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覆盖条件下旱作春玉米农田土壤细菌群落结构分析
Soil bacterial community structure in a dryland spring maize field with mulching
: 2019 - 01 - 31
: 2019 - 04 - 10
: 2019 - 04 - 25
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摘要&关键词
摘要:秸秆和地膜覆盖会改变农田土壤碳氮循环等理化条件,而覆盖对参与碳氮循环的土壤微生物的影响还鲜有报道。本研究通过高通量测序,分析了黄土高原旱作玉米农田无覆盖、秸秆覆盖、地膜覆盖下土壤细菌群落组成,探讨了细菌介导的碳氮循环对覆盖的响应。结果表明秸秆覆盖增加了土壤细菌群落丰富度和多样性,且显著增加了分解纤维素的细菌(纤维弧菌属Cellvibrio)及介导固氮(根瘤菌属RhizomicrobiumChryseolinea)和硝化过程的细菌(亚硝化螺菌属Nitrosospira)丰度(P<0.05);地膜覆盖增加了土壤细菌丰富度,但降低了细菌多样性,且显著增加了介导土壤硝化作用的硝化螺菌属Nitrospira的丰度(P<0.05)。本结果为土壤中微生物介导的碳氮循环研究提供了理论依据。
关键词:旱作农田;秸秆覆盖;地膜覆盖;细菌;碳氮循环
Abstract & Keywords
Abstract: Background, aim, and scope Straw and plastic film mulching will change the physical and chemical conditions such as carbon and nitrogen cycling in farmland soils, and few studies focused on the effects of covering soil microbes involved in carbon and nitrogen cycling. Materials and methods In this study, the high-throughput sequencing technology was used to analyze the soil bacterial community composition in no mulching (CK), straw mulching (SM) and plastic film mulching (PM) spring maize in a dryland spring maize farmland on the Loess Plateau in China. Results The results showed that straw mulching increased the abundance and diversity of soil bacterial communities, and significantly increased the abundance of cellulolytic bacteria (Cellvibrio) and the bacteria with nitrogen fixation (Rhizomicrobium, Chryseolinea) and nitrification (Nitrosospira) (P<0.05). Plastic mulching increased soil bacteria abundance but decreased soil bacteria diversity. and the plastic mulching significantly increased the abundance of Nitrospira with nitrification (P<0.05). Discussion Mulching significantly increased carbon and nitrogen cycling-related microbes (Cellvibrio, Rhizomicrobium, Chryseolinea, Nitrosospira, and Nitrospira), and a positive correlation was found between soil total organic carbon, total nitrogen, potential mineralizable nitrogen and these microbes using redundancy analysis (P<0.05), supporting the hypothesis that these microbes may play a major role in soil carbon and nitrogen cycling under straw and plastic mulching on the Loess Plateau.Conclusions Mulching increased the abundance soil bacteria, and affected the soil carbon and nitrogen. Cellvibrio, Rhizomicrobium, Chryseolinea, Nitrosospira, and Nitrospira may contribute greatly to soil carbon and nitrogen cycling under straw and plastic mulching in a dryland spring maize farmland. Recommendations and perspectives This result provides useful information for better studying the microbial-mediated carbon and nitrogen cycling in soil.
Keywords: dryland field; straw mulching; plastic film mulching; bacterial community; carbon and nitrogen cycling
Abstract: Background, aim, and scope Straw and plastic film mulching will change the physical and chemical conditions such as carbon and nitrogen cycling in farmland soils, and few studies focused on the effects of covering soil microbes involved in carbon and nitrogen cycling. Materials and methodsIn this study, the high-throughput sequencing technology was used to analyze the soil bacterial community composition in no mulching (CK), straw mulching (SM) and plastic film mulching (PM) spring maize in a dryland spring maize farmland on the Loess Plateau in China. ResultsThe results showed that straw mulching increased the abundance and diversity of soil bacterial communities, and significantly increased the abundance of cellulolytic bacteria (Cellvibrio) and the bacteria with nitrogen fixation (Rhizomicrobium, Chryseolinea) and nitrification (Nitrosospira) (P<0.05). Plastic mulching increased soil bacteria abundance but decreased soil bacteria diversity. and the plastic mulching significantly increased the abundance of Nitrospira withnitrification (P<0.05). DiscussionMulching significantly increased carbon and nitrogen cycling-related microbes (Cellvibrio, Rhizomicrobium, Chryseolinea, Nitrosospira, and Nitrospira), and a positive correlation was found between soil total organic carbon, total nitrogen, potential mineralizable nitrogen and these microbes using redundancy analysis (P<0.05), supporting the hypothesis thatthese microbesmay play a major role in soil carbon and nitrogen cycling under straw and plastic mulching on the Loess Plateau.Conclusions Mulching increased the abundance soil bacteria, and affected the soil carbon and nitrogen.Cellvibrio, Rhizomicrobium, Chryseolinea, Nitrosospira, and Nitrospira maycontribute greatly to soil carbon and nitrogen cycling under straw and plastic mulching in a dryland spring maize farmland. Recommendations and perspectives This result provides useful information for better studying the microbial-mediated carbon and nitrogen cycling in soil.
