王 頂,李 歡,伊文博,陳林康,趙 平,龍光強(qiáng)**

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部云南耕地保育科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站 昆明 650201; 2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 昆明 650201)

土壤微生物多樣性對(duì)維持土壤生態(tài)服務(wù)功能多樣性,如有機(jī)碳轉(zhuǎn)化、養(yǎng)分循環(huán)、土傳病害控制等方面發(fā)揮著重要作用,是諸多生物地球化學(xué)過程的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。土壤微生物功能多樣性作為土壤健康的關(guān)鍵指標(biāo),影響著諸多生物地球化學(xué)循環(huán)過程。近幾年,大量的研究發(fā)現(xiàn),地下微生物多樣性的提高促進(jìn)了土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、根系活性和碳的周轉(zhuǎn)。然而,地下土壤微生物的功能多樣性對(duì)地上作物多樣性種植的響應(yīng)機(jī)制尚不清楚。

間作是在同一塊土地上同時(shí)種植兩種或兩種以上作物,是一種典型的地上作物多樣性種植模式。由于在提高產(chǎn)量、防治病害和資源利用等方面的優(yōu)勢(shì),間作在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。一方面,間作后地下土壤溫度、含水量和土壤有機(jī)碳(SOC)含量等土壤理化性狀發(fā)生改變。有研究表明,與單作相比,黍子()和綠豆()間作后土壤溫度和含水量分別增加1.61 ℃和12.1%。小麥()和玉米()連續(xù)多年間作后,與單作相比,SOC含量平均提高3%。間作后的這些改變將直接或間接影響地下微生物代謝活性和功能多樣性。因此,對(duì)于間作導(dǎo)致的土壤理化性狀的改變,如何影響地下土壤微生物代謝活性和功能多樣性值得關(guān)注。

氮素作為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的限制性元素,可直接(改變土壤氮素有效性)和間接(增加光合產(chǎn)物的氮素輸入)影響土壤微生物的代謝活性、功能多樣性及對(duì)不同碳源的利用能力。在長(zhǎng)期連作的蠶豆()土壤中發(fā)現(xiàn),施氮增加了微生物對(duì)活性碳源(碳水化合物)的利用,但降低了對(duì)惰性碳源(胺類)的代謝能力。間作后會(huì)對(duì)氮素的有效性產(chǎn)生影響,但是間作和施氮后這種交互影響機(jī)制對(duì)地下微生物功能多樣性的影響機(jī)制仍不清楚。因此本研究選取我國亞熱帶和溫帶地區(qū)廣泛種植的玉米||馬鈴薯()間作系統(tǒng),并與單作馬鈴薯對(duì)照,同時(shí)設(shè)置4個(gè)施氮水平,研究間作和施氮對(duì)馬鈴薯種植土壤中微生物代謝活性和功能多樣性的影響。闡明這一機(jī)理,可加深對(duì)地上多樣性種植影響地下微生物功能多樣性的理解,對(duì)了解多樣性種植系統(tǒng)中土壤多功能性的氮素調(diào)控作用具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 樣地概況與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究在位于云南省昆明市云南農(nóng)業(yè)大學(xué)尋甸大河橋農(nóng)場(chǎng)(23°32′N、103°13′E)進(jìn)行,始于2014年,試驗(yàn)區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候,年平均氣溫 14.7 ℃,年降水量 1040 mm。土壤類型為酸性紅壤,pH 6.79,土壤有機(jī)質(zhì)含量為18.4 g·kg,堿解氮87.3 g·kg,速效磷2.5 mg·kg,速效鉀117.8 mg·kg。

