全 文 :第 35 卷第 8 期
2015年 4月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.8
Apr.,2015
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金资助项目(31270487, 41101242)
收稿日期:2013⁃06⁃08; 网络出版日期:2014⁃05⁃16
∗通讯作者 Corresponding author.E⁃mail: liq@ iae.ac.cn
DOI: 10.5846 / stxb201306081446
杨悦,鲍雪莲,鲁彩艳,梁翠影,梁文举,李琪.增施氮肥能够缓解麦田土壤线虫群落对 O3浓度升高的响应.生态学报,2015,35(8):2494⁃2501.
Yang Y, Bao X L, Lu C Y, Liang C Y, Liang W J, Li Q. N fertilization regulates the response of soil nematode communities to elevated O3 in a wheat
field.Acta Ecologica Sinica,2015,35(8):2494⁃2501.
增施氮肥能够缓解麦田土壤线虫群落对 O3 浓度升高
的响应
杨 悦1,2,鲍雪莲1,2,鲁彩艳1,梁翠影1,梁文举1,李 琪1,∗
1 中国科学院沈阳应用生态研究所森林与土壤生态国家重点实验室, 沈阳 110164
2 中国科学院大学, 北京 100039
摘要:在辽宁沈阳农田生态系统国家野外科学观测研究站,利用运行 2a 的开顶式气室,研究了臭氧(O3)浓度升高和不同氮肥
施用水平对土壤线虫群落的影响。 结果表明:(1)O3浓度升高降低了成熟期小麦根生物量。 O3浓度升高和不同氮肥施用水平
的交互作用改变了小麦成熟期土壤微生物生物量碳、氮和水溶性有机碳的含量。 低氮条件下,O3浓度升高降低了土壤微生物
生物量碳、氮和水溶性有机碳的含量;而高氮条件下则表现出相反的趋势。 (2)O3浓度升高和不同氮肥施用水平对土壤线虫总
数没有产生显著影响,而在灌浆期,食细菌线虫和食真菌线虫中 c⁃p值为 4(Ba4 and Fu4)的功能团对 O3浓度升高和不同氮肥施
用水平的响应敏感;与对照相比,不同氮处理中,O3浓度升高均降低了灌浆期 Ba4 功能团线虫的数量。 灌浆期,O3浓度升高条
件下,与对照相比 Fu4功能团线虫数量在高氮条件下表现出增加的趋势,而在低氮条件表现出降低的趋势。 (3)O3浓度升高和
不同氮肥施用水平的交互作用显著影响了小麦灌浆期线虫的成熟度指数(MI)和结构指数(SI)。 与对照相比,线虫成熟度指数
和结构指数在低氮条件下随 O3浓度升高而降低;而在高氮条件下随 O3浓度升高而升高。 上述结果表明,氮肥的施用能够缓解
O3浓度升高对土壤食物网的扰动。
关键词:O3浓度升高; 氮肥施用; 线虫群落; 麦田; 开顶式气室
N fertilization regulates the response of soil nematode communities to elevated O3
in a wheat field
YANG Yue1,2, BAO Xuelian1,2, LU Caiyan1, LIANG Cuiying1, LIANG Wenju1, LI Qi1,∗
1 State Key Laboratory of Forest and Soil Ecology, Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Science, Shenyang 110164, China
2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China
Abstract: We evaluated the effects of elevated O3 and different N fertilization on soil nematode communities in a wheat field
using the open top chambers (OTC) in National Field Research Station of Shenyang Agroecosystems. The results showed
that (1) elevated O3 decreased the root biomass at wheat ripening stage. The interactive effects between elevated O3 and N
fertilization changed soil microbial biomass carbon (MBC), microbial biomass nitrogen (MBN) and dissolved organic
carbon (DOC) at ripening stage, which were decreased by the elevated O3 under low nitrogen treatment and increased
under high nitrogen treatment. (2) Elevated O3 and N fertilization did not affect the total nematode abundance. While at
wheat filling stage, nematode functional guilds belonging to bacterivores and fungivores with c⁃p 4 values (Ba 4 and Fu 4)
were sensitive to elevated O3 and N fertilization. At wheat filling stage, the numbers of Ba4 were decreased in the elevated
O3 treatments in comparison with control, this trend regardless of N conditions. Following the elevated O3, the functional
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guilds of Fu4 were increased in high nitrogen treatment, while decreased under low nitrogen treatment at filling stage. (3)
Analysis of the ecological indices indicated that effects of elevated O3 and N fertilization might change the structure of soil
micro⁃food web. Following elevated O3, nematode maturity and structural indices were decreased under low nitrogen
treatment and increased under high nitrogen treatment, which suggest that high nitrogen fertilization may relieve the
disturbance of elevated O3 on soil micro-food web.
