不同深度土壤控水對(duì)稻田土壤微生物區(qū)系及細(xì)菌群落多樣性的影響*

張 靜, 可文靜, 劉 娟, 王留行, 陳 浩, 彭 廷, 趙全志

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不同深度土壤控水對(duì)稻田土壤微生物區(qū)系及細(xì)菌群落多樣性的影響*

張 靜, 可文靜, 劉 娟, 王留行, 陳 浩, 彭 廷, 趙全志**

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/河南糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心/河南省水稻生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 鄭州 450046)

為研究不同深度土壤控水對(duì)壤土稻田土壤水勢(shì)、微生物區(qū)系和細(xì)菌群落多樣性的影響, 通過(guò)土培池栽試驗(yàn), 在水稻生育后期設(shè)置土壤深度0~5 cm(S05)、0~10 cm(S10)和0~15 cm(S15)控水處理, 以保持水層為對(duì)照, 分析了不同深度控水處理下5 cm、10 cm、15 cm深土壤水勢(shì)與土壤微生物區(qū)系、細(xì)菌群落多樣性的變化。結(jié)果表明: 土壤5 cm、10 cm、15 cm深度的水勢(shì)隨著控水深度增加而降低, S05控水處理主要影響上層(5 cm)土壤水勢(shì), S10控水處理影響上、中層(10 cm)土壤水勢(shì), S15控水處理土壤水勢(shì)隨土層深度的增加而升高?；ê? d和32 d, S05控水處理上層土壤細(xì)菌數(shù)量顯著高于S10、S15控水處理; 花后16~24 d, S05控水處理中層、下層(15 cm)土壤細(xì)菌數(shù)量均顯著高于S15控水處理; 土壤水勢(shì)與水稻生育后期中、下層土壤細(xì)菌數(shù)量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。S05控水處理10 cm、15 cm土層的細(xì)菌豐富度Chao指數(shù)均顯著高于S15控水處理及CK。3個(gè)控水處理中, 5 cm土層細(xì)菌的多樣性Shannon指數(shù)以S05控水處理最低。優(yōu)勢(shì)細(xì)菌菌群分析發(fā)現(xiàn), 優(yōu)勢(shì)群落主要為變形菌門(mén)、綠彎菌門(mén)、酸桿菌門(mén)、擬桿菌門(mén), 四者總相對(duì)豐度在80%以上; S15控水處理中層土壤變形菌門(mén)相對(duì)豐度低于S05和S10控水處理。3個(gè)控水處理土壤樣品中優(yōu)勢(shì)綱(相對(duì)豐度大于2%)達(dá)15個(gè), 主要包括α-變形菌綱、β-變形菌綱、δ-變形菌綱、厭氧繩菌綱等, 這4個(gè)綱的總相對(duì)豐度在47%以上, 其中厭氧繩菌綱相對(duì)豐度最高; 上層土壤中S05控水處理的β-變形菌綱相對(duì)豐度顯著低于S10和S15控水處理。因此, 不同深度土壤控水對(duì)壤土土壤水勢(shì)、細(xì)菌數(shù)量存在影響, 改變了細(xì)菌的多樣性及豐富度, 對(duì)土壤細(xì)菌優(yōu)勢(shì)菌種類(lèi)無(wú)顯著影響。