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),設(shè)置馬鈴薯單作(MP)和玉米馬鈴薯間作(IP)兩種種植模式。每個(gè)種植模式包含4個(gè)施氮量水平:不施氮(N0,0 kg·hm)、低氮(N1,常規(guī)施氮基礎(chǔ)上減氮50%,62.5 kg·hm)、常規(guī)施氮(N2,125 kg·hm)和高氮(N3,常規(guī)施氮基礎(chǔ)上增氮50%,187.5 kg·hm),共8個(gè)處理,每個(gè)處理3次重復(fù),共24個(gè)小區(qū),小區(qū)面積32.5 m(5 m×6.5 m)。單作馬鈴薯株距和行距分別為35 cm和50 cm; 間作采用2∶2的替代種植方式,每間隔兩行,兩行馬鈴薯被兩行玉米替代。間作玉米株距25 cm,行距50 cm,馬鈴薯株行距與單作保持一致,具體種植模式見文獻(xiàn)[26]。氮肥(尿素)施用分2次:基肥40%和現(xiàn)蕾期追肥60%。磷肥(普鈣)PO75 kg·hm,鉀肥(硫酸鉀)KO 125 kg·hm均以基肥施入。馬鈴薯和玉米每年種植1季,每年的4月種植馬鈴薯,5月播種玉米,8月為馬鈴薯收獲期,10月為玉米收獲期。收獲后,玉米去除地上部秸稈,而馬鈴薯地上部莖和葉覆蓋在土壤表面。玉米和馬鈴薯生長(zhǎng)期間實(shí)行人工管理,馬鈴薯播種后視土壤墑情適當(dāng)進(jìn)行灌溉保障出苗,整個(gè)生育期的田間管理各處理保持一致。

1.2 土壤和植株樣品的采集與分析

采用五點(diǎn)取樣法,在2020年8月馬鈴薯收獲后玉米收獲前期采集0～20 cm深的非根際土壤,馬鈴薯單作和間作種植均采集馬鈴薯種植條帶內(nèi)的土壤樣品,每個(gè)小區(qū)隨機(jī)采集5個(gè)點(diǎn)混合得到一個(gè)土壤樣品,每個(gè)小區(qū)3次重復(fù)。采集樣品一部分立即在-4 ℃保存,用于土壤微生物功能多樣性、銨態(tài)氮(NH-N)、硝態(tài)氮(NO-N)和土壤含水量的測(cè)定; 另一部分風(fēng)干、過篩后,用于pH、速效磷(available P,AP)、速效鉀(available K,AK)、全氮(total N,TN)、堿解氮(alkali-hydrolyzable nitrogen)和土壤有機(jī)碳(soil organic carbon,SOC)的測(cè)定。

土壤微生物碳代謝功能采用Biolog-Eco微平板法測(cè)定:稱取10 g的新鮮土樣,并加入90 mL已滅菌0.85%的NaCl溶液于250 mL的三角瓶中,振蕩30 min。取150 μL稀釋1000倍的土壤稀釋液接種到Biolog-Eco微平板中,將接種好的微平板置于25 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)240 h,每隔24 h在酶標(biāo)儀(SpectraMax M5,美國MD)上讀取1次590 nm下的光密度值。

土壤基本理化性質(zhì)按照《土壤農(nóng)化分析》的方法測(cè)定:土壤溫度用插入式探針測(cè)溫儀在采樣時(shí)原位測(cè)定0～20 cm的土層溫度,馬鈴薯單作和間作均測(cè)定馬鈴薯種植條帶內(nèi)的土壤溫度,每個(gè)小區(qū)測(cè)定3次重復(fù); 土壤含水量采用烘干法測(cè)定; pH采用1∶2.5的土水比測(cè)定; 速效磷(AP)采用碳酸氫鈉浸提-比色法測(cè)定; 土壤速效鉀采用醋酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定; 全氮采用凱氏定氮法測(cè)定; 土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮用1 mol·L的KCl浸提后,用連續(xù)流動(dòng)分析儀(AA3全自動(dòng)連續(xù)流動(dòng)分析儀,SEALAnalitical,德國)測(cè)定; 土壤溶解性有機(jī)碳(DOC)用去離子水提取后(水土比 5∶1),用總有機(jī)碳分析儀(Multi-N/C 2100,Analytik Jena AG,德國)測(cè)定; 土壤有機(jī)碳(SOC)用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定。

在馬鈴薯植株枯萎前立即采集馬鈴薯根及地上部莖和葉,用水清洗、烘干后,稱重以測(cè)定生物量。在每個(gè)小區(qū),收獲兩行新鮮馬鈴薯塊莖,并稱重,計(jì)算單位面積的馬鈴薯產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用平均顏色變化率(average well color development,AWCD)表征土壤微生物群落的整體代謝活性,計(jì)算公式如下:

