蔣雨洲,陳順輝,李文卿,劉青麗,李志宏,張?jiān)瀑F,張燕,周永獻(xiàn),王鵬
(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué),大慶163319;2.福建省煙草專賣局煙草科學(xué)研究所;3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所)
土壤微生物不僅是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,還是土壤肥力狀況的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一[1]。土壤微生物受施肥頻率和施肥類型等因素的影響[2]。土壤微生物NosZ 基因編碼的N2O 還原酶對(duì)反硝化過(guò)程至關(guān)重要[3],最終會(huì)影響土壤N2O 的排放[4-5]。目前研究發(fā)現(xiàn),不同肥料類型對(duì)土壤微生物多樣性影響的程度和情況都會(huì)有所不同,還會(huì)對(duì)土壤化學(xué)過(guò)程中硝化和反硝化作用有著不同的影響[6],周慧等[7]研究表明,與無(wú)機(jī)氮相比,有機(jī)氮投入會(huì)促進(jìn)土壤硝化反硝化過(guò)程,并且能夠增大土壤微生物NosZ 基因的豐度。還有研究表明,在長(zhǎng)期定位施肥條件下,化肥與有機(jī)肥對(duì)農(nóng)田土壤微生物群落結(jié)構(gòu)之間呈現(xiàn)出顯著性差異[8-11],尤其是施用有機(jī)肥改變農(nóng)田土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及微生物多樣性較為明顯[12-13]。
目前,有關(guān)土壤NosZ 基因微生物群落受化肥或有機(jī)肥等不同肥料種類的影響的研究已有報(bào)道,但在長(zhǎng)期定位施肥條件下,有關(guān)集中于NosZ 基因多樣性與農(nóng)田N2O 排放總量之間的關(guān)系的研究尚未報(bào)道。文章主要通過(guò)研究反硝化過(guò)程微生物種群的影響及其與農(nóng)田N2O 排放總量的偶聯(lián)關(guān)系,以期為保護(hù)農(nóng)田生態(tài)體系提供合理施肥的理論依據(jù)。
試驗(yàn)在福州市晉安區(qū)宦溪鎮(zhèn)福建省煙草科學(xué)研究所科研基地進(jìn)行,2009 年開始進(jìn)行定位施肥處理。2008 年水稻收割后試驗(yàn)田0~20 cm 耕層土壤基本養(yǎng)分含量分別為:有機(jī)質(zhì)28.96 g·kg-1,堿解氮144.66 mg·kg-1,速效磷5.85 mg·kg-1,速效鉀142.43 mg·kg-1,pH 5.76。土壤類型為沙壤土。微生物取樣于2017 年6 月15 日進(jìn)行。供試烤煙品種為翠碧1 號(hào)。
試驗(yàn)從2009 年烤煙生產(chǎn)季開始,2008 年水稻收割后將田塊分成3 個(gè)小區(qū),每個(gè)小區(qū)350 m2。采用田間大區(qū)試驗(yàn),共設(shè)置3 個(gè)處理:對(duì)照處理為常規(guī)施用化肥處理(T1);施用化肥+稻草回田處理(T2);施用化肥+稻草回田+餅肥處理(T3),每個(gè)處理設(shè)置的小區(qū)為350 m2。各處理每年晚稻收割后均進(jìn)行溶田。每個(gè)處理2009-2013 年烤煙生產(chǎn)季施用90 kg·hm-2。化肥氮,N∶P2O5∶K2O=1∶0.75∶2.63;2014-2017 年烤煙生產(chǎn)季施用97.5 kg·hm-2化肥氮,N∶P2O5∶K2O=1∶0.75∶2.63;(肥料分別為煙草專用肥N∶P2O5∶K2O=12∶8∶22,復(fù)合肥N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15;硝酸鉀N∶P2O5∶K2O=13∶0∶38 和硫酸鉀含K2O 51%);基肥∶追肥=60∶40。試驗(yàn)當(dāng)季施用肥全氮含量3.91%,全磷含量10.7 g·kg-1,全鉀含量11.92 g·kg-1;稻草全氮含量8.55 g·kg-1,全磷含量1.55 g·kg-1,全鉀含量15.36 g·kg-1。每年水稻季N 用量為96.3 kg·hm-2,P2O5用量為70.5 kg·hm-2的和K2O 用量為26.25 kg·hm-2,肥料種類分別為碳銨、過(guò)鈣(有效磷≥12%)、復(fù)合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)和水稻專用肥(N∶P2O5∶K2O=12∶6∶7)。
