泥石流灘地引洪淤地改造后種植玉米對土壤細菌群落結構特征的影響

王 謝, 劉 勤, 劉永紅, 李 芹, 李 明, 陳冠陶,閆洋洋, 唐 甜, 張建華

(1. 四川省農業(yè)科學院農業(yè)資源與環(huán)境研究所/農業(yè)農村部西南山地農業(yè)環(huán)境重點實驗室,成都 610066;2. 中國科學院、水利部成都山地災害與環(huán)境研究所,成都 610299;3. 四川省農業(yè)科學院,成都 610066)

【研究意義】泥石流灘地是泥石流暴發(fā)后形成的泥石流堆積物,也是山區(qū)一種特殊的土地資源。在條件允許和需要的情況下,泥石流灘地值得開發(fā)利用,可為生態(tài)建設提供有效的緩沖空間,成為山區(qū)破解耕地保護和發(fā)展保障難題的有效途徑之一[1]。我國山區(qū)眾多,泥石流廣泛分布于我國各大山區(qū)。特別在我國西南山區(qū),泥石流分布尤為廣泛。泥石流灘地主要分布于流域內地勢平緩、海拔高度相對較低的區(qū)域,具有地勢平坦、灌溉便利、光照充足、熱量豐富等優(yōu)點,其生產潛力較高、開發(fā)前景較大[2]?！厩叭搜芯窟M展】近年來對泥石流灘地的研究引起了國內外學者的廣泛關注,對國內尤其是云南小江流域蔣家溝泥石流灘地的開發(fā)利用研究較多[3-4]。中國地學學者對泥石流灘地的研究起步較晚,20世紀80年代主要集中于泥石流灘地的風險判別與分析階段,研究灘地利用環(huán)境的安全性,后期分析和論證了灘地土壤性質及其作為耕地的生產潛力[5-7]。灘地演化一般經歷3個時期:初始形成期、發(fā)展期和成熟期(又稱穩(wěn)定期)[8],初始形成的未經改造的泥石流灘地,土壤層次結構不合理,物理結構性差,保水保肥能力極差,養(yǎng)分貧瘠,無法作為耕地利用。針對泥石流灘地礫石含量多,黏粒及粉砂粒含量低,土壤結構性和可耕性差等特點,主要有以下3個措施改良土壤:①耕種前人工撿出石塊,增加土壤的易耕性,改善土壤組成結構。②整地以后,從附近搬運熟土進行客土改良,增加壤質土成分,形成初步可耕作的土壤。③在汛期降雨后,利用溝道水流中挾帶的細顆粒泥沙和養(yǎng)分進行淤地改良,增加灘地的細顆粒成分,改良土壤結構,并補充養(yǎng)分。20世紀90年代,云南蔣家溝泥石流灘地經開發(fā)利用,增加耕地超280 hm2,水稻產量超1×104kg/hm2,人均糧食增加近7倍,極好地解決了溫飽問題[9]?？梢?泥石流灘地經過科學地改良、利用,具有巨大的生產潛力和經濟效益?！颈狙芯壳腥朦c】山區(qū)人民由于缺乏對泥石流灘開發(fā)利用的深刻認識,在灘地開發(fā)利用過程中,特別是作為農耕地的使用過程中,往往只是進行粗糙利用,缺乏科學的整地、改土以及培肥策略。目前,僅有少數(shù)學者對泥石流灘地改造利用過程中土壤理化性質、養(yǎng)分特征等做了初步探討,對指導灘地利用有一定價值,但缺乏系統(tǒng)深入的闡述。土壤微生物在根土界面種對土壤發(fā)育和作物生長都有重要影響。泥石流灘地改造后微生物的響應是深入揭示灘地土壤發(fā)育機理和生態(tài)系統(tǒng)元素循環(huán)的關鍵環(huán)節(jié),然而該部分研究近乎空白?！緮M解決的關鍵問題】本研究從泥石流灘地土壤微生物學的角度,通過客土、引洪漫淤的方式對泥石流灘地土壤進行改造后種植玉米,研究泥石流灘地土壤細菌群落結構的變化及內在機理,尋求提高泥石流灘地土壤耕性和生產潛力的改造方式,為泥石流灘地的開發(fā)利用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

