農(nóng)戶田塊尺度冬小麥不同產(chǎn)量水平土壤細(xì)菌群落差異

米 倩,陳鮮妮,徐曉峰

(河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院,河南洛陽 471000)

目前全球人口的持續(xù)增長(zhǎng)要求提高糧食產(chǎn)量以滿足社會(huì)需求,全球糧食生產(chǎn)正面臨巨大挑戰(zhàn)[1]。過去幾十年時(shí)間,我國糧食產(chǎn)量提高是建立在大量施用化肥基礎(chǔ)上的[2]。但是,過量的肥料施用不僅使作物不能增產(chǎn)[3],而且會(huì)引起硝酸鹽淋洗、土壤污染、水體富營養(yǎng)化等問題[4, 5]。目前迫切需要新的策略來提高作物產(chǎn)量。土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中扮演著重要角色[6]。細(xì)菌是土壤微生物中數(shù)量最大的類群,與土壤碳、氮循環(huán)關(guān)系密切[7],而且土壤細(xì)菌對(duì)植物健康和植物生長(zhǎng)也有影響[8]。土壤細(xì)菌可以通過參與養(yǎng)分循環(huán)促進(jìn)作物吸收養(yǎng)分以及維持作物健康和生長(zhǎng)發(fā)育,為作物高產(chǎn)奠定基礎(chǔ)[9]。

小麥在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位,小麥產(chǎn)量提升對(duì)我國糧食安全起著重要作用[10]。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),土壤細(xì)菌與小麥產(chǎn)量存在聯(lián)系。如,長(zhǎng)期施肥條件下土壤細(xì)菌多樣性與小麥產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)[11];小麥與苜蓿、豌豆、油菜間混作可增加土壤細(xì)菌數(shù)量,進(jìn)而提升小麥產(chǎn)量[12]。值得注意的是現(xiàn)有研究大多采用田間試驗(yàn)探討特定因子影響下土壤細(xì)菌對(duì)小麥產(chǎn)量的影響[11-13]。但我國的糧食生產(chǎn)主要依靠農(nóng)民,田間試驗(yàn)很難反映我國農(nóng)戶農(nóng)田經(jīng)營實(shí)際情況,在指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面有一定的局限性。此外,揚(yáng)花期是冬小麥由營養(yǎng)生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)樯成L(zhǎng)的階段,是決定麥穗籽粒數(shù)以及產(chǎn)量的關(guān)鍵時(shí)期[14, 15],這一時(shí)期小麥植株新陳代謝旺盛,需吸收大量養(yǎng)分滿足生長(zhǎng)需要[16],而細(xì)菌在土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化中發(fā)揮著重要作用,因此揚(yáng)花期土壤細(xì)菌對(duì)決定小麥產(chǎn)量十分重要。劉曉丹等[13]研究發(fā)現(xiàn),小麥揚(yáng)花期土壤細(xì)菌數(shù)量與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān),但是目前相關(guān)研究仍相對(duì)較少,揚(yáng)花期土壤細(xì)菌群落與小麥產(chǎn)量之間的關(guān)系仍不清楚。本研究通過大田調(diào)查的方法,以小麥種植戶田塊為研究對(duì)象,采集揚(yáng)花期麥田土壤樣品,分析農(nóng)戶麥田土壤細(xì)菌群落特征及其與小麥產(chǎn)量的關(guān)系,以期為實(shí)現(xiàn)小麥持續(xù)穩(wěn)定增產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域和樣本采集

研究區(qū)位于黃淮海小麥主產(chǎn)區(qū)西側(cè)河南省濟(jì)源市,地處于南太行山前,屬暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū),年平均氣溫14.5 ℃,年平均降雨量567.9 mm,土壤類型按地理發(fā)生分類為褐土。土壤養(yǎng)分平均含量:有機(jī)質(zhì)19.42 g·kg-1、全氮1.11 g·kg-1、有效磷17.30 mg·kg-1、速效鉀143.50 mg·kg-1[17]。本研究于2020年9月采用分層隨機(jī)抽樣法選取樣本,在河南省濟(jì)源市隨機(jī)抽取2個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),在抽取的各鄉(xiāng)鎮(zhèn)內(nèi)隨機(jī)抽取4～8個(gè)自然村,每個(gè)自然村內(nèi)隨機(jī)抽取1～3戶小麥種植戶,以其麥田作為研究對(duì)象,同時(shí)要求所選田塊面積不小于0.1 hm2,以保證田塊具有代表性。最終征集到19個(gè)田塊(田塊面積為3～50 hm2),采樣田塊位于五龍口鎮(zhèn)(112°42'26.97"E,35°09'56.03"N)和梨林鎮(zhèn)(113°14'54.77"E,35°13'15.47"N),樣點(diǎn)信息見表1。

