全 文 ：第 35 卷第 12 期
2015年 6月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.12
Jun.,2015
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:教育部高等学校博士学科点专项科研基金(20123228110003); 国家自然科学基金(41075114)
收稿日期:2013鄄08鄄05; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄10鄄13
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: zhengyf@ nuist.edu.cn
DOI: 10.5846 / stxb201308052029
吴芳芳, 郑有飞, 吴荣军, 王锦旗, 李萍.O3浓度升高和太阳辐射减弱对小麦根际土壤微生物功能多样性的影响.生态学报,2015,35(12):
3949鄄3958.
Wu F F, Zheng Y F, Wu R J, Wang J Q, Li P.Effects of ozone fumigation and depressed solar irradiance on soil microbial functional diversity in winter
wheat rhizosphere.Acta Ecologica Sinica,2015,35(12):3949鄄3958.
O3 浓度升高和太阳辐射减弱对小麦根际土壤微生物
功能多样性的影响
吴芳芳, 郑有飞*, 吴荣军, 王锦旗, 李摇 萍
南京信息工程大学环境科学与工程学院,江苏大气环境监测与污染控制高技术研究重点实验室, 南京摇 210044
摘要:采用开顶箱(OTC)法和遮光网技术,设置 100 nL / L臭氧熏气与 3个辐射减弱梯度结合,模拟臭氧浓度升高和太阳辐射减
弱的复合大气背景。 用 BIOLOG生态测试板,采用孔平均颜色变化率法(AWCD)测定冬小麦根际土壤微生物利用不同碳源的
能力,计算微生物群落多样性指数,对不同碳源的利用率进行了主成分分析。 两年试验结果显示,臭氧熏气与太阳辐射减弱复
合作用,降低了土壤微生物对碳源的利用速度和利用总量;除了聚合物以外其它碳源利用率显著降低;对土壤微生物多样性没
有直接的影响;对碳源降解的抑制效应大于增强的 O3与减弱的太阳辐射两因素各自的单独作用。 太阳辐射减弱 20%,一定程
度上增加了对聚合物类的分解。 O3熏气条件下太阳辐射减弱,糖类、胺类代谢变异度较高,受环境影响较大。
关键词:臭氧增加; 太阳辐射减弱; 复合作用; 小麦; 微生物多样性
Effects of ozone fumigation and depressed solar irradiance on soil microbial
functional diversity in winter wheat rhizosphere
WU Fangfang, ZHENG Youfei*, WU Rongjun, WANG Jinqi, LI Ping
Jiangsu Key Laboratory of Atmospheric Environmental Monitoring and Pollution Control High鄄tech Research,Nanjing University of Information Science &
Technology, Nanjing 210044, China
Abstract: Enhanced ozone concentration and depressed solar irradiation were simulated by using open鄄top chambers
(OTCs) method and shading net techniques at 100 nL / L ozone fumigation assembling with three different levels of
depressed solar irradiance. The effect of enhanced O3 combination with depressed solar irradiance was also studied. Two
experiments were performed over two years. The combination of three OTCs with six shaded chambers was set up. Each OTC
fed with 100 nL / L ozone. In the shaded chambers, solar irradiance was reduced to different levels of 20%, 40%, 60%
respectively. Combined actions of O3 and depressed solar irradiance were tested by shading net above OTCs. Using unshaded
OTC and unfed with O3as controls. OTC fed with 100 nL / L ozone only, and shaded chamber solar irradiance reduced 20%
only were applied too. Each chamber was equivalent and repeated three times. Winter wheat was grown to all life stage in
OTCs, shading net and their combine chambers. From reviving to mature stages, in OTCs the plants were treated for 8 h
(8:00—16:00) every sunny day with O3, in shading chambers covered net all life stage. The ability of winter wheat
( Triticumaestivum) rhizosphere microbial to use different carbon sources were measured by applying BIOLOG ECO
MicroPlate and Average WelL鄄Color Development (AWCD). Microbial diversity index and Principal Component Analysis
(PCA) were calculated on the utilization of different carbon sources. Each treatment was assayed in triplicate. The data
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were initially compared by analysis of variance and differences between means were detected using the Duncans Multiple
Range Tests. Values of P<0.05 indicated significance. Quite similar results were obtained during the two years忆 experiments.
