趙春梅, 王文斌, 薛欣欣, 張永發(fā), 任常琦, 羅雪華, 吳曉霜

(中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究中心,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部橡膠樹生物學(xué)與遺傳資源利用重點實驗室,海南省熱帶作物栽培生理學(xué)重點實驗室/省部共建國家重點實驗室培育基地,中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所,?？?571101)

【研究意義】橡膠樹(Heveabrasiliensis)是原產(chǎn)于南美洲亞馬遜河流域的熱帶雨林物種,也是制造天然橡膠的重要原料,現(xiàn)分布在亞洲、南美洲、非洲、大洋洲和北美洲等60多個國家或地區(qū)[1]。鑒于橡膠樹的生態(tài)和經(jīng)濟價值,自20世紀(jì)50年代起,我國就開始大規(guī)模植膠,目前天然橡膠已經(jīng)成為我國熱帶地區(qū)重要的人工經(jīng)濟林。但是經(jīng)過砍伐原始森林和次生林而大面積擴種橡膠以及長期高強度割膠、施肥等人為管理,改變了橡膠林原來的土壤肥力和生態(tài)平衡[2-6]。隨著人們對環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展意識的提高,近年來,橡膠園土壤生態(tài)環(huán)境問題和林下資源利用備受關(guān)注和重視[7-8],發(fā)展橡膠林間作模式成了快速有效增加膠園經(jīng)濟效益和生態(tài)效益的重要措施[9-10]。【前人研究進展】土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動的介導(dǎo)者,也是指示土壤健康的潛在指標(biāo)[11]。土壤微生物多樣性反映土壤生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能,特別體現(xiàn)在微生物碳源利用模式上[12]。耕作方式多樣不僅能夠改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu),提高土壤微生物代謝活性,還可以增加土壤養(yǎng)分來源,從而提高土壤微生物群落的功能多樣性[13-17]。研究表明,不同耕作方式,如撂荒、翻耕、免耕和旋耕等,對土壤微生物群落代謝和功能多樣性都有顯著影響[18]。不同玉米種植方式中長期連作栽培會影響土壤微生物群落功能,降低土壤微生物物種多樣性[19]。有機物料種類和腐熟水平可能影響土壤微生物群落對Biolog微平板中碳源的利用能力[20]。以往研究證實土壤微生物碳源代謝對種植、耕作、施肥等管理帶來的干擾比較敏感[21],同時土壤養(yǎng)分來源的多樣性也會導(dǎo)致土壤碳源組成的復(fù)雜多樣化[22-23]?！颈狙芯壳腥朦c】自20世紀(jì)50年代以來,膠園間作一直都是橡膠種植和栽培管理關(guān)注和研究的重要課題。迄今關(guān)于膠園間作物種和間作制度的探索已取得一系列較高價值成果,如林下間作不同禾本科、豆科、薯類、姜科作物等不僅大幅度增加了膠園產(chǎn)量,提高了林下資源利用率,還改善了土壤微生態(tài)環(huán)境。但目前對于不同間作條件下膠園土壤微生物群落功能的相關(guān)研究報道并不多,間作膠園土壤微生物功能與土壤環(huán)境因子的相關(guān)性和互作機理還有待進一步探索?！緮M解決的關(guān)鍵問題】通過比較不同間作模式膠園土壤理化性狀和土壤微生物功能多樣性特征,探尋影響不同間作模式下土壤微生物代謝功能的關(guān)鍵類群及其與土壤環(huán)境因子的相關(guān)性,以期為今后橡膠林下間作栽培和橡膠產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地設(shè)在海南省儋州市中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗場三隊試驗基地的4個相鄰間作橡膠林段,位于109°28′30″ E,19°32′47″ N。該地區(qū)為典型熱帶海島季風(fēng)氣候,旱季、雨季分明,5—10月為雨季,年均降水量約1600 mm,年均氣溫21.5～28.5 ℃。試驗區(qū)地勢平坦,土壤類型為玄武巖發(fā)育磚紅壤。試驗主栽橡膠樹品種為熱研7-20-59,定植于2002年。3種間作模式分別為橡膠/益智間作(RP)、橡膠/咖啡間作(RL)、橡膠/王草間作(RC),對照(CK)為無間作的純林膠園。橡膠/咖啡間作膠園的株行距為株距2 m、寬行20 m、窄行4 m,橡膠/益智間作、橡膠/王草間作膠園的株行距為株距3 m、行距7 m,該試驗地塊的施肥管理和采膠方法基本一致。

