張 敏，孫寶利，宋阿琳，梁永超，于 冰，范分良,*

1 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所,農(nóng)業(yè)部植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081 2 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081 3 浙江大學(xué),教育部環(huán)境修復(fù)與生態(tài)健康教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310058

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微生物多樣性對(duì)土壤氮磷鉀轉(zhuǎn)化、酶活性及油菜生長(zhǎng)的影響

張 敏1，孫寶利2，宋阿琳1，梁永超3，于 冰1，范分良1,*

1 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所,農(nóng)業(yè)部植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081 2 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081 3 浙江大學(xué),教育部環(huán)境修復(fù)與生態(tài)健康教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310058

采用滅菌土壤分別接種不同稀釋倍數(shù)(1、10-2、10-4和10-6)未滅菌土壤懸濁液的方法，研究了土壤微生物多樣性降低對(duì)油菜生長(zhǎng)和養(yǎng)分吸收、土壤養(yǎng)分有效性和酶活性的影響。結(jié)果表明：(1)隨著接種土壤懸濁液稀釋倍數(shù)增加，油菜生物量逐漸降低，10-4的油菜生物量顯著低于1和10-2，10-6僅為1的26%；(2)油菜氮、磷和鉀的吸收量與油菜生物量呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律；(3)土壤銨態(tài)氮濃度隨接種土壤懸濁液稀釋倍數(shù)增加而降低；而土壤硝態(tài)氮?jiǎng)t以10-4為最高，其它處理間沒(méi)有顯著差異；土壤有效磷未發(fā)生顯著變化；有效鉀反而有上升趨勢(shì)；(4)土壤多酚氧化酶(PhOX)活性隨接種土壤懸濁液稀釋倍數(shù)增加逐漸升高；β-1,4-葡萄糖苷酶(βG)活性以10-6為最高，而其它處理差異不顯著；土壤亮氨酸酶氨肽酶(LAP)活性和酸性磷酸酶(AP)活性變化不顯著；(5)相關(guān)分析表明，油菜生物量與土壤銨態(tài)氮濃度的對(duì)數(shù)顯著正相關(guān)；與多酚氧化酶、葡萄糖苷酶和亮氨酸氨肽酶活性顯著負(fù)相關(guān)。研究表明，微生物多樣性降低主要通過(guò)抑制土壤氮素釋放影響植物生長(zhǎng)。

土壤微生物多樣性；土壤有效養(yǎng)分；植物養(yǎng)分吸收；土壤酶活性；伽馬射線滅菌

土壤微生物群落特征與養(yǎng)分循環(huán)、生物入侵、溫室氣體排放、植物病害發(fā)生等與人類息息相關(guān)的生態(tài)功能關(guān)系緊密[1-3]。因此，保持土壤微生物群落的穩(wěn)定是維持土壤生態(tài)服務(wù)功能的重要保障[1]。

