旱作區農田土壤AM 真菌對長期有機無機施肥的響應*

田 霞,王 媛,張 雨,郭 蓉,馬 琨

(寧夏大學西北退化生態系統恢復與重建教育部重點實驗室/寧夏大學西北土地退化與生態恢復國家重點實驗室培育基地 銀川 750021)

叢枝菌根(AM)真菌可與自然界中絕大部分植物形成共生關系[1],在促進土壤物質循環、改善土壤結構[2]、提升土壤質量[3]等方面發揮重要作用。然而,AM 真菌對土壤質量的影響卻取決于其群落組成[4]。因此,了解AM 真菌群落動態變化對于長期有效的土壤生態系統管理非常重要。

施肥在保持和改善土壤肥力的同時影響了土壤AM 真菌群落組成和多樣性。已有研究報道了無機肥施用對土壤AM 真菌群落的影響。如,Chen 等[5]、Zeng 等[6]研究認為,施用化學氮、磷肥對土壤AM真菌群落多樣性有負面影響;氮肥施用對AM 真菌群落的多樣性(Shannon 指數)產生了負效應,受無機氮肥施用影響,土壤pH、硝態氮和速效磷的變化是驅動AM 真菌群落變化的主要因素[6]。Liu 等[7]也發現,施用無機肥會降低高寒草甸生態系統下垂穗披堿草(Elymus nutansGriseb.)草地土壤AM 真菌群落多樣性并改變群落組成;長期施用無機肥會導致黑土中AM 真菌群落組成減少[8]。綜合比較發現,長期施用無機氮、磷肥會對地上植物群落的物種豐富度產生負面影響,也會導致寄主植物對AM 真菌的碳分配減少,進而降低AM 真菌群落多樣性。但Cheng 等[9]卻發現,長期或短期施用無機肥會顯著增加AM 真菌多樣性。分析認為,這主要是由于該試驗中氮和磷施用一方面顯著促進了植物根系發育,使AM 真菌獲得更多的碳源,但另一方面導致土壤pH 下降,刺激AM 真菌的菌絲分枝、囊泡形成和定殖,有利于AM 真菌多樣性提高。此外,土壤AM 真菌多樣性的提高也與90 多年的輪作模式有關。有機肥作為微生物的主要底物和能量來源,也會影響AM 真菌的群落組成[10]。Oehl 等[11]認為,有機肥的施用對AM 真菌多樣性有積極影響。長期有機肥施用增加了AM 真菌多樣性,但降低了AM 真菌的豐富度[12]。然而,Wang 等[13]卻發現,黃淮海平原長期施用有機肥對土壤AM 真菌群落組成和多樣性有顯著的負面影響。但Qin 等[14]認為,施用有機肥有利于土壤AM 真菌的生長,長期有機肥與無機肥配施卻會抑制土壤AM 真菌群落多樣性。Ma 等[4]利用中國東北黑土地37 年的長期研究證實,AM 真菌群落多樣性降低和升高是由長期無機肥和有機肥配施導致的土壤理化性質變化所驅動。Luo 等[15]針對15年不同有機無機肥配施后玉米(Zea maysL.)-小麥(Triticum aestivumL.)輪作系統中土壤AM 真菌群落研究得出,施肥通過改變表層和底土中速效磷和土壤有機碳水平而導致AM 真菌群落組成產生差異;施肥情況下,作物種類、覆蓋作物、農業管理活動和土壤環境都會影響AM 真菌群落結構。因此,無機肥、有機肥以及有機無機肥混施導致土壤AM 真菌多樣性升高、降低或不變等不一致的結果說明,AM 真菌對土壤環境變化的響應,應該是施肥類型、施肥方式、土地利用方式、土壤性質、氣候條件以及AM 真菌特性等因素綜合作用的結果,其對土壤AM 真菌群落結構組成及多樣性變化的驅動機制仍需要進一步研究。

