張婷婷,王麗芳,張德健,路戰(zhàn)遠(yuǎn),程玉臣,李 福,劉戰(zhàn)勇,敦惠霞
(1.牧草與特色作物生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實驗室,內(nèi)蒙古呼和浩特 010070;2.內(nèi)蒙古大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070;3.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031)
我國作為農(nóng)業(yè)大國,每年產(chǎn)生9 億多t 秸稈,秸稈可用于還田、加工飼料等。但目前,許多農(nóng)戶將秸稈直接焚燒,不僅會造成環(huán)境污染,還可能會引發(fā)火災(zāi)。因此,秸稈利用是一個值得關(guān)注的農(nóng)業(yè)問題。將秸稈直接還田是目前利用秸稈資源最簡單有效的方式。秸稈還田可以改善土壤結(jié)構(gòu),而且由于秸稈中含有大量的碳、氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素[1-2],因此,可以提高土壤肥力[3-6],使作物增產(chǎn)增收[7-8]。此外,秸稈還田有利于土壤微生物的生長繁殖。土壤微生物作為生態(tài)環(huán)境的重要組成部分,不僅參與土壤物質(zhì)循環(huán)和能量流動,還是土壤的重要組成部分,是反映土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一[9-11]。目前,關(guān)于秸稈還田對微生物群落結(jié)構(gòu)影響的研究表明,對于不同的耕作方式而言,短時間內(nèi)免耕與翻耕相比,免耕會暫時降低土壤微生物的物種豐富度[12],但長時間的免耕會顯著提高土壤微生物豐富度和代謝功能[13-16];對于不同的秸稈還田方式及肥料管理來說,無論是秸稈覆蓋還是秸稈翻埋,合理配施氮、磷、鉀肥料均能有效提高土壤中細(xì)菌、真菌的多樣性[17],配施有機(jī)肥的土地中土壤質(zhì)量和微生物豐富度、多樣性也有明顯提高[18],當(dāng)然秸稈還田時有機(jī)肥和無機(jī)肥配施也能提高土壤微生物數(shù)量[19-21],且更靠近秸稈表層的土壤微生物數(shù)量明顯高于下層[22];對于作物生長的時期而言,秸稈還田之后在作物生長的各個時期土壤微生物代謝功能都有顯著提高[23];對于不同的還田物料而言,選擇合適的作物秸稈進(jìn)行還田也能顯著提高土壤微生物多樣性[24-25]。此外,水分管理方式不同、土地利用方式不同、土壤類型不同都會對微生物的群落產(chǎn)生一定影響[26-28]。前人的各種試驗結(jié)論雖然側(cè)重方向不同,但均表明合理的秸稈還田技術(shù)能夠提高土壤微生物群落的各方面指數(shù)。由此可知,在生產(chǎn)實踐中,探究更適合旱作農(nóng)業(yè)區(qū)土壤的秸稈還田方式十分重要。
土壤中微生物數(shù)量巨大、種類繁多,傳統(tǒng)的瓊脂培養(yǎng)基培養(yǎng)對于研究土壤微生物的群落多樣性并不適用。其他用于研究微生物多樣性的分子生物學(xué)技術(shù)中Biolog 平板法是測試活菌的代謝特性,試驗過程中必須確保菌株的存活;磷脂脂肪酸(PLFA)圖譜分析法,微生物在不同條件下磷脂脂肪酸的含量不同,會導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確;變性梯度凝膠電泳(DGGE)技術(shù),因為只顯示群落中的優(yōu)勢物種可能導(dǎo)致自然群落中細(xì)菌數(shù)量估計不準(zhǔn)確;此外還有TGGE、TTGE、T-RFLP、SSCP、FISH 等方法,而這些方法都存在操作繁瑣,無法準(zhǔn)確、全面地研究土壤微生物群落多樣性等缺點(diǎn)。與以上技術(shù)相比,高通量測序技術(shù)測定環(huán)境中的總DNA 并不需要對微生物進(jìn)行分離和純化,能夠更準(zhǔn)確地研究土壤中微生物以及低成本、高通量、流程自動化等優(yōu)點(diǎn),為認(rèn)識和利用未培養(yǎng)微生物提供了新的途徑。
