不同暖季型草坪草品種對鹽堿地土壤理化性質和微生物群落的影響

姚 祥, 李曉慧, 沈澤宇, 鄒景文, 隋德宗, 陳靜波,①, 郭海林,①

〔1. 江蘇省中國科學院植物研究所(南京中山植物園) 江蘇省植物資源研究與利用重點實驗室, 江蘇 南京 210014;2. 江蘇省林業科學研究院, 江蘇 南京 211153〕

土壤鹽漬化問題引起了學者廣泛關注。據中國第2次土壤普查資料,中國鹽漬土面積3.47×107hm2,相當于耕地面積的1/3[1]。江蘇沿海灘涂總面積6.53×105hm2左右,約占中國灘涂總面積的1/4[1]。鹽堿地是重要的后備土地資源,但由于沿海灘涂鹽堿含量高,重度鹽堿地含鹽量高達0.7%～1.0%,土壤養分匱乏,一般植物很難生長[2]。通過生物措施改良鹽堿地是目前鹽堿地改良和利用的發展戰略。關于植被對鹽堿地土壤理化性質和土壤微生物影響的研究較多,有研究結果表明種植耐鹽植物可顯著改善土壤理化性質和土壤酶活性[3],不同植物根際的微生物群落結構不同[4],無植被覆蓋鹽堿地土壤真菌和放線菌豐富度低于有植被覆蓋鹽堿地土壤,且不同植物覆蓋土壤的微生物群落存在差異[5]。

草坪草因其強適應性,在鹽堿地綠化中得到廣泛應用。早期關于冷季型草坪草在鹽堿地中適應性評價的研究較多。例如:李發明[6]在甘肅河西鹽堿地區進行了毛稃羊茅〔Festucarubrasubsp.arctica(Hackel) Govoruchin〕的種植研究,發現該種表現出強適應性;王海生等[7]在山東東營鹽堿地區進行了多年生黑麥草(LoliumperenneLinn.)、高羊茅(FestucaelataKeng ex E. B. Alexeev)和草地早熟禾(PoapratensisLinn.) 3種草的40個品種的適應性研究,發現這3種草均有少數品種表現良好;劉金榮等[8]在甘肅張掖高寒鹽堿地區進行了21種冷季型草坪草的適應性研究,發現草地早熟禾表現最好;湯巧香[9]在天津鹽堿地區進行了冷季型草坪草6屬11種122個品種的適應性研究,發現草地早熟禾、高羊茅和多年生黑麥草具有良好適應性。此外,部分暖季型草坪草也具有強耐鹽性,為天然的鹽生植物,如大穗結縷草(ZoysiamacrostachyaFranch. et Sav.)[10]和海雀稗(PaspalumvaginatumSw.)[11]等。已有研究結果表明:海雀稗品種‘P006’、溝葉結縷草〔Zoysiamatrella(Linn.) Merr.〕品種‘Z014’和結縷草(ZoysiajaponicaSteud.)品種‘Z080’等在江蘇如東沿海灘涂重度鹽堿地上表現良好[12]。海雀稗、狗牙根〔Cynodondactylon(Linn.) Pers.〕和結縷草等在美國鹽堿地區應用廣泛[13]。Zong等[14]在中國南海礁沙上進行了海雀稗、巴哈雀稗(P.notatumFlüggé)、狗牙根、細葉結縷草〔Zoysiapacifica(Goudswaard) M. Hotta et S. Kuroki〕和鈍葉草(StenotaphrumhelferiMunro ex Hook. f.) 的適應性研究,發現狗牙根表現最好,且狗牙根根際細菌物種豐富度顯著高于其他4種草。但關于暖季型草坪草對鹽堿地土壤理化性質和微生物群落影響的研究尚不全面,不利于鹽堿地土壤的進一步改良。

目前,在江蘇及周邊地區廣泛應用的暖季型草坪草主要為從美國引進的Tif系列雜交狗牙根[15-16]。這些草坪草雖品質良好,但是耐鹽性較差,在重度鹽堿地上需換土才能成功建植[17]。針對以上情況,本項目組從2000年開始進行耐鹽草坪草新品種選育,建立了暖季型草坪草耐鹽評價體系[18-19],選育出狗牙根品種‘陽江’(‘Yangjiang’)、雜交結縷草(Z.japonica×Z.tenuifolia)品種‘蘇植1號’(‘Suzhi No. 1’)和雜交結縷草(Z.sinica×Z.matrella)品種‘蘇植3號’(‘Suzhi No. 3’)等一系列坪用價值高、耐鹽性強、耐粗放管理的草坪草新品種[17]。選育的耐鹽草坪草新品種和鹽堿地草坪相關技術體系已在江蘇的鹽城大豐、鹽城東臺、南通如東以及山東濰坊等鹽堿地區的草坪生態修復建設中得到大面積應用?；谝陨涎芯?本研究分析了在江蘇鹽城鹽堿地中種植優質耐鹽新品種‘陽江’和‘蘇植3號’對鹽堿地土壤理化性質和土壤微生物群落的影響,以期為暖季型草坪草在鹽堿地生態修復中的應用提供科學依據。

