孟利芳,姚曉翠,但 瑤,許 興,郭慶茹,李 欣,毛桂蓮*
(1.寧夏大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,寧夏 銀川 750021;2.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院,寧夏 銀川 750021;3.農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心,寧夏 石嘴山 753600;4.農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)中心,寧夏 石嘴山 753000)
土壤鹽堿化是限制作物生長(zhǎng)發(fā)育的世界性難題[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì),全世界受鹽害影響的土地占世界總陸地面積的7%左右。我國(guó)作為世界第三大鹽堿地分布地區(qū),現(xiàn)有鹽堿地面積已經(jīng)超過1×108hm2[2]。土壤微生物作為“植物-土壤-微生物”有機(jī)系統(tǒng)中的重要組分[3],其群落結(jié)構(gòu)多樣性易受鹽堿化的影響[4]。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),鹽漬化會(huì)造成土壤微生物增殖受限、數(shù)量驟減,土壤中脲酶、蔗糖酶等酶活性和呼吸強(qiáng)度亦大幅降低[5-6]。因此,研究鹽堿地作物根際微生物多樣性對(duì)于鹽堿地的改良利用具有極其重要的理論及實(shí)踐意義。
植物生長(zhǎng)過程中的施肥模式對(duì)土壤微生物數(shù)量、微生物多樣性及其群落結(jié)構(gòu)具有重要影響。已有研究表明,與不施肥相比,任一形式的施肥均能改變土壤微生物數(shù)量,且長(zhǎng)期單一施肥甚至對(duì)微生物多樣性產(chǎn)生負(fù)面影響[7]。因此,如何正確選擇施肥模式在土地生產(chǎn)力提升和農(nóng)業(yè)資源高效利用過程中至關(guān)重要。近年來,控釋肥作為一種利用包膜技術(shù)來控制養(yǎng)分釋放的新型肥料,具有提高肥料利用效率、保障作物生長(zhǎng)發(fā)育和節(jié)約生產(chǎn)勞動(dòng)力等優(yōu)勢(shì),已經(jīng)在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中得到廣泛應(yīng)用[8]。目前,控釋肥對(duì)作物根際微生物多樣性影響的研究主要集中在小麥(TriticumaestivumL.)[9]、大豆(Glycinemax)[10]和玉米(ZeamaysL.)[11]等作物方面。但有關(guān)控釋肥對(duì)鹽堿地飼草根際微生物多樣性的研究鮮有報(bào)道。
飼用燕麥(AvenasativaL.)是禾本科、燕麥屬的一年生草本植物,因其優(yōu)良的耐鹽、耐寒、耐旱性能以及極高的飼用價(jià)值,被認(rèn)為是我國(guó)西北地區(qū)的優(yōu)質(zhì)草食動(dòng)物飼料和優(yōu)良種質(zhì)資源[12]。有關(guān)飼用燕麥?zhǔn)┓实难芯枯^多,但控釋肥對(duì)鹽堿地飼用燕麥根際微生物的影響的研究少之又少。鑒于此,本研究以鹽堿地飼用燕麥根際土壤為試驗(yàn)對(duì)象,對(duì)不施肥、施常規(guī)肥和施控釋肥3種施肥模式下飼用燕麥根際土壤細(xì)菌和真菌的菌群結(jié)構(gòu)、土壤理化性質(zhì)及二者關(guān)系進(jìn)行探究,以期為鹽堿地飼用燕麥的高效施肥模式篩選提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。