隨著物質(zhì)產(chǎn)品需求的不斷增加，目前市場(chǎng)上的消費(fèi)者也有了更多的選擇。企業(yè)在發(fā)展的過程中，不僅要加強(qiáng)創(chuàng)新，也要注意創(chuàng)造出更加有鮮明特色的品牌產(chǎn)品，從而吸引消費(fèi)者的注意。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的不斷變化，企業(yè)必須要重視人的需求。企業(yè)采用柔性管理的模式，可以提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)也可以結(jié)合市場(chǎng)的實(shí)際需求，確定合理的訂單數(shù)量，減少企業(yè)的庫存，柔性管理更適合在多品種和小批量上應(yīng)用。柔性管理的模式符合企業(yè)更新?lián)Q代的需求，可以獲得更多消費(fèi)者的信賴和支持。

式中:C為各反應(yīng)孔在590 nm下的光密度值,為對(duì)照孔(水)的光密度值,C-小于0的孔中記為零,31是碳源數(shù)量。

因?yàn)?68 h后的AWCD比較穩(wěn)定,所以選擇培養(yǎng)168 h后的吸光值計(jì)算Shannon指數(shù)()和Simpson指數(shù)()作為土壤微生物多樣性指標(biāo)和后續(xù)分析(圖1)。

土壤多樣性指標(biāo)計(jì)算如下:

式中:P表示在590 nm下第孔的相對(duì)吸光值與所有整個(gè)微平板的相對(duì)吸光值總和的比值。

采用SPSS 20.0軟件的單因素方差分析(one-way ANOVA)進(jìn)行不同處理間的差異顯著性分析和 Duncan法進(jìn)行多重比較(＜0.05)。采用CANOCO 5.0進(jìn)行主成分分析(PCA)。并用R 4.0.2進(jìn)行置換多元方差分析(PERMANOVA)和Mantel檢驗(yàn)。采用Cytoscape 3.7.2完成相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和平均聚類系數(shù)(average clustering coefficients,ACC)的統(tǒng)計(jì)。其余數(shù)據(jù)作圖采用Origin 2018完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮和間作對(duì)土壤性狀、馬鈴薯產(chǎn)量和生物量的影響

施氮顯著提高了土壤有機(jī)碳(SOC)、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的含量(＜0.05),但對(duì)pH沒有顯著影響(表1)。另外,施氮提高了土壤溫度和濕度,但僅在N1處理時(shí)達(dá)到顯著水平(＜0.05)。在N0處理下,馬鈴薯間作種植土壤的SOC含量顯著高于單作(＜0.05)。兩種種植模式下,與N0處理相比,施氮均顯著提高了馬鈴薯產(chǎn)量、根系生物量和總生物量(＜0.05)(圖1)。N1處理下,單作馬鈴薯的產(chǎn)量和總生物量顯著高于間作(＜0.05)。大多數(shù)情況下,馬鈴薯單作和間作種植土壤的理化性狀和馬鈴薯生物量差異并不顯著。

圖1 不同施氮水平下單作(MP)和間作(IP)馬鈴薯的產(chǎn)量、根系生物量和總生物量Fig.1 Yield,root biomass and total biomass of mono- (MP)and inter-cropped (IP)potato under different nitrogen application levels

表1 不同氮水平下馬鈴薯單作(MP)和間作(IP)土壤的理化性狀Table 1 Soil physicochemical properties of mono- (MP)and inter-cropped (IP)potato under different nitrogen application levels

2.2 施氮和間作對(duì)土壤微生物代謝活性(AWCD)的影響

在整個(gè)培養(yǎng)過程中,各處理的AWCD值在24～168 h快速增加,168 h后趨于穩(wěn)定(圖2)。施氮提高了土壤微生物的AWCD值,兩種種植模式AWCD值隨施氮量的變化均遵循:N1＞N2＞N3＞N0的趨勢(shì)。在168 h穩(wěn)定后,AWCD值受施氮量和種植模式的顯著影響(＜0.001),但二者交互作用的影響并不顯著(表2)。施氮顯著提高了AWCD值,馬鈴薯單作和間作土壤中分別提高58.1%～100.2%和32.1%～59.3%,并在N1處理達(dá)最大值,顯著高于其他施氮處理(N2和N3)(＜0.05)(圖3)。在同一氮水平下,與單作相比,間作提高了AWCD值,但僅在N0時(shí)達(dá)顯著,平均提高44.8% (＜0.05)。

