石墨烯对杉木无性系根际土壤酶活性和微生物多样性的影响_邱静雯.pdf
《石墨烯对杉木无性系根际土壤酶活性和微生物多样性的影响_邱静雯.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《石墨烯对杉木无性系根际土壤酶活性和微生物多样性的影响_邱静雯.pdf(9页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、2023,45(2)DOI:10.13836/j.jjau.2023025江西农业大学学报 Acta Agriculturae Universitatis Jiangxiensishttp:/石墨烯对杉木无性系根际土壤酶活性和微生物多样性的影响邱静雯1,章进峰2,张筱3,魏永平2,陈爱玲4,赵建国5,叶义全1,4,曹光球1,4*(1.福建农林大学 林学院,福建 福州 350002;2.福建省永安国有林场,福建 永安 366000;3.秦岭国家植物园,陕西 西安 710404;4.国家林业草原杉木工程技术研究中心,福建 福州 350002;5.山西大同大学 炭材料研究所,山西 大同 037009
2、)摘要:【目的】探究不同浓度石墨烯处理对杉木(Cunninghamia lanceolata)幼苗根际土壤酶活性和微生物多样性的影响,为杉木优质苗木的高效培育提供参考。【方法】以1年生“洋061”杉木无性系为研究对象,通过盆栽试验,在施加复合肥30 g的基础上,分析30 mg/L(T1)、25 mg/L(T2)、20 mg/L(T3)石墨烯处理对杉木幼苗根际土壤酶活性及微生物多样性差异,并进行相关性及RDA分析。【结果】随着石墨烯浓度的增加,其对杉木幼苗根际土壤脲酶、硝酸还原酶、亚硝酸还原酶、谷氨酰胺酶活性抑制作用增强,均呈现低促高抑的趋势。T3处理4种酶活性分别比对照高6.87%、59.32
3、%、2.65%、12.75%,表现为T3T2CKT1,不同处理之间硝酸还原酶达显著性差异(P0.05),而T3、T2处理真菌的Shannon、Simpson指数分别比对照提高18.39%、11.53%,T1则降低了14.75%,大小排序为T3T2CKT1,与对照差异显著(P0.05)。细菌的Chao1、Ace指数除T1外,与对照达显著性差异(PT2CKT1,there was a significant difference in nitrate reductase activity among different treatments(P0.05),while the Shannon and
4、 Simpson indices of T3 and T2 treated fungi were increased by 18.39%and 11.53%,T1 was decreased by 14.75%,and the size order was T3T2CKT1,which was significantly different from the control(P0.05).The Chao1 and Ace indices of bacteria except T1 were significantly different in the control(P0.05).The e
5、ffect of Graphene on fungal diversity was more significant than that on bacterial diversity.Correlation analysis showed that nitrate reductase activity was positively correlated with bacterial Chao1 and Ace indices.There was a significant positive correlation between urease activity and fungal Shann
6、on index,and a significant positive correlation between nitrite reductase activity and fungal Shannon and Simpson index,and a significant or extremely significant correlation between nitrate reductase activity and fungal diversity index.Soil urease and nitrate reductase are important factors causing