試驗(yàn)地位于寧夏平羅縣高莊鄉(xiāng)惠威村(東經(jīng)106°54′,北緯38°96′),海拔約1 104 m,地勢(shì)較為平坦,全年光照約3 008 h。該試驗(yàn)地由于降雨少、風(fēng)沙大而引起的干旱氣候?qū)е缕淠暾舭l(fā)量約為降水量的10倍左右。該試驗(yàn)區(qū)是典型的鹽堿土,土壤類型為白僵土,土質(zhì)黏重。土壤本底值為:pH值為8.6,全鹽含量為3.18 g·kg-1,有機(jī)質(zhì)含量為17.28 g·kg-1,全磷含量為0.69 g·kg-1,堿解氮含量為79.33 mg·kg-1,速效磷含量為11.43 mg·kg-1,速效鉀含量為135.53 mg·kg-1。
試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)(表1)。飼用燕麥于2022年3月6日播種,每個(gè)小區(qū)面積8 m×11 m,每個(gè)處理重復(fù)3次,共9個(gè)小區(qū)。對(duì)種植的飼用燕麥進(jìn)行3種施肥處理方式,對(duì)照組均不施肥;處理組T1施常規(guī)肥(N∶P2O5∶K2O為10∶12∶5);處理組T2施控釋肥(N∶P2O5∶K2O為10∶12∶5)。播種前控釋肥1次性基施,常規(guī)肥分基施和追施(兩次)。待燕麥蠟熟期采集根際土樣。采用分點(diǎn)取樣法,挖取燕麥植株,晃動(dòng)震落燕麥根部松散的土壤后,用無(wú)菌毛刷將飼用燕麥根部表面厚度約5 mm的土壤輕輕刷入無(wú)菌自封袋中,同一小區(qū)內(nèi)按對(duì)角線取樣,每種施肥方式處理設(shè)置3個(gè)重復(fù),共9份土壤樣品。將采集好的土壤樣品置于冰中運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室,經(jīng)液氮速凍后,送至美吉生物科技有限公司進(jìn)行測(cè)序。
表1 試驗(yàn)處理Table 1 Fertilization treatments
土壤pH值和全鹽含量分別使用pH計(jì)和電導(dǎo)率儀進(jìn)行測(cè)定;有機(jī)質(zhì)含量采用K2Cr2O7氧化外加熱法進(jìn)行測(cè)定;全磷含量采用NaOH熔融法進(jìn)行測(cè)定;堿解氮含量采用堿解-擴(kuò)散法原理進(jìn)行測(cè)定;速效磷采用NaHCO3浸提分光光度計(jì)法進(jìn)行測(cè)定;速效鉀含量則采用CH3COONH火焰光度計(jì)法進(jìn)行測(cè)定[13]。
1.4.1土壤微生物總DNA提取 對(duì)基因組DNA抽提后,利用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)抽提的基因DNA。
1.4.2PCR擴(kuò)增 利用2%瓊脂糖凝膠電泳對(duì)同一樣本的PCR混合產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè),將PCR產(chǎn)物使用AXYGEN公司的AxyPrepDNA凝膠回收試劑盒切膠回收,使用Tris-HCl洗脫后再用2%瓊脂糖電泳檢測(cè)回收。Miseq文庫(kù)采用TruSeqTM DNA Sample Prep Kit進(jìn)行構(gòu)建。細(xì)菌擴(kuò)增的引物序列338F為5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′;806R為5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′。真菌的擴(kuò)增引物序列ITS1F為5′-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA-3′;ITS2R為5′-GCTGCGTTCTTCATCGATGC-3′。
1.4.3高通量測(cè)序與數(shù)據(jù)處理 根據(jù)overlap關(guān)系首先對(duì)Miseq測(cè)序得到的PE reads進(jìn)行拼接,然后對(duì)獲得的序列過濾并進(jìn)行質(zhì)量控制。在區(qū)分樣本的基礎(chǔ)上進(jìn)行物種分類學(xué)分析、操作性分類單元(Operational taxonomic unit,OTU)聚類分析和多樣性指數(shù)分析、群落結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)分析等。在上述分析的基礎(chǔ)上,還進(jìn)行多樣本的群落組成和土壤理化性質(zhì)的多元分析等一系列深入的統(tǒng)計(jì)學(xué)和可視化分析。