圖2 不同氮水平下單作(MP)和間作(IP)馬鈴薯種植土壤微生物代謝活性(AWCD值)的動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of metabolic activity (AWCD values)in mono- (MP)and inter-cropped (IP)potato soils under different nitrogen application levels

表2 不同氮水平下馬鈴薯單作和間作種植土壤微生物AWCD值和多樣性指數(shù)的多因素方差分析Table 2 Multivariate analysis on AWCD value and diversity indexes of soil microorganism in potato mono- and inter-cropping system under different nitrogen application levels

與總AWCD值類似,施氮提高了6類碳源的AWCD值,隨氮肥施用量的增加呈先增后降的趨勢(shì)(圖4)。其中,單作土壤中與N0處理相比,施氮后均在N1處理達(dá)顯著水平。而間作土壤中,施氮顯著提高了除酚類化合物外所有碳源的AWCD值,酚類在N1和N2處理達(dá)顯著水平(＜0.01)。同一施氮處理下,間作后碳水化合物、氨基酸、羧酸和聚合物的AWCD值在N0處理時(shí)顯著高于單作。另外在N1處理,間作土壤中碳水化合物、胺類和酚類化合物的AWCD值顯著高于單作(＜0.01)。

圖4 不同氮水平下單作(MP)和間作(IP)馬鈴薯土壤中6類碳源AWCD值變化的熱圖Fig.4 Heat map of AWCD values of varied carbon sources in mono- (MP)and inter-cropped (IP)potato soils under different nitrogen application levels

2.3 施氮和間作對(duì)土壤微生物群落多樣性的影響

與N0處理相比,兩種種植模式的Simpson指數(shù)均在N1處理最大,繼續(xù)增施氮肥(N2和N3處理)后反而降低(圖3)。但是,施氮后僅在單作土壤中,Simpson指數(shù)顯著提高14.8%～19.2% (＜0.05),間作土壤中施氮后均未達(dá)顯著水平。與單作相比,間作在N0處理時(shí)Simpson指數(shù)顯著提高12.9% (＜0.05),施氮后差異不顯著。

與Simpson指數(shù)類似,Shannon指數(shù)隨施氮量的增加呈先增后降的趨勢(shì)(圖3)。同種種植模式下，與N0處理相比，施氮提高了微生物的Shannon指數(shù),并在N1處理達(dá)到最大值。與N0處理相比,N1處理在單作和間作土壤中Shannon指數(shù)分別顯著提高6.4%和7.1% (＜0.05)。與N0處理相比,施氮后,馬鈴薯間作土壤中Shannon指數(shù)顯著提高3.3%～7.1%(＜0.05); 但單作僅在N1處理顯著提高(＜0.05)。在相同施氮處理下,間作的Shannon指數(shù)均高于單作,但是僅在N0處理下顯著提高2.5% (＜0.05)。

圖3 不同氮水平下單作(MP)和間作(IP)馬鈴薯土壤的AWCD值和微生物多功能性指數(shù)Fig.3 AWCD values and indexes of soil microbial functional diversity in mono- (MP)and inter-cropped (IP)potato soils under different nitrogen application levels

2.4 施氮和間作對(duì)不同碳源利用的影響

主成分分析(PCA)表明,6類碳源的分布在不同施氮水平間均存在顯著差異,種植模式間差異不顯著,但二者的交互作用下存在顯著差異(＜0.001)(圖5)。比較不同處理中6類碳源的利用率,發(fā)現(xiàn)所有處理中的土壤微生物群都能夠利用6類碳源(圖6)。其中碳水化合物和羧酸的利用率最高。在單作土壤中碳水化合物和羧酸利用率平均分別為14.7%和9.4%; 間作土壤中碳水化合物和羧酸利用率平均分別為12.2%和7.5%。在單作土壤中,施氮增加了除碳水化合物外所有碳源的利用率。在間作土壤中施氮增加了微生物對(duì)聚合物、胺類和酚類化合物的利用率,但降低了對(duì)碳水化合物類、氨基酸和羧酸的利用率。不同種植模式間差異不顯著。

