劉文靜，張建偉，邱崇文，包遠(yuǎn)遠(yuǎn)，馮有智*，林先貴

(1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008；2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3 廣東海納農(nóng)業(yè)研究院，廣東惠州 510000)

土壤微生物在不同土壤類(lèi)型、不同土壤發(fā)生發(fā)育時(shí)期呈現(xiàn)特征性的群落結(jié)構(gòu)差異，從而適應(yīng)生存環(huán)境變化并發(fā)揮不同的生態(tài)功能[1]。當(dāng)前研究工作已逐步從探究不同生境下的微生物群落分布格局深入到其內(nèi)在群落構(gòu)建機(jī)制。群落構(gòu)建過(guò)程決定微生物群落組成和多樣性，進(jìn)一步影響其生態(tài)功能。明確群落生態(tài)構(gòu)建過(guò)程和微生物群落結(jié)構(gòu)以及功能之間的關(guān)系是近年來(lái)微生物生態(tài)學(xué)和群落生態(tài)學(xué)的研究熱點(diǎn)[2]。Vellend[3]在微生物群落構(gòu)建機(jī)制理論研究領(lǐng)域做出了先驅(qū)性的貢獻(xiàn)，其理論進(jìn)一步被Stegen 等[4]發(fā)展為群落構(gòu)建的4 個(gè)生態(tài)過(guò)程：同質(zhì)性選擇和異質(zhì)性選擇過(guò)程(確定性過(guò)程)以及擴(kuò)散限制和同質(zhì)性擴(kuò)散過(guò)程(隨機(jī)性過(guò)程)。傳統(tǒng)的生態(tài)位理論認(rèn)為確定性因素，例如物種特性、種間關(guān)系(如競(jìng)爭(zhēng)、共存和寄生)以及環(huán)境因素(如pH、溫度和水分等)控制群落結(jié)構(gòu)的形成。確定性過(guò)程在某種特定環(huán)境條件下可以直接決定此生物群落結(jié)構(gòu)。相反，隨機(jī)性(中性)理論認(rèn)為所有的物種都是等生態(tài)位的，群落結(jié)構(gòu)由出生、死亡、擴(kuò)散以及定殖等隨機(jī)過(guò)程控制，環(huán)境過(guò)濾作用與群落構(gòu)建生態(tài)過(guò)程無(wú)直接關(guān)聯(lián)。目前普遍認(rèn)為隨機(jī)性和確定性過(guò)程共同控制微生物群落構(gòu)建，都起到不可或缺的作用。此生態(tài)過(guò)程理論被廣泛用于探究時(shí)空尺度下的微生物群落演替機(jī)制的相關(guān)研究[5-9]。

生態(tài)過(guò)程理論現(xiàn)已初步應(yīng)用到評(píng)價(jià)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性的研究中?？沙掷m(xù)性表征生態(tài)系統(tǒng)在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)維持某種功能穩(wěn)定的能力[10-11]。對(duì)于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，土壤肥力是評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)可持續(xù)性的重要指標(biāo)之一，高肥力土壤通常能夠維持穩(wěn)定的糧食產(chǎn)量以及較少的肥料施用量[12-14]。相對(duì)于旱作生態(tài)系統(tǒng)，水旱輪作的稻田生態(tài)系統(tǒng)因其較高的糧食生產(chǎn)能力以及土壤涵養(yǎng)能力被認(rèn)為是典型的可持續(xù)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)[15-16]。除氣候、土壤母質(zhì)、水文灌溉條件等非生物因素外，土壤生物尤其微生物是維系農(nóng)業(yè)土壤可持續(xù)性的關(guān)鍵因素。微生物對(duì)土壤結(jié)構(gòu)改善、有機(jī)物質(zhì)降解和養(yǎng)分循環(huán)等發(fā)揮至關(guān)重要的作用[17-18]。經(jīng)典微生物生態(tài)功能理論認(rèn)為，數(shù)量越多的微生物將提供更多功能特性，豐富的生態(tài)功能有助于可持續(xù)生態(tài)系統(tǒng)的形成與穩(wěn)定[19-20]。稻田生態(tài)系統(tǒng)被認(rèn)為是一類(lèi)可持續(xù)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，其微生物多樣性被廣泛研究，但群落構(gòu)建機(jī)制鮮有報(bào)道。本研究旨在通過(guò)探究同一土壤母質(zhì)的旱作生態(tài)系統(tǒng)、稻田水旱輪作生態(tài)系統(tǒng)以及長(zhǎng)期淹水植藕的水生生態(tài)系統(tǒng)微生物群落構(gòu)建過(guò)程的差異，以明確稻田可持續(xù)性生態(tài)系統(tǒng)的微生物學(xué)機(jī)制。