水稻土; 控水深度; 土壤水勢(shì); 土壤微生物; 土壤細(xì)菌群落

水稻()是世界上三大糧食作物之一, 中國(guó)有65%以上的人以稻米為主食[1]。水稻的一生幾乎都離不開(kāi)水, 但是, 長(zhǎng)期淹水限制水稻根際氧的供應(yīng), 根系有氧呼吸受到抑制不利于對(duì)碳同化和光合產(chǎn)物的利用。水稻生長(zhǎng)中后期需通過(guò)調(diào)節(jié)土壤水分, 增加土壤氧氣含量, 改善根系生長(zhǎng)的土壤環(huán)境, 提高水稻產(chǎn)量和氮素利用效率[2-4], 因此, 干濕交替是當(dāng)前水稻高產(chǎn)栽培的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)之一, 其中土壤水勢(shì)是判斷干濕交替過(guò)程中復(fù)水的主要指標(biāo), 已在水稻生產(chǎn)及科研中廣泛應(yīng)用。前人研究表明, 結(jié)實(shí)期輕度水勢(shì)脅迫可改良稻米品質(zhì), 提高籽粒精米率、整精米率以及崩解值, 堊白度及消堿值降低[5]; 灌漿期0 kPa土壤水勢(shì)提高了水稻千粒重及結(jié)實(shí)率進(jìn)而提高其產(chǎn)量[6]。與黏重的黏質(zhì)水稻土不同, 壤土稻田水稻中后期土壤控水深度為0~10 cm和0~15 cm時(shí)根系活力、土壤酶活性減弱, 產(chǎn)量降低[7]。土壤微生物對(duì)于維持土壤系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性具有重要的作用[8]。土壤環(huán)境與微生物群落間的相互影響與適應(yīng)在很大程度上體現(xiàn)了土壤的地力水平[9]。土壤微生物多樣性是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量變化的重要指標(biāo)之一[10-11], 能迅速地響應(yīng)水肥管理、種植模式以及土地利用方式帶來(lái)的變化[12]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外有關(guān)長(zhǎng)期和短期水稻栽培過(guò)程中土壤微生物學(xué)的特性研究較多, 林瑞余等[13]發(fā)現(xiàn)水稻根際土壤微生物群落、活性和功能多樣性與水稻品種密切相關(guān); 劉岳燕[14]對(duì)干濕交替、水稻種植及其交互作用對(duì)土壤微生物群落影響的研究結(jié)果表明, 在水稻生長(zhǎng)初期, 土壤微生物群落主要受干濕交替和水稻種植的影響, 在水稻生長(zhǎng)末期, 干濕交替對(duì)土壤微生物群落的影響小于水稻種植。然而, 以土壤水勢(shì)作為稻田灌水的指標(biāo)時(shí), 前人以7.5 cm、10 cm或15~20 cm等不同土壤深度來(lái)監(jiān)測(cè)水勢(shì)[15-17], 土壤水勢(shì)監(jiān)測(cè)深度不同勢(shì)必造成不同深度土壤水分含量存在差異。而目前關(guān)于不同深度土壤水勢(shì)差異對(duì)土壤微生物區(qū)系及細(xì)菌群落多樣性影響的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。因此, 本試驗(yàn)采用大田土培池栽試驗(yàn), 通過(guò)調(diào)控不同深度的土壤水分, 研究水稻生育后期壤土條件下, 不同深度土壤控水處理后土壤水勢(shì)的變化對(duì)不同深度土壤微生物區(qū)系及細(xì)菌群落多樣性的影響, 為稻田高產(chǎn)栽培技術(shù)及節(jié)水灌溉的生態(tài)機(jī)制研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2015年5—11月在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)科教園區(qū)進(jìn)行。試驗(yàn)材料為常規(guī)粳稻品種‘新稻18’。試驗(yàn)用土壤顆粒組成及基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用土壤顆粒組成及基本理化性質(zhì)

試驗(yàn)采用土培池栽(3面為水泥墻, 1面為鋼化玻璃, 長(zhǎng)×寬×高為2 m×1.5 m×1 m), 設(shè)土面以下0~5 cm (S05)、0~10 cm(S10)、0~15 cm(S15)控水3個(gè)處理, 并以保持水層(CK)為對(duì)照(從處理開(kāi)始一直保持2 cm左右的水層, 至收獲前7 d斷水)。不同深度土壤控水處理從孕穗期開(kāi)始至水稻收獲前7 d結(jié)束, 分別打開(kāi)距土面5 cm、10 cm、15 cm的孔上的蓋子(圖1), S05控水處理當(dāng)5 cm土壤水勢(shì)低于-10 kPa時(shí)灌水, S10控水處理當(dāng)5 cm土壤水勢(shì)低于-15 kPa時(shí)灌水, S15控水處理當(dāng)5 cm土壤水勢(shì)低于-25~-30 kPa時(shí)灌水。灌水采用塑料管大流量土表澆水至整個(gè)池中土面全部濕潤(rùn), 即灌“跑馬水”的灌水方式。每個(gè)處理重復(fù)3次。

全生育期施氮肥(以純N計(jì))220.8 kg?hm-2, 按基肥∶分蘗肥∶穗肥3∶3∶4施用。磷肥及鉀肥用量以N∶P2O5∶K2O=1∶0.5∶1.2的比例施入, 且全部作為基肥。5月5日塑料軟盤(pán)單粒播種育秧, 6月上旬單本移栽, 10月中旬收獲。栽插密度30 cm×13 cm。常規(guī)高產(chǎn)栽培管理。