圖5 不同氮水平下單作(MP)和間作(IP)馬鈴薯土壤中不同碳源的主成分分析Fig.5 Principal component analysis (PCA)of varied carbon sources in mono- (MP)and inter-cropped (IP)potato soils under different nitrogen application levels

圖6 不同氮水平下單作(MP)和間作(IP)馬鈴薯土壤中6類碳源利用的相對(duì)比例Fig.6 Relative proportions of six carbon sources utilization in mono- (MP)and inter-cropped (IP)potato soils under different nitrogen application levels

2.5 不同碳源與土壤環(huán)境因子和馬鈴薯生物量的關(guān)系

Mantel分析表明,馬鈴薯單作種植土壤中,土壤溫度、含水量和土壤有機(jī)碳含量是顯著影響AWCD值和微生物功能多樣性指數(shù)(Simpson和Shannon指數(shù))的主要環(huán)境因子(＜0.01)(圖7)。同樣地,間作土壤中,微生物功能多樣性指數(shù)受土壤含水量(＜0.01)、溫度和SOC含量(＜0.05)的顯著影響。而間作土壤的AWCD值除受上述主要環(huán)境因子的顯著影響外(＜0.01),還受銨態(tài)氮含量的影響(＜0.05)。另外,兩種種植模式土壤中AWCD微生物功能多樣性指數(shù)均受馬鈴薯根系生物量和總生物量的顯著影響(＜0.01)。

圖7 單作(MP)和間作(IP)馬鈴薯土壤微生物的AWCD值和功能多樣性性指數(shù)(Simpson和Shannon指數(shù))與土壤環(huán)境因子和馬鈴薯生物量的關(guān)系Fig.7 Relationships between the microbial AWCD value and functional diversity indexes (Simpson and Shannon indexes)with soil environmental factors and potato biomass in mono- (MP)and inter-cropped (IP)potato soils

為降低網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性,選取上述主要環(huán)境因子進(jìn)行相關(guān)網(wǎng)絡(luò)分析(圖8),發(fā)現(xiàn)馬鈴薯單作種植土壤中土壤溫度、含水量和土壤有機(jī)碳含量與6類碳源呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(＜0.05)。同樣,馬鈴薯間作種植土壤中土壤溫度、含水量和土壤有機(jī)碳含量與6類碳源的代謝活性同樣呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。但銨態(tài)氮與胺類、聚合物和酚類化合物呈顯著的正相關(guān)關(guān)系,與羧酸的代謝活性呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(＜0.05)。另外,ACC值在單作土壤(0.930)中比間作土壤(0.907)更高。

圖8 馬鈴薯單作(MP)和間作(IP)種植土壤中主要環(huán)境因子與不同碳源的相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)Fig.8 Correlation networks between major environmental factors and varied carbon groups in mono- (MP)and inter-cropped (IP)potato soils

3 討論

3.1 施氮對(duì)土壤微生物群落碳源代謝功能和多樣性的影響

本研究中,與N0相比,施氮后AWCD值提高32.1%～100.2% (＜0.05),同時(shí)提高了6大類碳源的AWCD值(圖3,圖4)。表明施氮提高了土壤微生物對(duì)所有碳源的代謝活性。之前在熱帶森林中的研究也發(fā)現(xiàn),施氮顯著提高了植物的地上部生物量,進(jìn)而提高了土壤微生物的代謝活性。一方面,施氮通過減輕植物生長(zhǎng)的養(yǎng)分限制來提高初級(jí)生產(chǎn)力,導(dǎo)致更多的地上凋落物和地下根系分泌物等有機(jī)物歸還到土壤,而微生物代謝活性隨凋落物含量的增加而增加。另一方面,施氮降低了光合產(chǎn)物的碳氮比,使有機(jī)底物更容易被土壤微生物所利用,從而提高了微生物對(duì)不同碳源的代謝活性。

