单一文化的影响、作物轮作和土壤含水量在选定在麦田土壤理化和微生物参数

文摘

众所周知,不同的植物有不同的土壤微生物群落。化肥和农药等农业管理实践,轮作,食草动物可能会导致不同的相关的农业土壤中微生物群落。土壤稀释盘子,most-probable-number(或然数),社区层面生理分析(CLPP),和埋幻灯片技术以及一些测量土壤理化参数用于确定在作物生长季节变化的生态系统在麦田受小麦单作或每年小麦的旋转与医生/三叶草牧场。统计分析表明,土壤水分对季节性波动的影响面容的土壤理化和微生物种群。尽管在季节土壤微生物活性可能是不同的麦田在旋转和单一栽培管理,这些差异并不显著。

1。介绍

土壤质量是至关重要的植物和动物健康,维护环境和持续的生物生产力(1]。土壤微生物发挥关键作用在维持土壤质量(2,3]。根际微生物多样性被认为是有利于土壤健康(4)和根际中的营养的相互作用可以影响植物的地上社区(5]。我们理解土壤微生物功能的plant-microbe交互通常是有限的(6,7]。

植物品种显著影响相关的土壤微生物群落,以基层生理分析(CLPP) Dunfield和Germida8]。这些作者还发现,在这个社区没有永久的季节性差异。马斯纳et al。9)发现,根际微生物群落植物物种特异性,而摩根et al。4)表示,从不同植物根分泌物,甚至同一植物的不同品种不同,这些差异引起根际群落与植物有关。因此,可以预期,微生物群落在小麦单作和小麦轮流与豆科牧草显著不同。

各种角色球员更频繁请求信息的影响土地利用管理实践在物理、化学和生物肥力的土壤1]。存在小的知识管理系统如何影响微生物群落,因此土壤的肥力10]。当土壤物理化学性质的改变通过农业实践,微生物群落可能应对这些变化(11,12]。

近年来,土壤微生物多样性使用分子方法估计。然而,发现多样性指数基于DNA异质性可能模棱两可的特别是当决定包含高的土壤微生物的多样性(13]。Wintzingerode et al。14)分子的分析得出结论,一个环境往往导致曲解一个生态系统的多样性。用于从土壤中提取DNA的方法也会影响多样性的结果估计(15]。这些方法也是昂贵的,需要高水平的专业知识。虽然只有一小部分土壤微生物可栽培的[16- - - - - -18),一些研究人员(19- - - - - -21)发现,可耕种的微生物种群可以作为土壤健康的指标。奥尔森和肯19)发现通过non-colony形成微生物种群能量流是一个非常小的一部分,整个土壤生态系统,在埃利斯et al。20.]发现监测细菌集落形成是一个有用的工具在确定人为操作的影响。Edenborn et al。21)描述可耕种的细菌是有用的指示选择农艺干扰以及增加我们理解微生物和环境之间的联系的过程。

似乎有一个清晰的土壤微生物多样性之间的关系,土壤,植物质量(5),以及生态系统可持续性(22),众所周知,轮作好处小麦产量(23,24]。现在的问题就出现了:农业管理实践带来土壤理化和生物学性质的生态系统的变化的麦田吗?这项研究进行了评估选择土壤理化和微生物参数下两种不同的管理系统,也就是说,小麦单作和小麦在旋转年度豆科牧草。

2。材料和方法

2.1。实验地点

这项研究是在冬季和春季进行每年从2006年到2009年在一个长期轮作试验于1996年开始在西开普省Langgewens实验农场。Langgewens (18°42 0.004′′′E, 33°16′59.873′′S),位于Moorreesburg附近的一个最重要的小麦生产区域的南非。该地区经历一个典型的地中海气候,炎热,干燥的夏季,和凉爽,湿润的冬天。长期(每年年)平均年降水量为398.2毫米,其中约80%发生于4月到9月期间。长期每日最大和最小平均气温介于24.9°C和13.7°C之间,4月份通过17.0°C和8.1°C, 7月和9月20.2°C和9.2°C,分别为(年)。月平均降水从2006年到2009年呈现在图1。

