哈尼梯田傳統(tǒng)耕作方式下的水稻土壤微生物多樣性及功能特征分析

王凱悅 張仲富 王好才 展鵬飛 宋維峰 陸 梅 王 行

（1. 西南林業(yè)大學(xué)云南省高原濕地保護(hù)修復(fù)與生態(tài)服務(wù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650233；2. 西北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西 西安710069；3. 西南林業(yè)大學(xué)國(guó)家高原濕地研究中心/濕地學(xué)院，云南 昆明 650233；4. 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350007；5. 西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650233）

微生物是土壤物質(zhì)形成與轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力[1-2]，同時(shí)也是地球元素循環(huán)的引擎[3]，對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定具有重要意義。研究土壤微生物群落空間分布格局以及功能特征有助于進(jìn)一步闡明土壤生態(tài)功能[4]。微生物群落結(jié)構(gòu)及功能變化勢(shì)必導(dǎo)致土壤功能的強(qiáng)弱、指向性趨勢(shì)發(fā)生變化。由于土壤微生物對(duì)環(huán)境改變十分敏感，因此可以通過對(duì)微生物群落特征變化的研究得知土壤狀況的改變[5]。當(dāng)前，隨著人口數(shù)量不斷增大，土地利用類型發(fā)生了極大的變化，人們對(duì)土地利用的關(guān)注度持續(xù)上升，原生土地被人為干擾程度相較于其他土地方式的轉(zhuǎn)變更加明顯，其中農(nóng)田耕作是自然土壤最大的干擾源[6]。大量研究表明，人為因素的干擾改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征[7]。如靳振江[8]以太湖地區(qū)典型的潴育型水稻土-黃泥土為試驗(yàn)田，將采樣區(qū)分為不施肥小區(qū)、單施化肥小區(qū)、化肥配施秸稈小區(qū)和化肥配施豬糞小區(qū)，對(duì)各小區(qū)進(jìn)行對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田單施化肥導(dǎo)致土壤微生物多樣性明顯減少；祖智波等[9]也在其研究中指出，機(jī)械耕作土壤中的好氣性細(xì)菌、厭氣性細(xì)菌、放線菌數(shù)量都低于少耕土壤。當(dāng)前，絕大多數(shù)研究以現(xiàn)代機(jī)械耕作下的水稻土作為研究對(duì)象，且重點(diǎn)關(guān)注不同施肥方式的影響，傳統(tǒng)農(nóng)耕下的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及潛在功能變化特征尚不明確。

哈尼梯田是我國(guó)西南山地農(nóng)業(yè)耕作方式的典型代表，廣泛分布于云南省紅河州境內(nèi)，州內(nèi)水稻耕作面積約有12 667 hm2[10]。哈尼梯田水稻種植區(qū)是哈尼族人由森林開墾而來，他們創(chuàng)造性地利用了水熱條件適宜的中山緩坡地帶，建造并維持了以水梯田為主體、具有獨(dú)特生態(tài)功能的亞熱帶山地農(nóng)業(yè)景觀[11]。近些年對(duì)哈尼梯田土壤的研究大多集中于土壤重金屬[10]、土壤養(yǎng)分[12-13]等方面。對(duì)于揭示傳統(tǒng)耕作方式下土壤微生物的特征及其與附近未受干擾原生土壤——森林土作對(duì)比的研究還未見報(bào)道。因此，本研究以哈尼梯田水稻土與森林土作為研究對(duì)象，采用高通量技術(shù)對(duì)比研究了2種土壤中的微生物群落結(jié)構(gòu)及潛在功能特征，旨在揭示傳統(tǒng)人為耕作方式對(duì)哈尼梯田水稻土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及功能變化的影響，以期為進(jìn)一步了解人為干擾下的土壤生態(tài)功能演變提供科學(xué)依據(jù)和理論支持。

