川西低山丘陵区茶园土壤团聚体微生物学特性研究

来源 :四川农业大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:cuisong521
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受经济发展和人口增长等因素的驱动,川西低山丘陵区的土地利用结构发生了明显变化,退耕还茶(Camellia sinensis L.)已成为该区域的主要退耕模式。在茶园生态系统中,由于茶园的施肥管理、茶树凋落物归还于土壤以及根系分泌物等原因,使得土壤理化性质发生一系列变化。土壤微生物为了适应该环境,必须对自身特性和适应机能进行修饰和改造,使其活性与群落多样性能够敏感反映出土壤质量所受环境胁迫的状况。作为土壤结构的基本单元,土壤团聚体的形成与稳定深刻影响着土壤微生物的生存环境,摸清微生物与团聚体之间的耦合关系,有助于揭示土壤微生物学特性对植茶年限的响应机制。鉴于此,本研究在野外调查的基础上,选择成土母质相同、地块位置相对集中且管理措施相似的植茶年限分别为16年、23年、31年和53年的老川茶园土壤为采样对象,采用干筛法将土样分为>2、2-1、1-0.25和<0.25 mm粒径团聚体并测定各粒径团聚体的相关指标。以期从土壤团聚体的角度出发,探讨不同植茶年限土壤团聚体微生物活性及其群落特征差异,为指导区域退耕还茶工程的实施及茶园土壤可持续利用奠定理论基础。主要研究结果如下:(1)茶园土壤有机碳和全氮主要分布在>1 mm粒径团聚体中,其含量分别为17.79-24.00和0.51-0.99 g kg-1;土壤碱解氮、有效磷和速效钾则集中于<0.25 mm粒径团聚体,其含量分别为36.42-47.47、23.62-29.31和37.80-62.53 mg kg-1;而土壤团聚体pH值在各粒径间差异不显著。长期植茶有助于土壤有机碳、全氮、碱解氮和有效磷的积累,但不利于土壤速效钾的保持。土壤团聚体平均质量直径(MWD)表现为植茶23年(2.44 mm)>31年(2.16 mm)>16年(2.01 mm)>53年(1.99 mm),说明植茶23年土壤团聚体稳定性较高。在植茶过程中,土壤有机碳及养分的主要载体为>2mm粒径团聚体,其储量变化的主要贡献粒径会因植茶阶段的不同而发生明显变化。(2)不同植茶年限土壤微生物量碳、氮含量和微生物基础呼吸量、基质诱导呼吸量在>2 mm粒径团聚体中显著高于其他粒径,其平均值分别为570.31、94.27 mg kg-1和5.25、116.65 mg kg-11 h-1,说明该粒径团聚体对土壤碳素循环和养分释放具有重要意义;与之相反,在<0.25 mm粒径团聚体中土壤微生物量及呼吸作用强度较低,从而有助于土壤有机碳及养分的贮存。植茶23年土壤为微生物提供了适宜的生存条件,使其生物量及呼吸作用强度显著高于其他年限。土壤微生物量碳、氮含量和微生物基础呼吸量、基质诱导呼吸量在植茶23年时分别为572.80、101.75 mg kg-1和5.46、112.95 mg kg-11 h-1。随着植茶年限的延长,>0.25 mm粒径团聚体微生物量及呼吸作用强度先升高后降低,在植茶23?年时较高;而在<0.25 mm粒径团聚体中,土壤微生物量及呼吸作用强度在各植茶年限间差异不显著。(3)茶园土壤β-葡萄糖苷酶、蔗糖酶、脲酶和蛋白酶主要分布在>2 mm粒径团聚体中,其活性分别为183.61-227.05、619.54-705.81、431.63-535.14和37.36-48.96 mg kg-11 h-1;而土壤多酚氧化酶和酸性磷酸酶活性受团聚体粒径变化的影响较小。随着植茶年限的延长,土壤碳氮循环相关酶活性(包括β-葡萄糖苷酶、蔗糖酶、脲酶以及蛋白酶)先升高后降低,在植茶23年时处于较高水平,其值分别为275.12、831.88、58.66和127.73 mg kg-11 h-1。