土壤主要是Mispah和Glenrosa土壤形成的25)平均表土层深度200 - 400毫米,砂壤土壤土纹理。淋溶层通常有一个有机碳含量从0.8%到1.2%不等,一块石头45%的内容。Glenrosa土壤形成的沉淀层well-weathered上面黄/红粘土风化片岩不善而Mispah土壤风化片岩形式不佳。因为这些土壤往往打湿,审判地点“ridge-and-furrowed”开始之前的审判。

2.2。实验布局

六个60 m×30 m实验地块,在长期试验站点,选择目前研究。的两个情节已经自1996年以来每年种植春小麦(以下称为“单一文化”)。剩下的四个地块种植小麦/ legume-pasture旋转系统与春小麦和年度豆类牧场产生在备用自1996年以来每一个情节(以下称为“旋转”)。旋转的两个情节是1996年种植小麦和其他两个旋转块种植在1996年年度豆类牧场。因此,对于旋转块,有两个小麦区和两个牧场每年用于本研究。一年一度的豆类目前在牧场阶段小麦/牧场旋转组成的混合物Medicago truncatula品种,即Parabinga Sephi,大亨。海温027年春季小麦品种种植在单作和旋转的情节在小麦阶段四年的研究。

方便抽样,每六个实验地块(两个单作和四个旋转)均匀地分为六个连续的小情节,按顺序编号从1到6。每一次要情节测量10米×30米。

2.3。作物管理

种植、农作物保护、使用标准的农具和收割活动和机械保护农业实践。以上宏观和微量元素浓度保持最佳水平为每个作物所推荐的另一次(26]。

杂草被允许发芽,然后控制使用广谱除草剂(单一情节,草甘膦360 1.5ℓ·哈⁻¹和Triasulfuron (Logran) 37.5 g·哈⁻¹;旋转的阴谋,草甘膦360 1.5ℓ·哈⁻¹2006年5月17日)在种植之前开始。

2002年之前,小麦种植在一个准备好的苗床,100%的每个情节被打扰的土壤表面的深度使用松土机100毫米。从2002年开始,所有的情节都种植小麦(单作和旋转)种植使用的免耕播种机,大约20%的土壤表面在种植期间被打扰。今年,牧场生产的旋转情节,牧草再生soil-stored种子银行。旋转的表层土壤情节因此打扰(的深度约100毫米)在两年内只有一次小麦种植在旋转的情节时,表层土壤扰动发生时每年在种植单一的情节。从2006年澳大利亚发达,免耕播种机(Auseeder)是用于种植小麦。种植园主已经11种植单元间距为300毫米。每个种植单元由一个刀尖开瓶器,关闭工具,压轮和商业上称为深叶片系统(DBS)。氮和磷一起种植的种子行N.ha 29公斤的速度⁻¹和10公斤P.ha⁻¹,分别。

麦秸都砍了,从图中删除后从1996年到2001年每年收获但麦秸保留在收获后的阴谋之后到2001年。羊放牧的小麦残留物在夏季小麦/牧场旋转系统而不是小麦单作,除了2007年单一食物时,试图打击黑麦草侵扰。在小麦单作,碎秸被燃烧土地准备播种之前,从1996年到2001年,但在随后几年留茬不烧。2008年,它是决定燃烧所有的碎秸小麦单作阵营试图破坏由耐除草剂黑麦草种子流植物单作阴谋在2007年的生长季节,由于高黑麦草侵扰。小麦是一年一度的豆科牧草,牧场残留物都留存在整地,除了2008年的时候不小心烧。

2.4。抽样程序

抽样进行只有在脊沟倾向于变得断断续续在生长季节的。样本收集的三个小块的旋转和单一情节在每个采样时刻。奇数次要情节是第一年采样而偶数情节在次年取样。这个过程被重复第三和第四年的学习。

收集的样本在每个小情节三次,即6月(6周后种植),种植后(15周),8月和11月(只是在小麦收获后),每年。五个土壤样本(每个直径40毫米和150毫米深)被随机收集的每实验区三个次要情节。五个土壤样本的每个实验和混合提供三个样品图在每个采样时刻对所有分析。样本存储在新的塑料袋8°C到分析抽样(两周内)。