土壤微生物参与了土壤物理化学过程,尤其在营养物质转化、土壤碳氮循环等方面起着重要作用(胡亚林等, 2006),微生物通过改变群落组成、降解不稳定碳来维持土壤中的碳储存、加强养分循环以促进植物养分利用效率三种反馈机制来调节土壤碳动态(Zhou et al, 2011);氮循环的四个过程(固氮、氨化、硝化、反硝化)也可以由微生物介导(贺纪正和张丽梅, 2013)。而另一方面微生物生物量、活性和多样性也会对土壤条件的变化作出快速响应,不同的覆盖方式通过改变土壤环境性状而对微生物产生一定影响。伍玉鹏等(2014)的研究认为秸秆直接还田可以通过改善土壤通气状况和有机质积累等来增加土壤微生物如固氮菌、纤维素分解菌等的数量。Shen等(2016)的研究则表明地膜覆盖可改善半干旱地区土壤微生物生物量和微生物功能多样性的微生态环境。
秸秆和地膜覆盖可以有效蓄水抑蒸保墒,增加土壤有机质,提高作物产量和水分利用效率(Chen et al, 2017; Shen et al, 2016),因此成为旱地农业一项重要的管理措施。土壤有机质是衡量土壤质量的重要指标,氮素也是陆地生态系统中的重要元素(刘毅等, 2007),不同覆盖方式对土壤碳氮循环的影响不尽相同。秸秆覆盖后被土壤微生物分解,进入土壤增加了土壤中有机碳的含量,且固碳能力随着秸秆覆盖量的增加而增加(李成芳等, 2011)。秸秆覆盖后土壤有机质的增加又为微生物提供了生长所需的营养物质,促进微生物对有机氮的矿化,进而秸秆覆盖较无覆盖提高了净氮矿化量(石冰洁和李世清, 2018)。有研究认为地膜覆盖对土壤有机碳的含量影响不显著(Liu et al, 2014),但也有研究认为地膜覆盖对土壤有机碳含量的影响与是否施用有机肥及土壤有机碳含量背景值有关(李世朋等, 2009)。Hai等(2015)研究表明地膜覆盖通过提高半干旱地区土壤水分和温度,增加了土壤氮的矿化速率。
近年来关于覆盖处理对农作物土壤温度、水分、团聚体及土壤碳氮组分的影响已有大量报道(Li et al, 2015; Saglam et al, 2017),而关于长期覆盖处理对土壤微生物,尤其是与碳氮循环相关的微生物群落结构多样性的影响的研究却较少。本文通过Illumina MiSeq平台进行16S rRNA测序,分析了无覆盖处理、秸秆覆盖处理、地膜覆盖处理条件下玉米土壤细菌群落组成与结构,重点探讨了三种处理方式对与碳氮循环相关的土壤细菌群落结构的影响,以期为旱地农田农业活动的开展以及碳减排相关政策的制定提供理论依据。
1   材料与方法
1.1   研究区概况
该试验在中国科学院黄土高原农业生态试验站(107°44′E,35°12′N)进行,实验站位于陕西省长武县十里铺。该地区属温带半干旱半湿润性季风气候,海拔1200 m,年日照时数2330 h,年平均气温9.2 ℃,降水主要集中在夏季,多年平均降水量为584.1 mm。种植土壤为黑垆土,粘壤质,土质疏松,pH为8.4,有机碳含量为9.05 g·kg-1,土壤总氮含量为1.1 g·kg-1
1.2   实验设计与样品采集
春玉米覆盖定位试验包括地膜覆盖(PM)、秸秆覆盖(SM)和不覆盖对照(CK)三个处理,每个处理都包括三个重复区域,不同区域间距0.5 m,组距1 m,总共有9个小区。地膜覆盖处理于播种前将可降解地膜覆盖于地表,秸秆覆盖处理是在玉米出苗后将秸秆覆盖于地表,并且在玉米收获后将二者除去,其中,秸秆覆盖的覆盖量是9000 kg·hm-2。试验前该区域未种植任何作物,且在9月玉米收获后不再种植任何作物。该地不进行灌溉,通过自然降雨使作物生长。本试验所用的玉米品种为先玉335,于2009年4月份开始进行初次播种,每年9月中旬收获,试验至本研究2015年9月玉米收获时共进行7年。玉米收获后,每个小区采用S形5点采样法,采集0-10 cm玉米根际土,小心地摇动玉米根部以去除松散粘附的土壤,并使用无菌刷仔细收集剩余附着在玉米根部的土壤。所有的土壤样品均置于便携式冰箱后迅速带回实验室,-80 ℃保存。
1.3   测定指标及方法
取部分土样风干后去除植物残体和石块,过2 mm筛用于测定铵态氮(NH+ 4-N)、硝态氮(NO- 3-N)、潜在可矿化氮(PNM),微生物量氮(MBN),微生物量碳(MBC)的含量;过0.15 mm筛后用于测定总氮(STN)、土壤有机碳(SOC)的含量。