圖1 不同土壤控水深度處理的池栽試驗(yàn)簡(jiǎn)圖

CK: 稻田保持2 cm左右水層; S05: 0~5 cm土層控水, 5 cm土壤水勢(shì)低于-10 kPa時(shí)灌水; S10: 0~10 cm土層控水, 5 cm土壤水勢(shì)低于-15 kPa時(shí)灌水; S15: 0~15 cm土層控水, 5 cm土壤水勢(shì)低于-25~-30 kPa時(shí)灌水。圖中空心圓點(diǎn)為孔洞, 用于控制土壤水分。CK: keeping water about 2 cm deep on the soil surface of paddy field; S05: water controlling at 0-5 cm soil layer, irrigating when the soil water potential at 5 cm was lower than-10 kPa; S10: water controlling at 0-10 cm soil layer, irrigating when the soil water potential at 5 cm was lower than-15 kPa; S15: water controlling at 0-15 cm soil layer, irrigating when the soil water potential at 5 cm was lower than-25--30 kPa. The circles are holes used to control soil water.

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 土壤水勢(shì)

采用美國(guó)Watchdog 2000-Series Weather Stations進(jìn)行土壤水勢(shì)監(jiān)測(cè), 孕穗期將土壤水勢(shì)傳感器埋在5 cm、10 cm、15 cm處, 每1 min測(cè)定1次土壤水勢(shì), 直至水稻收獲。每個(gè)小區(qū)1次重復(fù)。

1.2.2 土壤微生物區(qū)系

從花后0 d開(kāi)始, 即土壤水分控制10 d后, 每隔7 d取1次樣, 分別取5 cm、10 cm和15 cm深度土壤樣品, 每個(gè)小區(qū)每個(gè)土壤深度3次重復(fù), 采用固體稀釋平板法統(tǒng)計(jì)微生物數(shù)量。細(xì)菌、真菌、放線(xiàn)菌分別用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基、馬丁氏培養(yǎng)基和改良高氏l號(hào)培養(yǎng)基[18]。

1.2.3 土壤DNA提取與16S rDNA測(cè)序

揚(yáng)花期(即土壤水分控制10 d后)分別于5 cm、10 cm、15 cm土壤深度取新鮮土樣, 置于自封袋中, 然后放入冰盒中, 帶回實(shí)驗(yàn)室置于-80 ℃冰箱保存, 每個(gè)處理3次重復(fù)。土壤DNA提取采用試劑盒(Power Soil DNA Isolate Kit, 美國(guó)mobio公司)。土壤DNA提取完成后, 進(jìn)行16S rDNA的V4區(qū)擴(kuò)增, 引物序列如下: 515F: 5￠-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3￠; 806R: 5￠-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3￠。采用Illumina MiSeq平臺(tái)進(jìn)行高通量測(cè)序(深圳華大基因公司)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2010和Origin 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖, 用SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。土壤水勢(shì)數(shù)據(jù)取每小時(shí)測(cè)定的平均值作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻生育后期不同深度土壤控水處理對(duì)土壤水勢(shì)的影響

由圖2a可知, 5 cm處土壤水勢(shì)在不同控水處理間存在明顯差異, S05控水處理水勢(shì)較高, S10處理次之, S15處理最低。S05處理在5 cm的土壤水勢(shì)大多維持在-10 kPa左右, S10 處理在5 cm的土壤水勢(shì)則大多維持在-15 kPa左右。S15處理在5 cm的土壤水勢(shì)則大多維持在-20~-30 kPa。

圖2 0~5 cm、0~10 cm、0~15 cm控水處理下5 cm土壤深度(a), 0~10 cm、0~15 cm控水處理下10 cm土壤深度(b)和0~15 cm控水處理下15 cm土壤深度(c)的水勢(shì)變化

因控水處理開(kāi)始13~21 d出現(xiàn)連續(xù)陰天降雨、27 d和34 d因灌水使土壤水勢(shì)較高超出儀器檢測(cè)范圍, 故出現(xiàn)斷點(diǎn)。The missing data occurred at 13-21 d caused by continuous cloudy rain and at 27 d and 34 d caused by irrigation, when soil water potential exceeded the detection limit of soil water potential sensor.

