設(shè)施種植模式對土壤細(xì)菌多樣性及群落結(jié)構(gòu)的影響*

杜思瑤, 于 淼, 劉芳華, 肖雷雷, 張洪霞,4, 陶 軍**,顧 衛(wèi), 顧京晏, 陳 茜

(1.北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/北京師范大學(xué)環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部 北京 100875; 2.魯東大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院 煙臺 264025; 3.中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所/海岸帶生物學(xué)與生物資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 煙臺 264003; 4.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100040)

設(shè)施種植模式對土壤細(xì)菌多樣性及群落結(jié)構(gòu)的影響*

杜思瑤1, 于 淼2, 劉芳華3, 肖雷雷3, 張洪霞3,4, 陶 軍1**,顧 衛(wèi)1, 顧京晏1, 陳 茜1

(1.北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/北京師范大學(xué)環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部 北京 100875; 2.魯東大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院 煙臺 264025; 3.中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所/海岸帶生物學(xué)與生物資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 煙臺 264003; 4.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100040)

為了研究有機(jī)和常規(guī)設(shè)施種植模式及輪作對土壤細(xì)菌多樣性和群落結(jié)構(gòu)的影響, 本研究采用Illumina平臺Hiseq 2500高通量測序技術(shù), 于2016年6月(作物處于收獲期)對北京市順義區(qū)不同設(shè)施種植模式(分別為有機(jī)設(shè)施種植模式和常規(guī)設(shè)施種植模式下的葉菜連作、茄果連作和葉茄輪作)下土壤細(xì)菌進(jìn)行 16S rRNA測序。測序質(zhì)控后共獲得17 278個操作分類單元(operational taxonomic units, OTUs), 共計(jì)318 851條有效序列。比較不同種植模式和輪作下土壤細(xì)菌多樣性、細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成、相對豐度及土壤理化性質(zhì)與細(xì)菌群落多樣性關(guān)系的差異性。結(jié)果表明: 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)在有機(jī)和常規(guī)設(shè)施種植模式下差異明顯, 有機(jī)設(shè)施種植土壤細(xì)菌多樣性高于常規(guī)設(shè)施種植; 有機(jī)設(shè)施種植下輪作與連作土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出明顯差異, 而常規(guī)設(shè)施種植下, 兩者沒有明顯差異; 有機(jī)種植模式下, 輪作土壤細(xì)菌群落多樣性高于連作土壤; 設(shè)施種植土壤細(xì)菌群落主要屬于鞘氨醇單胞菌屬(Sphingomonas, 5.05%)和芽孢桿菌屬(Bacillus, 4.84%), 相對豐度大于0.5%的共有14個屬。有機(jī)設(shè)施種植土壤含有較多促進(jìn)植物生長、有機(jī)質(zhì)分解的細(xì)菌, 常規(guī)設(shè)施種植土壤中降解化學(xué)殺蟲劑、防治土壤病害、促進(jìn)硝化過程的細(xì)菌較多。RDA分析結(jié)果顯示土壤細(xì)菌群落主要受全磷、速效磷、有機(jī)質(zhì)的影響。Tumebacillus、Candidatus Solibacter和Acidothermus都是分解有機(jī)質(zhì)、利用碳源的細(xì)菌屬, 與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)關(guān)系。由此可見, 設(shè)施條件下, 有機(jī)和常規(guī)種植土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的差異性主要源于肥料使用、有害生物防治措施和管理方式的不同。有機(jī)設(shè)施種植模式下, 輪作更有利于發(fā)揮其改良土壤營養(yǎng)循環(huán)和防治土壤病蟲害的作用。上述結(jié)果為在微生物水平上研究設(shè)施條件下不同種植模式的土壤生態(tài)質(zhì)量差異提供了參考。

設(shè)施種植; 有機(jī)種植; 輪作方式; 土壤細(xì)菌; 群落結(jié)構(gòu); 多樣性; 高通量測序

設(shè)施種植是一種在局部范圍改善或創(chuàng)造環(huán)境,提供人為可控環(huán)境條件(如日光溫室大棚)進(jìn)行蔬菜、瓜果等集約化的種植方式, 大多為有土栽培[1]。全球設(shè)施種植面積超過 390萬 hm2, 中國設(shè)施種植面積約占全球的90%[2]。但常規(guī)的設(shè)施種植“高投入、高產(chǎn)出”的特點(diǎn)使得養(yǎng)分在設(shè)施土壤中大量積累[1], 形成土壤次生鹽漬化、土壤酸化、土傳病害等土壤障礙因子[3-4]。設(shè)施種植的方式和土壤理化性狀的變化,也影響了土壤微生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)[5]。土壤微生物在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中起到至關(guān)重要的作用, 它們參與作物與土壤互作的每個環(huán)節(jié), 包括土壤碳氮養(yǎng)分循環(huán)[6]、植物生長調(diào)節(jié)[7]、植物病蟲害防治[8-9]、土壤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化[10]等。近年來, 以建立和恢復(fù)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)的有機(jī)種植受到廣泛關(guān)注。有研究表明, 有機(jī)種植明顯提高土壤微生物的多樣性[11-12], 從而維持土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性, 這可能主要?dú)w功于有機(jī)肥施用為土壤微生物的生長和繁殖提供了豐富多樣的食物資源[13]。研究表明, 有機(jī)肥施用增加了一些土壤有益細(xì)菌數(shù)量, 如固氮菌等[14], 這些有益細(xì)菌使土壤元素從有機(jī)形態(tài)轉(zhuǎn)化成被植物吸收利用的形態(tài), 增加土壤肥力, 促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)和植物生長[14]。另外, 輪作可均衡利用土壤中的營養(yǎng)元素、改善土壤理化特性、減少土傳病害[15]。有研究表明, 輪作增加土壤微生物多樣性[16], 且增加土壤細(xì)菌如假單胞菌(Pseudomonadaceaespp.)等的豐度, 可有效分解土壤有機(jī)質(zhì), 并防止土傳病害發(fā)生[17]。

