模擬酸雨對(duì)福州平原稻田土壤細(xì)菌豐度及多樣性的影響

王曉彤,藍(lán)興福,安婉麗,許旭萍*,王維奇,3**

?

模擬酸雨對(duì)福州平原稻田土壤細(xì)菌豐度及多樣性的影響

王曉彤1,藍(lán)興福1,安婉麗2,許旭萍1*,王維奇2,3**

(1福建師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,福建 福州 350007；2福建師范大學(xué)地理研究所,福建 福州 350007；3福建師范大學(xué)濕潤亞熱帶生態(tài)地理過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 福州 350007)

為了探討酸雨對(duì)稻田土壤細(xì)菌的影響,以福州平原某稻田為研究對(duì)象, 測(cè)定和分析模擬不同酸度酸雨處理下早、晚稻土壤細(xì)菌群落組成及其豐度.結(jié)果表明:模擬酸雨處理提高了早稻土壤細(xì)菌的多樣性,但卻降低了晚稻土壤細(xì)菌的多樣性;酸雨改變了稻田土壤細(xì)菌的豐度及群落結(jié)構(gòu),經(jīng)模擬不同酸度的酸雨處理,稻田土壤細(xì)菌的優(yōu)勢(shì)菌屬及其豐度并不一致;早稻pH3.5處理組與早稻對(duì)照組之間的物種多樣性及群落結(jié)構(gòu)差異最大,晚稻pH2.5處理組與晚稻對(duì)照組之間的物種多樣性及群落結(jié)構(gòu)差異最大;在酸雨作用下,溶桿菌屬()和產(chǎn)黃桿菌屬()的豐度明顯升高,而馬賽菌屬()的豐度則顯著降低,說明溶桿菌屬()和產(chǎn)黃桿菌屬()為耐受酸雨的主要菌屬,馬賽菌屬()則為受酸雨影響最大的菌屬;細(xì)菌屬H16的相對(duì)豐度與土壤電導(dǎo)率(EC)呈極顯著負(fù)相關(guān)(<0.01),的相對(duì)豐度與土壤pH值呈極顯著負(fù)相關(guān)(<0.01),的相對(duì)豐度與土壤總有機(jī)碳(SOC)呈極顯著正相關(guān)(<0.01).

酸雨；細(xì)菌；豐度；群落結(jié)構(gòu)；福州平原稻田

酸雨又稱酸沉降,是指pH值小于5.6的大氣降水,主要包括濕沉降和干沉降,是人類面臨的主要環(huán)境問題之一[1].自20世紀(jì)70年代以來,酸雨已成為威脅世界環(huán)境的首要問題之一,引起了各國科學(xué)家的廣泛關(guān)注[2].酸雨的形成與諸多因素有關(guān),例如當(dāng)?shù)厮嵝晕廴疚锏呐欧徘闆r、土壤性質(zhì)、大氣顆粒物、氣象條件以及酸性污染物的遷移與擴(kuò)散等[3].隨著工業(yè)化的不斷發(fā)展,酸雨增加趨勢(shì)日趨明顯,科學(xué)評(píng)價(jià)酸雨影響,并制訂適應(yīng)性策略具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義.當(dāng)前中國酸雨區(qū)面積約占國土面積的40%,特別在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的地區(qū)更為嚴(yán)重[4].農(nóng)業(yè)土壤酸化是酸雨直接影響的結(jié)果,這將制約我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展.我國的土壤酸化具有面積大、分布廣、酸化程度高和危害大等特點(diǎn).酸化土壤面積達(dá)2 億hm2,約占全國總面積的23%,主要分布在長江以南廣大地區(qū),多數(shù)集中于廣東、廣西、福建、臺(tái)灣、江西、湖南、湖北等14個(gè)省區(qū)[1].

福建省作為土壤酸化程度較高的省份之一,其降水年平均pH值為4.64~4.97,而福州地區(qū)屬于酸雨高發(fā)區(qū),2007~2014年酸雨年均發(fā)生頻率為63.1%,年平均強(qiáng)酸雨發(fā)生頻率為22.3%[5].這將對(duì)福州平原稻田土壤肥力維持與糧食生產(chǎn)造成深刻影響.酸雨使土壤pH值下降,因而導(dǎo)致大量陽離子,特別是鈣(Ca2+)、鎂(Mg2+)、鐵 (Fe2+)等重要的營養(yǎng)元素從土壤中溶出和流失,造成土壤的營養(yǎng)元素含量降低,不利于植物的生長與發(fā)育.同時(shí),土壤酸性增強(qiáng)也導(dǎo)致被固定在土壤顆粒中的有害重金屬被淋溶出來,如銅(Cu2+)離子等,其被植物吸收或進(jìn)入水體,加重了污染.土壤酸化會(huì)導(dǎo)致土壤污染加劇和貧瘠化[6].土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分之一[7].它參與了土壤結(jié)構(gòu)的形成、有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化、有毒物質(zhì)的降解以及碳、氮、磷、硫循環(huán)等過程[8],對(duì)土壤肥力的形成和植物營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化起著積極的作用[9].那么,酸雨對(duì)稻田土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)與豐度的影響效應(yīng)如何,將作為本研究的重點(diǎn).