其中SOC和STN用10%的盐酸脱无机碳后采用EA3000元素分析仪测定(Aziz, 2013)。NO- 3⁃N和NH+ 4 ⁃N含量用KCl溶液浸提后采用Cleverchem380(DeChem-Tech)全自动间断化学分析仪测定(付鑫, 2016)。PNM采用密闭培养法测定(Jenkinson and Powlson, 1976),用蒸馏水将10 g风干土样调节至田间持水量的50%,放于培养箱中培养10 d,用50 mL 2 mol·L-1的KCl溶液浸提1 h,用全自动间断化学分析仪测定NO- 3⁃N和NH+ 4 ⁃N含量,PNM含量为培养前后NO- 3-N、NH+ 4-N之和的差值。MBN采用氯仿熏蒸培养法(Sainju, 2007)测定,先将10 g土壤复湿培养10 d,在真空干燥器中氯仿熏蒸24 h,再培养10 d,然后用与测定PNM相同的浸提方法测定MBN。MBC同样用氯仿熏蒸培养法(Sainju, 2007)测定,将复湿土壤、水和稀NaOH放在一起培养10d,用BaCl2和HCl滴定后计算氯仿熏蒸前后土壤释放的CO2的量,MBC含量为熏蒸前后土壤释放CO2的量之差除以因子0.41。
1.4   DNA提取及PCR扩增
取不同覆盖方式下土壤样品,使用TIANamp Soil DNA Kit 107 (TIANGEN BIOTECH Inc., Beijing, China)按照说明提取细胞总DNA,提取产物采用1%琼脂糖凝胶电泳进行检测基因组DNA的纯度和质量,用引物B341F (5’-CCTACGGGNGGCWGCAG-3’)和B785RA (5’-GACTACHVGGGTATCTAATCC-3’)扩增细菌16S rRNA基因的V3-V4高变区,PCR扩增程序如下:95℃预变性3分钟,95℃变性30秒,退火(55℃30秒),延伸(72℃30秒),最后在72℃延伸5分钟。经纯化检测后的样品送至北京源泉宜科公司利用Illumina MiSeq 2000平台进行测序。
1.5   数据处理
测序后的序列处理后进行数据过滤,使用Mothur(Schloss et al, 2009)去除平均质量得分≤20 的序列,去除含N 的序列,去除同聚体过长(>10 bp)的序列;去除引物错配过多(≥4 bp)的序列,并去除引物序列;去除过短(≤200 bp)和过长(≥500 bp)的序列嵌合体序列;使用UCHIME以(Edgar, 2013)Gold 数据集作为参比,去除嵌合体最终得到高质量序列。使用USEARCH(Edgar, 2013)根据序列相似度将序列聚类为操作分类单元(OTU),相似度阈值为97 %。使用RDP 分类器(Wang et al, 2007)以SILVA 数据库(Elmar et al, 2007)为参比,对序列进行系统分类,分类基于Bergey’s taxonmy,共分为六级,依次为界、门、纲、目、科、属。使用mothur计算Alpha 多样性指数。
采用SPSS20.0软件对数据进行单因素(ANOVA)方差分析。采用CANOCO 4.5对物种信息及环境因子进行冗余(RDA)分析。
2   结果与分析
2.1不同覆盖方式对春玉米土壤理化性质的影响
SM较CK处理根际土壤中的STN增加了10.7%(P<0.05),PNM增加了14.6%(P<0.05),MBN增加了18.1%(P<0.05),NO- 3-N增加了43.4%(P<0.05),SOC增加了12.3%(P<0.05),MBC增加了24.3%(P<0.05),而对NH+ 4-N无显著影响(P>0.05)(表1)。PM较CK根际土壤中的NO- 3-N增加了141.1%(P<0.05),MBC降低了10.1%(P<0.05),STN、PNM、MBN、SOC、NH+ 4-N等则无显著变化(P>0.05)(表1)。
表1   同覆盖方式下玉米田土壤理化性质指标
处理
Treatment
总氮
STN(g·kg-1
潜在矿化氮PNM(mg·kg-1)微生物量氮MBN(mg·kg-1)硝态氮
NO- 3-N (mg·kg-1)
铵态氮
NH+ 4 ⁃N (mg·kg-1)
土壤有机碳SOC(g·kg-1)微生物量碳MBC ( mg·kg-1)
CK1.22±0.04b40.06±2.11b36.60±2.07b10.64±2.10c8.26±0.07a12.38±0.50b327.33±21.03b