當(dāng)施氮量從N1 (62.5 kg·hm)增加到N2 (125 kg·hm)和N3 (187.5 kg·hm)時(shí),土壤微生物的代謝活性降低,即氮對(duì)微生物代謝活性的促進(jìn)作用因過量施氮而削弱(圖3,圖4)。類似地,對(duì)種植油菜()土壤施氮244.6 kg·hm后,反而降低了土壤微生物的代謝活性。施氮對(duì)土壤微生物代謝活性的影響存在劑量效應(yīng)。我們之前的研究表明,種植馬鈴薯土壤中,當(dāng)施氮量為62.5 kg·hm時(shí),馬鈴薯的地上部生物量和地下根系生物量最高,增加氮肥施用量(N2和N3)生物量反而降低。這與本研究的結(jié)果相同(圖1)。因此,施氮過量后歸還有機(jī)物數(shù)量的減少是導(dǎo)致土壤微生物代謝活性降低的主要原因。

Simpson指數(shù)和Shannon指數(shù)是反映土壤微生物多樣性的主要指標(biāo)。與AWCD值隨施氮量的變化趨勢(shì)相同,Simpson指數(shù)和Shannon指數(shù)也遵循N1＞N2＞N3＞N0的趨勢(shì)(圖3)。與Luo等在高寒草地連續(xù)施氮的研究結(jié)果類似,高氮處理土壤微生物的Shannon指數(shù)顯著低于低氮處理。這可能是因?yàn)檫^量的氮素輸入導(dǎo)致土壤養(yǎng)分失衡,抑制了植物的生長(zhǎng),進(jìn)而導(dǎo)致歸還的地上部有機(jī)物和地下根系分泌物的減少。另外,本研究中,當(dāng)施氮量≥62.5 kg·hm(N2和N3處理),土壤硝態(tài)氮含量顯著降低(＜0.05)(表1)。已有研究表明,過量施氮會(huì)加劇土壤硝態(tài)氮的淋失,降低土壤氮素的有效性,抑制旱地土壤微生物的繁殖。綜上所述,當(dāng)?shù)毓?yīng)過多后,由于歸還有機(jī)物的減少和氮素有效性的降低,最終導(dǎo)致了地下土壤微生物代謝活性和多樣性的降低。這表明合理的施氮量對(duì)提高土壤微生物代謝活性和多樣性至關(guān)重要。

3.2 間作對(duì)土壤微生物群落碳源代謝功能和多樣性的影響

相同施氮量下,間作提高了土壤微生物的AWCD值、Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)(圖3),表明間作提高了土壤微生物的代謝活性和功能多樣性。但在本研究中,馬鈴薯處于間作系統(tǒng)中的劣勢(shì)生態(tài)位,地上凋落物和地下根系生物量都顯著低于單作。這暗示間作后地下土壤微生物代謝功能多樣性的提高并不是地上歸還有機(jī)物數(shù)量的增加造成的。同時(shí),大量的研究表明,間作可以改善土壤的理化性狀,為微生物提供更有利的生存環(huán)境。已有研究證實(shí),間作后土壤溫度和土壤含水量提高。同時(shí)，在本研究中地下土壤微生物代謝活性和多樣性與土壤溫度、含水量和SOC含量顯著正相關(guān)(圖7)。另外間作系統(tǒng)中,玉米凋落物持續(xù)不斷地輸入,在提高SOC含量的同時(shí),也增加了SOC中穩(wěn)定碳源的相對(duì)含量。因此本研究中間作土壤微生物通過提高對(duì)聚合物類、胺類和酚類化合物的利用率,增加了土壤微生物的代謝功能多樣性(圖6)。綜上所述,間作后微生物代謝功能多樣性的增加可能與土壤溫度、含水量和SOC質(zhì)量及含量的提高有關(guān)。