四川涼山州喜德縣紅莫鎮(zhèn)桃源村泥石流灘地(102.28° E,28.11° N)海拔1844 m,該地氣溫年差較小,常年平均氣溫15.0 ℃,7月平均氣溫21.60 ℃,1月平均氣溫8.80 ℃,四季不分明,但氣溫日差較大。研究區(qū)降水集中在5—9月,占全年總降雨量73.9%;常年平均降雨量1006.10 mm,最高達1237.80 mm;1/6、1、6和24 h的最大暴雨量平均值分別為7.50、21.00、32.00和63.00 mm。

熱水河流域面積161.40 km2,河長36 km,比降67.3%,年平均流量2.46 m3/s。研究地所在泥石流灘地位于主河道熱水河左側,屬于老泥石流災害點。該泥石流災害點包括3條泥石流溝,分別為鄧家灣溝、楊灣溝和桃源溝,均為熱水河右岸的支溝。這3條支溝泥石流物源豐富,皆超過7×105m3,可能參與泥石流活動的動儲量近1×105m3,歷史上均曾發(fā)生多起大型泥石流。研究區(qū)所在泥石流灘地右岸主河道流量一般在1.82～5.40 m3/s,左岸小河溝流量,枯水期為干溝,豐水期流量可達2.00 m3/s以上。

研究區(qū)主要分布于新生界第四系地層,有沖積階地、沖洪積扇地、臺地,巖性以褐黃色、暗紫色粘質粉土、粘土和砂卵礫石層為主,地層厚2～120 m。主要土壤類型包括水稻土、黃壤、黃棕壤和紫色土。

1.2 試驗設計與樣品采集

2022年1月依據(jù)地形構建2塊面積超過667 m2的試驗地,其中667 m2試驗地,客土10 cm,所客土壤為周邊山地黃壤。2022年2月對灘地左側河溝進行建議的生態(tài)攔截,以保障2022年5月3日汛期發(fā)生時將大量泥沙帶入試驗地實現(xiàn)引洪漫淤效果。2022年5月10日破開生態(tài)攔截壩,試驗地漫淤泥石厚度為8～14 cm。利用日光曬土1周后播種夏玉米。

2022年8月10日在玉米生長旺盛期調查土壤細菌群落結構。在客土后引洪漫淤(用“TY”代表該處理,T表示客土,Y表示引洪漫淤)和僅引洪漫淤(用“SY”代表該處理,S表示不客土,Y表示引洪漫淤)土地上中隨機布設3個1 m×1 m的試驗小區(qū),按照5點法采集0～10 cm泥沙樣品,按照四分法混合取樣100 g,保存在4 ℃車載冰箱中帶回,送檢測定土壤細菌群落結構。此外,按照相同的布點方法和采樣方法采集周邊無改造的泥石流河灘地(用“SS”代表該原生生境)的土壤樣品作為對照。

1.3 土壤生物16S測序

稱取500 mg的樣品,放入2 mL無菌離心管中,加入PBS溶液(1X,pH 7.4),震蕩混勻,離心3 min后取沉淀物,利用E.Z.N.ATMMag-Bind Soil DNA Kit提取試劑盒(廠商:OMEGA,貨號:M5635-02)提取DNA。經電泳質檢后利用Qubit3.0 DNA檢測試劑盒(廠商:ThermoFisher,貨號:Q32854)對基因組DNA精確定量。使用帶Barcode的特異引物進行PCR擴增,擴增細菌16S rRNA基因的V3～V4區(qū)域。測序引物為16S V3～V4通用引物341F(序列CCTACGGGNGGCWGCAG)和805R(序列GACTA CHVGGGTATCTAATCC)[10]。純化擴增產物并制備序列文庫,然后用Qubit3.0熒光定量儀進行文庫濃度測定。最后利用Illumina MiseqTM/HiseqTM平臺進行高通量測序。測序下機數(shù)據(jù)依次按照序列質控、拼接、去除嵌合體、操作分類單元聚類、分類學注釋進行預處理,得到OTU數(shù)據(jù)集[11]。

