秸秆还田对温室黄瓜根际土壤代谢和菌群的影响

来源:用户上传      作者:陈静 胡云 崔文芳

　　摘    要：以日光温室黄瓜为试验材料，通过在作物定植前土壤秸秆粉碎还田、秸秆过腹还田、炭化还田的不同处理，研究其对作物根际土壤代谢物、细菌菌群结构变化的影响，探讨秸秆还田方式影响作物根际代谢变化规律及其内在机制。试验结果表明，3种秸秆还田方式均可显著提高黄瓜根际3-（4-羟基苯基）丙基-2-烯酸，20-三氢氧化白三烯-B4、甘草黄素等阴离子代谢物含量以及腺苷、氯氮平氮氧化物、焦脱镁叶绿酸A、酰基肉毒碱、溶血磷脂酰乙醇胺、溶菌酶、溶血磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺等阳离子代谢物含量，均可明显提高放线菌门和拟杆菌门比例，降低酸杆菌门比例。根际土壤中酸杆菌门、变形菌门、放线菌门、绿弯菌门、拟杆菌门比例与许多代谢物显著正相关或负相关，部分代谢物对微生物菌群生长有一定的促进或抑制作用。综合来看，秸秆粉碎还田处理对根际代谢和菌群的影响和变化最大，效果优于其他处理。
　　关键词：黄瓜;秸秆还田;根际代谢;细菌菌群;温室
　　中图分类号：S642.2 文献标识码：A 文章编号：1673-2871（2020）07-014-05
　　Abstract：In present study， the cucumber of greenhouse was used to study the efect of straw crushed and returned farmland， straw turned into feces， and biochar on rhizosphere soil metabolites and bacterial flora structure， and to study the straw returned modes effecting rhizosphere metabolism of cucumber and its internal mechanism under drip irrigation. The study showed that three kinds of straw returned field significantly increased the content of  anion of 3-（4-Hydroxyphenyl）Prop-2-Enoic Acid， 20-Trihydroxy-leukotriene-B4， ALicorisoflavan A and the content of positive ion of Adenosine， Clozapine N-oxide， Pyrophaeophorbide a， Acylcarnitine， LysoPE， LysoDGTS， LysoPC， PE in rhizosphere， which significantly increased the proportion of Actinobacteria and Bacteroidetes，and decreased the proportion of Acidobacteria. The proportion of Acidobacteria， Proteobacteria， Actinobacteria， Chloroflexi， Bacteroidetes of rhizosphere soil were significantly positively or negatively correlated with many metabolites. Some metabolites promoted the growth of some rhizosphere microbial flora， while others inhibited. Generally， the effect of straw comminution returned to soil on rhizosphere metabolism was better than other treatments.