说明,在植茶前期(16年至23年)土壤积累的有机质更易被微生物矿化分解,释放更多养分供茶树生长;而在植茶后期(23年至53年)土壤积累的有机质分解速率有所降低,有助于土壤有机碳及养分的贮存。在团聚体分级过程中,各类酶活性有不同程度损失。不同植茶年限土壤β-葡萄糖苷酶、蔗糖酶、多酚氧化酶、脲酶、蛋白酶以及酸性磷酸酶活性的平均回收率分别为79.37%、83.98%、86.27%、78.29%、77.86%以及86.80%。土壤>2 mm粒径团聚体是各类酶的主要载体,其对全土酶活性的贡献率达37.43%-52.57%。(4)不同植茶年限土壤团聚体细菌磷脂脂肪酸(PLFA)含量最高,为14.68-70.58nmol g-1,占微生物PLFA总量的46.84%-72.40%;其次是真菌和放线菌,而丛枝菌根真菌最低,说明土壤细菌在不同类群微生物中占绝对优势。土壤>2 mm粒径团聚体不仅孔隙度大、通气良好,同时还包裹着较多数量的新鲜有机质,为各类群微生物的协调生长提供了有利条件,使得各植茶年限土壤微生物量及群落结构多样性在该粒径团聚体中较高。植茶23年土壤为微生物的繁殖提供了丰富的易分解底物和稳定的土壤结构,导致土壤微生物群落的结构丰富度和均匀度在该植茶年限处于较高水平。冗余分析发现,土壤微生物熵和pH值在>2、2-1、1-0.25和<0.25 mm粒径团聚体中累计解释土壤微生物群落变化的38.7%、38.9%、50.1%和27.4%。在植茶过程中,土壤有机质质量变化(由微生物熵表征)和土壤酸化对微生物群落的结构组成具有重要影响。同时,植茶年限还可通过影响土壤团聚体的组成及稳定性间接影响微生物群落的结构组成及多样性。(5)茶园土壤细菌的优势类群为变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)和酸杆菌门(Acidobacteria),其相对丰度分别为28.8%-46.8%、13.8%-32.1%、10.7%-28.7%和7.4%-14.5%,占细菌的75.0%-94.2%。随着植茶年限的延长,土壤贫营养类群(绿弯菌门和酸杆菌门)细菌的相对丰度逐年升高,而土壤富营养类群(变形菌门和放线菌门)细菌的相对丰度先升高后降低,在植茶23年时最高。可见,不同类群细菌的相对丰度对植茶年限的响应存在明显差异。冗余分析显示,土壤微生物熵和pH值可较全面解释细菌群落的结构组成变化,其在>2、2-1、1-0.25和<0.25 mm粒径团聚体中累计解释土壤细菌群落变化的51.9%、38.7%、40.7%和20.5%。在>2 mm粒径团聚体中,土壤细菌群落的结构丰富度和均匀度显著高于其他粒径。植茶23年为土壤细菌提供了有利的生长条件,使其群落的结构丰富度和均匀度处于较高水平。(6)不同植茶年限土壤细菌利用的碳源以羧酸类为主,糖类和氨基酸类次之,胺类、多酚类和聚合物较少。其中,羧酸类的平均颜色变化率(AWCD)较大,为0.48-1.49;其次是糖类和氨基酸类,而胺类、多酚类和聚合物的AWCD均较小,分别为0.18-0.37、0.25-0.43和0.29-0.39。在>2 mm粒径团聚体中土壤细菌利用碳源的能力和多样性处于较高水平,说明该粒径团聚体的形成与稳定对维持茶园土壤细菌群落的功能多样性具有重要意义。植茶23年为土壤细菌提供了良好的生存环境和丰富的碳源,从而使其代谢活性和功能多样性显著高于其他年限。冗余分析表明,土壤微生物熵和pH值是主要贡献因子,其在>2、2-1、1-0.25和<0.25 mm粒径团聚体中累计解释土壤细菌代谢活性变化的53.4%、54.8%、39.3%和23.8%。在植茶过程中,土壤有机质质量变化和土壤酸化对细菌代谢活性的变化具有重要影响。此外,土壤环境还可通过影响土壤细菌群落的结构特征间接影响其功能特征。
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