在極端且劇烈變化的生境中，某個(gè)特定環(huán)境因子將成為影響微生物群落演替的限制性因素，在此條件下，確定性過(guò)程主導(dǎo)微生物群落構(gòu)建過(guò)程；隨機(jī)性過(guò)程則在相對(duì)溫和且擾動(dòng)較小的環(huán)境中發(fā)揮主導(dǎo)作用，微生物群落變化更多來(lái)自于群落內(nèi)部的基因漂變等隨機(jī)因素[4,6]。農(nóng)業(yè)土壤由于受到不斷的擾動(dòng)(例如翻耕、施肥等)，只有特定的微生物能夠耐受[21]，所以相對(duì)于水生生態(tài)系統(tǒng)，旱地和稻田的微生物群落構(gòu)建以確定性為主，這是本研究的第一個(gè)科學(xué)假設(shè)。稻田以及水生生態(tài)系統(tǒng)微生物由于淹水環(huán)境的保護(hù)受外部擾動(dòng)以及環(huán)境氣候變化的擾動(dòng)較小，加之水的流動(dòng)性會(huì)促進(jìn)微生物隨機(jī)性擴(kuò)散，所以本研究第二個(gè)科學(xué)假設(shè)是相對(duì)于旱作生態(tài)系統(tǒng)，水旱輪作稻田微生物群落構(gòu)建過(guò)程中隨機(jī)性過(guò)程的影響將會(huì)增大，而由于長(zhǎng)期淹水狀態(tài)，水生生態(tài)系統(tǒng)中隨機(jī)性過(guò)程可能占主導(dǎo)性作用。通過(guò)比較水旱生態(tài)系統(tǒng)的群落構(gòu)建差異將有助于明確可持續(xù)性農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的形成和維系機(jī)制，以便更好地利用和調(diào)控微生物以應(yīng)對(duì)未來(lái)環(huán)境干擾并服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

試驗(yàn)樣品于2018 年8 月在廣東省惠州市惠城區(qū)水口街道下源村采集。其中，水生生態(tài)系統(tǒng)用于蓮藕種植(長(zhǎng)期淹水)；水旱輪作生態(tài)系統(tǒng)開(kāi)展雙季稻種植，冬閑時(shí)為旱地(長(zhǎng)期水旱輪作)；旱作生態(tài)系統(tǒng)用于果樹(shù)種植(長(zhǎng)期旱作)。每個(gè)生態(tài)系統(tǒng)采集8 個(gè)樣品，共計(jì)24 個(gè)樣品用于研究。樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，于陰涼通風(fēng)處風(fēng)干以除去過(guò)多的水分。當(dāng)樣品表面未見(jiàn)明顯水分后，用凍存管取樣分裝并保存于 -20℃ 冰箱中用于提取土壤細(xì)菌基因組DNA，剩余樣品完全風(fēng)干并過(guò)篩用于測(cè)定土壤理化性質(zhì)。

1.2 土壤理化性質(zhì)測(cè)定

土壤有機(jī)碳(TOC)采用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定；土壤全氮(TN)采用凱氏定氮法測(cè)定；土壤全磷(TP)和全鉀(TK)采用氫氟酸-次氯酸消煮，分別由鉬藍(lán)比色法和火焰光度計(jì)法測(cè)定；土壤有效氮(AN)采用2 mol/L KCl 提取，流動(dòng)分析儀測(cè)定；土壤有效磷(AP)采用0.5 mol/L NaHCO3提取，鉬藍(lán)比色法測(cè)定；土壤有效鉀(AK)采用10% HNO3+1% HF 消煮，電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定[22]；土壤pH 采用土水質(zhì)量比1∶2.5 浸提pH 計(jì)(Thermo，USA)測(cè)定[23]。