1 研究地概況和研究方法

1.1 研究地概況

研究地位于江蘇省鹽城市大豐麋鹿國家級自然保護區江蘇省林業科學院沿海造林試驗站內,地理坐標為東經120°49′～120°52′、北緯33°00′～33°20′,海拔2～3 m。該地區屬亞熱帶與暖溫帶過渡地帶,具有海洋性氣候和季風性氣候,年平均氣溫13.7 ℃～14.5 ℃,年平均降水量980～1 100 mm,降水集中在6月至9月。研究區土壤粉沙質,鹽漬化,0～15 cm土層土壤的平均鹽度為1.4%,主要植物有棒頭草(PolypogonfugaxNees ex Steud.)、馬齒莧(PortulacaoleraceaLinn.)、堿蓬〔Suaedaglauca(Bunge) Bunge〕和鹽角草(SalicorniaeuropaeaLinn.)等。

1.2 材料

供試材料為江蘇省中國科學院植物研究所自主選育的暖季型多年生草坪草新品種‘陽江’和‘蘇植3號’,二者均通過匍匐莖繁殖,選當年生草種在試驗區種植。

1.3 方法

1.3.1 試驗設計 于2021年6月,在試驗區內對‘陽江’和‘蘇植3號’進行鹽堿地生態修復示范種植,以原生境草地(以棒頭草為主)為對照,示范地和對照地的水肥管理措施相同。每個草種示范地面積2 000 m2,包含4個區域,每個區域約500 m2。對照地4塊,每塊面積120 m2。草種種植1年后,在各示范地和對照地內隨機選取1個面積2 m×2 m的樣地,即每個草種和對照均4次重復。在各樣地內隨機選取3個點,3個點內植株地下部生物量的均值即為該樣地植株地下部生物量,另隨機取3個點土壤樣本混為1個樣本用于后續土壤理化性質和微生物群落分析。

1.3.2 植株地下部生物量和土壤理化指標測定 去除地表植物體和枯枝落葉,使用口徑5 cm的不銹鋼土鉆采集0～15 cm土層土壤,土鉆內徑面積(19.625 cm2)即為土壤取樣面積,洗去土壤后獲得植株地下部,于80 ℃烘干至恒質量,使用千分之一電子天平稱量植株地下部干質量,并根據公式“植株地下部生物量=土鉆中植株地下部干質量/土鉆內徑面積”計算植株地下部生物量。同樣使用土鉆采集0～10 cm土層土壤,過篩(孔徑2 mm)去除枯枝落葉等雜質后進行土壤理化性質和微生物群落分析。采用重鉻酸鉀氧化法[20]測定土壤有機質含量;使用雷磁PHS-3C pH計(上海儀電科學儀器股份有限公司)測量土壤pH值;使用FieldScout EC110便攜式電導率儀(美國Spectrum Technologies公司)測量土壤電導率。

1.3.3 土壤微生物DNA提取及測序 每個土壤樣本取0.5 g,使用天根土壤DNA提取試劑盒〔天根生化科技(北京)有限公司〕提取DNA,使用NanoDrop 2000 分光光度計(美國Bio-Rad Laboratories公司)檢測DNA質量,然后使用稀釋后的基因組DNA (1 ng·μL-1)進行PCR擴增。使用引物F515(5′-GT GCCAGCMGCCGCGGTAA-3′)和R806(5′-GGACTA CHVGGGTWTCTAAT-3′)擴增細菌16SrRNA V4區基因[21],使用引物ITS5-1737F(5′-GGAAGTAAAAG TCGTAACAAGG-3′)和ITS2-2043R(5′-GCTGCGT TCTTCATCGATGC-3′)擴增真菌ITS1區基因[22],然后使用質量體積分數2%瓊脂糖凝膠電泳檢測PCR產物,最后使用MinElute凝膠回收試劑盒(德國Qiagen公司)回收目的條帶?；厥债a物委托諾禾致源生物科技有限公司進行擴增子測序。

