全 文 ：中国生态农业学报 2015年 10月 第 23卷 第 10期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Oct. 2015, 23(10): 13121319


* 国家自然科学基金项目(31301852)、河北省科技厅项目(12226423)和河北省自然科学基金青年项目(C2014201138)资助
唐宏亮, 主要研究方向为植物根际营养。E-mail: thl_1980@163.com
收稿日期: 20150504 接受日期: 20150804
http://www.ecoagri.ac.cn
DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.150515
磷供应对玉米根际微生物碳源利用和功能多样性的影响*
唐宏亮 郭秋换 张春潮 段霄霄
(河北大学生命科学学院 保定 071002)
摘 要 磷有效性能够改变根分泌物的组成和数量, 调节土壤微生物的群落结构和多样性, 但磷添加如何影响
土壤微生物碳源利用和功能多样性尚不清楚。本研究通过盆栽土培试验, 设置 2 个磷处理[低磷 5.7 mg(P)kg1
和高磷 200 mg(P)kg1], 以生长 35 d的玉米根际土壤为研究对象, 采用 Biolog微平板法, 分别在培养后 240 h
内每隔 24 h检测具有 31种不同碳源的微孔溶液颜色变化, 揭示磷供应对玉米根际微生物碳源利用模式和功能
多样性的影响。结果表明: 随着培养时间的延长, 土壤微生物对土壤碳源的利用呈现增加的趋势, 直至碳源消
耗殆尽 ; 高磷供应显著增加了玉米根际土壤微生物群落平均颜色变化率 (average well color development,
AWCD), 提高了对糖类及其衍生物、氨基酸和代谢产物的利用, 但没有显著提高对脂肪酸和脂类的利用; 在培
养前 72 h内, 高磷供应显著增加了玉米根际微生物多样性指数、优势度指数和均匀度指数, 但培养 72 h后, 磷
供应对其没有显著的影响。主成分分析结果表明, 提取的前 3 个主成分解释了 75.15%的碳源利用, 高磷和低
磷处理具有显著不同的土壤微生物碳源利用模式。总之, 糖类及其衍生物、氨基酸和代谢产物是玉米根际土
壤微生物利用的主要碳源, 短期磷添加能够显著增加土壤微生物对碳源的利用, 在一定程度上能够提高土壤
微生物群落功能多样性。
关键词 玉米 根际土壤 磷 土壤微生物 碳源利用 功能多样性
中图分类号: S158.3 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2015)10-1312-08
Effects of phosphorus supply on microbial carbon source utilization
and functional diversity of maize rhizosphere
TANG Hongliang, GUO Qiuhuan, ZHANG Chunchao, DUAN Xiaoxiao
(Collge of Life Sciences, Hebei University, Baoding 071002, China)
Abstract Phosphorus (P) is a key nutrient which influences the growth, development and yield of crops. P availability can
regulate soil microbial community structure and diversity by altering the quantity and components of root exudates. Whether P
addition increases carbon resources utilization and functional diversity of soil microorganisms remains highly debatable. Also
how P addition affects carbon resources utilization and functional diversity of soil microorganisms is not fully understood. In
this study, a pot soil culture experiment with 2 P application treatments [low P of 5.7 mg(P)kg1(soil) and high P of 200
mg(P)kg1(soil)] was carried out to investigate the effect of P on carbon resources utilization and functional diversity of
microorganisms in maize rhizosphere soil. After 35 d of growth, maize rhizosphere soil was collected using the nylon mesh
method under 2 P treatments. The Biolog microplate technique was used to examine the color change of micro-well solutions
containing 31 carbon sources every 24 h for consecutively 240 h. The results showed that with prolonged culture time, the
utilization of 31 types of carbon sources by soil microorganisms obviously increased until the carbon sources in the micro-well
solution were exhausted. High P treatment significantly increased average well color development (AWCD) and improved the
utilization of carbohydrate carbon and its derivatives, amino acids and metabolites, but not affected the utilization of fatty acids
and lipids. Functional diversity of soil microorganisms in maize rhizosphere soil was regulated by P availability, which
depended largely on culturing time. During 72 h cultivation, high P treatment significantly increased the diversity index,
dominance index and evenness index of soil microorganisms. However, after 72 h of cultivation, high P treatment had no
第 10期 唐宏亮等: 磷供应对玉米根际微生物碳源利用和功能多样性的影响 1313


http://www.ecoagri.ac.cn
significant effect on soil microorganism diversity. Based on principal component analysis (PCA), extracted first 3 components
explained 75.15% of carbon sources utilization and separated 2 categories based on P treatments. A total of 23 carbon sources
was correlated with PC1, 8 correlated with PC2 and 3 correlated with PC3. Multivariate analysis showed that the pattern of
carbon sources utilization of soil microorganisms under high P supply was significantly different from that under low P supply
(Hotelling trace = 2.485, F = 62.95, P < 0.001). In conclusion, carbohydrate and the derivatives, amino acids and metabolites
were the major carbon sources utilized by soil microorganisms in maize rhizosphere soil. P addition significantly increased
carbon sources utilization by soil microorganisms. To some extent, it also improved soil microbial functional diversity in
maize rhizosphere soil.