本試驗研究了內(nèi)蒙古地區(qū)旱作農(nóng)業(yè)區(qū)不同小麥秸稈還田覆蓋度對土壤微生物群落多樣性的影響,并對土壤微生物群落使用高通量測序進(jìn)行測定,旨在從實踐中探討出最適合該地區(qū)的秸稈還田量,為內(nèi)蒙古地區(qū)秸稈還田技術(shù)的改進(jìn)提供理論基礎(chǔ)。
試驗于2018年在內(nèi)蒙古武川縣境內(nèi),地處北緯40°47′~41°23′,東經(jīng)110°31′~111°53′,屬中溫帶大陸型季風(fēng)氣候。該地區(qū)是典型的旱作農(nóng)業(yè),也是北方農(nóng)牧交錯帶典型代表區(qū)域。土壤以栗鈣土為主,0~20 cm表層土堿解氮的平均含量為86.00 mg/kg、速效磷平均含量為7.00 mg/kg、速效鉀含量平均為150.00 mg/kg、有機(jī)質(zhì)平均含量為1.72%、pH值8.54。無霜期124 d,年平均積溫為2 578.5℃,平均降水量為354.1 mm。試驗田已經(jīng)進(jìn)行了5年的先期秸稈還田處理。
試驗共設(shè)5個處理,分別為秸稈無覆蓋度、秸稈覆蓋度30%、秸稈覆蓋度50%、秸稈覆蓋度70%、秸稈覆蓋度90%,每個處理重復(fù)設(shè)置3次,共15個小區(qū),小區(qū)面積為220 m2,各小區(qū)以自然田埂分隔,小區(qū)隨機(jī)排列。在小麥?zhǔn)崭畹臅r候使用收割機(jī)將秸稈就地粉碎排出,使用打捆機(jī)將地表部分秸稈進(jìn)行回收,使剩余秸稈覆蓋度分別達(dá)到0、30%、50%、70%、90%,然后進(jìn)行翻耕,以此實現(xiàn)秸稈直接還田。
試驗供試材料為內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院選育的小麥品種——農(nóng)麥2號。小麥行距20 cm,磷酸二銨120 kg/hm2、尿素30 kg/hm2做種肥,其他水分管理、除草、病蟲害防治等管理措施參照當(dāng)?shù)爻R?guī)大田生產(chǎn)。
分別在小麥拔節(jié)期和開花期用土鉆取0~20 cm土層的土壤,采用5 點(diǎn)取樣法進(jìn)行取樣,將每個點(diǎn)中的土樣混合在一起,去除植物殘體、根系及可見土壤動物。采用試劑盒提取法測定土樣微生物DNA,將樣品送至上海派森諾生物公司進(jìn)行高通量測序,并進(jìn)行土壤微生物數(shù)量、種類及多樣性的測定。
拔節(jié)期無秸稈覆蓋、秸稈覆蓋度30%、秸稈覆蓋度50%、秸稈覆蓋度70%、秸稈覆蓋度90%,分別用X1B、X2B、X3B、X4B、X5B表示,開花期無秸稈覆蓋、秸稈覆蓋度30%、秸稈覆蓋度50%、秸稈覆蓋度70%、秸稈覆蓋度90%,分別用X1K、X2K、X3K、X4K、X5K表示。
細(xì)菌使用Illumina MiSeq 平臺進(jìn)行16S 測序,測序區(qū)域為rDNA的V4 區(qū),使用Greengene 注釋數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對。真菌使用454 FLX+平臺進(jìn)行ITS 測序,使用Unite 注釋數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對。
