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不同土地利用方式下球囊霉素相关土壤蛋白与有机碳及土壤质地的关系

2020-03-25 来源:一二三四网
安徽农业科学。Joumal of Anhui Agn.Sci.2010,38(23):12499—12502 责任编辑马树梅责任校对卢瑶 不同土地利用方式下球囊霉素相关土壤蛋白与有机碳及土壤质地的关系 祝飞,赵庆辉,邓万刚,陈明智 (海南大学海甸校区农学院,海南海口570228) 摘要[目的]揭示土地利用方式对球囊霉素相关土壤蛋白(GRSP)的影响。[方法]测定了海南岛5种主要土地利用方式下GRSP、土 壤有机碳(Soil oaganic carbon)与土壤质地(Soil texture)在O~1O、1O~2o、20—50 cm 3个土壤层次中的分布情况。[结果]相对于保持较 好的次生林,4种不同耕作土壤的GRSP与有机碳含量均有所下降。GRSP在海南岛5种主要土地利用方式土壤中的含量为0.53~4.80 ms/g。占有机碳的7.9%~23.4%,是碳库的重要组成部分。GRSP占有机碳的比例在不同土地利用方式下差异显著,在土层之间差异不 显著,GRSP和有机碳含量在土壤剖面上垂直分布较明显。GRSP与有机碳、砂粒含量呈显著正相关,与粉粒和粘粒呈显著负相关。[结 论]砂粒含量在很大程度上决定了GRSP的含量,壤土相对粘土更有利于GRSP的累积。 关键词 海南;球囊霉素相关土壤蛋白;有机碳;土壤质地 中图分类号S513 文献标识码A 文章编号o517—6611(2010)23—12499—04 Relationships Among Giomalin Related Soil Protein.SOC and S胡Texture under Di置jFerent Land Use Types ZHU Fei et al (College of agriculture,Hainan University,Haikou.Hainan 570228) Abstract 『0bjective]The aim was to indicate the effects on glomalin under diferent land use types.f Method I GRSP,s0il organic carobn content and soil texture in 3 depths(0—10 cm.10—20 em.20—50 cm)of5 main kinds of selected land use type were examined in Hainan. 『Result]The results showed that GRSP and SOC content of four artificial1and use types decreased compared with the natural secondary forest land,theGRSP content of all samples rangesfrom 0.53—4.8Omg/g,accountingfor7.9%一23.4%ofthe SOC,whichmeansGRSPwas one important component of S0C pool in soil.The ratio of GRsP t0 S0C was signiifcantly diferent among land use types but the depths.GRSP and S0C exhibited obvious vertical distirbution pattern.GRSP was signiifcantly positive related to SOC and sand content but negative related to silt and clay content.f Conclusion I The sand content determineed tlle GRSP content signiifcantly and loam was better matrix for GRSP aceumula. tion than clay. Key words Glomalin:Hainan:Soil organic carbon:Soil texture 1996年美国马里兰大学微生物系实验室的w矗ght等人 粘结在一起,这些机制均能促进土壤团聚体的形成,改善土 在丛枝菌根(AM)真菌(Glomus intraradices)菌丝的表面发现 壤质量 ;③对于cu、Cd、Pb和Mn等潜在的土壤毒性元 了一种能够和由AM真菌(Glomus intraradices)破碎的孢子制 素有固定作用,这使球囊霉素在土壤污染的生物修复方面具 得的单克隆抗体(MAb 32B11)发生免疫性荧光反应的未知 有应用前景” 。