Keywords Maize; Rhizosphere soil; Phosphorus; Soil microorganism; Carbon sources utilization; Functional diversity
(Received May 4, 2015; accepted Aug. 4, 2015)
土壤微生物是土壤生物区系的重要组成部分 ,
参与土壤有机质分解、养分转化和循环等过程, 其
群落结构和多样性能够敏感反映生态功能和环境变
化 [1]。土壤微生物多样性包括分类群(taxon)的多样
性、遗传(基因)多样性和功能多样性[2]。土壤微生物
功能多样性是微生物利用土壤碳源的模式, 理解这
种模式对土壤养分管理具有重要指示作用。
Biolog 微孔板颜色分析是一种基于底物碳源利
用反映土壤微生物功能多样性的分析方法。通常采
用微孔溶液颜色平均变化(average well color develop-
ment, AWCD)描述土壤微生物利用碳源的能力和代
谢活性大小。根据碳源的化学基团性质, 可将 Biolog
微平板上的 31种碳源分为糖类及其衍生物、氨基酸
类、脂肪酸和脂类、代谢产物 4 大类[3]。目前此方
法在土壤微生物生态领域得到了广泛应用。
磷是非常重要的养分因子, 参与植物体内许多
生化反应过程, 对植物生长发育具有至关重要的作
用[4]。低磷胁迫下, 植物能够释放大量的质子、酸性
磷酸酶、有机酸等根系分泌物进入根际, 活化和利
用难溶性的土壤磷, 调节土壤微生物多样性和代谢
活性[5]。国内外关于磷对土壤微生物功能多样性影
响的研究已有报道, 但因研究地域、种植方式、试
验持续时间等因素的差异, 磷对土壤微生物功能多
样性的影响在不同研究之间表现出较大变异, 甚至
出现不一致的结果[610]。孔滨等[6]发现施用氮、磷、
钾肥均能增加黑土中微生物对土壤碳源的代谢活性;
齐莎等[7]发现连续 5 年氮磷肥施用显著降低了土壤
微生物利用碳源的能力以及微生物功能多样性。赵
晓琛等 [8]研究表明, 氮磷养分添加方式可以提高土
壤微生物代谢活性、物种丰富度指数和微生物群落
碳源利用能力。张瑞等[9]发现施肥能够提高土壤微
生物的代谢活性和群落功能多样性。Sarathchandra
等[10]研究了草地土壤微生物对氮、磷肥添加的响应,
发现连续 10 年的氮添加降低了土壤微生物功能多
样性, 而磷肥则无显著影响。Fauci和 Dick[11]研究表
明, 长期氮肥施用能够降低土壤微生物代谢活性。
理解这些变异的来源和性质, 揭示磷如何调节土壤
微生物功能多样性和土壤碳源利用模式, 对土壤磷
管理具有非常重要的意义。本研究利用 Biolog微孔
平板技术, 通过室内盆栽控制试验研究磷添加对玉
米(Zea mays L.)根际土壤微生物碳源利用和功能多
样性的影响 , 旨在明确目前研究中的矛盾和不足 ,
为合理的农业施肥制度提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 土壤准备
供试土壤采自河北省保定市郊区农田(深度 2~
10 cm), 土壤类型为潮土。土壤基础肥力如下: 有机
碳 6.58 gkg1, 全氮 0.42 gkg1, 总磷 0.39 gkg1, 速
效磷(Olsen-P)4.3 mgkg1, 碱解氮 49.68 mgkg1, 土壤
pH(去离子水)为 8.24。土壤采回后, 风干, 过 2 mm孔
径筛, 除去石块、植物根系等杂物。土壤养分按下
述组成方式加入 [mgkg1(土 )]: Ca(NO3)2·4H2O
1 686.67; K2SO4 133.3; CaCl2 125.667; MgSO4·7H2O
43.3; EDTA-FeNa 32.86; MnSO4·H2O 6.67; ZnSO4·7H2O
10; CuSO4·5H2O2 2.0; H3BO3 0.667; (NH4)6Mo7O24·4H2O
0.122。试验设高磷与低磷 2 个处理, 磷以 KH2PO4
的形式分别加入, 高磷 878 mgkg1(土), 对应纯磷
为 200 mgkg1(土), 低磷 25 mgkg1(土), 对应纯磷
为 5.7 mgkg1(土), 每盆土重 3.0 kg, 每个处理 4次
重复。为了保证玉米根际土壤的收集, 本试验参照
Guo 等[12]“尼龙网袋法”收集根际土壤, 所用尼龙网
袋高 12.5 cm, 直径 17 cm, 每盆土壤可由尼龙网袋
分成两部分 , 尼龙袋内装土 0.285 kg, 袋外装土
2.715 kg。
1.2 玉米培养
选取大小一致的玉米 (品种为 ‘ZD958’)种子 ,
30%的H2O2消毒10 min, 去离子水冲洗3次, 饱和硫