1.2 試驗方法

1.2.1 土壤樣品采集 2021年5月在每個試驗處理小區(qū)按“S”形布置10個土壤采樣點,采樣位置在行間距離橡膠樹1.5 m處,采樣土層深0～20 cm,采集后將各樣點土壤混合成1個重復(fù)樣品,每個小區(qū)共獲得3個重復(fù)樣品。清除土壤中根系和雜質(zhì)后,將土壤分為2份,1份經(jīng)空氣干燥和研磨,過2 mm篩網(wǎng)進行土壤理化性狀的測定分析,1份用于土壤微生物群落代謝功能的測定分析。

1.2.2 土壤理化指標(biāo)測定 參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[24]測定土壤含水量、pH、有機質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀含量指標(biāo)。土壤含水量測定采用烘干法,pH測定采用電位法(土水比為1.0∶2.5),有機質(zhì)含量測定采用重鉻酸鉀容量法,有效磷含量測定采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法,速效鉀含量測定采用中性NH4OAc浸提-火焰光度法,全氮含量測定采用凱氏定氮法。

1.2.3 土壤微生物代謝功能測定 采用Biolog-ECO(31種碳源)微平板培養(yǎng)技術(shù)測定土壤微生物群落碳代謝功能多樣性。稱取10 g土樣加入到90 mL含少量玻璃珠的無菌水中,120 r/min振蕩30 min,得到土壤懸濁液備用。取土壤懸濁液5 mL用45 mL無菌水進行稀釋,重復(fù)稀釋2次,制得1∶100的提取液。用八通道移液器吸取150 μL提取液加入Biolog-ECO微孔板(Biolog, Hayward, USA)中,28 ℃恒溫避光培養(yǎng)240 h,每隔24 h用酶標(biāo)儀(Customized Microplate Reader, Elx808TM, Biolog, Hayward, USA)讀取590、750 nm處的吸光值。

土壤微生物代謝功能多樣性指數(shù)AWCD值、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)、Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(D)、McIntosh指數(shù)(E)的計算公式參考文獻[25]。

1.3 統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計采用Excel 2012和SPSS 19.0軟件,并進行方差分析(ANOVA)、主成分分析(PCA)和相關(guān)性分析(Pearson)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同間作模式對膠園土壤理化性質(zhì)的影響

由表1可知,間作膠園土壤含水率、有機質(zhì)、有效磷、速效鉀含量均顯著高于純林膠園(對照),橡膠/益智、橡膠/咖啡、橡膠/王草間作的土壤含水率較對照分別提高25.51%、30.10%、47.12%,有機質(zhì)含量較對照分別提高74.97%、71.70%、57.32%,速效鉀含量分別提高11.99%、43.23%、78.73%,橡膠/咖啡、橡膠/王草間作的土壤有效磷含量較對照分別提高233.18%、48.82%;RP、RC、RL與CK處理之間土壤pH、全氮差異不顯著,但間作膠園土壤pH、全氮含量均高于不間作膠園。說明不同間作模式對膠園土壤肥力有提升作用。

表1 不同間作膠園土壤理化性狀Table 1 Physical and chemical properties of soil in different intercropping rubber plantations

2.2 不同間作模式土壤微生物碳源利用特征

從圖1可以看出,隨著培養(yǎng)時間延長,土壤微生物碳源代謝的平均吸光值A(chǔ)WCD逐漸增大,說明土壤微生物對碳源的利用強度增大。培養(yǎng)24 h內(nèi),對照與間作處理土壤AWCD值均無明顯變化,但在培養(yǎng)48～96 h內(nèi),AWCD值變化最明顯,48～96 h期間AWCD值隨培養(yǎng)時間增長而陡然升高,在培養(yǎng)96～168 h內(nèi),AWCD值增長速率減慢并逐漸穩(wěn)定,216 h后AWCD值基本趨于平穩(wěn)。方差分析多重比較表明,間作膠園土壤微生物碳源代謝的吸光值A(chǔ)WCD顯著高于不間作膠園,土壤微生物對碳源利用的平均吸光值大小依次為橡膠/王草間作>橡膠/咖啡間作>橡膠/益智間作>對照(純林膠園)。說明間作膠園土壤微生物對碳源代謝的活性高于純林膠園。

圖1 不同間作膠園土壤平均吸光度值隨時間的變化Fig.1 Changes of average well color development with incubation time in different intercropping rubber plantations

土壤微生物利用碳源主要分成六大類,包括碳水化合物類、氨基酸類、羧酸類、酚酸類、多聚物類、胺類[26]。從圖2可以看出,培養(yǎng)216 h時,不同處理土壤微生物對碳水化合物、氨基酸、酚酸、羧酸代謝的AWCD值最高的是王草間作,分別是對照的2.09、1.81、1.81、1.26倍,土壤AWCD值大小依次為橡膠/王草>橡膠/咖啡>橡膠/益智>對照;土壤多聚物代謝的AWCD值依次為橡膠/王草>橡膠/益智>橡膠/咖啡>對照,最高值是王草間作,為對照的2.33倍;胺類代謝的AWCD值依次為橡膠/咖啡>橡膠/王草>橡膠/益智>對照,最高值是咖啡間作,為對照的1.86倍。表明,間作土壤微生物對六大碳源的代謝特征與對照之間顯著差異,不同間作處理之間土壤微生物對不同碳源的代謝也存在差異。