笔者主要研究了不同农业管理措施下 蛋白…,此蛋白非常稳定且不溶于水,只有在用中性至碱性 GRSP含量的变化及其与有机碳、土壤质地之间的关系。选 的柠檬酸钠溶液中于121℃高温下才能够提取得到。进一 择海南岛热带地区有代表性的5种土地利用方式,通过分析 步的研究发现,球囊霉素是由球囊霉属AM真菌菌丝分泌产 土壤质地、土壤有机碳和GRSP在不同土地利用方式下不同 生的并且可以脱落到菌丝际土壤中的一类含金属离子的糖 土层中的分布模式以及它们间的相互关系,揭示农业管理措 蛋白,并命名为球囊霉素(Glomalin) 。球囊霉素是迄今 施对GRSP的影响,为土壤的可持续利用和农业的可持续发 为止发现的唯一1种AM真菌分泌到土壤中的蛋白质,因而 展提供依据。 引起人们的广泛关注。由于目前尚未有专性的提取高纯度 1材料与方法 球囊霉素的方法,Rillig等 建议使用球囊霉素相关土壤蛋 1.1材料海南岛最重要的5种农业土地利用方式为:水 白(Glomalin related soil protein,GRSP)的新术语来定义从土 稻田(Paddy soil)、橡胶林(Rubber plantation)、果园(Fruit gar- 壤中提取的以球囊霉素为主的蛋白质混合物,并把球囊霉素 den)、甘蔗地(Cane ifeld)和蔬菜地(Vegetable ifeld)。因上述 分为BRSP(Bradford-reactive soil protein)、IRSP(immunoreac— 5种土地利用方式主要是20世纪50年代垦荒转变而来,故 tive soil protein)、EE—BRSP(easily extractable BRSP)、EE—IRSP 选择了保持较好的次生林(Secondary forest lnad)作为参 (easily extracted immunoreactive soil protein)4种。 考 。由于蔬菜地种植蔬菜品种复杂,轮作频繁且利用年 球囊霉素主要由3部分组成:蛋白质主体、碳水化合物 限较短,试验并未采集蔬菜地样本。2008年1月,在海南岛 以及其中络合的铁及其他离子,蛋白质部分是某种分子量为 中西部白沙县采集具有代表性的3种花岗岩母质土壤:次生 63 kD的热激蛋白(heat shock protein),碳水化合物为葡萄糖 林土壤、橡胶林土壤和水稻田土壤样本,在海口市琼山区采 或蔗糖亚单位,通过N末端的3个糖基化位点与蛋白质相 集了具有代表性的甘蔗地和果园土(龙眼),每种利用方式设 连 。目前研究发现球囊霉素的主要作用有3个:①稳定 增加土壤有机碳库,其含量是过去认为土壤有机碳最主要来 置6个蛇形排列的采样点,每个采样点取0~10、10~20和 20~50 em 3层新鲜剖面土壤标本(表1)。按四分法取土壤 源之一的胡敏酸含量的2~24倍,占土壤有机碳源的 27% ’ ;②改善土壤团聚体,AM真菌本身的物理缠绕作用 混合样品1 kg装入布袋编号带回实验室,风干后去除杂物石 能够将土壤颗粒束缚在一起,其分泌产物也可以将土壤颗粒 块,过2 nLrn筛保存留作分析用。 1.2测定项目及方法 基金项目 国家自然科学基金项目(40761024)。 作者简介 祝飞(1984一),男,江西鹰潭人,在读硕士,研究方向:热带 1.2.1物理性质测定。土壤pH值采用PHS一3C型精密酸度 土壤质量与管理。 计测定,土壤质地采用简易比重计法测定,分类按照国际标 收稿日期 2O10 5 7 准粒级分类系统分类 ,土壤有机质分析采用重铬酸钾氧 安徽农业科学 化法测定-- 。 方差分析、相关性分析和多重比较分析;使用Origin 6.0软件 绘图。 2结果与分析 1.2.2 GRSP测定。土壤样品中GRSP含量根据Wright所 描述的方法稍做改进 ,结果以1 g土壤中蛋白质的毫克数 表示GRSP含量。具体操作为:取约O.50 g过2 ingn土筛的 96=8 §§_【。 