中国农业科学 ›› 2025, Vol. 58 ›› Issue (8): 1579-1590.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2025.08.009
白雨欣1,2,3(), 刘灵芝1(
), 安婷婷1, 李双异1, 汪景宽1
收稿日期:
2024-07-18
接受日期:
2024-11-15
出版日期:
2025-04-16
发布日期:
2025-04-21
通信作者:
联系方式:
白雨欣,E-mail:baiyuxin22@mails.ucas.ac.cn。
基金资助:
BAI YuXin1,2,3(), LIU LingZhi1(
), AN TingTing1, LI ShuangYi1, WANG JingKuan1
Received:
2024-07-18
Accepted:
2024-11-15
Published:
2025-04-16
Online:
2025-04-21
摘要:
【目的】了解农田土壤细菌种群结构、关键物种以及细菌碳代谢功能与长期不同施肥土壤理化、生物学性质的关联性。【方法】基于细菌16S rRNA分子标记,采用扩增子测序技术,解析沈阳农业大学长期定位实验站29年连续实施不同施肥(不施肥,CK;单施化肥,N4;化肥减量配施有机肥,M2N2)后,土壤细菌群落结构、生态网络、潜在碳代谢功能与土壤理化生物学性质的关系。【结果】不同施肥处理导致土壤理化生物学性质以及细菌种群、多样性和潜在碳代谢基因丰度发生明显变化。与不施肥(CK)相比,长期单施化肥(N4)显著降低了土壤pH、细菌物种数量和群落多样性,化肥减量配施有机肥(M2N2)具有良好的维持作用。长期施肥(N4和M2N2)虽显著增加土壤呼吸作用,但明显降低0—20 cm土层土壤净氮矿化速率。其中,与N4处理相比,M2N2处理可明显提升土壤净氮矿化速率。土壤NH4+-N含量、净氮矿化速率和pH是土壤细菌种群差异的重要影响因子。网络共现分析显示,Bradyrhizobium elkanii 和 beta proteobacterium WWH154是维持细菌生态网络稳定性的关键物种,其中,100株优势细菌物种全部与beta proteobacterium WWH154呈共现关系,54%的物种与Bradyrhizobium elkanii表现出共现关系。长期施肥(N4和M2N2)可增加两个关键物种的相对丰度,增幅61.9%—169.4%,M2N2处理的增幅更为明显。碳代谢基因功能预测发现,N4处理降低土壤细菌碳固定、氨基酰基转运RNA生物合成和氨基酸相关酶等碳代谢基因的丰度,M2N2处理则能较好地稳定碳代谢途径。【结论】长期施肥改变农田土壤理化和生物学性质,化肥减量配施有机肥(M2N2)通过富集关键物种,增加微生物网络复杂性来响应环境变化,维持土壤生态功能,进而提升作物产量。
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表1
不同施肥处理的土壤理化和生物学性质"
土层 Soil layer (cm) | 处理 Treatment | 酸碱性 pH | 总氮 TN (mg·kg-1) | 铵态氮 NH4+-N (mg·kg-1) | 硝态氮 NO3--N (mg·kg-1) | 有效磷 AP (mg·kg-1) | 有机质 SOM (mg·kg-1) | 16S rDNA 基因丰度 16S rDNA gene abundance (log copies·g-1) | 氮矿化速率 Nitrogen mineralization rate (mg·kg-1·d-1) | 土壤呼吸 Soil respiration (μg·g-1·h-1) |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
0-20 | CK | 6.30±0.11Aa | 1.04±0.01Ab | 0.62±0.01Ac | 9.34±0.04Ac | 33.75±0.13Ab | 18.57±0.36Ab | 11.99±0.06Aa | 30.00±4.29Aa | 9.81±0.88Ab |
N4 | 4.91±0.09Ac | 0.93±0.01Ac | 2.08±0.03Aa | 11.59±0.02Ab | 24.25±0.31Ac | 16.33±0.11Ac | 11.88±0.12Aa | 22.93±3.28Ac | 12.51±0.80Aa | |
M2N2 | 5.92±0.01Ab | 1.35±0.003Aa | 1.61±0.03Ab | 12.64±0.12Aa | 181.71±0.19Aa | 22.37±0.17Aa | 12.16±0.05Aa | 29.45±4.21Ab | 13.89±0.24Aa | |
20-40 | CK | 6.52±0.01Aa | 0.69±0.02Ba | 0.71±0.01Bb | 7.15±0.01Ac | 12.46±0.13Bb | 12.03±0.36Ba | 11.61±0.04Aa | 18.57±2.65Ac | 9.06±0.69Ab |
N4 | 5.40±0.06Ac | 0.65±0.01Ba | 0.73±0.05Bab | 9.89±0.05Ab | 6.64±0.15Bc | 11.69±0.25Ba | 10.95±0.01Ac | 23.61±3.37Ab | 11.55±0.37Aa | |
M2N2 | 5.91±0.09Ab | 0.66±0.01Ba | 0.83±0.02Ba | 11.24±0.07Aa | 104.64±0.19Ba | 11.26±0.21Ba | 11.37±0.04Ab | 31.53±4.50Aa | 11.41±0.64Aa |
图4
不同施肥处理下土壤菌群与环境因子的冗余分析(RDA) 总氮Total nitrogen,有效磷Available phosphorus,铵态氮Ammonium nitrogen,硝态氮Nitrate nitrogen,有机质Organic matter,矿化速率Mineralization rate,经济产量Economic yield,土壤呼吸Soil respiration,细菌丰度Bacterial abundance,慢生根瘤菌Bradyrhizobium elkanii,β-变形菌纲细菌 WWH154 beta proteobacterium WWH154,阿克曼菌Akkermansia muciniphila,酸杆菌纲细菌 WWH4 Acidobacteria bacterium WWH4,巴利阿里假单胞菌Pseudomonas balearica,细菌 Ellin7529 bacterium Ellin7529,甘曼螺旋杆菌Helicobacter ganmani,大肠杆菌Escherichia coli,葡萄糖酶芽孢杆菌 Blautia glucerasea,鼠李糖乳杆菌Lactobacillus reuteri"
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