小寫字母不同表示差異顯著(P<0.05)。下同。Different small letters indicate significant difference at P<0.05. The same as below.圖2 不同間作膠園土壤微生物碳源平均顏色變化率Fig.2 AWCD of carbon sources of soil microbes in different intercropping rubber plantations

2.3 不同間作模式土壤微生物群落功能多樣性

土壤微生物群落對碳源利用的差異可以用多樣性指數(shù)來表示。由表2可知,3種間作膠園的AWCD值均顯著高于對照。McIntosh指數(shù)能區(qū)分土壤微生物利用碳源類型的多少,3種間作膠園McIntosh指數(shù)均顯著高于對照,其大小依次為橡膠/王草>橡膠/咖啡>橡膠/益智>對照。不同處理之間Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)差異不顯著,但間作膠園Shannon指數(shù)均高于純林膠園。

表2 不同間作膠園土壤微生物群落功能多樣性Table 2 Functional diversity indices of microbial community in different intercropping rubber plantations

2.4 不同間作模式土壤微生物利用碳源主成分分析

利用單一碳源AWCD值對31種碳源利用特征進行主成分分析(PCA),共提取3個與土壤微生物碳源利用相關(guān)的主成分:PCA1、PCA2、PCA3,其解釋變量方差分別為41.94%、35.38%、22.68%,選擇PCA1、PCA2 2個主成分因子做載荷載圖,累積貢獻率達(dá)77.32%。從圖3可知,不同處理分布在主成分圖中不同象限,純林膠園位于第四象限,橡膠/王草間作位于第三象限,橡膠/咖啡間作、橡膠/益智間作同時分布于第二象限。3種間作模式與對照之間差異顯著,橡膠/咖啡與橡膠/益智差異不明顯,說明主成分PCA1、PCA2能夠區(qū)分不同處理土壤微生物群落的代謝功能特征。

圖3 不同間作膠園土壤微生物利用碳源主成分分析Fig.3 The principal component of carbon source utilization of soil microbes in different intercropping rubber plantations

對膠園土壤微生物利用碳源主成分的得分系數(shù)與單一碳源的AWCD值進行相關(guān)分析(表3),對主成分1貢獻率最大(相關(guān)系數(shù)絕對值大于0.800)的碳源是碳水化合物類(α-D-乳糖、β-甲基-D-葡萄糖苷)、氨基酸類(L-精氨酸、L-天門冬酰胺、L-絲氨酸)、羧酸類(D-葡萄糖胺酸、丙酮酸甲酯)、酚酸類(2-羥基苯甲酸)、多聚物類(吐溫40、吐溫80);對主成分2貢獻率最大的碳源是碳水化合物類(D-纖維二糖、D-木糖D、i-赤蘚糖醇、N-乙酰-D葡萄糖氨、D,L-α-磷酸甘油)、氨基酸類(甘氨酰-L-谷氨酸)、羧酸類(衣康酸)、多聚物類(肝糖)。說明,膠園土壤微生物利用碳水化合物類、氨基酸類、羧酸類、多聚物類碳源代謝能力較強,而對酚酸類、胺類碳源利用能力較差。

表3 31種碳源在主成分上的特征向量Table 3 Eigenvectors of principal components of 31 sole-carbon sources

2.5 土壤微生物碳源利用與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

從表4可知,吐溫40與土壤有機質(zhì)含量呈顯著負(fù)相關(guān),α-D-乳糖與有機質(zhì)含量呈顯著正相關(guān),β-甲基D-葡萄糖苷含量與含水量、pH均呈顯著正相關(guān),D-木糖含量與全氮含量呈顯著正相關(guān),D-甘露醇含量與pH、速效鉀含量呈顯著負(fù)相關(guān),1-磷酸葡萄糖、2-羥基苯甲酸與有機質(zhì)含量均呈顯著正相關(guān),4-羥基苯甲酸含量分別與有機質(zhì)、全氮含量呈顯著負(fù)相關(guān),γ-羥丁酸與有效磷含量呈顯著負(fù)相關(guān),α-丁酮酸與全氮含量呈顯著負(fù)相關(guān),D-蘋果酸含量與含水量、pH呈極顯著負(fù)相關(guān),與速效鉀含量呈顯著負(fù)相關(guān),L-精氨酸與有效磷含量呈顯著正相關(guān),L-天門冬酰胺與有效磷含量呈顯著負(fù)相關(guān),L-苯丙氨酸含量與含水量呈極顯著負(fù)相關(guān),與pH呈顯著負(fù)相關(guān),L-絲氨酸與有機質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)。說明,膠園土壤微生物碳源利用與土壤理化因子有著密切相關(guān)性。