但上述有機(jī)種植和輪作對土壤微生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)的影響研究不是在設(shè)施條件下開展的。設(shè)施種植條件下土壤經(jīng)常處于高溫、高濕環(huán)境, 影響土壤中微生物的多樣性和群落結(jié)構(gòu)。曾希柏等[18-19]在設(shè)施條件下的研究表明, 有機(jī)種植比常規(guī)種植顯著增加土壤微生物多樣性; 與露天種植不同的是,有機(jī)設(shè)施種植可以增加土壤厚壁菌等細(xì)菌數(shù)量[19],起到防止土壤病蟲害的作用。但在設(shè)施條件下, 不同種植模式(有機(jī)和常規(guī))土壤微生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)的研究相對較少。

目前, 通過研究土壤微生物多樣性和群落結(jié)構(gòu),揭示不同農(nóng)業(yè)種植下土壤質(zhì)量、功能差異的發(fā)生機(jī)制成為近年來的熱點(diǎn)。本研究采用DNA提取及高通量測序技術(shù), 研究北京市順義區(qū)設(shè)施種植條件下,不同種植模式(有機(jī)和常規(guī))和輪作對土壤細(xì)菌多樣性和群落結(jié)構(gòu)的影響及其與土壤環(huán)境因子之間的關(guān)系。闡明不同模式下土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的差異, 旨在確定更加合理的設(shè)施種植模式, 為設(shè)施種植土壤生態(tài)環(huán)境改善和可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)樣地選擇在北京市順義區(qū)設(shè)施蔬菜種植園(116°49′E, 40°04′N), 該區(qū)土壤類型為黏壤土, 年平均氣溫11.5 ℃, 年日照時數(shù)2 750 h, 無霜期191～199 d,年均相對濕度50%, 年均降雨量約625 mm。2016年6月經(jīng)本研究采樣分析測定, 0～20 cm供試土壤基本化學(xué)性質(zhì): pH 7.45, 電導(dǎo)率 88.65 μS·cm-1, 銨態(tài)氮1.40 mg·kg-1, 硝態(tài)氮 3.48 mg·kg-1, 總可溶性氮 9.09 mg·kg-1, 全磷 0.52 g·kg-1, 速效磷 20.21 mg·kg-1, 速效鉀134.06 mg·kg-1, 有機(jī)質(zhì)16.36 g·kg-1, 陽離子交換量12.07 cmol·kg-1。種植園區(qū)占地面積 0.11 km2, 共有7個大棚, 大棚長100 m, 寬7 m, 棚齡5年。蔬菜種類分為茄果類[西紅柿(Solanum lycopersicum)、辣椒(Capsicum annuum)、圓茄(Solanum integrifolium)]和葉菜類[韭菜(Alliumtuberosum)、西芹(Coriandrum sativum)]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究共設(shè)置 6個處理, 分別為有機(jī)設(shè)施種植模式和常規(guī)設(shè)施種植模式下的葉菜連作、茄果連作和葉茄輪作。每個處理設(shè)置3個重復(fù), 一個大棚即為1個重復(fù)。輪作每年兩茬, 種植時期分別為3—7月和9—2月。葉菜連作種植作物為韭菜, 茄果連作種植作物為西紅柿, 葉茄連作種植作物為韭菜和西紅柿輪作。