對于測序后的數(shù)據(jù),使用Qiime 進(jìn)行數(shù)據(jù)過濾和數(shù)據(jù)質(zhì)控,細(xì)菌質(zhì)控質(zhì)量值為Q20,真菌質(zhì)控質(zhì)量值為Q25。均使用雙末端測序,使用Qiime 將兩條reads 進(jìn)行連接。將得到的有效序列對照物種數(shù)據(jù)庫進(jìn)行注釋,再使用mothur 去除嵌合體。獲取的序列進(jìn)行操作分類單元(OTU)的聚類,使用Qiime 在97%相似度下聚類,然后生成稀釋曲線、Venn 圖、多樣品物種分布圖。使用mothur 計算出生物多樣性指數(shù)各分類學(xué)水平樣品物種豐富度統(tǒng)計。使用R 軟件繪制主成分分析圖和聚類分析熱圖。
不同秸稈覆蓋還田處理的土壤樣品微生物的序列統(tǒng)計結(jié)果見表1。由表1可以看出,不同秸稈覆蓋還田處理下拔節(jié)期土壤真菌有效序列的大小順序為覆蓋度50%>覆蓋度70%>無覆蓋>覆蓋度30%>覆蓋度90%。優(yōu)質(zhì)序列占比除無覆蓋、覆蓋度70%為76.82%、81.98%外,覆蓋度30%、覆蓋度50%、覆蓋度90%在86.56%~89.60%,平均達(dá)到84.48%;不同秸稈覆蓋還田處理下開花期土壤真菌有效序列的大小順序為覆蓋度70%>覆蓋度50%>覆蓋度30%>無覆蓋。開花期真菌優(yōu)質(zhì)序列占比除覆蓋度30%、覆蓋度50%為83.46%、83.39%外,無覆蓋和覆蓋度70%為90.49%、88.60%。不同秸稈覆蓋還田處理下拔節(jié)期土壤細(xì)菌有效序列的大小順序為覆蓋度70%>覆蓋度30%>無覆蓋>覆蓋度90%>覆蓋度50%。拔節(jié)期細(xì)菌優(yōu)質(zhì)序列占比除覆蓋度70%為82.96%外,無覆蓋、覆蓋度30%、覆蓋度50%、覆蓋度70%、覆蓋度90%在92.89%~93.60%,平均達(dá)到93.27%;不同秸稈覆蓋還田處理下開花期土壤細(xì)菌有效序列的大小順序為覆蓋度30%>覆蓋度70%>覆蓋度50%>無覆蓋。開花期細(xì)菌優(yōu)質(zhì)序列占比在93.15%~93.65%,平均達(dá)到93.44%。
表1 樣本序列數(shù)據(jù)統(tǒng)計
使用操作分類單元(OTU)的Venn 統(tǒng)計多個樣品中獨(dú)有和共有的OTUs 數(shù)目,通過圖1可以直觀反映環(huán)境樣品的OTUs 重疊情況。
真菌OTUS 聚類情況(圖1),拔節(jié)期所有樣品的2 827個分類單元中真菌OTUs 共有數(shù)目為137個,占每個處理土壤樣品總OTUs的18%~28%。每個樣品中各自特有的OTUs 占其自身比例均在26%以上,比例最高的是X1B,占自身比例的47%,其次是X4B、X3B、X2B、X5B。開花期2 532個分類單元中有130個是所有樣品共有的,占每個樣品的20%~30%。每個樣品中各自特有的OTUs 占其自身比例大都在22%以上,比例最高的為X3K,占自身比例的39%,其次是X4K、X5K、X2K、X1K。真菌各個樣品中獨(dú)有和共有的OTUs 均在20%以上,OTUs 重合度和物種的相似度較低。表明樣品中真菌群落對秸稈還田的響應(yīng)相對較差。
圖1 小麥拔節(jié)期和開花期的土壤真菌OTUs 分布Venn
細(xì)菌聚類情況(圖2),拔節(jié)期細(xì)菌22 978個OTUs中有2 884個是所有樣品共有的,占每個樣品的59%~69%。每個樣品中各自特有的OTUs 占其自身比例均不足1%,最高的是X3B,其次是X4B、X2B、X1B、X5B。開花期細(xì)菌22 095個OTUs中有2 670個是所有樣品共有的,占每個樣品的56%~68%。除X2K 以外,每個樣品中各自特有的OTUs 占其自身比例均不足1%。細(xì)菌各個樣品中OTUs 重疊性較高,物種的種類大致相同。