由圖2b可知, 10 cm監(jiān)測(cè)深度的土壤水勢(shì)在不同控水處理間存在差異。S05控水處理10 cm處的土壤水勢(shì)較高, 儀器未檢出; S10控水處理在土壤深度為10 cm處的水勢(shì)維持在0~-10 kPa, S15控水處理在土壤深度為10 cm處的水勢(shì)維持在0~-18 kPa。

由圖2c可知, S15控水處理在15 cm土壤深度的土壤水勢(shì)保持在0~-10 kPa, 而由于S05、S10控水處理在15 cm監(jiān)測(cè)深度土壤水勢(shì)因水分飽和, 儀器未檢出。因此, 與S15控水處理相比, S05、S10控水處理主要影響土表至控水層, 即S05控水處理影響了上層(5 cm)、S10控水處理影響了上、中層(5 cm、10 cm)的土壤水勢(shì)。

2.2 水稻生育后期不同深度土壤控水處理對(duì)土壤微生物區(qū)系的影響

由圖3可見(jiàn), 5 cm土壤深度, S10控水處理在花后8 d和24~32 d土壤中的真菌、細(xì)菌數(shù)量, 以及8~24 d土壤中的放線(xiàn)菌數(shù)量均顯著少于淹水處理(CK); S15控水處理中8 d和32 d土壤中的細(xì)菌數(shù)量, 0~16 d和32 d土壤中的放線(xiàn)菌數(shù)量較CK顯著下降; 而S05控水處理與CK間差異未達(dá)顯著水平。10 cm土壤深度, 3種控水處理花后8 d土壤中真菌和細(xì)菌數(shù)目以及0~16 d土壤中的放線(xiàn)菌均顯著少于CK, 其中S15顯著降低了8~32 d 3種微生物的數(shù)量。15 cm土壤深度, 各處理對(duì)真菌的影響不大, 而S05控水處理16~24 d土壤中細(xì)菌數(shù)量以及16 d放線(xiàn)菌的數(shù)量顯著高于CK, S15控水處理則顯著降低了整個(gè)花后時(shí)期的放線(xiàn)菌數(shù)量。同一時(shí)期, 同一土層深度時(shí)隨著控水深度的增加, 細(xì)菌和放線(xiàn)菌在各時(shí)期大多呈下降趨勢(shì), S05控水處理的數(shù)量較多, S15較少。由此可見(jiàn), 3種控水處理中, S05控水處理土壤的細(xì)菌數(shù)量較多, 隨著時(shí)間的延長(zhǎng)上層土壤細(xì)菌和放線(xiàn)菌數(shù)量大多高于S10、S15控水處理。S15控水處理土壤細(xì)菌數(shù)量在3個(gè)土壤深度均較低。

2.3 水稻生育后期土壤水勢(shì)與微生物數(shù)量的相關(guān)性分析

由相關(guān)分析結(jié)果(表2)可知, 不同深度的土壤水勢(shì)與真菌和放線(xiàn)菌數(shù)量間無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系。各深度土壤水勢(shì)與細(xì)菌數(shù)量間均存在正相關(guān)關(guān)系, 且在中下層土壤達(dá)到極顯著。因此, 土壤水勢(shì)主要影響的是中下層土壤細(xì)菌的數(shù)量。

圖3 不同深度土壤控水處理中稻田5 cm (a、d、g)、10 cm (b、e、h)、15 cm (c、f、i)土層土壤細(xì)菌、真菌和放線(xiàn)菌的數(shù)量

不同小寫(xiě)字母表示同一天不同處理間在0.05水平差異顯著。Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments at the same day at 0.05 level.

表2 水稻生育后期5 cm、10 cm和15 cm土壤水勢(shì)與微生物數(shù)量的相關(guān)系數(shù)

**表示0.01水平顯著相關(guān)。** indicates significant correlation at 0.01 level.

表3 不同深度土壤控水處理中稻田不同深度土壤細(xì)菌群落多樣性指數(shù)

不同小寫(xiě)字母表示處理間在0.05水平差異顯著。Different lowercase letters indicate significant differences among treatments at 0.05 level.

2.4 水稻生育后期不同控水處理對(duì)細(xì)菌群落多樣性和群落豐度的影響

通過(guò)Illumina MiSeq平臺(tái)進(jìn)行Paired-end測(cè)序, 36個(gè)土壤樣品共得到1 124 229個(gè)序列(reads), 在97%相似度下劃分共得到9 020個(gè)OTUs, 利用mothur軟件計(jì)算多樣性指數(shù)。由表3可知, 不同控水深度的土壤微生物多樣性有顯著差異。在S05控水條件下, 5 cm土層的各指數(shù)均小于CK, 10 cm以及15 cm土層深度的多樣性指數(shù)除Simpson指數(shù)外, 其他3個(gè)指數(shù)均大于CK; 控水處理為S10時(shí), 微生物多樣性指數(shù)除Simpson指數(shù)均小于CK外, 其他3個(gè)指數(shù)整體上均大于CK, 在3個(gè)土層中, 10 cm土壤深度的多樣性最大, 微生物群落組成最豐富。隨著控水深度的遞增, 當(dāng)控水處理為S15時(shí), 除5 cm土壤深度Chao指數(shù)(表征物種豐富度)、OTU數(shù)以及各層的Simpson指數(shù)外, 其他均大于CK?？傮w上, 在同一土層, 無(wú)論是用Shannon指數(shù)(表征物種多樣性)、Simpson指數(shù)還是Chao指數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià), 10 cm土壤深度的微生物多樣性大多高于5 cm和15 cm土壤深度。由圖4可知, 盡管CK處理15 cm土壤深度有的樣品序列數(shù)已經(jīng)達(dá)22 500, 觀(guān)察到的物種數(shù)仍未到平臺(tái)值, 說(shuō)明仍有少量細(xì)菌種群未被檢測(cè)到。12個(gè)處理共36個(gè)土壤樣品稀釋曲線(xiàn)已趨于平緩, 說(shuō)明取樣合理, 能比較真實(shí)地反映土壤細(xì)菌群落, 測(cè)序量滿(mǎn)足分析要求。