有機(jī)設(shè)施種植模式施用有機(jī)肥作為基肥, 施用量為1 000～1 200 kg·hm-2。其化學(xué)性質(zhì)測定結(jié)果為:總氮 1.94 g·kg-1, 總磷 0.58 g·kg-1, 總鉀 0.84 g·kg-1,有機(jī)質(zhì)182.45 g·kg-1。常規(guī)設(shè)施種植模式以磷酸二銨和菜園專用復(fù)合肥按6∶1的比例作為基肥, 施用量為 450 kg·hm-2, 磷酸二銨為高濃度速效肥料, 菜園專用復(fù)合肥是一種鉀肥?；旌戏柿戏市С煞种笜?biāo)為: 總養(yǎng)分≥680 g·kg-1, 氮素 180 g·kg-1, P2O5460 g·kg-1, K2O 70 g·kg-1。兩種種植模式后期都進(jìn)行3～4次追肥, 追肥施用磷酸二銨, 施用量為120 kg·hm-2。在有害生物防治方面, 有機(jī)設(shè)施種植模式采用粘蟲網(wǎng), 而常規(guī)設(shè)施種植模式定植1周后采用化學(xué)殺蟲劑(噻蟲嗪、滅蠅胺) 3～5次, 每年 7月底, 兩種種植模式下所有大棚進(jìn)行 30～45 d悶棚殺菌。有機(jī)種植模式采用蜜蜂傳粉(熊蜂, 1 200頭·hm-2), 常規(guī)種植模式進(jìn)行人工授粉。兩種種植模式均采用人工割草方式。常規(guī)模式產(chǎn)量基本穩(wěn)定在茄果 60 000 kg·hm-2, 葉菜12 000 kg·hm-2, 有機(jī)模式果蔬產(chǎn)量為常規(guī)模式的80%, 但果蔬品質(zhì)和耐儲存度較高。

1.3 采樣方法

試驗(yàn)在進(jìn)行了10個輪作周期后采樣。采樣當(dāng)季作物于2016年3月種植, 采樣于2016年6月進(jìn)行,此時作物處于收獲期。各處理取0～20 cm的耕層土壤, 按照“S”形多點(diǎn)取樣, 靠近植株根部處打土鉆(直徑3 cm, 深度20 cm), 每棚6鉆, 將土壤充分混勻, 作為1個耕層土壤樣品, 每份土樣分為2份, 一份100 g放入無菌袋中并迅速放入干冰盒中, 帶回實(shí)驗(yàn)室保存于-80 ℃超低溫冰箱, 另一份約800 g土壤保存于-4 ℃用來分析土壤理化性質(zhì)。

1.4 樣品理化指標(biāo)分析

土壤理化指標(biāo)依照文獻(xiàn)[20-21]中方法測定。其中pH和電導(dǎo)率(EC)使用pH計(jì)和電導(dǎo)率儀測定(土水比 1∶5); 氨態(tài)氮(-N)和硝態(tài)氮(-N)是將土壤樣品經(jīng)濃度為 0.5 mol·L-1的 K2SO4溶液浸提 1 h后, 用連續(xù)流動分析儀測定; 有機(jī)質(zhì)(SOM)采用油浴外加熱-K2Cr2O2容量法測定; 總可溶性氮(TSN)是將土壤樣品經(jīng)濃度為0.5 mol·L-1的K2SO4溶液浸提1 h后, 用TOC儀的氮模塊進(jìn)行測定; 全磷(TP)采用鉬銻抗比色法測定; 速效磷(AP)采用 0.5 mol·L-1NaHCO浸提-分光光度法測定; 速效鉀(AK)采用1 mol·L-1NH4Ac 浸提-火焰光度法測定; 陽離子交換量(CEC)采用NH4Cl-NH4Ac法測定。

1.5 DNA提取及高通量測序

將每個處理的 3個重復(fù)土壤樣品均勻混合, 作為該處理的代表樣品, 進(jìn)行土壤細(xì)菌的測定。稱取約 0.33 g經(jīng)冷凍干燥處理的土壤樣品, 使用 Fast DNA Spin Kit for Soil DNA提取試劑盒(MP Biomedicals, USA)參照試劑盒使用說明提取樣品中的總 DNA。并用1%凝膠電泳檢測提取的 DNA質(zhì)量,同時用Nano Drop 2000 UV-Vis Spectrophotometer(Thermo Fisher Scientific, USA)測定濃度。

細(xì)菌使用 16S rRNA 基因通用引物 515F(5′-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3′)和 907R (5′-CCGT CAATTCCTTTGAGTTT-3′)進(jìn)行目的基因擴(kuò)增。PCR反應(yīng)條件為: 98 ℃預(yù)變性1 min, 98 ℃變性10 s, 50℃退火30 s, 72 ℃延伸30 s, 共30個循環(huán), 最后在72 ℃下延伸5 min。反應(yīng)產(chǎn)物用2%瓊脂糖凝膠電泳檢測。通過Hiseq 2500平臺(Illumina, SanDiego, CA,USA)進(jìn)行測序(諾禾致源生物信息科技有限公司,北京)。

1.6 數(shù)據(jù)分析

原始序列使用 Pandaseq(V 2.7)軟件進(jìn)行拼接,再用Trimmomatic(V 0.30)軟件去除引物和接頭序列,使用Usearch (V 8.0)軟件將拼接過濾后的序列與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對, 去除嵌合體序列(chimera sequence),最終得到有效序列數(shù)據(jù)。利用RDP classifier貝葉斯算法對 97%相似水平上進(jìn)行操作分類單元(operational taxonomic units, OTUs)聚類, 根據(jù)OTUs聚類結(jié)果, 對每個 OTUs的代表序列做物種注釋, 得到對應(yīng)的物種信息和基于物種的相對豐度分布情況, 同時, 對OTUs進(jìn)行相對豐度計(jì)算。多樣性分析方法: α-多樣性采用Shannon、Simpson和Chao1等多樣性指數(shù)計(jì)算; 對反映不同樣本間差異的 β-多樣性, 通過各樣品序列間的系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系和序列相對豐度信息進(jìn)行主成分分析(PCA)。通過冗余分析(RDA), 分析土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子之間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同設(shè)施種植模式的土壤理化性質(zhì)

