化肥減量和有機(jī)替代對(duì)潮土微生物群落分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的影響*

吳 憲，胡 菏，王 蕊，趙建寧，楊殿林，王麗麗，李 剛，修偉明?

（1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所農(nóng)業(yè)農(nóng)村部產(chǎn)地環(huán)境污染防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300191；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所天津市農(nóng)業(yè)環(huán)境與農(nóng)產(chǎn)品安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300191）

華北平原是我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)耕作區(qū)，總占地面積為35 萬(wàn)km2，其中農(nóng)業(yè)用地約為1 800 萬(wàn)hm2[1]，占全國(guó)耕地面積的27%[2]。該地區(qū)常規(guī)耕作方式為冬小麥-夏玉米輪作[3]，其中小麥產(chǎn)量占全國(guó)總產(chǎn)量的60%～80%，玉米產(chǎn)量占35%～40%[2]。作為糧食作物的“糧食”，化肥在糧食增產(chǎn)中的作用占40%～50%[4]。然而，近年來(lái)，為了滿足日益增長(zhǎng)的人口需求，大量化肥被施入農(nóng)田以獲得更高的作物產(chǎn)量[5]，而化肥的施用量通常遠(yuǎn)高于作物的需求[6-7]。合理施肥可促進(jìn)土壤生態(tài)系統(tǒng)的正向發(fā)展[8]，但化肥的大量施用會(huì)使得資源和環(huán)境的矛盾日益凸顯，致使包括土壤板結(jié)、土壤酸化、土壤污染和土壤生物多樣性銳減在內(nèi)的多種環(huán)境問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)[9]。面對(duì)長(zhǎng)期過(guò)量施用化肥對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響的嚴(yán)峻形勢(shì)，減少化肥施用量并配合有機(jī)替代成為扭轉(zhuǎn)上述不利局面的重要措施。有機(jī)添加不僅可為作物提供養(yǎng)分，而且可通過(guò)提高土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）含量來(lái)維持土壤肥力。作物秸稈和有機(jī)肥富含有機(jī)碳和作物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，秸稈還田和有機(jī)肥部分替代不僅可節(jié)省化肥，而且可有效增加土壤有機(jī)碳含量，減少農(nóng)業(yè)污染[10]。

化肥的不當(dāng)施用可能會(huì)間接影響土壤微生物群落，這些微生物群落通過(guò)改變?nèi)郝浣M成和多樣性對(duì)環(huán)境條件的微小變化做出響應(yīng)。諸多研究[11-12]表明有機(jī)物料的施用對(duì)土壤微生物群落產(chǎn)生積極作用，增強(qiáng)了相對(duì)于單施化肥或不施肥的微生物群落的抗干擾能力。土壤SOM 是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，在調(diào)節(jié)大氣CO2濃度和維持土壤生產(chǎn)力方面發(fā)揮著重要的作用[13]。為了提高土壤SOM 含量并提升土壤肥力，施用有機(jī)物料成為最有效的方法[14]。有機(jī)物料對(duì)土壤SOM 的積累尤為重要，并影響微生物群落組成。同樣，微生物在土壤SOM 周轉(zhuǎn)過(guò)程中起著關(guān)鍵作用。有研究[13]表明長(zhǎng)期施用豬糞可增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，并改變微生物群落結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵類(lèi)群。

近年來(lái)，分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析因其可直觀地展示微生物之間復(fù)雜的生態(tài)相互作用以及微生物對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)而被廣泛應(yīng)用[15]，其打破了在物種數(shù)量和多樣性上進(jìn)行微生物群落研究的局限，可揭示微生物潛在的互作機(jī)制及影響因素[16]?；谕?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)分析已被證明是了解微生物共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)特征的有力工具，為深入了解微生物群落結(jié)構(gòu)和微生物之間的相互作用提供了依據(jù)。關(guān)于網(wǎng)絡(luò)分析方法已有很多，其中基于隨機(jī)矩陣?yán)碚摰姆肿由鷳B(tài)網(wǎng)絡(luò)方法能更加準(zhǔn)確可靠地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和功能預(yù)測(cè)[17]。目前，針對(duì)化肥減施和有機(jī)替代的研究主要集中在土壤理化性質(zhì)、氮素平衡、作物產(chǎn)量和微生物群落等方面，其中對(duì)土壤微生物群落的研究以微生物的多樣性、組成、結(jié)構(gòu)和功能變化及與環(huán)境因子的相關(guān)性等方面為主[18]，從分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的角度探索化肥減量和有機(jī)替代下微生物互作關(guān)系變化的研究較少。因此，本研究利用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法構(gòu)建化肥減量和有機(jī)替代等5種施肥處理土壤中的細(xì)菌和真菌共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，以探究化肥減施結(jié)合有機(jī)替代所致的微生物互作關(guān)系變化以及與SOM 變化有關(guān)的微生物種群。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與土壤樣品采集