寧夏中部旱作區水資源匱乏、干旱嚴重、土壤貧瘠肥力較低,土壤培肥對提升土壤生態系統生產力的作用顯著。但有關長期有機無機肥配施下,旱作區土壤AM 真菌群落對肥料類型、培肥過程的響應以及有機無機肥配施驅動AM 真菌變化的作用機制仍不明確。因此,為揭示長期有機無機施肥對AM 真菌群落組成和多樣性的影響機制,在寧夏中部干旱區進行了為期11 年的施肥研究,旨在闡明旱作區土壤AM 真菌群落變化與土壤環境因子間的相互關系,揭示AM 真菌多樣性及組成對培肥管理的響應規律,以期為寧夏中部旱作區合理施肥管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地位于寧夏同心縣王團鎮旱作節水示范區(36°51′N,105°59′E),該區域地處寧夏中部干旱帶,屬典型大陸性氣候。年均降水量272.6 mm,蒸發量2740 mm,年均氣溫8.7 ℃。土壤質地為灰鈣土,試驗地為2010 年秋季新推耕地,試驗前0～20 cm 土壤基礎理化性狀為: 全氮0.18 g?kg?1、全磷0.65 g?kg?1、有機質4.78 g?kg?1、堿解氮9.13 mg?kg?1、速效磷9.32 mg?kg?1、速效鉀97.08 mg?kg?1、pH 9.20。

1.2 試驗設計與樣品采集

試驗開始于2011 年3 月,2011—2016 年種植模式為馬鈴薯(Solanum tuberosumL.)—油葵(Helianthus annuusL.)—馬鈴薯—油葵—油葵—玉米輪作,2017—2021 年均種植玉米。試驗采用單因素隨機區組設計,4 個處理,3 次重復,小區面積90 m2(6 m×15 m)。處理為不施肥(T0)、單施化肥(T1)、化肥+牛糞有機肥(T2)、化肥+羊糞有機肥(T3)。牛糞有機肥的年施用量為37 500 kg?hm?2,牛糞(以風干基計)含有機質36.09%、全氮19.09 g?kg?1、全磷11.06 g?kg?1、全鉀12.28 g?kg?1、全鹽23.12 g?kg?1,pH 7.62;羊糞施用量為37 500 kg?hm?2,羊糞(以風干基計)含有機質41.15%、全氮21.93 g?kg?1、全磷14.33 g?kg?1、全鉀7.72 g?kg?1、全鹽4.69 g?kg?1,pH 7.62。長期定位試驗中,馬鈴薯和玉米的氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)肥配比為12∶6∶7,施用量分別為尿素 391.35 kg?hm?2、重過磷酸鈣195.6 kg?hm?2、硫酸鉀210 kg?hm?2;油葵氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)肥配比為12∶6∶4,施用量分別為尿素 391.35 kg?hm?2、重過磷酸鈣 195.6 kg?hm?2、硫酸鉀 120 kg?hm?2。全部的重過磷酸鈣、硫酸鉀以及30%尿素在春季整地時基施,剩余70%尿素追施。牛糞、羊糞有機肥在秋季土地翻耕整理時做基肥一次性施入。玉米采用寬窄行種植(寬行行距為70 cm,窄行行距40 cm,株距20 cm),栽培管理措施一致。玉米采用滴管方式,各年間補充灌水定額均為1800 m3?hm?2。年際間的滴灌時間基本相似,分別在5 月23 日、6 月23 日、7 月12 日、8 月2 日左右,玉米主要生育期滴灌補水4 次,每次補水均為450 m3?hm?2。

2018 年和2021 年,玉米收獲期均在10 月3 日,收獲前利用5 點采樣法采集試驗各處理試驗小區0～20 cm 耕層土壤樣本。為減少處理間的誤差,各試驗小區均采集獨立樣本2 個。樣品置于4 ℃冰盒保存帶回實驗室。一部分樣品自然風干,用于土壤理化性質測定。另一部分土壤樣品過2 mm 篩后,保存在?80 ℃冰箱中,用于土壤AM 真菌多樣性測定。

1.3 測定方法

1.3.1 土壤理化性質測定

土壤全氮采用半微量凱式法測定,土壤堿解氮采用堿解擴散法測定,土壤全磷采用HClO4-H2SO4鉬銻鈧比色法測定,土壤速效磷采用Olsen 法測定,土壤速效鉀采用NH4OAc 浸提火焰光度法測定,土壤有機質采用重鉻酸鉀容量-外加熱法測定,土壤pH采用1∶5 水土比測定[16]。