酸钙溶液浸泡5 h, 取出摆放于湿滤纸上, 在25 ℃
的培养箱中暗培养48 h。挑选萌发一致的玉米种子,
分别播种于不同磷处理的尼龙网袋内, 待幼苗出土
1314 中国生态农业学报 2015 第 23卷


http://www.ecoagri.ac.cn
后, 保留两株长势一致的幼苗。试验于光照培养箱
(GXZ-280C宁波江南仪器厂)中进行, 培养条件如下: 光
照16 h(28 ℃), 黑暗8 h(25 ℃), 光照强度为12 000 Lux
(216 μmolm2s1)。培养35 d后, 剪掉玉米地上部分,
分别收集不同磷处理尼龙网袋内的土壤, 装入自封
袋, 4 ℃保存直至样品测定。
1.3 试验方法
1.3.1 土壤微生物群落功能多样性测定
土壤微生物功能多样性测定基于Kennedy和Smith[13]
的方法略加修改。称取10 g玉米根际土壤样品, 放于已
灭菌处理的三角瓶中(125 mL), 加入90 mL 0.9%的
NaCl溶液(无菌水配制), 硅胶塞封口, 在120 rmin1
转速下震荡30 min, 冰浴静置3~5 min, 取1 mL上清
液 , 用无菌去离子水稀释1 000倍以获得土壤提取
液。吸取150 μL土壤提取液, 加入已预热至25 ℃的
Biolog微平板(No.1706, 美国)的微孔中, 加盖后, 置
于25 ℃恒温培养箱中连续进行暗培养。分别于培养
24 h、48 h、72 h、96 h、120 h、144 h、168 h、192 h、
216 h、240 h时在酶标仪(Thermo scientific Multiskan
Go)上读取微孔溶液在590 nm和750 nm的吸光度。
1.3.2 平均颜色变化率的计算
采用微孔中溶液吸光值平均颜色变化率(AWCD)
描述土壤微生物代谢活性[14], 计算公式如下:
AWCD=(CiRi)/n (1)
式中: Ci为含有碳源微孔的吸光值, Ri为对照孔的吸
光值, n为Biolog微平板上供试碳源的种类(n=31)。
1.3.3 土壤微生物多样性的计算
Simpson优势度指数:
D=1Pi2 (2)
式中: Pi为第i孔相对吸光值与整个平板相对吸光值
总和的比率。
Shannon-Wiener多样性指数:
H=Pi×lnPi (3)
Shannon-Wiener均匀度指数:
E=H/lnS (4)
式中: H为Shannon物种丰富度指数, S为有颜色变化
的孔数目。
1.3.4 数据统计分析
采用SPSS 13.0(September 2004, SPSS Inc., USA)
对数据进行统计分析。独立样本t检验用于检验单个
培养时间条件下AWCD值和微生物多样性指数在两
个磷处理之间的差异显著性(P<0.05)。重复测量数据
方差分析(repeated measure ANOVA)用于评价培养
时间和磷供应对玉米根际土壤微生物碳源利用和多
样性的影响。主成分分析和多变量方差分析用于比
较碳源利用在磷供应方式之间的总体差异显著性。
2 结果与分析
2.1 磷对玉米根际土壤微生物平均颜色变化率(AWCD)
的影响
从图 1 可以看出, 随着培养时间的延长, 玉米根
际土壤微生物对碳源的利用呈现逐渐上升的趋势。在
整个培养过程中 , 高磷处理的玉米根际微生物
AWCD值从培养开始 24 h后显著高于低磷处理。重
复测量数据方差分析结果表明, 磷供应对玉米根际
微生物 AWCD值具有显著的影响(表 1, P<0.001)。在
培养 192 h之后, AWCD值逐渐趋于稳定, 说明此时
Biolog微孔中可供微生物利用的碳源已被消耗完全。

图 1 不同施磷量下玉米根际土壤微生物平均颜色变化
率随培养时间的变化
Fig. 1 Average well color development over the time of
cultivation of soil microorganisms in rhizosphere of maize
under different P applications
高磷和低磷处理的施磷量分别为 200 mg(P)kg1(土)和 5.7
mg(P)kg1(土); *和**分别表示两个磷处理在 P<0.05 和 P<0.01
水平差异显著。下同。P application rates of High P and Low P
treatments are 200 mg(P)kg1(soil) and 5.7 mg(P)kg1(soil),
respectively. * and ** denote significant difference at P < 0.05 and
P < 0.01 levels between two P treatments. The same below.