The results suggesting that under ozone fumigation and reduced solar irradiance, AWCD was reduced, catabolic ability of
single carbon source was declined too. No obvious influence of O3 combined with shading on soil microbial diversity was
found. Principal Component Analysis suggested that different forms of carbon source have different sensitivity. The variation
degree of carbohydrates忆 is higher than others. Under ozone fumigation combined with reduced solar irradiance, AWCD and
catabolic ability of single carbon sources were lower than enhanced O3 or lower solar irradiance single acting. For soil
microbial, two years忆 results showed that combination effects of ozone fumigation and reduced solar irradiation reduced both
rate and total utilization of carbon sources except polymers. However, there was no direct impact on the diversity of soil
microbial. For Inhibitory effect on the degradation of carbon, combined effect of enhanced ozone concentration and reduced
solar irradiation was greater than each factor functioning alone. 20% reduction of solar radiation increased the decomposition
of polymers to some extent. On the conditions of combined O3 fumigation and solar radiation weakened, that makes the
metabolism of carbohydrates and amines highly variable, as they are largely affected by the environment. Enhanced O3and
lower solar irradiation have a cooperative action. Reduced solar irradiance is benefit for winter wheat absorbing O3,resulting
in a serious injury.
Key Words: ozone; depressed solar irradiance; recombination action; Triticum aestivum; soil microbial diversity
目前我国华东地区大气背景中 O3浓度已达 50 nL / L,已经超过了敏感作物 O3伤害阀值 AOT40的 25%[1],
而且每年还以 0.5%—2%的速度递增[2]。 空气中 SO2、NOx、黑碳、飞灰、土壤尘粒子等,引起大气气溶胶光学
厚度逐年增加,导致地面变暗变冷[3]。 仅亚洲大气棕色云的直接辐射强迫引起的年均地表变暗就达 14—16
W / m2(大约 6%) [4]。 近地层臭氧浓度增加和大气气溶胶引起的太阳辐射减弱等因素构成了复杂的大气背
景。 近地层大气太阳辐射减弱和 O3浓度增加是全球科学家和公众密切关注的重要环境问题。 地表 O3和太阳
辐射变化对土壤微生物的影响研究较少,Aneja M K等认为 O3浓度增加降低了土壤微生物的群落结构[5]。 陈
展等认为臭氧浓度升高降低了盆栽小麦根系的生长和土壤微生物功能[6]。 Voidarou 等认为 O3浓度增加降低
了环境中指示细菌的生长[7]。 Johnson RM和李果梅分别报道了 O3浓度升高对麦田土壤酶活性及酚酸类物质
含量产生影响[8鄄9]。 太阳辐射减弱通过改变光合有效辐射(PAR),使作物光合作用受抑制,作物减产,改变了
碳、氮在植物中的分配[10鄄14],改变了土壤中凋落物以及植物根系分泌物的数量和成分,改变了土壤温、湿度和
pH值[15鄄17],对土壤生态系统产生的影响有大量报道,而对土壤微生物的影响研究很少,特别是地表 O3浓度增
加和太阳辐射减弱复杂大气背景下,土壤微生物多样性的响应趋势国内外鲜见报道。 土壤微生物多样性影响
土壤生态系统的结构功能及过程,是维持土壤生产力的重要组分[18],土壤微生物种群的改变是土壤有机质变