1.3.4 土壤微生物生物信息學分析 使用fastp軟件對得到的raw tag進行質控,得到高質量clean tag,之后使用Vsearch軟件將clean tag與數據庫比對去除嵌合體[23],最終得到有效數據(effective tag)。使用QIIME2軟件對得到的effective tag降噪并過濾掉豐富度小于5的序列,從而獲得最終的擴增子序列變異(ASV)以及特征表。使用Silva138.1數據庫注釋16SrRNA V4區域[24],使用UNITEv8.2數據庫注釋ITS1區域[25],從而得到每個ASV的物種信息[26];每個ASV比對到的該物種序列數即為該物種的豐富度,每個物種的序列數與該樣本中所有物種總序列數的比值為該物種的相對豐富度。使用FAPROTAX軟件預測細菌功能[27],使用FunGuild軟件預測真菌功能[28-29];使用R 4.0.3軟件計算各樣本在某個分類上的Z值,計算公式為Z值=(某一樣本在該分類上的相對豐富度-所有樣本在該分類上的平均相對豐富度)/所有樣本在該分類上的標準差,并進行聚類分析,細菌和真菌均展示前30個注釋功能。原始數據上傳至NCBI中的SRA數據庫(https:∥www.ncbi.nlm.nih.gov/),BioProject號為PRJNA962702。

1.4 數據處理和分析

使用SPSS 16.0軟件對植株地下部生物量以及土壤的有機質含量、pH值、電導率以及細菌和真菌的Shannon-Wiener多樣性指數進行方差齊質性檢驗(Levene檢驗,P>0.05)后進行單因素方差分析,檢驗組間差異顯著性。使用QIIME2軟件中的Anosim函數分析草坪草種植樣地土壤中細菌和真菌群落結構與對照樣地間的差異顯著性[30];使用QIIME2軟件計算細菌和真菌的Shannon-Wiener多樣性指數以及組間差異顯著的功能細菌和真菌(固氮細菌、叢枝菌根真菌和糞腐生菌)的相對豐富度。對組間差異顯著的功能細菌和功能真菌相對豐富度的組間差異顯著性進行非參數wilcox秩和檢驗。使用R 4.0.3軟件對細菌和真菌多樣性以及功能菌豐富度與植株地下部生物量和土壤理化指標間進行Pearson相關性分析。

2 結果和分析

2.1 植株地下部生物量和土壤理化指標的比較

不同暖季型草坪草品種種植樣地的植株地下部生物量和土壤理化指標見表1。結果顯示:‘陽江’和‘蘇植3號’種植樣地植株地下部生物量分別為206.847和265.669 g·m-2,均顯著高于對照樣地(39.204 g·m-2);‘陽江’和‘蘇植3號’種植樣地土壤有機質含量分別為12.122和10.378 g·kg-1,均顯著高于對照樣地(8.418 g·kg-1);‘陽江’和‘蘇植3號’種植樣地土壤pH值分別為pH 8.15和pH 8.18,均顯著低于對照樣地(pH 8.56);‘陽江’和‘蘇植3號’種植樣地土壤電導率分別為13.04和14.33 μS·m-1,均顯著低于對照樣地(93.53 μS·m-1)。

表1 不同暖季型草坪草品種種植樣地的植株地下部生物量和土壤理化指標1)

2.2 土壤細菌和真菌群落結構的比較

Anosim分析結果顯示:‘陽江’和‘蘇植3號’種植樣地土壤中細菌群落結構與對照樣地差異顯著,P值分別為0.030和0.035;‘陽江’和‘蘇植3號’種植樣地土壤中真菌群落結構與對照樣地也差異顯著,P值分別為0.030和0.026。

結果(表2)顯示:‘陽江’和‘蘇植3號’種植樣地土壤中細菌的Shannon-Wiener多樣性指數分別為10.473和10.433,均顯著高于對照樣地(9.848);‘陽江’和‘蘇植3號’種植樣地土壤中真菌的Shannon-Wiener指數分別為5.250和5.133,均高于對照樣地(4.744),但差異不顯著?！柦汀K植3號’種植樣地土壤中固氮細菌的相對豐富度分別為0.003 10和0.002 50,均顯著高于對照樣地(0.000 90);‘陽江’和‘蘇植3號’種植樣地土壤中叢枝菌根真菌的相對豐富度分別為0.007 34和0.011 91,均顯著高于對照樣地(0.000 52);‘陽江’和‘蘇植3號’種植樣地土壤中糞腐生真菌的相對豐富度分別為0.013 91和0.007 18,均顯著高于對照樣地(0.000 30)。