使用SPSS 26.0和Origin 2018軟件對(duì)土壤理化性質(zhì)等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析;細(xì)菌和真菌群落的α、β多樣性指數(shù)運(yùn)用PICRUSt 1.1.0和Qiime 1.9.1軟件進(jìn)行計(jì)算;細(xì)菌和真菌基因序列的Venn圖運(yùn)用R軟件繪制;土壤理化性質(zhì)與微生物群落組成的冗余分析使用CANOCO 5.0軟件進(jìn)行分析。
如表2所示,取樣點(diǎn)的根際土壤均呈堿性,與不施肥相比,施常規(guī)肥與控釋肥的土壤pH值和全鹽含量均呈降低趨勢(shì),施控釋肥后土壤pH下降至8.13,與不施肥相比下降了0.41;施控釋肥后土壤全鹽含量下降至1.88 g·kg-1,與不施肥處理差異顯著(P<0.05),下降了1.19 g·kg-1。相較于不施肥處理,施肥后土壤養(yǎng)分中的有機(jī)質(zhì)含量、速效磷含量、速效鉀含量和堿解氮含量均呈上升趨勢(shì),且除有機(jī)質(zhì)外含量外其它養(yǎng)分含量在施常規(guī)肥時(shí)的增長(zhǎng)效果優(yōu)于施控釋肥。
表2 不同施肥處理后的土壤理化性質(zhì)Table 2 Soil physicochemical properties after different fertilization treatments
2.2.1土壤樣品測(cè)序結(jié)果及深度評(píng)估 對(duì)不施肥、施常規(guī)肥和施控釋肥的3個(gè)處理組(每個(gè)處理3個(gè)重復(fù))的9個(gè)土壤樣品進(jìn)行測(cè)序,結(jié)果如表3所示。在優(yōu)化過濾低質(zhì)量序列后細(xì)菌的16S rRNA基因片段共獲得了516 318條優(yōu)化序列,其中平均序列長(zhǎng)度為415 bp。真菌ITS1測(cè)序后共獲得了712 696條優(yōu)化序列,其中平均序列長(zhǎng)度為237 bp。
表3 土壤微生物測(cè)序結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of soil microbes sequencing analysis
2.2.2土壤微生物Alpha多樣性指數(shù)分析 Alpha多樣性指數(shù)是一種用于衡量細(xì)菌或真菌群落內(nèi)物種在相同環(huán)境下相互競(jìng)爭(zhēng)或共生的物種多樣性指標(biāo),其主要體現(xiàn)的是群落內(nèi)物種的相對(duì)豐度[14]。表4為不施肥、施常規(guī)肥和施控釋肥3種施肥模式對(duì)鹽堿地飼用燕麥土壤微生物細(xì)菌與真菌Alpha多樣性指數(shù)的影響。從表4中可以看出,T1和T2處理的Ace指數(shù)、Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)和覆蓋度均高于對(duì)照組,且T2處理組的Alpha多樣性指數(shù)高于T1處理組。說明施肥均增加了細(xì)菌和真菌群落的豐富度及多樣性且控釋肥的促進(jìn)作用更顯著。
表4 土壤細(xì)菌和真菌Alpha多樣性指數(shù)分析Table 4 Analysis on alpha diversity indexes of soil bacteria and fungi