1.4 統(tǒng)計與分析

為揭示不同處理間土壤OTU豐度的數(shù)值分布差異,對OTU的頻度計算并繪制密度圖。為揭示土壤細菌群落結構組成,在統(tǒng)計分析門水平上細菌結構的基礎上,利用隨機森林模型[12]預測各處理的關鍵OTU,并進行重要度排序。為揭示土壤細菌群落的alpha多樣性和beta多樣性特征[13],本研究基于R的{vegan}函數(shù)包計算群落豐度的發(fā)現(xiàn)物種數(shù)、ACE指數(shù)、Chao指數(shù)、香濃多樣性指數(shù)、辛普森指數(shù)、香濃-威爾均勻度指數(shù)、Goods-coverage指數(shù),以及玉米種植與否、引洪漫淤與否和客土與否對OTU豐度的方差解釋率。為揭示關鍵OTU在表征各處理之間的關系,利用聚類分析和三元分布結構圖進行展示。數(shù)據(jù)分析基于軟件R project 4.2.1。

2 結果與分析

2.1 土壤OTU豐度的密度分布情況

由圖1可知,各處理OTU豐度的數(shù)值分布密度均表現(xiàn)為偏正態(tài)分布。其中,無改造的泥石流河灘地(SS)的豐度眾數(shù)的數(shù)量級在千位水平,而僅引洪漫淤(SY)和客土后引洪漫淤(TY)的數(shù)量級在百位水平。并且,OTU豐度數(shù)值分布的眾數(shù)與中位數(shù)之間的偏離程度表現(xiàn)為SS明顯大于TY和SY,表明引洪漫淤后種植玉米對土壤細菌物種豐度的數(shù)量級影響較大;而TY和SY的偏離程度十分接近,表明兩者土壤細菌物種豐度的數(shù)量級差異相對較小。

圖1 各處理物種豐度數(shù)值分布密度Fig.1 Distribution density of species abundance values of different treatments

2.2 土壤OTU的相對豐度

由圖2可知,試驗地中,在門水平上物種相對豐度表現(xiàn)為變形菌門(Proteobacteria)最多,相對豐度超過40%。放線菌門(Actinobacteria)的相對豐度在15%左右,擬桿菌門(Bacteroidetes)和酸桿菌門(Acidobacteria)的相對豐度在10%左右,浮霉菌門(Planctomycetes)和藍菌門(Cyanobacteria)的相對豐度在5%左右,綠彎菌門(Chloroflexi)、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)和疣微菌門(Verrucomicrobia)的相對豐度在1%左右,而其余各門的相對豐度均低于1%。此外,從相對豐度上看,SS、SY和TY之間在菌門之間都存在一定差異。

圖2 各處理在門分類水平上的物種差異Fig.2 Species differences at the phylum taxonomic level across the treatments