Key Words: Elevated ozone; Nitrogen fertilization; Nematode communities; Wheat field; Open⁃Top Chamber
近地层臭氧(O3)作为一种主要的空气污染物,其主要来源于大气光化学过程,即在太阳光照射下,当氮
氧化物(NOx)气体存在时,有机挥发物(VOCS)和一氧化碳(CO)被光化学氧化产生[1]。 近几十年来,由于工
业发展、化石燃料的燃烧以及汽车尾气的大量排放,使大气中 NOx 和 VOCS急剧增加,进而导致了大气 O3浓度
持续升高。 有研究显示,地面 O3浓度每年大概升高 0.5%—2.5%[2],O3浓度的升高势必对生态系统产生严重
影响。 近年来,关于 O3浓度升高对地上生态系统影响的研究已取得了一定进展。 朱新开等[3]利用 FACE 研
究平台发现,O3浓度升高显著降低小麦籽粒产量,不同品种的平均降幅为 19.74%。 O3浓度升高不仅能对植物
生长产生显著影响,而且也能改变植物群落组成及碳在地下生态系统的分配,进而影响整个地下生态过程。
王曙光等[4]研究表明 O3浓度增加,使作物生长后期根区土壤微生物数量减少,丛枝菌根数量下降。 低、高浓
度 O3分别使 AM外生菌丝量比自然浓度时下降 48.7%和 85.6%。 地下生态系统的响应也能够对地上生态系
统产生正或负的反馈作用[5]。 李全胜等[6]研究发现,近地层 O3浓度升高条件下,稻田土壤氮素转化因为水稻
对氮素的吸收增强而加快,土壤氨氧化细菌和反硝化细菌的数量增多,但其生理代谢活性下降。 陈展等[7]研
究发现,O3浓度升高后小麦根系生物量及根冠比都降低,根系活力显著低于对照。
氮肥作为作物生长的重要营养元素,其施入量的改变能够对作物生长产生影响。 增施氮肥在一定程度上
能够增加植物的生物量、产量,从而缓解 O3对植物的危害[8⁃9]。 陈娟等[8]研究发现增施氮肥可以增加小麦灌
浆期可溶性蛋白的含量,缓解 O3对小麦光合作用和产量的影响。 Watanabe等[9]研究表明,O3浓度增加显著降
低栲树(Castanopsis sieboldii)幼苗的光合速率和总干重,而增施氮肥后,幼苗的光合速率和总干重均显著
增加。
综上所述,O3浓度升高和不同氮肥施用水平对生态系统影响的研究多集中于地上部分,而对地下生态过
程的研究仍鲜有报道。 罗克菊[10]在中国稻麦轮作开放式臭氧浓度升高平台(FAOE)的研究表明增施 N 肥可
以减轻 O3对两种不同 O3耐受品种水稻 SY63 和 YD6 的净光合速率(Pn)的影响,且前期增施 N 肥效果更显
著。 陈娟等[11]的研究表明,O3胁迫下,常氮水平小麦根、叶和穗干物质量以及根冠比与对照相比均显著降低,
而增施氮肥后,小麦根叶穗及根冠比与常氮下相比均显著增加,增幅分别为 60.5%、23.2%、10.7%、43.6%。 以
往的研究仅是针对不同 O3耐受品种,开展的土壤线虫群落对 O3浓度升高的单一胁迫响应研究[12],关于 O3浓
度升高和不同氮肥施用水平的交互作用研究较少。 土壤线虫作为土壤中最丰富的后生动物,在土壤碳、氮循
环中起着重要的调节作用[13],是农田生态系统腐屑食物网的重要组成部分,能够敏感地反映环境状况等变
化。 本文利用开顶式气室(Open⁃Top Chamber,OTC)平台,开展 O3浓度升高和不同氮肥施用水平对土壤线虫
群落结构的影响研究,探明土壤腐屑食物网分解通路的变化特征,从而有助于揭示大气 O3浓度升高和不同氮
肥施用水平对地下生态过程的影响机理。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验地点位于辽宁沈阳农田生态系统国家野外科学观测研究站(41°31N,123°22E)。 地处下辽河平原中
部偏东,属暖温带半湿润大陆性季风气候,年平均气温 7—8℃,夏季平均气温 24℃。 年总辐射量为 5392.2—
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5643.0 kJ / cm2,年降水量 650—700mm,年蒸发量 1480—1756mm,无霜期 147—164 d。 土壤类型为潮棕壤,pH