土壤理化性質(zhì)分析結(jié)果見表1。試驗(yàn)地土壤類型屬于弱酸性, pH 6.23～6.71, 且不同土壤樣品的pH存在顯著性差異(P=0.003), 但波動范圍不大。不同土壤樣品的有機(jī)質(zhì)、速效鉀、硝態(tài)氮、電導(dǎo)率存在極顯著差異(P＜0.001)。6個處理土壤的銨態(tài)氮含量也存在顯著性差異(P=0.004)。其中, 常規(guī)設(shè)施種植土壤電導(dǎo)率值高于有機(jī)模式, 表明常規(guī)設(shè)施種植土壤的鹽分積累較有機(jī)模式嚴(yán)重; 硝態(tài)氮含量也呈現(xiàn)相同規(guī)律, 硝態(tài)氮過量可能是土壤鹽分積累的主要原因。有機(jī)質(zhì)表現(xiàn)為有機(jī)設(shè)施種植高于常規(guī)設(shè)施種植,故有機(jī)設(shè)施種植顯著提高了土壤的有機(jī)質(zhì)含量。速效鉀表現(xiàn)為輪作處理高于連作, 原因可能是作物輪作有利于土壤養(yǎng)分累積。

表1 不同設(shè)施種植模式的土壤理化性質(zhì)Table 1 Physiochemical properties of soils from different facility management regimes

2.2 不同設(shè)施種植模式土壤測序結(jié)果分析

通過對土壤樣品進(jìn)行基于16S rRNA的高通量測序, 所有樣品共獲得318 851個有效序列(序列平均讀長為418 bp), 基于相似度97%進(jìn)行聚類分析, 得到OTUs數(shù)為17 278(圖1, 表2)。覆蓋度和稀疏曲線用來評估所測序列庫容中環(huán)境微生物的種類和數(shù)量。本研究中的6組處理覆蓋度均高于98.5%(表2), 稀疏曲線(圖1)趨于平緩, 表明不同處理土壤細(xì)菌所測序列庫容都可以較好地反映細(xì)菌群落的種類與數(shù)量,基本涵蓋了設(shè)施土壤中所有細(xì)菌種群。

圖1 不同設(shè)施種植模式土壤細(xì)菌稀疏曲線Fig.1 Rarefaction curves of soil bacteria from different facility management regimes

2.3 不同設(shè)施種植模式土壤細(xì)菌α-多樣性分析

表2列出了依據(jù)細(xì)菌OTUs數(shù)量計(jì)算的各處理土壤細(xì)菌α-多樣性指數(shù)(相似度為97%)。從表中可以看出, 葉菜連作、茄果連作和葉-茄輪作條件下, 有機(jī)設(shè)施種植的土壤細(xì)菌Shannon多樣性指數(shù)均高于常規(guī)設(shè)施種植處理; 葉菜連作和葉-茄輪作下, 有機(jī)設(shè)施種植比常規(guī)設(shè)施種植有較高的土壤細(xì)菌Chao1和Simpson多樣性指數(shù)。有機(jī)設(shè)施種植土壤, 葉-茄輪作比單一葉菜和茄果連作有較高的細(xì)菌Shannon多樣性指數(shù); 但是, 葉-茄輪作比單一葉菜和茄果連作有較低的土壤細(xì)菌Chao1指數(shù), Chao1和Simpson指數(shù)與其他處理差異不大。常規(guī)設(shè)施種植模式下, 茄果連作有最高的Shannon、Simpson和Chao1指數(shù)。說明在有機(jī)設(shè)施種植模式下, 輪作處理土壤細(xì)菌多樣性增加更明顯。

2.4 不同設(shè)施種植模式土壤細(xì)菌群落的主成分分析

為探究不同處理之間細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異, 對其以主成分分析法(PCA)進(jìn)行主成分提取, 方差最大化正交旋轉(zhuǎn)后(P=0.05), 提取了2個主成分, 貢獻(xiàn)率分別為29.39%和20.27%, 結(jié)果如圖2, 有機(jī)和常規(guī)設(shè)施種植模式的處理圍繞PC1軸完全分開, 有機(jī)設(shè)施種植處理分布在PC1軸的正軸, 常規(guī)設(shè)施種植處理分布在PC1的負(fù)軸。說明有機(jī)和常規(guī)設(shè)施種植土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異明顯。另外, 有機(jī)設(shè)施種植下,輪作和連作方式土壤群落結(jié)構(gòu)差異明顯, 連作處理分布在PC2軸正軸, 輪作處理在PC2軸負(fù)軸。而常規(guī)設(shè)施種植下, 輪作和連作方式土壤群落結(jié)構(gòu)差異不明顯。