本試驗(yàn)始于2015 年10 月，試驗(yàn)基地位于天津市寧河區(qū)（39°48′N(xiāo)，117°71′E）。該地區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫 11.2 ℃，年均降水量642 mm，全年無(wú)霜期210 d。耕作方式為冬小麥-夏玉米輪作，土壤類(lèi)型為華北平原典型的潮土。本研究共包括5 個(gè)處理：礦物氮磷鉀肥料（NPK）、礦物氮磷鉀減量肥料（NPKR）、礦物氮磷鉀減量肥料+玉米秸稈（NPKRS）、礦物氮磷鉀減量肥料+有機(jī)肥（NPKRO）以及礦物氮磷鉀減量肥料+有機(jī)肥+玉米秸稈（NPKROS）。各小區(qū)具體施肥情況見(jiàn)文獻(xiàn)[19]。因不施肥并非當(dāng)?shù)剞r(nóng)田常規(guī)施肥制度，故本研究未設(shè)置不施肥處理，而以NPK 作為對(duì)照。試驗(yàn)中施用的肥料包括無(wú)機(jī)復(fù)合肥（N 含量280 g·kg-1，P2O5含量130 g·kg-1，K2O 含量50 g·kg-1）、磷肥（P2O5含量120 g·kg-1）、鉀肥（K2O 含量600 g·kg-1）、尿素（N 含量460 g·kg-1）以及有機(jī)肥（NPK 總含量大于等于50 g·kg-1，有機(jī)質(zhì)含量大于等于400 g·kg-1）。純氮量600 g·kg-1的化肥（無(wú)機(jī)復(fù)合肥）作為基肥在冬小麥和夏玉米播種時(shí)一次性施入農(nóng)田，純氮量400 g·kg-1的化肥（尿素）在小麥苗期和玉米拔節(jié)期分別追施入農(nóng)田，有機(jī)肥僅在小麥季施入。小麥季所有處理產(chǎn)生的小麥秸稈全部粉碎后覆蓋地表還田，玉米季NPKRS 和NPKROS 處理產(chǎn)生的玉米秸稈粉碎成小段后隨土壤耕翻還田。田間管理按照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)生產(chǎn)模式進(jìn)行。各處理小區(qū)面積較大（22 m×22 m），故未設(shè)置重復(fù)小區(qū)，在取樣時(shí)將小區(qū)分為3個(gè)區(qū)域，即3 次假重復(fù)[20]。

分別于2019 年5 月底和9 月底作物收獲前，使用直徑5 cm 的土壤采樣器于每個(gè)小區(qū)隨機(jī)采集0～20 cm 耕層土壤，將采集的5 個(gè)土芯混合成1 個(gè)土壤樣品，剔除石礫和植物殘?bào)w等雜質(zhì)后裝入滅菌自封袋暫存于保溫箱中并迅速帶回實(shí)驗(yàn)室。將每份土壤樣品過(guò)2 mm 篩后分為2 份子樣品，一份于-70°C保存，用于土壤DNA 提?。涣硪环萁?jīng)風(fēng)干后用于測(cè)定土壤SOM 含量。土壤SOM 含量采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定[21]。