1.3 土壤DNA 提取

土壤樣品DNA 依照土壤基因組DNA 提取試劑盒(MP Biochemicals, Solon, OH, USA)使用步驟提取。提取的基因組DNA 溶解于50 μl TE(tris-EDTA)緩沖液中，并用1% 瓊脂糖凝膠檢測(cè)是否降解。之后，采用核酸定量?jī)x NanoDrop ND-1000(Thermo Secientific, Wilmington, DE, USA)對(duì)DNA 進(jìn)行定量檢測(cè)。

1.4 16S rRNA 基因PCR 擴(kuò)增及高通量測(cè)序

本研究使用引物519F(3′-CAGCMGCCGCGGT AATWC-5′)和907R(3′-CCGTCAATTCMTTTRAGTT T-5′)對(duì)細(xì)菌16S rRNA 基因V4 ～ V5 可變區(qū)進(jìn)行擴(kuò)增。正向引物3′端加入5 bp 已知堿基序列的分類(lèi)標(biāo)簽(Barcode)以區(qū)分不同樣品。50 μl PCR 體系包括：1.25 μmol/L 的dNTP，2 μl(15 μmol/L)正向和反向引物，2 μmol/L TaqDNA 聚合酶(TaKaRa, Japan)和1 μl(50 ng)的DNA 模板。所有樣品擴(kuò)增3 份后混合檢測(cè)以消除PCR 過(guò)程中的偏好性和隨機(jī)性誤差，陰性對(duì)照以無(wú)菌水代替DNA 模板。PCR 擴(kuò)增條件如下：94℃ 5 min，30 個(gè)循環(huán)(94℃ 30 s，55℃ 30 s，72℃45 s)，最后72℃延長(zhǎng)10 min。所有PCR 產(chǎn)物均通過(guò)1% 瓊脂糖凝膠進(jìn)行條帶特異性檢測(cè)。使用QIAquick PCR Purification Kit(Qiagen)純化試劑盒純化PCR 擴(kuò)增產(chǎn)物，并用NanoDrop ND-2000(Thermo Scientific，USA)測(cè)定產(chǎn)物濃度。將不同樣品的PCR 產(chǎn)物按照等摩爾原則進(jìn)行混合，使用IlluminaMiSeq 測(cè)序平臺(tái)進(jìn)行高通量測(cè)序。

16S rRNA 測(cè)序基因序列使用 Quantitative Insights Into Microbial Ecology(QIIME)平臺(tái)進(jìn)行分析。質(zhì)量低于20、長(zhǎng)度小于200 bp 的序列被去除，并根據(jù)Barcode 序列與樣品進(jìn)行匹配。使用cutadapt和trimmomatic 分別去除擴(kuò)增引物和接頭序列，使用Usearch 算法按照97% 的相似性對(duì)序列進(jìn)行聚類(lèi)并進(jìn)行嵌合體去除，將樣品劃分為不同的OTU，其中每個(gè) OTU 中豐度最高的序列被選作代表序列。物種注釋選擇SILVA 119 database(http://www.arb-silva.de/download/archive/qiime/)數(shù)據(jù)庫(kù)。使用FastTree 建立系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)用以計(jì)算系統(tǒng)發(fā)育水平多樣性。

測(cè)序共得到601 514 條高質(zhì)量16S rRNA 基因序列，樣品序列在8 742 ～ 46 254 條。為了進(jìn)行樣品間多樣性比較，將所有樣品的序列統(tǒng)一抽平到8 742 條計(jì)算多樣性和物種組成。

1.5 生態(tài)過(guò)程計(jì)算

由于系統(tǒng)發(fā)育保守性，本研究通過(guò)平均最近物種距 離 (between-community mean nearest taxon distance ， βMNTD) 和 最 近 物 種 指 數(shù)(betweencommunity nearest taxon index，βNTI)計(jì)算樣品間的系統(tǒng)發(fā)育組成變化(系統(tǒng)發(fā)育多樣性)。βNTI 表示βMNTD 的觀測(cè)值和基于零模型(系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)結(jié)構(gòu)不變，物種位置隨機(jī)置換)計(jì)算的隨機(jī)值之間的差異。該分析使用R 軟件“picante”工具包的“comdistnt”功能來(lái)完成。βNTI 在 -2 ～ 2 表示隨機(jī)構(gòu)建過(guò)程，而 ＜-2或 ＞2 表示確定性選擇過(guò)程。