由图 2可以看出, 在培养开始 24 h内, 4类碳源
AWCD值很低, 说明微生物对 4类碳源的利用较少;
随着培养时间的延长, 4类碳源 AWCD值逐渐增加,
说明微生物对 4 类碳源的利用增加。在整个培养过
程中, 高磷处理的玉米根际微生物对糖类及其衍生
物的利用从培养开始 24 h 后显著高于低磷处理 ;
高磷处理的微生物对氨基酸的利用在培养开始后
48 h、168 h、192 h、216 h和 240 h显著高于低磷处
理; 高磷处理的微生物对脂肪酸和脂类仅在培养开
始后 96 h和 240 h显著高于低磷处理; 除培养开始
24 h、72 h和 96 h外, 高磷处理的微生物对代谢产
物的利用显著高于低磷处理。方差分析结果表明 ,
第 10期 唐宏亮等: 磷供应对玉米根际微生物碳源利用和功能多样性的影响 1315


http://www.ecoagri.ac.cn
表 1 各试验测定指标的方差分析结果
Table 1 ANOVA analysis results of investigated indexes of the experiment
变异来源 Source of variation
培养时间 Cultivation time (T) 磷供应 P supply (P) T  P 指标 Index
F P F P F P
平均颜色变化率 Average well color development 1 015.518 <0.001 74.973 <0.001 51.800 <0.001
糖类及其衍生物 Carbohydrate and its derivants 1 157.628 <0.001 184.048 <0.001 87.460 <0.001
氨基酸类 Amino acid 298.560 <0.001 0.168 0.046 7.569 <0.001
脂肪酸及脂类 Fatty acid and lipid 291.830 <0.001 0.159 0.704 7.864 <0.001
代谢产物 Metabolites 86.418 <0.001 12.581 0.012 12.423 <0.001
多样性指数(H) Diversity index 639.298 <0.001 15.848 0.007 55.062 <0.001
优势度指数(D) Dominance index 21.055 <0.001 42.863 0.001 205.142 <0.001
均匀度指数(E) Evenness index 66.648 <0.001 9.670 0.021 4.732 <0.001

图 2 不同施磷量下不同培养时间玉米根际微生物对 4类碳源的利用特征
Fig. 2 Utilization characteristics of four carbon substrates of soil microorganisms in maize rhizosphere under different
P applications
培养时间对不同类别碳源 AWCD值均具有影响, 磷
供应对糖类及其衍生物、氨基酸和代谢产物 AWCD
值有显著影响(P<0.05), 但对脂肪酸和脂类 AWCD
值的影响不显著; 培养时间和磷供应对所有 4 类碳
源 AWCD 值均具有显著的交互作用(表 1)。总体来
说, 磷供应促进了玉米根际微生物对糖类及其衍生
物、氨基酸和代谢产物的利用。
2.2 磷对玉米根际土壤微生物碳源利用的主成分
分析
为了研究磷对玉米根际土壤微生物碳源利用的
总体模式, 本研究利用所有培养时间的 31种碳源数
据进行了主成分提取, 共提取了 6 个主成分, 总贡
献率为 95.82%。其中第 1主成分(PC1)的方差贡献率
为 49.801%, 贡献最大 , 第 2 主成分(PC2)的方差
贡献率为 15.664%, 第 3 主成分的方差贡献率为
9.680%, 其余主成分贡献率较小, 因此选取前 3 个
主成分得分值绘图(PC1为 x轴, PC2为 y轴, PC3为
z 轴)。从图 3 可以看出, 磷供应处理在 PC2 轴上出
现了明显分异。高磷处理除个别点离散在 xy平面上
外, 其余都集中分布在 yz 平面上; 低磷处理也有一
点离散于 xz平面上, 其余集中分布在 yz平面上。总
体来说, 两个不同磷处理在主成分排序三维图 yx 平
面上聚集为明显不同的两个类别, 说明微生物碳源
受磷供应的调节。对提取的前 3 个主成分得分值进
1316 中国生态农业学报 2015 第 23卷


http://www.ecoagri.ac.cn

图 3 不同施磷量下玉米根际土壤微生物碳源利用的主
成分分析
Fig. 3 Principal component analysis for carbon source
utilization of soil microorganisms in maize rhizosphere under
different P applications
行多变量方差分析结果表明, 磷供应对玉米根际土
壤微生物碳源利用具有显著的影响(Hotelling trace=
2.485, F=62.950, P<0.001)。
为进一步深入分析玉米根际土壤微生物碳源的
利用, 本研究对提取的 6个主成分分别与 31种碳源
吸光度的正态标准化数据进行相关性分析, 获得每
种碳源在不同主成分中的载荷值。主成分分析中载
荷因子值的大小可以反映碳源利用的不同, 其绝对
值越大, 表明该碳源对主成分的影响越大。由表 2
可知, 与第 1 主成分(PC1)具有较高相关性的碳源有
23 种(其中糖类及其衍生物类 7 种, 氨基酸类 3 种,
脂肪酸和脂类 5 种, 代谢产物类 8 种), 与第 2 主成
分(PC2)具有较高相关性的碳源有 8 种(其中糖类及
其衍生物类 3种, 氨基酸类 1种, 脂肪酸和脂类 2种,
代谢产物类 2种), 与第 3主成分(PC3)具有较高相关
性的碳源有 3 种(其中糖类及其衍生物类 1 种, 氨基
酸类 1种, 脂肪酸和脂类 1种)。
表 2 玉米根际土壤微生物 31种碳源利用的主成分载荷矩阵
Table 2 Principal components loading matrix for utilization of 31 carbon substrates of soil microorganisms in maize rhizosphere