SM1.35±0.07a45.90±1.98a43.21±3.16a15.26±2.25b8.00±0.34a13.90±0.46a407±15.39a
PM1.21±0.01b40.91±2.24b36.97±0.09b25.66±2.34a8.40±0.50a11.71±0.26b294.33±22.03c
注:CK,无覆盖;SM,秸秆覆盖;PM,地膜覆盖。表中的值为平均值±SD,同一列字母不同表明不同处理间的差异在P<0.05水平显著。下同。
2.2   不同覆盖方式下春玉米土壤细菌群落组成
通过16S rRNA测序,CK得到47387条有效序列数和2701个OTU,SM得到42173条有效序列和2755个OTU,PM得到33844条有效序列和2599个OTU(表2)。CK与SM共有的OTU为2494个,CK与PM共有的OTU为2284个,SM与PM共有的OTU为2323个,CK中特有的OTU有96个,SM中特有的OTU有111个,PM中特有的OTU有165个,它们共同包含的OTU数为2173个(图1)。


图1   不同覆盖方式土壤中细菌OTU分布Venn图
Fig.1 Venn diagram showing the number of OTU for soil bacterial under different mulching treatments
在不同覆盖方式下的根际土壤中共检测到25个门,51个纲,85个目,130个科,160个属。其中变形菌门Proteobacteria和浮霉菌门Planctomycetes丰度最高,其次是酸杆菌门Acidobacteria,这三种门类在三种覆盖方式下均约占60 %,且在CK中含量最多(P>0.05),此外放线菌门Actinobacteria、芽单胞菌门Gemmatimonadetes、拟杆菌门Bacteroidetes、疣微菌门Verrucomicrobia和蓝细菌门Cyanobacteria等门类也较为丰富(图2a)。在所检测到的160个属中,芽单胞菌属Gemmatimonas、鞘脂单胞菌属SphingomonasGaiellaHaliangium和布拉氏杆菌属Blastocatella等属于优势菌属(图2b),其中鞘脂单胞菌属在SM和PM中均显著减少(P<0.05),SM显著降低了Gaiella的含量(P<0.05),同时增加了Haliangium的含量(P<0.05);PM显著显著增加了芽单胞菌属的丰度(P<0.05),同时降低了布拉氏杆菌属的丰度(P<0.05)。




图2   不同覆盖方式土壤中细菌门(a)和属(b)类所占比例
Fig.2 Percent distribution of soil bacterial phyla(a) and genera(b) under different mulching treatments
2.3   不同覆盖方式下玉米土壤细菌群落多样性分析
CK、SM、PM土壤中所检测到的细菌测序深度指数coverage分别为0.9920、0.9894、0.9855(表2),说明各处理的细菌物种信息基本得到了充分的体现。Chao1指数和ACE指数是用不同方法估计群落中含有OTU数目的指数,Chao1方法和ACE方法得出的丰富度均为SM>PM>CK(P>0.05)(表2),表明秸秆覆盖与地膜覆盖均增加了土壤中细菌的丰富度。Shonnon指数和Simpson指数用以估算微生物多样性,Shonnon指数值越大群落多样性越高,Simpson指数反映优势种在群落中的地位和作用,数值越大群落多样性越低。Shonnon指数为SM>CK>PM(P>0.05),Simpson指数为PM>CK>SM(P>0.05)(表2),表明秸秆覆盖下细菌多样性最高,无覆盖处理的群落多样性次之,地膜覆盖下微生物多样性最低。
表2   不同覆盖方式下土壤细菌指数
样品(sample)无覆盖CK秸秆覆盖SM地膜覆盖PM
有效序列数(nseqs)473874217333844
OTUs(sobs)270127552599
chao2865.7922963.342943.685
ACE2837.1882963.3402914.984
覆盖率(coverage)0.99200.98940.9855
香农指数(shannon)6.850676.862456.80751