此外，本研究利用表征Bray-Curtis 距離觀測(cè)值和基于零模型的隨機(jī)值之間差異的Bray-Curtis-based Raup-Crick(RCbray) 來(lái)計(jì)算基于擴(kuò)散影響的微生物群落構(gòu)建過(guò)程[4,24]。試驗(yàn)觀測(cè)到的Bray-Curtis 值和零模型的偏差被標(biāo)準(zhǔn)化為 -1 ～ 1。RCbray值＜-0.95 或 ＞0.95表示觀測(cè)值與零模型預(yù)期存在顯著差異。

確定性構(gòu)建過(guò)程由同質(zhì)性選擇(βNTI＜-2)和異質(zhì)性選擇(βNTI＞2)組成。隨機(jī)性過(guò)程包括擴(kuò)散限制(|βNTI|＜2，RCbray＞0.95)和 同 質(zhì) 性 擴(kuò) 散(|βNTI|＜2，RCbray＜-0.95)。如果|βNTI|＜2，|RCbray|＜0.95，則群落構(gòu)建過(guò)程由未知因素控制。

1.6 數(shù)據(jù)分析

基于物種水平的Observed OTUs 以及基于系統(tǒng)發(fā)育水平的phylogenetic diversity (PD 多樣性指數(shù))[25]用于表征群落alpha 多樣性。基于Bray-Curtis 距離(OTUs 水平)和βMNTD 距離(系統(tǒng)發(fā)育水平)的非度量多維尺度分析(NMDS)用以展示群落結(jié)構(gòu)差異。置換多元方差分析(permutational multivariate analysis of variance，PERMANOVA)用以檢驗(yàn)群落結(jié)構(gòu)差異的顯著性。以上分析使用R 軟件“vegan”包。方差分析(ANOVA)用以多樣性指數(shù)的組間差異分析，使用SPSS16.0 計(jì)算。冗余分析 (redundancy analysis，RDA)用以進(jìn)行群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的相關(guān)性分析，揭示驅(qū)動(dòng)群落結(jié)構(gòu)變化的主要環(huán)境因子。本文所有統(tǒng)計(jì)分析，顯著和極顯著水平分別為P＜0.05 和P＜0.01。使用MENA 在線平臺(tái)(http://ieg4.rccc.ou.edu/mena)進(jìn)行共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)分析。

2 結(jié)果

2.1 細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，水生、旱作和水旱輪作生態(tài)系統(tǒng)樣品的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)均呈現(xiàn)顯著分異，且水旱輪作系統(tǒng)樣品細(xì)菌群落處于水生和旱作生態(tài)系統(tǒng)樣品之間。PERMANOVA 分析結(jié)果表明，3 種樣地兩兩之間細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異均極顯著(表1)。

2.2 細(xì)菌群落物種組成

根據(jù)OTU 物種注釋的結(jié)果，本研究在門(mén)水平上挑選出相對(duì)豐度最高的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌用于展示不用樣點(diǎn)間的細(xì)菌物種組成差異。如圖2 所示，在門(mén)分類(lèi)水平上，3 種生態(tài)系統(tǒng)中占比最高的物種分別為：變形菌門(mén)(Proteobacteria)、酸桿菌門(mén)(Acidobacteria)、綠彎菌門(mén)(Chloroflexi)、厚壁菌門(mén)(Firmicutes)、擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)、放線菌門(mén)(Actinobacteria)、硝化螺旋菌門(mén)(Nitrospirae)。其中，變形菌門(mén)相對(duì)豐度在水生生態(tài)系統(tǒng)中所占比例最大(39.75%)，水旱輪作(29.5%)、旱作生態(tài)系統(tǒng)中較低(27.13%)。同樣，擬桿菌門(mén)的相對(duì)豐度呈現(xiàn)相同的規(guī)律，在水生、水旱輪作、旱作生態(tài)系統(tǒng)中的占比分別為 6.35%，5.35%和4.65%。而酸桿菌門(mén)相對(duì)豐度呈現(xiàn)相反的規(guī)律，在水生(15.05%)、水旱輪作(29.5%)、旱作(35.6%)生態(tài)系統(tǒng)呈增加趨勢(shì)。