2.3 土壤OTU的關鍵物種

由圖3-A可知,本研究共計確定1869個OTU。SS、SY和TY土壤中的OTU分別為1219、1362和1115個。其中,SS、SY和TY土壤中共有的OTU數(shù)量占總OTU數(shù)量的29.75%。SS、SY和TY獨有OTU數(shù)量分別占總OTU數(shù)量的15.57%、8.61%和7.81%,表明SS、SY和TY處理間土壤細菌群落存在一定差異。且這種差異整體表現(xiàn)為組間差異顯著大于組內差異(圖3-B)。其組間差異表現(xiàn)在以下兩方面:一是物種的多樣。由表1可知,SS和TY的香濃-威爾多樣性指數(shù)、辛普森指數(shù)和均勻度指數(shù)均顯著高于SY(P<0.05)。二是關鍵物種的組成。土壤細菌物種預測種類表現(xiàn)為SY>TY>SS(表1)。利用隨機森林預測模型預測OTU對處理的重要性(圖3-C)可知,有50個OTU(僅占總OTU的2.68%)對于解釋SS、SY和TY的組間差異具有重要意義。其中,對于SS、SY和TY分組的重要性排名前6個OTU分別是OTU0084(變形菌門下的未分類乙型變形菌)、OTU0154(酸桿菌門下尚未明確的難培養(yǎng)Gp1類屬細菌)、OTU0007(變形菌門下的交替紅色桿菌屬細菌)、OTU1426(疣微菌門下未分類疣微菌科細菌)、OTU0660(浮霉菌門下的小梨形菌屬細菌)、OTU0214(Candidatus_Saccharibacteria菌門下的Saccharibacteria_genera_incertae_sedis屬細菌),其隨機森林平均遞減準確性值均高于1.70,重要度排名前6(圖4-A)。

表1 各處理細菌域和真菌域物種分布多樣性和均勻性Table 1 Diversity and uniformity of species distribution in bacterial and fungal domains in each treatment

圖3 土壤細菌群落結構中的關鍵OTUFig.3 Key OTU in soil bacterial community structure

OTU0006為葉綠體(Chloroplast);OTU0007為赤桿菌科(Erythrobacteraceae);OTU0022為未歸類的酸桿菌GP4(norank Acidobacteria Gp4);OTU0041為未分類的酸微菌亞目(unclassified Acidimicrobidae);OTU0084為未分類的β變形桿菌(unclassified Betaproteobacteria);OTU0087為紅桿菌科(Rhodobacteraceae);OTU0097為未歸類的噬纖維菌目(norank Cytophagales);OTU0099為草酸桿菌科(Oxalobacteraceae);OTU0109為鞘脂單胞菌科(Sphingomonadaceae);OTU0116為未歸類的酸桿菌GP4(norank Acidobacteria Gp4);OTU0122為類諾卡氏菌科(Nocardioidaceae);OTU0127為甲基桿菌科(Methylobacteriaceae);OTU0141為噬幾丁質菌科(Chitinophagaceae);OTU0154為未歸類的酸桿菌GP1(norank Acidobacteria Gp1);OTU0164為黃單胞菌科(Xanthomonadaceae);OTU0184為豐祐菌科(Opitutaceae);OTU0198為未分類細菌(unclassified Bacteria);OTU0204為嗜甲基菌科(Methylophilaceae);OTU0214為未歸類的念珠菌糖桿菌(norank Candidatus Saccharibacteria);OTU0250為未歸類的無名候選門WPS-1菌 (norank candidate division WPS-1);OTU0256為未分類的酸微菌科(unclassified Acidimicrobineae);OTU0304為未歸類的酸桿菌GP2(norank Acidobacteria Gp2);OTU0313為未分類細菌(unclassified Bacteria);OTU0330為未分類放線菌科(unclassified Actinobacteridae);OTU0350為未分類細菌(unclassified Bacteria);OTU0379為未歸類的酸桿菌GP7(norank Acidobacteria Gp7);OTU0395為噬幾丁質菌科(Chitinophagaceae);OTU0397為浮霉菌門(Planctomycetaceae);OTU0405為未分類細菌(unclassified Bacteria);OTU0450為黃單胞菌科(Xanthomonadaceae);OTU0471為(Iamiaceae);OTU0570為未歸類的酸桿菌GP4(norank Acidobacteria Gp4);OTU0583為未分類藍藻(unclassified Cyanobacteria);OTU0589為未分類的β變形桿菌(unclassified Betaproteobacteria);OTU0610為黃單胞菌科(Xanthomonadaceae);OTU0660為浮霉菌門(Planctomycetaceae);OTU0708為未歸類的酸桿菌GP7(norank Acidobacteria Gp7);OTU0727為厭氧繩菌科(Anaerolineaceae);OTU0747為芽單胞菌科(Gemmatimonadaceae);OTU0748為芽單胞菌科(Gemmatimonadaceae);OTU0759為未分類的β變形桿菌(unclassified Betaproteobacteria);OTU0820為未歸類的酸桿菌GP4(norank Acidobacteria Gp4);OTU0852為未歸類的酸桿菌GP6(norank Acidobacteria Gp6);OTU0856為叢毛單胞菌科(Comamonadaceae);OTU0880為未歸類的酸桿菌GP6(norank Acidobacteria Gp6);OTU0928為黃單胞菌科(Xanthomonadaceae);OTU0977為小單孢菌科(Micromonosporaceae);OTU1145為浮霉菌門(Planctomycetaceae);OTU1426為疣微菌科(Verrucomicrobiaceae);OTU1712為噬幾丁質菌科(Chitinophagaceae)。圖4 隨機森林重要度排名前50的OTU遞減準確性值及其聚類Fig.4 OTU decreasing accuracy values for the top 50 random forest significance rankings and their clustering