妻如 们 ∞ 如 2.1不同土地利用方式下土壤质地的垂直变化3种大小 土壤样品于10 rIll聚丙烯离心管中,加入4 rnl的pH8.O、50 mmol/L柠檬酸钠浸提剂,振荡器振荡半分钟充分混匀;在 121℃提取90 min,10 000 g离心6 min;移走上清液之后,再 加入等量的柠檬酸钠浸提剂,振荡混匀,重复提取60 min, 10 000 g离心6 min并移走上清液,重复操作,连续提取,直 土壤颗粒在不同土地利用方式之间均表现出显著差异(P< 0.01),在土层之间,砂粒含量差异不显著,粉粒和粘粒含量 差异显著(p<0.01)(表1)。整个剖面砂粒含量依次为水稻 田(69.6%)>次生林(61.6%)>橡胶林(59.4%)>甘蔗地 (47.5%)>果园(31.1%),橡胶林土壤中砂粒含量随土层加 深下降明显;整个剖面粉粒含量依次为果园(31.6%)>甘蔗 地(27.9)>水稻田(17.9%)>次生林(17.6%)>橡胶林 至上清液不再呈现球囊霉素典型的红棕色为止。所有收集 到的浸提液以10 000 g离心10 min,收集离心后的上清液,定 容后使用考马斯亮蓝法进行浓度测定,并用牛血清蛋白作对 (16.1%),甘蔗地粉粒含量随土层加深下降明显,其他4种 照,采用Beyotime P0006试剂盒,使用酶标仪在595 nm波长 利用方式含量均有小幅下降;粘粒含量果园(37.3%)>甘蔗 下测定吸光值,最后换算成土壤球囊霉素相关蛋白含量。 地(24.6%)>橡胶林(24.6%)>次生林(20.7%)>水稻田 1.3数据分析采用SAS V8 for Windows对所测数据进行 (12.5%),其中橡胶林土壤随土层加深含量匕升较明显(图1)。 表1土壤采集样点的基本情况 Table 1 Basic situations of the soil collection site 96=8 §舳加∞如 注: 为上世纪5O年代原始森林遭砍伐后恢复形成的次生林。 Note: stands for the secondary forest formed after cutting virgln forest in 1950s 薹 10 20 30 40 土层SOil layer cm 土层SOil layerⅣc【Il 土层Soil layerⅣcnl 注:A.粘粒含量;B.粉粒含量;c·砂粒含量。 Note:A.Clay content;B.Silt content;C.Sand content. 图1不同土地利用方式下3种土层深度中土壤颗粒组成变化情况 Fig.1 The variation of soil par'tide composition Oilthree soil depth under differentland use姆 2.2不同土地利用方式下土壤有机碳的垂直变化不同土 2.3不同土地利用方式下GRSP的垂直变化5种土地利 地利用方式下土壤有机碳含量差异显著(P<0.01),土层之 用方式下GRSP的含量差异显著(P<0.O1),土层之间差异 间含量差异也显著(表2)。5种土地利用方式下有机碳含量 也显著(P<0.O1)(表2)。5种土地利用方式下GRSP含量 均随土层深度增加表现下降趋势,2O~50 em土层含量远低 均随土层深度增加表现下降趋势,但是水稻田和甘蔗地O~ 于0~10 cm土层,平均值依次为次生林(18.39)>水稻田 10与10~20 em层差异不显著。各利用方式GRSP平均值 (13.19)>甘蔗地(12.10)>果园(11.58)>橡胶林(1O.56) 依次为次生林(3.47 mg/g)>水稻田(2.87 mg/g)>橡胶林 (表3)。 (2.27 mg/g)>果园(1.73 mg/g)>甘蔗地(1.03 mg/g)。土 如暑舞 如如38卷23期 祝飞等不同土地利用方式下球囊霉素相关土壤蛋白与有机碳及土壤质地的关系 12501 球囊霉素相关蛋白GRSP 66.61 <0.O01 96.34 8.61 <0.001一 砂粒含量Sand content 1o6.62 <O.001 O.93 2.86 O.oo8 粉粒含量Sih content 72.41 <0.001一 12.52 3.04 0.005 粘粒含量Clay content 59.66 O.0o1 12.96 3.74 O.0o1 注: 表示在P<O.O1水平上差异显著,下同。 Note. means signiifcant difference at P<0.O1 leve1.The same as below 表3不同土地利用方式下土壤有机碳和GRSP含量Duncan’S多重比较分析 Table 3 Duncan’S multiple range test for soil organic carbon and GRSP content under diferent land use types 。 