2.2.1 稀釋曲線 稀釋曲線(rarefaction curve)是通過抽取序列,從抽取到的序列中看其所能代表的OTUs的數(shù)量,表明樣本的取樣大小是否合理;如果測序數(shù)量不同,也可以使用稀釋曲線表示樣本物種的豐富度。
圖3和圖4中稀釋曲線基本趨于平緩,表明本抽取序列代表的OTUs 覆蓋度已經(jīng)飽和,樣品中絕大多數(shù)微生物已經(jīng)包含在數(shù)據(jù)庫中。本研究的數(shù)據(jù)能夠比較真實、準(zhǔn)確地反映樣品中的微生物群落組成情況。
圖2 小麥拔節(jié)期和開花期的土壤細(xì)菌OTUs 分布Venn
圖3 真菌稀釋曲線
圖4 細(xì)菌稀釋曲線
2.2.2 物種豐富度分析 由表2中ACE指數(shù)和Chao指數(shù)估計物種總數(shù),以代表物種豐富度,ACE或Chao指數(shù)越大,表明群落豐富度越高。真菌的豐富度從ACE指數(shù)來看大小順序為X1B>X3K>X4B>X2B>X3B>X4K>X5B>X5K>X1K>X2K,最高的為X1B(拔節(jié)期無覆蓋)1 450.16,其次為X3K(開花期覆蓋度50%)1 201.79;從Chao指數(shù)來看大小順序為X1B>X3K>X4B>X3B>X4K>X2B>X5B>X5K>X1K>X2K,最高為X1B(拔節(jié)期無覆蓋)的1 230.00,其次為X3K(開花期覆蓋度50%)1 019.68。細(xì)菌的豐富度從ACE指數(shù)來看大小順序為X2B>X3B>X3K>X2K>X5B>X4K>X1K>X5K>X4B>X1B,最高為X2B(拔節(jié)期覆蓋度30%)的5 314.22,其次為X3B(拔節(jié)期覆蓋度50%)5 286.29;從Chao指數(shù)來看大小順序為X2B>X3K>X2K>X3B>X4K>X5B>X4B>X1K>X5K>X1B,最高為X2B(拔節(jié)期覆蓋度30%)的5 333.27,其次為X3K(開花期覆蓋度50%)5 308.82。因此,真菌豐富度指數(shù)在無覆蓋度和覆蓋度50%時最高,細(xì)菌豐富度指數(shù)在覆蓋度30%和50%時最高。
Alpha 多樣性是描述同一個生態(tài)環(huán)境中各個物種共存狀態(tài)的量,用于研究樣本內(nèi)物種的多樣性。Shannon-Wiener指數(shù)和Simpson指數(shù)用于表示物種多樣性,Shannon-Wiener值越大,表明群落多樣性越高;Simpson指數(shù)越大,表明群落多樣性越低。由表2可知,真菌群落多樣性從Shannon-Wiener指數(shù)來看,大小順序為X5B>4K>X5K>X2K>X1B>X1K>X2B>X3K>X4B>X3B,最高為X5B(拔節(jié)期覆蓋度90%)的4.587 9,其次是X4K(開花期覆蓋度70%)的4.581 2;從Simpson指數(shù)來看,大小順序為X4K>X5B>X5K>X2K>X1K>X3K>X1B>X2B>X4B>X3B,最高為X4K(開花期覆蓋度70%)的0.023 9,其次是X5B(拔節(jié)期覆蓋度90%)的0.032 0。細(xì)菌群落多樣性從Shannon-Wiener指數(shù)來看,大小順序為X2K>X3B>X3K>X2B>X4B>X1K>X5B>X4K>X5K>X1B,最高為X2K(開花期覆蓋度30%)的7.013 8,其次是X3B(拔節(jié)期覆蓋度50%)的6.953 4;從Simpson指數(shù)來看,大小順序為X2K>X3B>X1K=X2B=X3K>X4B>X5K>X5B=X4K>X1B,最高為X2K(開花期覆蓋度30%)的0.002 6,其次是X3B(拔節(jié)期覆蓋度50%)的0.002 7。真菌多樣性指數(shù)在覆蓋度70%和90%時最高,細(xì)菌多樣性指數(shù)在覆蓋度30%和50%時最高。