表1 采樣點(diǎn)基本信息Table 1 Basic information of sampling sites

于冬小麥揚(yáng)花期(2021年4月25日-5月1日)在每個(gè)田塊隨機(jī)選取3個(gè)樣方(樣方間距離較遠(yuǎn)且遠(yuǎn)離地頭、地邊和公路,以保證具有代表性),各個(gè)樣方內(nèi)用鐵鍬將耕層土壤混合均勻,進(jìn)行土壤樣品采集。土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室去除植物根、石子等雜質(zhì)后,將3個(gè)樣方土壤樣品混合均勻后作為該田塊土壤分析樣本。采用1 m雙行測(cè)產(chǎn)法進(jìn)行小麥產(chǎn)量測(cè)定。于小麥成熟期(2021年5月25日-5月26日)在每個(gè)田塊隨機(jī)選取3個(gè)采樣點(diǎn),每個(gè)采樣點(diǎn)取20株長(zhǎng)勢(shì)均勻的小麥植株,帶回實(shí)驗(yàn)室后將穗分離,殺青烘干至恒重后,脫粒稱重,測(cè)定小麥穗粒數(shù)及千粒重;對(duì)每個(gè)田塊的行距進(jìn)行測(cè)定,并在每個(gè)田塊選取3個(gè)長(zhǎng)1 m且有代表性的采樣段,調(diào)查統(tǒng)計(jì)小麥穗數(shù)。

1.2 土壤理化性質(zhì)及土壤酶活性測(cè)定

土壤全氮(TN)含量以CuSO4為催化劑濃H2SO4消化,連續(xù)流動(dòng)分析儀(AA3,德國SEAL)測(cè)定;土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)含量用重鉻酸鉀-外加熱法測(cè)定;土壤硝態(tài)氮(NO3--N)含量用0.01 mol·L-1CaCl2提取,紫外可見分光光度計(jì)測(cè)定;土壤銨態(tài)氮(NH4+-N)含量用2 mol·L-1KCl提取,連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定;土壤有效磷(AP)含量采用0.5 mol·L-1NaHCO3提取,連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定;土壤速效鉀(AK)含量用1 mol·L-1NH4OAc浸提,火焰光度法測(cè)定;土壤pH值采用土水質(zhì)量比1∶2.5的0.01 mol·L-1CaCl2浸提,電位法測(cè)定[18]。

參照關(guān)松蔭[19]等的方法測(cè)定土壤脲酶(URE)、過氧化氫酶(CAT)、酸性磷酸酶(ACP)、堿性磷酸酶(ALP)活性。脲酶活性采用苯酚-次氯酸鈉比色法測(cè)定,其活性以培養(yǎng)24 h后1 g土壤中NH4+-N的毫克數(shù)表示。過氧化氫酶活性用紫外可見分光光度法測(cè)定,其活性以20 min內(nèi)1 g土壤分解的H2O2的毫克數(shù)表示。磷酸酶活性用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定,其活性以1 h內(nèi)1 g土壤產(chǎn)生的對(duì)硝基苯酚的毫克數(shù)表示。

1.3 產(chǎn)量數(shù)據(jù)處理

小麥理論產(chǎn)量=穗數(shù)×穗粒數(shù)×千粒重×0.8。

以平均產(chǎn)量為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)樣本進(jìn)行不同產(chǎn)量水平的劃分,高于平均產(chǎn)量的田塊劃為高產(chǎn)組,低于平均產(chǎn)量的田塊劃為低產(chǎn)組。本研究平均產(chǎn)量為7 695.67 kg·hm-2,高產(chǎn)組與低產(chǎn)組的田塊數(shù)分別為9個(gè)和10個(gè)(表1)。