　　Key words：Cucumber; Straw returned soil; Rhizosphere metabolism; Bacterial communities; Greenhouse
　　秸稈还田是促进农业可持续发展的一种有效方式，可提高土壤水分利用效率，改善土壤结构，增加土壤肥力，促进作物根系、叶片生长并提高产量[1-2]。我国是农业秸秆产出大国，基于目前农业上肥料使用不合理所引发的面源污染问题日趋严重，新形势下研究秸秆还田下的农业生产方式，不但能减轻对环境的污染、减少资源浪费，而且对作物产量、品质提高具有积极作用[3]。作物根际代谢主要研究根际内源性小分子变化，内源性小分子是生物体分子信号传导、信息传递与反馈的关键物质，反映了生物基因、蛋白、外环境物质等多因素作用下综合的终末效应[4-5]，其变化可提示生物代谢标志物、代谢通路、酶活性与功能的变化[5]，对其分析有助于更好地理解土壤根际微域内植物根系与土壤、土壤生物之间化学信号交流的生物学过程[6]。
　　近年来关于秸秆还田报道较多，但主要集中在单一还田方式对土壤物理性状、养分和作物生长等方面的影响，在北方设施条件下秸秆还田方式影响黄瓜根际代谢物和细菌菌群变化的研究鲜见报道。笔者针对设施黄瓜作物，通过在黄瓜定植前土壤开展不同秸秆方式还田处理，研究其影响根际土壤代谢物和菌群变化规律内在机制，以期为设施秸秆还田提供一定的理论依据和实践指导。
　　1 材料和方法
　　1.1 材料
　　试验于2018年3—7月在内蒙古农业大学科技园区基地进行，试验用日光温室南北跨度7 m，东西长52 m，试验选用黄瓜品种为‘津春改良2号’，由天津市农业科学院黄瓜研究所选育。土壤性质为沙壤土，有机质、全氮、全磷、全钾质量分数分别为41.92、1.29、1.41、12.98 g·kg-1，容重1.26 g·cm-3，电导率107.39 μS·cm-1。 　　1.2 方法
　　试验采用随机区组，以正常土壤设为CK，在黄瓜定植前土壤表层0～30 cm进行玉米秸秆还田处理：粉碎还田秸秆按照20.00 t·hm-2均匀施入（FS处理）;按秸秆过腹转化率20.00%计算，过腹还田干羊粪施入量4.00 t·hm-2（GF处理）;按秸秆33.33%转化为生物炭计算，炭化还田生物炭施入量6.67 t·hm-2（TH处理）。黄瓜苗4月10日定植，种植密度为42 000株·hm-2，每处理小区面积20 m2，3次重复，各处理均为膜下滴灌，其他管理措施一致。在黄瓜结果盛期（6月15日），每种处理均用抖落法分别取6处样地根际土样进行代谢物重复性定性和定量测定，将6处土样混合测定细菌菌群。
　　1.3 测定方法
　　根际土样用有机试剂沉淀蛋白法进行代谢物提取，并在样品中插入QC样品以作试验重复评估。样品分别进行质谱扫描，利用高效液相色谱串联高分辨率质谱仪TripleTOF 6600在阴、阳离子模式下进行土壤处理样品非靶向代谢组学检测。根际土样细菌物种用16SrDNA高通量测序法测定，对测序获得数据进行样品区分、拼接、过滤及质控分析，对最终数据进行OUT聚类和物种分类学分析。
　　1.4 数据处理及分析
　　用XCMS软件进行代谢物检测，用metaX软件进行二级代谢物定量和差异物筛选，对提取到的物质用CAMERA进行离子注释，用质谱二级信息与in-house标准品数据库匹配，用HMDB、KEGG等数据库进行代谢物注释。用RDP、Greengenes和NCBI数据库资源做细菌物种分析并用R语言绘制物种热图，在门分类水平列出前20种优势菌群，利用不同颜色和长度反映细菌群落组成差异性和比例，基于OUT组成分析结果用Euclidean，Unweighted Unifrac，Weighted Unifrac 3种算法计算样品间距离矩阵，用UPGMA法对样品进行丰度相似性聚类。处理间用SPSS 19.0 软件进行单因素方差分析与显著性分析。