辛普森指数(simpson)0.002680.002570.00300
2.4   土壤碳氮循环相关细菌对不同覆盖方式的响应
2.4.1   土壤碳循环相关细菌对不同覆盖方式的响应
碳循环主要包括碳固定、碳降解和甲烷代谢三个过程(刘洋荧等, 2017)。已报道的固碳菌有硫杆菌属Thiobacillus、红假单胞菌属Rhodopseudomonas、斯塔普氏菌属Stappia和念珠藻属Nostoc等(刘洋荧等, 2017; 张艳敏等, 2018),本研究仅在CK中检测到固碳菌:蓝细菌门Cyanobacteria中的念珠藻属Nostoc(表3)。具有碳降解功能的细菌有纤维弧菌属Cellvibrio、假单胞菌属Pseudomonas、链霉菌属Streptomyces、芽孢杆菌属Bacillus、分枝杆菌属Mycobacterium、节杆菌属Arthrobacter、无色杆菌属Achromobacter和诺卡氏菌属Nocardia等(Ehrt and Schnappinger, 2007; Gardner et al, 2014; Jain et al, 1994; Jang and Chen, 2003)(表3)。SM中的纤维弧菌属显著增加(P<0.05),链霉菌属和节杆菌属显著减少(P<0.05);PM中的纤维弧菌属和节杆菌属均显著减少(P<0.05)。总的来说,PM中与有机碳分解相关的细菌丰度低于CK(P<0.05)。CK与SM处理下土壤中检出的甲烷氧化菌为甲基杆菌属Methylobacterium(表3),丰度相似(P>0.05),而PM中未检出。此外,本研究中未检测到产甲烷菌。
表3   不同覆盖方式下春玉米土壤碳循环相关细菌丰度
作用Function细菌属类Bacterium细菌丰度Abundance (%)
无覆盖CK秸秆覆盖SM地膜覆盖PM
碳循环Carbon cycling
有机碳分解Decomposition of organics
纤维弧菌属Cellvibrio0.036±0.009b0.074±0.013a0.006±0.004c
诺卡氏菌属Nocardia0.013±0.005a0.014±0.006a0.012±0.006a
链霉菌属Streptomyces0.352±0.027a0.244±0.024b0.369±0.033a
芽孢杆菌属Bacillus0.224±0.021a0.173±0.020a0.293±0.029a
假单胞菌属Pseudomonas0.027±0.008a0.045±0.010a0.027±0.009a
分枝杆菌属Mycobacterium0.219±0.021a0.183±0.021a0.127±0.019a
节杆菌属Arthrobacter0.658±0.037a0.434±0.032b0.148±0.021c
无色杆菌属Achromobacter0.008±0.004a0.005±0.004a0.006±0.004a
碳固定CO2 fixation
念珠藻属Nostoc0.025±0.007a0b0b
甲烷氧化Methanotroph
甲基杆菌属Methylobacterium0.002±0.002a0.002±0.002a0b
注:表中的值为平均值±SE,同一行字母不同表明不同处理间的差异在P<0.05水平显著。
2.4.2   土壤氮循环相关细菌对不同覆盖方式的响应
氮循环主要包括微生物介导下的固氮、氨化、硝化、反硝化等循环过程(贺纪正和张丽梅, 2013)。本研究所检测到的固氮细菌主要有根瘤菌属Rhizomicrobium、无色杆菌属AchromobacterChryseolinea(表4),且SM中根瘤菌属和Chryseolinea的丰度显著高于CK和PM(P<0.05)。参与氨化作用的细菌主要有浮霉菌目的浮霉状菌属Planctomyces和小梨形菌属Pirellula,以及亚硝化螺菌属Nitrosospira(沈菊培, 2008)(表4),其中浮霉状菌属和小梨形菌属在不同处理下无显著差异(P>0.05),SM土壤中的亚硝化螺菌属则较CK显著增加(P<0.05);参与亚硝酸氧化的细菌主要有硝化螺菌属Nitrospira(表4),且PM显著高于CK(P<0.05);另外,本研究所检测出的假诺卡氏菌属Pseudonocardia可直接将氨硝化为硝酸盐,在三种处理下无显著变化(P>0.05)(表4)。参与反硝化作用的细菌有芽孢杆菌属Bacillus、假单胞菌属Pseudomonas和黄杆菌属Flavisolibacter(表4),其中PM降低了黄杆菌属的丰度(P<0.05),其余菌属在不同覆盖方式中的丰度无显著性差异(P>0.05)(表4)。