值 6.7,土壤有机碳含量为 11.28g / kg,全氮含量 1.20g / kg,全磷含量 0.41g / kg,速效磷含量为 8.91mg / kg。
1.2 试验设计
本试验采用 6个结构和性能完全相同的开顶式气室 OTC(直径 300 cm,高 280 cm)进行试验,OTC系统于
2010年开始运行通气,研究 O3浓度升高和不同氮肥施用水平单一和复合作用对土壤线虫群落结构的影响。
试验为裂区设计,两个主处理,分别为 O3对照处理,自然 O3浓度约 0.04μL / L 和 O3浓度升高处理,O3浓度为
0 06μL / L,每天通气 7h;每个主处理的 OTC 内分别设置两个不同氮肥水平的副处理,该地常规施氮水平为
150Nkg / hm2,该水平也即本试验的低氮水平,高氮水平(225 Nkg / hm2)在常规水平基础上增施氮肥 75Nkg /
hm2,增施氮肥占总施肥量的 50%,施入尿素和二铵肥,以基肥的形式一次施入。 每个处理 3 次重复。 本试验
于 2010年 5月 14日开始通气,小麦收获后通气结束,O3每天通气 7h (9:00—18:00,雨天停止通气),试验期
内气体浓度由计算机自动控制。 各处理其它农田管理措施均相同,无病虫害及杂草的影响。 试验作物为春小
麦,品种为辽春 10,2011年 4月 2 日播种,行距 25cm,基本苗 225 万株 / hm2,施入磷肥(P 2O5)40kg / hm2,钾肥
(K2O)60kg / hm2。 分别于小麦灌浆期(2011 年 6 月 20 日),小麦成熟期(2011 年 7 月 11 日)取样,在小麦根
际,使用直径为 2.5cm的土钻在每个样地上采用 5点法取样,混合后装入样袋中,取样深度为 0—15cm。 将采
取的土壤样品在塑料袋中混匀后,带回实验室放置于 4℃冰箱中保存,随后对采集土壤样品进行分析测定。
1.3 试验方法
1.3.1 土壤理化指标的测定
土壤 pH值采用电位法测定(土水比为 1∶2.5);水溶性有机碳采用 0.5 mol / L的 K2SO4按土水比为 1∶10 浸
提,利用 TOC分析仪测定;微生物生物量碳氮采用氯仿熏蒸法⁃K2SO4浸提法,用 Micro C / N分析仪进行测定,
微生物生物量碳、氮的转化系数分别为 0.38和 0.54。 土壤 NH+4 ⁃N、NO
-
3 ⁃N利用连续流动分析仪测定。
1.3.2 土壤线虫的提取与鉴定
土壤线虫的分离提取采用浅盘法,60℃温热杀死后,用 4%福尔马林固定,线虫总数通过解剖镜直接测
定,然后按测得的土壤水分,折算成 100 g干土中土壤线虫的数量。 从每个样品中随机抽取 100 条线虫(不足
100条的全部鉴定),在光学显微镜下进行科属鉴定[14]。 线虫 c⁃p 类群及功能团的划分依据 Bongers[15]及
Bongers等[16]。 根据线虫的取食习性和食道特征将其划分为 4个营养类群:食细菌线虫、食真菌线虫、植物寄
生线虫和捕食 /杂食线虫[14]。
1.3.3 生态指数的计算
1) 丰富度指数[17]
SR=(S-1) / lnN
式中,S为鉴定分类单元的数目,N为线虫的个体总数。
2) 线虫通路比值[18]
NCR=B / (B+F)
式中,B和 F分别为食细菌线虫和食真菌线虫数量占线虫总数的相对多度。
3) 线虫成熟度指数包括:自由生活线虫成熟度指数 MI[15];植物寄生线虫成熟度指数 PPI[15]。
MI =∑v( i) f( i)
式中,v( i)为第 i种线虫的 c⁃p值,f( i)为第 i种线虫的个体数占总个体数的比例;PPI 的计算公式同 MI,为植
物寄生线虫的成熟度指数。
4) Ferris 等[19]在线虫功能团划分的基础上提出了线虫区系分析的方法用来反映土壤食物网结构、土壤
养分富集状况和分解途径等信息。
富集指数[19]: EI= 100 × (e / (e+b))
结构指数[19]: SI= 100 × ( s / (b+s))
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基础指数[19]: BI= 100 × (b / (e+b+s))
式中,b(basal)代表食物网中的基础成分,主要指 Ba2 和 Fu2 这两个类群(即食细菌线虫和食真菌线虫中 cp