提取的主成分 Principal components of extraction 碳源编号
Code of carbon
source
碳源类型
Type of carbon source PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 PC6
A2 ß-甲基 D-葡萄糖苷 β-methyl-D-glucoside 0.903 0.171 0.046 0.093 0.238 0.195
A3 D-半乳糖酸 γ内酯 D-galactonic acid γ-lactone 0.673 0.590 0.207 0.115 0.010 0.013
A4 L-精氨酸 L-arginine 0.238 0.008 0.766 0.354 0.254 0.341
B1 丙酮酸甲酯 Pyruvic acid methyl ester 0.621 0.037 0.286 0.184 0.604 0.248
B2 D-木糖 D-xylose 0.770 0.278 0.023 0.039 0.410 0.275
B3 D-半乳糖醛酸 D-galacturonic acid 0.667 0.535 0.121 0.020 0.278 0.303
B4 L-天冬酰胺 L-asparagine 0.834 0.229 0.337 0.310 0.024 0.130
C1 吐温 40 Tween40 0.867 0.310 0.276 0.005 0.136 0.027
C2 i-赤藓糖醇 i-erythritol 0.405 0.775 0.132 0.313 0.051 0.251
C3 2-羟基苯甲酸 2-hydroxy benzoic acid 0.446 0.201 0.215 0.763 0.005 0.158
C4 L-苯丙氨酸 L-phenylalanine 0.395 0.729 0.113 0.440 0.047 0.140
D1 吐温 80 Tween 80 0.726 0.525 0.105 0.271 0.112 0.193
D2 D-甘露醇 D-mannitol 0.916 0.087 0.256 0.158 0.055 0.050
D3 4-羟基苯甲酸 4-hydroxy benzoic acid 0.931 0.048 0.203 0.092 0.223 0.081
D4 L-丝氨酸 L-serine 0.853 0.349 0.101 0.263 0.089 0.143
E1 α环状糊精 α-cyclodextrin 0.269 0.804 0.181 0.245 0.171 0.281
E2 N-乙酰基-D-葡萄糖氨 N-acetyl-D-glucosamine 0.904 0.267 0.033 0.147 0.079 0.169
E3 γ-羟基丁酸 γ-hydroxybutyric acid 0.039 0.072 0.080 0.247 0.556 0.434
E4 L-苏氨酸 L-threonine 0.816 0.134 0.006 0.303 0.145 0.244
F1 肝糖 Glycogen 0.396 0.287 0.591 0.023 0.375 0.402
F2 D-氨基葡萄糖酸 D-glucosaminic acid 0.846 0.397 0.074 0.078 0.134 0.151
F3 衣康酸 Itaconic acid 0.629 0.236 0.296 0.377 0.395 0.029
F4 甘氨酰-L-谷氨酸 Glycyl-L-glutamic acid 0.873 0.376 0.061 0.033 0.073 0.077
G1 D-纤维二糖 D-cellobiose 0.937 0.165 0.154 0.012 0.048 0.104
G2 葡萄糖-1-磷酸盐 Glucose-1-phosphate 0.804 0.175 0.033 0.014 0.143 0.387
G3 α-丁酮酸 α-ketobutyric acid 0.710 0.350 0.469 0.181 0.244 0.019
G4 苯乙胺 Phenylethylamine 0.498 0.574 0.007 0.412 0.133 0.137
H1 α-D-乳糖 α-D-lactose 0.836 0.078 0.180 0.170 0.056 0.382
H2 D,L-a-磷酸甘油 D,L-α-glycerol phosphate 0.600 0.564 0.370 0.223 0.165 0.006
H3 D-苹果酸 D-malic acid 0.606 0.496 0.503 0.200 0.101 0.151
H4 腐胺 Putrescine 0.689 0.359 0.325 0.451 0.064 0.128
第 10期 唐宏亮等: 磷供应对玉米根际微生物碳源利用和功能多样性的影响 1317


http://www.ecoagri.ac.cn
2.3 磷对土壤微生物群落功能多样性的影响
由图 4 可以看出, 土壤微生物功能多样性指数
在培养开始 96 h之前呈现上升的趋势, 优势度指数
在培养开始 48 h之前呈现上升趋势, 均匀度指数在
培养开始 24 h之前呈现上升趋势, 三者最终都趋于
平稳。在培养开始 72 h内, 高磷处理的微生物功能
多样性指数、优势度指数和均匀度指数均显著高于
低磷处理(图 4)。方差分析结果表明, 磷对玉米根际
微生物功能多样性指数、优势度指数和均匀度指数
均有显著影响(表 1)。

图 4 不同施磷量下玉米根际微生物多样性指数、优势度
指数和均匀度指数随培养时间的变化
Fig. 4 Changes of diversity index, dominance index and
evenness index of soil microorganisms over the time of
cultivation in the rhizosphere of maize under different P
application
3 讨论与结论
平均颜色变化率(AWCD)是土壤微生物群落利
用单一碳源能力的重要指标, 反映了土壤微生物利
用碳源的能力和代谢活性大小, 其值越高, 土壤中