1.2 高通量測(cè)序及分析

本研究共對(duì)30 個(gè)土壤樣品進(jìn)行測(cè)序分析，其中小麥季5 個(gè)處理，每個(gè)處理各3 個(gè)重復(fù)；玉米季5個(gè)處理，每個(gè)處理各3 個(gè)重復(fù)。使用Fast DNA?Spin Kit for Soil（MP Biomedicals，美國(guó)）從0.5 g 凍存于-70°C 冰箱的土壤提取土壤基因組DNA，按照操作說(shuō)明書(shū)進(jìn)行，使用 1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)DNA 質(zhì)量，并使用 NanoDrop2000（NanoDrop Technologies，美國(guó)）測(cè)定DNA 濃度和純度。用帶有序列標(biāo)簽的引物組338F-806R 和ITS1F-ITS2R 分別擴(kuò)增細(xì)菌16S rRNA 基因的V3～V4 高變區(qū)序列和真菌的ITS 區(qū)序列[22-23]。參照文獻(xiàn)[19]進(jìn)行PCR擴(kuò)增并對(duì)原始測(cè)序序列進(jìn)行質(zhì)控和拼接。高通量測(cè)序委托上海美吉公司在Illumina MiSeq 平臺(tái)上完成。使用UPARSE 軟件根據(jù)97%的相似度對(duì)高質(zhì)量的核酸序列進(jìn)行聚類(lèi)到操作分類(lèi)單元（Operational taxonomic units，OTUs）并剔除嵌合體[24]。利用RDP classifier 對(duì)每條序列進(jìn)行物種分類(lèi)注釋?zhuān)O(shè)置比對(duì)閾值為70%。

1.3 分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析

采用高通量測(cè)序數(shù)據(jù)在屬水平上進(jìn)行微生物群落的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析[25]，在R 平臺(tái)中使用‘psych’軟件包進(jìn)行相關(guān)性矩陣分析，并在交互平臺(tái) Gephi（Version 0.9.2）中繪制網(wǎng)絡(luò)圖。為減少配對(duì)比較數(shù)量并降低網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性，僅選擇相對(duì)豐度大于0.1%的細(xì)菌屬和全部真菌屬用于網(wǎng)絡(luò)分析。選擇皮爾森（Pearson）相關(guān)性系數(shù)r＞|0.9|且顯著性P＜0.01 的數(shù)值進(jìn)行微生物生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。微生物群落網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建依照分子生態(tài)學(xué)網(wǎng)絡(luò)分析流程（MENAP）進(jìn)行（http：//ieg4.rccc.ou.edu/mena/login.cgi）[26]。用Zi和Pi表示每個(gè)節(jié)點(diǎn)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的作用，根據(jù)簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)的Zi和Pi閾值，將整個(gè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分為4 部分，分別是外圍節(jié)點(diǎn)、模塊樞紐、連接器和網(wǎng)絡(luò)樞紐[26]。

1.4 數(shù)據(jù)與統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 23.0 軟件（SPSS Inc.，Chicago，IL，美國(guó)）對(duì)不同處理的土壤SOM 含量（同一處理兩次取樣結(jié)果進(jìn)行加和）進(jìn)行單因素方差分析（One-way ANOVA），并采用鄧肯（Duncan）方法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（P＜ 0.05）。使用Origin 2019 繪制5 種施肥處理的微生物網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣巧植紙D。

2 結(jié) 果

2.1 不同施肥處理下土壤有機(jī)質(zhì)含量變化

如圖1 所示，經(jīng)過(guò)4 年的施肥試驗(yàn)，有機(jī)替代處理（NPKRS、NPKRO 和NPKROS）的SOM 含量發(fā)生顯著變化。與 NPK 處理相比，NPKRS 和NPKROS 處理均顯著提高了SOM 含量（P＜ 0.05）。NPKROS 處理的SOM 含量較NPKR 處理顯著提高了15.52%（P＜ 0.05）。與化肥處理（NPK 和NPKR）相比，NPKRO 處理對(duì)SOM 含量的增加效果均達(dá)到了極顯著水平（P＜ 0.01）。

圖1 不同施肥處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量Fig. 1 The content of soil organic matter of different treatments

2.2 不同施肥處理下土壤微生物群落組成與結(jié)構(gòu)

經(jīng)過(guò)質(zhì)量篩選后，共獲得1 639 138 條高質(zhì)量的16S rRNA 基因序列和1 977 576 條高質(zhì)量的ITS 序列。當(dāng)序列數(shù)達(dá)到28 697 時(shí)，細(xì)菌稀釋曲線基本趨于緩和；當(dāng)序列數(shù)達(dá)到38 949 時(shí)，真菌稀釋曲線基本趨于緩和。基于97%的相似性閾值進(jìn)行聚類(lèi)，分別得到6 859 個(gè)和934 個(gè)OTUs。聚類(lèi)分析結(jié)果表明，細(xì)菌菌群分屬46 個(gè)門(mén)、120 個(gè)綱、247 個(gè)目、474個(gè)科、951 個(gè)屬和1 975 個(gè)種，真菌菌群分屬10 個(gè)門(mén)、28 個(gè)綱、74 個(gè)目、158 個(gè)科、277 個(gè)屬和453個(gè)種。細(xì)菌和真菌群落在門(mén)水平上的物種組成如圖2 所示。各處理中土壤優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門(mén)為放線菌門(mén)（Actinobacteria，平均相對(duì)豐度為25.87%）、變形菌門(mén)（Proteobacteria，24.80%）、綠彎菌門(mén)（Chloroflexi，18.48%）和酸桿菌門(mén)（Acidobacteria，13.61%）。子囊菌門(mén)（Ascomycota）為各處理中優(yōu)勢(shì)真菌門(mén)，平均相對(duì)豐度為90.88%。