值为 2的类群);e代表食物网中的富集成分,主要指 Ba1和 Fu2这两个类群(即食细菌线虫中 c⁃p值为 1和食
真菌线虫中 c⁃p值为 2的类群);s代表食物网中的结构成分,分别为食细菌线虫、食真菌线虫和杂食线虫中 c⁃p
值为 3—5的类群以及捕食线虫中 c⁃p值为 2—5的类群,b、e和 s对应的值分别为∑kbnb,∑kene和∑ksns,其
中 kb,ke 和 ks 为各类群所对应的加权数(其值在 0.8—5.0之间),而 nb、ne 和 ns 则为各类群的相对多度。
1.4 统计分析
土壤理化指标和土壤线虫均以平均数±标准误形式表示;土壤线虫数量先进行对数转换 ln(X+1),然后用统
计软件 SPSS16.0进行不同采样时期的裂区方差分析(主区为 O3浓度,裂区为氮肥水平),显著性为 0.05和 0.01。
2 结果与分析
2.1 O3浓度升高和不同氮肥施用水平对土壤理化特性的影响
O3浓度升高和不同氮肥施用水平对 pH、铵态氮(NH
+
4 ⁃N)和小麦地上茎的生物量(Shoot)均没有产生显著
影响(表 1),而 O3浓度升高和不同氮肥施用水平的交互作用显著改变了小麦成熟期土壤微生生物量碳
(MBC),微生物生物量氮(MBN)和水溶性有机碳(DOC)的含量(P < 0.05)。 在低氮条件下,O3浓度升高降低
了土壤 MBC、MBN和 DOC的含量 (P < 0.05);而在高氮条件下则表现出相反的趋势,均随 O3浓度的升高而
略有增加。 同时,O3浓度升高还显著降低了小麦成熟期的根生物量(P < 0.05)。 此外,不同氮肥施用水平对
小麦灌浆期土壤硝态氮(NO-3 ⁃N)含量也产生了显著影响,无论是对照还是 O3升高处理,高氮处理的硝态氮
(NO-3 ⁃N)含量均高于低氮处理。
表 1 O3浓度升高和不同氮肥施用水平对土壤理化指标的影响
Table 1 Effect of elevated O3 and N fertilization on soil physicochemical properties
指标
Index
采样时期
Date
处理 Treatment
低氮 Low N
臭氧 O3 对照 CK
高氮 High N
臭氧 O3 对照 CK
效应 Effect
臭氧
O3
施氮
N
臭氧×施氮
O3×N
pH 灌浆期 7.03±0.11 7.01±0.22 6.89±0.06 7.36±0.09 ns ns ns
成熟期 6.94±0.17 7.06±0.22 6.83±0.10 7.18±0.19 ns ns ns
MBC / (mg / kg) 灌浆期 132.62±5.24 199.34±24.13 136.11±11.47 124.57±11.00 ∗ ns ns
成熟期 116.82±11.13 182.12±14.88 212.61±3.82 187.53±10.97 ns ∗ ∗
MBN / (mg / kg) 灌浆期 19.20±4.23 24.70±3.60 24.29±2.86 18.46±0.84 ns ns ns
成熟期 10.78±2.06 20.92±0.39 24.25±0.00 18.67±1.62 ns ∗ ∗∗
DOC / (mg / kg) 灌浆期 45.51±3.21 45.39±2.53 54.18±1.40 48.27±2.01 ns ns ns
成熟期 48.66±2.42 60.69±0.52 58.12±2.22 52.68±3.28 ns ns ∗
NO-3 ⁃N / (mg / kg) 灌浆期 21.43±0.48 21.27±3.68 44.00±5.22 35.91±4.57 ns ∗ ns
成熟期 25.35±3.95 20.70±3.19 49.17±9.56 36.23±7.10 ns ns ns
NH+4 ⁃N 灌浆期 7.21±0.21 8.19±0.30 8.26±0.91 7.08±0.08 ns ns ns
/ (mg / kg) 成熟期 9.27±0.60 10.39±0.72 9.06±0.95 10.12±0.97 ns ns ns
Shoot / g 灌浆期 8.49±1.24 15.09±2.92 10.44±3.44 14.45±2.02 ns ns ns