然而，最近研究表明，受環(huán)境污染、農(nóng)業(yè)管理、氣候變化等影響，土壤微生物多樣性顯著降低[4-7]。例如長(zhǎng)期施用化肥顯著降低土壤整體微生物群落多樣性和某些特殊功能微生物如纖維素降解菌的多樣性[6-7]。但是，人們對(duì)降低了的微生物所帶來(lái)的危害，認(rèn)識(shí)卻非常有限，主要源于土壤微生物不如大型生物如植物和動(dòng)物容易調(diào)控。目前，改變土壤微生物多樣性的方法主要有伽馬射線滅菌后接種稀釋土壤懸液、高溫高壓、添加重金屬、氯仿熏蒸和不同孔徑濾膜過(guò)濾等方法[8-10]，其中伽馬射線滅菌后接種稀釋土壤懸液具有對(duì)土壤性質(zhì)的改變較小、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，而且，不管是傳統(tǒng)的分子生物學(xué)方法，如變性梯度電泳和核糖體間隔序列分析，還是最新的第二代測(cè)序法都已證實(shí)，隨著稀釋倍數(shù)的增加，微生物多樣性顯著降低[8,11-13]，因此，伽馬射線滅菌后接種稀釋土壤懸液法被認(rèn)為是目前改變土壤微生物多樣性的最常用的經(jīng)典方法。采用該方法的研究表明，當(dāng)土壤微生物多樣性降低后，土壤生態(tài)功能也受到不同程度的影響。例如Philippot等采用土壤懸濁液稀釋法降低土壤微生物多樣性，發(fā)現(xiàn)土壤反硝化活性隨著多樣性降低而顯著下降[8]；Franklin 和Mills采用同樣的方法，發(fā)現(xiàn)隨著微生物多樣性降低土壤對(duì)葡萄糖的同化能力顯著下降[14]。然而，改變微生物整體多樣性是否或者多大程度會(huì)通過(guò)改變土壤生態(tài)過(guò)程傳遞到改變植物生長(zhǎng)的研究很少。在自然生態(tài)系統(tǒng)中，植物生長(zhǎng)主要依賴微生物養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，某些特殊有益微生物如菌根真菌和根瘤菌的多樣性與植物生長(zhǎng)的關(guān)系已被詳細(xì)描述[3,15]；最近研究也表明，降低整體微生物多樣性顯著影響植物多樣性和生產(chǎn)力[9]。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)管理主要以物理和化學(xué)調(diào)控為主，以往對(duì)土壤微生物與作物生長(zhǎng)關(guān)系的認(rèn)識(shí)主要來(lái)源于對(duì)植物促生菌和病原菌培養(yǎng)與評(píng)價(jià)上[16]，但對(duì)整體微生物多樣性與作物生長(zhǎng)關(guān)系的研究很罕見[17]，特別是對(duì)改變土壤微生物多樣性是否通過(guò)改變養(yǎng)分循環(huán)，進(jìn)一步影響作物生長(zhǎng)的研究結(jié)論仍未明確。

為此，本研究通過(guò)滅菌土壤接種不同稀釋倍數(shù)的未滅菌土壤懸濁液的經(jīng)典方法，研究農(nóng)業(yè)土壤微生物多樣性降低對(duì)土壤養(yǎng)分有效性、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化速率、作物養(yǎng)分吸收和生長(zhǎng)的影響，以期為評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)微生物多樣性降低對(duì)作物生產(chǎn)的危害提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試油菜品種為華煜上海青，供試土壤采自中國(guó)科學(xué)院北京植物研究所試驗(yàn)田0—20 cm耕層的新鮮土樣，土壤類型是潮土，其理化性質(zhì)為：土壤pH=7.61，土壤有機(jī)質(zhì)11.55 g/kg，土壤全氮0.68 g/kg，土壤全磷0.57 g/kg，硝態(tài)氮16.71 mg/kg，銨態(tài)氮6.99 mg/kg，速效磷42.78 mg/kg，土壤有效鉀含量65.64mg/kg。土壤過(guò)3mm篩，剔除植物殘根和石塊等雜質(zhì)物，風(fēng)干至較低含水量(質(zhì)量含水量大約15%)，混勻備用。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

1.2.1 土壤準(zhǔn)備

取經(jīng)上述處理的新鮮土樣，稱取1 kg，裝入帶有海綿通氣蓋的塑料袋中，共16袋，預(yù)留50g鮮土用做微生物接種劑，其他土壤在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所的鈷60γ輻照裝置中進(jìn)行滅菌，伽馬射線滅菌劑量為30kGy。以往研究表明，20kGy的伽馬滅菌能殺死絕大部分微生物[18]，本研究采用30kGy滅菌后，在牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基中25 ℃黑暗培養(yǎng)1周沒(méi)有菌落生長(zhǎng)，說(shuō)明滅菌比較徹底。

1.2.2 土壤懸濁液制備和添加

土壤滅菌取回后，在無(wú)菌超凈臺(tái)中取50 g未滅菌鮮土加入500 mL 120℃滅菌純水，用滅菌玻璃棒破碎大土塊，放入滅菌磁力棒，400 r/min攪拌20 min，作為1倍稀釋土壤懸濁液(記為T1)，且作為試驗(yàn)的對(duì)照；取10 mL 1倍稀釋土壤懸濁液加入990 mL滅菌蒸餾水中，充分混勻，為10-2倍稀釋土壤懸濁液(記為T2)；依次制取10-4倍(記為T3)和10-6倍(記為T4)稀釋土壤懸濁液。