圖2 土壤細(xì)菌（a）和真菌（b）群落組成（門(mén)水平）Fig. 2 Compositions of soil bacterial (a) and fungal (b) communities (phylum level)

NMDS（非度量多維尺度）分析表明（圖3），土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)更易受取樣時(shí)間的影響，小麥季和玉米季土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)顯著區(qū)分。土壤真菌群落結(jié)構(gòu)受施肥處理影響更大。與NPK 處理相比，NPKR和NPKRS 處理下真菌群落結(jié)構(gòu)有一定的遷移。添加有機(jī)肥處理（NPKRO 和NPKROS）的真菌群落結(jié)構(gòu)顯著區(qū)分于未配施有機(jī)肥處理（NPK、NPKR和NPKRS）。

圖3 土壤細(xì)菌（a）和真菌（b）群落非度量多維尺度（NMDS）分析Fig. 3 NMDS (non-metric multidimensional scaling) analysis of soil bacterial (a)and fungal (b) communities

2.3 微生物網(wǎng)絡(luò)互作關(guān)系

分別基于5 種施肥模式微生物的測(cè)序結(jié)果構(gòu)建分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)（圖4 和圖5），網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮?shù)見(jiàn)表1。細(xì)菌群落中，與NPK 處理相比，化肥減量和有機(jī)替代處理（NPKR、NPKRS、NPKRO 和NPKROS）提高了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)和邊數(shù)，降低了平均路徑長(zhǎng)度；NPKRS 和NPKROS 處理的平均聚類(lèi)系數(shù)和網(wǎng)絡(luò)密度較高；NPKRO 和NPKROS 處理的模塊性較高；5個(gè)細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)均以正相關(guān)關(guān)系占主導(dǎo)地位，各處理細(xì)菌菌群的正相關(guān)比例大小順序?yàn)椋篘PKRS＞NPK＞NPKR＞NPKRO＞NPKROS。真菌群落中，與NPK 處理相比，NPKR 處理提高了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)和邊數(shù)；有機(jī)替代處理（NPKRS、NPKRO 和NPKROS）增加了平均路徑長(zhǎng)度，降低了平均聚類(lèi)系數(shù)；NPKR 處理的網(wǎng)絡(luò)密度較高，而模塊性較低；5 個(gè)真菌網(wǎng)絡(luò)均同樣以正相關(guān)關(guān)系占主導(dǎo)地位，各處理真菌菌群的正相關(guān)比例大小順序?yàn)椋篘PKROS＞NPK＞NPKR＞NPKRS＞NPKRO。

表1 不同處理微生物互作網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫再|(zhì)Table 1 Topological properties of the microbial interactions network relative to treatment

圖4 細(xì)菌群落共現(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)圖譜Fig. 4 Network co-occurrence analysis of the bacterial communities in the soil

圖5 真菌群落共現(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)圖譜Fig. 5 Network co-occurrence analysis of the fungal communities in the soil