化的早期指标[19],可以敏感地指示气候和土壤环境条件的变化[20]。 土壤微生物多样性在研究方法、研究范
围等方面得到了广泛的重视,大量的研究认为,植被、土壤的管理方式包括农药的应用、施肥、耕作方式等,通
过影响土壤有机碳和氮的水平、土壤含水量、温度、通气性及 pH值等来影响土壤微生物多样性[21鄄24]。 土壤生
态系统通过植物倍受大气环境的影响,Lou Y S报道紫外线增强降低了土壤微生物量碳氮的含量[25]。 展小云
等认为,加倍 CO2浓度显著提高土壤微生物的活性及功能多样性[26];Gallo M,张乃莉等,认为气候变暖和大气
N沉降改变了土壤微生物多样性[6,27]。 然而孤立地分析单一环境因子对地下生化过程的影响,无法准确全面
地评估土壤微生物群落对未来全球变化响应的真实情况。 因为自然生态系统中,各种全球变化现象间的交互
作用无处不在。 为了研究地表 O3浓度增加和太阳辐射减弱对土壤微生物多样性的交互影响,本文定点进行
了两年试验,研究土壤微生物碳代谢指纹的变化,计算微生物多样性,为研究复杂大气背景对土壤微生态系统
的影响提供参考。
0593 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 35卷摇
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1摇 材料与方法
1.1摇 大田试验概况
摇 摇 于 2008年至 2011年在南京信息工程大学农业气象试验站(32.16毅N,118.86毅E)进行冬小麦生长季田间
观测试验。 当地多年平均温度为 15.6 益,多年平均降水为每年 1 100 mm。 供试土壤为潴育型水稻土(灰马肝
土属),土壤质地为壤质黏土,耕层土壤黏粒含量为 26.10%,土壤 pH(H2O) 值为 6.20,有机碳和全氮的含量
分别为 19.40 g / kg、1.15 g / kg。
1.2摇 臭氧增加与辐射减弱复合作用的大田试验设计
试验采用直径 3 m,高 2.5 m 的开顶箱(OTC)作为臭氧布气的容纳装置,O3发生器(江苏省南京市万杰臭
氧机电设备厂,WJ鄄H鄄Y5 型)通过电解空气中的 O2产生 O3;风机把空气和由发生器产生的 O3混合后,由布气
系统均匀地吹送到作物冠层;采用 O3检测仪(新西兰 aeroQUAL公司,S200 型)对气室内 O3浓度进行监测,通
过阀门对室内浓度进行调节和控制。 O3浓度设置为 100 nL / L (T),为农田本底浓度的 2 倍。 OTC 内设置臭
氧浓度传感器(精度:1 nL / L),对臭氧浓度传感器进行预先设定浓度阈值,当 OTC 内臭氧浓度未达到此阈值
时,臭氧发生器持续工作并向 OTC内通入臭氧气体,当 OTC内浓度超过此阈值时,臭氧传感器则提示报警,其
信号通过微型电子控制仪的指令控制与臭氧发生器相连的电磁阀断开,此时臭氧发生器停止工作。 这样可实
现 OTC内臭氧浓度的自动调控,每天臭氧处理时间段为 08:00—16:00,遇有雨天则关闭整个装置。
遮荫棚采用镀锌钢管为主要支柱,搭建成 3 m伊3 m伊3 m的立方体,两两间隔 3 m。 遮荫棚顶部用铁丝搭
建为可上下调节的网状结构,用以支撑遮荫网,采用 TBQ鄄2型总辐射表对不同处理下达到冬小麦冠层的太阳
总辐射强度进行了监测,监测时间为 6:00—18:00,步长为 1 min,每日实际监测到的太阳总辐射强度瞬时值
(W m-2 min-1)(图 1)。 通过计算确定各处理组实际接收的太阳辐射强度分别比对照减弱(20依5)%、(40依
5)%、(60依5)%,田间大气 O3浓度和太阳辐射强度没有人为干扰。 并随着作物生长高度,调节遮荫网与冬小
麦冠层间的距离,根据情况适当更换遮荫网,保证网下空气流通,使到达植物冠层的太阳总辐射变化量控制在
预设值依5%范围内。 在通入 100 nL / L臭氧的 OTC棚上方分别搭建不同透光度(网孔密度不同)的黑色聚乙
烯遮荫网,使棚内处于 100 nL / L O3熏气与太阳辐射分别减弱 20%、40%、60%的复合环境中。 试验设置 T+S1
(O3浓度为 100 nl / L+太阳辐射强度减弱 20%)、T+S2(O3浓度为 100 nL / L+太阳辐射强度减弱 40%)、T+S3
(O3浓度为 100 nl / L+太阳辐射强度减弱 60%)三组双因子处理,另设 T(O3浓度为 100 nl / L)和 S1(太阳辐射
减弱 20%)的单独作用,共 5个处理,12个 OTC棚和 12个遮荫棚,实现每处理 3次重复。 以不通入 O3不加遮
荫网的 OTC棚为对照。 同步测定 O3浓度和辐射通量,使 O3误差控制在 8%,使辐射误差控制在 5%以内。
1.3摇 田间管理和取样
供试小麦品种为扬麦 13 号,水肥供应适量而充分, 其他农田管理措施均相同, 无病虫害及杂草的影响。
播种日期、熏气起止日期、采样日期以及 AOT40累积量如表 1所示。 按五点取样法,定点分别选取 5 株小麦,
将其 0—20 cm耕层根系区土样挖出,抖掉根系外围土,取紧贴在根表附近的土样,混合后作为根际土,用四分
法取适量装于无菌纸袋中,立即带回实验室,4 益下冰箱保存,用于土壤微生物碳代谢指纹的测定。
1.4摇 微生物多样性的 BIOLOG板检测
土壤微生物碳源利用多样性应用 BIOLOG 生态测试板 ( ECO MicroPlate, 美国 Matrix Technologies