　　2 结果与分析
　　2.1 不同处理对黄瓜根际土壤代谢物含量的影响
　　由表1可知，与CK相比，FS、GF、TH处理均显著提高3-（4-羟基苯基）丙基-2-烯酸、20-三氢氧化白三烯-B4和甘草黄素含量;FS、GF处理均显著提高3a，7a，12a-三羟基-5b-胆甾烷-26-醛和嗜焦素含量，而TH处理与CK差异不显著;FS、TH处理均可显著提高赛克利嗪含量，而GF处理与CK差异不显著;FS处理可显著提高4-硝基苯酚含量，而GF、TH处理与CK差异不显著;GF、TH处理可显著提高脱氢卡巴碱II含量，而FS处理与CK差异不显著。
　　由表2可知，与CK相比，FS、GF、TH处理均显著提高腺苷、氯氮平氮氧化物、焦脱镁叶绿酸A、酰基肉毒碱、溶血磷脂酰乙醇胺、溶菌酶、溶血磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺含量;FS、GF处理均显著提高鸟苷、醋酸阿伐他丁含量，而TH处理与CK差异不显著;FS处理可显著提高（Z）-2-辛烯、6，10，14-三甲基-5，9，1-十五碳二烯-2-酮、亚油酸含量，而GF、TH处理与CK差异不显著;TH处理可显著提高六氢芬宁、己酸香茅酯，而FS、GF处理与CK差异不显著;GF处理可显著提高1，2，4-苯三甲酸三（4-十二烯基）酯含量，而FS、TH处理与CK差异不显著。
　　2.2 不同处理对黄瓜根际土壤细菌群落结构的影响
　　由图1可知，在门分类水平上，经聚类分析结果表明，CK和TH处理为一类，GF处理与CK、TH处理相比有一定差异，FS处理与CK、TH、GF处理相比差异性最大;构成黄瓜根际土壤优势细菌群落结构为酸杆菌门（Acidobacteria）、变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）、芽单胞菌门（Gemmatimonadetes）、绿弯菌门（Chloroflexi）、厚壁菌门（Firmicutes）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、浮霉菌门（Planctomycetes）等，占到各样品土壤细菌群落比例89.79%～91.30%;与对照相比，FS处理可明显提高细菌比例为：放线菌门50.23%、芽单胞菌门4.38%、绿弯菌门11.10%、拟杆菌门13.94%、浮霉菌门8.39%，可明显降低的细菌比例为：酸杆菌门20.61%、厚壁菌门11.53%;GF处理可明显提高细菌比例为：放线菌门19.44%、芽单胞菌门3.82%、厚壁菌门34.58%、拟杆菌门25.45%，可明显降低的比例为酸杆菌门9.76%、变形菌门7.20%;TH处理可明显提高比例为：放线菌门17.44%、拟杆菌门34.55%，可明显降低比例为：酸杆菌门5.07%、芽单胞菌门5.16%、浮霉菌门21.68%。总体来看，3种处理均可明显提高放线菌门和拟杆菌门比例，降低酸杆菌门比例。
　　2.3 根際代谢物与细菌菌群相关性分析
　　由表3可知，酸杆菌门比例与3-（4-羟基苯基）丙基-2-烯酸、（Z）-2-辛烯、6，10，14-三甲基-5，9，1-十五碳二烯-2-酮、亚油酸、醋酸阿伐他丁、酰基肉毒碱含量均显著负相关，变形菌门比例与甘草黄素含量显著负相关，放线菌门比例与3-（4-羟基苯基）丙基-2-烯酸、（Z）-2-辛烯、焦脱镁叶绿酸A、6，10，14-三甲基-5，9，1-十五碳二烯-2-酮、亚油酸、酰基肉毒碱含量、溶血磷脂酰胆碱均显著正相关，绿弯菌门比例与（Z）-2-辛烯、焦脱镁叶绿酸A、6，10，14-三甲基-5，9，1-十五碳二烯-2-酮、亚油酸均显著正相关，拟杆菌门比例与脱氢卡巴碱II显著正相关。
　　3 讨 论