2.4 微生物群落與SOM 含量的關(guān)系

細(xì)菌和真菌群落與土壤SOM 含量的關(guān)系分別見(jiàn)圖6 和圖7。與NPK 處理相比，化肥減量和有機(jī)替代處理（NPKR、NPKRS、NPKRO 和NPKROS）提高了與土壤 SOM 含量顯著正相關(guān)的細(xì)菌菌群占比，但降低了與土壤SOM 含量顯著正相關(guān)的真菌菌群占比。在化肥處理（NPK 和NPKR）細(xì)菌群落中，芽胞桿菌屬（Bacillus）、類(lèi)芽孢桿菌屬（Paenibacillus）、芽孢八疊球菌屬（Paenisporosarcina）和G55屬相對(duì)豐度較高，且均與SOM 含量顯著負(fù)相關(guān)。Iamia屬、壤霉菌屬（Agromyces）、貧養(yǎng)桿菌屬（Modestobacter）和德沃氏菌屬（Devosia）與SOM含量顯著正相關(guān)，Variibacter屬與SOM 含量呈顯著負(fù)相關(guān)，上述細(xì)菌菌群主要存在于有機(jī)替代處理（NPKRS、NPKRO 和NPKROS）中。真菌群落中，油壺菌屬（Olpidium）、管柄囊霉屬（Funneliformis）、腐質(zhì)霉屬（Humicola）、淡紫擬青霉（Purpureocillium）、擬盤(pán)多毛孢屬（Neopestalotiopsis）和周刺座霉屬（Volutella）僅存在于NPK 處理，且均與SOM 含量顯著正相關(guān)；Westerdykella屬、Zopfiella屬、Tetracladium屬、杯梗孢屬（Cyphellophora）、Meyerozyma屬和光柄菇屬（Pluteus）僅存在于NPKR處理中，除Westerdykella屬與SOM 含量顯著負(fù)相關(guān)外，其他5 個(gè)真菌屬均與SOM 含量顯著正相關(guān)；青霉屬（Penicillium）、帚枝霉屬（Sarocladium）、裂殼屬（Schizothecium）、赤霉屬（Gibberella）、粉褶菌屬（Entoloma）、錐毛殼屬（Coniochaeta）和Colacogloea屬僅存在于 NPKRS 處理中，除Colacogloea屬與SOM 含量顯著負(fù)相關(guān)外，其他6 個(gè)真菌屬均與 SO M 含量顯著正相關(guān)；鏈格孢屬（Alternaria）和沃德霉屬（Wardomyces）僅存在于NPKRO 處理，其中鏈格孢屬（Alternaria）與SOM 含量顯著正相關(guān)，沃德霉屬（Wardomyces）與SOM 含量顯著負(fù)相關(guān)；鐮刀菌屬（Fusarium）、擬棘殼孢屬（Pyrenochaetopsis）和柄孢殼菌屬（Podospora）僅存在于NPKROS 處理，鐮刀菌屬（Fusarium）和擬棘殼孢屬（Pyrenochaetopsis）與SOM 含量顯著負(fù)相關(guān)，柄孢殼菌屬（Podospora）與SOM 含量顯著正相關(guān)。

圖6 土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）含量與細(xì)菌群落網(wǎng)絡(luò)關(guān)系Fig. 6 Network relationship between soil organic matter content and bacterial community

圖7 SOM 含量與真菌群落網(wǎng)絡(luò)關(guān)系Fig. 7 Network relationship between soil organic matter content and fungal community

2.5 微生物分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)特征

經(jīng)過(guò)對(duì)原始OTU 的篩選后，小麥季和玉米季5 個(gè)施肥處理的所有OTU 通過(guò)隨機(jī)矩陣?yán)碚摌?gòu)建細(xì)菌和真菌群落網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型（圖8）。本研究所構(gòu)建的細(xì)菌分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中，共有368 個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中：（1）94.29%的節(jié)點(diǎn)屬于外圍節(jié)點(diǎn)，其中79.62%的節(jié)點(diǎn)僅與各自模塊內(nèi)部的某些節(jié)點(diǎn)之間有聯(lián)系，即Pi=0；（2）2.99%的節(jié)點(diǎn)屬于模塊樞紐，共11 個(gè)OTUs；（3）2.72%的節(jié)點(diǎn)屬于連接器，共10 個(gè)OTUs。真菌分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中，共有168 個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中：（1）98.21%的節(jié)點(diǎn)屬于外圍節(jié)點(diǎn)，其中74.40%的節(jié)點(diǎn)僅與各自模塊內(nèi)部的某些節(jié)點(diǎn)之間有聯(lián)系，即Pi=0；（2）1.19%的節(jié)點(diǎn)屬于模塊樞紐，共2 個(gè)OTUs；（3）0.60%的節(jié)點(diǎn)屬于連接器，共1 個(gè)OTU。網(wǎng)絡(luò)樞紐在本研究的細(xì)菌和真菌群落中均未出現(xiàn)。5 種不同施肥模式的關(guān)鍵細(xì)菌菌群主要分布在變形菌門(mén)、綠彎菌門(mén)、放線菌門(mén)、芽單胞菌門(mén)、擬桿菌門(mén)、厚壁菌門(mén)和酸桿菌門(mén)；關(guān)鍵真菌菌群主要分布在子囊菌門(mén)、擔(dān)子菌門(mén)和球囊菌門(mén)。