圖1 基于Bray-Curtis 和βMNTD 距離的NMDS 分析Fig. 1 Nonmetric multidimensional scaling (NMDS) analysis based on Bray-Curtis and βMNTD distances

表1 不同生態(tài)系統(tǒng)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異Table 1 Dissimilarity tests of bacterial communities among different ecosystems using permutational multivariate analysis

圖2 不同生態(tài)系統(tǒng)下土壤細(xì)菌門(mén)水平的物種組成Fig. 2 Relative abundances of bacterial community composition at phylum level under different ecosystems

2.3 細(xì)菌alpha 多樣性指數(shù)

本文分別計(jì)算了不同生態(tài)系統(tǒng)的 Observed OTUs 值和PD 值，分別用來(lái)表征物種水平和系統(tǒng)發(fā)育水平的alpha 多樣性。結(jié)果表明，兩種水平下細(xì)菌alpha 多樣性均呈現(xiàn)水生＞水旱輪作＞旱作生態(tài)系統(tǒng)的趨勢(shì)(P＜0.05)(圖3)。

圖3 不同生態(tài)系統(tǒng)細(xì)菌群落alpha 多樣性指數(shù)Fig. 3 Alpha diversity indexes under different ecosystems

2.4 土壤化學(xué)性質(zhì)對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響

本文將表征細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的各指標(biāo)分別與土壤化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)性分析，以探究土壤化學(xué)性質(zhì)對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響。土壤化學(xué)性質(zhì)包括TOC、TN、TP、TK、AN、AP、AK 和pH，其中Observed OTUs和PD 值分別與理化因子進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析，Bray-Curtis和βMNTD距離矩陣分別與各理化因子進(jìn)行Mantel 相關(guān)性分析。結(jié)果顯示，Observed OTUs和 PD 值均與 AN 極顯著相關(guān)(P＜0.01)。同樣，Bray-Curtis 和βMNTD 距離矩陣與土壤肥力(TOC、TN、TP 和AN)以及pH 呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，其中與AN 的相關(guān)性最強(qiáng)(表2)。

表2 表征細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的各指標(biāo)與土壤化學(xué)屬性間的相關(guān)性分析Table 2 Correlations between bacterial community structure indices and soil chemical properties

土壤化學(xué)性質(zhì)與水生、水旱輪作、旱作生態(tài)系統(tǒng)細(xì)菌群落的RDA 結(jié)果如圖4 所示。不同生態(tài)系統(tǒng)的細(xì)菌群落各自聚集在一起。主坐標(biāo) 1(RDA1)解釋了總變異的56.21%，主坐標(biāo)2(RDA2)解釋了總變異的 28.5%，二者總共解釋了總變異的84.71%。不同生態(tài)系統(tǒng)間細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變異與土壤肥力(TOC、AN、TN 和AK)的相關(guān)性最強(qiáng)：TOC、AN、TN 與水生和水旱輪作生態(tài)系統(tǒng)細(xì)菌群落呈現(xiàn)較好的正相關(guān)關(guān)系，AK 與旱作生態(tài)系統(tǒng)群落結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)較好的正相關(guān)關(guān)系。與Mantel 相關(guān)性結(jié)果一致，AN 對(duì)群落結(jié)構(gòu)變異影響最大。土壤化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)在水生和水旱輪作生態(tài)系統(tǒng)下均高于旱作生態(tài)系統(tǒng)(表3)。

圖4 不同生態(tài)系統(tǒng)細(xì)菌群落與土壤化學(xué)性質(zhì)的RDA 排序圖Fig. 4 Redundancy analysis (RDA) of bacterial community and soil chemical properties

表3 不同生態(tài)系統(tǒng)土壤化學(xué)性質(zhì)差異Table 3 Variations of soil chemical properties among different ecosystems