本研究旨在利用高通量測(cè)序技術(shù)探究模擬不同酸度酸雨對(duì)稻田土壤細(xì)菌豐度及群落結(jié)構(gòu)的影響.農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中微生物種類豐富且豐度極高,是微生物群落的一個(gè)重要的聚集場(chǎng)所.微生物對(duì)稻田土壤有機(jī)碳的固定、溫室氣體的排放及污染物的降解等有非常重要的作用.因此,探究酸雨對(duì)稻田土壤微生物的影響,對(duì)我國酸雨背景下農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)微生物群落及功能的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義,并為進(jìn)一步利用微生物改良土壤酸化問題奠定理論基礎(chǔ).

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省福州市城郊南部,烏龍江的北岸,屬亞熱帶海洋季風(fēng)氣候,年均氣溫19.6℃,無霜期長達(dá)325~330天,年均降水量為1392.5mm,蒸發(fā)量為1413.7mm,相對(duì)濕度為77.6%,區(qū)內(nèi)地貌主要為沖海積平原,地表平坦,海拔3~5m,零星分布剝蝕丘陵地貌.本試驗(yàn)區(qū)位于福建省倉山區(qū)蓋山鎮(zhèn)福建省水稻研究所吳鳳綜合試驗(yàn)基地(26.1°N,119.3°E)內(nèi),該試驗(yàn)基地共有紅壤稻田7hm2.試驗(yàn)區(qū)內(nèi)實(shí)行早稻-晚稻-蔬菜的輪作制度[10].

1.2 試驗(yàn)時(shí)間與水稻品種

試驗(yàn)前對(duì)翻耕后的田地進(jìn)行人工整平,以保持土壤的均一性.本試驗(yàn)的早、晚稻栽培品種分別為江西省農(nóng)科院研發(fā)的和盛10號(hào)和福建省農(nóng)科院研發(fā)的沁香優(yōu)212.采用機(jī)插,株行距14×28cm.早稻于2015年4月16日移栽秧苗,2015年7月17日收割;晚稻于2015年7月25日移栽秧苗,2015年11月7日收割.水稻種植中所用的肥料為:復(fù)合肥(N-P2O5-K2O=16-16-16)和尿素(46% N).移栽前一天施加底肥(42kg N/hm2、40kg P2O5/hm2和40kg K2O/hm2),移栽約1周后施加分蘗肥(35kg N/hm2、20kg P2O5hm2和20kg K2O/hm2),移栽約8周后施加穗肥(18kg N/hm2、10kg P2O5/hm2和10kg K2O/ hm2)[11].

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與土壤樣品的采集

本試驗(yàn)于2015年在水稻田內(nèi)分別設(shè)置空白對(duì)照(不噴淋模擬酸雨)及pH2.5、pH3.5和pH4.5的模擬酸雨處理組,每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù),共12個(gè)小區(qū),每個(gè)小區(qū)面積10m2,隨機(jī)區(qū)組排列.各小區(qū)之間用0.5cm厚、30cm高的PVC板隔開,防止各個(gè)小區(qū)之間進(jìn)行水和營養(yǎng)物質(zhì)的交換.根據(jù)福州市酸雨成分配置酸雨母液,主要成分及含量分別是:Na+(147.96 μmol/L)、K+(13.40μmol/L)、Mg2+(24.086μmol/L)、Ca2+(72.97μmol/L)、NH4+(47.35μmol/L)、Cl-(159.44 μmol/L)、NO3-(119.19μmol/L)、SO42-(76.35μmol/L).使用前用體積比為1:1的HNO3和H2SO4混合液調(diào)節(jié)pH值(pH2.5、pH3.5、pH4.5)配制成所要噴淋的酸雨工作液[12-13].根據(jù)福州市歷年年均酸沉降量,計(jì)算出每次每個(gè)樣方每7d噴淋酸雨450mL.于水稻移栽后每隔7d取配制好的不同酸度的模擬酸雨450mL噴淋一次,直至水稻收割.

土樣采集:用采土器分別采集早、晚稻收獲期對(duì)照、pH2.5、pH.35和pH4.5等4種處理的犁耕層(0~15cm)土壤,裝入自封袋,并用便攜式保溫箱密封保存,帶回實(shí)驗(yàn)室,挑去植物殘?bào)w根系后,于-20℃的冰箱中冷藏待用.土壤樣品記為EC(早稻對(duì)照組)、EpH2.5(早稻pH2.5處理組)、EpH3.5(早稻pH3.5處理組)、EpH4.5(早稻pH4.5處理組)、LC(晚稻對(duì)照組)、LpH2.5(晚稻pH2.5處理組)、LpH3.5(晚稻pH3.5處理組)、LpH4.5(晚稻pH4.5處理組).