1.3.2 DNA 提取、PCR 擴增和測序

土壤AM 真菌的DNA 提取、擴增參照馬琨等[17]的步驟。采用Illumina 公司的TruSeq Nano DNA LT Library Prep Kit 制備測序文庫,由上海派森諾生物科技有限公司對AM 真菌群落DNA 片段進行雙端測序,首先調用qiimecutadapt trim-paired 切除序列的引物片段,棄去未匹配引物的序列;然后通過qiime dada2 denoise-paired 調用DADA2 進行質控、去噪、拼接、去嵌合體。對于AM 真菌序列選用UNITE 數據庫,采用QIIME2 的classify-sklearn 算法,對于每個OTU 的代表序列,在QIIME2 軟件中使用默認參數,使用預先訓練好的Naive Bayes 分類器進物種注釋,獲得每個樣本中的AM 真菌群落在各分類水平的具體組成。使用QIIME2 軟件中的多樣性插件,對每個樣品的α 指標(包括Chao1 豐富度指數,Shannon 多樣性指數)進行估計。在OTU 層面,計算各樣本的距離矩陣,并通過多種非監督的排序、聚類手段,結合相應統計學檢驗方法,衡量不同樣本(組)間的β 多樣性差異及差異顯著性。各處理組間分類學組成的差異分析使用Mothur 軟件,調用Metastats 的統計學算法,對基于屬水平的各分類單元序列量差異進行比較檢驗。

1.4 數據處理與統計分析

利用Excel 2019 進行數據整理,采用DPS 7.05軟件進行單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著性差異(LSD 檢驗,P＜0.05)。采用Origin 2021繪制AM 真菌屬水平相對豐度分布圖。非度量多維尺度(NMDS)用Vegan 和ggplot2 包在R 軟件進行可視化。采用Canoco 5.0 軟件進行AM 真菌多樣性、豐富度及基于屬水平上AM 真菌群落組成相對豐度與土壤環境要素間的冗余分析(RDA),采用蒙特卡洛999 次隨機無限排列檢驗,確定土壤因子的顯著性影響(P＜0.05)。

2 結果與分析

2.1 有機無機肥配施對土壤理化性質的影響

由表1 可見,在長期有機無機肥配施下,土壤全氮、有機質和速效磷含量均顯著增加(P＜0.05)。與T0 處理相比,培肥7 年后(2018 年),T2、T3 處理的土壤全氮含量顯著提高64.00%、56.00%,有機質顯著提高58.27%、41.06%,有效磷含量顯著提高124.31%、113.90%;培肥10 年后(2021 年),與T0 處理相比,T2、T3 處理的土壤全氮顯著增加78.05%、85.37%,有機質顯著增加85.86%、100.25%,有效磷含量顯著提高117.17%、85.49%。但長期有機無機結合的培肥措施顯著降低了土壤pH (P＜0.05),較T0處理而言,2018 年T2、T3 處理顯著降低2.51%、2.05% (P＜0.05),2021 年顯著下降1.09%、0.97%。

表1 2018 年和2021 年不同有機無機肥配施處理下的土壤理化性質和作物產量Table 1 Soil physicochemical properties and crop yields under different treatments of long-term combined application of organic and inorganic fertilizers in 2018 and 2021

表2 2018 年和2021 年長期有機無機肥配施對土壤叢枝菌根(AM)真菌群落α 多樣性的影響Table 2 Effect of long-term combined application of organic and inorganic fertilizers on α diversity of soil arbuscular mycorrhiza(AM) fungal communities in 2018 and 2021

2021 年,化肥配施牛糞有機肥和配施羊糞有機肥處理間對土壤理化性狀的影響整體上無明顯差異。與2018 年相比,2021 年T0、T1 和T3 處理下土壤全磷、速效鉀含量均呈顯著下降趨勢。其中,土壤全磷含量顯著下降50.77%、51.35%和44.77% (P＜0.05);速效鉀含量顯著下降52.29%、75.34%和29.08%(P＜0.05)。

有機無機肥配施對作物產量影響較大,但玉米產量對不同施肥措施有不同的響應。整體上,不同施肥處理下2018 年產量高于2021 年產量。在2018年,T3 處理玉米產量最高,其次是T2 處理,與T0 處理相比,T2 和T3 處理分別顯著提高62.26%、89.33%(P＜0.05),但兩處理間無顯著差異。2021 年,玉米產量順序為T3＞T2＞T1＞T0,T1、T2 和T3 較T0 處理分別顯著提高166.23%、197.08%和206.94% (P＜0.05)。