1.4 DNA提取和測(cè)序

使用TGuide S96磁珠法-土壤基因組DNA提取試劑盒完成核酸的提取。采用引物338F(5'-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3')和806R(5'-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3')進(jìn)行細(xì)菌PCR擴(kuò)增。將PCR產(chǎn)物用1.8 %瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),使用Monarch DNA凝膠回收試劑盒切膠回收PCR產(chǎn)物。凝膠純化后的PCR產(chǎn)物使用Illumina NovaSeq 6000進(jìn)行測(cè)序分析,該測(cè)序平臺(tái)由北京百邁客生物科技有限公司提供。使用Trimmomatic-0.33對(duì)原始序列進(jìn)行質(zhì)量過濾,用Cutadapt-1.9.1進(jìn)行引物序列的識(shí)別與去除,使用Usearch-10進(jìn)行序列拼接,使用Uchime-4.2鑒定并去除嵌合體序列,得到的高質(zhì)量序列使用Usearch-10按照97%相似性將序列劃分為不同的OTU。采用SILVA-138數(shù)據(jù)庫進(jìn)行細(xì)菌物種分類注釋。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS-26對(duì)不同產(chǎn)量水平的數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)和方差齊性檢驗(yàn),并進(jìn)行單因素方差分析,比較不同產(chǎn)量水平小麥產(chǎn)量、土壤理化性質(zhì)以及酶活性差異。用R-4.1.0軟件cor.test()函數(shù)“Spearman”算法對(duì)細(xì)菌門相對(duì)豐度、屬相對(duì)豐度與小麥產(chǎn)量進(jìn)行Spearman相關(guān)性分析。利用Origin-2022軟件進(jìn)行相關(guān)性熱圖繪制,明確對(duì)小麥產(chǎn)量有顯著影響的細(xì)菌類群與環(huán)境因子的關(guān)系。使用SPSS-26的Kruskal-Wallis秩和檢驗(yàn)對(duì)不同產(chǎn)量水平細(xì)菌α-多樣性進(jìn)行差異性分析。使用R-4.1.0軟件“vegan”包進(jìn)行基于Bray-Curtis距離的非度量多維尺度(non-metric multidimensional scaling,NMDS)分析,計(jì)算土壤細(xì)菌群落β-多樣性;通過相似性分析(analysis of similarities,ANOSIM)檢驗(yàn)不同產(chǎn)量水平之間β-多樣性差異顯著性。使用R-4.1.0軟件cor.test()函數(shù)“Spearman”算法對(duì)β-多樣性指數(shù)與土壤理化性質(zhì)、酶活性進(jìn)行Spearman相關(guān)性分析。

用R-4.1.0軟件構(gòu)建偏最小二乘路徑模型(partial least squares path modeling,PLS-PM),評(píng)價(jià)土壤理化性質(zhì)、土壤酶活性、細(xì)菌多樣性以及物種豐度對(duì)小麥產(chǎn)量的影響。其中,細(xì)菌多樣性用Chao1指數(shù)和香農(nóng)指數(shù)表征,物種豐度用細(xì)菌屬水平的相對(duì)豐度表征。用擬合優(yōu)度指數(shù)(goodness-of-fit,GOF)評(píng)價(jià)模型的整體擬合度。

2 結(jié)果與分析

2.1 麥田土壤理化性質(zhì)及酶活性

高產(chǎn)組和低產(chǎn)組的小麥產(chǎn)量均值分別為9 007.00和6 515.47 kg·hm-2(表2),兩組間差異極顯著(P<0.001)。高產(chǎn)組的土壤銨態(tài)氮含量顯著高于低產(chǎn)組(P<0.05),土壤有機(jī)質(zhì)含量、速效鉀含量、有效磷含量、硝態(tài)氮含量、pH值在組間均無顯著差異。高產(chǎn)組的酸性磷酸酶、堿性磷酸酶、脲酶和過氧化氫酶活性與低產(chǎn)組也均無顯著差異(表3)。

表2 不同產(chǎn)量水平下麥田土壤理化性質(zhì)Table 2 Soil physicochemical properties in wheat field at different yield levels