在供試水稻土中, 共有56門(mén)的細(xì)菌被鑒定出來(lái), 其中豐度較高的前10個(gè)門(mén), 包括變形菌門(mén)(Proteobacteria)、綠彎菌門(mén)(Chloroflexi)、酸桿菌門(mén)(Acidobacteria)、擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)、厚壁菌門(mén)(Firmicutes)、放線(xiàn)菌門(mén)(Actinobacteria)、浮霉菌門(mén)(Planctomycetes)、疣微菌門(mén)(Verrucomicrobia)、芽單胞菌門(mén)(Gemmatimonadetes)以及硝化螺旋菌門(mén)(Nitrospirae)(圖5)。對(duì)照處理土壤中細(xì)菌主要屬變形菌門(mén), 土壤深度為5 cm處, 其變形菌門(mén)相對(duì)豐度為39.61%, S05和S15控水處理則下降至35.5%和37.22%, 相對(duì)豐度分別減少4.11%和2.39%; S10控水處理變形菌門(mén)相對(duì)豐度較高, 達(dá)39.78%。土壤深度為10 cm時(shí), 不同深度控水處理后變形菌門(mén)均有小幅度降低, 其中S15處理降幅最大, 為5.39%, 而綠彎菌門(mén)較CK均有明顯的增加。15 cm土壤深度的變形菌門(mén)在各控水處理中均明顯增加, 由CK的37.10%分別增加0.92%、5.28%和2.59%, 而擬桿菌門(mén)隨著控水深度的增加出現(xiàn)遞減。

各樣品在綱水平具有較高的多樣性, 豐度在2%以上的綱達(dá)15個(gè)(圖6), 主要包括α-變形菌綱(Alphaproteobacteria)、β-變形菌綱(Betaproteobacteria)、δ-變形菌綱(Deltaproteobacteria)、γ-變形菌綱(Gammaproteobacteria)、厭氧繩菌綱(Anaerolineaceae)、擬桿菌綱(Bacteroidia)、噬纖維菌綱(Cytophagia)、酸桿菌綱(Acidobacteria-6)等。CK的主要土壤細(xì)菌, 從綱的水平上來(lái)看屬綠彎菌門(mén)的厭氧繩菌綱, 相對(duì)豐度達(dá)17.20%, 土壤深度增加后厭氧繩菌綱的相對(duì)豐度略微增高, 但各土層深度之間差異不大。其次是變形菌門(mén)中的變形菌綱, 變形菌門(mén)是淹水土壤的優(yōu)勢(shì)類(lèi)群, 主要包括α-變形菌綱(6.89%)、β-變形菌綱(13.66%)、δ-變形菌綱(9.80%)和γ-變形菌綱(4.66%)。除α-變形菌綱和β-變形菌綱外, 其他變形菌綱相對(duì)豐度隨著土壤深度的增加逐漸降低。擬桿菌門(mén)中主要是擬桿菌綱(Bacteroidia, 2.38%)、噬纖維菌綱(2.50%)和Saprospirae(4.64%)。另外, 放線(xiàn)菌綱(Actinobacteria, 3.44%)和酸桿菌綱(4.10%)的相對(duì)豐度隨著測(cè)量土壤深度的增加, 均出現(xiàn)小幅度升高。

