中国农业科学 ›› 2023, Vol. 56 ›› Issue (18): 3615-3628.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2023.18.010
刘蕾(), 史建硕(
), 张国印, 郜静, 李玭, 任燕利, 王丽英(
)
收稿日期:
2022-10-09
接受日期:
2023-03-20
出版日期:
2023-09-16
发布日期:
2023-09-21
通信作者:
联系方式:
刘蕾,E-mail:liuleihbnky@163.com,史建硕,E-mail:sjzjianshuo@126.com。刘蕾和史建硕为同等贡献作者。
基金资助:
LIU Lei(), SHI JianShuo(
), ZHANG GuoYin, GAO Jing, LI Pin, REN Yanli, WANG LiYing(
)
Received:
2022-10-09
Accepted:
2023-03-20
Published:
2023-09-16
Online:
2023-09-21
摘要:
【目的】将稀有和丰富细菌亚群落从整体群落中加以区分并探索两者分别对长期施肥的响应特征,为解析农业活动对微生物多样性与土壤功能稳定性之间的关系提供新视角。【方法】基于设施番茄长期定位试验,采集4个不同处理土壤样品:不施肥(M0)、低量有机肥5.68 t·hm-2(M1)、中量有机肥8.52 t·hm-2(M2)和高量有机肥11.36 t·hm-2(M3),利用Illumina MiSeq高通量测序技术,分析稀有和丰富细菌亚群落多样性、群落组成、共现网络和潜在功能差异,阐明两者对长期施肥的响应规律,并探讨驱动稀有和丰富细菌亚群落多样性和施肥响应差异的关键环境因素。【结果】稀有细菌亚群落α和β多样性均显著高于丰富细菌亚群落,且物种组成和潜在功能也与丰富细菌差异明显。功能预测结果显示丰富细菌负责设施农田主要生态系统功能,如养分和能量代谢,而稀有细菌更多体现在辅助功能上(例如辅酶代谢),为微生物群落功能冗余做出贡献。不同细菌亚群落多样性和组成对长期施肥响应差异较大,其中,与不施肥相比,长期施用有机肥和化肥使稀有细菌亚群落丰富度显著提高19.8%—53.8%、多样性显著提高5.8%—8.0%,总相对丰度显著提高1.1—1.2倍,改变稀有细菌亚群落组成和结构,并且随着有机肥施用量增加,稀有细菌丰富度显著提升,亚群落组成和结构也发生显著变化;与之相比,长期施肥并未显著改变丰富细菌亚群落多样性,仅群落组成受到影响。同时,细菌共现性网络复杂度随有机肥施用显著增加,且稀有细菌更敏感。非度量多维度分析(NMDS)和Mantel检验结果均显示,影响稀有和丰富细菌亚群落的关键环境因子不同,其中,土壤有机质、全量氮磷有效磷、速效钾、pH、大中团聚体等多种与确定性过程相关的土壤因子显著影响丰富细菌亚群落,结构方程模型(SEM)进一步显示土壤有机质和全磷直接驱动丰富细菌多样性变化;而稀有细菌亚群落受环境过滤的影响程度明显下降,且群落分散性更强,暗示两种亚群落构建机制可能存在差异。【结论】与丰富细菌和整体群落相比,稀有细菌亚群落呈现更高的多样性和独特的群落组成,提高微生物群落功能冗余;长期施肥主要通过影响稀有细菌(即提高多样性、改变群落组成、增加网络复杂度)而非丰富细菌,从而改变细菌整体群落,并且介导稀有和丰富细菌亚群落构建的环境因素也不相同。
刘蕾, 史建硕, 张国印, 郜静, 李玭, 任燕利, 王丽英. 长期施有机肥对设施番茄土壤稀有和丰富细菌亚群落的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(18): 3615-3628.
LIU Lei, SHI JianShuo, ZHANG GuoYin, GAO Jing, LI Pin, REN Yanli, WANG LiYing. Effects of Long-Term Application of Organic Fertilizer on Rare and Abundant Bacterial Sub-Communities in Greenhouse Tomato Soil[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2023, 56(18): 3615-3628.
