长期单作对枸杞园不同土层土壤微生物代谢活性和多样性的影响

doi:10.11686/cyxb2021494

草业学报 ›› 2023, Vol. 32 ›› Issue (1): 89-98.DOI: 10.11686/cyxb2021494

长期单作对枸杞园不同土层土壤微生物代谢活性和多样性的影响

彭彤¹^,²(), 马少兰³, 马彩霞³, 宋燕芳¹^,², 高娜¹^,², 李凯乐¹^,², 张传继¹^,², 李静雯⁴, 纳小凡¹^,², 王立光⁴()

^1.兰州大学生命科学学院，甘肃兰州 730000
^2.细胞活动与逆境适应教育部重点实验室，甘肃兰州 730000
^3.宁夏大学生命科学学院，宁夏银川 750021
^4.甘肃省农业科学院生物技术研究所，甘肃兰州 730070

收稿日期:2021-12-28 修回日期:2022-04-09 出版日期:2023-01-20 发布日期:2022-11-07
通讯作者: 王立光
作者简介:E-mail： wodepengyouwlg@163.com
彭彤（1996-），女，重庆人，在读硕士。E-mail： pengt20@lzu.edu.cn
基金资助:
甘肃省科技计划资助项目-自然科学基金(20JR5RA106);甘肃省农业科学院博士基金(2019GAAS29)

Effects of long-term monocropping on soil microbial metabolic activity and diversity in topsoil and subsoil horizons of Lycium barbarum fields

Tong PENG¹^,²(), Shao-lan MA³, Cai-xia MA³, Yan-fang SONG¹^,², Na GAO¹^,², Kai-le LI¹^,², Chuan-ji ZHANG¹^,², Jing-wen LI⁴, Xiao-fan NA¹^,², Li-guang WANG⁴()

^1.School of Life Sciences，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China
^2.Ministry of Education Key Laboratory of Cell Activities and Stress Adaptations，Lanzhou 730000，China
^3.School of Life Sciences，Ningxia University，Yinchuan 750021，China
^4.Institute of Biotechnology，Gansu Academy of Agricultural Sciences，Lanzhou 730070，China

Received:2021-12-28 Revised:2022-04-09 Online:2023-01-20 Published:2022-11-07
Contact: Li-guang WANG

摘要/Abstract

摘要：

土壤微生物群落多样性及其活性对维持农田土壤生态系统稳定和功能至关重要。前期研究表明，长期单作可导致枸杞园土壤微生物多样性降低和群落结构变异，但对其如何影响土壤微生物代谢活性尚不明确。为研究微生物代谢活性对长期单作的响应，利用Biolog Eco平板分析了枸杞园表层（0~20 cm）和亚表层（20~40 cm）土壤微生物底物利用谱（CLPP）的年代变化规律。结合土壤酶活性和理化性质测定和分析，探索了土壤微生物底物利用谱变化的驱动因子。结果表明，长期单作促进了枸杞园表层土壤微生物群落的代谢活性（P<0.05），但不影响亚表层土壤微生物的代谢活性和Shannon指数。随种植年限增加，表层土壤微生物对吐温80和衣康酸的代谢活性增加，而亚表层土壤微生物对D-葡萄氨酸和苯乙基胺的利用显著降低（P<0.05）。对不同碳源类型的分析发现，长期单作抑制了枸杞园表层和亚表层土壤微生物对多聚物的利用能力（P<0.05），说明土壤微生物对复杂有机物的降解能力可能受到干扰。变差分解分析表明，土壤理化性质和真菌丰度是驱动枸杞园土壤微生物代谢多样性变异的主要因子。这些结果表明长期单作干扰了枸杞园，尤其是亚表层土壤微生物的代谢活性，影响了其对复杂有机物的分解过程。在长期单作下，枸杞园亚表层土壤的植物-土壤负反馈作用可能更加严重，应受到更多关注。

关键词: 枸杞, 连作障碍, 微生物, 代谢活性, Biolog Eco平板

Abstract:

The diversity and activity of soil microbial communities are essential for maintenance of the stability and function of the soil ecosystem. However， long-term monocropping of Lycium barbarum has caused biodiversity loss and alteration of soil microbial community composition. It is still unclear how such management affects soil microbial metabolic activity. This research explored the impacts of long-term monocropping on soil microbial metabolic activity in L. barbarum fields. We investigated the variation of microbial community-level physiological profiles （CLPP） in the topsoil （0-20 cm） and subsoil （20-40 cm） horizons of L. barbarum fields using Biolog EcoPlate methodology. Soil enzyme activities and abiotic properties were measured to explore the factors driving variation in CLPP. It was found that L.barbarum monocropping promoted the microbial metabolic activity of topsoil （P<0.05）， but did not affect that of the subsoil nor the metabolic diversity index of either soil horizon. With increase in stand age， the utilization rates of Tween 80 and itaconic acid increased in topsoil， while those of D-glucosaminic acid and phenylethylamine decreased significantly in subsoil （P<0.05）. The utilization of polymers significantly decreased with the increase in stand age in both soil depths （P<0.05）， indicating that long-term monocropping affects the ability of soil microorganisms to degrade complex organic matter. Variance partitioning analysis further suggested that soil abiotic properties and fungal abundance were the major factors driving the variation in soil microbial metabolic diversity in L. barbarum fields. The data show that long-term monocropping disturbed the metabolic activity and the decomposition rates of complex soil organic matter， particularly in the subsoil. We propose that the subsoil quality of L. barbarum fields should be monitored and supervised under monocropping.

Key words: Lycium barbarum, soil sickness, microorganism, metabolic activity, Biolog EcoPlate

彭彤, 马少兰, 马彩霞, 宋燕芳, 高娜, 李凯乐, 张传继, 李静雯, 纳小凡, 王立光. 长期单作对枸杞园不同土层土壤微生物代谢活性和多样性的影响[J]. 草业学报, 2023, 32(1): 89-98.

Tong PENG, Shao-lan MA, Cai-xia MA, Yan-fang SONG, Na GAO, Kai-le LI, Chuan-ji ZHANG, Jing-wen LI, Xiao-fan NA, Li-guang WANG. Effects of long-term monocropping on soil microbial metabolic activity and diversity in topsoil and subsoil horizons of Lycium barbarum fields[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2023, 32(1): 89-98.

图/表 6

表1 枸杞园土壤微生物不同碳源利用率与种植年限的相关性

Table 1 Pearson’s correlation between stand age and the utilization rates of different carbon sources of soil microorganisms in L. barbarum fields

底物 Substrate	表层土壤Topsoil		亚表层土壤Subsoil
底物 Substrate	r	P	r	P
β-甲基-D-葡萄糖苷β-methyl-D-glucoside	-0.136	0.557	0.038	0.870
D-半乳糖内酯D-galactonic acid γ-lactone	-0.074	0.751	-0.093	0.688
L-精氨酸L-arginine	0.015	0.950	-0.212	0.356
丙酮酸甲酯Pyruvic acid methyl ester	-0.047	0.841	-0.357	0.112
D-木糖D-xylose	0.244	0.287	0.001	0.997
D-半乳糖醛酸D-galacturonic acid	0.358	0.111	-0.016	0.946
L-天冬酰胺酸L-asparagine	0.139	0.548	-0.206	0.371
吐温40 Tween 40	0.098	0.674	-0.052	0.823
I-赤藻糖醇I-erythritol	-0.157	0.496	0.092	0.691
2-羟苯甲酸2-Hydroxy benzoic acid	-0.367	0.102	-0.326	0.149
L-苯基丙氨酸L-phenylalanine	-0.093	0.689	0.354	0.116
吐温80 Tween 80	0.462	0.035*	0.088	0.705
D-甘露醇D-mannitol	0.042	0.858	-0.300	0.187
4-羟基苯甲酸4-Hydroxy benzoic acid	0.142	0.540	-0.223	0.331
L-丝氨酸L-serine	0.009	0.970	-0.063	0.787
α-环式糊精α-cyclodextrin	0.186	0.419	0.101	0.664
N-乙酰基-D-葡萄胺N-acetyl-D-glucosamine	-0.140	0.546	0.000	0.999
γ-羟基丁酸γ-hydroxybutyric acid	0.222	0.333	-0.268	0.240
L-苏氨酸L-threonine	0.139	0.547	-0.057	0.806
肝糖Glycogen	0.416	0.061	0.261	0.253
D-葡萄氨酸D-glucosaminic acid	-0.126	0.586	-0.560	0.008*
衣康酸Itaconic acid	0.434	0.050*	-0.068	0.770
甘氨酰-L-谷氨酸Glycyl-L-glutamic acid	0.314	0.166	0.100	0.666
D-纤维二糖D-cellobiose	0.174	0.450	0.166	0.471
葡萄糖-1-磷酸盐Glucose-1-phosphate	0.036	0.877	0.286	0.209
α-丁酮酸α-ketobutyric acid	0.210	0.362	0.303	0.182
苯乙基胺Phenylethyl-amine	0.020	0.932	-0.510	0.019*
α-D-乳糖α-D-lactose	0.180	0.436	0.059	0.800
D， L-α-甘油D， L-α-glycerol phosphate	0.221	0.336	0.052	0.821
D-苹果酸D-malic acid	0.354	0.116	0.170	0.460
腐胺Putrescine	0.069	0.765	-0.197	0.391

图1 长期单作对枸杞园土壤微生物6类碳源利用活性的影响A：氨基化合物Amino compounds； B：氨基酸Amino acids； C：糖类Carbohydrates； D：羧酸Carboxylic acids； E：双亲化合物Amphiphiles； F：聚合物Polymers.