烤煙施肥移栽前,各小區(qū)按梅花5 點(diǎn)取0~20 cm耕層土壤混合樣,剔除雜質(zhì)后,并過(guò)5 mm 篩,風(fēng)干待測(cè)定土壤常規(guī)理化性質(zhì)。6 月30 日煙葉采收結(jié)束后每處理距離煙株15 cm 處取3 個(gè)煙畦縱切面土壤(2 cm 厚度)混合樣,風(fēng)干后測(cè)定其化學(xué)成分。
烤煙收獲季,取煙株根際土壤,每個(gè)處理小區(qū)各取樣3 次重復(fù),剔除雜質(zhì)后并過(guò)2 mm 篩,裝于封口袋冷凍保存,進(jìn)行功能基因多樣性分析。
土壤理化性質(zhì)測(cè)定:土壤NO3--N 含量和NH4+-N含量采用0.01 mol·L-1無(wú)水氯化鈣浸提,德國(guó)默克公司生產(chǎn)的Reflectoquant 試劑盒測(cè)定。
土壤細(xì)菌DNA 提取,PCR 擴(kuò)增和Miseq 測(cè)序:采集的土壤樣品送至北京奧維森基因科技有限公司利用Illumina Miseq PE300 平臺(tái)進(jìn)行測(cè)序分析。采用Power Soil R DNA Isolation kit(MO BIO Laboratories,Inc,CA,USA)試劑盒,按操作步驟說(shuō)明提取土壤DNA。用1%瓊脂糖凝膠進(jìn)行檢測(cè)DNA 提取質(zhì)量和濃度。以稀釋后的基因組DNA 為模板,根據(jù)測(cè)序區(qū)域的選擇,使用帶8-bp Barcode 的特異引物,進(jìn)行PCR 反應(yīng)。nifH 上游引物為AAA GGY GGW ATC GGY AAR TCC ACC AC,nifH 下游引物為TTG TTS GCS GCR TAC ATS GCC ATC AT。PCR 擴(kuò)增程序:94 ℃預(yù)變性5 min 后,94 ℃變性30 s,58 ℃退火30 s,72 ℃延伸60 s,循環(huán)32 次,循環(huán)結(jié)束后72 ℃保持7 min,4 ℃條件下結(jié)束,收集數(shù)據(jù)。將同一樣本3 次PCR 反應(yīng)產(chǎn)物的混合物用2%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),AxyPrepDNA 凝膠回收試劑盒(AXYGEN 公司)切膠回收,Tris-HCl 洗脫,2%瓊脂糖電泳檢測(cè),QuantiFluorTM-ST 藍(lán)色熒光定量系統(tǒng)(Promega 公司)定量檢測(cè),最后按照每個(gè)樣本的測(cè)序量要求,進(jìn)行相應(yīng)比例的混合。混合后的樣品進(jìn)行Miseq 測(cè)序,測(cè)序數(shù)據(jù)已上傳 至 NCBI SRA 數(shù) 據(jù) 庫(kù)(SRA accession:PRJ -NA542599)。測(cè)定樣品時(shí),標(biāo)準(zhǔn)品與未知樣品同時(shí)進(jìn)行PCR 循環(huán),PCR 反應(yīng)體系配置如下:2×Taq Plus Master Mix 10 μL,10 mmol·L-1上游引物和下游引物各0.5 μL,加水至18 μL。加入2 μL DNA 后,按以下程序進(jìn)行PCR:95 ℃,30 s;40 個(gè)PCR 循環(huán)(95 ℃,5 s;60 ℃,40 s(收集熒光))結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算獲得待測(cè)樣品中nifH 基因拷貝數(shù)。