表1
不同施肥处理下养分投入量"
处理 Treatment | 有机肥养分投入量 Organic nutrient input (kg·hm-2) | 化肥养分投入量 Inorganic nutrient input (kg·hm-2) | 总养分投入量 Total nutrient input (kg·hm-2) | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
氮 N | 磷 P2O5 | 钾 K2O | 氮 N | 磷 P2O5 | 钾 K2O | 氮 N | 磷 P2O5 | 钾 K2O | |
M0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
M1 | 157 | 88 | 118 | 192 | 88 | 327 | 349 | 177 | 445 |
M2 | 236 | 133 | 177 | 192 | 88 | 327 | 428 | 221 | 504 |
M3 | 315 | 177 | 236 | 192 | 88 | 327 | 506 | 265 | 563 |
表2
不同有机肥施用量土壤理化性质"
处理 Treatment | pH | 有机质 SOM (g·kg-1) | 全氮 TN (g·kg-1) | 全磷 TP (g·kg-1) | 全钾 TK (g·kg-1) | 硝态氮 NO3--N (mg·kg-1) | 铵态氮 NH4+-N (mg·kg-1) | 有效磷 Olsen-P (mg·kg-1) |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
M0 | 8.39±0.05a | 12.83±0.15d | 0.75±0.01c | 0.72±0.04c | 1.94±0.02a | 24.25±14.24a | 4.03±0.85a | 4.60±1.60c |
M1 | 7.98±0.10b | 26.23±0.38c | 1.37±0.10b | 1.09±0.02b | 1.98±0.03a | 12.76±5.73a | 4.48±0.41a | 55.27±2.90b |
M2 | 7.82±0.10b | 33.00±2.36b | 1.63±0.15ab | 1.21±0.04ab | 1.99±0.02a | 13.21±9.97a | 5.67±1.08a | 82.20±6.33a |
M3 | 7.57±0.06c | 37.11±0.43a | 1.84±0.03a | 1.29±0.06a | 1.98±0.02a | 11.69±1.71b | 4.95±0.56a | 90.63±5.08a |
处理 Treatment | 速效钾 AK (mg·kg-1) | 碳氮比 C/N | 电导率 EC (μs·cm-1) | 质量含水量 W (%) | 大团聚体 Maccoaggregate (%) | 中团聚体 Mediumaggregate (%) | 黏粒 Clay (%) | 粉粒 Silt (%) |
M0 | 71.50±15.55c | 8.53±3.44b | 108.03±31.09a | 14.89±0.71a | 22.21±2.06b | 15.27±4.27b | 27.37±0.67a | 49.33±3.71a |
M1 | 189.00±30.05b | 10.83±5.81ab | 190.43±79.75a | 14.52±1.83a | 32.82±12.18a | 36.35±6.40a | 26.03±1.33a | 50.00±1.15a |
M2 | 233.00±36.51ab | 21.26±0.10a | 273.60±104.45a | 15.16±1.01a | 32.61±1.10a | 46.13±4.61a | 26.03±0.67a | 48.67±2.40a |
M3 | 283.50±6.87a | 16.09±4.60a | 518.33±198.95a | 14.97±0.77a | 39.85±4.85a | 44.06±0.28a | 24.70±1.15a | 50.67±1.76a |
表3
不同施肥下细菌亚群落α多样性"
处理 Treatment | OTU丰富度 OTU richness | Shannon多样性指数 Shannon diversity index | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
稀有Rare | 丰富Abundant | 整体Whole | 稀有Rare | 丰富Abundant | 整体Whole | |
M0 | 912.67±18.68d | 26.33±2.73a | 1947.00±91.11b | 6.56±0.21b | 2.95±0.20a | 5.85±0.30b |
M1 | 1093.00±31.32c | 25.67±0.88a | 2349.33±58.94a | 6.94±0.03ab | 3.16±0.05a | 6.56±0.05a |
M2 | 1153.33±16.59b | 23.00±0.58a | 2480.00±27.54a | 6.99±0.01ab | 3.07±0.03a | 6.69±0.01a |
M3 | 1403.67±92.65a | 24.67±4.18a | 2482.00±36.51a | 7.079±0.06a | 3.10±0.13a | 6.74±0.06a |
表4