2.5 分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析

本文分析了水生、水旱輪作、旱作生態(tài)系統(tǒng)下共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)的各拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參數(shù)，包括節(jié)點(diǎn)數(shù)(OTU數(shù))(total nodes)、連接數(shù)(total links)、平均路徑長(zhǎng)度(the average path)、平均聚類(lèi)系數(shù)(average clustering coefficient) 、 傳遞系數(shù)(transitivity) 、 連接度(connectedness)以及模塊化指數(shù)(modularity)，各參數(shù)具體數(shù)值見(jiàn)表4。其中，模塊化指數(shù)均大于0.4，表明群落具有模塊結(jié)構(gòu)；節(jié)點(diǎn)數(shù)在水生生態(tài)系統(tǒng)中最高，水旱輪作生態(tài)系統(tǒng)中次之，旱作生態(tài)系統(tǒng)中最低；連接度指數(shù)與節(jié)點(diǎn)數(shù)呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)；而傳遞系數(shù)在旱作生態(tài)系統(tǒng)下最高，說(shuō)明旱作生態(tài)系統(tǒng)下網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性最低。這些結(jié)果說(shuō)明，細(xì)菌在淹水條件的水生和水旱輪作生態(tài)系統(tǒng)中的種間交互性要高于旱作生態(tài)系統(tǒng)，這可能是由于厭氧環(huán)境下電子受體的多樣化導(dǎo)致了細(xì)菌彼此間互作性增強(qiáng)和穩(wěn)定性提高。

表4 不同生態(tài)系統(tǒng)細(xì)菌群落共生網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮?shù)Table 4 Topological parameters of bacterial network of each ecosystem

2.6 驅(qū)動(dòng)群落結(jié)構(gòu)變化的群落構(gòu)建過(guò)程

為了探尋驅(qū)動(dòng)不同生態(tài)系統(tǒng)下細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異的原因，本研究耦合βNTI 和RCbray數(shù)據(jù)分析群落構(gòu)建的生態(tài)過(guò)程，結(jié)果如圖5 所示，驅(qū)動(dòng)水生生態(tài)系統(tǒng)微生物群落構(gòu)建的生態(tài)過(guò)程主要由擴(kuò)散限制過(guò)程(32.1%)控制，同質(zhì)性選擇和同質(zhì)性擴(kuò)散過(guò)程各占17.9%；水旱輪作下，同質(zhì)性選擇過(guò)程占50%，同質(zhì)性擴(kuò)散過(guò)程占25%，擴(kuò)散限制過(guò)程占14.3%；旱作生態(tài)系統(tǒng)的群落構(gòu)建主要由同質(zhì)性選擇過(guò)程(78.6%)驅(qū)動(dòng)，擴(kuò)散限制過(guò)程占10.7%。此外本研究中3 個(gè)生態(tài)系統(tǒng)均未發(fā)現(xiàn)異質(zhì)性選擇過(guò)程。從水生到旱作生態(tài)系統(tǒng)，同質(zhì)性選擇過(guò)程明顯增加(從 17.9% 增加到78.6%)，擴(kuò)散性限制過(guò)程則降低(從32.1% 降低到10.7%)。進(jìn)一步分析群落構(gòu)建的確定性過(guò)程(同質(zhì)性選擇 + 異質(zhì)性選擇)、隨機(jī)性過(guò)程(同質(zhì)性擴(kuò)散 + 擴(kuò)散限制)、同質(zhì)性過(guò)程(同質(zhì)性選擇 + 同質(zhì)性擴(kuò)散)和異質(zhì)性過(guò)程(異質(zhì)性選擇 + 擴(kuò)散限制)(表5)，結(jié)果顯示旱作和水旱輪作生態(tài)系統(tǒng)由確定性過(guò)程主導(dǎo)，而水生生態(tài)系統(tǒng)由隨機(jī)性過(guò)程主導(dǎo)；確定性過(guò)程(從17.9%到78.6%)和同質(zhì)性過(guò)程(從35.7% 到78.6%)由水生至旱作生態(tài)系統(tǒng)增加，隨機(jī)性過(guò)程(從50% 到10.7%)和異質(zhì)性過(guò)程(從32.1% 到10.7%)則降低。

圖5 不同生態(tài)系統(tǒng)下微生物群落構(gòu)建生態(tài)過(guò)程Fig. 5 Relative contributions of ecological processes under different ecosystems

表5 不同生態(tài)系統(tǒng)下微生物群落構(gòu)建的確定性、隨機(jī)性、同質(zhì)性以及異質(zhì)性過(guò)程Table 5 Deterministic, stochastic, homogenizing and differentiating processes influencing community assembly under different ecosystems