3種控水處理中共同的優(yōu)勢(shì)菌綱(>10%)為厭氧繩菌綱(11.70%~18.26%)、β-變形菌綱(7.02%~16.62%)和δ-變形菌綱(6.38%~12.73%)。土壤深度5 cm處, S05控水處理中厭氧繩菌綱的相對(duì)豐度為17.63%, 高于S10控水處理(12.11%); β-變形菌綱、δ-變形菌綱則在S05控水處理中相對(duì)豐度較低, S10、S15控水處理間差異不大。土壤深度10 cm處, S15控水處理中厭氧繩菌綱的相對(duì)豐度高于S05、S10控水處理; β-變形菌綱的相對(duì)豐度隨著控水處理深度的增加不斷下降, CK處理中相對(duì)豐度為11.84%, 0~15 cm控水處理相對(duì)豐度下降至7.02%; δ-變形菌綱相對(duì)豐度則在各處理間變幅不大。土壤深度15 cm處, 厭氧繩菌綱相對(duì)豐度在CK處理和S15控水處理中較高, 與S15 控水處理相比, S05控水處理相對(duì)豐度降低1.89%, S10控水處理相對(duì)豐度降低4.35%。說(shuō)明隨著控水深度的增加, 各個(gè)優(yōu)勢(shì)菌綱的平均相對(duì)豐度均出現(xiàn)不同程度的變化。

3 討論

研究表明, 水稻中后期干濕交替管理過(guò)程中, 土壤水勢(shì)是重要的復(fù)水依據(jù)。付景等[17]研究發(fā)現(xiàn), 輕干濕交替灌溉(土壤深度15~20 cm處水勢(shì)為0~-15 kPa), 提高了水稻結(jié)實(shí)率和粒重; 而重干濕交替灌溉(15~20 cm土壤深度處水勢(shì)為0~-30 kPa)則降低了水稻的結(jié)實(shí)率和粒重。筆者前期的研究結(jié)果表明, 以土壤水勢(shì)-25 kPa作為水稻后期灌水依據(jù), 黏土水勢(shì)的監(jiān)測(cè)深度宜為15 cm, 壤土則宜為5 cm[7]。水分不僅是微生物原生質(zhì)的重要組成部分, 也是土壤酶作用的介質(zhì)[18]。壤土條件下, 0~5 cm控水處理下土壤脲酶和磷酸酶活性均高于0~10 cm和0~15 cm控水處理[7]。本研究從土壤微生物角度出發(fā), 發(fā)現(xiàn)S05控水處理有利于土壤細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖, 控水深度增加引起細(xì)菌數(shù)量下降, 特別是S15控水處理, 對(duì)土壤細(xì)菌的生長(zhǎng)抑制作用最大?？厮幚碓谝欢ǔ潭壬弦步档土送寥勒婢约胺啪€(xiàn)菌數(shù)目。因此, S05控水處理有助于壤質(zhì)水稻土微生物的繁殖增長(zhǎng), 可能是由于不同控水處理下土壤水勢(shì)發(fā)生變化, 改變了稻田土壤的氧氣狀況所致[19]。

圖4 不同深度土壤控水處理中5 cm、10 cm和15 cm土層樣品的稀釋曲線(xiàn)(各曲線(xiàn)表示在97%的相似性上的總OTUs數(shù))

S后前兩位數(shù)值代表控水深度, 后兩位數(shù)值代表土壤取樣深度。In the legends, the first two numbers after “S” represent the depth of water controlling, and the latter two numbers represent the depth of soil sampled.

圖5 不同深度土壤控水處理中土壤細(xì)菌前10大門(mén)的相對(duì)豐度

S后前兩位數(shù)值代表控水深度, 后兩位數(shù)值代表土壤取樣深度。For the water treatments, the first two numbers after “S” represent the depth of water controlling, and the latter two numbers represent the depth of soil sampled.

圖6 不同深度土壤控水處理中土壤細(xì)菌在綱水平 (豐度高于2%)上的分布

S后前兩位數(shù)值代表控水深度, 后兩位數(shù)值代表土壤取樣深度。For the water treatments, the first two numbers after “S” represent the depth of water controlling, and the latter two numbers represent the depth of soil sampled.

前人研究表明, 相同保存條件下, 對(duì)比控水和淹水水稻土微生物活性和群落結(jié)構(gòu), 無(wú)論是Shannon指數(shù), 還是Chao指數(shù)或Simpson指數(shù), 淹水土壤的微生物多樣性高于控水處理(60%土壤持水量)[20]。同時(shí), 侯海軍等[21]從DNA和RNA水平對(duì)長(zhǎng)期淹水和間歇灌溉稻田土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn), 水分管理方式對(duì)稻田土壤細(xì)菌豐度和群落結(jié)構(gòu)影響顯著; 相較于長(zhǎng)期淹水, 間歇灌溉可提高稻田土壤細(xì)菌的多樣性, 本試驗(yàn)的研究結(jié)果與其一致。本研究還發(fā)現(xiàn), 對(duì)比不同土層深度, 各控水處理與淹水處理間土壤微生物多樣性也存在差異。同一土壤深度進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn), 5 cm土壤深度中土壤微生物多樣性只有S10控水處理優(yōu)于淹水處理, 而中(10 cm)、下(15 cm)土層深度中3種控水處理土壤細(xì)菌多樣性均高于淹水處理, 且S05控水處理10 cm、15 cm處土壤細(xì)菌多樣性最好。因此, 控水處理主要是有利于改善壤質(zhì)水稻土中、下層土壤細(xì)菌群落的多樣性。