2.5 不同設(shè)施種植模式土壤細(xì)菌群落組成及相對豐度分析

提取97%相似水平的OTUs代表序列, 應(yīng)用RDP classifier貝葉斯算法進(jìn)行分類學(xué)分析, 得出屬水平的各處理土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成。細(xì)菌相對豐度大于0.5%的有14個屬(圖3), 分別是鞘氨醇單胞菌屬(Sphingomonas, 5.05%)、芽孢桿菌屬(Bacillus,4.84%)、溶桿菌屬(Lysobacter, 1.49%)、節(jié)桿菌屬(Arthrobacter, 0.95%)、Bhargavaea(0.79%)、假單胞菌屬(Pseudomonas, 0.62%)、Bryobacter(0.96%)、壤霉菌屬(Agromyces, 0.62%)、Candidatus Solibacter(0.59%)、嗜酸棲熱菌屬(Acidothermus, 0.53%)、環(huán)脂酸芽孢桿菌屬(Tumebacillus, 0.55%)、Candidatus Entotheonella(0.57%)、微枝形桿菌屬(Microvirga,0.61%)、芽生球菌屬(Blastococcus, 0.51%)。其中, 鞘氨醇單胞菌(Sphingomonas)和芽孢桿菌屬(Bacillus)相對豐度較高(＞4%), 其余菌屬相對豐度都小于1.5%。

有機(jī)設(shè)施種植和常規(guī)設(shè)施種植土壤細(xì)菌屬相對豐度(＞0.5%)如圖4所示。其中, 常規(guī)設(shè)施種植比有機(jī)設(shè)施種植顯著較多的屬有7個, 分別為: 鞘氨醇單胞菌屬、假單胞菌屬、壤霉菌屬、芽生球菌屬、溶桿菌屬、Candidatus Entotheonella、微枝形桿菌屬。有機(jī)模式比常規(guī)模式顯著較多的屬有7個, 分別為: 芽孢桿菌屬、節(jié)桿菌屬、Bhargavaea、Bryobacter、Candidatus Solibacter、嗜酸棲熱菌屬、環(huán)脂酸芽孢桿菌屬。其中, 嗜酸棲熱菌屬是有機(jī)設(shè)施種植模式的特有種。

表2 不同設(shè)施種植模式土壤細(xì)菌群落的多樣性指數(shù)Table 2 Soil bacterial diversity indexes of different facility management regimes

圖2 不同設(shè)施種植模式土壤細(xì)菌群落主成分分析Fig.2 PCA analysis of soil bacteria community under different facility management regimes

輪作處理土壤細(xì)菌較連作處理顯著較多的屬有4個, 分別為: 芽孢桿菌屬、溶桿菌屬、Bryobacter和Bhargavaea。

2.6 土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與土壤理化性質(zhì)相關(guān)關(guān)系分析

先通過CANOCO軟件進(jìn)行去趨勢對應(yīng)分析, 分析結(jié)果表明適合做RDA(圖5)。軸1特征值為63.4%,軸2特征值為28.3%。RDA分析過程中, 通過手動預(yù)選變量, 選擇5個土壤環(huán)境因子, 分別是TP、AP、SOM、NH4+-N和AK, 可以解釋原有10個土壤環(huán)境因子變量的98.7%, 基本上覆蓋了所有的土壤環(huán)境信息。分析6個處理間的歐幾里德距離, 有機(jī)和常規(guī)設(shè)施種植土壤群落結(jié)構(gòu)差異明顯。在兩種模式下輪作和連作處理都有一定差異, 有機(jī)模式下輪作較連作差異更明顯。TP和AP對土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響最大。假單胞菌屬和Bryobacter與TP和AP呈正相關(guān),Blastococcus和Candidatus Entotheonella與TP與AP呈負(fù)相關(guān)。SOM對土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響。環(huán)脂酸芽孢桿菌屬、Candidatus Solibacter和嗜酸棲熱菌屬與SOM呈正相關(guān)關(guān)系, 壤霉菌屬、溶桿菌屬和鞘氨醇單胞菌屬與SOM呈負(fù)相關(guān)。環(huán)脂酸芽孢桿菌屬、Candidatus Solibacter和嗜酸棲熱菌屬都是分解有機(jī)質(zhì)、利用碳源的細(xì)菌[22-24], 故存在于有機(jī)質(zhì)豐富的土壤中, 與SOM呈正相關(guān)。另外, NH4+-N和AK對土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)也有一定影響。其中, 芽孢桿菌屬和節(jié)桿菌屬與其呈正相關(guān)。

3 討論與結(jié)論

3.1 設(shè)施種植模式(有機(jī)/常規(guī))對土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響