表4   不同覆盖方式下春玉米土壤氮循环相关细菌丰度
作用Function细菌属类Bacterium细菌丰度Abundance (%)
无覆盖CK秸秆覆盖SM地膜覆盖PM
氮循环Nitrogen cycling
氮固定Nitrogen fixation
根瘤菌属Rhizomicrobium0.120±0.016b0.263±0.025a0.168±0.022b
无色杆菌属Achromobacter0.008±0.004a0.005±0.003a0.006±0.004a
Chryseolinea0.122±0.016b0.315±0.027a0.100±0.017b
硝化作用 Nitrofication
亚硝化螺菌属Nitrosospira0.084±0.013a0.145±0.019a0.127±0.019a
硝化螺菌属Nitrospira0.317±0.026b0.344±0.029b0.437±0.036a
浮霉状菌属Planctomyces0.428±0.030a0.384±0.030a0.355±0.032a
小梨形菌属Pirellula0.736±0.039a0.685±0.040a0.756±0.047a
假诺卡氏菌属Pseudonocardia0.074±0.013a0.031±0.009a0.059±0.013a
反硝化作用Denitrofication
芽孢杆菌属Bacillus0.224±0.021a0.173±0.020a0.293±0.029a
假单胞菌属Pseudomonas0.027±0.008a0.045±0.010a0.027±0.009a
黄杆菌属Flavisolibacter0.221±0.022a0.206±0.022a0.083±0.016b
注:表中的值为平均值±SE,同一行字母不同表明不同处理间的差异在P<0.05水平显著。
2.5   不同覆盖方式下土壤细菌群落结构与土壤碳氮组分的关系
SM较CK显著增加(P<0.05)且丰度大于0.1%的细菌主要有HaliangiumOM27_cladeChryseolinea、根瘤菌属、Urania-1B-19_marine_sediment_groupSandaracinus、亚硝化螺菌属、Enhygromyxa、黄杆菌属,对秸秆覆盖后显著增加的细菌与土壤碳氮组分含量(MBC、MBN、SOC、STN、PNM、NO- 3-N、NH+ 4-N)进行RDA分析(图3),结果表明黄杆菌属、Chryseolinea、根瘤菌属与土壤中MBC、MBN、SOC、STN及PNM的含量均呈正相关,而与NO- 3-N及NH+ 4-N呈负相关,亚硝化螺菌属与NO- 3-N呈正相关。地膜覆盖下显著增加(P<0.05)且丰度大于0.1%的细菌主要有GemmatimonasOhtaekwangia、类诺卡氏菌属Nocardioides、硝化螺菌属、PaenibacillusReyranellaActinophytocola、黄杆菌属、ActinomaduraCandidatus_Koribacter。通过RDA分析发现Reyranella 与STN、SOC、PNM、MBC及MBN含量呈正相关,而与NO- 3-N和NH+ 4-N呈负相关;硝化螺菌属与NO- 3-N呈正相关。


图3   不同覆盖方式显著增加(丰度>0.1%)细菌与土壤因子的冗余(RDA)分析
Fig.3 Redundancy analysis between significantly increased bacterium (abundance > 0.1%) and soil factors under different mulching treatments
注:STN,总氮;PNM,潜在矿化氮;MBN,微生物量氮;MBC,微生物量碳;SOC,土壤有机碳;NO- 3-N,硝态氮;NH+ 4⁃N,铵态氮
3   讨论
3.1   不同覆盖方式对玉米土壤细菌的影响
