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水-空气-土壤污染物 2009(198):189-198
DOI10.1007/S11270-008-9838-1
03浓度升高对小麦作物土壤微生物群落功能的影响
展陈 效科王 中峰赵 秦箫 孝南段
中国科学院生态环境科学研究中心城市与区域生态学国家重点实验室，北京100085，中国电子邮件：wangxk@rcees.ac.cn
摘要：本研究旨在探讨臭氧(O3)对盆栽小麦根系和土壤微生物群落功能的影响。进行了三次试验：(1)空气中日平均O3含量浓度4-10 ppb（对照实验相比），(2)空气 8h平均O3浓度为76.1ppb(03-1)，(3)空气 8h平均O3浓度为118.8 ppb(O3-2)。与对照实验相比，高O3浓度（O3-1和O3-2），根和地上部生物量分别降低25%和18%，另一方面，与对照组相比，在O3-1和O3-2处理中，根系活力显著下降58%和90.8%。土壤微生物生物量只有在最高的臭氧浓度（O3-2）显著降低根际土壤中的处理。利用BIOLOG系统，根据土壤微生物群落的唯一碳源利用概况的变化，在O3胁迫下评估土壤微生物群落组成。主成分分析表明，根际土壤中O3处理对土壤微生物群落的唯一碳源利用模式有显著的判别作用；然而，与对照组比较，散落的土壤里没有任何东西。在根际土壤中，O3-1和O3-2处理土壤微生物群落功能丰富度分别减少了27%和38%。O3-2处理显著降低了根际土壤微生物群落功能的Shannon多样性指数，而O3-1处理没有降低根际土壤微生物群落功能的Shannon多样性指数。在利用碳源的优势微生物中，根际土壤中的O3浓度显著降低了碳水化合物和氨基酸的含量。研究表明，臭氧水平的升高会改变根际土壤中的微生物群落功能，而在块状土壤中则不会改变。因此，这表明，臭氧O3通过对土壤微生物的影响从而对植物造成危害，但不是臭氧通过土壤微生物的直接作用。
关键词 ：微生物群落；微生物功能多样性；臭氧；根；小麦
收到：2008年1月2日 接受：2008年9月5日 网上公布：2008年9月24日
作者简介：詹陈,森林生态学研究所，中国林学院环境与保护,北京100091
秦箫,环境科学与工程学院，北京林业大学，北京 100083
1.前言
臭氧(O3)是一种高活性的氧化剂污染物，对人类健康和作物产量有一定的影响，引起相关领域的广泛研究。
尽管O3浓度的上升趋势已调平，也在美国和欧洲略有下降，但由于工业化和城市化快速的原因[3，10]，发展中国家对流层O3浓度仍在上升。在中国，高臭氧浓度已超过一些发达地区150ppb，如北京-天区、长三角和珠三角[29]。野外露天洞室[32，35]和作物模型[33]都表明，如此高的环境O3浓度会显著的影响作物产量。
O3的升高不仅会导致作物产量的损失，而且还能显著减少同化物在根系中的分配。根系生物量的减少会影响有机质进入土壤。近年来，03在土壤中的作用引起了人们的广泛关注，对小麦和大豆进行的露天室内试验表明，土壤有机质总量与O3浓度变化不一致[20]。在威斯康星州莱茵河登陆场进行了为期4年的白杨林和白桦混交林(自由空气浓度富集)试验，发现O3浓度升高降低了土壤总碳的形成[22]。在经过O3处理后，白杨林[8]、火炬松幼苗[12]和小麦和大豆[20]的土壤呼吸减弱。相反，在O3胁迫下，白桦的土壤呼吸增加[21]。这些不一致的结果使得很难评估O3浓度升高对严重影响植物生长和气候变化的C循环过程的影响[2]。
土壤呼吸强烈依赖于微生物介导的有机分解。土壤微生物作为分解者，在生态系统中起着非常重要的作用，它是由土壤微生物组成的。因为这些物质是细胞代谢的有价值的能量来源，土壤碳库，O3诱导的植物根系底物输入的变化会影响土壤微生物。O3升高对土壤微生物生物量、结构和功能的影响将影响植物的养分供应，加重O3对植物的影响。
微生物生物量是研究土壤对O3胁迫响应的指标。已观察到O3升高可减少土壤微生物生物量[20]。O3对土壤微生物生物量的影响不成线性[28]：在低O3水平下，真菌和细菌总生物量增加。与对照组相比，高03水平的真菌和细菌总数均低于对照组。微生物群落结构对O3的响应随实验方法的不同而不同。磷脂脂肪酸(PLFA)法显示真菌PLFA降低，细菌PLFA增加。在暴露于高浓度O3相比环境臭氧植物[25]。相反，16S rRNA变性梯度凝胶电泳分析表明O3胁迫可以忽略不计。根际细菌群落结构多样性的影响[11]。
除PLFA法和16 SrRNA法外，基于单一碳源利用模式的Biolog微板法在评价微生物功能多样性方面得到了广泛的应用[15]。该方法简便、经济，鉴于这些优点，当小麦暴露在高O3中时的群落，本研究采用Biolog微板法评估土壤微区的变化。
O3对土壤的影响是由植物根系活动和根际联系起来的根际响应O3胁迫引起的，本研究旨在研究O3对小麦根际和块状土壤微生物群落功能的影响。
2.材料和方法
2.1作物管理