　　根际代谢组学旨在分析植物根土交互界面根系分泌作用相关的初生代谢物、化学信号物质等，以及与根系相关的微生物菌群分泌物[6]。根据对不同施氮处理下玉米根系分泌物检测表明：与常规施氮比较，85%施氮量下分泌物中α-葡萄糖、苹果酸、亮氨酸、缬氨酸水平显著增加，而55%施氮量下分泌物水平呈下降趋势[7]。有研究表明，作物根系分泌物释放可通过增加土壤碳素有效性而降低潜在氮损耗风险[8]。氮亏缺条件下玉米根系分泌物中天冬氨酸、酪氨酸、异亮氨酸、赖氨酸和麦芽糖含量下降[9]。玉米根系分泌物总量随施氮量增加而增加，高氮条件下根系分泌物中糖、糖醇、酚显著增加，而羧酸类化合物、胺类、多元醇、脂类没有显著差异[10]。本试验结果发现，不同秸秆还田方式均可显著提高设施黄瓜根际NA、脂肪酰基、异黄酮类等阴离子代谢物及核苷和核苷酸及其类似物、脂类和类脂分子等阳离子代谢物的含量，与前人直接施入氮素影响代谢物种类不完全相同。 　　植物根系分泌物可影响并调节根际土壤物理特性、营养有效性、植物根系与根际微生物间信号交流[11]，特别在微生物生长促进方面发挥着重要作用[12]，根系分泌物中糖和糖醇可作为许多微生物能量源和通用趋化性物质[7]。另外，植物可通过根系分泌物增溶作用、还原/配位作用、配体交换反应影响土壤营养有效性[13]。植物根系分泌物中碳水化合物和氨基酸可作为向化因子引诱植物生长，促进根围细菌到植物根际区域而有助于植物生长[14]。本试验结果表明，根际土壤中酸杆菌门、变形菌门、放线菌门、绿弯菌门、拟杆菌门比例与许多代谢物显著正相关或者负相关，说明根际代谢物通过一定的调控作用对根际微生物一些菌群生长发挥着重要的影响，最终影响作物生长和发育，与前人研究结果相符，但通过试验发现一部分根际代谢物对根际微生物菌群生长有促进作用，而另一部分根际代谢物对根际微生物菌群生长有抑制作用，这在一定程度上可补充前人的研究内容。
　　已有研究结果表明，黄瓜根际土壤变形菌门、放线菌门细菌比例提高可促进碱解氮、速效磷、速效钾质量比提升[15]，厚壁菌门细菌可提高速效磷质量，而酸杆菌门抑制黄瓜茎粗和叶片生长，绿弯菌门抑制土壤脲酶活性[16]。结合本试验相关分析可知，秸秆还田可提高根际土壤中3-（4-羟基苯基）丙基-2-烯酸、（Z）-2-辛烯、6，10，14-三甲基-5，9，1-十五碳二烯-2-酮、亚油酸、醋酸阿伐他丁、酰基肉毒碱、焦脱镁叶绿酸A、溶血磷脂酰胆碱等代谢物含量，推测这些代谢物可能在黄瓜根际土壤养分供给和促进根系生长方面起到一定作用。
　　4 结 论
　　（1）与对照相比，FS、GF、TH处理均显著提高3-（4-羟基苯基）丙基-2-烯酸，20-三氢氧化白三烯-B4和甘草黄素等阴离子代谢物含量，显著提高腺苷、氯氮平氮氧化物、焦脱镁叶绿酸A、酰基肉毒碱、溶血磷脂酰乙醇胺、溶菌酶、溶血磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺等阳离子代谢物含量，均明显提高放线菌门和拟杆菌门比例，降低酸杆菌门比例。
　　（2）根际土壤中酸杆菌门、变形菌门、放线菌门、绿弯菌门、拟杆菌门比例与许多代谢物显著正相关或负相关，说明部分根际代谢物对根际一些微生物菌群生长有促进作用，部分根际代谢物对一些根际微生物菌群生长有抑制作用。秸秆还田后可提高根际土壤中3-（4-羟基苯基）丙基-2-烯酸、（Z）-2-辛烯、6，10，14-三甲基-5，9，1-十五碳二烯-2-酮、亚油酸、醋酸阿伐他丁、酰基肉毒碱、焦脱镁叶绿酸A、溶血磷脂酰胆碱等代谢物含量，对黄瓜根际土壤养分供给和促进根系生长方面起到一定作用。
　　（3）综合来看，FS处理对根际代谢影响最大，除与其他处理具有相同影响外，还可显著提高3a，7a，12a-三羟基-5b-胆甾烷-26-醛，嗜焦素、4-硝基苯酚、赛克利嗪等阴离子代谢物含量，显著提高鸟苷、醋酸阿伐他丁、（Z）-2-辛烯、6，10，14-三甲基-5，9，1-十五碳二烯-2-酮、亚油酸含量等阳离子代谢物含量。FS处理可明显提高土壤根际放线菌门、芽单胞菌门、绿弯菌门、拟杆菌门、浮霉菌门比例，而明显降低酸杆菌门细菌和厚壁菌门细菌比例。
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