微生物群落的代谢活性也就越高[1516]。本研究结果
表明, 与低磷相比, 高磷施用显著提高了玉米根际
土壤微生物 AWCD值, 增加了微生物对底物碳源的
利用和功能多样性 , 这与孔滨等 [6]和赵晓琛等 [8]的
研究结果相似(显著增加了土壤微生物对碳源的利
用和功能多样性 ), 但与齐莎等 [7]和 Sarathchandra
等 [10]的研究结果有所不同(没有显著改变土壤微生
物对碳源的利用和功能多样性)。分析这些不同研究
之间的变异来源, 可归结为以下 4个方面: 1)试验条
件不同。本研究是在盆栽条件下进行的试验; 孔滨
等 [6]、齐莎等 [7]、赵晓琛等 [8]、Sarathchandra 等 [10]
的研究是在野外条件下进行的试验。2)磷肥处理时
间和种植植物种类不同。本研究磷处理持续 35 d, 种
植植物种类为玉米; 孔滨等[6]的研究磷处理持续约 3
个月 , 种植植物种类也为玉米; 齐莎等 [7]的试验磷
处理持续 5 年, 植物种类以羊草[Leymus chinensis
(Trin.) Tzvel.]、冰草[Agropyron cristatum (L.) Gaertn.]
等草地种类为主; 赵晓琛等 [8]的试验磷处理持续 3
年 , 植物种类以针茅 [Stipa capillata L.]为优势种 ;
Sarathchandra等[10]的试验磷处理持续 10年, 植物种
类以细弱剪股颖 (Agrostis tenuis Sibth.)、黑麦草
(Lolium perenne L.)、地三叶草(Trifolium subterraneum
L.)和长柄百脉根(Lotus pedunculatus Cav.)为主。3)
土壤采集方式不同。本研究收集的为玉米根际土壤,
其他研究多为土体土壤或没有说明土壤取样方式。
4)土壤类型不同。本研究所用土壤为潮土, 孔滨等[6]
的研究所用土壤为黑土, 齐莎等 [7]所用土壤为暗栗
钙土, 赵晓琛等[8]所用土壤为草甸土, Sarathchandra
等 [10]所用土壤为粉砂壤土。从以上分析可以看出 ,
磷施用对土壤微生物碳源利用和功能多样性的影响
是多个因素综合作用的结果, 受试验条件、磷肥处
理持续时间、土壤采集方式和土壤类型等多个因素
的影响。通过与前人相关研究结果的比较分析, 本
研究认为磷肥处理持续时间是最为重要的因素, 短
期磷施用增加了土壤微生物对碳源的利用和功能多
样性, 而长期磷施用在很大程度上则降低了其对土
壤碳源的利用和功能多样性。
根际是土壤养分和水分进入植物的微域, 也是
根系分泌物和根脱落细胞进入土壤的通道, 具有比
土体更丰富的微生物多样性和更强的代谢活性。本
研究基于对玉米根际土壤的研究发现, 土壤磷素添
加能够明显增加微生物对土壤碳源的利用和功能多
样性, 推测与以下 3个方面原因有关: 1)施入土壤中
1318 中国生态农业学报 2015 第 23卷


http://www.ecoagri.ac.cn
的磷素能够显著提高根际土壤速效磷含量, 而速效
磷含量与蔗糖酶活性具有显著的正相关关系, 蔗糖
酶可以将高分子量糖分解成小分子, 引起微生物对
底物碳源利用的增加; 2)施磷量高的土壤, 微生物偏
嗜于利用土壤中的有机质, 而施磷量低的土壤, 则
这种偏嗜性较小, 因此施加磷素后, 根际土壤微生
物对有机物质的分解量会明显增加, 从而引起微生
物对底物碳源利用和功能多样性的增加; 3)磷施用
降低了土壤的碳磷比, 促使土壤微生物强化对土壤
碳源的利用, 以维持微生物有机体内碳磷的平衡。
到目前为止, 尚未有确切的数据支持前两个原因来
解释高磷供应增加微生物对土壤碳源的利用和功能
多样性。已有研究表明, 土壤微生物通常能够维持
相对固定的碳磷比, 在中国旱地土壤中, 其值变化
为 16~75[17]。当基质中碳源供应充足时, 磷、氮等养
分元素成为微生物量的限制因子[1819]。外源加入无
机磷后, 土壤有效磷含量提高, 微生物能够迅速吸
收土壤中的磷并以多聚磷酸盐的形式富集在微生物
细胞内, 在提高微生物生物量磷的同时, 降低了微
生物的碳磷比[19]。在本研究中, 如果将已富集磷素
的玉米根际土壤微生物悬浊液加入到含有充足碳源
的培养基中, 为了维持稳定的碳磷比, 微生物对基
质碳源的利用会明显增加。相比而言, 在低磷条件
下, 由于玉米根际土壤微生物富集较少的磷素, 当
碳源供应充足时, 磷成为微生物生物量的限制因子,
这限制了对底物碳源的利用。因此, 本研究结果支
持上述提及的第 3 个原因: 高磷施用降低了土壤的
碳磷比 , 促使土壤微生物强化对底物碳源的利用 ,
以维持微生物有机体内碳磷的平衡。
Biolog 微孔板分析法是一种基于碳源利用的简
便快速的分析方法, 已经成为研究微生物群落功能
多样性的常规方法之一。采用 Biolog方法研究土壤
微生物碳源利用和功能多样性时, 往往需要将含有
土壤微生物提取液的 Biolog 微平板在 25 ℃条件下
暗培养一段时间。在目前的研究中, 部分研究所采
用的培养时间为 168 h[89,2021], 另有一部分研究采
用的培养时间为 240 h[2223], 但在进行主成分分析、
功能多样性指数计算时, 往往采用培养 96 h的数据
作为分析依据, 这在很大程度上损失了部分关键信
息。本研究采用了 240 h的培养时间, 从 AWCD值
随培养时间变化的曲线图可以看出, 土壤微生物对
碳源的利用随培养时间呈现出明显的 S 形曲线, 表
明本研究所采用的 240 h 的培养时间是合适的。在
进行不同磷处理之间差异性比较时, 由于所测数值
是通过重复测量同一个微孔在不同培养时间的吸光
度所获得的, 因此本研究采用了重复测量数据的方
差分析检验 AWCD值在不同磷处理之间的差异, 采
用主成分分析研究所有培养时间(240 h)的数据在不
同磷处理之间的模式, 采用多变量方差分析研究所
有培养时间(240 h)的数据在不同磷处理之间的差异
显著性; 但在其他研究中, 由于仅使用培养 96 h 时
的数据, 因此在不同处理之间进行比较时, 往往采
用独立样本 t 检验或单因素方差分析, 并未使用多
变量方差分析[89,22]。此外, 在进行微生物功能多样
性数据的呈现时, 其他研究也多采用培养 96 h时的
数据, 本研究基于所有培养时间(240 h)的数据呈现。
如果本研究采用培养 96 h时的数据, 那么优势度指