Corporation生产)测定,Biolog EcoPlatesTM 技术是一种酶联免疫吸附剂测定方法 ( ELISA, enzyme linked
immunosorbent assay) [28]。 每块 Biolog EcoPlate微孔板上有 96 个孔, 3 份重复,每份重复有 32 孔(包括 1个对
照孔和 31个单一碳源孔),除对照孔仅有水和指示剂以外,其余 31 孔都装有单一碳源和四唑染料。 微生物利
用单一碳源的代谢过程中产生氧化还原反应,使四唑染料变成紫色,根据每孔颜色变化程度检测微生物的代
谢能力。 称取抽穗期各处理新鲜土 10 g,加入 90 mL 0.85% NaCl无菌溶液于三角瓶中,无菌棉花塞封口后在
摇床上震荡(200 r / min)30 min,按 10 倍稀释法用 0.85% NaCl无菌溶液将其稀释至原来的 1 / 1000,稀释液经
1593摇 12期 摇 摇 摇 吴芳芳摇 等:O3浓度升高和太阳辐射减弱对小麦根际土壤微生物功能多样性的影响 摇
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离心去除残留的土壤后,上清液用于接种。 接种悬浮液于生态测试板微孔板中,每孔 150 滋L,每样 3 次重复,
将接种好的测试板加盖在(25依1)益下暗箱培养;连续培养 10 d,期间每隔 24 h 用 ELISA 反应微平板读数器
在 590 nm处读取吸光度[ 29鄄30]。
图 1摇 不同处理下冬小麦冠层太阳辐射强度
Fig.1摇 Solar irradiance of winter wheat canopy under different treatments
T: O3浓度设置为 100 nL / L;S1: 太阳辐射强度减弱 20%;S2: 太阳辐射强度减弱 40%;S3: 太阳辐射强度减弱 60%
表 1摇 大田熏气和采样时间表
Table 1摇 Fumeing and sampling date
试验年份
Test date
播种日期
/ (年鄄月鄄日)
sowing date
开始熏气日期 /
(年鄄月鄄日)
Start fume date
停止熏气日
期 / (月鄄日)
Stop fumeing
date
日小时 O3浓度大于 40 nL / L(AOT40)
3—5月 AOT40
累积量 /
(nL L-1 h-1)
Cumulant
累积天数
Cumulant day
占试验期
比例 / %
Percentage of
trial period
bhdg取样时期
Sampling period
抽穗期
/ (月鄄日)
Heading
2008 2007鄄11鄄14 2008鄄03鄄07 05鄄20 8.208 63 68.48 04鄄17
2009 2008鄄11鄄20 2009鄄03鄄08 05鄄21 8.462 59 64.13 04鄄23
2010 2009鄄11鄄12 2010鄄03鄄07 05鄄26 8.638 62 67.39 04鄄26
2011 2010鄄11鄄12 2011鄄03鄄07 05鄄27 8.357 58 63.04 04鄄22
摇 摇 AOT40(Average Operation Time)为日小时 O3浓度大于 40 nL / L的累积量
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1.5摇 数据处理及统计分析
采用孔平均颜色变化率法(AverageWelL鄄Color Development, AWCD)测定土壤微生物利用单一碳源的能
力[28]。 AWCD的计算公式为:
AWCD = 移(C i - R) / n
式中,C i 为各反应孔在 590 nm下的吸光度,R为对照孔的吸光值,C i-R臆0的孔在计算中记为 0。 n 为培养基
碳源种类数,本研究中为 31。
当能观测到大部分微孔中微生物群落的反应,而且大部分活跃的微生物群落已达到颜色变化的渐近线时
的培养时间为 96 h,因此选择培养 96 h时的数据,采用 DPS软件,根据土壤微生物群落对 31 种单一碳源利用
的相似性,应用表 2中的方法计算多样性指数,进行新复极差检验和主成分分析。
表 2摇 土壤微生物群落功能多样性指数的计算公式
Table 2摇 The equations of function diversity indexes of soil microbe community
多样性指数
Diversity indexes
用途
Purposes
公式
Equations
备注
Remarks
香农指数
Shannon index 评估群落丰富度和均匀度 H忆
= - 移Pi 伊 ln(Pi) Pi = (Ci - R) / 移(Ci - R)
丰富度指数
Richness index 表示群落丰富度指数
Ci>0.2
Ci>0.2 则代表该孔碳源被利用,该
孔即为反应孔
均匀度指数
Evenness index
通过 Shannon 指数计算出的均
匀度 E
=H / lnS S 为颜色变化孔的数目
辛普森指数
Simpson index 评估某些最常见种优势度指数 D
= N (N - 1) /移ni(ni - 1) ni 是第 i 孔的相对吸光值(C
-R),
N 是相对吸光值总和。
群落丰富度指数
Brillouin index H 评估群落丰富度
H = (1 / N) 伊 ln(N! /
n1! n2! n3!...)