結果(圖1和圖2)還顯示:總體上看,‘陽江’和‘蘇植3號’種植樣地土壤中相同功能細菌類群的豐富度較為接近,二者與對照樣地土壤中相同功能細菌類群的豐富度差異均較大,說明‘陽江’和‘蘇植3號’種植樣地土壤中功能細菌類群關系較近,二者與對照樣地的關系均較遠;對照樣地以及‘陽江’和‘蘇植3號’種植樣地間土壤中相同功能真菌類群的豐富度差異均較大,說明3種樣地土壤中功能真菌類群關系均較遠。

CK: 對照The control; YJ: ‘陽江’‘Yangjiang’; SZ: ‘蘇植3號’‘Suzhi No. 3’. US: 未定義腐生Undefined saprotroph; Li: 地衣型Lichenized; WS: 木腐生Wood saprotroph; Un: 未指定功能Unassigned; FP: 寄生真菌Fungal parasite; AP: 動物病原Animal pathogen; En: 內生Endophyte; PP: 植物病原Plant pathogen; DS: 糞腐生Dung saprotroph; LeS: 葉腐生Leaf saprotroph; SS: 土壤腐生Soil saprotroph; Ec: 外生菌根Ectomycorrhizal; AM: 叢枝菌根Arbuscular mycorrhizal; LiS: 凋落物腐生Litter saprotroph; PS: 植物腐生Plant saprotroph.

2.3 微生物多樣性和功能微生物豐富度與植株地下部生物量和土壤理化指標的相關性分析

結果(表3)顯示:細菌Shannon-Wiener多樣性指數與植株地下部生物量和土壤有機質含量呈顯著正相關,與土壤pH值和土壤電導率呈極顯著負相關,相關系數分別為0.671、0.662、-0.830和-0.789;固氮細菌相對豐富度與植株地下部生物量呈極顯著正相關,與土壤pH值和土壤電導率呈顯著負相關,相關系數分別為0.734、-0.621和-0.705;叢枝菌根真菌相對豐富度與植株地下部生物量呈顯著正相關,相關系數為0.653;糞腐生真菌相對豐富度與土壤pH值呈顯著負相關,相關系數為-0.616。說明植株地下部生物量和土壤理化性質明顯影響細菌多樣性,植株地下部生物量以及土壤的pH值和電導率明顯影響部分功能細菌的豐富度,植株地下部生物量和土壤pH值明顯影響部分功能真菌的豐富度。

表3 暖季型草坪草種植樣地土壤中微生物多樣性和功能微生物豐富度與植株地下部生物量和土壤理化指標的相關性分析

3 討論和結論

3.1 暖季型草坪草地下部生物量及其對土壤有機含量質的影響

‘陽江’和‘蘇植3號’為優良的暖季型草坪草品種,具有發達的地下莖和根系系統,在0～30 cm土層內盤根錯節形成根結皮,具有非常強的水土保持能力[31-32]。本研究中,‘陽江’和‘蘇植3號’種植樣地的植株地下部生物量均顯著高于對照樣地,且土壤有機質含量也顯著高于對照樣地。沿海灘涂地區鹽堿含量高,養分匱乏,有機質含量偏低,土壤肥力低,一般綠化植物很難生長[33]。本項目組前期研究結果表明‘陽江’和‘蘇植3號’可在重度鹽堿地區種植并生長良好[17],植株地下部生物量和土壤有機質含量的增加有利于土壤養分的增加,為植物生長提供需要的養分,增加土壤肥力,促進團粒結構的形成以及土壤微生物的生長[33-34]。本研究進一步證明了‘陽江’和‘蘇植3號’具有較強的耐鹽性以及高的生長密度,在江蘇濱海鹽堿地種植這2個品種有利于增加鹽堿地土壤肥力,在鹽堿地生態修復中具有重要作用。

3.2 暖季型草坪草對土壤pH值和電導率的影響

比較2種暖季型草坪草種植樣地和對照樣地土壤的pH值和電導率發現, ‘陽江’和‘蘇植3號’種植樣地土壤的pH值和電導率均顯著低于對照樣地,對照樣地土壤電導率為草坪草種植樣地的6倍以上。土壤pH值降低可能是由‘陽江’和‘蘇植3號’根系分泌物所致[35],也可能是因為草坪草對土壤的覆蓋抑制了堿性陽離子上移,具體原因還有待進一步深入研究?！柦汀K植3號’均具有雙細胞的鹽腺,為泌鹽植物,在鹽堿地種植后,這2種草均會通過根系從土壤中吸收大量鹽離子[36],同時‘陽江’和‘蘇植3號’具有超強的地面覆蓋能力,成坪后會顯著抑制鹽堿地土壤返鹽[37],而土壤電導率與土壤鹽度存在正相關關系[38-39],土壤電導率的降低也伴隨著土壤鹽度的降低。因此,在鹽堿地種植‘陽江’和‘蘇植3號’后既降低了土壤pH值,又降低了土壤鹽度,鹽堿地土壤得到改良。