生物信息學(xué)分析等由北京奧維森基因科技有限公司完成,原始數(shù)據(jù)下機(jī)后,首先進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)控,通過(guò)序列拼接、過(guò)濾和去嵌合體后得到優(yōu)化序列,然后進(jìn)行OTU 聚類及注釋,其中OTU 劃分基于核苷酸序列97 %相似性水平。
不同處理對(duì)土壤nifH 基因拷貝數(shù)、Alpha 多樣性的影響采用SAS package 9.1(SAS Institute,Cary,NC,USA)進(jìn)行ANOVA 分析,LSD(P<0.05)進(jìn)行差異比較;進(jìn)化發(fā)生樹通過(guò)MAFFT 進(jìn)行序列對(duì)齊,F(xiàn)ast Tree 進(jìn)行建樹,并根據(jù)R 語(yǔ)言把其物種的豐度和進(jìn)化關(guān)系進(jìn)行可視化展示;Venn 圖通過(guò)R 語(yǔ)言工具統(tǒng)計(jì)和作圖。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)EXCEL 2010 整理后作圖,并用SPSS 11.5 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
如表1 所示,各處理的chao1 指數(shù)表現(xiàn)為與T1處理相比,T2 處理和T3 處理分別降低了11.95%和38.26%,各處理間均呈顯著性差異,其中以T3 處理最低。從observed_species 來(lái)看,與T1 處理相比,T2處理和T3 處理分別降低了11.02%和53.93%,T1 處理和T2 處理均與T3 處理呈顯著性差異,其中以T3處理最低。PD_whole_tree 指數(shù)的各處理相比,T1 處理>T2 處理>T3 處理,T1 處理高于T2 處理和T3 處理,分別為13.06%和74.92%,T1 處理和T2 處理均與T3 處理呈顯著性差異,其中以T3 處理最低。在shanoon 指數(shù)與T1 處理相比,T2 處理和T3 處理分別降低了3.61%和5.59%,其中以T3 處理最低。各處理的chao1 指數(shù)均呈顯著性差異,而observed_species和PD_whole_tree 指數(shù)的T2 處理與T3 處理,兩處理呈顯著性差異。說(shuō)明在稻草回田基礎(chǔ)上增施餅肥降低了煙田土壤細(xì)菌多樣性。
表1 長(zhǎng)期定位施肥煙田土壤NosZ 細(xì)菌α 多樣性分析Table 1 NosZ gene of bacterial α-diversity in tobacco field soil treated with long-term position fertilization
如圖1 可知,從獨(dú)有OTU 個(gè)數(shù)來(lái)看,T1>T2>T3,分別為1227、910 和405 個(gè);從共有OTU 個(gè)數(shù)來(lái)看,T1 和T2>T1 和T3>T2 和T3,分別為453、299 和233個(gè)。說(shuō)明煙田長(zhǎng)期投入有機(jī)物料對(duì)煙田獨(dú)有細(xì)菌種類的影響較大。
圖1 長(zhǎng)期定位施肥煙田土壤中NosZ 細(xì)菌OTU 數(shù)的Venn 圖Fig.1 Venn of NosZ bacteria OTUs in tobacco field soil treated by long-term position fertilization
試驗(yàn)的3 個(gè)處理共鑒定出15 個(gè)門、26 個(gè)綱、57個(gè)目、94 個(gè)科、180 個(gè)屬。從表2 可見,細(xì)菌所占比例較高(相對(duì)豐度>1%)的主要1 個(gè)菌門,為Proteobacteria,介于80.60%~92.13%之間。T1 處理Proteobacteria 的相對(duì)豐度為80.60%,T2 和T3 處理分別比T1處理增加了3.05%和14.31%。
表2 長(zhǎng)期定位施肥對(duì)煙田土壤中含NosZ 基因細(xì)菌的組成Table 2 Pearson correlation between relative abundance of NosZ bacteria in tobacco planting soil treated long-term position fertilization