不同细菌亚群落与环境因子相关性(pearson)的Mantel检验"
土壤性质 Soil property | 稀有 Rare | 丰富 Abundant | 整体 Whole | |||
---|---|---|---|---|---|---|
r | P | r | P | r | P | |
pH | 0.328 | 0.005 | 0.545 | 0.001 | 0.610 | 0.002 |
SOM | 0.215 | 0.044 | 0.690 | 0.001 | 0.761 | 0.001 |
TN | 0.246 | 0.030 | 0.669 | 0.001 | 0.738 | 0.001 |
TP | 0.229 | 0.043 | 0.707 | 0.001 | 0.767 | 0.001 |
TK | 0.071 | 0.286 | 0.175 | 0.156 | 0.189 | 0.125 |
NO3--N | 0.052 | 0.372 | -0.204 | 0.853 | -0.215 | 0.857 |
NH4+-N | 0.156 | 0.156 | 0.008 | 0.416 | 0.036 | 0.394 |
Olsen-P | 0.107 | 0.241 | 0.711 | 0.001 | 0.756 | 0.001 |
AK | 0.136 | 0.149 | 0.619 | 0.005 | 0.660 | 0.003 |
C/N | 0.248 | 0.024 | 0.394 | 0.020 | 0.445 | 0.009 |
EC | 0.199 | 0.080 | 0.247 | 0.109 | 0.281 | 0.066 |
W | -0.029 | 0.599 | -0.141 | 0.702 | -0.136 | 0.710 |
Macroaggregate | 0.161 | 0.096 | 0.413 | 0.002 | 0.454 | 0.003 |
Mediumaggregate | 0.177 | 0.096 | 0.601 | 0.013 | 0.667 | 0.005 |
Clay | -0.558 | 0.646 | -0.022 | 0.486 | -0.020 | 0.460 |
Silt | 0.063 | 0.332 | 0.058 | 0.247 | 0.111 | 0.266 |
[1] |
doi: 10.1126/science.1153213 |
[2] |
doi: S0966-842X(18)30047-7 pmid: 29550356 |
[3] |
doi: 10.1038/s41396-018-0153-6 |
[4] |
王敬国. 设施菜田退化土壤修复与资源高效利用. 北京: 中国农业大学出版社, 2011.
|
|
|
[5] |
doi: 10.1016/j.apsoil.2017.08.016 |
[6] |
doi: 10.1007/s11356-017-9837-0 |
[7] |
doi: 10.1007/s00248-021-01741-8 |
[8] |
doi: 10.3389/fmicb.2018.02096 pmid: 30283408 |
[9] |
doi: 10.1038/s41396-018-0159-0 |
[10] |
doi: 10.1038/ismej.2015.29 |
[11] |
doi: 10.1016/j.agee.2018.11.025 |
[12] |
doi: 10.1007/s00374-019-01355-w |
[13] |
doi: 10.1111/1462-2920.14945 pmid: 32067386 |
[14] |
doi: 10.1111/mec.14218 pmid: 28665016 |
[15] |
doi: 10.1038/nrmicro3400 pmid: 25730701 |
[16] |
|
[17] |
|
[18] |
doi: S0269-7491(16)32803-2 pmid: 28336094 |
[19] |
doi: 10.1007/s11356-021-16830-x |
[20] |
邢肖毅, 倪绯, 张亚丽, 黎颖惠, 杨贤均, 尹丹红. 增温对土壤丰富和稀有微生物的差异性影响. 环境科学与技术, 2022, 45(5): 70-76.
|
doi: 10.1021/es101444k |
|
[21] |
doi: 10.1016/j.cub.2014.02.050 |
[22] |
doi: 10.1126/science.1182570 pmid: 20150447 |
[23] |
doi: 10.1016/j.soilbio.2019.107686 |
[24] |
姜灿烂, 何园球, 刘晓利, 陈平帮, 王艳玲, 李辉信. 长期施用有机肥对旱地红壤团聚体结构与稳定性的影响. 土壤学报, 2010, 47(4): 715-722.
|
|
|
[25] |
鲍士旦. 土壤农化分析. 3版. 北京: 中国农业出版社, 2000.
|
|
|
[26] |
doi: 10.1016/j.soilbio.2018.08.016 |
[27] |
doi: 10.1016/j.soilbio.2021.108222 |
[28] |
doi: 10.3390/d11060098 |
[29] |
doi: 10.1016/j.tim.2006.04.007 |
[30] |
|
[31] |
关健飞, 沈智超, 曹阳. 稀有微生物群落研究进展. 湖北农业科学, 2020, 59(15): 5-11.