1.4 土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)分析—高通量測(cè)序技術(shù)

1.4.1 基因組DNA的提取和PCR擴(kuò)增 采用CTAB方法對(duì)土壤樣品的基因組 DNA 進(jìn)行提取,之后利用瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)DNA的純度和濃度,取適量的DNA提取液于離心管中,用無菌水稀釋至1ng/μL.以稀釋后的基因組 DNA 為模板,根據(jù)測(cè)序區(qū)域的選擇,使用帶Barcode 的特異引物,New England Biolabs公司的Phusion?High-Fidelity PCR Master Mix with GC Buffer和高效高保真酶進(jìn)行PCR,確保擴(kuò)增效率和準(zhǔn)確性.PCR擴(kuò)增引物及序列:

341F(CCTAYGGGRBGCASCAG)

806R(GGACTACNNGGGTATCTAAT)

1.4.2 PCR產(chǎn)物的混樣和純化 PCR產(chǎn)物使用2%濃度的瓊脂糖凝膠進(jìn)行電泳檢測(cè),根據(jù)PCR產(chǎn)物濃度進(jìn)行等量混樣,充分混勻后使用1×TAE 濃度2%的瓊脂糖凝膠電泳純化PCR產(chǎn)物,剪切回收目標(biāo)條帶.產(chǎn)物純化試劑盒使用的是Thermo Scientific公司GeneJET 膠回收試劑盒回收產(chǎn)物.

1.4.3 文庫構(gòu)建和上機(jī)測(cè)序 使用Thermofisher 公司的Ion Plus Fragment Library Kit 48rxns 建庫試劑盒進(jìn)行文庫的構(gòu)建,構(gòu)建好的文庫經(jīng)過Qubit 定量和文庫檢測(cè)合格后,使用Thermofisher的Life Ion S5TM進(jìn)行上機(jī)測(cè)序.

1.5 土壤理化性質(zhì)的測(cè)定

土壤電導(dǎo)采用便攜式電導(dǎo)計(jì)(2265FS,USA)測(cè)定.土壤pH值采用水土質(zhì)量比為5:1,搖床振蕩30min,靜置后用便攜式pH計(jì)(PHS-3C,中國)測(cè)定.土壤含水量用土壤水分測(cè)定儀(TDR300,Soil Moisture Meter)測(cè)定.土壤容重的測(cè)定采用環(huán)刀法[14].

1.6 土壤碳組分的測(cè)定

土壤SOC測(cè)定采用重鉻酸鉀-外加熱法[15],土壤EOC、MBC和DOC分別采用高錳酸鉀氧化法、氯仿熏蒸浸提和去離子水測(cè)定[16].

1.7 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Excel2007和SPSS23.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行整理.為了研究不同處理的物種組成多樣性,對(duì)所有處理的Clean reads進(jìn)行聚類,以97%的一致性將序列聚類成為一個(gè)OTU操作單元,然后對(duì)OTUs的代表序列進(jìn)行物種注釋.細(xì)菌豐度與環(huán)境因子、碳組分的關(guān)系采用Spearman相關(guān)性分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 模擬酸雨作用下稻田土壤細(xì)菌多樣性分析

2.1.1 土壤細(xì)菌多樣性指數(shù) 酸雨導(dǎo)致土壤酸化,進(jìn)而影響著土壤微生物[17].表1顯示,各樣品文庫的覆蓋率(Coverage)范圍為 99.0%~99.4%,說明土樣中基因序列被檢出的概率較高,本次測(cè)序結(jié)果能夠代表稻田土壤細(xì)菌群落的真實(shí)情況.Shannon指數(shù)是用來估算樣品中微生物多樣性指數(shù)之一,Shannon值越大,說明群落的多樣性越高.

表1 模擬酸雨作用下稻田土壤細(xì)菌的多樣性指數(shù)

由表1可知,早稻生長階段,模擬酸雨處理提高了稻田土壤細(xì)菌群落的多樣性,其中pH3.5處理組的群落多樣性最高;晚稻生長階段,模擬酸雨處理降低了稻田土壤細(xì)菌群落的多樣性,其中,pH2.5處理組群落多樣性最低.從Chao1指數(shù)來看,早稻生長階段,模擬酸雨處理增加了土壤細(xì)菌群落的豐富度;而晚稻生長階段,模擬酸雨的處理則降低了土壤細(xì)菌群落的豐富度.前人也得出了相似的結(jié)論,張萍華等[18]的研究表明隨著酸雨pH值的下降,土壤中細(xì)菌數(shù)量都呈下降的趨勢(shì).孫巖等[19]研究結(jié)果顯示,模擬酸雨處理的使得玉米根際微生物的總量降低,群落的豐富度也降低.主要是因?yàn)樗嵊甑拿{迫使細(xì)菌的生長受到抑制,進(jìn)而影響微生物的多樣性.與此同時(shí),這與本研究區(qū)降水格局特征有關(guān),早稻生長期為4月中旬到7月中旬,而6月和7月為一年中降雨量最多的時(shí)間[20],期間酸雨的發(fā)生頻率接近60%,pH值大約為5[5],因此,早稻處理組的酸雨濃度會(huì)受到自然降水的稀釋.而晚稻的生長期主要在8月到10月,這期間福州的降水與早稻相比明顯減少,因此受到自然降水稀釋作用較小.此外,早、晚稻土壤群落結(jié)構(gòu)組成對(duì)于模擬酸雨處理響應(yīng)的差異性還與早稻生長期間氣溫與土溫低于晚稻有關(guān).