在超凈臺(tái)里將滅菌后的土壤袋口小心打開，防止雜菌進(jìn)入，用無(wú)菌注射器向每袋滅過(guò)菌的土壤加入20mL土壤懸濁液，重新蓋上海綿塞，每個(gè)稀釋倍數(shù)的土壤懸濁液4次重復(fù)。第2天水分?jǐn)U散后充分混勻，之后每5天混勻1次，25℃條件下預(yù)培養(yǎng)1個(gè)月。

1.3 油菜種植

把盛有培養(yǎng)土的塑料袋直接放入盆中，種植油菜。種子在30%的雙氧水中浸泡30 min，放在無(wú)菌培養(yǎng)皿30 ℃避光培養(yǎng)，待種子萌發(fā)后，每盆種10棵油菜，澆滅菌水150 mL，等苗長(zhǎng)至2 cm以上，開始間苗，最終每盆留5棵均勻一致的苗。以后均用滅菌水澆灌。由于自然或農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的空氣中均充滿多種微生物[19]，且在用與外界隔絕的生長(zhǎng)箱培養(yǎng)植物時(shí)內(nèi)部往往形成高濕環(huán)境，不利于植物生長(zhǎng)，故本研究盆栽在溫室開放的環(huán)境中進(jìn)行，定期隨機(jī)移動(dòng)盆的位置。因此，不能排除空氣微生物的影響，但本實(shí)驗(yàn)的不同處理應(yīng)該受到均等的影響。

2個(gè)月后，分別采集植物和土壤樣品，一部分新鮮土壤于4 ℃下帶回實(shí)驗(yàn)室，測(cè)定土壤酶活和土壤有效養(yǎng)分含量。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

(1)油菜生長(zhǎng)的測(cè)定 收獲時(shí)按地上部和根分開采集，樣品帶回實(shí)驗(yàn)室洗凈后，先在恒溫干燥箱中105 ℃殺青30 min，然后調(diào)至70 ℃烘干至恒重后測(cè)定生物量。

(2)油菜養(yǎng)分含量的測(cè)定 將稱重后的植物樣品粉碎過(guò)篩，用N、P、K 聯(lián)合測(cè)定消煮法進(jìn)行消煮，然后分別用凱氏定氮法、鉬銻抗比色法和火焰光度計(jì)法對(duì)地上部和地下部的N、P、K 含量進(jìn)行測(cè)定[20]。

(3)土壤化學(xué)性質(zhì)的測(cè)定 土樣帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干后過(guò)篩，采用氯化鉀浸提比色法測(cè)定土壤有效N(銨態(tài)氮和硝態(tài)氮)，鉬銻抗比色法測(cè)定速效P和全P含量，醋酸銨浸提火焰光度計(jì)法測(cè)定土壤速效K[20]。

(4)土壤酶活的測(cè)定 參照范淼珍的方法測(cè)定[21]。稱取1 g土壤于100 mL水中制取土壤懸濁液，取200μL樣品懸濁液加入到96 孔微孔板中(每個(gè)樣品做8個(gè)平行)，樣品微孔中加入50 μL 200μmol/L底物，空白微孔中加入50μL去離子水和200μL樣品懸濁液，陰性對(duì)照微孔中加入50μL底物和200μL去離子水，淬火標(biāo)準(zhǔn)微孔中加入50μL標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(10μmol/L 4-甲基傘形酮)和200μL樣品懸濁液，參考標(biāo)準(zhǔn)微孔中加入50μL標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和200μL去離子水。每個(gè)樣品的空白、陰性對(duì)照、淬火標(biāo)準(zhǔn)和參考標(biāo)準(zhǔn)做8個(gè)平行，微孔板于25 ℃黑暗條件下培養(yǎng)4 h，然后在每孔中加入10 μL 0.5mol/L的NaOH結(jié)束反應(yīng)，反應(yīng)1 min后用酶標(biāo)儀測(cè)定熒光值。4-甲基傘形酮的熒光激發(fā)光和檢測(cè)光波長(zhǎng)分別在365 nm和450 nm處。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Word 2010、Excel 2010繪圖與作表及依據(jù)SPSS 18.0 單因素方差分析來(lái)評(píng)價(jià)不同指標(biāo)的差異顯著性，且采用Pearson 相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)分析不同指標(biāo)間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤微生物多樣性對(duì)油菜生長(zhǎng)的影響