表3 不同產(chǎn)量水平下麥田土壤酶活性Table 3 Soil enzyme activities in wheat field at different yield levels

2.2 麥田土壤細(xì)菌群落組成及多樣性特征

從門水平看,麥田土壤細(xì)菌群落優(yōu)勢(shì)菌門為酸桿菌門(Acidobacteria,相對(duì)豐度21.89%～43.82%)和變形菌門(Proteobacteria,24.45%～37.40%),擬桿菌門(Bacteroidetes,4.34%～12.33%)、綠彎菌門(Chloroflexi,4.28%～7.85%)、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes,4.72%～7.69%)、放線菌門(Actinobacteria,3.01%～8.85%)的相對(duì)豐度較高(圖1a)。從屬水平看,麥田土壤細(xì)菌群落優(yōu)勢(shì)菌屬為uncultured_c_Subgroup_6(11.64%～29.10%),RB41(2.53%～12.85%)、鞘脂單胞菌屬(Sphingomonas,1.47%～9.35%)、uncultured_f_Gemmatimonadaceae(2.44%～5.12%)、uncultured_c_Deltaproteobacteria(1.66%～4.60%)的相對(duì)豐度較高(圖1b)。

圖1 麥田土壤細(xì)菌群落在門(a)和屬(b)分類水平上的相對(duì)豐度

土壤細(xì)菌α-多樣性用Chao1指數(shù)和香農(nóng)指數(shù)表示。麥田土壤細(xì)菌OTU數(shù)量為1 529～1 741條,Chao1指數(shù)為1 641～1 792,香農(nóng)指數(shù)為8.82～9.44。通過Kruskal-Wallis秩和檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn),高產(chǎn)組的細(xì)菌OTU數(shù)量、Chao1指數(shù)以及香農(nóng)指數(shù)與低產(chǎn)組都無顯著差異(表4)。通過非度量多維尺度(NMDS)對(duì)土壤細(xì)菌β-多樣性進(jìn)行分析表明,擬合度較好(Stress<0.1)(圖2),ANOSIM發(fā)現(xiàn),高產(chǎn)組的細(xì)菌群落β-多樣性與低產(chǎn)組差異顯著(r=0.20,P<0.01)。

圖2 不同產(chǎn)量水平下麥田土壤細(xì)菌β-多樣性

表4 不同產(chǎn)量水平下麥田土壤細(xì)菌α-多樣性Table 4 α-diversity of soil bacteria in wheat field at different yield levels

2.3 土壤細(xì)菌群落特征與小麥產(chǎn)量的關(guān)系

相關(guān)性分析(表5)表明,小麥產(chǎn)量與芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)、裝甲菌門(Armatimonadetes)、纖維桿菌門(Fibrobacteres)相對(duì)豐度呈顯著正相關(guān),與Latescibacteria、Dadabacteria相對(duì)豐度呈顯著負(fù)相關(guān)。屬水平上,有36個(gè)細(xì)菌屬的相對(duì)豐度與小麥產(chǎn)量顯著相關(guān),其中Bryobacter、黃桿菌屬(Flavisolibacter)、芽單胞菌屬(Gemmatimonas)、豐佑菌屬(Opitutus)、黏液桿菌屬(Mucilaginibacter)相對(duì)豐度與小麥產(chǎn)量呈顯著正相關(guān),Dongia、Chryseolinea、Pantoea、陶厄氏菌屬(Thauera)、多囊菌屬(Polyangium)、Chitinophaga相對(duì)豐度與小麥產(chǎn)量呈顯著負(fù)相關(guān)(剩余25個(gè)屬因?qū)儆谖磋b定的細(xì)菌未列出)。

表5 小麥產(chǎn)量與土壤細(xì)菌門/屬相對(duì)豐度的相關(guān)性Table 5 Correlation analysis of wheat yield with relative abundance of bacterial phylum/genus