7、 microbial diversity change.Conclusion 20 mg/L graphene can improve the rhizosphere soil enzyme activity and microbial diversity of cunninghamia lcunninghamia seedlings,promote the turnover of nutrients,improve the uptake and utilization of nutrients,and ultimately promote the growth of cunninghamia
8、 lcunninghamia seedlings.Keywords:Cunninghamia lcunninghamia seedlings;graphene;r hizosphere soil;soil enzyme activity;microbial diversity【研究意义】杉木(Cunninghamia lanceola)是我国南方最重要的速生用材树种之一。近年来,随着木材市场对杉木材需求不断增大,杉木人工林面积不断扩大,同时对优质苗木的需求也随之增加。优质苗木不仅能够提高造林成活率,而且有利于提高苗木的抗逆性和促进其早期生长1-2。施肥是培育优质苗木的关键措施之一。但是不合理的
9、施肥方式不仅增加林业生产成本,还容易导致土壤容重增加、田间持水量降低、土壤保水保肥能力下降等3-4,对环境产生一系列污染,甚至降低植物对养分的吸收利用效率,造成肥料严重浪费1-2。因此,制定科学合理的施肥措施,提高肥料利用效率成为当今林业亟待解决的技术难题之一。【前人研究进展】石墨烯是由碳原子以sp2杂化轨道构成的一种二维层状新型碳纳米材料,近年来越来越多研究表明石墨烯在促进植物种子萌发、根系生长、提高肥效等方面扮演着关键角色。张夫道等5研究表明,施加纳米材料可提高植物肥料利用效率,有利于提高农产品产量与改善品质。相关研究表明石墨烯会穿透种子种皮促进水分吸收6,促进番茄7、甘蓝型油菜8、蚕豆9
10、等种子的萌发。氧化 244第 2 期邱静雯等:石墨烯对杉木无性系根际土壤酶活性和微生物多样性的影响石墨烯和石墨烯可促进水稻10侧根发育以及小麦11幼苗地上部的生长。值得注意的是,近年来一些研究相继表明,石墨烯介导的植物生长调控与其对根际微生态系统结构与功能的改变密切相关12-13。土壤微生物是土壤生态系统中重要的组成部分,参与土壤中有机质分解、养分转化循环等诸多生态学过程14-15,土壤微生物代谢活动、根系分泌物及腐殖质分解和合成是土壤酶的主要来源,土壤酶活性高低表征土壤熟化程度,影响着土壤微生物多样性和群落结构组成16,因此土壤酶与土壤微生物均是反映土壤肥力的重要指标。蒋月喜等17在对朝天椒
11、的研究中发现,在基础施肥的基础上添加适量浓度的石墨烯能够提高根际土壤酶活性,改善土壤质量,增加朝天椒产量。刘泽慧等18研究发现石墨烯中的含氧官能团能以电荷吸引的方式吸附土壤中的阳离子,增强土壤团聚结构并释放养分,间接为植物提供营养,促进植株生长发育。Song等19研究表明石墨烯的施加提升了土壤酶活性,细菌丰度和多样性指数显著增加,且微生物多样性指数与土壤脲酶、有机质、水解氮呈一致变化。Zhang等20通过探究不同浓度石墨烯对长白落叶松根际土壤理化性质及微生物多样性发现低浓度的石墨烯施加改善了长白落叶松根际土壤养分,显著影响了土壤微生物多样性和群落结构,一定浓度下石墨烯有益于植物生长发育。【本研
12、究切入点】目前碳纳米材料主要运用在农业上,而在林业上鲜见研究报道。本课题组在前期研究中发现石墨烯与复合肥配施能够促进杉木幼苗生长、氮素吸收利用21-22,但这种石墨烯介导的生长促进作用是否与其对土壤酶活性和微生物多样性的改变有关则尚不清楚。【拟解决的关键问题】鉴于此,本文通过分析不同浓度石墨烯处理对杉木幼苗根际土壤酶活性及微生物多样性的影响,筛选出适合于杉木苗木施肥的最佳石墨烯浓度,从而为杉木优质苗木的高效培育提供参考。1 材料与方法1.1试验点概况试验地位于福建农林大学金山校区国家林业草原杉木工程技术研究中心田间实验地大棚(2605N11913E)。试验地属亚热带季风气候,年平均温度2025