3.3 暖季型草坪草對土壤微生物群落的影響

植物根系與土壤細菌互作會影響土壤細菌多樣性[40];植被類型不同還會影響土壤固氮細菌群落組成及豐富度[41]。相關研究結果[42-43]顯示:植物的生物量和養分含量等與根際細菌群落多樣性和組成呈顯著相關。本研究中,‘陽江’和‘蘇植3號’種植樣地土壤中細菌群落結構與對照樣地差異顯著,其中,細菌Shannon-Wiener多樣性指數和固氮細菌相對豐富度均顯著高于對照樣地;且細菌Shannon-Wiener多樣性指數和固氮細菌相對豐富度與植株地下部生物量呈顯著或極顯著正相關。因此,推測造成以上差異的原因與植物物種和生物量不同有關。此外,有研究發現土壤的pH值和電導率也會影響土壤細菌群落[44-45];土壤電導率與土壤鹽度緊密相關,而土壤鹽度與細菌多樣性呈負相關[46-47]。相關性分析結果顯示:細菌Shannon-Wiener多樣性指數和固氮細菌相對豐富度與土壤pH值分別呈極顯著和顯著負相關,與土壤電導率也分別呈極顯著和顯著負相關。說明細菌多樣性和固氮細菌豐富度的增加還可能是因為土壤的pH值和電導率降低。土壤細菌多樣性的增加有利于調節植物生長發育、抑制病原菌和加速土壤中營養元素礦化,在加速土壤中能量轉化和物質循環方面有重要的作用[48]。而土壤中固氮細菌不僅可以固定空氣中的氮氣,還可以產生植物激素促進植物生長[49]。因此,種植‘陽江’和‘蘇植3號’可以改變樣地土壤理化性質,進而增加土壤細菌多樣性和固氮細菌豐富度,有利于增加土壤肥力和調節植物生長發育。

‘陽江’和‘蘇植3號’種植樣地土壤中真菌Shannon-Wiener多樣性指數與對照樣地差異不顯著,但叢枝菌根真菌和糞腐生真菌的相對豐富度顯著高于對照樣地,且叢枝菌根真菌相對豐富度與植株地下部生物量呈顯著正相關,糞腐生真菌相對豐富度與土壤pH值呈顯著負相關。這可能是因為叢枝菌根真菌與植物互利共生,叢枝菌根真菌從植物體中獲得糖類等養分供自身生長,也會幫助植物吸收土壤中的氮、磷等礦質營養[50-51]。同時也反映出叢枝菌根真菌豐富度的增加可能與植株地下部生物量增加有關,糞腐生真菌豐富度的增加可能與土壤pH值的降低有關。

種植其他耐鹽植物也可改善鹽堿地土壤理化性質或增加微生物多樣性。例如:種植苜蓿(MedicagosativaLinn.)、向日葵(HelianthusannuusLinn.)、玉米(ZeamaysLinn.)和多年生黑麥草可以降低鹽堿地土壤的pH值和鹽度,增加土壤有機質含量,其中種植玉米還可以增加土壤真菌多樣性[52];種植費菜(PhedimusaizoonLinn.)和蒲公英(TaraxacummongolicumHand.-Mazz.)可以提高鹽堿地土壤中細菌多樣性[53]。與這些耐鹽植物相比,暖季型草坪草的種植還可美化環境。江蘇海岸線長,濱海鹽堿地面積大,有著巨大的綠化需求,種植暖季型草坪草對該地區的濱海鹽堿地具有重要意義。

綜上所述,在江蘇濱海鹽堿地中種植‘陽江’和‘蘇植3號’后顯著增加了土壤有機質含量,降低了土壤的pH、電導率和鹽度,增加了細菌多樣性和固氮細菌豐富度以及叢枝菌根真菌和糞腐生真菌的豐富度。因此,在江蘇濱海鹽堿地中種植這2個品種有利于增加土壤肥力和土壤細菌多樣性,提高重要功能細菌和真菌的豐富度,且有利于美化環境,在鹽堿地生態修復中具有重要作用。