由圖1可以看出，隨著土壤微生物多樣性減少油菜生物量呈下降趨勢(shì)。T1和T2沒(méi)有顯著差異，T3處理顯著低于T1和T2，分別降低23.3%和18.0%，T4顯著低于其它3個(gè)處理(T1、T2和T3)，分別降低73.7%、72.0%和65.9%。不同土壤微生物多樣性下油菜全氮(圖1)，T1和T2沒(méi)有顯著差異，T3處理顯著低于T1和T2，分別降低62.5%和60.9%，T4顯著低于其它3個(gè)處理(T1、T2和T3)，分別降低59.2%、84.0%和84.7%。不同土壤微生多樣性的油菜全磷(圖1)，T2比T1顯著降低16.5%，T3比T2顯著降低13.4%，T4比T3顯著降低55.9%；在不同土壤微生物多樣性條件下油菜全鉀含量(圖1)，T3處理顯著低于T1和T2，分別降低38.1%和35.8%，T4顯著低于其它3個(gè)處理(T1、T2和T3)，分別降低71.7%、70.7%和54.3%。

2.2 土壤微生物多樣性對(duì)土壤有效養(yǎng)分濃度的影響

不同土壤微生物多樣性的土壤銨態(tài)氮濃度(圖2)，T1處理的土壤銨態(tài)氮濃度顯著高于T4和T3，分別為T3和T4的3.4和4.4倍，其中T2、T3和T4的差異不顯著。不同土壤微生物多樣性的硝態(tài)氮濃度(圖2)，T3處理的土壤硝態(tài)氮濃度顯著高于T2和T4，分別為T2和T4的1.8和2.1倍，T1、T2和T4的差異不顯著。土壤微生物多樣性對(duì)土壤有效磷濃度的影響沒(méi)有顯著性差異(圖2)。不同土壤微生物多樣性的土壤速效鉀濃度(圖2)，T2比T4顯著降低25.1%，其中T1、T2和T3沒(méi)有顯著差異。

圖2 不同微生物多樣性對(duì)土壤有效養(yǎng)分濃度的影響Fig.2 Effects of soil microbial diversity on soil available nutrients concentrationT1、T2、T3、T4分別為滅菌土壤接種稀釋1、10-2、10-4、10-6倍未滅菌土壤懸濁液的處理；不同字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)

2.3 土壤微生物多樣性對(duì)土壤酶活的影響

T1土壤多酚氧化酶活性顯著低于T3和T4，分別降低35.8%和42.8%，T4顯著高于T1和T2,分別是T1和T2的1.8和1.6倍，T1和T2差異不顯著(圖3)。T4土壤葡萄糖苷酶活性顯著高于T2，是T2的1.6倍，T1、T2和T3之間沒(méi)有顯著性差異。改變土壤微生物多樣性對(duì)土壤亮氨酸氨肽酶和土壤酸性磷酸酶活性沒(méi)有顯著影響。

2.4 相關(guān)性分析2.4.1 油菜生長(zhǎng)與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性

油菜生物量與土壤硝態(tài)氮濃度和土壤有效磷濃度相關(guān)性不顯著，油菜生物量與土壤銨態(tài)氮濃度的對(duì)數(shù)顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.573，與土壤有效鉀濃度顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.594(圖4)。

2.4.2 油菜生長(zhǎng)與土壤酶活性的相關(guān)性

油菜生物量與土壤多酚氧化酶活性、土壤葡萄糖苷酶活性和土壤亮氨酸氨肽酶活性顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.624、-0.622和-0.551，油菜生物量與土壤酸性磷酸酶活性相關(guān)性不顯著(圖5)。