13、,年平均日照时数1 7001 980 h,年平均降水量9002 100 mm,无霜期约326 d。1.2材料来源试验用苗为福建省洋口国有林场提供的1年生 洋061 杉木无性系扦插苗,平均地径为(5.440.73)mm,平均苗高(29.323.17)cm。盆栽盆(容量为10 L,深度24 cm)为市场购买。盆栽土壤为过1 cm铁丝网筛除杂质后混合均匀的山地红心土,其化学性质为全碳(3.440.01)g/kg,全氮(0.440.01)g/kg,全磷(0.080.01)g/kg,全钾(5.040.13)g/kg。石墨烯母液由山西大同大学赵建国教授课题组提供。复合肥(N P2O5K2O=16 16 1
14、6)由美国瑞恩集团公司生产。1.3试验方法依据课题组前期试验结果,将5 g/L的石墨烯母液分别稀释成浓度为30,25,20 mg/L试验添加液。试验采用完全随机区组设计,3组完全随机区组,每个完全随机区组4种处理。处理一(T1):复合肥30 g+石墨烯30 mg/L;处理二(T2):复合肥30 g+石墨烯25 mg/L;处理三(T3):复合肥30 g+石墨烯20 mg/L,处理四(CK):复合肥30 g。每盆种植1株苗,每盆为1个重复,区组内每个处理10个重复;共处理120盆。试验于2020年5月开始,2020年11月结束,共180 d。2020年5月15日在苗木四周开2 cm沟,分别施入30
15、 g复合肥及不同浓度石墨烯添加液500 mL。培养180 d后,区组内取4株平均木,采用抖落法收集根际土壤,根际土壤样品放在干净的牛皮纸上自然阴干,研磨成粉状过 0.149 nm 筛后装入自封袋后置于-80 冰箱保存用于测定土壤酶活性及微生物多样性,每个测试指标测定3个重复。1.4测定方法1.4.1根际土壤酶活性分析土壤酶活性由苏州科铭生物技术有限公司提供的微量法酶活测定试剂盒测定。1.4.2土壤微生物测定采用Mobio公司的PowerSoil DNA Isolation Kit土壤微生物总DNA提取试剂盒提取土壤微生物总DNA,对提取后的DNA产物经琼脂糖凝胶电泳进行检测,合格DNA稀释至1
16、 ng/L保存于-80。采用引物 KYO2F(GATGAAGAACGYAGYRAA)和 ITS4R(TCCTCCGCTTATTGATATGC)扩 245江 西 农 业 大 学 学 报第 45 卷增真菌 ITS区;采用引物 341F(CCTACGGGNGGCWGCAG)和 806R(GGACTACHVGGGTATCTAAT)扩增细菌16SrRNA的V3V4区,扩增过程参照文献23进行。1.5数据处理采用FLASH软件对原始数据进行质量过滤和双端序列的拼接,得到有效数据;采用Uparse软件,将相似度97%的序列归为一个操作分类单元即OTU(operational taxonomic unit)并
17、利用Greengene数据库进行物种注释;运用Qiime软件进行alpha多样性指数分析;用PAST软件进行土壤微生物与土壤环境因子RDA典型相关分析;采用Excel 2012软件进行数据整理;运用Origin 9软件制图;运用SPSS 23.0统计软件进行单因素及Person相关性分析。2 结果与分析2.1石墨烯对杉木无性系根际土壤酶活性的影响脲酶、谷氨酰胺酶、硝酸还原酶及亚硝酸还原酶均是与氮代谢有关的酶,是影响土壤氮素水平的重要因子。由图 1 可知,T3 处理土壤脲酶活性比对照提高 6.87%,而 T1、T2 分别比对照降低 29.84%、9.22%,T1处理显著低于T3、CK(PT2CK
18、T1,4种处理均达到显著性差异(P0.05);T3亚硝酸还原酶活性与对照相比提高2.65%,而T1、T2分别降低14.44%、1.69%,但4种处理之间差异不显著;T3处理谷氨酰胺酶比对照提高11.75%,T1、T2处理与对照相比分别降低3.9%、11.45%,T3显著大于T2(PT2CKT1,与对照差异显著。Chao1、Ace指数主要反映样本的物种丰富度信息,是估计物种总数的指标,数值越大,表示样本中物种多样性越高,在细菌中T1、T2、T3分别比对照提高0.02%、11.29%、10.26%,除T1外,与对照差异显著,真菌T2、T3处理下Chao1与Ace指数与对照差异显著,均在石墨烯浓度为
19、20 mg/L时,多样性指数最高。综上所述,当石墨烯浓度为20 mg/L时,根际土壤微生物多样性指数达到最大,相较细菌多样性而言,石墨烯对真菌多样性的影响更加显著。2.3根际土壤微生物多样性与土壤酶活性相关关系由表2可知,硝酸还原酶与细菌中Chao1和Ace指数呈极显著相关。在真菌多样性指数中脲酶与Shannon指数呈显著正相关,硝酸还原酶与Shannon、Simpson指数呈显著极显著正相关,与Chao1指数呈显著相关,谷氨酰胺酶与Shannon、Simpson指数呈显著相关。采用RDA(Redundancy analysis)冗余分析对环境因子、样本之间进行研究,环境因子与细菌与真菌群落组
