2016–2021 年海南文昌菜地土壤微生物數(shù)據(jù)集

陳淼，李勤奮*

1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與植物保護(hù)研究所，?？?570100

2.海南儋州熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，海南儋州 571737

3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部熱區(qū)高效農(nóng)業(yè)綠色低碳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，?？?570100

引 言

隨著我國種植業(yè)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，蔬菜種植已成為繼糧食作物之后的第二大農(nóng)作物。研究表明我國菜地化肥用量約為農(nóng)作物用量的3.3 倍[1]。肥料合成效率的提高在提升作物產(chǎn)量的同時(shí)也引起了一系列環(huán)境問題，增加了農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境成本[2]。過量化肥使用引起的肥料利用率降低、面源污染、土壤微生物群落結(jié)構(gòu)破壞等突出問題嚴(yán)重制約了我國蔬菜產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[3-5]。海南是我國主要的冬季瓜菜種植基地，隨著熱帶特色高效農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，種植結(jié)構(gòu)變化加快，新的耕作管理模式不斷涌現(xiàn)，對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)影響的不確定性增加。高溫多雨的氣候特點(diǎn)在加速土壤微生物對有機(jī)質(zhì)的分解利用的同時(shí)也加劇土壤養(yǎng)分淋失。據(jù)調(diào)查，在海南蔬菜種植過程中，氮磷鉀復(fù)合肥的投入量遠(yuǎn)高于作物養(yǎng)分需求量[6]，導(dǎo)致土壤中氮素的流失和磷素的積累[7-8]，影響土壤微生物的生長和繁殖[4]。

土壤微生物是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的重要組成成分，主要充當(dāng)分解者的角色。土壤微生物通過不同微生物類群之間和類群內(nèi)部之間相互作用參與有機(jī)物的分解轉(zhuǎn)化和養(yǎng)分循環(huán)等，在維持土壤功能方面起重要作用[3,9]。土壤微生物類群繁多、組成復(fù)雜、功能多樣、且數(shù)量巨大，構(gòu)成了地球上最復(fù)雜的生物資源庫、基因資源庫和代謝產(chǎn)物庫[9]。微生物群落多樣性、時(shí)空分布格局、重要養(yǎng)分循環(huán)等生態(tài)過程的介導(dǎo)已然受到微生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、土壤學(xué)等領(lǐng)域?qū)W者的重視，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。近年來，隨著基于土壤微生物DNA/RNA 分子生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，測序技術(shù)的發(fā)展和研究日益深入，特別是土壤宏基因組學(xué)受到廣泛關(guān)注。分子生物學(xué)技術(shù)是了解土壤微生物群落組成、功能、代謝、演變過程的重要手段，相關(guān)觀測結(jié)果對探究微生物群落演替及其驅(qū)動(dòng)因子、闡明養(yǎng)分循環(huán)等微觀機(jī)理具有重要意義[10]。目前，已公開微生物數(shù)據(jù)集涉及農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤[11-12]、森林土壤[13-14]等，熱帶地區(qū)菜地土壤微生物長期動(dòng)態(tài)監(jiān)測仍屬空白，因此，熱帶地區(qū)菜地土壤微生物組的長期動(dòng)態(tài)監(jiān)測具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

本數(shù)據(jù)集匯集了海南省文昌市2016–2021 年菜地土壤微生物擴(kuò)增子測序數(shù)據(jù)，包含單施化肥、秸稈還田和單施化肥結(jié)合秸稈還田三種模式下細(xì)菌和真菌的測序數(shù)據(jù)，且以數(shù)據(jù)論文形式對數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)描述，以推動(dòng)數(shù)據(jù)共享和規(guī)范化使用。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 觀測樣地設(shè)置

海南儋州熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測站文昌觀測場（中心點(diǎn)經(jīng)緯度：110.46°E，19.32°N）建設(shè)于2014 年，土壤為海相沉積發(fā)育的磚紅壤，土壤質(zhì)地為沙壤土。耕作層土壤（0–20 cm）初始理化性質(zhì)為：pH5.86，容重1.56 g/cm3，總氮0.15 g/kg，總磷0.13 g/kg，總鉀0.80 g/kg，有機(jī)碳2.91 g/kg。每年5–10 月為雨季，常年降雨量1721.6 mm。熱帶海洋季風(fēng)氣候，年均溫度為23.9 ℃，年平均降水量1886 mm，極端天氣為夏季暴雨春季干旱。

文昌觀測場試驗(yàn)小區(qū)分布見圖1，種植制度為南方濕潤平原區(qū)露地蔬菜輪作模式[8]，作物為辣椒（“湘辣十七號”）和豇豆（“泰國金龍長豆角”）。辣椒10 月初播種，次年4 月中旬收獲；豇豆5 月初播種，8 月底收獲。株行距為45 cm×50 cm，覆膜。試驗(yàn)小區(qū)為10 m×6.2 m 平地，小區(qū)與保護(hù)行之間及小區(qū)之間以寬24 cm，高70 cm（地面以下深度60 cm）磚混結(jié)構(gòu)的田埂分離。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置3 個(gè)處理：單施化肥（CF）、化肥+秸稈還田（FS）、秸稈還田（CS），每個(gè)處理重復(fù)3 次。秸稈為玉米秸稈，秸稈還田處理使用旋耕滅茬使其均勻分布于耕層。施肥量見表1。