3 討論

本研究結(jié)果表明，油菜生物量隨著接種未滅菌土壤懸濁液稀釋倍數(shù)的增加而降低，與未稀釋土壤懸濁液相比，10-2、10-4和10-6油菜生物量分別下降6.5%、23.3%和73.9%(圖1)；N、P和K吸收量也呈相同變化規(guī)律(圖1)。該結(jié)果清晰地表明，在以物理和化學(xué)調(diào)控為主的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，降低土壤微生物整體多樣性與自然生態(tài)系統(tǒng)降低土壤整體微生物多樣性或降低有益微生物如菌根真菌和根瘤菌多樣性一樣[3,9]，將嚴(yán)重抑制植物的養(yǎng)分吸收和生長(zhǎng)。由于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)微生物多樣性往往低于自然生態(tài)系統(tǒng)[4]，且為人類食物的直接來(lái)源，因此，保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)微生物多樣性比自然生態(tài)系統(tǒng)更加迫切。

根據(jù)土壤懸濁液制作方法計(jì)算，未稀釋土壤懸濁液與其它稀釋倍數(shù)相比，所加入的土壤最多相差2g，占栽培油菜土壤總量的0.2%，故可以推測(cè)，油菜生長(zhǎng)高達(dá)6.5%—73.9%的差異并非由接種土壤懸濁液帶入土壤而引起的理化性質(zhì)變化所導(dǎo)致。而且，由于接種滅菌土壤懸濁液后經(jīng)過(guò)1個(gè)月的預(yù)培養(yǎng)后再種植油菜，因此，可以推測(cè)，油菜生長(zhǎng)的差異主要由土壤微生物多樣性的改變引起。本研究采用伽馬射線滅菌，避免了采用重金屬或高溫方法對(duì)土壤理化性質(zhì)的過(guò)度影響，采用梯度稀釋改變微生物多樣性，也避免了氯仿熏蒸法對(duì)微生物的選擇性降低[8,10]，是研究土壤微生物多樣性采用最廣泛的方法。因此，本研究結(jié)果與國(guó)際上的研究具有可比性，印證了自然生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)果，同時(shí)也表明農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)微生物多樣性降低對(duì)作物生長(zhǎng)的危害。

圖3 土壤微生物多樣性對(duì)土壤酶活性的影響Fig.3 Effects of soil microbial diversity on soil enzyme activityT1、T2、T3、T4分別為滅菌土壤接種稀釋1、10-2、10-4、10-6倍未滅菌土壤懸濁液的處理；不同字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)

圖4 油菜生長(zhǎng)與土壤養(yǎng)分有效性的相關(guān)性Fig.4 Correlations between canola growth and soil nutrients availability**表示相關(guān)性的顯著水平P<0.01，*表示相關(guān)性的顯著水平P<0.05

圖5 油菜生長(zhǎng)與土壤酶活性的相關(guān)性Fig.5 Correlations between canola growth and soil enzyme activityP為顯著性檢驗(yàn)結(jié)果，**表示相關(guān)性的顯著水平P<0.01，*表示相關(guān)性的顯著水平P<0.05

盡管最近研究也發(fā)現(xiàn)改變微生物整體多樣性影響植物生長(zhǎng)，但究竟是如何實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題沒(méi)有得到清晰解答[9,17]。本研究從養(yǎng)分吸收的角度著手，發(fā)現(xiàn)微生物多樣性降低后油菜N、P、K的吸收也隨之下降，而土壤養(yǎng)分則只有銨態(tài)氮與油菜生物量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明微生物多樣性下降主要通過(guò)抑制氮素礦化釋放抑制油菜生長(zhǎng)。油菜是非菌根真菌植物，其磷素吸收不通過(guò)菌根真菌網(wǎng)絡(luò)，而以從土壤直接吸收為主，由于土壤微生物多樣性沒(méi)有顯著改變土壤有效磷濃度，故油菜磷吸收量降低很可能是受氮素限制的結(jié)果。本研究結(jié)果也表明，土壤有效鉀則隨微生物多樣性下降有上升趨勢(shì)，這可能源于鉀素釋放以非生物過(guò)程為主，釋放速率沒(méi)有受微生物多樣性改變的影響，但由于油菜生長(zhǎng)受限，吸收量下降，故有效鉀含量反而隨之升高。