ni 第 i 个物种的个体数量,N 是所
有物体的个体总和。
均匀度指数
McIntosh index 是群落物种均一性指数 U = 移n2i ni 是第 i孔的相对吸光值(C-R)
2摇 结果与分析
2.1摇 O3熏气条件下太阳辐射减弱土壤微生物利用碳源的动力学特征
图 2摇 不同处理土壤平均颜色变化率(AWCD) 192h培养期间的变化
Fig.2摇 AWCD changes of different treatment soils during 192 hours culture on Biolog鄄eco plates
2010年与 2011年两年试验结果显示,O3熏气与太阳辐射减弱双因子处理下,土壤微生物对碳源的降解
速率(24—96 h降解曲线的斜率)和最终 AWCD 值都显著低于 CK、T 和 S1,如图 2 所示。 这说明,增强的 O3
与减弱的太阳辐射两种因素双因子处理对碳源降解速率的抑制效应大于它们的单独作用。 单独 O3熏气(T),
土壤微生物对碳源的降解速率、AWCD最大值均显著低于对照。 太阳辐射减弱 20%单独作用(S1),土壤微生
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物对碳源降解速率与 CK无显著差异,但 AWCD最大值显著降低。 结果说明,O3熏气降低了土壤微生物碳源
利用的速率和最终碳源利用总量,太阳辐射减弱 20%时对土壤微生物的碳源降解速率没有显著影响,但降低
了最终碳源利用总量。
2.2摇 O3熏气和太阳辐射减弱土壤微生物对不同类别碳源的利用强度
摇 图 3摇 O3熏气和太阳辐射减弱下土壤微生物对不同类型碳源
的利用
Fig.3 摇 Fraction of utilization for different types of carbon
sources by microbes under ozone fumigation and depressed
solar irradiance
不同字母表示处理间经 Duncan 氏多重极差检验差异显著(P
<0.05)
采用土壤 ELISA反应 96 h的数据分析土壤微生物对
不同类别碳源的利用强度,从图 3 可看出,T,T+S1,T+S2,
T+S3处理显著降低了碳源利用总量,S1 对碳源总量的利
用则没有显著影响。 不同类型碳源的利用强度如表 3 所
示,糖类、氨基酸、羧酸、酚酸和胺类的利用率在 T、T+S1、T
+S2、T+S3 作用下显著降低,S1 对它们则没有明显影响。
聚合物类的 AWCD值较小,说明难以被微生物分解,S1 却
能显著提高聚合物的利用强度。 两年试验变化趋势相同。
结果说明,适度的太阳辐射减弱(减弱 20%),一定程度上
增加了对聚合物类的分解,O3浓度单独增加处理,以及 O3
熏气和太阳辐射减弱双因子处理下,除了聚合物类以外其
它碳源利用率显著降低。 增加的 O3和减弱的辐射两因素
复合作用比 O3单因素作用对碳源利用强度的抑制效应强。
2.3摇 O3熏气和太阳辐射减弱对土壤微生物群落功能多样
性指数的影响
O3熏气和太阳辐射减弱条件下,土壤微生物群落功能
多样性指数: Simpson 指数 ( D)、 Shannon 指数 ( H忆)、
McIntosh(Dmc)指数以及 Simpson 均匀度在两年的试验中
均没有显著变化;只有评估微生物丰富度的 Brillouin指数(H)比对照及 S1 处理低(表 4)。 可见增强的 O3与
减弱的太阳辐射处理,对麦田土壤常见微生物类群影响不大,对不同种类微生物生长繁衍的刺激作用没有很
大差异,没有使某些物种大幅度增长或减少,群落均匀性变化不显著。 微生物丰富度是否降低还需长期试验
观察。
表 3摇 O3熏气和太阳辐射减弱处理下土壤不同类别碳源 AWCD值
Table 3摇 AWCD of different types carbon sources under ozone fumigation and depressed solar irradiance
试验年份
Test year
处理
Treament
糖类
Carbohydrates
氨 /胺类
Amines / amides
氨基酸
Amino acids
羧酸
Carboxylic acids
酚酸
Phenolic acid
聚合物
Polymers
2010 CK 0.530a 0.520a 0.6244a 0.383a 0.449a 0.040a
T 0.373b 0.350b 0.460b 0.253b 0.293b 0.020a
S1 0.558a 0.489a 0.647a 0.359a 0.405a 0.209b
T+S1 0.359b 0.339b 0.401bc 0.263b 0.302b 0.025a
T+S2 0.346b 0.312b 0.368bc 0.231bc 0.266b 0.025a
T+S3 0.3118b 0.275b 0.328c 0.197c 0.234b 0.020a
2011 CK 0.517a 0.482a 0.570a 0.370a 0.449a 0.030a
T 0.328b 0.295b 0.380b 0.215b 0.255b 0.020a
S1 0.526a 0.459a 0.485a 0.374a 0.435a 0.205b
T+S1 0.300b 0.273b 0.314b 0.232b 0.247b 0.020a