土壤微生物通过影响土壤的物理、化学和生物特性及其动力学来调节土壤(Zelles, 1999),因而可以反映土壤的质量变化(Rousk et al, 2013)。本研究表明秸秆覆盖与地膜覆盖均增加了土壤中的细菌群落丰富度,这可能是由于覆盖措施下土壤温度、水分以及理化性质的改善,另一方面秸秆的自身降解也有利于土壤中有机质的积累,从而增加细菌含量(伍玉鹏等, 2014)。秸秆覆盖处理提高了土壤中细菌的多样性,而地膜覆盖则降低了土壤细菌的多样性,这可能是由于长期地膜覆盖会导致土壤养分关系失衡,土壤酸化,酶活性降低等(白雪等, 2018),对细菌种群数量、活性及生物量积累均会产生严重的抑制作用,最终引起细菌种群的大幅度下降,这与郭子武(郭子武等, 2013)等人关于地膜覆盖对雷竹林土壤微生物的影响的研究结论基本一致。
在丰度较高的门及属中,酸杆菌门有降解植物残体或多聚体、参与铁循环、光合作用、参与单碳化合物代谢等作用(Pankratov et al, 2012; 王光华等, 2016);放线菌具有分解有机物、产生各种酶和维生素的功能,且部分放线菌门对固定大气中的氮有一定作用(尤健, 2013);蓝细菌门具有固定CO2的作用(倪雪姣等, 2014)。丰度较高的鞘脂单胞菌属具有耐受极端贫营养条件、利用各种简单分子、降解复杂有机物的能力(胡杰等, 2007)。
3.2   不同覆盖方式下细菌介导的土壤碳氮循环
3.2.1   不同覆盖方式下细菌介导的土壤碳循环
秸秆覆盖一方面增加了土壤有机质的输入,另外其稳温保水的效果有利于土壤有机质的积累,有机质的输入远大于其他处理(伍玉鹏等, 2014),本研究发现秸秆覆盖土壤中的有机碳含量也显著高于无覆盖(P<0.05)。本研究中主要检测到了纤维弧菌属、假单胞菌属、链霉菌属、芽孢杆菌属、分枝杆菌属、节杆菌属、无色杆菌属和诺卡氏菌属等介导土壤碳降解的细菌,其中能够分解纤维素的主要有纤维弧菌属(Gardner et al, 2014),能够分解淀粉的主要有诺卡氏菌属、芽孢杆菌属、假单胞菌属,能够分解脂质物质的主要有假单胞菌属、分枝杆菌属、无色杆菌属(Ehrt and Schnappinger, 2007),链霉菌属主要可以降解木质素(Jang and Chen, 2003),节杆菌属能够分解芳香化合物(Jain et al, 1994)。秸秆覆盖下土壤中分解纤维素的的纤维弧菌属显著增加(P<0.05),可能是由于玉米秸秆腐败后产生的有机质主要为纤维素(刘淑霞, 2008)。地膜覆盖下土壤的有机碳含量及所检测到的介导碳降解的细菌丰度与无覆盖相比均无明显变化(P>0.05),原因可能是地膜覆盖阻碍了土壤与空气的交换,从而减缓土壤有机质的转化(张彤勋等, 2018)。
农田中CH4的排放是土壤CH4产生、再氧化以及传输三个过程共同作用的结果(孙万龙等, 2014),因此受产甲烷菌、甲烷氧化菌的含量和活性以及排放通道是否通畅的影响。Wu et al(2013)及Chen et al (2017)研究均认为秸秆覆盖可以增加甲烷氧化菌的量,土壤吸收CH4的能力增强,Ma et al(2008)的研究也认为秸秆覆盖将很大程度地减少稻田CH4的排放。本研究仅在秸秆覆盖和无覆盖下检测到介导甲烷氧化的甲基杆菌属,且在秸秆覆盖下无显著变化(P>0.05)。可能是因为秸秆覆盖后的土壤温度等性质未发生明显变化,而地膜覆盖下较低的气态氧利用率降低了甲基物质氧化甲烷的能力(Li et al, 2014),使得甲烷氧化菌减少(Nan et al, 2016),这与Cuello等(2015)的研究结果类似。
3.2.2   不同覆盖方式下细菌介导的土壤氮循环
氮循环在生态系统中的过程比任何其他地球元素循环都要复杂,主要包括微生物介导下的固氮、氨化、硝化、反硝化等循环过程(贺纪正和张丽梅, 2013)。硝化作用是微生物在好氧条件下将铵态氮氧化为亚硝态氮再氧化为硝态氮的过程,包括氨氧化和亚硝酸氧化两个过程(贺纪正等, 2012),氨氧化过程主要由氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)共同催化完成(贺纪正等, 2012)。反硝化作用是通过反硝化微生物的作用将硝酸盐还原为N2O和N2的过程(Philippot and Hallin, 2005)。