2.2 有機無機肥配施對土壤AM 真菌群落組成的影響

長期有機無機肥配施下,2018 年和2021 年,土壤AM 真菌由12 屬下降到7 屬,土壤AM 真菌減少5 屬(圖1)。其中,無梗囊霉屬(Acaulospora)、內養囊霉屬(Entrophospora)、巨孢霉屬(Gigaspora)、耳孢囊霉屬(Otospora)和有隔球囊霉屬(Septoglomus)的AM 真菌在2021 年均未發現。

圖1 2018 年(a)和2021 年(b)長期有機無機肥配施處理下土壤叢枝菌根(AM)真菌屬水平群落組成Fig.1 Community composition of arbuscular mycorrhiza (AM) fungi at genus level in 2018 (a) and 2021 (b) under different treatments of long-term combined application of organic and inorganic fertilizers

連續有機無機肥配施7 年后(2018 年),土壤AM 真菌優勢屬為球囊霉屬(Glomus)、近明球囊霉屬(Claroideoglomus)和類球囊霉屬(Paraglomus),平均相對豐度分別占總序列的39.83%、28.38%、25.82%。連續有機無機肥配施10 年后(2021 年),AM 真菌優勢屬仍為球囊霉屬和類球囊霉屬,平均相對豐度分別達19.78%和28.58%。盡管球囊霉屬和類球囊霉屬AM 真菌均為長期培肥下的優勢屬,但2021 年土壤近明球囊霉屬的相對豐度從2018 年的28.38%降低為1.00%,為非優勢屬?？梢?在長期培肥條件下,與球囊霉屬和類球囊霉屬相比,近明球囊霉屬更容易受長期培肥影響而發生顯著改變。

2018 年,與T0 相比,T2 和T3 處理下AM 真菌兩性球囊霉屬(Ambispora)的相對豐度分別下降85.55%和81.05%,處理間兩性球囊霉屬AM 真菌相對豐度有顯著性差異(P＜0.05)。但隨培肥時間延長,2021 年不同處理間土壤兩性球囊霉屬物種相對豐度差異消失。與2018 年相比,2021 年AM 真菌群落屬水平相對豐度下降,其中兩性球囊霉屬、原囊霉屬(Archaeospora)、盾巨囊霉屬(Scutellospora)、近明球囊霉屬和球囊霉屬分別降低85.74%、99.91%、97.74%、97.52%和50.35%。

2.3 有機無機肥配施對土壤AM 真菌群落α 多樣性的影響

由表2 可知,與T0 相比,2018 年T2 和T3 處理下土壤AM 真菌群落的多樣性指數(Shannon 指數)和豐富度指數(Chao1 指數)下降。其中,T2 和T3 處理下的Shannon 指數分別顯著下降13.78%和15.69%(P＜0.05);Chao1 指數分別下降9.92%和18.89%,T3處理達顯著水平;但T2 和T3 處理間Shannon 指數和 Chao1 指數無顯著差異。有機無機肥配施對Simpson 指數沒有顯著影響。

2021 年,AM 真菌多樣性指數(Shannon 指數和Simpson 指數)和豐富度指數(Chao1 指數)在不同施肥處理間均無顯著差異。隨著培肥時間變化,2021年各處理AM 真菌群落Chao1 指數顯著降低,與2018 年相比,T0、T1、T2 和T3 處理的Chao1 指數分別下降41.13%、42.16%、28.54%和10.45%。

2.4 長期有機無機肥配施對土壤AM 真菌群落β 多樣性的影響

基于Bray-Curties 距離的NMDS 分析顯示(圖2),長期不同培肥階段(2018 年、2021 年)不同施肥處理的土壤AM 真菌群落組成差異極顯著(P=0.001,R2=0.35;P=0.001,R2=0.26)。T0 與T1、T0 與T2 和T3 間在不同年NMDS 的排序圖上均明顯分開(圖2a,b);其中,T0 與T2、T3 間的距離明顯大于其與T1 間的距離。這表明,T0 與T2、T3 處理間土壤AM 真菌群落組成的差異較T0 與T1 處理間的差異更大;而T2 和T3 處理的土壤AM 真菌群落較為相似,兩處理間無明顯差異?？梢?采用化肥+牛糞有機肥或化肥+羊糞有機肥的培肥方式能夠較好地維持AM 真菌群落結構的相似性。相似的土壤培肥方式更有利于形成相似的土壤AM 真菌群落組成。