成熟期 13.59±1.87 16.38±3.38 13.13±1.51 18.11±3.06 ns ns ns
Root / g 灌浆期 0.39±0.02 0.66±0.24 0.45±0.12 0.81±0.10 ns ns ns
成熟期 0.49±0.08 0.61±0.09 0.25±0.03 0.64±0.10 ∗ ns ns
∗∗和∗分别表示显著性水平为 P <0.01 和 P <0.05;ns 表示无显著性差异;MBC: Microbial biomass carbon 土壤微生物生物量碳;MBN:
Microbial biomass nitrogen土壤微生物生物量氮;DOC: dissolved organic carbon水溶性有机碳;NO-3 ⁃N: 硝态氮;NH+4 ⁃N: 氨态氮; Shoot: 地上部生
物量;Root: 地下部生物量
2.2 O3浓度升高和不同氮肥施用水平对土壤线虫群落组成的影响
对土壤线虫总数的分析表明,小麦成熟期土壤线虫总数略高于灌浆期(图 1)。 线虫总数的最大值和最小
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图 1 O3浓度升高和不同氮肥施用水平对土壤线虫总数的影响
Fig. 1 Effects of elevated O3 and N fertilization on the total
nematode abundance
值为 822 条 / g 干土和 472 条 / g 干土,分别出现在成熟
期的高氮 O3处理和灌浆期的高氮对照处理中。 统计分
析表明,O3浓度升高和不同施氮处理对土壤线虫总数
没有产生显著影响。
本研究共发现土壤线虫功能团 12 个(表 2),分别
为食细菌线虫中 c⁃p值为 1—4的功能团(Ba1、Ba2、Ba3
和 Ba4),食真菌线虫中 c⁃p 值为 2 和 4 的功能团(Fu2
和 Fu4),植物寄生线虫中 c⁃p值为 2和 3的功能团(H2
和 H3),捕食线虫中 c⁃p 值为 2 和 4 的功能团(Ca2 和
Ca4)和杂食线虫中 c⁃p 值为 5 的功能团(Om5)。 统计
分析结果表明,小麦灌浆期食细菌线虫中的 Ba4和食真
菌线虫中的 Fu4功能团对 O3浓度升高和不同氮肥施用
水平反应敏感。 与对照相比,不同氮水平下 O3浓度升高均降低了功能团 Ba4的数量。 此外,O3浓度升高和氮
肥的交互作用对食真菌线虫的 Fu4功能团产生显著影响(P < 0.01)。 在高氮条件下,O3浓度升高增加了 Fu4
的数量;而在低氮条件下,O3浓度升高使其数量降低。
表 2 O3浓度升高和不同氮肥施用水平对线虫功能团和营养类群的影响
Table 2 Effect of elevated O3 and N fertilization on nematode functional guilds and tropic groups
功能团及营养类群
Functional guild and
tropic group
采样时期
Date
处理 Treatment
低氮 Low N
臭氧 O3 对照 CK
高氮 High N
臭氧 O3 对照 CK
效应 Effect
臭氧
O3
施氮
N
臭氧×施氮
O3×N
Ba1 灌浆期 68±30 31±16 61±50 24±11 ns ns ns
成熟期 63±40 87±58 76±25 52±17 ns ns ns
Ba2 灌浆期 124±8 95±50 168±3 154±15 ns ns ns
成熟期 258±51 229±51 225±34 214±70 ns ns ns
Ba3 灌浆期 5±3 5±3 8±1 4±4 ns ns ns
成熟期 5±3 8±8 8±8 2±2 ns ns ns
Ba4 灌浆期 2±2 21±10 2±2 5±0 ∗ ns ns
成熟期 5±2 24±17 11±7 10±6 ns ns ns
食细菌线虫 灌浆期 199±23 152±56 239±51 188±17 ns ns ns
Bacterivores 成熟期 331±68 349±115 279±73 321±60 ns ns ns