2.4 土壤理化性質(zhì)、酶活性與細(xì)菌群落的關(guān)系

為明確對(duì)小麥產(chǎn)量有顯著影響的細(xì)菌類群與環(huán)境因子的關(guān)系,對(duì)細(xì)菌門和屬水平相對(duì)豐度與土壤理化性質(zhì)、酶活性進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果(圖3)表明,芽單胞菌門、纖維桿菌門相對(duì)豐度與銨態(tài)氮含量呈顯著正相關(guān),纖維桿菌門相對(duì)豐度還與過氧化氫酶活性呈顯著負(fù)相關(guān);Latescibacteria相對(duì)豐度與銨態(tài)氮含量呈極顯著負(fù)相關(guān),與全氮含量呈顯著正相關(guān)。Dongia、Pantoea相對(duì)豐度與pH值呈顯著負(fù)相關(guān),Chryseolinea、陶厄氏菌屬相對(duì)豐度與銨態(tài)氮含量呈極顯著負(fù)相關(guān);豐佑菌屬相對(duì)豐度與銨態(tài)氮含量呈極顯著正相關(guān),與全氮、有機(jī)質(zhì)含量以及堿性磷酸酶、脲酶、過氧化氫酶活性呈顯著負(fù)相關(guān);黏液桿菌屬相對(duì)豐度與堿性磷酸酶、過氧化氫酶活性呈顯著負(fù)相關(guān)。為明確影響細(xì)菌β-多樣性的環(huán)境因子,對(duì)NMDS組分與土壤理化性質(zhì)、酶活性進(jìn)行相關(guān)性分析,其中NMDS1與銨態(tài)氮含量呈顯著正相關(guān),與全氮、有機(jī)質(zhì)含量及酸性磷酸酶、堿性磷酸酶、脲酶、過氧化氫酶活性呈顯著負(fù)相關(guān),NMDS2與土壤理化性質(zhì)以及酶活性無顯著相關(guān)性(表6)。

圖3 細(xì)菌門和屬水平相對(duì)豐度與土壤理化性質(zhì)、酶活性的相關(guān)性

表6 細(xì)菌β-多樣性與土壤理化性質(zhì)、酶活性的相關(guān)性Table 6 Correlation of bacterial β-diversity with soil physicochemical properties and enzyme activities

2.5 土壤理化性質(zhì)、酶活性、細(xì)菌群落與小麥產(chǎn)量的關(guān)系

為了更好地研究土壤理化性質(zhì)、土壤酶活性、細(xì)菌多樣性、物種豐度以及小麥產(chǎn)量之間的關(guān)系,構(gòu)建偏最小二乘路徑模型(PLS-PM,圖4a)。模型解釋了37%的小麥產(chǎn)量方差,模型擬合效果較好,擬合優(yōu)度(GOF)為0.563。土壤理化性質(zhì)(TN、SOM)和細(xì)菌物種豐度(屬水平)對(duì)小麥產(chǎn)量有顯著直接正向影響,酶活性(ACP、ALP、URE、CAT)對(duì)小麥產(chǎn)量有顯著的直接負(fù)向影響(表6)。其中,土壤理化性質(zhì)也可通過顯著影響酶活性和細(xì)菌物種豐度來間接影響小麥產(chǎn)量。細(xì)菌多樣性和物種豐度對(duì)小麥產(chǎn)量表現(xiàn)出總的正向影響,土壤理化性質(zhì)和酶活性對(duì)小麥產(chǎn)量表現(xiàn)出總的負(fù)向影響(圖4b)。

圖4a中PLS-PM路徑上的數(shù)字表示路徑系數(shù),箭頭粗細(xì)與路徑系數(shù)大小成正比。紅色箭頭表示系數(shù)為正,藍(lán)色箭頭表示系數(shù)為負(fù)。實(shí)線表示顯著影響,虛線表示不顯著的影響。模型擬合優(yōu)度為0.563。圖4b為PLS-PM標(biāo)準(zhǔn)化總效應(yīng)(直接效應(yīng)與間接效應(yīng)的總和)。