T+S2 0.281bc 0.217b 0.312bc 0.183bc 0.210b 0.020a
T+S3 0.209c 0.251b 0.231c 0.141c 0.209b 0.015a
摇 摇 不同字母表示处理间经 Duncan氏多重极差检验差异显著(P<0.05)
4593 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 35卷摇
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表 4摇 O3熏气条件下太阳辐射减弱土壤微生物群落功能多样性指数
Table 4摇 Function diversity index of soil microbe community under ozone fumigation and depressed solar irradiance
试验年份
Test date
处理
Treatment
碳源种类
Species Richness 指数
Simpson指数
(D)
Shannon 指数
(H忆)
Simpson
均匀度
Brillouin指数
(H)
McIntosh
(Dmc)指数
2010 CK 31 16 1.0193a 4.6164a 0.9318a 3.1267a 1.0515a
T 31 11 1.0460a 4.5229a 0.9129a 2.3232b 1.1128a
S1 31 16 1.0240a 4.7710a 0.9630a 3.1087a 1.0660a
T+S1 31 10 1.0563a 4.6171a 0.9320a 2.3009b 1.1397a
T+S2 31 10 1.0629a 4.5978a 0.9281a 2.1632b 1.1531a
T+S3 31 9 1.0775a 4.5750a 0.9235a 1.9469b 1.1841a
2011 CK 31 15 1.0223a 4.6035a 0.9292ab 3.1618a 1.0590a
T 31 9 1.0605a 4.4739a 0.9031a 2.2564b 1.1428a
S1 31 15 1.0279a 4.7463a 0.9580b 3.0094a 1.0751a
T+S1 31 8 1.0789ab 4.5432a 0.9170ab 2.1479b 1.1860a
T+S2 31 8 1.0932ab 4.5426a 0.9169ab 1.8559bc 1.2153a
T+S3 31 7 1.1233b 4.5382a 0.9160ab 1.6683c 1.2799a
2.4摇 O3熏气和太阳辐射减弱条件下微生物群落功能主成分分析(PCA)
对培养 96 h的 AWCD数据进行微生物群落功能主成分分析(PCA),土壤微生物碳源利用功能多样性
2010年相关的主成分 1(PC1)、主成分 2(PC2)依次解释变量方差的 70.24%、20.16%,PC1,PC2 的累计贡献
率达到 90.40%;2011年相关的主成分 1、主成分 2依次解释变量方差的 76.17%、12.80%,PC1,PC2 的累计贡
献率达到 88.97%;PC1、PC2是变异的主要来源,可以解释变异的绝大部分信息(表 5)。 再将土壤碳利用主成
分进行分权计算,并计算出各因子在各主成分上的载荷:载荷=(特征向量伊特征值1 / 2) 2 [31],得到表 6,得出 31
种碳源在两个主成分上的载荷值。 由表 7 可知,2010 年,PC1 主要综合了 15 种碳源的信息,分别属于糖类
(5 种)、氨基酸(4 种)、羧酸(4 种)、聚合物(1 种)酚酸(1 种),说明有 15 种碳源使土壤微生物群落代谢功能
多样性在 PC1 上差异显著,决定 PC1 的分异。 与 PC2 显著相关的碳源有 6 种,分别属于糖类(5 种)、胺类(1
种),说明有 6 种碳源使土壤微生物群落代谢功能多样性在 PC2 上差异显著,决定 PC2的分异。 2011年,PC1
主要综合了 15 种碳源的信息,分别属于糖类(6 种)、氨基酸(4 种)、羧酸(3 种)、聚合物(1 种)酚酸(1 种),
说明有 15 种碳源使土壤微生物群落代谢功能多样性在 PC1上差异显著,决定 PC1的分异。 与 PC2显著相关
的碳源有 3 种,分别属于糖类(2 种)、胺类(1 种),说明有 3 种碳源使土壤微生物群落代谢功能多样性在 PC2
上差异显著。 由于大气 O3浓度增加和太阳辐射减弱引起土壤中微生物环境出现差异造成 15 种碳源分解有
显著变化。
表 5摇 O3熏气和太阳辐射减弱条件下根际土壤微生物碳源主成分特征值
Table 5摇 Principal component eigenvalues of different carbon sources types by rhizosphere soil microbes under ozone fumigation and depressed
solar irradiance (2010,2011)
主成分
Principal components
2010年
特征值
Eigen values
方差贡献率
Proportion / %
累积方差贡献率
Cumulative / %
2011年
特征值
Eigen values
方差贡献率
Proportion / %
累积方差贡献率
Cumulative / %
第一主成分 PC1