土壤酶活性常用來(lái)衡量土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化速率[22]。然而，本研究卻發(fā)現(xiàn)盡管隨微生物多樣性降低土壤銨態(tài)氮濃度逐漸降低，但負(fù)責(zé)有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化的酶活性，如降解難降解碳的多酚氧化酶和易降解碳的葡萄糖苷酶活性卻逐漸上升。這種現(xiàn)象一方面可能反映微生物生理變化，由于氮素不足，誘導(dǎo)微生物分泌更多的胞外酶，加速有機(jī)質(zhì)降解，從而獲取更多氮素[23]；另一方面也可能反映微生物的功能分異，土壤氮素釋放和有機(jī)碳降解可能由不同豐度的微生物執(zhí)行，負(fù)責(zé)土壤氮素釋放的微生物數(shù)量比負(fù)責(zé)有機(jī)碳降解的微生物數(shù)量少，當(dāng)稀釋土壤懸濁液后，負(fù)責(zé)土壤氮素釋放的微生物數(shù)量提前下降到影響氮素釋放的臨界值，而負(fù)責(zé)有機(jī)碳降解的微生物稀釋后反而受到其它微生物的競(jìng)爭(zhēng)減小，功能發(fā)揮更好。但這些推測(cè)還有待進(jìn)一步研究驗(yàn)證。亮氨酸氨肽酶活性與土壤銨態(tài)氮含量變化不一致，其中原因尚不清楚。

本研究中重點(diǎn)研究了大量元素及其相關(guān)的土壤酶活性，發(fā)現(xiàn)微生物多樣性降低通過(guò)抑制氮素釋放影響作物生長(zhǎng)，但該結(jié)論可能并不全面。土壤微生物群落特征與土壤鐵[24]、錳[25]、鋅[26]等元素轉(zhuǎn)化存在密切關(guān)系；另一些研究則表明微生物對(duì)植物水分的利用率影響顯著[27]；此外，部分土壤微生物可以合成植物激素如生長(zhǎng)素、脫落酸調(diào)控植物的生長(zhǎng)；而且，部分微生物能分泌抗生素，與病原菌產(chǎn)生拮抗作用，減少病原菌對(duì)植物生長(zhǎng)的迫害。隨著微生物多樣性降低，這些微生物過(guò)程的相對(duì)重要性可能發(fā)生改變，最終影響植物生長(zhǎng)。深入研究這些變化，有助闡明微生物多樣性變化改變植物-微生物互作的作用機(jī)理，對(duì)評(píng)價(jià)微生物多樣性喪失對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的危害具有重要意義。

[1] Bardgett R D, Van Der Putten W H. Belowground biodiversity and ecosystem functioning. Nature, 2014, 515(7528): 505-511.

[2] Callaway R M, Thelen G C, Rodriguez A,Holben W E. Soil biota and exotic plant invasion. Nature, 2004, 427(6976): 731-733.

[3] Van Der Heijden M G A, Klironomos JN, Ursic M, Moutoglis P, Streitwolf-Engel R, Boller T, Wiemken A, Sanders I R. Mycorrhizal fungal diversity determines plant biodiversity, ecosystem variability and productivity. Nature, 1998, 396(6706): 69-72.

[4] Tsiafouli M A, Thébault E, Sgardelis S P, De Ruiter PC, Van Der Putten WH, Birkhofer K, Hemerik L, De Vries FT, Bardgett RD, Brady MV, Bjornlund L, J?rgensen HB, Christensen S, Hertefeldt TD′, Hotes S, Gera Hol WH, Frouz J, Liiri M, Mortimer SR, Set?l? H, Tzanopoulos J, Uteseny K, Pi?l V, Stary J, Wolters V, Hedlund K. Intensive agriculture reduces soil biodiversity across Europe. Global Change Biology, 2015, 21(2): 973-985.

[5] Swift M J,Andrén O, Brussaard L,Briones M,CouteauxM -M, Ekschmitt K,KjollerA,LoiseauP,Smith P. Global change, soil biodiversity, and nitrogen cycling in terrestrial ecosystems: three case studies. Global Change Biology, 1998, 4(7): 729-743.

[6] Maeder, P., FliessbachA, Dubois D, Gunst L, Fried P, Niggli U. Soil fertility and biodiversity in organic farming. Science, 2002, 296(5573): 1694-1697.