3 討論

3.1 土壤理化性質(zhì)、酶活性對(duì)小麥產(chǎn)量的影響

硝態(tài)氮和銨態(tài)氮是植物能夠直接吸收的主要氮素形態(tài)[20]。本研究中,小麥高產(chǎn)組和低產(chǎn)組之間土壤硝態(tài)氮含量無顯著差異,高產(chǎn)組土壤銨態(tài)氮含量顯著高于低產(chǎn)組(P<0.05),這可能與施肥有關(guān)[21]。PLS-PM表明,土壤理化性質(zhì)(TN、SOM)對(duì)小麥產(chǎn)量具有顯著直接正向影響(圖4a)。Wu等[22]分析得出,土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量與水稻產(chǎn)量顯著相關(guān),說明土壤全氮和有機(jī)質(zhì)對(duì)作物產(chǎn)量十分重要。此外,脲酶在氮素轉(zhuǎn)化中起著重要作用,磷酸酶可促進(jìn)土壤磷素有效轉(zhuǎn)化[23],過氧化氫酶能促進(jìn)土壤過氧化氫分解[24],因此土壤酶可通過促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)來影響作物產(chǎn)量。郭書亞等[25]、楊旸等[26]研究表明,作物產(chǎn)量與土壤脲酶、堿性磷酸酶活性呈顯著正相關(guān)。而本研究認(rèn)為,土壤酶活性對(duì)小麥產(chǎn)量具有顯著的直接負(fù)向影響(圖4a)。造成此結(jié)果的原因可能與部分田塊存在氮肥過量施用現(xiàn)象有關(guān)(調(diào)查取樣發(fā)現(xiàn)部分田塊出現(xiàn)貪青晚熟、無效分蘗多的現(xiàn)象)。已有研究發(fā)現(xiàn),土壤酶活性與氮肥用量呈顯著正相關(guān)[27],大量施用氮肥可以增加土壤酶活性,但氮肥施用過多會(huì)引起無效分蘗增加,進(jìn)而造成小麥減產(chǎn)[28],這可能是造成本研究酶活性對(duì)小麥產(chǎn)量產(chǎn)生負(fù)向影響的主要原因。

3.2 土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)、多樣性對(duì)小麥產(chǎn)量的影響

土壤微生物群落結(jié)構(gòu)越復(fù)雜土壤生態(tài)系統(tǒng)越穩(wěn)定[29];較高的土壤微生物多樣性可以維持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定和健康的土壤生態(tài)系統(tǒng),有助于促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)[30],為作物生長(zhǎng)發(fā)育提供充足養(yǎng)分。本研究發(fā)現(xiàn),不同產(chǎn)量水平麥田土壤細(xì)菌β-多樣性差異極顯著(圖2,P<0.01)。通過PLS-PM模型分析表明細(xì)菌物種豐度對(duì)小麥產(chǎn)量有顯著正向影響(圖4a)。目前有關(guān)土壤細(xì)菌對(duì)作物產(chǎn)量的影響研究結(jié)果存在差異,如Fan等[11]通過結(jié)構(gòu)方程模型分析得出土壤細(xì)菌多樣性對(duì)小麥產(chǎn)量有顯著正向影響;Wu等[22]認(rèn)為土壤細(xì)菌多樣性以及屬水平豐度對(duì)超級(jí)稻產(chǎn)量影響顯著;Sun等[31]提出大豆產(chǎn)量與細(xì)菌豐度呈顯著正相關(guān),與細(xì)菌多樣性無顯著相關(guān)性。土壤細(xì)菌多樣性受土壤類型、植被類型、氣候類型等諸多因素影響[32],Fan等[11]、Wu等[22]、Sun等[31]的研究結(jié)果可能就是這些因素的差異導(dǎo)致與本研究不同。此外,土壤細(xì)菌對(duì)環(huán)境變化十分敏感。本研究中,土壤理化性質(zhì)(TN、SOM)對(duì)細(xì)菌物種豐度影響顯著(圖4a,P<0.05),細(xì)菌β-多樣性(NMDS1)與土壤全氮、有機(jī)質(zhì)含量顯著相關(guān)(表6)。Tian等[33]也發(fā)現(xiàn)土壤全氮、有機(jī)質(zhì)對(duì)細(xì)菌多樣性存在顯著影響。因此,土壤有機(jī)質(zhì)、全氮是影響土壤細(xì)菌群落的重要環(huán)境因子。