2.2.3土壤微生物Beta多樣性分析 圖1是對(duì)3種施肥模式下土壤細(xì)菌、真菌OTU組成進(jìn)行Beta多樣性的主成分分析,由圖1A可知,不施肥的空白對(duì)照與施常規(guī)肥和控釋肥的處理之間距離較遠(yuǎn),說明土壤細(xì)菌OTU組成在施肥和不施肥處理間群落結(jié)構(gòu)組成差異較大。圖1B為真菌的群落組成主成分分析,PCA1為48.84%,PCA2為29.85%,分別解釋了真菌群落的差異及變化??梢钥闯鯟K,T1和T2三種施肥處理間距離較近,說明3種施肥模式處理下的土壤真菌群落結(jié)構(gòu)之間差異較小。
圖1 土壤細(xì)菌、真菌群落的主成分分析Fig.1 PCA analysis on soil bacterial and fungal communities
圖2A和2B表明,3種處理共有的細(xì)菌OTUs數(shù)量為1 969,CK-T1,CK-T2,T1-T2特有的OTUs數(shù)量分別為125,138,196。3種施肥處理共有的真菌OTUs數(shù)量為334,CK-T1,CK-T2,T1-T2特有的OTUs數(shù)量分別為40,56,96??梢?細(xì)菌和真菌的OTU數(shù)量皆為施控釋肥時(shí)最多。
在3種施肥處理方式下根圍土壤細(xì)菌門水平的優(yōu)勢(shì)菌群包括放線菌門(Actinobacteria)、變形桿菌門(Proteobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)、擬桿菌門(Bacteroidota)、酸桿菌門(Acidobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)、粘菌門(Myxococcota)、芽單胞菌門(Gemmatimonadota)、疣微菌門(Verrucomicrobiota)和髕骨細(xì)菌門(Patescibacteria)等10個(gè)門(圖2C)。在所有樣品中放線菌門的相對(duì)豐度最高,放線菌門的豐度平均值在3種施肥模式處理下分別為31.18%,33.92%,32.34%。與不施肥的對(duì)照相比,施常規(guī)肥和施控釋肥下的放線菌門等優(yōu)勢(shì)菌群均有所變化,但在處理間差異不顯著。土壤真菌門水平的群落在3種施肥處理方式下燕麥根系周圍優(yōu)勢(shì)菌群包括子囊菌門(Ascomycota)、擔(dān)子菌門(Basidiomycota)、被孢霉門(Mortierellomycota)、壺菌門(Chytridiomycota)和一部分未知真菌(圖2D)。其中子囊菌門(Ascomycota)的豐度最高,其豐度平均值在3種施肥處理下分別為92.33%,93.24%和93.29%。與不施肥的對(duì)照相比,施常規(guī)肥和施控釋肥下?lián)泳T相對(duì)豐度呈下降趨勢(shì),子囊菌門和其它優(yōu)勢(shì)菌群的相對(duì)豐度均呈上升趨勢(shì)。
圖2E和2F是將相對(duì)豐度前20的細(xì)菌和真菌菌屬進(jìn)行Heatmap圖繪制。相對(duì)豐度由低到高使用色塊由藍(lán)到紅表示。由圖2E可知,相較于對(duì)照組,施肥處理均降低了污物假節(jié)桿菌屬(Pseudarthrobacter)和游動(dòng)球菌屬(Planomicrobium)的相對(duì)豐度。由圖2F可知,相較于對(duì)照組,施肥處理增加了鬼傘屬(Coprinopsis)、新赤殼屬(Neocosmospora)和被孢霉屬(Mortierella)等的相對(duì)豐度,且降低了維希尼克氏酵母屬(Vishniacozyma)、小鐮孢屬(Fusariella)和枝孢屬(Cladosporium)等的相對(duì)豐度。