表2 群落豐富度指數(shù)與多樣性指數(shù)
2.4.1 群落組成分析 群落組成結(jié)構(gòu)分析是以百分比柱狀圖的形式展示多個樣品中各分類水平上生物的組成比例情況。
由圖5可知,真菌中占優(yōu)勢的主要有子囊菌門(Ascomycotina)、擔(dān)子菌門(Basidiomycotina)、接合菌門(Zygomycotina)。其中,子囊菌門在各處理各生育時期均占優(yōu)勢,X2B、X2K(覆蓋度30%)的子囊菌門(Ascomycotina)占比最大,無覆蓋樣品中子囊菌門(Ascomycotina)所占比例為所有樣品中最小。無覆蓋(X1B、X1K),覆蓋度30%(X2B、X2K),覆蓋度90%(X5B、X5K)時,子囊菌門(Ascomycotina)在兩個時期的占比都比較穩(wěn)定,其余樣品都是開花期比拔節(jié)期所占比例略微提高。秸稈覆蓋能明顯提高優(yōu)勢菌種的占比,覆蓋度為30%時能使真菌優(yōu)勢菌種維持在較高水平,覆蓋度為50%和70%時,隨著時間推移能明顯提高優(yōu)勢菌種的占比。
圖5 真菌群落結(jié)構(gòu)組成
圖6中細(xì)菌中占優(yōu)勢的主要有疣微菌門(Verrucomicrobia)、變形菌門(Proteobacteria)、浮霉菌門(Planctomycetes)、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)、厚壁菌門(Firmicutes)、綠彎菌門(Chloroflexi)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、放線菌門(Actinobacteria)、酸桿菌門(Acidobacteria)。其中,變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)和酸桿菌門(Acidobacteria)在各處理各生育時期均占優(yōu)勢。變形菌門(Proteobacteria)無覆蓋情況下開花期所占比例會相對減少,覆蓋度30%(X2B、X2K)時占比變化不大,覆蓋度50%以上開花期比拔節(jié)期占比會略微提高;放線菌門(Actinobacteria)各個覆蓋度中開花期占比都比拔節(jié)期略微下降;酸桿菌門(Acidobacteria)除覆蓋度為30%(X2B、X2K)的樣品外,其余都是開花期占比相對于拔節(jié)期高。隨著時間的推移,優(yōu)勢菌種占比有升有降,秸稈覆蓋更有利于提高細(xì)菌群落的均勻度。
圖6 細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成
2.4.2 主成分分析 主成分分析(PCA)是將數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分解之后,把差異歸納到一張坐標(biāo)圖上,橫縱兩個坐標(biāo)軸表示該成分對于不同樣品的影響,用各點(diǎn)之間的距離表示樣品的差異,距離越近說明兩個樣品的微生物群落差異越小。
由圖7可知,真菌X1K(開花期無覆蓋)和X2K(開花期覆蓋度30%)的真菌群落差異最小,與X1K、X2K 差異最大的是X3K(開花期覆蓋度50%);所有樣品中差異最大的是X3K(開花期覆蓋度50%)和X3B(拔節(jié)期覆蓋度50%)。秸稈覆蓋度為50%時,隨著時間推移群落組成變化較大,群落多樣性更高。細(xì)菌距離最近的是X1K(開花期無覆蓋)和X4K(開花期覆蓋度70%),距離最遠(yuǎn)的是X1B(拔節(jié)期無覆蓋)和X2K(開花期覆蓋度30%)。更重要的是X2B(拔節(jié)期覆蓋度30%)和X2K(開花期覆蓋度30%)的群落差別并不大,X3B(拔節(jié)期覆蓋度50%)和X3K(開花期覆蓋度50%)的差別也不大。覆蓋度為30%和50%時細(xì)菌的群落差異不大,群落結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定。