3.3 影響小麥產(chǎn)量的土壤細(xì)菌類群

本研究結(jié)果顯示,小麥產(chǎn)量與裝甲菌門、芽單胞菌門、纖維桿菌門相對(duì)豐度呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與Latescibacteria、Dadabacteria相對(duì)豐度呈顯著負(fù)相關(guān)(表5,P<0.05)。芽單胞菌門、纖維桿菌門、Latescibacteria相對(duì)豐度與銨態(tài)氮含量顯著相關(guān)(圖3)。有研究表明,裝甲菌門可促進(jìn)土壤糖類降解以及參與氮循環(huán)[34, 35],芽單胞菌門能夠代謝糖類以及氨基酸聚合物[36],纖維桿菌門可促進(jìn)纖維素降解[37],Latescibacteria可降解蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和多糖[38],Dadabacteria可將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽,進(jìn)而轉(zhuǎn)化為氨參與氮循環(huán)[39],這些細(xì)菌可能通過參與土壤碳、氮循環(huán)影響作物吸收養(yǎng)分,進(jìn)而對(duì)作物產(chǎn)量產(chǎn)生影響。Latescibacteria相對(duì)豐度與氮肥施用量顯著相關(guān)[40]。本研究中Latescibacteria相對(duì)豐度與小麥產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)的原因可能與氮肥施用量有關(guān)。由于Dadabacteria主要存在于深達(dá)100 m的地下水中[41],目前有關(guān)其與作物產(chǎn)量的關(guān)系研究甚少,因此Dadabacteria相對(duì)豐度與小麥產(chǎn)量呈顯著負(fù)相關(guān)的原因需進(jìn)一步研究。本研究還發(fā)現(xiàn),小麥產(chǎn)量與Bryobacter、黃桿菌屬、芽單胞菌屬、豐佑菌屬、黏液桿菌屬、Dongia、Chryseolinea、Pantoea、陶厄氏菌屬、多囊菌屬、Chitinophaga等細(xì)菌屬的相對(duì)豐度顯著相關(guān)(表5,P<0.05)。Chryseolinea、陶厄氏菌屬在土壤氮循環(huán)中發(fā)揮著重要作用[42, 43]。本研究中,Chryseolinea、陶厄氏菌屬相對(duì)豐度與銨態(tài)氮含量顯著相關(guān)。豐佑菌屬通過將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽促進(jìn)土壤氮循環(huán)[44],豐佑菌屬相對(duì)豐度變化與銨態(tài)氮、全氮、有機(jī)質(zhì)含量顯著相關(guān)(圖3)。已有研究認(rèn)為,Bryobacter、芽單胞菌屬、多囊菌屬、Chitinophaga可能在抑制土壤病原菌方面發(fā)揮作用[45-48];黃桿菌屬具有硝化能力,可參與土壤氮循環(huán)[49];黏液桿菌屬可產(chǎn)生胞外多糖[50];Dongia可保護(hù)植物免受熱脅迫[51];Pantoea在調(diào)節(jié)小麥根際水分含量方面發(fā)揮重要作用[52]。這些細(xì)菌可能通過影響土壤病原菌,參與碳、氮循環(huán)等途徑影響小麥生長(zhǎng)發(fā)育,進(jìn)而影響產(chǎn)量。本研究結(jié)果可能為實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中研發(fā)微生物菌肥提供參考。

4 結(jié)論

不同產(chǎn)量水平的麥田土壤細(xì)菌β-多樣性差異顯著。土壤細(xì)菌物種豐度(屬水平)對(duì)小麥產(chǎn)量影響顯著,土壤理化性質(zhì)可通過顯著影響酶活性和細(xì)菌物種豐度,進(jìn)而影響小麥產(chǎn)量。細(xì)菌門水平上,提高土壤芽單胞菌門、裝甲菌門、纖維桿菌門相對(duì)豐度,以及降低Latescibacteria、Dadabacteria相對(duì)豐度,有助于實(shí)現(xiàn)小麥增產(chǎn)。細(xì)菌屬水平上,提高Bryobacter、黃桿菌屬、芽單胞菌屬、豐佑菌屬、黏液桿菌屬相對(duì)豐度,以及降低Dongia、Chryseolinea、Pantoea、陶厄氏菌屬、多囊菌屬、Chitinophaga相對(duì)豐度,有利于小麥產(chǎn)量提高。