2.1.2 稀釋曲線 如圖1所示,早、晚稻的樣品在測(cè)序達(dá)到10000條后,稀釋曲線的增長幅度逐漸降低且趨于平緩,說明測(cè)序數(shù)據(jù)量合理,測(cè)序深度足夠.當(dāng)測(cè)序深度達(dá)到31570條時(shí),早稻樣品得到的有效OTUs數(shù)目分別為對(duì)照組1118個(gè),pH2.5處理組1289個(gè),pH3.5處理組1279個(gè),pH4.5處理組1238個(gè),晚稻生長階段,樣品得到的有效OTUs數(shù)目分別為對(duì)照組1405個(gè),pH2.5處理組1225個(gè),pH3.5處理組1267個(gè),pH4.5處理組1269個(gè).

圖1 稀釋曲線

2.2 模擬酸雨作用下稻田土壤細(xì)菌OTU分布

圖2 模擬酸雨作用下稻田土壤細(xì)菌OTUs韋恩分布

圖3 模擬酸雨作用下稻田土壤細(xì)菌OTUs花瓣分布

韋恩圖和花瓣圖可用于分析多個(gè)樣品中所共有的和特有的OTU數(shù)目,能夠比較直觀的表現(xiàn)不同樣品的OTU數(shù)目組成相似性及重疊情況.圖2a顯示,早稻對(duì)照組、pH2.5處理組、pH3.5處理組、pH4.5處理組特有的OTUs分別為105個(gè)、81個(gè)、102個(gè)、69個(gè);圖2b顯示,晚稻對(duì)照組、pH2.5處理組、pH3.5處理組、pH4.5處理組特有的OTUs分別為153個(gè)、100個(gè)、69個(gè)、81個(gè).由此可見,不同模擬酸度酸雨處理,使得每個(gè)處理均出現(xiàn)了新的物種,進(jìn)而改變了稻田土壤細(xì)菌的群落組成.

將早、晚稻土壤中的細(xì)菌作為一個(gè)整體繪制花瓣圖(圖3).可以看出,不同處理的OTUs并不一致,早稻生長階段,對(duì)照組特有的OTUs為24個(gè),pH2.5處理組特有的OTUs為13個(gè),pH3.5處理組特有的OTUs為27個(gè),pH4.5處理組特有的OTUs為25個(gè);晚稻生長階段,對(duì)照組特有的OTUs為41個(gè),pH2.5處理組特有的OTUs為49個(gè),pH3.5處理組特有的OTUs為26個(gè),pH4.5處理組特有的OTUs為34個(gè).與韋恩圖相比,樣品特有的OTUs明顯減少,說明早、晚稻的樣品中,有大量細(xì)菌是共有的,模擬酸雨處理在早、晚稻兩個(gè)不同時(shí)期同樣改變了稻田土壤細(xì)菌群落組成,但時(shí)期的影響小于處理的影響.

2.3 模擬酸雨作用下稻田土壤細(xì)菌群落組成

2.3.1 門(phylum)水平的細(xì)菌群落組成結(jié)構(gòu) 結(jié)果顯示,對(duì)照組及模擬酸雨處理組早、晚稻土壤樣品中相對(duì)豐度較高的門分別為:變形菌門(Proteobacteria) 37.89%~59.91%,Saccharibacteria 1.10%~17.44%,擬桿菌門(Bacteroidetes)5.91%~17.28%,放線菌門(Actinobacteria)6.02%~14.55%,酸桿菌門(Acidobacteria)3.26%~12.53%,綠彎菌門(Chloroflexi) 3.37%~9.73%,芽單胞菌門(Gemmatimonadetes) 0.92%~4.34%,厚壁菌門(Firmicutes)1.19%~2.72%,硝化螺旋菌門(Nitrospirae)0.73%~2.62%,疣微菌門(Verrucomicrobia)0.28%~0.98%.其中變形菌門()、、擬桿菌門()、放線菌門()、酸桿菌門()、綠彎菌門()6個(gè)門的占比之和高達(dá)80%.此結(jié)果與袁紅朝、宋亞娜等人的研究結(jié)果基本一致.袁紅朝等[21]研究發(fā)現(xiàn),稻田土壤主要的細(xì)菌門為變形菌門(Proteobacteria)、酸桿菌門(Acidobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)、厚壁菌門(Firmicutes)、放線菌門(Actinobacteria)、綠菌門(Chlorobi)、疣微菌門(Verrucomicrobia)等,宋亞娜等[22]也報(bào)道,稻田土壤細(xì)菌主要為變形菌門(Proteobacteria)、浮霉菌門(Planctomycetes)、硝化螺菌門(Nitrospirae)、厚壁菌門(Firmicutes)、綠彎菌門(Chloroflexi)、放線菌門(Actinobacteria)和酸桿菌門(Acidobacteria).這一研究結(jié)果說明不同酸度的模擬酸雨處理,在門水平上對(duì)細(xì)菌的群落組成影響較小,本研究中的酸雨處理并未明顯改變細(xì)菌門水平的群落結(jié)構(gòu).

