处理显著高于传统耕作和少耕处理,分别较传统
耕作处理提高 21. 5% 、29. 5%和 69. 2% ,较少耕处
理提高 32. 8% 、41. 6%和 84. 9% .说明免耕、深松覆
盖和两茬耕作对土壤大团聚体的形成具有明显的促
进作用.
MWD 是反映土壤团聚体稳定性的常用指
标[21] .各耕作处理对 MWD 的影响表现出显著差异
(表 4).与传统耕作相比,免耕、深松覆盖和两茬耕
作均显著提高了土壤团聚体 MWD 值,分别提高
18郾 0% 、12. 2%和 50. 4% . 少耕与传统耕作处理间
并无显著差异.说明免耕、深松覆盖和两茬耕作可以
显著提高土壤团聚体稳定性,改善土壤结构.
2郾 2摇 不同耕作措施对土壤微生物群落多样性的
影响
土壤样品提取 DNA 后,利用 PCR 技术进行扩
增,扩增产物再进行 DGGE 分析,可以分离出数目
不等、位置各异的电泳条带. 由图 1 可以看出,不同
耕作处理下土壤细菌、古菌和真菌的 DGGE 指纹图
谱在条带数量和亮度方面均存在不同程度的差异.
对于细菌,耕作处理间泳道的条带数和位置差异不
大,个别条带在亮度上有一定差别,说明不同耕作处
理对细菌种群个数影响较小,对细菌数量影响较大;
表 4摇 不同耕作措施下土壤团聚体状况
Table 4摇 Soil aggregates situation under different tillage measurements
处理
Treatment
团聚体组成 Composition of aggregates (% )
>2000 滋m 1000 ~ 2000 滋m 250 ~ 1000 滋m 53 ~ 250 滋m <53 滋m
R0. 25
(% )
MWD
(mm)
RT 1. 16d 0. 55c 4. 33d 77. 87a 16. 09b 6. 04c 0. 23c
NT 2. 11b 0. 89ab 5. 01c 79. 21a 12. 78b 8. 02b 0. 29b
SM 1. 89b 0. 77b 5. 89b 75. 26ab 16. 19b 8. 55b 0. 28b
TC 3. 33a 1. 06a 6. 78a 75. 39ab 13. 44b 11. 17a 0. 38a
CT 1. 54cd 0. 75b 4. 31d 72. 98b 20. 43a 6. 60c 0. 25c
RT: 少耕 Reduced tillage; NT: 免耕 No鄄tillage; SM: 深松覆盖 Sub鄄soiling with mulch; TC: 小麦鄄花生两茬耕作 Wheat鄄peanut two crops tillage;
CT: 传统耕作 Conventional tillage. 下同 The same below. 同列不同小写字母表示差异显著(P<0. 05) Different small letters in the same column
meant significant difference among treatments at 0. 05 level.
4432 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
图 1摇 不同耕作措施土壤细菌、古菌和真菌的 DGGE图谱
Fig. 1摇 DGGE profiles of bacteria, archaea and fungi in soils under different tillage measurements.
a)细菌 Bacteria; b)古菌 Archaea; c)真菌 Fungi. RT: 少耕 Reduced tillage; NT: 免耕 No鄄tillage; SM: 深松覆盖 Sub鄄soiling with mulch; TC: 小
麦鄄花生两茬耕作 Wheat鄄peanut two crops tillage; CT: 传统耕作 Conventional tillage.
对于古菌,各耕作处理泳道的条带数和亮度有差别,
与传统耕作处理泳道相比,免耕、深松覆盖和两茬耕
作处理泳道的条带数明显增加,亮度也有所增加,说
明免耕、深松覆盖和两茬耕作处理下产生了新的古
菌种群,但增加的这些条带颜色较浅,说明增加的新
种群并不是优势种群;对于真菌,与传统耕作处理泳
道相比,免耕、深松覆盖和两茬耕作处理下的条带数
和亮度均有改变,说明免耕、深松覆盖和两茬耕作处
理改变了土壤真菌的群落结构,一些原有优势种群
消失或数量减少,一些新的优势种群出现.
摇 摇 利用 Quantity One分析软件对图像进行数字化
处理,结果见表 5. 3 种微生物的种群丰富度 S 有明
显差异,其中古菌种群数量最多,平均为 38 个;其次
为细菌,平均为 24 个;真菌最少,平均为 10 个.耕作
处理不同程度影响了 3 种微生物的种群丰富度,对
细菌丰富度影响不大,两茬耕作、深松覆盖和免耕处
理下古菌和真菌的 S 均高于其他处理. 生物多样性
指数是描述生物类型数和均匀度的一个度量指标,
它在一定程度上可反映生物群落中物种的丰富程度
及其各类型间的分布比例. 本文通过 Shannon 多样
性指数 H 来反映不同耕作处理间的差异. 总体来
看,3 种微生物类型的 H指数变化趋势与 S 类似,表
现为古菌(3. 55) >细菌(3. 03) >真菌(2. 18). 耕作
处理对 3 种微生物类型的 H 指数影响程度不同,对
土壤真菌影响最大,其次为古菌,对细菌影响最小.