圖3為種植飼用燕麥的鹽堿地的土壤理化性質(zhì)與細(xì)菌、真菌門水平豐度的冗余分析。如圖3A所示,第一軸對(duì)土壤細(xì)菌變化的解釋為36.28%,第二軸對(duì)土壤細(xì)菌變化的解釋為20.93%,兩者解釋了土壤細(xì)菌群落組成57.21%的變異。在對(duì)細(xì)菌相關(guān)性分析中,pH值、全鹽含量與放線菌門和變形桿菌門相對(duì)豐度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。圖3B中,第一軸和第二軸對(duì)真菌變化的解釋率分別為44.48%和28.78%。子囊菌門、被孢霉門和未知真菌相對(duì)豐度與pH值和全鹽含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。從土壤養(yǎng)分與微生物群落結(jié)構(gòu)相關(guān)性來看,門水平的優(yōu)勢(shì)菌門相對(duì)豐度與其它土壤養(yǎng)分含量均呈正相關(guān)關(guān)系,其中全磷含量與優(yōu)勢(shì)菌群相對(duì)豐度相關(guān)性最高。
圖2 土壤細(xì)菌和真菌的群落組成分析Fig.2 Analysis of the community composition of soil bacteria and fungi注:A.土壤細(xì)菌的OTU維恩圖;B.土壤真菌的OTU維恩圖;C.門水平下土壤細(xì)菌群落的組成及豐度;D.門水平下土壤真菌群落的組成及豐度;E.土壤細(xì)菌群落組成熱圖,圖中未注釋的norank_f__指在屬分類學(xué)水平上沒有明確的分類信息或分類名稱;F.土壤真菌群落組成熱圖Note:Panel A displays the OTU diagram venn of bacteria in soil;Panel B the OTU diagram venn of fungi in soil;Panel C the relative abundance of bacteria phyla in soil;Panel D the relative abundance of fungi phyla in soil;Panel E the heat map of soil bacterial composition,within which the unannotated norank_f__ refers to the absence of clear taxonomic information or taxonomic names at the generic taxonomic level;Panel F the heat map of soil fungal composition
根際是土壤微生物的特殊生存環(huán)境。在鹽漬化逆境下,植物可通過根際效應(yīng)提高微生物活性從而活化土壤養(yǎng)分,增強(qiáng)其抵抗鹽堿脅迫的能力[15]。植物根際土壤中存在的細(xì)菌、真菌等微生物不但能夠參與有機(jī)質(zhì)降解和養(yǎng)分交換,還能夠儲(chǔ)備氮、磷等養(yǎng)分,起調(diào)控養(yǎng)分的作用[16]。施肥對(duì)植物根際土壤微生物數(shù)量與種類有一定的影響,施用不同類型的肥料會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響[17]??蒯尫首鳛樾滦蛷?fù)合肥料,可以根據(jù)釋放時(shí)間、釋放方式和作物吸收養(yǎng)分規(guī)律來調(diào)控養(yǎng)分的釋放,滿足了作物不同時(shí)期生長(zhǎng)對(duì)養(yǎng)分的需求,增加了肥料的利用率[18]。本研究通過對(duì)不施肥、施常規(guī)肥和控釋肥處理下的鹽堿地飼用燕麥根際土壤微生物進(jìn)行微生物物種的檢測(cè),結(jié)果發(fā)現(xiàn)與不施肥處理下的土壤微生物物種相比較,施肥會(huì)在一定程度上增加鹽堿地飼用燕麥土壤細(xì)菌和真菌的OTU數(shù)量,這與唐海明等[19]、劉晶鑫等[20]報(bào)道的關(guān)于施肥顯著改變了0~20 cm土壤微生物的豐富度和多樣性研究結(jié)果一致。施肥也為微生物提供了充足的能源與養(yǎng)分,本研究中細(xì)菌在土壤中的作用高于真菌。這是因?yàn)榧?xì)菌具有快速生長(zhǎng)的能力,適應(yīng)能力強(qiáng)[21]。本研究發(fā)現(xiàn)施控釋肥后的細(xì)菌和真菌OTU數(shù)量?jī)?yōu)于施常規(guī)肥,這可能是由于控釋肥養(yǎng)分釋放的長(zhǎng)期效應(yīng)促進(jìn)飼用燕麥地上部分的生長(zhǎng),進(jìn)而增加了外源碳的輸入,由此增加了土壤微生物OTU數(shù)量。