但不同酸度酸雨對(duì)稻田土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響并不一致,如,在早稻生長期,與對(duì)照組相比,3種模擬酸雨處理的土壤中變形菌門(Proteobacteria)的相對(duì)豐度在一定程度上都有降低,而Saccharibacteria的相對(duì)豐度則有所升高;在晚稻生長期,與對(duì)照組相比,3種模擬酸雨處理的土壤中變形菌門(Proteobacteria)和Saccharibacteria的相對(duì)豐度均有升高,顯然酸雨改變了稻田土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu).

2.3.2 屬(genus)水平的細(xì)菌群落組成結(jié)構(gòu) 在本研究中,稻田土壤細(xì)菌菌屬相對(duì)豐度如圖5所示.結(jié)果表明,酸雨處理降低了一些菌屬的相對(duì)豐度,其中相對(duì)豐度降低最為明顯的是馬賽菌屬(),主要是因?yàn)榇蠖鄶?shù)的細(xì)菌適宜在中性或者微堿性的環(huán)境中生長[23],因此,酸雨的脅迫會(huì)抑制大多數(shù)細(xì)菌的生長和繁殖,降低微生物活性[17].陳家松[24]研究也表明,酸雨能夠改變土壤的微環(huán)境,對(duì)根際土壤中細(xì)菌有明顯抑制作用,同時(shí)也降低了土壤微生物多樣性組成結(jié)構(gòu),并且這種抑制程度隨著酸雨程度加劇而增加.此外,本研究中也有部分菌屬的相對(duì)豐度在酸雨處理后有所增加,例如溶桿菌屬()、產(chǎn)黃桿菌屬()、、鞘氨醇單胞菌屬()等,其中產(chǎn)黃桿菌屬()相對(duì)豐度的增加最為明顯,可能是因?yàn)檫@些細(xì)菌為耐酸菌,在酸雨影響下通過自身功能的調(diào)節(jié)來維持其細(xì)胞內(nèi)部的pH值,從而保持其生物活性.此外,晚稻生長期與早稻生長期對(duì)照組細(xì)菌的種類、相對(duì)豐度等也存在差異,尤其是馬賽菌屬(),晚稻生長期其豐度明顯降低,這與早、晚稻生長期間環(huán)境因子不同有關(guān),早稻生長期與晚稻生長期相比,具有較低的溫度和較高的降水量,隨著溫度與降水的改變也將對(duì)微生物的活性和群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[25-26].宋麗娜等[22]研究發(fā)現(xiàn),稻田土壤主要的細(xì)菌屬為互營桿菌屬()、梭菌屬()、甲烷氧化菌屬()、分支菌屬()、厭氧粘菌屬()、GOUTA19、地桿菌屬()、酸桿菌屬()和紅游動(dòng)菌屬().而本研究檢測(cè)到的主要的細(xì)菌屬有:溶桿菌屬()馬賽菌屬()產(chǎn)黃桿菌屬()鞘氨醇單胞菌屬()芽單胞菌屬().這一結(jié)果表明,不同地域來源水稻土中的細(xì)菌在屬的水平上差異較大.

圖4 模擬酸雨作用下稻田土壤細(xì)菌門水平群落組成 Fig.4 Community composition of paddysoil bacteria at phylum levelunder acid rain

圖5 模擬酸雨作用下稻田土壤細(xì)菌屬水平群落組成 Fig.5 Community composition of paddysoil bacteria at genuslevel under simulated acid rain

圖6 模擬酸雨作用下稻田土壤細(xì)菌豐度聚類熱 Fig.6 Cluster diagram of paddy soils bacteriaabundanceunder simulated acid rain

這種差異主要由地區(qū)、環(huán)境、季節(jié)、溫度、土壤肥力等因素所致[27],也會(huì)因?qū)嶒?yàn)過程中處理不同而產(chǎn)生差異[28].從細(xì)菌豐度聚類熱圖(圖6)分析也可以看出,早、晚稻對(duì)照組及不同酸雨處理組的優(yōu)勢(shì)菌屬均存在較大差異,而優(yōu)勢(shì)菌的改變必然會(huì)導(dǎo)致群落結(jié)構(gòu)的改變.主成分分析(圖7)結(jié)果顯示,晚稻對(duì)照組與3個(gè)模擬酸雨處理組在主成分1軸(PC1)上的分布具有明顯的差異,各個(gè)處理所代表的點(diǎn)在空間上有一定距離,并且晚稻對(duì)照組與3個(gè)處理組的空間距離相距甚遠(yuǎn).在主成分2軸(PC2)上,早稻對(duì)照組與3個(gè)模擬酸雨處理組的空間距離相距較遠(yuǎn).說明模擬酸雨處理對(duì)稻田土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)改變顯著,且早、晚稻不同時(shí)期同樣會(huì)使得稻田土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)有所不同.