Fu2 灌浆期 64±10 51±25 81±23 65±11 ns ns ns
成熟期 84±8 76±14 132±54 95±6 ns ns ns
Fu4 灌浆期 48±17 59±14 132±54 24±10 ns ns ∗∗
成熟期 59±20 58±41 70±16 72±45 ns ns ns
食真菌线虫 灌浆期 112±23 110±37 193±64 89±1 ns ns ns
Fungivores 成熟期 143±19 134±54 151±39 167±41 ns ns ns
H2 灌浆期 64±39 99±84 122±53 52±31 ns ns ns
成熟期 70±40 656±618 155±37 148±125 ns ns ns
H3 灌浆期 220±175 160±22 112±37 108±28 ns ns ns
成熟期 126±175 300±22 143±46 158±99 ns ns ns
植物寄生线虫 灌浆期 284±98 259±65 233±86 161±4 ns ns ns
Plant⁃parasites 成熟期 196±93 271±84 299±140 306±129 ns ns ns
Ca2 灌浆期 0±0 0±0 0±0 0±0 ns ns ns
成熟期 1±1 0±0 0±0 0±0 ns ns ns
Ca4 灌浆期 31±10 37±14 27±10 32±5 ns ns ns
成熟期 28±17 32±2 47±9 67±33 ns ns ns
Om5 灌浆期 5±3 5±5 0±0 2±2 ns ns ns
成熟期 0±0 0±0 4±4 0±0 ns ns ns
捕食⁃杂食线虫 灌浆期 36±7 42±19 27±10 33±7 ns ns ns
Omnivore⁃predators 成熟期 29±16 32±2 52±11 67±33 ns ns ns
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2.3 O3浓度升高和不同氮肥施用水平对线虫生态指数的影响
对线虫生态指数的研究结果表明, 小麦灌浆期 O3浓度升高和不同氮肥施用水平对线虫生态指数的影响
比较明显,其中 O3浓度升高降低了土壤线虫属的丰富度(SR)(表 3)。 而 O3浓度升高和不同氮肥施用水平的
交互作用改变了线虫通路比值(NCR),低氮条件下,O3浓度升高增加了 NCR 的比值,而高氮条件下,其随 O3
浓度升高而呈降低的趋势,t检验下二者之间的差异达到了显著水平,表明细菌为主的有机质分解通道受抑
制。 在线虫群落水平上,O3浓度升高和不同氮肥施用水平的交互作用显著影响了小麦灌浆期自由生活线虫
成熟度指数(MI)和结构指数(SI);与对照相比二者的变化类似,即低氮条件下,O3浓度升高降低了 MI 和 SI,
而高氮条件下,二者随 O3浓度的升高而升高,表明氮肥的施用能够缓解 O3浓度升高对土壤食物网的扰动。 而
线虫的基础指数(BI),在不同处理中则表现出与 SI相反的趋势。
表 3 O3浓度升高和不同氮肥施用水平对线虫生态指数的影响
Table 3 Effect of elevated O3 and N fertilization on nematode ecological indices
指数
Indice
采样时期
Date
处理 Treatment
低氮 Low N
臭氧 O3 对照 CK
高氮 High N
臭氧 O3 对照 CK
效应 Effect
臭氧
O3
施氮
N
臭氧×施氮
O3×N
丰富度 灌浆期 3.55±0.32 3.85±0.32 3.26±0.13 3.69±0.33 ∗ ns ns
Species richness(SR) 成熟期 3.69±0.22 3.26±0.43 3.76±0.32 2.97±0.07 ns ns ns
线虫通路比值 灌浆期 0.65±0.03 0.56±0.04 0.57±0.03 0.68±0.02 ns ns ∗
Nematode channel ratio (NCR) 成熟期 0.69±0.02 0.71±0.07 0.69±0.02 0.62±0.01 ns ns ns