圖2 2018 年(a)和2021 年(b)長期不同施肥處理土壤叢枝菌根(AM)真菌屬水平群落結構的非度量多維尺度(NMDS)分析Fig.2 Non-metric multidimensional scaling (NMDS) analysis on a Bray-Curtise dissimilarity matrix of soil arbuscular mycorrhiza(AM) community composition at genus level in 2018 (a) and 2021 (b) under different long-term fertilization treatments

2.5 土壤AM 真菌群落組成、多樣性與土壤理化性質的RDA 分析

冗余分析(RDA)顯示: 2018 年,兩個排序軸對AM 真菌群落的解釋度分別為35.34%和19.83%;2021 年,第1 和第2 排序軸能夠解釋15.38%和10.95%的方差(圖3),AM 真菌群落組成對長期有機無機肥配施處理產生了不同響應。其中,2018 年,AM 真菌豐富度指數(Chao1)和多樣性指數(Simpson指數、Shannon 指數)與土壤全氮、堿解氮、有機質、速效磷呈負相關關系,與pH 呈正相關關系。2021年,AM 真菌豐富度指數(Chao1 指數)與土壤全磷、有機質、速效鉀、速效磷、全氮正相關,與pH 負相關;但AM 真菌Shannon 指數和Simpson 指數與pH正相關,和其他因子負相關,與AM 真菌豐富度呈相反的趨勢。屬水平分類學組成中,AM 真菌均不同程度地受到土壤全氮、全磷、有機質、速效磷和pH等的影響。2018 年,球囊霉屬和類球囊霉屬相對豐度的改變與pH 呈正相關,而2021 年球囊霉屬豐度與pH 正相關,類球囊霉屬與pH 負相關;兩個年度的AM 真菌球囊霉屬和類球囊霉屬相對豐度均與全氮、全磷、有機質等呈負相關。蒙特卡洛前向選擇檢驗表明: 2018 年,AM 真菌群落組成和多樣性僅與全氮(F=9,P=0.001)和pH (F=2.9,P=0.039)呈極顯著或顯著相關,與其他土壤環境因子的相關性均不顯著。土壤全氮、pH 是AM 真菌群落變化的主要驅動因素,其貢獻率為59.20%。2021 年,AM 真菌群落結構和多樣性的主要驅動因素只有土壤全磷,貢獻率為26.10% (F=2.3,P=0.035)?？梢?隨培肥時間的變化,受培肥方式的影響,驅動土壤AM 真菌群落結構和多樣性變化的土壤因子會發生顯著改變。

圖3 2018 年(a)和2021 年(b)土壤叢枝菌根(AM)真菌群落結構、多樣性與土壤環境因子的RDA 分析Fig.3 Redundancy analysis (RDA) of soil arbuscular mycorrhiza (AM) community structure,diversity and soil environmental factors in 2018 (a) and 2021 (b)

3 討論

3.1 長期有機無機肥配施對土壤的影響

本研究中,長期培肥使土壤有機質、全氮含量增加,pH 下降,有機無機肥配施處理效果最顯著,這與馬桂秀等[18]的研究一致。多年的種植、培肥改善了土壤結構,作物植株的枯落物和根系分泌物為土壤微生物生長提供了有利條件,促進土壤腐殖質的形成,增加了土壤有機質含量。牛糞等有機肥的施入直接為土壤提供豐富的有機物質,當有機質被分解后會產生大量的有機酸和腐殖酸等物質,能夠釋放土壤中原本不易分解和轉化的礦質養分,使土壤中的養分含量大幅度提高[19]。有機無機配施培肥下土壤有機質含量高于單施化肥,這與牛糞、羊糞本身含有較高有機碳,連續施用改善了土壤養分的供給特征有關。以往的研究表明,土壤有機質和全氮之間呈顯著正相關,有機質含量的提高促進了全氮的積累[20],這與本研究結果類似。