圖7 模擬酸雨作用下土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)PCA分析 Fig.7 PCA analysis of paddy soil bacterial community structure under simulated acid rain

2.4 稻田土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子及碳組分相關(guān)性分析

為了解環(huán)境因子和碳組分對(duì)于細(xì)菌群落多樣性的影響,本研究對(duì)細(xì)菌多樣性與環(huán)境因子及有機(jī)碳組分作以Spearman相關(guān)性分析(圖8,圖9).

結(jié)果顯示細(xì)菌屬H16的相對(duì)豐度與土壤電導(dǎo)率(EC)呈極顯著負(fù)相關(guān)(<0.01),的相對(duì)豐度與土壤電導(dǎo)率(EC)呈顯著負(fù)相關(guān)(<0.05);的相對(duì)豐度與土壤pH呈極顯著負(fù)相關(guān)(<0.01),的相對(duì)豐度與土壤pH呈顯著正相關(guān)(<0.05);以及的相對(duì)豐度均與土壤容重呈顯著正相關(guān)(<0.05).

圖8 稻田土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子相關(guān)性 Fig.8 Correlation between paddy soil bacteria community Structure and environmental factors

圖9 稻田土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與碳組分相關(guān)性 Fig.9 Correlation between paddy soil bacteria community structure and carbon fractions

此外,碳底物活性也是影響細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的重要因素[29-30].分析發(fā)現(xiàn)土壤總有機(jī)碳(SOC)與的相對(duì)豐度呈極顯著正相關(guān)(<0.01),與RB41的相對(duì)豐度呈顯著正相關(guān)(<0.05);可溶性有機(jī)碳(DOC)與的相對(duì)豐度呈顯著負(fù)相關(guān)(<0.05);易氧化有機(jī)碳(EOC)與的相對(duì)豐度呈顯著負(fù)相關(guān)(<0.05);土壤微生物量碳(MBC)與的相對(duì)豐度呈顯著負(fù)相關(guān)(<0.05),與H16的相對(duì)豐度呈顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.05).這些環(huán)境因子對(duì)多個(gè)屬有顯著影響,而且對(duì)于不同的菌屬的影響有所不同.

3 結(jié)語

3.1 模擬酸雨處理提高了福州平原某稻田早稻生長期土壤細(xì)菌的多樣性,但卻降低了晚稻生長期土壤細(xì)菌的多樣性.

3.2 模擬酸雨處理改變了稻田土壤細(xì)菌的豐度及群落結(jié)構(gòu),且不同處理中,細(xì)菌的優(yōu)勢(shì)菌屬及其豐度并不一致.

3.3 早稻生長期,pH3.5處理組與對(duì)照組之間的細(xì)菌多樣性及群落結(jié)構(gòu)差異最大,晚稻生長期,pH2.5處理組與對(duì)照組之間的細(xì)菌多樣性及群落結(jié)構(gòu)差異最大.

3.4 酸雨作用下,溶桿菌屬()和產(chǎn)黃桿菌屬()的豐度明顯升高,而馬賽菌屬()的豐度則顯著降低,說明溶桿菌屬()和產(chǎn)黃桿菌屬()為耐受酸雨最主要的菌屬,馬賽菌屬()則為受酸雨影響最大的主要菌屬.

3.5 細(xì)菌屬H16的相對(duì)豐度與土壤電導(dǎo)率(EC)呈極顯著負(fù)相關(guān)(<0.01),的相對(duì)豐度與土壤pH呈極顯著負(fù)相關(guān)(<0.01),的相對(duì)豐度與土壤總有機(jī)碳(SOC)呈極顯著正相關(guān)(< 0.01).

[1] 王文娟,楊知建,徐華勤.我國土壤酸化研究概述[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2015,43(8):54-56.Wang W, Yang Z, Xu H. Overview of soil acidification research in China[J].Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2015,43(8):54-56.

[2] Wang J, Wu J, Li R, et al. Research development and some problems discuss on acid rain in China [J]. Advances in Water Science, 2004, 15(4):526-530

[3] Arndt R L, Carmichael G R, Roorda J M. Seasonal source-receptor relationships in Asia [J]. Atmospheric Envionment, 1998,32(8):1397-1406.

[4] Lv Y, Wang C, Jia Y, et al. Effects of sulfuric, nitric, and mixed acid rain on litter decomposition, soil microbial biomass, and enzyme activities in subtropical forests of China [J]. Applied Soil Ecology, 2014,79:1-9.