成熟度指数 灌浆期 2.34±0.07 2.79±0.09 2.58±0.11 2.36±0.08 ns ns ∗
Maturity index (MI) 成熟期 2.24±0.02 2.26±0.13 2.39±0.00 2.42±0.18 ns ns ns
植物寄生线虫成熟度指数 灌浆期 2.70±0.17 2.72±0.21 2.55±0.12 2.68±0.19 ns ns ns
Plant parasite index (PPI) 成熟期 2.71±0.12 2.66±0.24 2.62±0.16 2.60±0.23 ns ns ns
结构指数 灌浆期 65.59±3.04 79.89±4.35 69.84±9.03 54.47±4.81 ns ns ∗
Structural index (SI) 成熟期 49.40±8.05 59.41±3.17 63.84±3.05 56.85±16.10 ns ns ns
富集指数 灌浆期 58.44±12.09 53.13±11.17 45.15±14.57 40.54±6.49 ns ns ns
Enrichment index (EI) 成熟期 45.59±10.20 54.40±14.30 53.61±6.16 49.37±7.36 ns ns ns
基础指数 灌浆期 23.00±5.08 16.40±4.00 24.76±8.45 34.28±3.39 ns ∗∗ ∗
Basal index (BI) 成熟期 36.39±7.77 26.18±5.18 25.65±3.43 30.14±9.45 ns ns ns
3 讨论
O3作为一种植物生长的胁迫因子,其浓度升高可引起植物的生理变化。 现有的研究表明,O3可以通过叶
片上的气孔进入植物体内,伤害植物组织,降低其光合速率,从而降低其对养分的吸收能力,进而抑制植物生
长,并通过改变碳在植物体内的分配,加速叶片衰老,最终降低植物生物量和产量[20]。 O3一方面通过对植物
的胁迫,直接抑制植物根的生长;另一方面,通过降低地上部的生长,从而减少地上向地下部分的分配[5]。 本
研究发现,O3浓度升高显著降低了小麦成熟期的根生物量。 Kasuirnend[21]指出,O3对植物地下部分的影响出
现的比对地上部分的影响早,O3升高能够显著降低根生物量。 此外,O3升高还能够改变碳水化合物向根系的
分配[22],进而影响根系的生长以及根冠比的变化。
植物根系是联系地上生态系统和地下生态系统的桥梁,植株通过光合作用固定的同化物以凋落物和根系
分泌物等形式输入到土壤中[23],而这些物质的组成和总量可因大气 O3浓度的升高而发生变化,影响土壤生
物的数量和活性,进而改变有机质的化学组成。 我们的研究表明,O3浓度升高和不同氮肥施用水平的交互作
用显著改变了小麦成熟期土壤 MBC、MBN 和 DOC 的含量。 在低氮条件下,O3浓度升高降低了土壤 MBC、
MBN和 DOC 的含量;而在高氮条件下则表现出相反的趋势。 Larson 等[24]研究发现当平均 O3浓度为
0 054μmol / mol 时,温带森林土壤的微生物生物量碳 ( 95μg C / g)要比对照处理中土壤微生物量碳高
9942 8期 杨悦 等:增施氮肥能够缓解麦田土壤线虫群落对 O3浓度升高的响应
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(70μg C / g),但二者之间差异不显著。 本试验中,与对照组相比,O3浓度升高显著降低了小麦的根生物量,因
此,根系分泌物和土壤呼吸作用会因为根生物量的降低而减弱[24⁃25],土壤微生物和线虫可以利用根系渗出物
和植物凋落物作为其能量来源[26],微生物生活所需的碳源和能源的减少将导致微生物生物量的减少,这进一
步解释了土壤 MBC、MBN和 DOC的含量的降低。 高氮条件,一方面由于一些微生物可以直接利用施入的氮
素作为氮源,增加自身数量和活性。 另一方面,土壤线虫在地下食物网中占有多个营养级,其组成和数量受自
养生物(如植物)组成的影响[26],而氮素是植物生长所需的最重要的元素,增施氮肥,能够通过促进植物的生
长,进而对植物根系生长和根系分泌物等产生影响,从而对土壤微生物产生间接影响。 陈展等[7]研究发现,