表1 試驗(yàn)施肥方案Table 1 Experiment fertilization scheme

圖1 海南儋州熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測站文昌觀測場Figure 1 Wenchang Observation Site of Danzhou Tropical Agro-ecosystem National Observation and Research Station, Hainan Province

1.2 樣品采集與測試

于每年8 月份作物收獲后采集0–20 cm 耕層土壤，去掉凋落物、碎石、根系等雜物，-80 ℃冷藏保存，委托百邁克生物科技有限公司（北京，中國）進(jìn)行高通量擴(kuò)增子測序，使用MN NucleoSpin 96 Soi 試劑盒提取 DNA，基于 Illumina HiSeq 平臺(tái)，分別使用 338F/806R 引物對（5'-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3'/5'- GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3'）對16S rDNA 基因V3-V4 區(qū)進(jìn) 行 擴(kuò) 增 ， 使 用 ITS1F/ITS2 引 物 對 （ 5'-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA-3'/5'-GCTGCGTTCTTCATCGATGC-3'）對DNA 內(nèi)轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)利用雙末端測序的方法完成。

1.3 數(shù)據(jù)處理

原始測序數(shù)據(jù)首先使用Trimmomatic（version 0.33）進(jìn)行質(zhì)量過濾，然后使用Cutadapt（version 1.9.1）進(jìn)行引物序列的識(shí)別與去除，其后使用 USEARCH（version 10）軟件（Edgar 2013）對雙端reads 進(jìn)行拼接并去除嵌合體（UCHIME, version 8.1），16S rDNA 最終得到633468 條高質(zhì)量的序列，ITS 最終得到688172 條高質(zhì)量序列，在97%相似度水平下進(jìn)行聚類，以測序所有序列數(shù)的 0.005%作為閾值過濾OTU 分別與Silva 和Unite 數(shù)據(jù)庫比對，使用RDPClassifier（version2.2）進(jìn)行物種注釋，置信度閾值為0.8，獲得每個(gè)OTU 的分類學(xué)注釋。最后根據(jù)單個(gè)樣本所包含序列數(shù)構(gòu)建OTU 矩陣文件。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

2.1 數(shù)據(jù)集命名規(guī)則及數(shù)據(jù)量

本數(shù)據(jù)集為海南儋州熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測站文昌觀測場（海南省文昌市）2016–2021 年菜地土壤高通量擴(kuò)增子測序細(xì)菌和真菌數(shù)據(jù)，大小為8.03 GB。文件名為“2016–2021 年海南文昌菜地土壤微生物數(shù)據(jù)集”，含1 個(gè)文件夾和3 個(gè)EXCEL 數(shù)據(jù)表，分別命名為“原始測序數(shù)據(jù)”“2016–2021 年海南文昌菜地細(xì)菌”“2016–2021 年海南文昌菜地真菌”和“數(shù)據(jù)質(zhì)量控制統(tǒng)計(jì)”。

“原始測序數(shù)據(jù)”文件夾內(nèi)含“2016–2021 年細(xì)菌原始序列”和“2017–2021 年真菌原始序列”兩個(gè)文件夾，分別內(nèi)含108 和90 個(gè)FQ 文件，F(xiàn)Q 文件為每個(gè)樣本原始雙端測序文件。FQ 文件命名規(guī)則為“年份+處理編碼”，如文件“2016-CF1_1.fq”和“2016-CF1_2.fq”為2016 年單施化肥處理土壤樣本1 雙端測序文件。

“2016–2021 年海南文昌菜地細(xì)菌”和“2016–2021 年海南文昌菜地真菌”數(shù)據(jù)表為擴(kuò)增子測序結(jié)果，各包括6 個(gè)表單，分別記錄2016 年至2021 年，單施化肥（CF）、化肥+秸稈還田（FS）和秸稈還田（CS）三個(gè)處理的細(xì)菌或真菌擴(kuò)增子測序序列在97%相似度下聚類獲得OTU（操作單元）豐度及對應(yīng)物種分類信息，每個(gè)表單以年份命名，如“2016”。

“數(shù)據(jù)質(zhì)量控制統(tǒng)計(jì)”數(shù)據(jù)表為每次測序結(jié)果質(zhì)量控制統(tǒng)計(jì)結(jié)果，內(nèi)含2 個(gè)表單，分別記錄細(xì)菌或真菌每年測序結(jié)果表單涉及各樣本序列數(shù)目及數(shù)據(jù)評估，命名為“細(xì)菌”和“真菌”。