細(xì)菌所占比例較高(相對(duì)豐度>1%)的主要2 個(gè)菌綱,依次分別為Alphaproteobacteria>Betaproteobacteria,分別介于65.14%~69.45%和13.87%~21.37%之間,Alphaproteobacteria 的相對(duì)豐度T1 處理為65.16%,T2 處理比T1 處理減少了0.03%,T3 處理比T1 處理增加了6.58%;Betaproteobacteria 的相對(duì)豐度T1 處理為13.87%,T2 和T3 處理分別比T1 處理減少了11.88%和59.28%。
細(xì)菌所占比例較高(相對(duì)豐度>1%)的主要3 個(gè)菌 目,依 次 分 別 為Rhizobiales >Rhodospirillales >Burkholderiales,分別介于45.93%~53.27%、11.66%~19.01%和7.03%~11.20%之間,Rhizobiales 的相對(duì)豐度T1 處理為53.27%,T2 和T3 處理分別比T1 處理減少了13.77%和1.33%;Rhodospirillales 的相對(duì)豐度T1 處理為11.66%,T2 和T3 處理分別比T1 處理增加了63.12%和44.01%;Burkholderiales 的相對(duì)豐度T1 處理為7.47%,T2 處理比T1 處理減少了5.94%,T3 處理比T1 處理增加了49.89%。
細(xì)菌所占比例較高(相對(duì)豐度>1%)的主要2 個(gè)菌科,依次分別為Bradyrhizobiaceae>Rhodospirillaceae,分別介于40.54%~47.48%和11.63%~18.99%之間,Bradyrhizobiaceae 的相對(duì)豐度T1 處理為47.48%,T2 和T3 處理分別比T1 處理減少了11.61%和9.67%;Rhodospirillaceae 的相對(duì)豐度T1 處理為11.63%,T2 和T3 處理分別比T1 處理增加了63.18%和44.16%。
細(xì)菌所占比例較高(相對(duì)豐度>1%)的主要3 個(gè)菌屬,依次分別為Bradyrhizobium>Rhodopseudomonas>Azospirillum,分別介于23.35%~25.44%、13.78%~18.30%和11.61%~18.94%之間,Bradyrhizobium 的相對(duì)豐度T1 處理為25.44%,T2 和T3 處理分別比T1處理減少了8.21%和3.61%;Rhodopseudomonas 的相對(duì)豐度T1 處理為18.30%,T2 和T3 處理分別比T1處理減少了22.83%和24.72%;Rhodopseudomonas 的相對(duì)豐度T1 處理為18.30%,T2 和T3 處理分別比T1 處理減少了22.83%和24.72%;Azospirillum 的相對(duì)豐度T1 處理為11.61%,T2 和T3 處理分別比T1處理增加了63.08%和44.13%。屬水平的細(xì)菌豐度在1%以上的有8 個(gè),分別為Bradyrhizobium、Rhodopseudomonas、Azospirillum、Azoarcus、Mesorhizobium、Achromobacter、Massilia 和Thiobacillus。
如圖2 可知,從土壤NosZ 基因細(xì)菌β 多樣性分析來(lái)看,第一次聚類為T1 處理和T2 處理,第二次聚類再與T3 處理相聚。說(shuō)明,煙田長(zhǎng)期投入有機(jī)物料對(duì)聚類影響較大。
圖2 長(zhǎng)期定位施肥的土壤NosZ 基因細(xì)菌β 多樣性分析Fig.2 β diversity analysis of soil NosZ bacteria under long-term position fertilization