對(duì)不同施肥處理下的鹽堿地飼用燕麥根際土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)及組成進(jìn)行研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),土壤細(xì)菌中,放線菌門在施肥處理中的相對(duì)豐度較高,是鹽堿地飼用燕麥土壤中優(yōu)勢(shì)菌群,但在施肥處理下厚壁菌門的相對(duì)豐度顯著低于不施肥處理的對(duì)照組,施控釋肥處理下土壤中子囊菌門的相對(duì)豐度較高。在土壤真菌中,子囊菌門是優(yōu)勢(shì)菌門,多為腐生菌,是土壤中主要的真菌分解者,對(duì)降解土壤有機(jī)質(zhì)起著重要作用[22],說明常規(guī)肥和緩釋肥在一定程度上改變了土壤微生物的多樣性、菌群的相對(duì)豐度。但鹽堿地土壤微生物群落組成不僅僅只受到施肥模式的影響,還受到耕作方式、施肥量和作物類型等多種因素的共同作用,影響因素復(fù)雜,有待進(jìn)一步研究。
土壤鹽堿化嚴(yán)重影響了土壤微生物的組成,研究發(fā)現(xiàn)鹽堿地的土壤微生物多樣性隨著鹽濃度的增加呈線性下降,高鹽會(huì)致多樣性降低[28]。土壤微生物多樣性能預(yù)測(cè)土壤質(zhì)量的變化,是土壤質(zhì)量變化最敏感的指標(biāo),也是土壤健康的決定因素[29]。土壤微生物的種類受土壤養(yǎng)分含量和pH值的共同作用[30]。本研究中對(duì)pH值、全鹽含量和土壤養(yǎng)分與細(xì)菌、真菌的群落組成進(jìn)行相關(guān)性分析,通過pH值和全鹽含量相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)pH值和全鹽含量與優(yōu)勢(shì)菌群相對(duì)豐度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。說明pH值越高,土壤微生物中的優(yōu)勢(shì)菌群相對(duì)豐度會(huì)呈下降趨勢(shì),從而影響植物生長(zhǎng)。與土壤養(yǎng)分相關(guān)性分析中研究發(fā)現(xiàn)土壤全磷、堿解氮和速效鉀含量對(duì)細(xì)菌和真菌群落組成影響較大,其中全磷含量對(duì)細(xì)菌和真菌群落組成相對(duì)豐度的相關(guān)性影響顯著,而速效磷對(duì)其影響不顯著。全磷是土壤中磷元素的總貯量,速效磷是土壤中能被植物吸收利用的磷[31],所以施肥使土壤中磷濃度增加,但增加的磷元素是不是影響土壤微生物的主要因素還有待進(jìn)一步研究。堿解氮和速效鉀含量對(duì)細(xì)菌和真菌群落組成影響較大的原因可能為施肥導(dǎo)致土壤中氮元素和鉀元素的增加,土壤中的氮元素會(huì)被微生物吸收利用后合成生物大分子參與重要的生理作用,而鉀元素會(huì)促進(jìn)微生物對(duì)鉀的釋放從而提供作物可吸收的有效鉀養(yǎng)分[32]。
常規(guī)肥和控釋肥施入后均降低了土壤pH值和全鹽含量,增加了堿解氮和速效鉀等土壤養(yǎng)分的含量以及飼用燕麥根際土壤微生物細(xì)菌和真菌的OTU數(shù)量和群落的豐富度,不同施肥模式下群落的組成中優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門類均為放線菌門和變形桿菌門,優(yōu)勢(shì)真菌門均為子囊菌門和擔(dān)子菌門。相關(guān)性分析顯示,細(xì)菌與真菌中的優(yōu)勢(shì)菌群相對(duì)豐度與pH值、全鹽含量均呈負(fù)相關(guān),且微生物群落多樣性受土壤養(yǎng)分的影響顯著。說明施肥提高了根際微生物群落多樣性,使土壤微生物群落組成向有益微生物菌群增加方向轉(zhuǎn)變,其中控釋肥對(duì)提高根際微生物多樣性的效果更佳。