[5] 陳彬彬,王 宏,鄭秋萍,等.福建省區(qū)域酸雨特征及成因分析[J]. 氣象與環(huán)境學(xué)報(bào), 2016,32(4):70-76.Cheng B, Wang H, Zheng Q et al. Characteristics and causes of regional acid rain in Fujian province [J]. Journal of Meteorology and Environment, 2016,32(4):70-76.

[6] 李明桃.酸雨對(duì)環(huán)境的危害分析[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技, 2014, (19):253-254.Li M. Analysis on harm of acid rain to Environment [J]. Modern agricultural technology, 2014,(19):253-254.

[7] Bachmann S, Gropp M, Lobermann B E. Phosphorus availability and soil microbial activity in a 3year field experiment amended with digested dairy slurry [J]. Biomass and Bioenergy, 2014,70:429-439.

[8] Averill C. Divergence in plant and microbial allocation strategies explains continental patterns in microbial allocation and biogeochemical fluxes [J]. Ecology Letters, 2014,17(10):1202-1210.

[9] Schmidt S K, Nemergut D R, Darcy J L, et al. Do bacterial and fungal communities assemble differentlyduring primary succession [J]. Molecular Ecology, 2014,23(2):254-258.

[10] 馬永躍,仝 川,王維奇,等.浮萍對(duì)福州平原稻田CH4和N2O排放的影響分析[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2012,20(6):723-727.Ma Y, Tong C, Wang W, et al. Effect of azolla on CH4and N2O emissions in Fuzhou Plain paddy fields [J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2012,20(6):723-727.

[11] Wang W, Zeng C, Sardans J, et al. Amendment with industrial and agricultural wastes reduces surface-water nutrient loss and storage of dissolved greenhouse gases in a subtropical paddy field [J]. Agriculture Ecosystems and Environment, 2016,231:296-303.

[12] Wang L, Wang W, Zhou Q, et al. Combined effects of lanthanum (III) chloride and acid rain on photosynthetic parameters in rice [J]. Chemosphere, 2014,112:355-361.

[13] 安婉麗,曾從盛,王維奇.模擬酸雨對(duì)福州平原水稻田溫室氣體排放的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2017,37(10):3984-3994.An W, Zeng C, Wang W. Simulation of effect of acid rain on greenhouse gases emissions in paddy field of Fuzhou plain [J]. Journal of Environmental Sciences, 2017,37(10):3984-3994.

[14] 中科院南京土壤研究所土壤物理室編.土壤物理性質(zhì)測(cè)定方法 [M]. 1978. Department of soil physics, Nanjing Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences. Method for determining soil physical properties [M]. 1978.

[15] 魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M]. 中國農(nóng)業(yè)科技出版社, 2000.Lu R. Soil agricultural chemical analysis method [M]. China Agricultural Science and Technology Press, 2000.

[16] 王寶霞.閩江口鱔魚灘入侵種互花米草與土著蘆葦濕地壤碳庫特征比較 [D]. 福州:福建師范大學(xué), 2011.Wang B, The characteristics of soil organic carbon pool of invasive species () and indigenous species () wetlands in Shanyutan of the Minjiang River Estury [D]. Fuzhou: Fujian Normal University, 2011.

[17] Liang G, Hui D, Wu X, et al. Effects of simulated acid rain on soil respiration and its components in a subtropical mixed conifer and broadleaf forest in southern China [J]. Environmental Science: Processes and Impacts, 2016,18(2):246-255

[18] 張萍華,申秀英,許曉路,等.模擬酸雨對(duì)中藥基質(zhì)土壤微生物的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2004,23(2):281-283.Zhang P, Shen X, Xu X, et al. Influence of simulated acid rain on the biomass of soil microbes in Chinese medicine base [J]. Journal of Agro-Environment Science, 2004,23(2):281-283.

[19] 孫 巖,全炳武.模擬酸雨對(duì)玉米幼苗生理與根際微生物的影響 [J]. 延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)學(xué)報(bào), 2009,31(3):165-171.Sun Y, Quan B. Effect of simulated acid rain on physiology and rhizosphere soil micro-organisms of corn seedlings [J]. Journal of Agricultural Science Yanbian University, 2009,31(3):165-171.

[20] 葉愛中,戴永久,夏 軍.降雨時(shí)間尺度上的降尺度分析研究[J]. 水文, 2007,27(5):16-20.Ye A, Dai Y, Xia J. SL/XR Comparative Test and Precision Analysis [J]. Hydrology, 2007,27(5):16-20.

[21] 袁紅朝,吳 昊,葛體達(dá),等.長期施肥對(duì)稻田土壤細(xì)菌古菌多樣性和群落結(jié)構(gòu)的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2015,26(6):1807-1813.Yuan H, Wu H, Ge T, et al. Effect of long-term fertilization on bacterial and archaeal diversity and community structure within subtropical red paddy soils [J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2015,26(6):1807-1813.