如圖3 可知,不同施肥處理對(duì)煙田土壤細(xì)菌進(jìn)化分支有著不同的影響,從門至屬的分類級(jí)別由輻射的圓圈內(nèi)至外,著色為黃色的無(wú)顯著差異物種所占比例較高,與之相比各處理中體現(xiàn)各自差異的微生物類群較少。各處理中起重要作用的微生物從門來(lái)看,T1 處理起重要作用的細(xì)菌在門和綱水平未出現(xiàn);在目水平包括Enterobacterales 和Catenulisporales;在科水平包括Pectobacteriaceae、Catenulisporaceae 和Bradyrhizobiaceae。T2 處理起重要作用的細(xì)菌在門和綱水平未出現(xiàn);在目水平包括Micrococcales;在科水平起重要作用的細(xì)菌也未出現(xiàn)。T3 處理起重要作用的細(xì)菌在門水平包括Proteobacteria;在綱、目和科水平起重要作用的細(xì)菌均未出現(xiàn)。從而說(shuō)明,稻草回田處理和增施餅肥處理的煙田細(xì)菌在綱水平均未出現(xiàn)顯著的優(yōu)勢(shì)種群,而單施化肥的煙田處理的煙田細(xì)菌在目和科水平均有較多的優(yōu)勢(shì)種群。
表3 所示,煙田土壤中含NosZ 基因細(xì)菌組成與土壤N2O 排放和無(wú)機(jī)氮Pearson 相關(guān)性分析,土壤中細(xì)菌科水平組成中Phyllobacteriaceae 和Alcaligenaceae 相對(duì)豐度,分別與土壤無(wú)機(jī)氮呈極顯著正相關(guān)和正相關(guān),而均與土壤N2O 排放呈顯著負(fù)相關(guān)。土壤中細(xì)菌屬水平組成中Mesorhizobium 和Achromobacter 分別與土壤無(wú)機(jī)氮呈極顯著正相關(guān)和正相關(guān),而均與土壤N2O 排放呈顯著負(fù)相關(guān)。
表3 長(zhǎng)期定位施肥對(duì)煙田土壤中含NosZ 基因細(xì)菌的組成與N2O 排放和土壤無(wú)機(jī)氮含量Pearson 相關(guān)性分析Table 3 Pearson correlation between relative abundance of NosZ bacteria with N2O emission and inorganic nitrogen contents in tobacco planting soil treated long-term position fertilization
在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,不同耕作制度對(duì)農(nóng)田土壤的理化性質(zhì)有不同的影響,煙草種植主要以連作制度為主,將使土壤的孔隙度變小[14],農(nóng)田中生產(chǎn)并將要釋放的N2O 保留空間的容積變小,從而提高了N2O 排放,而有機(jī)肥的施用更能增加煙田土壤N2O排放,這一結(jié)果與陳哲等[15]研究結(jié)論一致,保瓊莉等[16]研究指出,農(nóng)田N2O 排放通量與土壤有效養(yǎng)分有關(guān)。由于農(nóng)田長(zhǎng)期種植作物使土壤中氮素消耗,普遍是施用化肥和有機(jī)肥進(jìn)行補(bǔ)償,維持著肥料氮-土壤氮-作物吸氮之間的關(guān)系,而增施氮素肥料會(huì)促進(jìn)農(nóng)田溫室氣體的排放[17-18]。研究結(jié)果還指出,稻草回田并增加餅肥有利于降低土壤N2O 排放,而且從第一次追肥至烤煙生長(zhǎng)結(jié)束N2O 排放總量和采收期土壤無(wú)機(jī)氮含量與細(xì)菌群落組成中變形菌門(Proteobacteria)進(jìn)行相關(guān)性分析,與土壤無(wú)機(jī)氮呈極顯著正相關(guān),而與土壤N2O 排放呈負(fù)相關(guān),因此,在稻草回田基礎(chǔ)上再添加餅肥,能夠提高作物易于吸收的無(wú)機(jī)氮含量,減少農(nóng)田土壤氮損失,降低煙田N2O 排放總量。這也是由于長(zhǎng)期施用餅肥并覆蓋稻草,可有效增加土壤養(yǎng)分有效性[19],從而增加了作物的吸收利用,降低了土壤N2O 排放,而研究結(jié)果表明長(zhǎng)期施用餅肥并覆蓋稻草降低土壤N2O 排放,雖與前人研究較為一致,但其機(jī)理過(guò)程還需進(jìn)一步探究。