本試驗中,長期有機無機肥配施下土壤pH 顯著下降。李娟等[21]的研究表明,長期施肥處理下土壤pH 存在一定程度的下降,且有機無機肥配施的土壤pH 比單施化肥更低。方凱等[22]的研究也表明,單施化肥和秸稈還田配施化肥均會使土壤pH 下降,并且秸稈還田配施化肥使pH 下降更加顯著。以上研究均支持了本研究的試驗結果。相關研究認為,有機糞肥中富含微生物代謝所需要的營養物質,能夠促進微生物代謝產生有機酸[23]。此外,有機無機肥配合施用會增加土壤硝酸鹽含量[24],土壤中NH4+-N 轉化成NO3?-N 時,也會釋放大量H+,加速土壤酸化[25]。劉燦等[26]進一步證實,在施用化肥基礎上增施有機肥其酸化速率大于單施化肥;有機肥施入后土壤陽離子交換量下降幅度比單施化肥處理更大,也是導致土壤pH 降低的主要原因。另外,本研究還發現隨著種植年限的增加,不施肥處理土壤pH 也在下降,這是因為本研究試驗地是秋季新推耕地,屬于新墾原生土。旱作區原生土堿性較強,土壤有效性差,尤其腐殖質高度匱乏[27]。新墾生土有機質含量很低,在熟化過程中,由于多年連續施用有機肥以及輪作作物殘茬和殘留根系的影響,有機質含量不斷增加,被分解后產生大量有機酸和腐殖酸等物質,從而降低土壤pH。

與2018 年相比,2021 年后T0、T1 和T3 處理土壤全磷、速效鉀顯著下降。分析認為,這是由于作物收獲帶走的土壤磷鉀量大于土壤中輸入的磷鉀量。樊紅柱等[28]發現,連續施肥33 年后土壤磷含量降低,作物吸收攜出磷量為輸入土壤磷總量的6 倍,土壤磷表現出虧缺狀況。相關研究表明,在輪作種植模式中作物需鉀量較大,小麥-玉米-棉花(Gossypium hirsutumL.)[29]、早稻(Oryza sativaL.)晚稻和單季稻輪作土壤鉀素均表現虧缺[30]。本試驗中玉米和馬鈴薯都屬于喜磷、喜鉀作物,對磷鉀需求量比較大,作物根系具有一定溶磷鉀能力,對土壤中難溶性磷鉀吸收利用效果較好[31],在持續種植下導致土壤磷、鉀含量下降。另一方面,有機肥在腐化過程中產生有機酸根離子活化了土壤磷素,降低了磷素的吸附,使得磷素更易于移動,全磷、有效磷含量隨施肥年限的延長都表現出下降趨勢,導致磷素大量損失[32],進而降低了表層土壤全磷和有效磷的含量。由此可見,為保證土壤養分均衡,在旱作區長期有機無機肥配施過程中,應適當提高磷肥、鉀肥的投入比例,避免土壤磷、鉀的匱缺,而導致土壤磷、鉀含量持續下降。

3.2 長期有機無機肥配施對土壤AM 真菌群落組成及多樣性的影響

Huo 等[33]的研究表明,土壤AM 真菌群落結構組成顯著受施肥制度影響。球囊霉屬和原囊霉屬AM 真菌的相對豐度在磷肥和羊糞配施處理下較高;而化肥處理下,AM 真菌近明球囊霉屬、兩性球囊霉屬、盾巨囊霉屬的相對豐度較高,無肥處理下的類球囊霉屬和原囊霉屬相對豐度更高,每種施肥制度下都有獨特的AM 真菌菌屬,AM 真菌屬是受長期施肥制度馴化影響的。但試驗中,土壤AM 真菌球囊霉屬和類球囊霉屬相對豐度并未受到施肥管理差異的影響,仍為優勢屬。相關研究證實,土壤球囊霉屬和類球囊霉屬AM 真菌具有特定的繁殖方式,不易受外界施肥的干擾,能夠在各種極端環境下生存。其中,球囊霉屬AM 真菌可通過菌絲體侵染根段來定殖新根,其產孢率高,增長速度快,有較強的生態適應性,更容易生存和繁殖[34];而類球囊霉屬與球囊霉屬屬于同一科,孢子特征以及叢枝和內生菌絲的形態與球囊霉屬相似,從而具有相似的特性[35]。此外,球囊霉屬和類球囊霉屬AM 真菌在土壤中發揮著促進作物對氮磷吸收的功能,球囊霉屬還可以通過分泌球囊霉素提高土壤有機質含量,改善土壤排水通氣狀況[36]。因此,作物會傾向于選擇球囊霉屬和類球囊霉屬作為優勢類群從而有利于自身生長。