1 研究區(qū)概況

哈尼梯田核心區(qū)位于云南省元陽(yáng)縣（102°27′～103°13 ′E，22°49′～23°19 ′N），面積2 189.88 km2，最高海拔3 074.3 m，最低海拔105 m[14]，屬哀牢山南部，為中山深切割地貌類型，北部與元江水系相鄰，南部受藤條江的切割[15]，地形由西北向東南傾斜[16]。境內(nèi)地勢(shì)陡峻，坡度在25°以上的土地占土地總面積的59.1%。研究區(qū)屬于山地季風(fēng)氣候，雨熱同季、冬無嚴(yán)寒、夏無酷暑，立體氣候顯著[17]，年平均溫度11.6 ℃，年平均降水約3.2 mm/d。以森林、村莊、梯田、水系為物質(zhì)載體，梯田的開墾及種植歷史有1 300多年[11-19]。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與樣品采集

采樣區(qū)域位于紅河哈尼族彝族自治州的東部元陽(yáng)縣西南部，采用大規(guī)模采樣調(diào)查，采樣區(qū)面積約226.56 km2，沿海拔梯度進(jìn)行采樣，樣品主要分布于元陽(yáng)梯田景區(qū)內(nèi)、綠春縣、甲寅鎮(zhèn)附近。水稻土采集完整梯田內(nèi)的土壤，森林土采集水稻土附近森林內(nèi)未經(jīng)人為耕作、自然狀態(tài)下的土壤。具體地，在每一處水稻土采樣點(diǎn)附近相應(yīng)設(shè)置具有典型森林特征的一處森林土采樣點(diǎn)，沿海拔梯度共采集10處水稻土，分別對(duì)應(yīng)周圍10處森林土采樣點(diǎn)，保證各采樣點(diǎn)之間的配對(duì)關(guān)系，使樣品之間具有可比性。采樣區(qū)森林中多生長(zhǎng)杉樹純林、云南松純林、杉樹-云南松混交林這類亞熱帶常綠闊葉林。水稻土與森林土樣品采集時(shí)間為水稻生長(zhǎng)盛期（2018年6月份）。在水稻土采樣區(qū)內(nèi)沿海拔梯度設(shè)置10個(gè)5 m×5 m的樣方，選取稻田中心土壤進(jìn)行取樣（避免邊緣效應(yīng)），每個(gè)樣方均利用對(duì)角線多點(diǎn)（共選取5點(diǎn)）混合取樣法采集0～15 cm表層土壤[19]。森林土的采樣點(diǎn)選取距離水稻土采樣點(diǎn)較近的森林中心區(qū)域的林下土壤，采樣方式同水稻土。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)分析研究以及高分衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)歷史判讀，確保所選森林土沒有經(jīng)過人為耕作管理，通過與水稻土進(jìn)行對(duì)比研究，能夠真實(shí)反映人為耕作對(duì)原生土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的干擾響應(yīng)特征。研究區(qū)域的氣候數(shù)據(jù)，包括每個(gè)采樣點(diǎn)的年平均降水量和年平均溫度等均來自WorldClim全球氣候數(shù)據(jù)集[20]。

2.2 土壤樣品理化指標(biāo)分析

土壤理化性質(zhì)的測(cè)定主要參考鮑士旦的《土壤農(nóng)化分析》[21]。土壤總氮（TN）采用半微量凱氏定氮法測(cè)定；總碳（TC）采用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定；總磷（TP）采用消解鉬銻抗分光光度法測(cè)定；土壤中有效磷（Olsen-P）采用碳酸氫鈉浸提鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤pH采用酸度計(jì)法測(cè)定；利用環(huán)刀中的土樣可一次性測(cè)定土壤容重等基本理化指標(biāo)；土壤導(dǎo)電率（Conductivity）采用電極法進(jìn)行測(cè)定[5]；淹水深度（FD）使用米尺測(cè)量。