2.5。微生物分析

土壤稀释板被用来列举可耕种的土壤中微生物样品。一个100μL整除中的每个稀释土壤稀释系列(10⁻¹-10年⁻⁵)被转移到培养皿中包含适当的枚举媒介和传播与无菌glass-spreading杆表面。放线菌在酪蛋白酸钠琼脂培养(27)在营养琼脂(28)是用于异养微生物。枚举的厌氧真菌是酵母麦芽(YM)琼脂(28)和厌氧孵化室。Hymenomycetous真菌测定使用benlate-dichloran-streptomycin介质(BDS) [29日)和殖民地被归类为丝状或nonfilamentous类酵母菌的生长。上述板块都在黑暗中孵化后七天在26°C的菌落是手工计算。

枚举的原生动物,该方法被称为最有可能的数量(或然数),所述的Rønn et al。30.]。这些数据被转换为估计土壤Briones的人口使用公式和Reichardt [31日]。

所有土壤样品受到社区层面生理分析(CLPP) [32]。准备的土壤悬浮液转移10 g 90毫升无菌蒸馏水的土壤。每个悬挂10分钟手腕上动摇了瓶,可以解决了两个小时,之后100年μL整除的上层清液用于接种生物测井的井EcoPlates(美国生物测井,海沃德,CA)。接种板块在黑暗中孵化在22°C 48小时。利用的碳源,减少表示的四唑染色,然后记录在Bio-Rad 680型微板读者在波长595纳米。为可能的背景色彩效果,正确的阅读控制好减去从实际的阅读。任何可能的负面结果记录为0。

丝状生长在土壤测量的一种适应性埋滑动技术,(33)所描述的著名et al。34]。干净的显微镜载玻片和胶带绑定成对。这些都是那么直埋在土壤15厘米的深度。两周后在土壤中,幻灯片被移除,擦拭干净。每个幻灯片里面当时在100 x光显微镜下检查放大和丝状增长记录20领域每个幻灯片。因此可能计数是0到40之间为一对幻灯片。积极的字段的实际数量计算40尽可能的一小部分。

2.6。理化分析

土壤使用柠檬酸钙和磷测定方法,而土壤有机碳(%)确定使用Walkley-Black方法(26)和总氮(%)用描述的方法采用AOAC公认的(35]。含硫量(ppm)确定使用钙一磷酸萃取法(36]在硼含量(ppm)确定使用硼可榨出的热水的方法(26]。土壤水分(%)确定重量分析地通过称重,然后干燥约100克的土壤四天60°C。水分被表示为一个百分比的干土的重量。

2.7。统计程序

数据是连续的;因此,单变量方差分析和测试)和多变量分析(聚类分析和判别分析)进行数据。

比较客观的治疗手段,数据受到适当的方差分析。方差分析是使用SAS 9.2版本执行(37]。Shapiro-Wilk测试执行测试nonnormality [38]。学生的以及计算显著性差异在5%的显著性水平比较治疗手段(39]。

病房的方法(40)是用来执行聚类分析。这个方法之前没有分类和分组可能会明显。判别分析(DA)是为了调查即将到来的分离(歧视)组。这些多元统计分析是计算使用XLSTAT [41统计软件。

3所示。结果与讨论

3.1。理化分析

降雨季节和年(图之间的不同1)最少的降雨发生在2009(384毫米)和最大雨发生在2007(723毫米)。因此,我们的测试期间降雨量不同从远高于长期(下年)年均降水量398.2毫米。

土壤含水量,采样当天决定,从2.6%到18.1%不等。平均每日土壤温度前一周的日子,抽样范围从13.7到17.1°C, 6月8月11.4 - 14.3°C,在11月23日25.6°C。这通常是略高于同期的日平均气温,范围从12.9到15.6°C 6月,11.2到13.2°C, 8月和11月18 - 22.8°C。

确定农业管理类型(单一或旋转),季节,和具体的年研究期间理化和微生物测量变量的影响(见章节2。5和2。6),数据受到双向方差分析(方差分析)测试。从结果(表1),很明显,对测量变量管理类型几乎没有影响,而本赛季中最重要的测量对这些变量的影响。季节之间的相互作用和类型(单一或旋转)在2007年为土壤硫浓度显著(),最高的年降雨量在研究期间。交互之间的变化差异意味着为不同水平的一个因素在不同水平的另一个因素(42]。在这个实例中,季节在这个互动的影响最大(5.4意味着16赛季和管理类型)和高降雨量可能会影响整个土壤硫的水平,这是浸出。然而在旋转,豆科牧草会隐藏更多的从土壤中硫,因为豆类是已知有硫的高要求43),从而导致旋转土壤硫水平较低。