伽 注:同列数据后不同季母表示不同利用方式在P<o.05水平上差异显著。表中数值为平均值,括号内数值为标准偏差。 Note:Different letters in the same column mean signiifcant difference at P<O.05 level under the same land use type.Values are mean with standard deviations in parenthesis. 壤中GRSP平均含量为1.03~3.47 mg/g,占土壤有机碳百分 相关分析表明,球囊霉素和有机碳、砂粒含量呈显著正相关, 比为8.5%~24.8%,每种利用方式不同土层间GRSP占有 与粉粒含量、粘粒含量呈显著负相关。有机碳与各颗粒成分 机碳的百分比差异不显著,利用方式之间差异显著(表3)。 无显著相关性,砂粒含量与粉粒和粘粒均呈显著负相关,粉 2 GRSP、土壤有机碳与土壤质地相关性分析Pearson 粒和粘粒含量之间呈显著正相关(表4)。 表4球囊霉素、蛋白酶与土壤因子Pearson相关性分析 Table 4 Pearson correlation analysis among glomalin-protease and soil properties 3讨论 这与人类活动对土壤生态系统的扰动有关,栽培方式、管理 研究结果显示,在类似起源的土壤中,由于几十年的不 水平、施肥情况均能极大地改变土壤的理化性质。从GRSP 同土地利用方式的作用,其土壤质地和有机碳、GRSP均发生 和有机碳的含量来看,次生林最高,说明在目前当地农业耕 了较大变化,与较原始的次生林土壤相比差异达到极显著, 作方式下土壤质量呈一定的下降趋势,其中表土流失特别严 安徽农业科学 重的橡胶林土壤肥力下降最多。 多种生态环境因子如气候条件、植被类型、土壤特性、 AMF组成、大气CO:浓度的升高、土壤使用方式、耕作模式 等均会影响到GRSP的积累和组成 。大量研究表明,能 影响丛枝菌根真菌的AMF生长的因子均会影响球GRSP含 量的变 ” 。GRSP含量在不同生态系统中含量为2.0~ 14.8 mg/g,占有机碳库的百分比为7%~33%” 。该研 究中GRSP含量变化范围为0.53—4.80 mg/g,占有机碳的百 分比为7.9%~23.4%,与其他研究结果一致,表明海南岛典 型土壤中GRSP是有机碳库的重要组成成分。其中GRSP占 有机碳库的比例与土地利用方式有关,不同土地利用方式差 异显著,同种利用方式下土层之间差异不显著,表明土地利 用方式和耕作模式能影响GRSP的积累。 试验还表明,GRSP与有机碳、砂粒含量呈显著正相关, 与粉粒和粘粒呈显著负相关。大量研究表明,GRSP与有机 碳有极强的相关性,这是因为GRSP是有机碳的重要组成成 分以及它们之间类似的生物化学特性和错综复杂的交互效 应 。土壤质地可以直接影响土壤的水、肥、气、热的协 调状况,土壤肥力、土壤的生产性能等均与土壤质地密切相 关 。砂粒含量高,粘粒、粉粒含量低的砂质壤土可能是因 其透水透气性较好,根系生长范围大、活力高,各种微生物及 AMF代谢速率高,GRSP可以通过改善土壤的透气性排水 性、提高其他土壤微生物的活性,进一步提高土壤生态系统 的生物量 ,导致GRSP在砂质壤土中的含量高于粘壤土, 进而表现为不同土地利用方式间的差异。有机碳含量和土 壤质地之间的相关性不明显,这可能是因为砂质土壤虽然有 机质生产力高,同时土壤内氧气浓度高代谢分解速率也快, 而且砂质土相对保水保肥能力差,多种因素相互作用导致不 同质地土壤与有机碳含量相关性不显著。 4结论 相对于保持较好的次生林,4种不同耕作土壤的GRSP 与有机碳含量均有所下降。GRSP在海南岛5种主要土地利 用方式土壤中的含量为0.53~4.80 mg/g,占有机碳的百分 比为7.9%~23.4%,是碳库的重要组成部分,所占比例与土 地利用方式相关,与土层不相关,表明土地利用方式和耕作 模式能影响GRSP的积累。GRSP和有机碳含量在各土层之 间表现出极显著差异,在土壤剖面上垂直分布较明显。 GRSP与有机碳、砂粒含量呈显著正相关,与粉粒和粘粒呈显 著负相关,砂粒含量在很大程度上决定了GRSP的含量,壤 土相对粘土更有利于GRSP的累积。 参考文献 [1]WRIGHT S F,UPADHYAYA A.Extraction of at]".abundant and unusu ̄ protein from soil and 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