[22] 宋亞娜,林 艷,陳子強(qiáng).氮肥水平對(duì)稻田細(xì)菌群落及N2O排放的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2017,25(9):1266-1275.Song Y, Lin Y, Chen Z. Effect of nitrogen fertilizer level on bacterial community and N2O emission in paddy soil [J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017,25(9):1266-1275.

[23] 葉建生,劉道成,熊良偉,等.pH值對(duì)光合細(xì)菌生長的影響[J]. 漁業(yè)致富指南, 2008,1(23):61-62.Ye J, Liu D, Xiong L, et al. Effect of pH on the growth of photosynthetic bacteria [J]. Fisheries Guide to Fisheries, 2008,1(23):61-62.

[24] 陳家松.模擬酸雨脅迫對(duì)夏臘梅幼苗生理生長特性及土壤微生物多樣性影響[D]. 上海師范大學(xué), 2016.Chen J.Effect of simulated acid rain on the physiology, growth characteristics and microbial diversity ofseeding [D]. Shanghai Normal University, 2016.

[25] Wolsing M, Priemé A. Observation of high seasonal variation in community structure of denitrifying bacteria in arable soil receiving artificial fertilizer and cattle manure by determining T-RFLP of nir gene fragments [J]. FEMS Microbiology Ecology, 2004,48(2):261?271.

[26] Bremer C, Braker G, Matthies D, et al. Impact of plantfunctional group, plant species, and sampling time on the composition of nir K-type denitrifier communities in soil [J]. Applied and Environmental Microbiology, 2007,73(21):6876?6884.

[27] Mergel A, Schmitz O, Mallmann T, et al. Relative abundance of denitrifying and dinitrogen-fixing bacteria in layers of a forest soil [J]. FEMS Microbiology Ecology, 2001,36(1):33?42.

[28] 王妙瑩,許旭萍,王維奇,等.爐渣與生物炭施加對(duì)稻田土壤產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)的影響 [J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2018,38(8):2016-2828.Wang M, Xu X, Wang W, et al. Effects of slag and biochar amendments on methanogenic community structures in paddy fields [J]. Journal of Ecology, 2018,38(8):2016-2828.

[29] De Deyn G B, Cornelissen J H C. Plant functional traits and soil carbon sequestration in contrasting biomes [J]. Ecology Letters, 2008,11(5):16-53.

[30] Wardle D A. A comparative assessment of factors which influence microbial biomass carbon and nitrogen levels in soil [J]. Biological Reviews, 2008,67(3):321-358.

致謝：本實(shí)驗(yàn)在野外采樣和室內(nèi)分析過程中得到福建師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院王妙瑩、蘇程舉、王廣磊等同學(xué)的幫助,在此表示感謝.

Effect of simulated acid rain on paddy soil bacterial abundance and diversity in Fuzhou Plain.

WANG Xiao-tong1, LAN Xing-fu1, AN Wan-li2, XU Xu-ping1*, WANG Wei-qi2,3**

(1.College of Life Science, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China；2.Institute of Geography, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China；3.Key Laboratory of Humid Sub-tropical Eco-geographical Process of Ministry of Education, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China)., 2019,39(3)：1237~1244

In order to clarify the effect of acid rain on paddy soil bacteria, taken the paddy field in Fuzhou Plain as the study object, the composition and abundance of bacterial communities in early and late paddy soils under different acid rain treatments were determined and analyzed. The results showed that early paddy soil bacterial diversity was increased, however, late paddy soil bacterial diversity was decreased in the simulated acid rain treatment. Soil bacterial abundance and community structure was changed in the acid rain treatment, moreover,the dominant genus and its abundance of bacteria was not consistentin different treatments. The species diversity and community structure was significantly different between pH3.5 treatment and the controlin the early paddy, however, the species diversity and community structure was significantly different between the pH2.5 treatment and the control in the late paddy. The abundances ofandwas significantly increased, while the abundance ofwas significantly decreased in the acid rain treatments, which was indicated thatandwere the most important genus to tolerant the acid rain, moreover,was the most affected genus by acid rain. The relative abundance of bacterial genera H16 was significantly and negatively correlated with soil EC (<0.01), and the relative abundance ofwas significantly and negatively correlated with soil pH (<0.01), however, the relative abundance ofwas significantly and positively correlated with SOC (<0.01).

acid rain；bacteria；abundance；community structure；paddy fields in Fuzhou Plain

X171.5

A

1000-6923(2019)03-1237-08

王曉彤(1993-),女,陜西洛川人,福建師范大學(xué)碩士研究生,主要從事稻田微生物研究.

2018-07-26

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41571287,31000209);福建省公益類科研院所專項(xiàng)(2018R1034-1);福建省高校杰出青年科研人才培育計(jì)劃(2017)

* 責(zé)任作者, 教授, xuping@fjnu.edu.cn; **副研究員, wangweiqi@fjnu. edu.cn