由于降雨实质上不同在测试期间,“年”后来被用于方程作为一个次要情节(44)和测量变量比较不同的年。因此,重要的年度土壤磷水平的差异,以及“年”和“季节”之间的相互作用是揭示土壤含水量,以及硼的含量,硫,氮在土壤中(表2)。这些发现可能归因于降雨的差异,记录测试的四年期间(图1)。

在2009年,干旱年的测试期间,土壤磷和氮水平似乎联系和呈正相关(),如被发现使用皮尔逊相关性。在今年,响应这两个变量,土壤的湿润和干燥周期,似乎比在其他年份更明显。在这方面,Venterink et al。45)报道,干燥等对磷几乎没有影响,但干的再湿润土壤造成实质性的变化可抽出的磷以及氮的可用性。众所周知,这些营养素发挥重要作用在土壤微生物群落,尤其是豆类,如苜蓿/医生牧场旋转作物(46]。

3.2。微生物

当所有测量理化和微生物(表测量变量1每年)受到集群分析,分组根据季节明显分离试验周期的持续时间(数字2(一个)- - - - - -2 (d))。这是按照方差分析结果(表1)显示季节背后最重要的效应获得测量变量的值。类似的结果上著名et al。34]。

每年,唯一的生物因素显示显著区别单作和旋转是放线菌数量在2006年(表1:)。季节和类型之间的相互作用是重要的在2006年原生动物()。从图3 (d),很明显,对原生动物的季节性影响数字截然不同的土壤受到两个管理类型,即单作小麦和小麦与豆科牧草旋转。寒冷、潮湿条件导致原生动物的数量大幅下降8月在单一文化的土壤,而土壤原生动物数量的情节受到旋转仍然相当恒定。生长季节的结束,然而,相反的是真的与土壤原生动物数量的旋转情节迅速下降,而这些微生物的数量的单一情节增加到数字与数字在赛季的开始。2006年平均降雨量,但后期降雨量较低的冬天比去年同期(2006年8月)另一年的实验周期(图1)。干燥的冬天可能对原生动物有更大的影响与单作的旋转。这可能是按照发现哈代(47,48)发现,在年低于平均降雨量,旋转作物地块整体表现的更好。有人建议由Torsvik和Øvreas [49,土壤肥力与土壤中的微生物提供的“缓冲”功能。因此容易推测,2006年8月期间干旱可能是更好的原生动物社会容忍的旋转情节,比单一文化的土壤中原生动物的情节。

之间发现了一个有趣的关联的总降雨量期前两周取样(图4)和放射菌类的数字。这种正相关(= 0.842)在2009年非常重要,最干旱的一年,这表明放射菌类数量和降雨有关。最潮湿的一年(2007),然而,这些变量是负相关(=−0.855),所以降雨量的增加导致放射菌类数量的减少。

放线菌数量与土壤水分也负相关(2007年=−0.822)。因此,尽管放线菌似乎需要一个最低湿度增加,这些细菌渍水土壤条件很敏感。这是按照结果提图斯和佩雷拉(50]发现比浸饱水的土壤可能有害的土壤中的放线菌,茁壮成长。同样,原生动物数量与降雨量呈正相关()和土壤水分(最潮湿的一年。原生动物数量后各年的季节性模式,交互发生季和2006年之间(表1),一年只有高于平均水平(422毫米)的降雨量。当“年”被添加作为一个次要情节(表2)之间的相互作用发生,季节,和类型。因此,水分扮演了一个角色的可用性以外的东西在影响土壤原生动物数量。因为原生动物通常以细菌(51,52),可能是原生动物的丰度是一个函数的可用性的细菌。

当季节性趋势的结果生物农业管理类型的变量,一些有趣的模式出现了,尽管他们并不总是具有统计学意义。与略高于2006年,每年平均降雨量(422毫米),丝状,nonfilamentous伞菌类,放线菌、原生动物以及异养计数显示不同的模式在单作和旋转(图3)。