對各處理土壤細(xì)菌群落的主成分分析可知, 有機(jī)和常規(guī)種植模式土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異明顯。α-多樣性指數(shù)的結(jié)果表明, 有機(jī)設(shè)施種植較常規(guī)種植土壤細(xì)菌群落多樣性提高, 這與Ge等[25]對茶園土壤微生物群落多樣性的研究結(jié)果一致。兩種種植模式不同施肥處理引起的可利用碳源的變化可能是影響土壤細(xì)菌多樣性與群落結(jié)構(gòu)的重要因素[26]。由于有機(jī)設(shè)施種植中施加的有機(jī)肥為土壤提供大量有機(jī)質(zhì),在有機(jī)質(zhì)分解過程中形成不同類型的碳源[27], 這些作為微生物的食物資源, 食物資源多樣化導(dǎo)致微生物群落多樣化。RDA結(jié)果也表明, 土壤有機(jī)質(zhì)是影響土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的主要因素。環(huán)脂酸芽孢桿菌屬、Candidatus Solibacter和嗜酸棲熱菌屬這些分解有機(jī)質(zhì)、利用碳源的細(xì)菌, 與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)關(guān)系。另外, 長期施用有機(jī)肥可以改善土壤結(jié)構(gòu), 為微生物生長提供有利的生境, 從而提高微生物多樣性[28]。RDA分析結(jié)果同樣說明, 有機(jī)和常規(guī)種植模式細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異明顯, 土壤磷素(全磷和速效磷)和有機(jī)質(zhì)含量是影響細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的主要因素。這說明設(shè)施土壤可能存在磷素缺乏現(xiàn)象, 土壤缺磷導(dǎo)致微生物多樣性下降, 施肥后磷素增加,同時改善了土壤N/P, 導(dǎo)致微生物多樣性提高[29]。另一方面, 兩種設(shè)施種植下土壤細(xì)菌群落多樣性的差異也可能是由于常規(guī)種植過程中使用的化學(xué)品(殺蟲劑和農(nóng)藥)和鹽分累積對土壤微生物產(chǎn)生了影響[25]。土壤微生物群落作為一個微觀生態(tài)系統(tǒng), 具有一定的穩(wěn)定性。有研究表明化學(xué)殺蟲劑的使用作為外界干預(yù)會打破其自身的穩(wěn)定性, 造成少數(shù)適宜種群大量繁殖, 部分不適宜種群受到抑制[30]。

圖3 不同設(shè)施種植模式土壤細(xì)菌的相對豐度(相對豐度＞0.5%的屬)Fig.3 Relative abundance of soil bacteria under different facility management regimes(only genera with relative abundance more than 0.5% are shown)

圖4 屬水平上(相對豐度＞0.5%)有機(jī)和常規(guī)設(shè)施種植土壤細(xì)菌的相對豐度Fig.4 Relative abundance of soil bacteria on genus level under organic and conventional facility management regimes (only genera with relative abundance more than 0.5% are shown)

圖5 不同設(shè)施種植模式土壤細(xì)菌群落-土壤環(huán)境因子相關(guān)性冗余分析Fig.5 Redundancy analysis of relationship between soil bacteria community and soil environmental factors under different facility management regimes

有機(jī)和常規(guī)設(shè)施種植下土壤細(xì)菌群落的種類和數(shù)量均有一定差異。常規(guī)種植比有機(jī)種植顯著較多的細(xì)菌屬按照功能可劃分為: 降解化學(xué)殺蟲劑等有機(jī)芳香化合物[31-33](鞘氨醇單胞菌屬、假單胞菌屬、壤霉菌屬); 抵御不良環(huán)境、防治土壤病害[34-35](芽生球菌屬、溶桿菌屬); 促進(jìn)硝化過程[36-37](Candidatus Entotheonella、微枝形桿菌)。常規(guī)設(shè)施種植土壤中降解大分子有機(jī)污染物的微生物較多, 這可能是由于采用化學(xué)殺蟲劑進(jìn)行有害生物管理[38]。常規(guī)種植土壤中促進(jìn)硝化過程的細(xì)菌較多, 這是由于化肥施用量過大, 氮肥大量累積導(dǎo)致。微生物也反作用于環(huán)境, 促進(jìn)硝化過程的細(xì)菌使得土壤氮素大量轉(zhuǎn)化為硝酸根, 硝酸根的積累是引起設(shè)施土壤次生鹽漬化的主要因子[4], 并且隨著設(shè)施種植年限的增加嚴(yán)重影響蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)[39]。對土壤理化性質(zhì)的分析結(jié)果印證了上述觀點(diǎn), 常規(guī)設(shè)施種植土壤電導(dǎo)率值高于有機(jī)種植土壤, 表明常規(guī)種植土壤的鹽分積累問題較有機(jī)模式嚴(yán)重, 硝態(tài)氮含量也呈現(xiàn)相同規(guī)律。另外, 常規(guī)設(shè)施種植土壤中抵御不良環(huán)境的細(xì)菌較多, 這是由于使用化學(xué)殺蟲劑使得土壤病害在短期內(nèi)被有效控制, 害蟲和疾病的發(fā)病率顯著低于有機(jī)種植土壤, 這與Finckh等[40]對土豆種植土壤的研究結(jié)果相似。但是長期使用殺蟲劑導(dǎo)致土壤有機(jī)污染嚴(yán)重, 土壤出現(xiàn)耐藥性, 使得抗病效果大大降低[41]。