施用有機(jī)肥料與無(wú)機(jī)肥料分別對(duì)土壤微生物多樣性的影響也有相關(guān)的報(bào)道。TIAN 等[20]研究結(jié)果指出,通過(guò)3 年長(zhǎng)期定位試驗(yàn),施用有機(jī)肥料與無(wú)機(jī)肥料相比,可以降低土壤微生物多樣性。試驗(yàn)結(jié)果表明,與單施化肥處理相比,稻草回田或再增加餅肥處理的煙田α 多樣性均降低,與TIAN 等人的研究結(jié)果一致,但是關(guān)于在更長(zhǎng)時(shí)間的長(zhǎng)期定位施肥條件下,觀測(cè)并對(duì)比煙田根際土壤細(xì)菌α 多樣性的影響規(guī)律是否與較短年限所呈現(xiàn)的結(jié)果依然一致,還有待進(jìn)一步探究。
生物固氮是指在固氮微生物的作用下將空氣中的氮?dú)膺€原成氨的過(guò)程,是大氣氮素進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的主要途徑之一,土壤中古菌和細(xì)菌等多種類群都有固氮能力[21-23],但土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)易受有機(jī)肥料的影響,煙田施入有機(jī)肥導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)和微生物活性改變,從而改變了微生物群落多樣性[24-25]。研究的結(jié)果表明,與單施化肥相比,稻草回田或再增加餅肥降低了獨(dú)有OTU 個(gè)數(shù),而稻草回田并添加餅肥更降低了獨(dú)有OTU 個(gè)數(shù)。蔣雨洲等[26]研究結(jié)果表明在東北黑土的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)條件下,土壤微生物多樣性受施肥類型的影響,與施加有機(jī)肥處理相比,單施化肥處理的土壤微生物多樣性略低,而且研究還指出稻草回田并增施餅肥處理對(duì)聚類影響較大,因此,進(jìn)一步得到了驗(yàn)證。
農(nóng)田施肥可以向土壤中輸入養(yǎng)分,刺激微生物生長(zhǎng)繁殖,從而影響土壤微生物的豐度、活性、微生物量和微生物群落結(jié)構(gòu)[27-28],研究通過(guò)LEf Se 進(jìn)化分支圖還發(fā)現(xiàn),在煙田細(xì)菌目水平組間差異相比,各處理中單施化肥的煙田細(xì)菌目水平組間差異較高的是Enterobacterales(腸桿菌目)和Catenulisporales(放線菌目)有關(guān)目的物種,稻草回田的煙田細(xì)菌目水平組間差異較高的是Micrococcales(微球菌目)有關(guān)目的物種,均屬于變形菌門(Proteobacteria)。Roesch 等[29]研究指出農(nóng)田土壤細(xì)菌微生物多樣性主要為豐度最高的Proteobacteria 菌門,研究結(jié)果與之較為一致,而研究結(jié)果還指出,有機(jī)肥投入的處理Proteobacteria 菌門豐度高。由于變形菌門(Proteobacteria)對(duì)土壤的氮和有機(jī)質(zhì)循環(huán)有重要作用[30-32],而農(nóng)田施入有機(jī)肥還能夠改良土壤理化性質(zhì),促進(jìn)有益菌生長(zhǎng)[33],在烤煙采收后的根系分泌物的影響所致[34],還需進(jìn)一步探究。
(1)不同施肥類型對(duì)植煙土壤N2O 排放有著不同的影響,稻草回田并添加餅肥能夠改善植煙土壤N2O 排放。
(2)稻草回田和稻草回田并添加餅肥對(duì)土壤獨(dú)有OTU 個(gè)數(shù)影響較大,而長(zhǎng)期稻草回田并添加施餅肥對(duì)煙田獨(dú)有OTU 個(gè)數(shù)影響更大,但與單施化肥相比,稻草回田或再增加餅肥降低了α 多樣性。
(3)在細(xì)菌群落組成中僅有變形菌門(Proteobacteria)的相對(duì)豐度>5%,且稻草還田并添加餅肥處理最高。
(4)不同施肥類型對(duì)植煙土壤微生物L(fēng)Ef Se 進(jìn)化分支圖有明顯影響,單施化肥的煙田土壤細(xì)菌表現(xiàn)優(yōu)勢(shì)的細(xì)菌種群主要是Enterobacterales 和Catenulisporales,而稻草還田的煙田土壤細(xì)菌表現(xiàn)優(yōu)勢(shì)的細(xì)菌種群主要是Micrococcales 有關(guān)目的物種。