[7] Fan F L, Lia ZJ, WakelinS A, YuW T, Liang YC. Mineral fertilizer alters cellulolytic community structure and suppresses soil cellobiohydrolase activity in a long-term fertilization experiment. Soil Biology and Biochemistry, 2012, 55: 70-77.

[8] Philippot L, Spor A, Hénault C, Bru D, Bizouard F, Jones C M, Sarr A,Maron PA. Loss in microbial diversity affects nitrogen cycling in soil. The ISME Journal, 2013, 7(8): 1609-1619.

[9] Wagg,C, BenderS F, WidmerF, Van Der HeijdenM G A. Soil biodiversity and soil community composition determine ecosystem multifunctionality. Proceedings of the National Academy of Sciencesof the United States of America, 2014, 111(14): 5266-5270.

[10] Blankinship J C, BecerraC A, SchaefferS M, SchimelJ P. Separating cellular metabolism from exoenzyme activity in soil organic matter decomposition. Soil Biology and Biochemistry, 2014, 71: 68-75.

[11] GeraHol, W H, De Boer W, De Hollander M, Kuramae E E, Meisner A, Van Der Putte W H. Context dependency and saturating effects of loss of rare soil microbes on plant productivity. Frontiers in Plant Science, 2015, 6: 485-485.

[12] Wertz S, Degrange V, Prosser J I, Poly F, Commeaux C, Freitag T, Guillaumaud N, Roux X L. Maintenance of soil functioning following erosion of microbial diversity. Environmental Microbiology, 2006, 8(12): 2162-2169

[13] Griffiths B S, RitzK, WheatleyR, KuanHL, BoagB, ChristensenS, EkelundF, S?rensenSJ, MullerS, BloemJ. An examination of the biodiversity-ecosystem function relationship in arable soil microbial communities. Soil Biology and Biochemistry, 2001, 33(12-13): 1713-1722.

[14] Franklin R B, Mills A L. Structural and functional responses of a sewage microbial community to dilution-induced reductions in diversity. Microbial Ecology, 2006, 52(2): 280-288.

[15] Bever J D, Broadhurst L M, Thrall P H. Microbial phylotype composition and diversity predicts plant productivity and plant-soil feedbacks. Ecology Letters, 2013, 16(2): 167-174.

[16] Tkacz A, Poole P. Role of root microbiota in plant productivity. Journal of Experimental Botany, 2015, 66(8): 2167-2175.

[17] Bender S F,Van Der Heijden M G A. Soil biota enhance agricultural sustainability by improving crop yield, nutrient uptake and reducing nitrogen leaching losses. Journal of Applied Ecology, 2015, 52(1): 228-239.

[18] McNamara N P, Black HIJ, Beresford NA, Parekh NR. Effects of acute gamma irradiation on chemical, physical and biological properties of soils. Applied Soil Ecology, 2003, 24(2): 117-132.

[19] Bowers R M, McLetchie S, Knight R, Fierer N. Spatial variability in airborne bacterial communities across land-use types and their relationship to the bacterial communities of potential source environments. The ISME Journal, 2011, 5(4): 601-612.

[20] 鮑士旦.土壤農(nóng)化分析(第三版). 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2000.

[21] 范淼珍, 尹昌, 范分良, 宋阿琳, 王伯仁, 李冬初,梁永超. 長(zhǎng)期不同施肥對(duì)紅壤碳、氮、磷循環(huán)相關(guān)酶活性的影響. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 26(3): 833-838.

[22] Burns R G, DeForestJ L, Marxsen J, Sinsabaugh R L, Stromberger M E, WallensteinM D, Weintraub M N, Zoppini A. Soil enzymes in a changing environment: current knowledge and future directions. Soil Biology and Biochemistry, 2013, 58: 216-234.

[23] Craine J M, Morrow C, Fierer N. Microbial nitrogen limitation increases decomposition. Ecology, 2007, 88(8): 2105-2113.

[24] Ding L J, Su JQ, Xu HJ, Jia ZJ, Zhu YG. Long-term nitrogen fertilization of paddy soil shifts iron-reducing microbial community revealed by RNA-13C-acetate probing coupled with pyrosequencing. The ISME Journal, 2015, 9(3): 721-734.