与传统耕作处理相比,免耕、深松覆盖和两茬耕作处
理均可提高细菌、古菌和真菌的 H 指数,细菌分别
提高 0. 3% 、0. 3%和 0. 6% ,古菌分别提高 20郾 2% 、
40. 5%和 49. 1% ,真菌分别提高 23. 7% 、19郾 5%和
25. 8% ,两茬耕作处理下微生物 H 指数最高. 少耕
处理下微生物多样性与传统耕作处理相差不大. 不
同耕作处理对土壤微生物群落的均匀度 E 影响
较小.
2郾 3摇 土壤微生物 Shannon 指数与土壤团聚体的相
关性
土壤团聚体结构直接影响微生物的分布状况以
及养分的易获取程度,进而影响土壤微生物的种类、
数量及比例.相关性分析结果(表 6)表明,各粒级团
聚体含量与土壤微生物多样性指数的相关系数不
同.细菌 H 指数与>2000 滋m 和 1000 ~ 2000 滋m 的
团聚体含量呈显著正相关;古菌 H指数与>2000 滋m
的团聚体含量呈显著正相关,与250 ~ 1000 滋m团
表 5摇 不同耕作措施下土壤细菌、古菌和真菌的多样性指
数、丰富度及均匀度
Table 5摇 Shannon index, richness and evenness of bacteria,
archaea and fungi in soils under different tillage measure鄄
ments
微生物种类
Microbial species
处理
Treatment
丰富度
S
多样性指数
H
均匀度
E
细菌 RT 23 3. 00 0. 96
Bacteria NT 24 3. 04 0. 96
SM 24 3. 04 0. 96
TC 24 3. 05 0. 96
CT 24 3. 03 0. 95
古菌 RT 35 3. 46 0. 97
Archaea NT 39 3. 53 0. 96
SM 41 3. 60 0. 97
TC 42 3. 63 0. 97
CT 35 3. 46 0. 97
真菌 RT 9 2. 01 0. 91
Fungi NT 11 2. 35 0. 98
SM 11 2. 27 0. 95
TC 12 2. 39 0. 96
CT 7 1. 90 0. 98
54328 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 李摇 景等: 长期不同耕作措施对土壤团聚体特征及微生物多样性的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
表 6摇 土壤微生物 Shannon 指数与土壤团聚体的相关性
分析
Table 6摇 Correlation analysis between soil microbial Shan鄄
non index and soil aggregates
土壤团聚体
Soil aggregate
细菌
Bacteria
古菌
Archaea
真菌
Fungi
>2000 滋m 0. 8168* 0. 8395* 0. 6173
1000 ~ 2000 滋m 0. 9167* 0. 7556 0. 5752
250 ~ 1000 滋m 0. 7577 0. 9819** 0. 7587
53 ~ 250 滋m -0. 2404 -0. 0480 0. 4678
<53 滋m -0. 3533 -0. 5843 -0. 8505*
大团聚体 R0. 25 0. 8226* 0. 9358** 0. 7094
平均质量直径 MWD 0. 8147* 0. 8615* 0. 6648
*P<0. 05; ** P<0. 01.
聚体含量呈极显著正相关;真菌 H 指数与<53 滋m
的团聚体含量呈显著负相关. 微生物多样性与团聚
体稳定性也有一定联系,细菌的 H 指数与团聚体
MWD呈显著正相关;古菌的 H 指数与团聚体 MWD
呈显著正相关;真菌的 H 指数与团聚体 MWD 相关
性并不显著.
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 长期不同耕作措施对土壤细菌、真菌和古菌群
落多样性的影响
众多研究表明,耕作措施可强烈影响土壤微生
物的活动[24-26] .董立国等[25]采用 BIOLOG方法研究
了玉米秸秆覆盖对土壤微生物功能多样性的影响,
结果表明,免耕土壤微生物对总碳源利用率以及不
同碳源利用率高于常规耕作,免耕土壤微生物丰富
度指数、多样性指数显著高于常规耕作. 本文采用
PCR鄄DGGE分析法研究了不同耕作措施对土壤细
菌、古菌和真菌 Shannon 指数的影响,结果表明,免
耕、深松覆盖和小麦鄄花生两茬耕作下土壤细菌的
Shannon指数高于传统耕作,这可能是由于秸秆覆
盖和轮作使优势菌群可利用的土壤养分发生了变
化,促进了各优势菌群的发展[27] .但是,耕作对细菌
群落的影响仅体现在优势条带的丰度上,对优势种
群类型并没有明显影响,这可能是由于不同耕作措
施新产生的微生物并未形成优势菌群,这个过程可
能需要几十年或者更长时间才能显现成效. 本文同
时表明,不同耕作措施对真菌多样性的影响较大,免
耕、深松和两茬耕作下的真菌 Shannon 指数明显高
于传统耕作.罗红燕等[11]的研究结果也发现,免耕
明显提高了土壤真菌生物量,这可能是因为免耕增
加了土壤含水量,土壤机械扰动少,改善了土壤孔隙
状况,有利于真菌菌丝的延伸[11] .