有機(jī)種植比常規(guī)種植顯著較多的菌屬按照功能可劃分為: 促進(jìn)植物生長[42](芽孢桿菌屬); 分解有機(jī)質(zhì)、利用碳源[22-24,43-44](節(jié)桿菌屬、Bhargavaea、Bryobacter、Candidatus Solibacter、嗜酸棲熱菌屬、環(huán)脂酸芽孢桿菌屬)。有機(jī)設(shè)施種植土壤中分解碳源的細(xì)菌和植物促生菌相比常規(guī)種植較多, 上述研究結(jié)果與葉俊等[45]的研究結(jié)論一致。有機(jī)設(shè)施種植使用的有機(jī)肥為土壤微生物提供豐富多樣的食物資源以及更適宜的生長環(huán)境。常規(guī)設(shè)施種植中大量使用化肥導(dǎo)致土壤有機(jī)碳快速分解, 土壤中積累的有機(jī)碳總量并未增加, 不能為微生物生長提供更豐富的碳源, 土壤微生物量碳含量降低[46], 土壤微生物生長所需的碳源匱乏。有機(jī)設(shè)施種植采用生物措施控制病蟲害, 避免了環(huán)境有機(jī)污染, 為植物提供良好生長環(huán)境。有機(jī)肥的施用不僅可以為作物生長提供相應(yīng)的養(yǎng)分, 同時可以改善土壤理化性狀、有利于土壤養(yǎng)分平衡和增加。大量研究結(jié)果表明, 和常規(guī)農(nóng)產(chǎn)品相比, 有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品富含更多的維生素C、磷素、鉀素、礦質(zhì)元素Fe、Mg[47], 感官品質(zhì)及化學(xué)組成都要優(yōu)于常規(guī)種植[48]。

3.2 輪作對土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響

通過主成分分析可知, 有機(jī)設(shè)施種植下, 輪作和連作土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異明顯; 而常規(guī)設(shè)施種植下輪作和連作的土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異不明顯。α-多樣性分析結(jié)果表明, 有機(jī)設(shè)施種植下, 輪作土壤的細(xì)菌多樣性(Shannon指數(shù))較連作土壤高, 但常規(guī)設(shè)施種植下, 輪作土壤的細(xì)菌多樣性(Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù))較連作(茄果連作)處理低。華菊玲等[49]在露天大田進(jìn)行研究得出輪作提高土壤細(xì)菌群落多樣性的結(jié)論。輪作增加了根系分泌物的種類,為微生物提供更多生長所需碳源類型, 由此增加微生物多樣性[15]。常規(guī)設(shè)施種植輪作土壤細(xì)菌多樣性較低的原因可能是設(shè)施種植下高溫高濕的土壤環(huán)境對常規(guī)種植土壤細(xì)菌多樣性的影響大于有機(jī)設(shè)施種植處理[4]。另外, 常規(guī)設(shè)施種植過程中大量化學(xué)品(化肥、農(nóng)藥和殺蟲劑)的使用也可能降低土壤細(xì)菌群落多樣性[50]。上述這些常規(guī)設(shè)施種植的因素可能影響了輪作對土壤細(xì)菌群落的作用, 故在本研究中,有機(jī)設(shè)施種植對輪作土壤細(xì)菌多樣性的提高更明顯。另外, 通過分析輪作與連作方式下土壤細(xì)菌相對豐度大于 0.5%的菌屬, 可知輪作較連作明顯上調(diào)的是促進(jìn)植物生長(芽孢桿菌屬)、防治土壤病害(溶桿菌屬)、分解有機(jī)質(zhì)(Bhargavaea)和促進(jìn)土壤碳循環(huán)(Bryobacter)的菌屬, 這與李威等[51]的研究結(jié)果一致, 說明輪作可以更好地調(diào)節(jié)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、防治土壤病害、促進(jìn)養(yǎng)分的利用, 預(yù)防土壤的連作障礙。

本文從土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的角度對各處理 3個重復(fù)樣品混合進(jìn)行測序分析, 探究了不同設(shè)施種植和輪作條件下土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征。結(jié)果表明:有機(jī)和常規(guī)設(shè)施種植下土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)存在明顯差異, 有機(jī)設(shè)施種植模式提高了土壤細(xì)菌的多樣性。常規(guī)設(shè)施種植土壤中存在較多的降解化學(xué)殺蟲劑等有機(jī)芳香化合物、防治土壤病害和促進(jìn)硝化過程的細(xì)菌; 有機(jī)設(shè)施種植模式土壤中存在較多的碳源分解菌和植物促生菌。有機(jī)設(shè)施種植模式下進(jìn)行輪作, 更有利于其發(fā)揮改良土壤營養(yǎng)循環(huán)和防治土壤病蟲害的作用。設(shè)施土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)主要受全磷、速效磷、有機(jī)質(zhì)3個土壤環(huán)境因子的影響。一些分解有機(jī)質(zhì)、利用碳源的細(xì)菌(環(huán)脂酸芽孢桿菌屬、Candidatus Solibacter和嗜酸棲熱菌屬)與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)關(guān)系。上述不同設(shè)施種植模式和輪作對土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響還需要進(jìn)行長期研究。

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Effect of facility management regimes on soil bacterial diversity and community structure*