3 討論

與本研究的第一個(gè)科學(xué)假設(shè)一致，確定性過(guò)程主導(dǎo)旱作與水旱輪作稻田生態(tài)系統(tǒng)下的微生物群落構(gòu)建。其中旱作生態(tài)系統(tǒng)的確定性過(guò)程比例(78.6%)最高，而稻田生態(tài)系統(tǒng)中的確定性過(guò)程比例(50.0%)降低，而隨機(jī)性過(guò)程比例(39.3%)升高；在長(zhǎng)期淹水的水生生態(tài)系統(tǒng)下隨機(jī)性比例持續(xù)升高，并占據(jù)主導(dǎo)(50.0%)。在旱作及水旱輪作生態(tài)系統(tǒng)下，頻繁的農(nóng)業(yè)耕作活動(dòng)，例如翻耕、施肥等管理措施，使得土壤物理和化學(xué)因素變化顯著，劇烈的外部環(huán)境干擾形成一定的生態(tài)位格局，環(huán)境過(guò)濾作用選擇某些微生物生存下來(lái)，因此群落構(gòu)建由確定性過(guò)程主導(dǎo)，而該確定性過(guò)程因?yàn)楣喔榷档?。水稻土由于近半年的灌溉，淹水厭氧環(huán)境限制了有機(jī)質(zhì)分解消耗，使土壤肥力得以積累[26]，增加的可利用微生物能量以及養(yǎng)分將大量微生物從限制性的生存壓力下釋放出來(lái)，因此隨機(jī)性過(guò)程增加[8,21]。有研究表明，隨機(jī)性過(guò)程在環(huán)境壓力較小的生境下起主導(dǎo)作用，較低的有機(jī)物質(zhì)分解率、水體連通性等特性導(dǎo)致其內(nèi)部物質(zhì)周轉(zhuǎn)緩和，進(jìn)而緩解了微生物對(duì)外部環(huán)境擾動(dòng)的影響[4]。該推論在長(zhǎng)期淹水的水生生態(tài)系統(tǒng)中也得到了印證：其微生物群落構(gòu)建由隨機(jī)性過(guò)程主導(dǎo)(表5)。因此，本研究的第二個(gè)科學(xué)問(wèn)題也得到了證實(shí)。具體到4 個(gè)生態(tài)過(guò)程，水生和水旱輪作生態(tài)系統(tǒng)由于淹水耕作而形成獨(dú)特的氧化還原電位梯度，使得微生物只能局限在特定的生態(tài)位中定殖，而旱作生態(tài)系統(tǒng)不存在該氧化還原電位梯度，所以擴(kuò)散性限制在旱作生態(tài)系統(tǒng)中比例最小，水旱輪作生態(tài)系統(tǒng)次之，水生生態(tài)系統(tǒng)中最高。旱作生態(tài)系統(tǒng)下，頻繁的翻耕活動(dòng)以及特定施肥方式導(dǎo)致了特定微生物才能在此環(huán)境過(guò)濾作用下存活，因此具有最高的同質(zhì)性選擇作用，而受外界環(huán)境擾動(dòng)相對(duì)較小的水生生態(tài)系統(tǒng)下，則同質(zhì)性選擇比例最低(圖5)。同理，異質(zhì)性過(guò)程由旱作到水生生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)了增加趨勢(shì)(表5)。水生、水旱輪作生態(tài)系統(tǒng)中較高的異質(zhì)性過(guò)程有助于微生物群落形成更多生態(tài)功能。