中等浓度 O3(75nL / L)对根际和非根际土壤微生量碳没有显著影响;高浓度 O3(110nL / L)能使根际土壤微生
物量 C降低 9.3%,非根际土壤微生物量碳下降 5.3%,从而发现 O3对微生物生物量的降低作用与其对植物根
系的作用密切相关。 石春红等[27]发现冬小麦在不同 O3浓度下,根际、非根际土壤细菌和真菌数量均随着生
育期的推进呈先增加后降低的变化趋势,O3浓度的升高降低了土壤微生物的数量。 而我们的研究结果表明,
增施氮肥能够缓解 O3浓度升高对土壤微生物生物量和水溶性有机碳含量的影响。
研究发现,O3浓度升高对小麦土壤线虫群落组成的影响不同,同一营养类群的土壤线虫常常受季节变化
的影响,这可能是由于土壤温湿状况的季节性变化影响了根际土壤生物群落[22]。 由于线虫在土壤食物网中
的特殊地位, 线虫不同营养类群对外界变化的响应也不同。 在本研究中,O3浓度升高和不同氮肥施用水平对
土壤线虫总数并未产生显著影响,但对不同的线虫功能团影响显著。 De Deyn[28]的研究表明,在决定土壤食
物网各组分的多样性方面,食物资源的质量比数量更重要,而植物物种的特性比植物物种的多样性更重要。
在线虫的各功能群中,cp值为 4的线虫(Ba4 和 Fu4)为生活史世代较长,对环境变化敏感的一个功能群[15]。
本研究中,食细菌线虫中的 Ba4和食真菌线虫中的 Fu4 功能团对 O3浓度升高和不同氮肥施用水平响应最为
敏感。 与对照相比,不同氮水平下,O3浓度升高均降低了功能团 Ba4 的数量。 高氮条件下,O3浓度升高增加
了 Fu4的数量;而低氮条件下,O3浓度升高使其数量降低。 Fu4 功能团的这一变化趋势与微生物量的变化趋
势一致。 Li等[12]在连续通气 3a 的 FACE⁃O3平台中也发现了类似的现象,即 Ba4 和 Fu4 功能团对 O3浓度升
高反应敏感。
本试验中,在小麦的灌浆期,在低氮条件下,相对于对照组,O3浓度升高使线虫通路比值(NCR)升高,即
提高细菌分解途径的优势,而在高氮条件下,NCR表现出相反的趋势,t检验表明,在高氮条件下,O3浓度升高
对线虫 NCR的影响达到了显著水平。 在线虫营养类群的比较中发现,不同处理水平下,食真菌线虫、食细菌
线虫的数量均没有发生显著变化(表 2),然而,在灌浆期,高氮条件下,O3浓度升高使食真菌线虫的数量增加
了 72 3%。 该处理下,O3浓度升高使土壤 MBC、MBN均呈现上升趋势(显著分析下并未达到显著水平),受食
物资源质量和数量等上行作用的调控,食真菌线虫数量急剧上升,这可能是造成土壤线虫 NCR降低的一个重
要原因。 O3浓度升高条件下,根生物量的减少会直接改变进入土壤中有机质的数量[29],进而可能会影响土壤
腐屑食物网的结构和功能[28]。 土壤线虫是土壤地下食物网的重要组成部分,其种属的丰富度的变化受食物
资源、空间限制以及捕食作用等的影响,O3通过对植物地上部分和地下部分的破坏和抑制作用,降低土壤线
虫属的丰富度。 在低氮条件下,O3浓度升高降低了线虫结构指数和成熟度指数,而在高氮条件下,二者随 O3
浓度的升高而升高,表明增施氮肥能够缓解 O3浓度升高对土壤食物网的扰动,相对于低氮条件,高量氮肥的
施用一方面能够通过对线虫群落环境的改变直接影响到线虫群落的数量和结构,另一方面,通过对植物生理、
生长的影响而对线虫群落产生间接影响。 因此,O3 浓度升高条件下增施氮肥能够使食物网处于更稳定的
状态。
4 结论
O3浓度升高和不同氮肥施用水平的交互作用显著改变了小麦成熟期土壤微生物生物量和水溶性有机碳
的含量,小麦根生物量随着 O3浓度升高而降低。 O3浓度升高和不同氮肥施用水平的交互作用使土壤线虫群
0052 生 态 学 报 35卷
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落组成发生改变。 与对照相比,线虫的成熟度指数和结构指数在低氮条件下随 O3浓度升高而降低;而在高氮
条件下随 O3浓度升高而升高。 表明增施氮肥能够缓解 O3浓度升高对土壤食物网的扰动,相对于低氮处理,高
氮处理使食物网处于更稳定的状态。
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