First principal component 21.77 70.24 70.24 23.61 76.17 76.17
第二主成分 PC2
Second principal component 6.25 20.16 90.40 3.97 12.80 88.97
3摇 讨论
摇 摇 复杂的大气背景中,多种大气成分相互影响,NASAGoddard报道,臭氧对硫酸化合物的浓度影响很
5593摇 12期 摇 摇 摇 吴芳芳摇 等:O3浓度升高和太阳辐射减弱对小麦根际土壤微生物功能多样性的影响 摇
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表 6摇 O3熏气和太阳辐射减弱条件下土壤微生物对不同碳源利用的主成分特征向量
Table 6摇 Principal component eigenvectors of different carbon sources types by rhizosphere soil microbes under ozone fumigation and depressed
solar irradiance (2010,2011)
特征向量
eigenvector
2010年
因子 1
1st principal
component
载荷鄄 1 / %
loading
capacity鄄 1
因子 2
2nd principal
component
载荷鄄 2 / %
loading
capacity鄄 2
2011年
因子 1
1st principal
component
载荷鄄 1 / %
loading
capacity鄄 1
因子 2
2nd principal
component
载荷鄄 2 / %
loading
capacity鄄 2
D鄄半乳糖酸鄄酌鄄内酯 D鄄
Galactonic Acid鄄酌鄄Lactone 0.0084 0.0015
-0.1104 0.0762 0.2006 0.9501 0.0706 0.0198
茁鄄甲基 D鄄葡萄糖苷
Methyl鄄D鄄Glucoside 0.1331 0.3857 0.3105 0.6024 0.1672 0.6600
-0.1431 0.0813
D鄄纤维二糖 D鄄Cellobiose 0.1438 0.4502 -0.2951 0.5441 0.1673 0.6608 0.2899 0.3335
琢鄄D鄄乳糖 琢鄄D鄄Lactose 0.1986 0.8587 -0.0002 0.0000 0.1758 0.7297 -0.2017 0.1614
I鄄赤藓糖醇 I鄄Erythritol 0.2129 0.9868 0.0384 0.0092 0.2027 0.9701 -0.0190 0.0014
葡萄糖鄄 1鄄磷酸
Glucose鄄1鄄Phosphate 0.1393 0.4225 0.2954 0.5453 0.1944 0.8922
-0.0665 0.0175
D鄄木糖 D鄄Xylose 0.1863 0.7556 0.0846 0.0447 0.2007 0.9510 -0.0302 0.0036
D鄄甘露醇 D鄄Mannitol 0.2086 0.9474 0.0549 0.0188 0.2041 0.9835 -0.0448 0.0080
N鄄乙酰基鄄D鄄葡萄胺
N鄄Acetyl鄄D鄄Glucosamine 0.1377 0.4128
-0.3038 0.5767 0.1332 0.4189 0.3814 0.5772
D,L鄄琢鄄磷酸甘油
D, L鄄琢鄄Glycerol 0.2036 0.9025
-0.1085 0.0736 0.1718 0.6969 -0.2206 0.1931
D鄄半乳糖醛酸
D鄄Galacturonic Acid 0.2125 0.9831
-0.0016 0.0000 0.2026 0.9691 0.0042 0.0001
D鄄葡萄胺酸
D鄄Glucosaminic Acid 0.1398 0.4255
-0.3022 0.5706 0.1310 0.4052 0.3868 0.5937
L鄄天冬酰胺酸
L鄄A sparagine 0.2056 0.9203 鄄0.0981 0.0601 0.1883 0.8371 0.0698 0.0193
L鄄苯基丙氨酸
L鄄Phenylalanine 0.2123 0.9813 0.0418 0.0109 0.2039 0.9816
-0.0360 0.0051
L鄄精氨酸 L鄄Arginine 0.0583 0.0740 0.2839 0.5036 0.0730 0.1258 -0.1299 0.0670
L鄄苏氨酸 L鄄Threonine 0.1566 0.5339 0.2250 0.3163 0.1900 0.8523 -0.0746 0.0221
L鄄丝氨酸 L鄄Serine 0.2116 0.9748 0.0454 0.0129 0.1925 0.8749 -0.0185 0.0014
甘氨酰鄄L鄄谷氨酸
GlycyL鄄L鄄Glutamic Acid 0.1981 0.8544
-0.1463 0.1337 0.1950 0.8978 0.0302 0.0036
酌鄄羟基丁酸
酌鄄Hydroxybutyric Acid 0.2047 0.9123
-0.0841 0.0442 0.1896 0.8487 -0.0834 0.0276