無(wú)論在水生、水旱輪作生態(tài)系統(tǒng)還是在旱作生態(tài)系統(tǒng)，隨機(jī)性過(guò)程和確定性過(guò)程都共同驅(qū)動(dòng)群落結(jié)構(gòu)的形成(圖5 和表5)。確定性過(guò)程可以強(qiáng)化特定生境下的微生物功能，而隨機(jī)性過(guò)程能夠產(chǎn)生更多樣的生態(tài)功能以維持生態(tài)系統(tǒng)功能的穩(wěn)定性和持續(xù)性[2]。同時(shí)，隨機(jī)性微生物群落構(gòu)建過(guò)程可以對(duì)于劇烈環(huán)境變化所帶來(lái)擾動(dòng)起到一定的緩沖作用。因此，隨機(jī)性過(guò)程對(duì)于可持續(xù)生態(tài)系統(tǒng)功能有正向反饋機(jī)制[27-30]。水生及水旱輪作生態(tài)系統(tǒng)下增加的隨機(jī)性過(guò)程可提供更豐富的物種多樣性以及生態(tài)系統(tǒng)功能。這一結(jié)論同樣從微生物群落多樣性的結(jié)果得以證實(shí)：無(wú)論在物種水平還是系統(tǒng)發(fā)育水平，細(xì)菌群落alpha 多樣性均呈現(xiàn)由旱作到水生生態(tài)系統(tǒng)顯著增加(圖3)。可見(jiàn)，有水分參與形成的生態(tài)系統(tǒng)利于形成物種更加豐富的微生物群落結(jié)構(gòu)。同理，從網(wǎng)絡(luò)分析的拓?fù)鋮?shù)中也能明顯發(fā)現(xiàn)，水生和水旱輪作生態(tài)系統(tǒng)下的平均路徑長(zhǎng)度、平均聚類(lèi)系數(shù)以及連接度指數(shù)參數(shù)均顯著高于旱作生態(tài)系統(tǒng) (表4)。該結(jié)果說(shuō)明在厭氧環(huán)境由于氧化還原電位的梯度，產(chǎn)生了更多的生態(tài)位[31]，可以容納多種微生物共存[32]。同時(shí)，水生和水旱輪作生態(tài)系統(tǒng)下較低的傳遞系數(shù)表明了更穩(wěn)定的群落物種間交互關(guān)系[33]。微生物間較高和較穩(wěn)定的交互性有利于可持續(xù)的生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建。

土壤微生物是土壤養(yǎng)分的儲(chǔ)存庫(kù)以及植物生長(zhǎng)可利用養(yǎng)分的重要驅(qū)動(dòng)者。土壤微生物群落是反映土壤健康與土壤生產(chǎn)力的一個(gè)重要指標(biāo)，并快速響應(yīng)于土壤理化性質(zhì)的演變[34-35]。在較高的隨機(jī)性過(guò)程影響下，微生物多樣性高、群落互作網(wǎng)絡(luò)緊密、生態(tài)功能豐富等均有利于養(yǎng)分物質(zhì)的循環(huán)和積累，因此水生和水旱輪作生態(tài)系統(tǒng)下的土壤肥力狀況顯著優(yōu)于旱作生態(tài)系統(tǒng)(表3)。因此，與前人研究結(jié)論相吻合[36]，土壤肥力(TOC、TN、TP、AN)與群落結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)較強(qiáng)的相關(guān)性(表2 和圖4)。但是本研究從群落構(gòu)建的層面更好地揭示了微生物群落和土壤肥力的耦合性。同時(shí)，也應(yīng)該看到，可能正是這些群落構(gòu)建機(jī)制，稻田生態(tài)系統(tǒng)成為了可持續(xù)性生態(tài)系統(tǒng)，而水生生態(tài)系統(tǒng)更是對(duì)全球物種貯存、氣候調(diào)節(jié)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有不可替代的重要作用[37]。下一步工作，應(yīng)探究驅(qū)動(dòng)群落構(gòu)建過(guò)程的環(huán)境因子，明確可持續(xù)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)微生物群落結(jié)構(gòu)、功能和構(gòu)建機(jī)制之間的相互關(guān)系，為可持續(xù)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建提供理論支撐。

4 結(jié)論

本研究利用生態(tài)零模型計(jì)算3 種生態(tài)系統(tǒng)下的土壤微生物群落構(gòu)建機(jī)制，發(fā)現(xiàn)水旱輪作形成的緩和內(nèi)部環(huán)境及土壤肥力積累，使稻田相比于旱作生態(tài)系統(tǒng)，隨機(jī)性過(guò)程增加，確定性過(guò)程下降。隨機(jī)性過(guò)程維持微生物物種多樣性以及物種生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的交互度和穩(wěn)定性，增強(qiáng)了微生物抵抗外部環(huán)境擾動(dòng)能力，該過(guò)程有助于維持稻田生態(tài)系統(tǒng)功能的穩(wěn)定性和可持續(xù)性。