数、多样性指数和均匀度指数在不同磷处理之间则
没有显著差异, 但其在培养 24 h、48 h和 72 h时表
现出显著差异。由此可以看出, 基于 Biolog 方法研
究土壤微生物碳源利用和功能多样性时 , 培养时
间、数据的呈现方式和数据分析方法至关重要, 这
在很大程度了决定了研究结论的正确性。
参考文献
[1] 章家恩, 蔡燕飞, 高爱霞, 等. 土壤微生物多样性实验研究
方法概述[J]. 土壤, 2004, 36(4): 346–350
Zhang J E, Cai Y F, Gao A X, et al. Review on laboratory
methods for soil microbial diversity[J]. Soils, 2004, 36(4):
346–350
[2] Johnsen K, Jacobsen C S, Torsvik V, et al. Pesticide effects on
bacterial diversity in agricultural soils — A review[J].
Biology and Fertility of Soils, 2001, 33(6): 443–453
[3] 张燕燕, 曲来叶, 陈利顶. Biolog EcoPlateTM实验信息提取
方法改进[J]. 微生物学通报, 2009, 36(7): 1083–1091
Zhang Y Y, Qu L Y, Chen L D. An amendment on information
extraction of Biolog EcoPlateTM[J]. Microbiology, 2009, 36(7):
1083–1091
[4] Schachtman D P, Reid R J, Ayling S M. Phosphorus uptake by
plants: from soil to cell[J]. Plant Physiology, 1998, 116(2):
447–453
[5] Lambers H, Shane M W, Cramer M D, et al. Root structure
and functioning for efficient acquisition of phosphorus:
Matching morphological and physiological traits[J]. Annals of
Botany, 2006, 98(4): 693–713
[6] 孔滨, 孙波, 郑宪清, 等. 水热条件和施肥对黑土中微生物
群落代谢特征的影响[J]. 土壤学报, 2009, 46(1): 100–106
Kong B, Sun B, Zheng X Q, et al. Effect of hydrothermal
conditions and fertilization on metabolic characteristics of
microbial community in a black soil[J]. Acta Pedologica
Sinica, 2009, 46(1): 100–106
[7] 齐莎, 赵小蓉, 郑海霞, 等. 内蒙古典型草原连续 5 年施用
氮磷肥土壤生物多样性的变化[J]. 生态学报, 2010, 30(20):
5518–5526
第 10期 唐宏亮等: 磷供应对玉米根际微生物碳源利用和功能多样性的影响 1319


http://www.ecoagri.ac.cn
Qi S, Zhao X R, Zheng H X, et al. Changes of soil
biodiversity in Inner Mongolia steppe after 5 years of N and P
fertilizer applications[J]. Acta Ecologica Sinica, 2010, 30(20):
5518–5526
[8] 赵晓琛, 刘红梅, 皇甫超河, 等. 贝加尔针茅草原土壤微生
物功能多样性对养分添加的响应[J]. 农业环境科学学报 ,
2014, 33(10): 1933–1939
Zhao X C, Liu H M, Huangpu C H, et al. Responses of
functional diversity of soil microbial communities to nutrient
additions in Stipa Baicalensis Steppe in Inner Mongolia,
China[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2014, 33(10):
1933–1939
[9] 张瑞, 张贵龙, 陈冬青, 等. 不同施肥对农田土壤微生物功
能多样性的影响[J]. 中国农学通报, 2013, 29(2): 133–139
Zhang R, Zhang G L, Chen D Q, et al. The effects of different
fertilization on the functional diversity of soil microbial
community[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2013,
29(2): 133–139
[10] Sarathchandra S U, Ghani A, Yeates G W, et al. Effect of
nitrogen and phosphate fertilizers on microbial and nematode
diversity in pasture soils[J]. Soil Biology and Biochemistry,
2001, 33(7/8): 953–964
[11] Fauci M F, Dick R P. Soil microbial dynamics: Short- and
long-term effects of inorganic and organic nitrogen[J]. Soil
Science Society of America Journal, 1994, 58(3): 801–806