小麦种子经10%H2O2消毒5 min，用去离子水彻底洗净后，在25℃黑暗中浸泡48h。为了对根际土壤和块状土壤进行分离，将处理后的种子放入经过2mm筛分的专用尼龙网袋中。此后，尼龙袋被埋在装满壤土的PVC罐中，通过2毫米筛子。土壤pH值为5.36，有机质含量较高为3.4%，总碳是1.9%，总氮是0.2%，土壤含水量为13.7%。播种前，肥料在以下几个地方施用：温度为20-25摄氏度的植物生长室速率：0.428克尿素，0.323克 CaHPO 4·2H2O和0.247 g·k2SO4/kg土壤。白天罐子被放在里面，晚上气温15-20度。相关湿度为50-85%，株高时光照强度为50-85%。220mu;mol m-2s-1在400-700 nm波段。3周后，这些罐子被移到露天的顶部室(场外，1.2米长，1.2米宽，2.1米高)是专门为空气污染物设计的熏蒸试验。在生长期内小麦每天用去离子水浇水。
图1 03分析仪监测OTC内的实际臭氧日变化
2.2实验设计
试验采用CK、O3-1和O3-2三种处理，每次处理重复24次。在CK中，以炭过滤空气(lt;10 ppb)作为对照，对OTC进行曝气。O3浓度(O3-1和O3-2处理)是由纯氧放电产生的O3(臭氧发生器，QHG-1，余姚)混合木炭过滤空气实现的。O3浓度在室内O3分析仪监测（澳大利亚ml9810b，生态技术）。在O3-1和O3-2处理中，OTCs分别于9：00-17：00熏蒸，8h平均浓度为75 ppb，峰值为110 ppb，平均为110 ppb，峰值为170 ppb。OTC中O3浓度的日变化规律是由质量控制器(中国北京神野)实现的，臭氧发生器的EN体积(图1)。表1显示按小时平均数计算的8h平均O3浓度、总累积O3浓度和超过40 ppb臭氧浓度阈值的累积接触量[13]。
从发芽后98天，在小麦收获后立即决定高度以及干燥后在80°C 72小时根的根生物量、茎：茎比CA 计算重量的基础上。
2.3根系活力测定
根活力测定采用TTC(三苯四唑氯化铵)法[7]和用TPF(三苯基甲酰基)形成的量表示。总之，0.5克新鲜根浸在10毫升的等量混合溶液中，0.4%的TTC和磷酸盐缓冲液，在37°C的黑暗中保存2小时。随后加入2mlMH2SO4以停止与根的反应。用滤纸干燥根，然后用乙酸乙酯萃取。将红色萃取剂转移到 乙酸乙酯加入容量瓶达到10毫升。根组织代谢活性(ttc降低到tpf)在潜伏期内产生的tpf量，根据tpf浓度之间的关系，用分光光度计测定。在485 nm处，n-渗透和吸光度。
2.4土壤微生物评价
一小部分无根土壤(靠近尼龙网的5-10毫米层)可以被认为是根际土壤的一部分，其中有水溶性的根际沉积物[18]。这种将根际与块状土壤分离的物理方法比振动法更可取，因为它更精确[34]。因此，在5毫米以内的土壤以尼龙网为根际土壤样品，将尼龙网5mm以外的土壤归类为块状土壤样品。采集样品后立即对土壤微生物量和群落功能进行评价。
表1. 8小时平均臭氧浓度、总臭氧剂量和小麦生育期的AOT40
|
实验 |
8小时平均ppb |
最高 03 ppm·h |
AOT40 ppm·h |
|
CK |
8 |
0.5 |
0 |
|
03-1 |
76 |
41.4 |
21.4 |
|
03-2 |
119 |
65.8 |
44.1 |
采用熏蒸萃取法[31]测定土壤微生物量-C。用Au法测定了CHCl3处理和未处理土壤中K2SO4萃取C的含量，用自动TOC分析仪测定(LISI TOC，Elementa，德国)。
微生物群落功能是利用单一碳源利用Biolog系统分析（BIOLOG公司，Hayward，CA）。三份10g土样悬浮在90 ml 0.85%无菌NaCl溶液中，振动30 min。然后依次稀释至10minus;3。稀释液接种在Biolog GN板中，在25°C的暗室中接种。接种后，用Biolog微板阅读器在595 nm处扫描8h，扫描240 h。含有碳源井的吸光度值与对照井相比被指定为空白。Biolog板块的整体颜色变化被表示为平均颜色变化率（AWCD）[15]。为了评估微生物群落的底物利用模式，AWCD区(累积的AWCD随时间）[17]，对每个碳底物基团(聚合物、碳水化合物、羧酸、酰胺/胺、氨基酸和杂基)也进行了计算[5]。
微生物群落功能丰富度假定为吸光度大于0.1的井数。微生物群落功能多样性的计算方法为Shannon-Wener多样性指数(H′) as H0frac14; eth; Pi logPiTHORN;，其中PI是微生物总代谢能力的比例(在本研究中忽略了吸收值)对特定的碳源。此时，由于90%的井在96h内转正，所以在孵育后96h，我们使用了微板读数的吸光度。
2.5统计分析
单因素方差分析(ANOVA)测定了不同处理间根系生长和微生物含量的差异。采用95%置信区间LSD(LSD 0.05)进行多重比较。在协方差矩阵的基础上，采用主成分分析(PCA)方法，对不同处理土壤微生物群落碳基质利用模式进行了判别。
- 结论
3.1小麦生物量与根系活力
高O3显著降低了小麦的株高，降低了小麦的根、茎生物量。然而，O3-1和O3-2处理在高度和生物量上没有显著差异(表2)。与对照相比，高O3处理使根系和地上部生物量分别下降了25%和18%(表2)。O3处理与对照相比，根：茎比无显著差异。相比对照，根系活力在O3-1和O<sub
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