土壤中总氮含量是衡量土壤质量、反映土壤供氮能力的指标(Sainju et al, 2007),且与固氮微生物相关(Juraeva et al, 2006),秸秆覆盖提高了土壤的固氮能力(卜玉山等, 2010; 谢驾阳等, 2010)。本研究中秸秆覆盖显著增加了土壤中总氮的含量(P<0.05)以及固氮细菌(根瘤菌属与Chryseolinea)的丰度(P<0.05),且通过RDA分析发现这两种细菌含量与土壤总氮呈正相关,说明根瘤菌属与Chryseolinea在固氮过程中起到一定作用。有研究认为地膜覆盖使得作物生长迅速,植株的根分泌物多于不覆膜,从而可增加土壤的固氮活性(李桂芳等, 1995),而本研究中检测到地膜覆盖下的土壤中介导固氮作用的细菌略有增加,但不显著(P>0.05)。
秸秆腐解产生的有机碳及频繁的干湿交替均有利于土壤有机氮的矿化(石冰洁和李世清, 2018),地膜覆盖改善了土壤水分和温度条件,增加了土壤呼吸强度,从而使土壤有机质矿化速率加快,有机氮库下降,最终导致表层土壤中的硝态氮大量积累(张彤勋等, 2018)。本研究中秸秆覆盖与地膜覆盖也均增加了土壤中硝态氮的含量(P<0.05),秸秆覆盖显著增加了亚硝化螺菌属的含量(P<0.05),地膜覆盖显著增加了硝化螺菌属的含量(P<0.05),且通过RDA分析发现亚硝化螺菌属与硝化螺菌属均与硝态氮含量成正相关,其在硝化作用中发挥一定的作用。
反硝化过程复杂,参与反硝化作用的微生物种类繁多,有些微生物可能同时含有多种功能基因(贺纪正和张丽梅, 2013)。本研究在秸秆覆盖及地膜覆盖下检测到的反硝化细菌总量与无覆盖无显著差异,这可能是由于反硝化微生物的多样性和群落结构是由多种因素共同作用的结果(贺纪正和张丽梅, 2013),也有可能本研究中已检测到的细菌中含有其他未被确定的具有反硝化作用的细菌。
4   结论
通过对不同覆盖方式下旱作玉米土壤性质及细菌群落结构的分析发现,秸秆覆盖通过改善土壤性质,增加了土壤细菌的群落丰富度和多样性,而地膜覆盖虽然增加了土壤中细菌丰富度,却降低了细菌多样性。与无覆盖相比,秸秆覆盖显著增加了土壤有机碳的含量以及土壤中分解纤维素的纤维弧菌属的丰度(P<0.05),同时增加了具有固氮功能的根瘤菌属、Chryseolinea及具有硝化作用的亚硝化螺菌属的丰度(P<0.05),这些细菌可能在秸秆覆盖土壤的碳氮循环中起到一定作用。地膜覆盖对土壤有机碳及分解有机碳的细菌丰度无显著影响,且未检测到甲烷氧化菌;地膜覆盖显著增加了土壤硝态氮的含量以及具有硝化作用的硝化螺菌属的丰度(P<0.05),增强了土壤的硝化能力。
致谢
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稿件与作者信息
丁柳屹1
Ding Liuyi1
王森1,2*
Wang Sen1,2*
王森,E-mail: wangsen@nwu.edu.cn
付鑫1
Fu Xin1
国家自然科学基金项目(41303073,31570440),陕西省青年科技新星计划项目(2016KJXX-83),陕西省自然科学基础研究计划青年人才项目(2015JQ4101),陕西省教育厅科学研究项目(14JK1731),西北大学“优秀青年学术骨干支持计划”。
National Natural Science Foundation of China (41303073 and 31570440), Shaanxi Province Youth Science and Technology New Star Plan (No: 2016KJXX-83), Natural Science Basic Research Plan in Shaanxi Province (Young Talent Project) (No: 2015JQ4101), Scientific Research Project of Shaanxi Provincial Department of Education (No: 14JK1731) and the Outstanding Youth Academic Backbone Support Program of Northwest University.
出版历史
出版时间: 2019年4月25日 (版本1
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地球环境学报
Journal of Earth Environment