2007年,最高的年降雨量(723毫米)的研究期间,只有异养计数显示一些管理实践(图之间的区别5),然后主要是在11月,干燥时。

2008年,每年与高于平均降雨量(500毫米),两个测量微生物参数,即放线菌和nonfilamentous伞菌类,显示不同的反应不同管理类型(图6)。

2009年,最后一年的研究期间,只有不到一年平均降雨量(384毫米),三个测量微生物参数显示不同的反应的不同管理类型。这些都是放线菌、原生动物和异养(图7)。

当四年的研究期间(图8),有趣的是,没有多少的微生物参数(g)的模式类似的土壤含水量(h),也许可以预期,因为方差分析表明,土壤水分显著年(表1)。因此看来,即使土壤水分是主要驱动力变化可耕种的土壤微生物群落,其他参数也扮演了一定的角色。这是根据一项研究的结果,巴卡尔et al。53)发现,细菌丰度在土壤与水相关的可用性、丰富性和多样性的社区受到别的东西,比如营养可用性和pH值。

从图8,很明显的两年平均降雨量多,也就是说,2007年和2008年,测定微生物的数量在某些情况下,高,低,有些类似于年平均降雨量(2006和2009)。研究微生物的数量参数从而不仅与土壤水分,按照巴卡尔等人的结果。53]。兼性厌氧培养基上的菌落培养(图8 (f))主要是发现代表毛霉菌目真菌顺序。这些真菌数量略高于两年的低降雨量。Seabi et al。54)发现,一些Mucoralean土壤真菌在南非被发现包容广泛的盐度,因此水的可用性。因此,较低的降雨在这两年,可能有一些微生物的数量减少测量在我们的研究中,不可能有不利影响的增长毛霉菌目。

3.3。Biolog EcoPlate

旋转系统可能会导致更大的各种潜在的土壤中微生物的碳源,由于豆科牧草(55]从放牧绵羊和浪费。因此,可以预期,CLPP分析,基于生物测井EcoPlate方法,揭示了如果差异存在于土壤细菌群落的碳源利用土壤受到两个管理系统。

当生物测井EcoPlate每年的数据进行了分析,下面的模式出现了。2006年的数据系统树图以及判别分析(DA)显然分组每赛季而不是类型(图9),按照结果Marais et al。34),在别人。尽管生物测井EcoPlate主要措施快速增长的细菌的代谢潜力(32),这些结果是按照其他微生物变量测量的结果在这个研究(见部分3.2)。

数据最潮湿的一年的研究期间,即2007年,每赛季(图集群不多10)但判别分析(DA)显示一些集群根据类型,当样本单作11月和8月分组在一起,与别人分开。看来,当水分不是有限的,不同的管理系统的效果不是很明显。

在2008年和2009年,2007年的趋势主要是继续(数字11和12根据季节),没有多少集群。一些集群根据管理类型发生在11月与单作DA和旋转相互完全独立于11月,6月和8月的样本(图11)。

从数据(11日)和11 (b),很明显,11月的单一样本分离完全从其他样本。其中一个单一情节没有收获,但喷洒除草剂抽样在11月之前不久,因为黑麦草高侵扰的杂草。可能的除草剂对土壤微生物群落的影响,据著名et al。56]。

2009年,单一样本8月,中途生长季节,没有与其他样本(数据集群12(一个)和12 (b))。2009年,降雨是最低的记录在测试期间也最低的8月,当采集标本(图1)。有可能比旋转情节单一文化经历了更大的压力,因为它已经发现,旋转系统可以更有效地利用土壤水分(57]。

4所示。结论

降雨和土壤水分明显有很大影响土壤中微生物群落发生变化。季节性波动的湿润和干燥西开普省可能是背后的主要驱动力土壤微生物群落的变化,可以看到在我们的结果。然而,也明显,农业管理类型的可耕种的土壤微生物群落产生影响。必须记住测试区域的管理实践已经在几年前这审判和湿润和干燥的气候周期的一部分。因此土壤微生物群落可能适应的具体实践以及干湿交替,据菲勒et al。57)得出的结论是,干湿交替影响土壤微生物群落,和社区发展和适应周期。因为我们没有确定任何物种,但观察到生态系统的土壤社区作为一个整体,不可能扣除这些社区特有的变化。

从我们的研究很清楚,使用可耕种的方法在土壤微生物是一个工具,可以用来确定生态系统的土壤微生物群落的变化。

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