表4 土壤微生物碳源利用與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性Table 4 Correlation between soil physicochemical properties and soil microbial carbon source

3 討 論

不同林分土壤特性不同,不同種植模式也會改變土壤理化性質(zhì)。本研究發(fā)現(xiàn),與純林膠園相比,間作增加了林下植被覆蓋,減少了水分蒸發(fā),提高了土壤含水量。間作物王草、益智為禾本科和多年生草本植物,其枯落物和植物殘體為土壤腐解過程增添了豐富有機物料,從而提高了土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分含量。幼齡膠園間種香蕉和葛藤均可提高膠園土壤有機質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀含量[27],成齡膠園間作豆科、姜科、禾本科、薯芋類等作物降低了土壤pH、速效磷含量,增加了硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、速效鉀含量[28]。但不同間作物對膠園土壤pH的影響不同,楊曾獎等[29]研究表明,膠園種植咖啡后降低了土壤pH,李娟等[30]研究發(fā)現(xiàn),咖啡間作土壤pH明顯高于不間作膠園,劉小瓊等[31]也發(fā)現(xiàn),連續(xù)間種咖啡提高了膠園土壤速效磷含量和pH。本研究發(fā)現(xiàn),咖啡間作同樣提高了土壤pH,說明間作作物種類、間作時間以及管理措施等都有可能是引起土壤肥力變化的重要因素。

不同間作模式為土壤微生物生長和代謝提供了豐富的碳源。AWCD值能夠指示微生物群落代謝活性的強弱,常被用于反映土壤微生物對碳源的吸收利用能力[32]。本研究發(fā)現(xiàn),間作膠園的AWCD值均顯著高于純林膠園,各種間作模式中土壤微生物對碳源的利用能力依次為橡膠/王草>橡膠/咖啡>橡膠/益智,說明王草間作土壤微生物碳代謝活性最強,益智間作最弱。在土壤微生物功能多樣性分析中,不同間作膠園和純林膠園之間土壤微生物碳代謝功能的多樣性Shannon指數(shù)和優(yōu)勢度Simpson指數(shù)無顯著差異,但是McIntosh值卻顯著高于不間作,說明間作膠園土壤中碳源利用多樣性的空間分布均勻度更高,可利用碳源種類更多,微生物代謝能力更強。本研究發(fā)現(xiàn),膠園土壤微生物對碳水化合物類、氨基酸類、多聚物類、羧酸類碳源利用能力較強,而對酚酸類、胺類碳源利用能力較差,說明碳水化合物類、氨基酸類是橡膠林土壤微生物代謝最強的碳源[33-34],同時證明物種間的合理組合更有利于增加土壤微生物對碳源利用的種類和數(shù)量[35]。

土壤微生物群落代謝功能與土壤養(yǎng)分之間存在密切關(guān)系,水分條件和pH是影響土壤養(yǎng)分有效性與土壤微生物活性的重要因素[36-37]。李萬年等[38]在混交林土壤微生物功能多樣性研究中發(fā)現(xiàn),較低的土壤pH適于凋落物降解和微生物生長,更能提高微生物功能多樣性。研究發(fā)現(xiàn),β-甲基D-葡萄糖苷、D-蘋果酸、L-苯丙氨酸均與土壤含水量和pH呈顯著相關(guān),說明水分和pH也是影響膠園土壤微生物代謝功能的重要因子。不同間作物可以增加更多類型和數(shù)量的凋落物,為土壤提供大量碳源和營養(yǎng)元素,有利于微生物的繁殖和代謝活性[39],本研究發(fā)現(xiàn),間作王草、益智、咖啡均不同程度提高膠園土壤有機質(zhì)含量,從而增強土壤微生物對碳源利用的代謝能力。

4 結(jié) 論

不同間作模式對膠園土壤微生物碳代謝功能和多樣性都有顯著影響。間作膠園土壤微生物對碳源利用的平均吸光值高于純林膠園,間作王草模式土壤微生物對碳水化合物類、氨基酸類、酚酸類、羧酸類和多聚物類的代謝能力較強,間作咖啡模式土壤微生物對胺類的代謝能力較強。間作膠園與純林膠園之間土壤微生物碳代謝功能多樣性差異顯著,間作后土壤碳源代謝的微生物物種更加豐富。膠園土壤微生物碳源代謝功能與土壤理化性狀之間有著密切關(guān)系,土壤含水量、pH、有機質(zhì)是影響膠園土壤碳代謝差異的主要環(huán)境因子。