圖8 細(xì)菌（a）和真菌（b）網(wǎng)絡(luò)模塊中各OTU 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作用Zi-Pi 散點(diǎn)圖Fig. 8 Topological Zi-Pi scattering map of each OUT in the bacterial (a) and fungal (b) network modules relative to their function

3 討 論

3.1 化肥減量和有機(jī)替代對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)及微生物網(wǎng)絡(luò)互作關(guān)系的影響

研究結(jié)果表明，化肥減量和有機(jī)替代顯著提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量（圖1），這與前人的研究結(jié)果[6，24]相一致。秸稈進(jìn)入土壤后在其表面形成微生物活動(dòng)層并加速其分解[27]。有機(jī)肥為土壤提供大量有機(jī)碳，外源碳輸入可通過(guò)刺激微生物礦化來(lái)提高有機(jī)質(zhì)含量[6]。本研究結(jié)果顯示，配施有機(jī)肥和秸稈的NPKROS 處理的有機(jī)質(zhì)含量并未達(dá)到最高值（圖1），這可能與外源有機(jī)物料的施入在經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后會(huì)對(duì)土壤有機(jī)碳產(chǎn)生正激發(fā)效應(yīng)，促進(jìn)了土壤原有有機(jī)碳的分解，使土壤有機(jī)質(zhì)含量有所下降有關(guān)[28-29]。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)和邊數(shù)可以表示分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模大小[29]。本研究中，化肥減量和有機(jī)替代處理的細(xì)菌分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)和邊數(shù)均高于NPK處理，但僅有NPKR 處理的真菌分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)和邊數(shù)與NPK 處理相比有所提高（表1），表明化肥減量和有機(jī)替代能擴(kuò)大土壤細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，而真菌網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大則主要依賴于單獨(dú)進(jìn)行化肥減量。網(wǎng)絡(luò)中物種間的正負(fù)相關(guān)性分別可表示菌群之間的協(xié)同合作和競(jìng)爭(zhēng)捕食關(guān)系[29]。由微生物菌群之間正負(fù)相關(guān)比例（圖4）可見(jiàn)，NPKRS 處理的細(xì)菌菌群正相關(guān)比例最高，添加有機(jī)肥處理（NPKRO 和NPKROS）的正相關(guān)比例較低，說(shuō)明秸稈的添加增強(qiáng)了細(xì)菌菌群之間的協(xié)同作用，而在有機(jī)肥添加的情況下細(xì)菌菌群之間形成了較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。這可能與有機(jī)肥中含有大量更易被細(xì)菌群落分解利用的半纖維素和蛋白質(zhì)等簡(jiǎn)單有機(jī)物有關(guān)[30]。真菌群落各處理之間顯著正相關(guān)比例遠(yuǎn)高于顯著負(fù)相關(guān)比例（圖5），表明在本研究的土壤中真菌群落之間有更為緊密的協(xié)同合作關(guān)系，競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系較弱。與NPK 處理相比，化肥減量和有機(jī)替代均降低了細(xì)菌分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的平均路徑長(zhǎng)度，而在真菌群落中，僅NPKR處理的平均路徑長(zhǎng)度低于NPK 處理，表明化肥減量和有機(jī)替代均提高了細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)物種間物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)和信息傳遞的效率[31]，而真菌網(wǎng)絡(luò)中這一現(xiàn)象的發(fā)生主要依賴于化肥減量，這一點(diǎn)與微生物群落網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)和邊數(shù)的結(jié)果相一致。平均聚類(lèi)系數(shù)越高，表明微生物對(duì)外界環(huán)境因子的擾動(dòng)更加敏感，響應(yīng)迅速[31]。本研究表明，單獨(dú)進(jìn)行化肥減量的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，而秸稈的添加則加劇了土壤細(xì)菌群落互作和對(duì)外界環(huán)境的敏感程度。對(duì)真菌群落而言，除化肥減量的平均聚類(lèi)系數(shù)略有增加外，有機(jī)替代處理的平均聚類(lèi)系數(shù)均有所下降（表1），這表明有機(jī)替代后土壤真菌響應(yīng)速度較慢，外界環(huán)境對(duì)其擾動(dòng)性并不會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)影響整個(gè)真菌生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。真菌分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)密度僅在NPKR 處理表現(xiàn)出增加，表明化肥減量會(huì)增加真菌群落互作。細(xì)菌和真菌群落模塊性（Modularity）數(shù)值均大于0.4，故可判斷該網(wǎng)絡(luò)具有模型結(jié)構(gòu)[25]。添加有機(jī)肥處理（NPKRO 和NPKROS）的細(xì)菌和真菌模塊性數(shù)值均高于其他3 個(gè)處理，表明有機(jī)肥可能是微生物模塊化增強(qiáng)的重要原因。