|
|
|
[32] |
doi: 10.1111/emi.v23.8 |
[33] |
doi: 10.1111/1462-2920.13098 pmid: 26486414 |
[34] |
doi: S0045-6535(19)31415-8 pmid: 31260865 |
[35] |
doi: 10.1186/s40168-020-00892-z |
[36] |
doi: 10.1038/s41587-019-0328-3 pmid: 31792408 |
[37] |
pmid: 17479464 |
[1] | 尉亚囡, 薄其飞, 唐安, 高嘉瑞, 马田, 尉熊熊, 张方方, 周祥利, 岳善超, 李世清. 长期覆膜和施用有机肥对黄土高原春玉米产量和品质的效应[J]. 中国农业科学, 2023, 56(9): 1708-1717. |
[2] | 王飞, 李清华, 何春梅, 游燕玲, 黄毅斌. 长期施肥对黄泥田土壤团聚体中氮素积累和有机氮组成的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(9): 1718-1728. |
[3] | 王宁, 冯克云, 南宏宇, 丛安琪, 张铜会. 水分亏缺下有机无机肥配施比例对棉花水氮利用效率的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(8): 1531-1546. |
[4] | 李德近, 马想, 孙悦, 徐明岗, 段英华. 典型区域秸秆和有机肥混土填埋后的腐解特征[J]. 中国农业科学, 2023, 56(6): 1127-1138. |
[5] | 徐久凯, 袁亮, 温延臣, 张水勤, 李燕婷, 李海燕, 赵秉强. 畜禽有机肥氮在冬小麦季对化肥氮的相对替代当量[J]. 中国农业科学, 2023, 56(2): 300-313. |
[6] | 张一中, 张晓娟, 梁笃, 郭琦, 范昕琦, 聂萌恩, 王绘艳, 赵文博, 杜维俊, 柳青山. 基于表型性状的高粱育种材料遗传多样性分析及综合评价[J]. 中国农业科学, 2023, 56(15): 2837-2853. |
[7] | 李欢, 鄢小青, 杨占烈, 谭金玉, 黎小冰, 陈能刚, 吴荣菊, 陈惠查, 阮仁超. 贵州香禾糯地方稻种资源表型遗传多样性分析与综合评价[J]. 中国农业科学, 2023, 56(11): 2035-2046. |
[8] | 吴月, 隋新华, 戴良香, 郑永美, 张智猛, 田云云, 于天一, 孙学武, 孙棋棋, 马登超, 吴正锋. 慢生根瘤菌及其与花生共生机制研究进展[J]. 中国农业科学, 2022, 55(8): 1518-1528. |
[9] | 王树会,陶雯,梁硕,张旭博,孙楠,徐明岗. 长期施用有机肥情景下华北平原旱地土壤固碳及N2O排放的空间格局[J]. 中国农业科学, 2022, 55(6): 1159-1171. |
[10] | 郭燕, 张树航, 李颖, 张馨方, 王广鹏. 中国板栗36个叶片表型性状的多样性[J]. 中国农业科学, 2022, 55(5): 991-1009. |
[11] | 李晓立,何堂庆,张晨曦,田明慧,吴梅,李潮海,杨青华,张学林. 等氮量条件下有机肥替代化肥对玉米农田温室气体排放的影响[J]. 中国农业科学, 2022, 55(5): 948-961. |
[12] | 伊英杰, 韩坤, 赵斌, 刘国利, 林佃旭, 陈国强, 任昊, 张吉旺, 任佰朝, 刘鹏. 长期不同施肥措施冬小麦-夏玉米轮作体系周年氨挥发损失的差异[J]. 中国农业科学, 2022, 55(23): 4600-4613. |
[13] | 姜朋, 张鹏, 姚金保, 吴磊, 何漪, 李畅, 马鸿翔, 张旭. 宁麦系列小麦品种的性状特点及相关基因位点分析[J]. 中国农业科学, 2022, 55(2): 233-247. |
[14] | 李晓川,王朝海,周平,马维,吴瑞,宋治豪,梅艳. 马铃薯品种(系)田间晚疫病抗性评价和全基因组遗传多样性分析[J]. 中国农业科学, 2022, 55(18): 3484-3500. |
[15] | 万映伶,朱梦婷,刘爱青,金亦佳,刘燕. 中国观赏芍药表型多样性解析与资源评价[J]. 中国农业科学, 2022, 55(18): 3629-3639. |
|