随着分子生物学的发展,古菌的研究范围逐渐
由狭隘的极端环境发展到土壤等非极端环境,同时
古菌在碳素和氮素的生物地球化学循环中起着重要
作用,使古菌成为当前土壤微生物研究的热点之
一[28] .本文研究结果表明,免耕、深松和两茬耕作均
提高了土壤古菌的 Shannon 指数,这与 Quadros
等[29]的研究结果一致.这可能是由于免耕显著提高
了土壤有机质、全氮、镁和全磷含量,这些养分的提
高在一定程度上提高了土壤古菌的多样性[29] . Wa鄄
tanabe等[30]研究发现,土壤中古菌主要受土壤类型
的影响,而受种植方式的影响相对较小.本试验也得
到类似的结果,由于长期耕作不能改变黄绵土本身
的土壤特性,所以在古菌 DGGE 图谱中不同耕作处
理间存在大量共有条带.
3郾 2摇 微生物多样性与土壤团聚体特性的关系
良好的团聚体粒级分布状况是土壤保持良好结
构状态,发挥生态和环境功能的基础. 已有研究表
明[31],土壤团聚作用对土壤微生物的影响要高于对
pH值等其他土壤因子的影响.本文中,免耕和深松
覆盖处理下的土壤团聚体 R0. 25和 MWD均高于传统
耕作,这与 Hajabbasi 等[32]、Angers 等[33]和姜学兵
等[34]的研究结果一致.减少土壤耕作有利于大团聚
体的形成,使更多的有机质被固定在土壤中,从而增
加了土壤微生物多样性[35] . 本研究结果同时表明,
小麦鄄花生两茬轮作下可以显著提高土壤大团聚体
含量和稳定性,这与前人研究结果一致[36-37],李恋
卿等[38]研究认为,豆科鄄禾本科植物轮作可较快增
加土壤有机碳存储,这种碳存储表现为 250 ~
2000 滋m团聚体的建成.
Peixoto等[39]的研究结果表明,免耕 0 ~ 5 cm土
层的细菌多样性与自然森林土壤相似,这是由于免
耕处理提高了土壤团聚体状况,为自然微生物基因
型的重建创造了适宜条件. 本研究也发现,细菌
Shannon指数与>2000 滋m 和 1000 ~ 2000 滋m 的团
聚体含量和团聚体 MWD 呈显著正相关,说明大团
聚体含量和团聚体稳定性均显著影响细菌群落结构
多样性.
土壤真菌与团聚体的形成关系密切,在免耕系
统中,真菌的减少直接降低了>2000 滋m 团聚体含
量和糖类物质浓度[40] . 但 Kihara 等[27]的研究结果
表明,在秸秆覆盖试验中真菌 Shannon 指数与团聚
体 MWD呈显著负相关,这可能是由于免耕中特定
的秸秆覆盖促进了单一优势真菌种群的快速生长,
导致真菌多样性指数下降.本研究结果表明,真菌的
Shannon指数与大团聚体含量相关性并不显著,这
6432 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
可能是由于免耕、深松和两茬耕作处理下出现了新
的真菌优势种群,但新的种群与土壤团聚作用关系
较小.
目前,有关土壤古菌多样性与团聚体关系的研
究并不多见. 本研究表明,古菌与>2000 滋m、250 ~
1000 滋m团聚体含量和团聚体 MWD 呈显著正相
关,说明古菌多样性与土壤大团聚体形成和稳定性
之间有一定的联系,但具体机制如何还需要进行深
入研究.
4摇 结摇 摇 论
长期(15 年)耕作试验表明,与传统耕作相比,
免耕、深松覆盖和两茬耕作处理可显著提高
>2000 滋m、1000 ~ 2000 滋m 和 250 ~ 1000 滋m 粒级
团聚体的含量,提高团聚体稳定性. 其中,两茬耕作
处理下土壤大团聚体含量(R0. 25)和平均质量直径
(MWD)最高,较传统耕作分别提高了 67. 2% 和
52郾 0% .免耕、深松覆盖和两茬耕作可以提高土壤细
菌、古菌和真菌的多样性、丰富度和均匀度指数,尤
其对古菌和真菌的影响较大. 土壤微生物多样性的
改变在不同程度上受土壤团聚体状况的影响,土壤
细菌和古菌的 Shannon 指数与团聚体 R0. 25和 MWD
显著相关,而真菌的 Shannon 指数与 R0. 25和 MWD
相关性不显著,这可能是不同耕作处理下不同真菌
优势种群与土壤团聚体的相关程度不同造成的. 综
上所述,免耕、深松结合小麦秸秆覆盖和小麦鄄花生
轮作等措施均可改善土壤团聚体状况,提高土壤微
生物多样性,是豫西坡耕地区值得推广的耕作方式.
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作者简介摇 李摇 景,女,1988 年生, 硕士研究生. 主要从事
土壤有机碳及微生物研究. E鄄mail: lijing315666@ 163. com
责任编辑摇 张凤丽
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