2.4 關鍵OTU與處理之間的相關性

由圖5可知,TY處理關鍵OTU的聚集性較高,與SY和SS處理之間區(qū)分明顯,表明TY處理的關鍵OTU相對SY和SS處理具有一定的特異性,暗示TY處理重新構建了土壤細菌群落結構。而SS和SY處理之間關鍵OTU相對分散,表明SY相對SS處理只是改變了原有群落中關鍵物種的豐度,并沒有對群落結構進行重新配置。圖4-B中的聚類結果也較好印證了這一結果。此外,圖4-B中關鍵OTU被歸為6個類型,而最關鍵的6個OTU(OTU0154、OTU1426、OTU0214、OTU0660、OTU0084和OTU00 07)則屬于4個不同的類型,代表66.67%的OTU類型,具有較高的覆蓋度。結合圖4～5可知,OTU0154是TY的代表菌,OTU1426和OTU0214是SY的代表菌,OTU0660、OTU0084和OTU0007是SS的代表菌。

圖5 隨機森林重要度排名前50的OTU在3個處理上的分布關系Fig.5 Distributional relationship of the top 50 OTU over the three treatments

上述結果表明,本研究的試驗處理顯著影響了土壤細菌群落結構特征,試驗處理可解釋87.71%的方差變異(圖6)。玉米種植與否、引洪漫淤與否和客土與否分別可解釋53.34%、53.92%和53.34%的總方差。其中引洪漫淤與否對于總方差的獨立解釋比例最大(34.38%),直接效應顯著。

圖6 方差分解情況Fig.6 The decomposition of variance

3 討 論

泥石流灘地是山區(qū)一種特殊的土地資源,具有地勢平坦、灌溉便利、光照充足、熱量豐富等優(yōu)點,生產潛力較高,但礫石含量多、土壤結構不合理、養(yǎng)分貧瘠等不利因素限制其生產潛力的發(fā)揮,不加以改造基本上不能作為耕地使用。灘地整治和土地生產力培育的關鍵是降低礫石含量,改善土壤結構,提高土壤肥力[14]。在泥石流灘地開發(fā)利用中,通常先采用人工整地,配合客土、漫灌停淤(引洪漫淤或引渾停淤)等方式增加耕層土壤厚度,改良土壤質地;待灘地開墾出土地后用于種植作物或其他植被,通過人工培肥有效提高土壤養(yǎng)分,土壤物理性質和養(yǎng)分特征的改變與土地利用類型緊密相關[15]。不同改造方法和歷時的土壤,其土壤結構、養(yǎng)分含量和生產潛力有所區(qū)別?？屯翆δ嗍鳛┑卦纪寥赖馁|地、孔隙度、養(yǎng)分特征等有顯著影響,改良效果取決于客土土壤的理化性質及客土比例[16]。漫灌停淤可使灘地增加一定厚度的淤泥層,再通過翻耕,使粗顆粒分布于犁底層之下,細顆粒分布于犁底層之上,經過幾次翻耕后,產生質地層次分化,形成上虛下實的“蒙金土”,可提高灘地土壤的保肥蓄水能力。相比于其他開發(fā)利用方式,漫灌停淤可顯著提高小粒徑團聚體的數(shù)量,提高土壤養(yǎng)分,土壤有效系數(shù)和自然生產潛力高出15%[4,14]。據(jù)調查,蔣家溝泥石流灘地經過連續(xù)12年的水旱輪作+引洪停淤,灘地土層厚度增加了6倍,土壤機械組成和質地發(fā)生明顯改變,隨著保肥蓄水能力的提升,耕作層全氮含量提高146.6%,有效氮含量提高60.4%,有機質含量提高57%,作物產量大幅提高[2]。漫灌停淤和人工培肥相結合,有效改良泥石流灘地土壤質地、結構和養(yǎng)分,是泥石流灘地的合理開發(fā)和可持續(xù)利用的重要措施。