值得注意的是,單作和間作馬鈴薯種植土壤中微生物的代謝活性和多樣性僅在不施氮處理中存在顯著差異(＜0.05),施氮后差異均不顯著(圖3)。這可能是因?yàn)樵诓皇┑幚碇?相比單作,馬鈴薯與玉米間作豐富了輸入有機(jī)物的數(shù)量和多樣性,從而顯著提高了土壤微生物的代謝活性和功能多樣性。但是,馬鈴薯與玉米間作的種植系統(tǒng)中,由于馬鈴薯處在養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)的劣勢(shì)生態(tài)位,施氮后間作歸還土壤的有機(jī)物數(shù)量顯著低于單作(圖1),弱化了間作多樣性種植系統(tǒng)的促進(jìn)作用,導(dǎo)致馬鈴薯單作和間作種植土壤微生物代謝活性和功能多樣性的差異并不顯著。其次,本研究發(fā)現(xiàn)土壤銨態(tài)氮含量只在間作土壤中與微生物代謝活性呈顯著相關(guān),并與胺類、聚合物和酚類化合物的代謝活性呈顯著正相關(guān)關(guān)系(圖7和圖8)。同時(shí),施氮會(huì)抑制微生物對(duì)胺類、聚合物和酚類化合物等穩(wěn)定碳源的降解。但是,與單作馬鈴薯相比,間作后微生物可降解的有機(jī)底物減少,導(dǎo)致了氮素的累積,加劇了反硝化作用,大量的氮素以銨態(tài)氮的形式揮發(fā)損失。因此間作后促進(jìn)了土壤微生物對(duì)穩(wěn)定碳源的降解。綜上所述,施氮對(duì)馬鈴薯種植土壤中微生物代謝活性和功能多樣性的影響大于間作,同時(shí)間作的促進(jìn)作用也受施氮量的顯著調(diào)控。

另外,我們觀察到單作網(wǎng)絡(luò)的ACC值(0.930)略高于間作網(wǎng)絡(luò)(0.907)(圖8)。更高的ACC值表示生態(tài)系統(tǒng)更強(qiáng)的穩(wěn)定性和生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中土壤環(huán)境與微生物間更緊密的聯(lián)系。因此,與單作相比,間作馬鈴薯種植后反而削弱了土壤微生物碳源代謝系統(tǒng)原有的穩(wěn)定性,使微生物碳代謝過程對(duì)土壤養(yǎng)分的變化更敏感,弱化了間作優(yōu)勢(shì),導(dǎo)致單作和間作之間微生物的代謝活性和多樣性的差異并不顯著。其次,這可能與輸入的混合凋落物物種間較大的性狀差異有關(guān)。玉米凋落物中更多的難降解碳源和更低的氮素含量與馬鈴薯凋落物形成了鮮明的對(duì)比。之前的研究已經(jīng)證實(shí),混合凋落物物種間較大性狀差異,不利于難降解有機(jī)底物的分解和土壤碳的周轉(zhuǎn)。這意味著合理的地上多樣性種植才能實(shí)現(xiàn)地下土壤養(yǎng)分的高效利用,加快土壤的碳循環(huán),實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。然而,我們的研究?jī)H利用Biolog技術(shù)從碳源代謝的角度來探討間作對(duì)土壤微生物功能多樣性的影響,這存在一定的局限性,今后還需要借助高通量測(cè)序、宏基因組測(cè)序和核磁共振等技術(shù)從微生物群落結(jié)構(gòu)、功能和SOC分子結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行深入分析,進(jìn)一步深入闡釋多樣性種植系統(tǒng)下的微生物功能多樣性。

4 結(jié)論

本研究表明,施氮和間作提高了土壤微生物的代謝活性和功能多樣性。同時(shí),施氮對(duì)6大類碳源代謝活性的影響顯著高于間作種植(＜0.05)。另外,單作土壤中施氮提高了除碳水化合物外所有碳源的利用率,但間作土壤中施氮?jiǎng)t提高了穩(wěn)定碳源(胺類、聚合物和酚類化合物)的利用率,降低了活性碳源的利用率(碳水化合物、羧酸和氨基酸)。本研究的兩種種植模式中,土壤微生物代謝活性和多樣性受土壤溫度、含水量和SOC含量的顯著影響,但銨態(tài)氮含量?jī)H與間作土壤微生物的代謝活性顯著相關(guān)。由于施氮后,間作土壤中歸還有機(jī)物的數(shù)量低于單作,并且氮素的有效性降低,最終導(dǎo)致間作優(yōu)勢(shì)被進(jìn)一步削弱。本研究結(jié)果進(jìn)一步闡明氮素調(diào)控下,地上多樣性種植系統(tǒng)中地下土壤微生物對(duì)碳周轉(zhuǎn)和利用的作用機(jī)制。