2.3 土壤微生物DNA提取和16S rRNA擴(kuò)增子測(cè)序

土壤DNA提取使用CTAB法，共提取20份DNA，其中包括水稻土10份，森林土10份。DNA的質(zhì)量用Nanodrop 2000c檢測(cè)，后利用引物515F（5′-GTGCCAGCMGCCGCGG-3′）和 907R（5′-CCG-TCAATTCMTTTRAGTTT-3′）對(duì)細(xì)菌16S rRNA進(jìn)行PCR擴(kuò)增[22]。反應(yīng)體系為：5 U/μL Taq酶 0.25 μL，10×PCR反應(yīng)緩沖液5 μL，2.5 mmol/L dNTP 4 μL，10 μmol/L正反向引物各1 μL，DNA模板1 μL（約20～50 ng），加水至50 μL。擴(kuò)增條件為： 95 ℃預(yù)變性5 min；然后在95 ℃ 30 s，55 ℃ 30 s，72 ℃ 60 s，共進(jìn)行24個(gè)循環(huán)；最后在72 ℃延伸8 min。獲得擴(kuò)增產(chǎn)物后，利用Agarose Gel DNA Fragment Recovery Kit試 劑 盒（Ta KaRa）切膠純化，并溶于100 μL Dnase-free水中。PCR產(chǎn)物的純度和濃度使用QuantiFluor TM-ST藍(lán)色熒光定量系統(tǒng)（Promega，美國(guó)）進(jìn)行檢測(cè)定量。在文庫(kù)質(zhì)檢后，使用Illumina MiSeq測(cè)序儀進(jìn)行測(cè)序[23]。

2.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用QIIME（Version 1.7.0）對(duì)細(xì)菌16S rRNA進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的處理[24]；應(yīng)用軟件R語(yǔ)言的vegan包計(jì)算樣品Alpha多樣性，使用ggplot2包對(duì)將數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，使用AI（Adobe illustrator）圖片處理工具對(duì)所做圖形進(jìn)行美化，使用SPSS 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)差異性檢驗(yàn)。Alpha多樣性包括種群豐富度、Chao1指數(shù)、Simpson指數(shù)、Shannon指數(shù)、ACE指數(shù)；對(duì)樣品Beta多樣性的分析在多元統(tǒng)計(jì)分析軟件Canoco 5.0中進(jìn)行，并通過Weighted Unifrac PCoA分析得出微生物群落結(jié)構(gòu)在樣品間的差異。將代表性微生物序列對(duì)比RDP參考數(shù)據(jù)庫(kù)可以得到物種信息，對(duì)物種門、屬水平進(jìn)行分析后獲得樣本優(yōu)勢(shì)物種相對(duì)豐度信息，隨后通過Venn圖得出樣本中的核心群落并對(duì)核心群落進(jìn)行功能分析比較。在OmicShare（http://www.omicshare.com/tools）平臺(tái)上進(jìn)行典型相關(guān)分析（CCA），得出對(duì)環(huán)境變化敏感的微生物，由2組樣本的Circos圖獲得核心微生物群落的豐度；在Galaxy在線分析平臺(tái)進(jìn)行LEfSe差異統(tǒng)計(jì)分析，找到組間生物標(biāo)志物。FAPROTAX特別適用于對(duì)環(huán)境樣本的生物地球化學(xué)循環(huán)過程（特別是碳、氫、氮、磷、硫等）進(jìn)行功能注釋預(yù)測(cè)，因此本研究采用FAPROTAX v1.1進(jìn)行微生物功能預(yù)測(cè)分析。利用博大研究所開發(fā)的在線工 具 Morpheus（https://software.broadinstitute.org/morpheus/）繪制微生物功能特征的熱圖（Heatmap），由圖進(jìn)一步判斷微生物的功能差異。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤理化性質(zhì)分析