[25] Li H -P, DanielB, Creeley D, Grandbois R, Zhang SJ, Xu C, HoY-F, SchwehrK A, Kaplan D I, Santschi P H, Hansel C M, Yeager C M. Superoxide production by a manganese-oxidizing bacterium facilitates iodide oxidation. Applied and Environmental Microbiology, 2014, 80(9): 2693-2699.

[26] Muehe E M,WeigoldP, Adaktylou I J, Planer-Friedrich B, Kraemer U, Kappler A, Behrens S. Rhizosphere microbial community composition affects cadmium and zinc uptake by the metal-hyperaccumulating plantArabidopsishalleri. Applied and Environmental Microbiology, 2015, 81(6): 2173-2181.

[27] Rolli E,MarascoR, Vigani G, Ettoumi B, Mapelli F, Deangelis M L, Gandolfi C, Casati E, Previtali F, Gerbino R, Cei F P, Borin S, Sorlini C, Zocchi G,Daffonchio D. Improved plant resistance to drought is promoted by the root-associated microbiome as a water stress-dependent trait. Environmental Microbiology, 2015, 17(2): 316-331.

Effects of soil microbial diversity on soil NPK transformation, enzyme activities, and canola growth

ZHANG Min1, SUN Baoli2, SONG Alin1, LIANG Yongchao3, YU Bing1, FAN Fenliang1,*

1 Chinese Academy of Agricultural Sciences, Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Ministry of Agriculture Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer, Beijing 100081, China 2ChineseAcademyofAgriculturalSciences,InstituteofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgriculture,Beijing100081,China3ZhejiangUniversitytheMinistryofEducation,KeyLaboratoryofEnvironmentalRemediationandEcosystemHealthofMinistryofEducation,Hangzhou310058,China

Inoculation of sterilized soil with diluted non-sterilized soil suspension (1, 10-2, 10-4, and 10-6) was used to investigate the effects of a reduction in soil microbial diversity on canola (BrassicachinensisL.) growth, nutrient uptake, soil nutrient availability, and enzyme activity. The results indicated that: (1) Canola biomass decreased with increased dilution of the soil suspension. Canola biomass at 10-4fold dilution was significantly lower than at the 1-and 10-2fold dilution, and canola biomass at the 10-6-fold dilution was 26% that of the 1-fold dilution. (2)Nitrogen, phosphorus, and potassium uptake of canola followed the same trend as biomass across the microbial diversity gradient. (3) Concentration of ammonium decreased with soil suspension dilution. Soil nitrate concentration was highest at the 10-4fold dilution, and there was no significant difference among other dilution treatments. Soil available phosphorus did not change significantly; however, available potassium exhibited an increasing trend. (4) Soil polyphenol oxidase (PhOX) activity gradually increased with increasing dilution of the inoculated soil solution.β-1,4-glucosidase (βG) activity at the 106fold dilution was the highest, whereas there was no significant difference in the rest dilution treatments. Soil leucine aminopeptidase (LAP) activity and acid phosphatase (AP) activity did not change significantly across the diversity gradient. (5) Correlation analysis indicated canola biomass was positively correlated with the logarithm of soil ammonium concentration, whereas it was negatively correlated with polyphenol oxidase, glucosidase, and leucine aminopeptidase activity. This study showed that reduction of microbial diversity suppresses crop growth by inhibiting soil nitrogen release.

soil microbial diversity; soil available nutrients; plant nutrient uptake; soil enzyme activity; gama radiation sterilization

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2012BAD05B06); 中央級(jí)公益性科研院所專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(IARRP-2014-29); 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41571297，41301310，41201234)

2015-07-21;

2016-04-21

10.5846/stxb201507211526

*通訊作者Corresponding author.E-mail: fanfenliang@caas.cn

張敏，孫寶利，宋阿琳，梁永超，于冰，范分良.微生物多樣性對(duì)土壤氮磷鉀轉(zhuǎn)化、酶活性及油菜生長(zhǎng)的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(18):5856-5864.

Zhang M, Sun B L, Song A L, Liang Y C, Yu B, Fan F L.Effects of soil microbial diversity on soil NPK transformation, enzyme activities, and canola growth.Acta Ecologica Sinica,2016,36(18):5856-5864.