衣康酸 Itaconic Acid 0.1946 0.8245 0.1024 0.0655 0.2019 0.9624 -0.0204 0.0017
琢鄄丁酮酸
琢鄄Ketobutyric Acid 0.2130 0.9878
-0.0266 0.0044 0.1595 0.6006 -0.1997 0.1582
D鄄苹果酸 D鄄Malic Acid 0.2032 0.8990 -0.0374 0.0087 0.1903 0.8550 -0.1675 0.1113
丙酮酸甲脂
Pyruvic Acid Methyl Ester 0.2033 0.8998 0.0995 0.0619 0.1779 0.7472
-0.2032 0.1638
琢鄄环式糊精
琢鄄Cyclodextrin 0.1936 0.8160
-0.1214 0.0921 0.1739 0.7140 0.2442 0.2366
肝糖 Glycogen 0.2095 0.9556 0.0566 0.0200 0.2018 0.9615 -0.0427 0.0072
吐温 40 Tween 40 0.1872 0.7630 0.0866 0.0469 0.1851 0.8089 -0.0127 0.0006
吐温 80 Tween 80 0.1096 0.2615 0.2599 0.4221 0.1805 0.7692 -0.0764 0.0232
2鄄羟基苯甲酸
2鄄Hydroxy Benzoic Acid 0.2112 0.9711 0.0510 0.0163 0.1924 0.8740 0.0153 0.0009
4鄄羟基苯甲酸
4鄄Hydroxy Benzoic Acid 0.1692 0.6233 0.2438 0.3714 0.1683 0.6687
-0.1353 0.0726
苯乙胺
PhenylethyL鄄Amine 0.1376 0.4122
-0.3060 0.5851 0.1287 0.3911 0.3915 0.6082
腐胺 Putrescine 0.1625 0.5749 -0.2565 0.4111 0.1529 0.5520 0.3356 0.4469
摇 摇 载荷鄄 1,2分别指各主成分上承载的各因子的方差百分率
6593 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 35卷摇
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大[32]。 硫酸化合物是重要的负辐射强迫物质,造成到达地面的太阳辐射减少。 单文坡等认为,近地面 O3浓
度与太阳辐射和气温有很好的相关性[33],这主要是由于太阳辐射和气温是许多与 O3相关的大气化学或光化
学过程的控制因素,而相对湿度可以直接影响大气中自由基的数量,从而对 O3化学产生影响。 晴天地表各污
染物浓度的变化比较平稳,阴天变化波动较大,这也说明了太阳辐射在近地面大气化学中的重要作用。 O3熏
气能使太阳负辐射强迫增强,增强了因太阳辐射减弱而给农田生态带来的负面影响。 太阳辐射减弱促进了植
物对 O3的化学吸收。 两年的定点试验得出,O3熏气条件下与太阳辐射减弱复合作用均显著降低了不同类型
碳源的降解速率和降解总量,糖类、氨基酸类的分解变异度较高。 辐射减弱与 O3熏气结合能加剧 O3对碳源分
解的抑制作用,O3与辐射减弱之间存在协同关系。
土壤微生物对大气环境变化的响应受到土壤温度、CO2、养分利用效率和水分状况等因素的制约[34],O3
浓度升高和太阳辐射减弱长期作用引起土壤养分有效性[35]和水分利用效率的变化将改变土壤微生物最初的
响应。 O3与太阳辐射减弱的交互作用,在不同年份差异显著性不同,这可能是土壤微生物异质性的结果。 由
于长期环境变化对生态系统微生物过程及结果的预测受到有限的生态学信息的制约,很难确定在较长时间尺
度上 O3浓度升高和太阳辐射减弱对土壤微生物的作用,更不能进行小尺度向大尺度的推绎,因为在不同的时
间尺度土壤微生物对大气环境变化的响应可能很不一致。
大气环境变化对植物根际土壤微生物多样性的影响是通过植物生长代谢间接作用的结果,不仅随着植物
类型改变, 还随着植物的生长发育过程改变, 具有非常强的时空特征[36]。 土壤微生物多样性对大气环境的
响应与植物生长发育过程有关。 太阳辐射减弱增加了植物对 O3的吸收,加重了 O3伤害,O3浓度升高与太阳
辐射减弱的交互作用加剧了对土壤根际微生物活性的抑制。
表征微生物群落功能多样性的指数没有显著变化,说明 O3熏气条件下与太阳辐射减弱在较短时期内没
有改变土壤微生物的群落结构和功能多样性。 要确定在较长时间尺度上 O3浓度升高和太阳辐射减弱对土壤
微生物多样性的影响,需长期的后续研究。
4摇 结论
(1) O3熏气和太阳辐射减弱条件下,土壤微生物代谢活性下降,不同类型碳源的分解速率、分解总量
下降。
(2)辐射减弱 20%的单因素作用对碳源的分解没有显著影响,但与 O3结合则能加剧了 O3对碳源分解的
抑制作用,O3与遮荫之间存在协同关系。 O3浓度增加与太阳辐射减弱复合背景下,糖类、氨基酸类的分解变
异度较高。
(3) O3熏气和太阳辐射减弱条件下,表征微生物优势度、均匀度、丰富度的多样性指数在两年试验中没有
显著变化,微生物群落结构功能多样性在短期内没有明显影响。
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