由表1可知，水稻土與森林土相比，土壤中的總碳、總磷明顯下降，分別下降了59.15%、36.59%，表明由于反復(fù)耕作使得土壤有機(jī)質(zhì)含量下降[25-26]；人為耕作對(duì)土地的改造（如施加磷肥及農(nóng)田灌溉等），使得土壤有效磷含量和淹水深度明顯增加；水稻土與森林土pH差異不顯著，均呈酸性，且電導(dǎo)率也無明顯差異；水稻土中總氮含量略有下降但差異不顯著。

表 1 水稻土與森林土壤理化性質(zhì)特征Table 1 The physical and chemical properties of paddy soil and forest soil

3.2 土壤微生物群落多樣性分析

由表2可知，森林土微生物的物種豐富度為17 494個(gè)，人為耕作影響下的哈尼梯田水稻土微生物的物種豐富度增加到23 023個(gè)。與森林土相比，水稻土Chao1指數(shù)、ACE指數(shù)顯著分別增加了107.32%和117.96%；水稻土壤微生物的Shannon指數(shù)較森林土有小幅增加，而Simpson指數(shù)在兩者之間沒有顯著差異。

表 2 水稻土與森林土微生物Alpha多樣性指數(shù)Table 2 Alpha diversity index of microorganisms in paddy soil and forest soil

樣品的取樣深度可以通過稀釋曲線來評(píng)價(jià)測(cè)序量能否覆蓋所有類群，其結(jié)果見圖1。隨著測(cè)序深度的增加，土壤樣品稀釋曲線呈上升趨勢(shì)，說明樣品的物種多樣性較高，但仍有較多未被檢測(cè)到的物種，水稻土的物種豐度明顯大于森林土。同時(shí)，圖1b的Rank-Abundance曲線表明，森林土曲線相比水稻土更加平緩，因此森林土中的微生物物種分布更加均勻。

微生物群落的Beta多樣性采用Weighted Unifrac PCoA進(jìn)行分析，結(jié)果見圖2。由圖2可知，虛線圈分別涵蓋了大部分的采樣點(diǎn)并聚類明顯、區(qū)分度較高，表明水稻土與森林土微生物群落組成存在較大差異。其軸1和軸2的解釋度分別為44.32%和5.25%，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到49.57%。森林土位于軸1的正端，水稻土集中分布于軸1負(fù)端，表明不同土壤樣品之間微生物群落結(jié)構(gòu)的差異主要由排序軸1決定。

圖 1 物種相對(duì)豐度稀釋曲線Fig. 1 Relative abundance dilution curve of species

圖 2 水稻土與森林土壤微生物群落結(jié)構(gòu)Beta多樣性分析Fig. 2 The Beta diversity of microbial community structure in paddy soil and forest soil

3.3 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)分析

3.3.1微生物分布特征分析

Venn圖可表示樣品中微生物數(shù)目組成的相似性以及重疊情況，水稻土樣本中共檢測(cè)到959個(gè)微生物OTU單元，占55.08%，森林土樣本含有1 186個(gè)微生物微生物OTU單元，占74.40%（圖3a、3b），人為耕作活動(dòng)對(duì)土壤的干擾導(dǎo)致土壤核心微生物群落數(shù)量減少了19.14%。進(jìn)一步將水稻土與森林土的核心微生物群落進(jìn)行分析，得出其重疊狀況（圖3c），兩者重疊的OTU有106個(gè)，其優(yōu)勢(shì)物種為厭氧粘細(xì)菌（Anaeromyxbacter）以及黃單胞桿菌（Xanthomonadales），重疊率僅占總數(shù)的5.20%。水稻土特有OTU單元853個(gè)，包括擬桿菌（Bacteroidetes）、硝化螺旋菌（Nitrospirae）等，森林土特有OTU單元1 080個(gè)，以浮藻菌（Planctomycetes）、β-變形菌（Betaproteobacteria）等優(yōu)勢(shì)微生物為主。

圖 3 水稻土與森林土壤微生物OTU分布Venn圖Fig. 3 Venn diagram of paddy soil and forest soil microbial OTU distribution