2.2 數(shù)據(jù)樣本描述

樣本原始測序文件存儲(chǔ)了該樣本生物序列及相應(yīng)質(zhì)量評價(jià)，均以ASCII 字符表示，是目前高通量測序結(jié)果的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。FASTQ 文件中每個(gè)序列通常有四行：第一行：以“@”開頭，后面跟著唯一序列ID 標(biāo)識(shí)符和可選序列描述內(nèi)容，二者用空格隔開；第二行：序列字符；第三行：以“+”開頭，后面跟著可選ID 標(biāo)識(shí)符和描述內(nèi)容，如果“+”后有內(nèi)容則與第一行“@”后的內(nèi)容相同；第四行：堿基質(zhì)量字符，其字符數(shù)與第二行字符數(shù)相同，按一定規(guī)則轉(zhuǎn)化為堿基質(zhì)量得分，能夠反映該堿基的錯(cuò)誤率?！?016-CF1_1.fq”文件中部分序列信息如圖2。

圖2 “2016-CF1_1.fq”文件中部分序列信息Figure 2 Part of the sequence information in the “2016-CF1_1.fq” file

表2 列出“2016–2021 年海南文昌菜地細(xì)菌”和“2016–2021 年海南文昌菜地真菌”數(shù)據(jù)表中表頭示例并詳細(xì)記錄表單數(shù)據(jù)項(xiàng)含義、數(shù)據(jù)類型等信息。

表2 細(xì)菌或真菌測序表單內(nèi)容Table 2 Content of the bacterial or fungal sequencing data table

表3 列出“數(shù)據(jù)質(zhì)量控制統(tǒng)計(jì)”中表頭示例，并詳細(xì)記錄表單數(shù)據(jù)項(xiàng)含義、數(shù)據(jù)類型等信息。

表3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制統(tǒng)計(jì)表單內(nèi)容Table 3 Content of data quality control statistics data table

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

文昌觀測場作為海南儋州熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測站觀測區(qū)之一，在國家野外科學(xué)觀測研究站的統(tǒng)一規(guī)劃和指導(dǎo)下，圍繞熱帶農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展需要，系統(tǒng)開展熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)水、土、氣、生等要素的長期、連續(xù)、動(dòng)態(tài)的定位監(jiān)測和數(shù)據(jù)匯聚，形成了系統(tǒng)的觀測指標(biāo)、觀測方法、和觀測質(zhì)量控制體系。文昌觀測樣地的設(shè)置、觀測和維護(hù)、樣品的采集、樣品制備與保存、數(shù)據(jù)填報(bào)和質(zhì)控規(guī)范根據(jù)《中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)（CERN）長期觀測規(guī)范》[15-18]執(zhí)行。

本數(shù)據(jù)集所涉及的樣本序列均經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)，包括過濾低質(zhì)量、數(shù)據(jù)產(chǎn)出及質(zhì)控統(tǒng)計(jì)。原始序列首先經(jīng)過低質(zhì)量過濾（Trimmomatic[19], version0.33），然后識(shí)別并去除引物序列（cutadapt，version1.9.1），進(jìn)行拼接（Usearch，version1.2.11），拼接后去除嵌合體（UCHIME[20], version1.2.11），得到最終的高質(zhì)量序列。最后統(tǒng)計(jì)各階段的序列數(shù)，序列長度等參數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行評估。

4 數(shù)據(jù)價(jià)值

本數(shù)據(jù)集整合了2016–2021 年海南省文昌市菜地耕層土壤微生物細(xì)菌和真菌擴(kuò)增子測序的數(shù)據(jù)，為了解熱區(qū)菜地不同田間管理模式下土壤微生物組成，探究土壤微生物群落演替及其影響因子和養(yǎng)分循環(huán)微觀機(jī)理提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，有助于分析環(huán)境要素與生產(chǎn)系統(tǒng)間的相互作用機(jī)理，具有重要的實(shí)際意義。

5 數(shù)據(jù)使用方法和建議

本數(shù)據(jù)集可通過科學(xué)數(shù)據(jù)銀行（Science Data Bank）在線服務(wù)獲得，如需本數(shù)據(jù)集的其他相關(guān)數(shù)據(jù)信息可咨詢本文作者（chenm200567@163.com）。后續(xù)作者會(huì)陸續(xù)將臺(tái)站長期觀測包括與本文相關(guān)的其他數(shù)據(jù)內(nèi)容撰寫數(shù)據(jù)論文，以提供更好的數(shù)據(jù)共享服務(wù)。

致 謝

衷心感謝海南儋州熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站觀測人員的支持！感謝中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所劉宏斌老師、翟麗梅老師在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方面給予的指導(dǎo)！感謝中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與植物保護(hù)研究所范長華、葛梅紅和冷有鋒碩士在樣品采集、數(shù)據(jù)收集與處理方面給予的幫助！

數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)

陳淼（1985—），男，四川省綿陽市人，博士，副研究員，研究方向?yàn)橥寥捞嫉h(huán)與農(nóng)業(yè)面源污染控制。主要承擔(dān)工作：觀測系統(tǒng)的長期連續(xù)運(yùn)行、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與整合。

李勤奮（1974—），女，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市人，博士，研究員，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)資源與環(huán)境保護(hù)。主要承擔(dān)工作：觀測系統(tǒng)的總體運(yùn)行和數(shù)據(jù)集的整體架構(gòu)。