DU Siyao1, YU Miao2, LIU Fanghua3, XIAO Leilei3, ZHANG Hongxia3,4,TAO Jun1**, GU Wei1, GU Jingyan1, CHEN Xi1
(1.State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology, Beijing Normal University / Key Laboratory of Environmental Change and Natural Disaster, Ministry of Education, Beijing Normal University / Faculty of Geographical Science,Beijing Normal University, Beijing 100875, China; 2.Institute of Resource and Environmental Engineering, Ludong University,Yantai 264025, China; 3.Key Laboratory of Coastal Biology and Bioresource Utilization / Yantai Institute of Coastal Zone Research,Chinese Academy of Sciences, Yantai 264003, China; 4.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100040, China)

Apr.5, 2017; accepted Aug.15, 2017

Organic agriculture is a sustainable alternative to conventional agriculture.However, little is known about the effect of both organic and conventional agriculture on the environment and on the soil microbial community.The hypothesis was that bacterial community structure is defined by different agronomic practices.The objective of this study was to show how cropping systems, organic and conventional facility management regimes affect bacterial community structure and diversity.The study was also intended to increase knowledge on the prediction of soil sustainability under specific agronomic practices.The Illumina platform Hiseq 2500 high-throughput sequencing technique was used to sequence facility soil bacteria 16S rRNA from 6 treatments (OS: organic management of Solanaceous vegetable continuous cropping; OL: organic management of leafy vegetable continuous cropping; OSL: organic management of leafy-Solanaceous vegetables rotation; CS: conventional management of Solanaceous vegetable continuous cropping; CL: conventional management of leafy vegetable continuous cropping;and CSL: conventional management leafy-Solanaceous vegetables rotation) in Shunyi District of Beijing in June 2016.A total of 17 278 operational taxonomic units (OTUs) and 318 851 effective sequences were detected in the sequence control condition.Compared with soil bacterial community composition, diversity, relative abundance and interaction between soil factors and bacteria in different treatments, the results showed great differences between organic and conventional soil samples in bacterial community composition, and with a higher diversity in organic management.Obvious differences were observed between crop rotation and continuous cropping for bacterial community composition under organic management, while there was no significant difference between crop rotation and continuous cropping for bacterial community composition under conventional management.Soil bacterial diversity for rotation treatments was higher under organic management.It was found that there were mainly 14 genera of bacterial community, includingSphingomonas(5.05%) andBacillus(4.84%).The abundance of the 14 genera changed significantly between organic and conventional management.There were insecticides degrading bacteria (Sphingomonas,PseudomonasandAgromyces), disease controlling bacteria (BlastococcusandLysobacter) and nitrification promoting bacteria (Candidatus EntotheonellaandMicrovirga) in conventional system.There were plant growth promoting bacteria (Bacillus) and organism degrading bacteria (Arthrobacter,Bhargavaea,Bryobacter,Candidatus Solibacter,AcidothermusandTumebacillus) in organic system.Redundancy analysis also showed that soil bacterial community was affected mainly by soil total phosphorus, available phosphorus, and soil organic matter. Organic matter-decomposing bacteriaTumebacillus,Candidatus SolibacterandAcidothermuswere positive associated with soil organic matter content.Therefore,the difference between organic and conventional soil samples for bacterial community originated from different fertilizer use methods, insecticide use methods and management patterns.Crop rotation promoted soil nutrient cycle and disease control under organic management.The results suggested that ecological adaptation mechanisms of different functional micro-organisms had significant differences in facility vegetable soils under different facility management regimes.The study provided the basis for further studies on exploring and explaining the characteristics and adaptation mechanisms of micro-organisms in facility soils under different facility management regimes.

Facility planting; Organic farming; Crops rotation system; Soil bacteria; Community structure; Diversity;High-throughput sequencing

S154.36

A

1671-3990(2017)11-1615-11

10.13930/j.cnki.cjea.170291

杜思瑤, 于淼, 劉芳華, 肖雷雷, 張洪霞, 陶軍, 顧衛(wèi), 顧京晏, 陳茜.設(shè)施種植模式對土壤細(xì)菌多樣性及群落結(jié)構(gòu)的影響[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2017, 25(11): 1615-1625

Du S Y, Yu M, Liu F H, Xiao L L, Zhang H X, Tao J, Gu W, Gu J Y, Chen X.Effect of facility management regimes on soil bacterial diversity and community structure[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(11): 1615-1625

* 國家科技支撐計(jì)劃課題(2014BAD14B03)和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41371257, 41573071)資助

** 通訊作者: 陶軍, 主要研究方向?yàn)橥寥郎鷳B(tài)學(xué)。E-mail: juntao@bnu.edu.cn

杜思瑤, 主要研究方向?yàn)橥寥牢⑸?。E-mail: siyaodu@mail.bnu.edu.cn

2017-04-05 接受日期: 2017-08-15

* This study was founded by the National Key Technologies R&D Program of China (2014BAD14B03) and the National Natural Science Foundation of China (41371257, 41573071).

** Corresponding author, E-mail: juntao@bnu.edu.cn