3.3.2門水平群落結(jié)構(gòu)分析

以門為分類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)樣品進(jìn)行分析（圖4a），森林土以放線菌門（Actinobacteria）為優(yōu)勢(shì)菌門（28.94%），其他優(yōu)勢(shì)菌門包括綠彎菌門（Chloroflexi，21.16%）、浮藻菌門（20.43%）和硝化螺旋菌門（7.98%）。水稻土以綠彎菌門為優(yōu)勢(shì)菌門（37.64%），其他優(yōu)勢(shì)菌門包括擬桿菌門（11.54%）、硝化螺旋菌門（8.09%）和放線菌門（8.03%）等。與森林土相比，水稻土中的放線菌門和浮藻菌門顯著減少，分別減少了20.92%和14.53%；而綠彎菌門和擬桿菌門顯著增加，分別增加了16.48%和6.28%。

3.3.3屬水平群落結(jié)構(gòu)分析

以屬為分類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)樣品進(jìn)行分析（圖4b），水稻土以地桿菌（Geobacter）為優(yōu)勢(shì)菌屬（21.01%），其他優(yōu)勢(shì)菌屬包括螺旋體屬（Spirochaeta，18.00%）、慢生根瘤菌屬（Bradyrhizobium，17.23%）、厭氧粘細(xì)菌（12.89%）以及同營(yíng)養(yǎng)桿菌（Syntrophorhabdus，10.27%）。森林土中以慢生根瘤菌屬為優(yōu)勢(shì)菌屬（26.66%），其他優(yōu)勢(shì)菌屬有三角變形桿菌（Deltaproteobacterium，18.87%）、嗜酸棲熱菌屬（Acidothermus，13.56%）、Haliangium（11.39%）和布氏桿菌屬（Bryobacter，11.38%）。在屬水平進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，水稻土樣品中的厭氧粘細(xì)菌和慢生根瘤菌屬顯著增加，分別增加了16.72%和15.12%；而嗜酸棲熱菌屬顯著減少，減少了12.80%。

圖 4 土壤微生物在門和屬分類水平上的群落結(jié)構(gòu)Fig. 4 Soil microbial communities at the level of phylum and genus

3.3.4關(guān)鍵指示微生物分析及相關(guān)功能列表

對(duì)哈尼梯田水稻土與森林土的核心微生物進(jìn)行分析，揭示關(guān)鍵指示微生物的物種信息。以屬為分類標(biāo)準(zhǔn)得到在水稻土中的優(yōu)勢(shì)菌為地桿菌屬（27.85%）、螺旋體菌屬（20.67%）和厭氧粘細(xì)菌（20.13%）；在森林土中的優(yōu)勢(shì)菌為慢生根瘤菌屬（29.45%）和嗜酸棲熱菌屬（19.70%）（圖5）。菌群功能詳見表3。

表 3 核心微生物相關(guān)功能Table 3 Core microbial and their related functions

圖 5 水稻土與森林土屬水平核心微生物群落分布特征Fig. 5 Distribution characteristics of core microbial communities of order horizontal in paddy soil and forest soil

3.3.5組間LDA差異貢獻(xiàn)分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證傳統(tǒng)農(nóng)耕方式下的哈尼梯田水稻土與森林土微生物組成的相似性和差異性，采用LEfSe進(jìn)行差異統(tǒng)計(jì)分析，找到組間具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異的生物標(biāo)記物（Biomarker）。設(shè)定LDA score=4.1時(shí)進(jìn)行LDA非參數(shù)秩和檢驗(yàn)，通過檢驗(yàn)找出哈尼梯田水稻土與森林土樣品中微生物在不同分類水平上可能存在的生物標(biāo)志物。由圖可以看出，森林土有12個(gè)生物標(biāo)志物，水稻土有8個(gè)生物標(biāo)志物，地桿菌是水稻土中影響最大的生物標(biāo)志物（圖6），慢生根瘤菌是森林土中影響最大的微生物標(biāo)志物。該研究結(jié)果與圖5得到的結(jié)果具有一致性。