土壤微生物群落結構是土壤生態(tài)功能的基礎,土壤中存在著大量微生物,其中以細菌的種類和數(shù)量最多,對土壤營養(yǎng)元素循環(huán)、生態(tài)環(huán)境的改善、植物的生長發(fā)育等方面均起著極其重要的作用。大量研究表明,無論是河漫灘、農田、草原、林地還是礦區(qū)土壤,變形菌門、放線菌門、酸桿菌門、綠彎菌門和厚壁菌門都是優(yōu)勢類群,但相對豐度相差較大[17-18]。

變形菌門是土壤生態(tài)系統(tǒng)中最主要的門類,許多類群與土壤固氮作用相關,能夠將有機質分解產生的NH3和CH4等物質用于自身的生長繁殖,并且能夠適應大多數(shù)復雜的生態(tài)環(huán)境,廣泛存在于各類土壤中[19]。四川省涼山州喜德縣紅莫鎮(zhèn)桃源村泥石流灘地土壤本土細菌變形菌門相對豐度達40%。客土、引洪漫淤后種植玉米對泥石流灘地土壤細菌群落有顯著影響,泥石流灘地土壤細菌群落結構改變與其中2.68%的OTU有緊密關聯(lián),依據(jù)重要性排序,前6個OTU屬于變形菌門、酸桿菌門、疣微菌門、浮霉菌門、糖桿菌門,兩種改造方式下土壤酸桿菌門、疣微菌門和Candidatus_Saccharibacteria優(yōu)勢明顯。酸桿菌門細菌是嗜酸菌,分布較為廣泛,可能與該地區(qū)土壤pH有關。疣微菌門,兼性好氧,能利用各種糖,在自然界中分布極廣,依據(jù)共-寡營養(yǎng)理論,疣微菌對資源可利用性采用K選擇策略,其數(shù)量與土壤營養(yǎng)水平呈顯著正相關,說明疣微菌更適合在營養(yǎng)比較豐富的土壤中生存[20-21]。Saccharibacteria是一種無法獨立存在的球狀細菌,直徑只有200～300 nm,需要依賴放線菌門的宿主[22]。在人體和動物的口腔和腸道中,與健康狀況有關,在土壤、沉積物和污水中也有存在,具體功能未知[23]。泥石流灘地土壤引洪漫淤結合玉米種植下,土壤細菌群落關鍵物種豐度改變,結合客土處理可重新配置土壤細菌群落,對土壤性質和養(yǎng)分變化有重要影響。

4 結 論

土壤改造后種植玉米對泥石流灘地土壤細菌群落結構有顯著影響,引洪漫淤后種植玉米可促進土壤細菌物種數(shù)增加,改變土壤細菌關鍵物種的豐度;客土后引洪漫淤種植玉米可重新配置土壤群落結構,使土壤細菌物種數(shù)顯著降低。泥石流灘地土壤細菌群落結構改變與其中2.68%的OTU有緊密關聯(lián),依據(jù)重要性排序,前6個OTU屬于變形菌門(2個)、酸桿菌門、疣微菌門、浮霉菌門、Candidatus_Saccharibacteria。