細(xì)菌的變形菌門(mén)、厚壁菌門(mén)、綠彎菌門(mén)、擬桿菌門(mén)等是厭氧污泥中經(jīng)常被檢測(cè)到的類(lèi)群[22]。與大多數(shù)農(nóng)田土壤相似[23-24], 本研究中門(mén)水平的土壤細(xì)菌以變形菌門(mén)、綠彎菌門(mén)、酸桿菌門(mén)、擬桿菌門(mén)為主, 四者含量約占總測(cè)序序列的80.3%, 其中變形菌豐度最高(38.2%)。變形菌門(mén)是細(xì)菌中最大的門(mén), 其中的許多類(lèi)群可以進(jìn)行固氮作用, 并能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境[25-26]。綠彎菌門(mén)和酸桿菌門(mén)分別占總測(cè)序序列的20.5%和11.7%。綠彎菌是一類(lèi)通過(guò)光合作用, 以CO2為碳源產(chǎn)生能量的細(xì)菌, 能在有效養(yǎng)分較低的條件下轉(zhuǎn)化難降解的碳。酸桿菌門(mén)廣泛存在于土壤中, 底泥中的酸桿菌門(mén)可參與腐殖質(zhì)分解的碳循環(huán)過(guò)程。因此, 土壤不同深度水勢(shì)的變化將影響到由這些微生物參與的稻田土壤碳素循環(huán)過(guò)程。

微生物對(duì)外界環(huán)境變化非常敏感, 土壤微生物優(yōu)勢(shì)群落量越多, 其多樣性指數(shù)越高[27]。劉振香[28]以氮高效率型玉米()品種‘ZN99’為材料, 發(fā)現(xiàn)水肥措施主要影響優(yōu)勢(shì)菌在群落中的相對(duì)豐度, 并不影響這些優(yōu)勢(shì)菌的種類(lèi)。本試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn), 相較于長(zhǎng)期淹水, 控水處理土壤微生物群落優(yōu)勢(shì)菌種類(lèi)相差不大, 但是相對(duì)豐度發(fā)生了變化。α-變形桿菌綱、β-變形菌、δ-變形菌綱、γ-變形菌綱、厭氧繩菌綱在各個(gè)樣品中皆有分布, 屬于革蘭氏陰性菌, 且含量較高, 說(shuō)明該壤質(zhì)稻田土根際周?chē)菀赘患锾m氏陰性菌, 有利于對(duì)土壤中腐殖質(zhì)進(jìn)行生物降解。細(xì)菌群落中厭氧繩菌綱豐度最高, 且淹水土壤中富集的厭氧繩菌綱高于控水土壤, 說(shuō)明壤土控水后, 不利于厭氧細(xì)菌的生長(zhǎng)。前人研究還發(fā)現(xiàn)[21], 水分脅迫會(huì)導(dǎo)致土壤細(xì)菌豐度或群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化, 水分管理制度的差異也會(huì)導(dǎo)致稻田土壤氧化還原電位、pH、土壤無(wú)機(jī)氮含量、土壤微生物量碳含量、土壤微生物量氮含量、可溶性有機(jī)氮含量、可溶性有機(jī)碳含量等的變化, 這些因素也是造成土壤細(xì)菌豐度和群落結(jié)構(gòu)變化的重要原因。因此, 壤土條件下不同控水深度對(duì)土壤細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)無(wú)明顯影響, 主要影響了土壤細(xì)菌群落的相對(duì)豐度。本試驗(yàn)也為進(jìn)一步研究不同控水條件下稻田土壤微生物多樣性與水稻生長(zhǎng)及產(chǎn)量之間的關(guān)系打下基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