3.4 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的相關(guān)性分析

微生物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的典型相關(guān)分析（CCA），結(jié)果見圖7。水稻土軸1的解釋度為54.47%，軸2的解釋度為15.77%，2個(gè)軸累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到70.24%。淹水深度對(duì)水稻土壤微生物的分布影響最為顯著，總磷與土壤微生物群落的相關(guān)性最高。在屬分類水平上，地桿菌（Geobacter）和螺旋體屬（Spirochaeta）等分布比較集中，且與海拔、總磷等環(huán)境因子所成夾角較小，表明土壤中的這些微生物對(duì)土壤環(huán)境因子的響應(yīng)較為敏感。森林土軸1的解釋度為34.06%，軸2的解釋度為30.95%，2個(gè)軸累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到65.01%?？偭缀秃０螌?duì)森林土壤微生物分布影響較為顯著，淹水深度和pH與土壤微生物群落相關(guān)性最高。以屬為分類水平，慢生根瘤菌（Bradyrhizobium）、布氏桿菌屬（Bryobacter）和嗜酸棲熱菌屬（Acidothermus）等分布比較集中且與淹水深度、海拔等環(huán)境因子所成夾角較小，表明土壤中的這些微生物對(duì)土壤環(huán)境因子的響應(yīng)較為敏感。

圖 6 水稻土與森林土組間線性判別分析Fig. 6 Linear discriminant analysis between paddy soil and forest soil

圖 7 微生物屬水平群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的CCA分析Fig. 7 Canonical correspondence analysis of microbial community structure and environmental factors at the genus level

3.5 土壤微生物功能特征分析

利用Heatmap圖展示土壤微生物功能特征（圖8）。由圖8可知，2樣品聚類明顯，水稻土樣品中所含菌群的功能主要涉及鐵呼吸作用、硫化物呼吸作用、好氧亞硝酸鹽氧化、發(fā)酵作用等與元素循環(huán)有關(guān)的功能潛能；而森林土樣品中菌群的功能主要涉及纖維素降解、芳香烴降解、木質(zhì)素分解等與有機(jī)質(zhì)降解有關(guān)的功能潛能。

圖 8 微生物功能特征分析熱圖Fig. 8 The heatmap for analysis of microbial functional characteristics

4 結(jié)論與討論

4.1 討論

4.1.1哈尼梯田傳統(tǒng)農(nóng)耕作用下水稻土與森林土微生物群落多樣性變化

土地利用方式的不同顯著影響土壤微生物群落多樣性。張杰等[37]對(duì)鄱陽(yáng)湖濕地不同土地利用方式下土壤微生物群落功能多樣性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，人為耕作使土壤微生物群落多樣性顯著下降，通過“退田還湖”等措施可恢復(fù)土壤微生物的多樣性。秦紅等[38]對(duì)三峽庫(kù)區(qū)消落帶土壤細(xì)菌和真菌多樣性進(jìn)行研究得出結(jié)論，與棄耕地相比，人工耕地微生物多樣性受到破壞，提倡進(jìn)行人工生態(tài)修復(fù)以恢復(fù)三峽庫(kù)區(qū)的土壤微生物多樣性。前人的研究結(jié)果普遍揭示人為耕作影響使得土壤微生物的多樣性低于未被人為干擾的土壤。然而在本研究中發(fā)現(xiàn)，哈尼梯田的水稻土的Alpha多樣性顯著高于森林土，表明在傳統(tǒng)農(nóng)耕方式下水稻土壤中的微生物數(shù)量相較于未經(jīng)人為耕作的森林土多樣性顯著增加，傳統(tǒng)耕作中有機(jī)肥與化肥配施很可能是造成微生物多樣性增加的主要因素。已有研究表明，耕作時(shí)使用有機(jī)肥與化肥配施的模式有利于提高土壤微生物多樣性[39]，與當(dāng)前機(jī)械耕作（僅施加化肥）對(duì)土壤微生物多樣性造成脅迫形成對(duì)比，添加有機(jī)肥料養(yǎng)分有利于改變土壤微生物群落碳源代謝模式，提高微生物群落碳源利用能力，從而導(dǎo)致土壤微生物多樣性提高。徐萬里等[39]提出Shannon指數(shù)與纖維素分解菌之間顯著正相關(guān)性，土壤中微生物種類豐富度與纖維素分解菌密切相關(guān)。哈尼梯田水稻土的Shannon等多樣性指數(shù)較森林土均有所增加，可推測(cè)水稻土的微生物群落多樣性高于森林土。化肥與有機(jī)肥長(zhǎng)期配施可提高水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性及各粒級(jí)團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳含量[40]；袁紅朝等[41]提出氮磷鉀配施和化肥配施可顯著提高土壤細(xì)菌多樣性，而后采用T-RFLP技術(shù)對(duì)同地帶的水稻土不同施肥下的微生物群落變化進(jìn)行研究并證實(shí)這一想法。前人及我們的研究表明，傳統(tǒng)耕作方式下的水稻土壤，通過采用化肥有機(jī)肥配施模式，可顯著維持甚至提高土壤微生物的多樣性。