3.2 化肥減量和有機(jī)替代對(duì)微生物群落與土壤有機(jī)質(zhì)含量關(guān)系的影響

化肥減量和有機(jī)替代處理中與SOM 含量顯著正相關(guān)的細(xì)菌菌群占比均高于NPK 處理（圖6），表明化肥減量和有機(jī)替代可能更利于SOM 的形成。有機(jī)替代處理中Iamia屬、壤霉菌屬（Agromyces）、貧養(yǎng)桿菌屬（Modestobacter）和德沃氏菌屬（Devosia）與SOM 含量顯著正相關(guān)，說(shuō)明上述微生物偏愛(ài)SOM 含量高的生境。丁柳屹[32]的研究發(fā)現(xiàn)Iamia屬與土壤有機(jī)碳含量呈正相關(guān)；徐麗萍等[33]通過(guò)Illumina MiSeq 高通量測(cè)序技術(shù)預(yù)測(cè)德沃氏菌屬（Devosia）可降解玉米秸稈。與細(xì)菌群落不同，有機(jī)替代處理中與SOM 含量顯著正相關(guān)比例的真菌菌群比例低于NPK 處理（圖7），這可能是由于特定真菌類(lèi)群更喜歡在有機(jī)肥施入后形成的土壤環(huán)境中生存，其消耗大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，從而抑制了其他類(lèi)群的生長(zhǎng)[34]。赤霉屬（Gibberella）和鏈格孢屬（Alternaria）是小麥、玉米等農(nóng)作物的主要致病菌之一[35-36]，但鏈格孢菌（Alternaria Nees）具有生物資源的應(yīng)用潛力，在殺菌、殺蟲(chóng)等方面起重要作用[37]。上述研究均表明不同施肥會(huì)引起SOM 的變化，進(jìn)而影響微生物群落的相互作用。

細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)中變形菌門(mén)是占關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)最多的物種，說(shuō)明變形菌門(mén)是研究區(qū)潮土中普遍存在的重要細(xì)菌種群。這可能與變形菌門(mén)作為富營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌，適宜生長(zhǎng)在含碳量較高地環(huán)境有關(guān)[38]。真菌網(wǎng)絡(luò)中子囊菌門(mén)占關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的1/3，這可能是由子囊菌門(mén)作為一種腐生真菌適宜生存在干旱環(huán)境中所決定的。

4 結(jié) 論

化肥減量和有機(jī)替代能顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，同時(shí)提高細(xì)菌分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和物種間傳遞物質(zhì)、能量和信息的效率。秸稈的添加能增加細(xì)菌群落互作，使細(xì)菌對(duì)外界環(huán)境因子的擾動(dòng)更加敏感。化肥減量能提高真菌分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和群落互作，有機(jī)替代使真菌群落網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。在化肥減量的基礎(chǔ)上進(jìn)行秸稈還田能夠促進(jìn)細(xì)菌菌群之間協(xié)同合作關(guān)系，有機(jī)肥的施入會(huì)加劇其競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系；真菌菌群之間具有較為緊密的協(xié)同合作關(guān)系，競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系較弱。化肥減量和有機(jī)替代豐富了與SOM 顯著正相關(guān)的細(xì)菌類(lèi)群，但簡(jiǎn)化了與SOM 顯著正相關(guān)的真菌類(lèi)群。變形菌門(mén)、綠彎菌門(mén)、放線菌門(mén)、芽單胞菌門(mén)、擬桿菌門(mén)、厚壁菌門(mén)和酸桿菌門(mén)中的部分菌群在土壤細(xì)菌分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中起著重要的連接作用；子囊菌門(mén)、擔(dān)子菌門(mén)和球囊菌門(mén)中的部分菌群在土壤真菌分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中起著重要的連接作用。