[12] Guo Z Y, Kong C H, Wang J G, et al. Rhizosphere isoflavones
(daidzein and genistein)levels and their relation to the
microbial community structure of mono-cropped soybean soil
in field and controlled conditions[J]. Soil Biology and
Biochemistry, 2011, 43(11): 2257–2264
[13] Kennedy A C, Smith K L. Soil microbial diversity and the
sustainability of agricultural soils[J]. Plant and Soil, 1995,
170(1): 75–86
[14] ODonnell A G, Seasman M, Macrae A, et al. Plants and
fertilizers as drivers of change in microbial community
structure and function in soils[J]. Plant and Soil, 2001,
232(1/2): 135–145
[15] Garland J L. Analysis and interpretation of community-level
physiological profiles in microbial ecology[J]. FEMS
Microbiology Ecology, 1997, 24(4): 289–300
[16] Konopka A, Oliver L, Turco Jr R F. The use of carbon
substrate utilization patterns in environmental and ecological
microbiology[J]. Microbial Ecology, 1998, 35(2): 103–115
[17] 吴金水, 肖和艾, 陈桂秋, 等. 旱地土壤微生物磷测定方法
研究[J]. 土壤学报, 2003, 40(1): 70–78
Wu J S, Xiao H A, Chen G Q, et al. Measurement of microbial
biomass-P in upland soils in China[J]. Acta Pedologica Sinica,
2003, 40(1): 70–78
[18] Ilstedt U, Singh S. Nitrogen and phosphorus limitations of
microbial respiration in a tropical phosphorus-fixing acrisol
(ultisol) compared with organic compost[J]. Soil Biology and
Biochemistry, 2005, 37(7): 1407–1410
[19] 来璐, 赵小蓉, 李贵桐, 等. 土壤微生物量磷及碳磷比对加
入 无 机 磷 的 响 应 [J]. 中 国 农 业 科 学 , 2006, 39(10):
2036–2041
Lai L, Zhao X R, Li G T, et al. The changes of soil microbial
biomass P and C/P WITH adding different quantities of
inorganic P[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2006, 39(10):
2036–2041
[20] 马玲, 马琨, 杨桂丽, 等. 马铃薯连作栽培对土壤微生物多
样性的影响[J]. 中国生态农业学报, 2015, 23(5): 589−596
Ma L, Ma K, Yang G L, et al. Effect of potato continuous
cropping on genetic diversity of soil microorganisms[J].
Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2015, 23(5): 589−596
[21] 王丽娟, 李刚, 赵建宁, 等. 转基因大豆对根际土壤微生物
群落功能多样性的影响[J]. 农业环境科学学报, 2013, 32(2):
290–298
Wang L J, Li G, Zhao J N, et al. Effects of transgenic
soybeans on the microbial functional diversity in the
rhizosphere[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2013,
32(2): 290–298
[22] 安韶山 , 李国辉 , 陈利顶 . 宁南山区典型植物根际与非根
际土壤微生物功能多样性 [J]. 生态学报 , 2011, 31(18):
5225–5234
An S S, Li G H, Chen L D. Soil microbial functional diversity
between rhizosphere and non-rhizosphere of typical plants in
the hilly area of southern Ningxia[J]. Acta Ecologica Sinica,
2011, 31(18): 5225–5234
[23] Yang Q, Wang X, Shen Y. Comparison of soil microbial
community catabolic diversity between rhizosphere and bulk
soil induced by tillage or residue retention[J]. Journal of Soil
Science and Plant Nutrition, 2013, 13(1): 187–199