4.1.2哈尼梯田傳統(tǒng)農(nóng)耕下形成的水稻土壤微生物群落結(jié)構(gòu)變化

通過對(duì)哈尼梯田水稻土與森林土核心菌群研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)耕作方式下的水稻土壤微生物的核心菌群為地桿菌、螺旋體菌和厭氧粘細(xì)菌，作為對(duì)照的森林土微生物核心菌群為慢生根瘤菌和嗜酸棲熱菌，表明化肥-有機(jī)肥配施方式下的水稻土核心微生物多為一些酸桿菌屬、螺旋菌屬。通過CCA可以看出，pH和總磷與土壤微生物群落的相關(guān)性最高。由于水稻土壤淹水深度顯著高于森林土，所形成的淹水環(huán)境使得地桿菌的豐度大大增加。Lovley等[42]在其研究中指出，在各種厭氧環(huán)境中的主要微生物種群為地桿菌科微生物；朱超[43]研究了淹水環(huán)境對(duì)水稻土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響，得出厭氧環(huán)境導(dǎo)致水稻土壤中地桿菌與厭氧粘細(xì)菌數(shù)量顯著增加的結(jié)論。

進(jìn)一步對(duì)水稻土中的微生物群落進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)地桿菌和厭氧粘細(xì)菌都是重要的異化Fe(Ⅲ)還原菌，具有降解土壤芳香族有機(jī)物、重金屬污染修復(fù)等功能潛能。研究區(qū)所處西南地區(qū)，有大量有色金屬成礦帶[10]，土壤重金屬背景值偏高可能是土壤中地桿菌與厭氧粘細(xì)菌數(shù)量偏高的原因之一；傳統(tǒng)耕作方式下的有機(jī)肥與化肥配施對(duì)土壤也會(huì)產(chǎn)生一定污染[44]，如土壤中有效磷等含量增加，地桿菌、厭氧粘細(xì)菌的存在有利于降低土壤污染程度。人為耕作方式下的水稻土壤中地桿菌和厭氧粘細(xì)菌的存在對(duì)土壤中重金屬污染修復(fù)、土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定以及農(nóng)業(yè)生態(tài)可持續(xù)有重要意義。