本研究中,有機無機肥配施(T2、T3)處理下,2018—2021 年土壤明球囊霉屬AM 真菌的相對豐度顯著下降,從優勢屬變為非優勢屬。有研究表明,明球囊霉屬相對豐度與有機質、全氮呈顯著負相關[37],與pH、全磷呈正相關[38]。分析認為,本試驗長期培肥下土壤有機質、全氮含量增加,pH 和全磷下降是導致明球囊霉屬豐度下降的重要因素。此外,Sheng等[39]認為,明球囊霉屬能形成大量的叢枝和泡囊,而叢枝和泡囊與土壤有效鉀含量呈正相關。綜合分析認為,長期施肥制度下,隨培肥時間變化,不同培肥措施下土壤鉀含量均呈顯著下降趨勢,受土壤鉀等肥力因子差異的影響AM 真菌出現不同的馴化趨勢,這可能是導致土壤近明球囊霉屬AM 真菌相對豐度顯著下降的原因。

隨培肥時間延長,試驗中土壤AM 真菌α 多樣性顯著下降,AM 真菌也從12 屬下降到7 屬,有5 屬相對豐度下降到極低水平或未檢測出,這可能與土壤環境變化有關。分析認為,一方面,長期有機無機肥配施顯著提高了土壤全氮、有機質等養分含量,植物不需與AM 真菌形成特別多的共生關系也能獲取足夠的養分;相應的AM 真菌對作物根系的侵染受到抑制,造成AM 真菌各屬的豐度下降[40]。另一方面,土壤磷[41]鉀[42]含量直接影響到AM 真菌的生長發育,試驗中土壤全磷、速效鉀含量下降,AM 真菌難以獲取足量的磷鉀,生長發育受到抑制進而導致豐度下降。此外,不同AM 真菌在生理和生態特性方面存在差異,pH 降低可能也會導致個別喜好高pH 的AM 真菌屬豐度下降[43],一些耐受性不強的AM 真菌類群變得稀少甚至消失。

本研究中長期有機無機肥配施處理(T2、T3)下,2018 年AM 真菌群落的α 多樣性指數(Shannon指數、Chao1 指數)較不施肥對照(T0)顯著下降,這與Wang 等[44]的報道結果一致。一方面,有機物料的施入使得某些特定真菌類群產生“偏好”效應,消耗大量營養物質,從而抑制了其他類群的生長[45];另一方面,有機糞肥持久性氮的緩慢釋放,導致土壤氮含量升高,生態系統的孢子豐度和根的定殖明顯減少,AM真菌物種豐富度和多樣性下降[46]。2021 年,土壤AM 真菌Shannon 指數和Chao1 指數在不同處理下無明顯變化。隨著培肥年限增加,AM 真菌α 多樣性隨著時間推移差異性消失。Herrmann 等[47]的結果表明,AM 真菌群落豐富度隨時間變化并未表現出顯著性差異,這可能與肥料施入后土壤肥力變化以及部分土壤養分含量下降有關。本研究下AM 真菌群落隨時間變化差異性消失,可能是因為大量的AM 真菌物種已經適應了旱作區長期施用有機無機肥料類型和肥料負荷的結果。

NMDS 結果表明,隨著培肥時間變化,土壤AM真菌群落的β 多樣性差異依然存在,但不同有機無機肥配施方式(T2、T3)間土壤AM 真菌群落結構沒有明顯差異,這與Verbruggen 等[48]的研究吻合,即與傳統管理下的土壤相比,施有機肥的土壤中AM 真菌群落更相似,這可能是由于有機無機肥配施處理(T2、T3)的土壤理化性質(如pH、有機質、全氮、全磷)較為接近[13],為AM 真菌的發育和繁殖提供了較為相似的生存環境,更易于馴化相似的AM 真菌菌屬群落,其對AM 真菌類群的選擇效應也相似[4]。