Fig.1 Effects of long-term monocropping on utilization rate of different carbon groups of the soil microorganisms in L. barbarum fields

图2 枸杞园土壤微生物底物利用多样性分析A与B分别为不同深度土壤微生物代谢活性和香农指数随种植年限增加的变化趋势。C与D分别为枸杞园表层和亚表层土壤微生物底物利用的主坐标分析。虚线箭头表示不同采样地区底物利用谱随种植年限增加的变化趋势。A and B are the shift in average well color development and Shannon-Wiener index with the increase of stand age at different soil depths of L. barbarum fields， respectively. C and D are the principal coordinate analysis of the utilization profile of soil microbial community in topsoil and subsoil of L. barbarum fields， respectively. The arrows indicate the variation pattern of soil microbial metabolic profiles at each site with the increase in stand age.

Fig.2 Analysis of metabolic activity and diversity of soil microbes in distinct soil depths of L. barbarum fields

图3 枸杞园土壤微生物特征、理化性质及土壤酶活性的相关性分析H'：微生物底物利用香农指数Shannon-Wiener index of microbial substrate utilization； AWCD：平均每孔吸光度Average well color development； WC：含水量Water content； TOC：总有机碳Total organic carbon； TP：全磷Total phosphorus； TN：全氮Total nitrogen； AP：速效磷Available phosphorus； AK：速效钾Available potassium； EC：电导率Electrical conductivity； SC：沙粒含量Sand content； AHN：碱解氮Alkali-hydro nitrogen； SIA：蔗糖酶活性Soil invertase activity； UA：脲酶活性Urease activity； APA：酸性磷酸酶活性Acid phosphatase activity； DHA：脱氢酶活性Dehydrogenase activity； PA：蛋白酶活性Protease activity； OTUB：细菌群落丰富度Bacterial community OTU richness； Shannon B：细菌香农指数Shannon index of bacteria； OTUF：真菌群落丰富度Fungal community OTU richness； Shannon F：真菌香农指数Shannon index of fungi； BF ratio：细菌绝对丰度/真菌绝对丰度Ratio of bacterial absolute abundance to fungi； MBC：微生物碳Microbial carbon； MBN：微生物氮Microbial nitrogen. *： P<0.05， **： P<0.01； n=42. 下同The same below.

Fig.3 Correlation analysis among soil microbial characters， abiotic properties， and soil enzyme activities

图4 变差分解分析枸杞园土壤微生物底物利用谱变化的主要解释因子A：本试验所有土壤样本底物利用谱的变差分解分析。B和C分别为枸杞园表层和亚表层土壤理化性质、酶活性和微生物特征对微生物底物利用谱变化的解释。A： Variance partitioning analysis of microbial substrate utilization profile in all soil samples of the experiment. B and C are the variance partitioning analysis determines the explanation rates of soil abiotic properties， enzyme activities， and microbial characters on the shift in microbial substrate utilization profile in topsoil and subsoil of L. barbarum fields， respectively. ***： P<0.001， NS： P>0.05.

Fig.4 Analysis of the explanatory factors for the shift in soil microbial substrate utilization profile of L. barbarum fields using variance partitioning analysis

表2 Mantel test分析土壤微生物底物利用谱与土壤理化性质、酶活性及微生物群落组成间的关系

Table 2 Mantel test detects the relationships between soil microbial community-level physiological profiles and soil abiotic property， enzyme activity， and soil microbial community composition in L. barbarum fields

微生物群落水平生理特征 Community-level physiological profiles （CLPP）	所有样本All sample		表层土壤Topsoil		亚表层土壤Subsoil
微生物群落水平生理特征 Community-level physiological profiles （CLPP）	r	P	r	P	r	P
土壤理化性质Soil abiotic property	0.265	0.001**	0.181	0.081	0.287	0.001**
土壤酶活性Soil enzyme activity	0.084	0.150	0.011	0.423	-0.091	0.786
土壤微生物特征Soil microbial character	0.214	0.013*	0.075	0.257	0.073	0.227
细菌群落组成Bacterial community composition	0.065	0.114	0.008	0.441	0.036	0.251
真菌群落组成Fungal community composition	0.140	0.038*	0.084	0.208	0.125	0.114

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长期单作对枸杞园不同土层土壤微生物代谢活性和多样性的影响

Effects of long-term monocropping on soil microbial metabolic activity and diversity in topsoil and subsoil horizons of Lycium barbarum fields

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图/表 6

参考文献 31

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