4.1.3哈尼梯田傳統(tǒng)農(nóng)耕形成的水稻土與森林土微生物功能特征差異

哈尼梯田水稻土與森林土樣品中不同菌群功能差異較大，不同的利用方式是產(chǎn)生物種差異的主要原因，而菌群差異導(dǎo)致土壤功能差異。同時(shí)，土壤作為一個(gè)非常復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，森林土與水稻土相比，森林土的異質(zhì)化程度更高，水稻土進(jìn)行均一化耕作后，其微生物結(jié)構(gòu)功能特征的變異相對(duì)較小，而森林土壤由于在自然狀態(tài)下存在較多變異從而進(jìn)一步導(dǎo)致功能差異。在哈尼梯田傳統(tǒng)耕作方式下，水稻土樣品中所含菌群的功能主要有鐵呼吸、硫化物呼吸等與元素循環(huán)有關(guān)的功能（圖8），這與哈尼梯田水稻土中的核心菌群有著密不可分的聯(lián)系。郭瑩等[45]發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期施用糞肥有助于提高土壤微生物的碳源利用能力，增強(qiáng)土壤有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化周轉(zhuǎn)能力；羅希茜等[46]發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥與化肥配合施用可以使微生物的碳源利用率明顯增強(qiáng)；拓曉驊等[47]在研究淹水培養(yǎng)的水稻地桿菌科微生物群落結(jié)構(gòu)時(shí)，提出地桿菌科微生物對(duì)鐵的生物地球化學(xué)循環(huán)具有重要影響。水稻土核心微生物如地桿菌、厭氧粘細(xì)菌不僅在全球碳循環(huán)中發(fā)揮了重要作用，還是許多沉積物中主要的鐵還原微生物。這些微生物在修復(fù)重金屬污染水體時(shí)發(fā)揮功能，如通過添加乙酸或其他有機(jī)質(zhì)，可有效刺激地桿菌屬微生物的大量富集，對(duì)維持水稻土壤環(huán)境有著十分重要的作用[42]。除施肥方式外，人為耕作的翻耕行為也會(huì)對(duì)土壤微生物有較大影響。人為耕作方式下的水稻土壤微生物的氨化作用增強(qiáng)，具有氨化作用的互營(yíng)菌與森林土相比也有所增加。肖嫩群等[48]發(fā)現(xiàn)在翻耕方式下，土壤氨化作用以及氧化作用增強(qiáng)。對(duì)比自然狀態(tài)下的森林土，其土壤中由于存在植物殘?bào)w、落葉及其他含有木質(zhì)素等難降解的有機(jī)質(zhì)，故樣品中菌群的功能主要涉及纖維素降解、木質(zhì)素分解等。秦余等[49]在針闊葉混交林中采樣分析得出森林土中優(yōu)勢(shì)菌種為嗜酸棲熱菌、獨(dú)活假絲酵母等有機(jī)質(zhì)降解功能明顯的菌群，這與我們的研究具有一致性。不同的微生物群落結(jié)構(gòu)決定了哈尼梯田水稻土與森林土微生物功能上的較大差異。特別的，哈尼梯水稻土壤中微生物具有與元素循環(huán)有關(guān)的功能潛能。

4.2 結(jié)論

與森林土壤相比，傳統(tǒng)農(nóng)耕方式下的哈尼梯田水稻土壤微生物多樣性顯著增加。在門分類水平上，哈尼梯田水稻土的優(yōu)勢(shì)物種為綠彎菌，森林土的優(yōu)勢(shì)物種為放線菌。在屬水平上兩者差異更加顯著，水稻土中嗜酸棲熱菌的數(shù)量比森林土中顯著減少，而厭氧粘細(xì)菌顯著增加。地桿菌是哈尼梯田水稻土的關(guān)鍵指示微生物，具有生物修復(fù)等功能。慢生根瘤菌是森林土的關(guān)鍵指示微生物。通過CCA發(fā)現(xiàn)，總磷與水稻土壤微生物群落的相關(guān)性最高，淹水深度和pH與森林土壤微生物群落相關(guān)性最高。在哈尼梯田傳統(tǒng)農(nóng)耕方式下的水稻土中，微生物具有更高的鐵呼吸、硫呼吸、好氧亞硝酸鹽氧化功能潛力，與原始森林土相比，傳統(tǒng)耕作方式顯著重塑了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及功能特征。