3.3 AM 真菌群落組成和多樣性與土壤環境因子間的相互聯系

Wang 等[49]證實,單施氮肥顯著降低了AM 真菌群落的豐富度和多樣性;高無機氮磷供應率對AM真菌的定殖產生了負面影響[50],而適宜氮和磷肥配合施用則顯著增加了AM 真菌的豐富度和多樣性[49]。在旱作雨養農業生態系統中,長期氮和/或磷添加導致的土壤性質變化被認為是影響AM 真菌群落結構的主要因素。本試驗中,驅動土壤AM 真菌群落組成和多樣性變化的環境因子是土壤全氮、pH 和全磷。相關研究表明,土壤全氮、pH 和土壤全磷[51-52]是影響AM 真菌豐富度和多樣性的主要變量。全氮與全磷之所以會影響AM 真菌群落,是因為土壤中的氮磷含量會直接影響植物對AM 真菌的碳供應水平,進而影響AM 真菌的生長發育。相關研究指出,當土壤中氮或磷足以促進植物生長時,植物向AM真菌輸送較少的碳以換取養分;相反,如果土壤中氮或磷有限,植物向AM 真菌輸送的碳增多,導致AM真菌豐度增加。土壤pH 則影響菌根的形成、AM真菌的產孢及種屬分布[53],進而影響AM 真菌的群落組成和多樣性。然而,Ma 等[4]認為,土壤有機質也是影響AM 真菌群落組成的最重要因素,這與本研究結果不一致,可能與研究區域的氣候條件、耕作措施及土壤類型等因素有關。

有研究表明,AM 真菌多樣性隨土壤磷含量增加而上升,但是當土壤磷含量升高到一定程度時,AM真菌多樣性呈下降趨勢,其原因是土壤高磷含量會改變宿主植物根系分泌物,導致AM 真菌生存環境發生改變[46]。Yoneyama 等[54]研究發現,低氮能使高粱[Sorghum bicolor(L.) Moench]根系分泌一種促進AM 真菌菌絲生長的物質,但土壤中氮大量積累卻降低了AM 真菌豐富度[55],說明氮過高對AM 真菌多樣性水平不利。以上研究說明AM 真菌群落對土壤中氮磷含量比較敏感,氮磷含量高或者過低都會抑制菌根的生長發育。本研究中,隨培肥時間的變化,驅動AM 真菌群落變化的主要環境因子從全氮、pH 變成全磷,可能是由于前期土壤全磷含量適中,較低水平的全氮對AM 真菌群落影響更大,而后期全磷含量低到較低水平,全氮升高到適宜含量,全磷成為驅動AM 群落變化的主要環境因子。

4 結論

連續培肥11 年顯著增加了土壤全氮和有機質含量,顯著降低了土壤pH,但長期有機無機肥配施并沒有同步提升土壤全磷、速效鉀等理化性狀指標。長期連續有機無機肥配施影響了土壤AM 真菌群落組成及多樣性,AM 真菌中球囊霉和類球囊霉等優勢屬并未受到有機無機肥配施影響,但與2018 年相比,2021 年后土壤近明球囊霉屬AM 真菌由優勢屬變為非優勢屬,基于屬水平的AM 真菌物種組成及相對豐度顯著減少和降低。本研究認為,培肥通過改變土壤全氮、pH 和全磷等土壤理化性質,一方面直接影響AM 真菌對氮磷鉀的吸收和種間競爭關系,另一方面會影響植物對AM 真菌的碳供應水平,從而影響AM 真菌的群落組成和多樣性。AM 真菌群落受土壤環境因子影響會選擇更敏感的驅動因素。2018 年驅動土壤AM 真菌群落結構和多樣性變化的土壤因子為土壤全氮、pH,而持續培肥到2021 年驅動因子改變為土壤全磷。

在寧夏中部干旱區連續11 年的施肥研究,為該地區AM 真菌群落變化與土壤環境因子間相互關系研究積累了數據,闡明了培肥對AM 真菌群落組成和多樣性的影響機制,為揭示寧夏旱作區不同施肥制度下AM 群體的生態位分化提供了有力的證據,對合理利用有機無機肥管理,平衡施肥,提供了重要的理論支撐。因此,在寧夏中部干旱區合理實施有機無機肥配施制度,最大限度地促進AM 真菌的生長和活動,提供植物所需的營養元素,改善土壤環境,這有助于提高農作物的產量和質量,優化農業生產系統。