水稻生育中后期, 不同深度土壤控水對(duì)壤土土壤5 cm、10 cm、15 cm深度的水勢(shì)、微生物區(qū)系存在影響, 相較于保持水層處理, 壤土0~5 cm(S05)控水處理有助于提高土壤細(xì)菌數(shù)量, 改善中下層(10 cm和15 cm)土壤細(xì)菌多樣性; 同時(shí), 控水處理不會(huì)改變各相應(yīng)土層深度土壤細(xì)菌優(yōu)勢(shì)菌種類(lèi), 只是其相對(duì)豐度發(fā)生了變化。

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Influence of water controlling depth on soil microflora and bacterial community diversity in paddy soil*

ZHANG Jing, KE Wenjing, LIU Juan, WANG Liuhang, CHEN Hao, PENG Ting, ZHAO Quanzhi**

(College of Agronomy, Henan Agricultural University / Collaborative Innovation Center of Henan Grain Crops / Key Laboratory of Rice Biology in Henan Province, Zhengzhou 450046, China)

Soil water potential as one of the main indexes of irrigation during alternation of wetting and drying process, has been widely applied in rice production and scientific research. To investigate the influence of soil water potential on soil micoflora and bacterial community diversity, 3 treatments of soil water controlling depth [0-5 cm (S05), 0-10 cm (S10) and 0-15 cm (S15)] were set in a pool-culture experiment. Dilution-plate method and the technology of high-throughput sequencing on Illumina Miseq platform were used to detect the numbers of fungi, bacteria and actinomycetes, and bacterial community structure and diversity under different treatments (CK, keeping 2 cm surface water layer). The results showed that soil water potential decreased with the increase of water controlling depth. The treatment of S05 mainly affected soil water potential of the upper soil layer (5 cm), while the treatment of S10 affected soil water potential of the top and middle soil layer (5 cm and 10 cm). Soil water potential of S15 treatment enhanced with the increase of soil layer depth. Soil bacteria number at the upper layer (5 cm) under S05 treatment was higher than that under S10 and S15 treatments at 8 and 32 days after rice flowering, while that at the middle and lower soil layer (10 cm and 15 cm) under S05 treatment was higher than that under S15 treatments at 16-24 days after rice flowering. Soil water potential was significantly correlated with soil bacterial number at the late period of rice growth. The bacterial community structure was profiled by sequencing the V4 16S rDNA gene. A total of 1 124 229 sequences were obtained, and 9 020 OTUs (Operational Taxonomic Units) were generated at 3% cutoff level. The richness (Chao index) of bacterial community at the 10 cm and 15 cm soil layers under S05 treatment were significantly higher than that under S15 and CK treatments. The diversity of bacterial community (Shannon index) in 5 cm soil layer was lowest under S05 treatment. The dominant bacteria phylums were Proteobacteria, Chloroflexi, Acidobacteria, and Bacteroidetes, whose relative abundance were more than 80%. The relative abundance of Proteobacteria of the 10 cm soil under S15 treatment was less than that under S05 and S10 treatments. Fifteen predominant classes (relative abundance > 2%) were found in these samples, in which the total relative abundance of Alphaproteobacteria, Betaproteobacteria, Deltaproteobacteria, and Anaerolineae was above 47%. Anaerolineae was the most abundant class. The relative abundance of Betaproteobacteria in 5 cm soil layer under S05 treatment was less than that under S10 and S15 treatments. Therefore, water controlling depth in loam influenced soil water potential and soil microbial number, and then affected the diversity and abundance of bacterial community. The water controlling depth of 0-5 cm in loam was helpful to improve the soil bacterial number and diversity at the 10 cm and 15 cm soil layers.

Paddy soil; Water controlling depth; Soil water potential; Soil microflora; Soil bacterial community

, E-mail: qzzhaoh@126.com

Apr. 12, 2018;

Sep. 7, 2018

S511; S275

A

2096-6237(2019)02-0277-09

10.13930/j.cnki.cjea.180373

* 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31271651)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0300505, 2016YFD0300900)、河南省水稻產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系(S2012-04-G02)和公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專(zhuān)項(xiàng)(201303102)資助

趙全志, 主要研究方向?yàn)樗旧砩鷳B(tài)。E-mail: qzzhaoh@126.com

張靜, 主要研究方向?yàn)樗旧砩鷳B(tài)。E-mail: zhjing98@126.com

2018-04-12

2018-09-07

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31271651), the National Key Research and Development Project of China (2016YFD0300505, 2016YFD0300900), the Industrial Technology System of Rice of Henan Province (S2012-04-G02), and the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest of China (201303102).

張靜, 可文靜, 劉娟, 王留行, 陳浩, 彭廷, 趙全志. 不同深度土壤控水對(duì)稻田土壤微生物區(qū)系及細(xì)菌群落多樣性的影響[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2019, 27(2): 277-285

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