2.4.3 聚類分析熱圖 聚類分析熱圖(heatmap)是將表格數(shù)據(jù)使用更直觀的色塊表示,用顏色深淺表示豐富度的大小,并表示各個樣品差異大小。
圖8中真菌群落結(jié)構(gòu)最相近的是X3K(開花期覆蓋度50%)和X4B(拔節(jié)期覆蓋度70%),并且X3K(開花期覆蓋度50%)與X3B(拔節(jié)期覆蓋度50%)差異較大。與PCA分析一致證明覆蓋度為50%時真菌群落組成差異較大。
圖9中細(xì)菌群落最相近的是覆蓋度為30%的時(X2B、X2K)和X3B(拔節(jié)期覆蓋度50%),其次是X4K(開花期覆蓋度70%)和X5K(開花期覆蓋度90%)。與PCA分析一致證明覆蓋度為30%和50%時群落結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定。
圖7 主成分分析
前人研究已經(jīng)證明,秸稈還田會對土壤微生物產(chǎn)生積極影響,會提高微生物群落豐富度和土壤微生物代謝能力等[29]。秸稈含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì),秸稈還田之后可以為土壤微生物提供豐富的營養(yǎng)物質(zhì),供其生長發(fā)育,增加了土壤微生物的多樣性[30]。
由本試驗中操作分類單元(Venn 圖1、圖2)可知,各樣品中細(xì)菌群落共有的OTUs種類占自身比例較大,特有的OTUs種類較少;各樣品中真菌群落特有的OTUs種類占自身比例較多,共有的OTUs種類較少。
本試驗單個樣品群落內(nèi)的豐富度分析中,對于豐富度指數(shù)的分析表明秸稈覆蓋度為50%時能讓真菌和細(xì)菌的豐富度維持在較高水平。對于覆蓋度超過某一程度之后微生物群落豐富度反而會下降的原因,前人有研究表明,雖然秸稈還田會為土壤提供營養(yǎng)物質(zhì)支持植物和微生物生長,但是秸稈中含碳較多,秸稈還田會使土壤碳氮比升高,如果土壤中沒有足夠的氮,會導(dǎo)致植物和細(xì)菌出現(xiàn)“爭氮”的現(xiàn)象,從而限制微生物的生長發(fā)育,會導(dǎo)致微生物群落豐富度下降[31-34]。
圖8 真菌聚類分析熱圖
圖9 細(xì)菌聚類分析熱圖
從單個樣品群落間的多樣性分析來看,Alpha多樣性分析表明真菌和細(xì)菌多樣性的峰值出現(xiàn)在不同的覆蓋度上。真菌在覆蓋度為90%和70%時多樣性較高,而細(xì)菌在覆蓋度為50%和30%時多樣性較高,并且相比無秸稈覆蓋的樣品微生物的多樣性明顯提高。
本試驗的主成分分析和聚類分析熱圖都表明真菌在覆蓋度50%的樣品中開花期和拔節(jié)期群落組成差異較大,細(xì)菌在覆蓋度為30%和50%時群落結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定。因此,覆蓋度50%時更有利于提高真菌群落的多樣性和維持細(xì)菌群落的均勻度和穩(wěn)定性。
綜合群落內(nèi)和群落間的分析,當(dāng)小麥秸稈還田覆蓋度為50%時,能使微生物群落豐富度維持在較高水平,同時保證微生物的多樣性較高和均勻度較好且群落比較穩(wěn)定,這與韓新忠等[34]的研究結(jié)果一致。
本試驗表明,秸稈覆蓋度不同對土壤微生物的影響不同:有秸稈覆蓋的情況下,土壤微生物多樣性高且群落穩(wěn)定,特別是當(dāng)小麥秸稈還田覆蓋度為50%時,能夠使土壤微生物群落保持在較穩(wěn)定水平。另外,本試驗顯示,小麥秸稈還田覆蓋度為70%時也對土壤微生物群落多樣性有較大正面影響,但還需探究。