20、成在相关分析见图2、3,箭头表示环境因子,排序轴与箭头连线夹角表示环境因子与排序轴的相关性,夹角越小表明关系越密切,而箭头连线表示环境因子与研究对象相关程度的大小,箭头越长表示环境因子对样本分布的影响越大,如图2所示,第一主坐标轴对土壤细菌变化解释达86.80%,第二主坐标轴对土壤细菌变化解释达9.45%,共解释了细菌96.25%的变异。如图3所示,第一主坐标轴对土壤真菌变化解释达57.27%,第二主坐标轴对土壤真菌变化解释达27.64%,共解释了真菌84.91%的变异。因此,硝酸还原酶是微生物多样性变化的主要因子,且均与T3样本关系密切。表1根际土壤微生物多样性指数Tab.1Microbia
21、l diversity index of rhizosphere soil微生物 Microorganism细菌Bacteric真菌Fungus处理 TreatmentT1T2T3CKT1T2T3CKShannon7.930.27a8.430.08a8.190.40a8.340.18a3.260.37c4.270.16a4.540.05a3.830.04bSimpson0.980.003a0.990.001a0.990.007a0.990.001a0.750.03c0.850.01ab0.870.01a0.810.01bChao12 221.8884.19b2 420.8953.29a2 44
22、2.8373.52a2 194.88103.54b513.3945.85bc601.0125.99ab614.7529.97a503.6176.64cAce2 219.8877.27b2 433.8965.25a2 451.8376.69a2 175.09111.24b505.4129.26b582.8813.11a596.6229.27a499.4838.53bCoverage0.9950.00a0.9960.00a0.9960.00a0.9960.00a0.999 30.00a0.999 30.00a0.999 20.00a0.999 30.00a表中数值为平均值标准差。The value
23、s in the table are averagestandard deviation.表2根际土壤微生物群落多样性指数与土壤酶活相关性分析Tab.2Correlation analysis between rhizosphere soil microbial community diversity index and soil enzyme activity类别Category脲酶S-UE硝酸还原酶S-NR亚硝酸还原酶S-NiR谷氨酰胺酶S-GLS细菌群落多样性Bacteria diversity indexShannon0.3560.4590.4640.108Simpson0.3290.
24、3920.5620.095Chao10.4010.770*0.3600.156Ace0.3870.748*0.2810.132真菌群落多样性指数Fungal diversity indexShannon0.635*0.911*0.691*0.293Simpson0.5430.900*0.780*0.245Chao10.2220.680*0.5060.002Ace0.3050.744*0.4710.125*表示显著相关(P0.05),*表示极显著相关(P0.01)。*indicates significant correlation at 0.05 level,*indicates signif
25、icant correlation at 0.01 level.247江 西 农 业 大 学 学 报第 45 卷3 讨 论3.1石墨烯对杉木幼苗根际土壤酶活性的影响土壤酶作为土壤生态系统中重要的组成部分,对土壤的能量转换和物质循环起着重要的作用,通常是衡量外来物质对土壤生物活性影响的重要指标之一24。石墨烯作为一种新型的碳纳米材料,具有较大的比表面积、易溶于水等特点,对土壤中的养分离子有较强的吸附性,能减少土壤因降水、灌溉导致的淋溶损失,具有保肥作用25。试验中添加20 mg/L石墨烯处理有利于脲酶活性提升,这与段成伟等26发现低浓度的石墨烯能够增加东北暗棕壤的脲酶活性研究结果相似。脲酶能够促
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 石墨 杉木 无性 系根际 土壤 活性 微生物 多样性 影响 邱静雯
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。