氮添加和水分改變對亞熱帶人工林紅壤微生物多樣性及群落組成的影響

孫浩釗, 劉桂珍, 朱玉璘, 林雪萍, 郭豪, 錢笑杰, 方熊

氮添加和水分改變對亞熱帶人工林紅壤微生物多樣性及群落組成的影響

孫浩釗1, 劉桂珍1, 朱玉璘1, 林雪萍1, 郭豪2, 錢笑杰1, 方熊3,*

1. 福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 土壤環(huán)境健康與調(diào)控福建省重點實驗室, 福州 350000 2. 福建農(nóng)林大學(xué)機電工程學(xué)院, 福州 350000 3. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源與環(huán)境學(xué)院，南昌 330045

氮沉降加劇與全球降雨格局改變是全球變化的重要特征, 外源氮素的輸入及土壤水分條件的變化勢必會影響土壤微生物的多樣性和群落組成, 進而影響地球化學(xué)過程。運用Illumina Miseq高通量測序技術(shù), 研究氮添加、水分改變及二者交互作用對亞熱帶人工林紅壤細(xì)菌、真菌多樣性、群落組成的影響及其與土壤理化因子間的關(guān)系。結(jié)果表明: 土壤細(xì)菌多樣性隨水分含量的降低而減少, 且氮添加增強了這一抑制作用。施氮后中水分處理土壤真菌Shannon指數(shù)顯著高于低水分處理。氮添加顯著降低Acidobacteria的相對豐度, 增加Actinobacteria、Bacteroidetes的相對豐度。土壤Acidobacteria、Bacteroidetes的相對豐度隨土壤含水量的升高而增加, Actinobacteria、Firmicutes則相反。干旱加劇了氮添加對Acidobacteria相對豐度的抑制作用, 氮水交互處理顯著影響Cyanobacteria的相對豐度。而氮添加、土壤水分及二者交互作用對土壤真菌群落組成均無顯著影響。冗余分析表明土壤細(xì)菌群落組成的變化與土壤含水量、pH、NO3–-N含量、TN含量顯著相關(guān), 分別解釋了土壤細(xì)菌群落組成變化的65.6%、26.1%、21.5%、20.7%。研究表明氮添加會改變干旱對土壤細(xì)菌多樣性和群落組成的影響的強度和方向。

氮沉降; 土壤含水量; 微生物多樣性; 微生物群落組成

0 前言

氮沉降加劇及降水格局變化是全球變化的兩個重要特征, 當(dāng)前我國華南地區(qū)的氮沉降量已經(jīng)達到32—49 kg·N·ha–1·a[2]。與此同時, 全球降水格局也在發(fā)生著變化, 氣候變化預(yù)測模型進一步表明, 未來全球范圍內(nèi)將經(jīng)歷更極端、異常的干旱—降雨事件[3], 我國華南地區(qū)也將面臨季節(jié)性干旱的威脅[4]。

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分, 在土壤生物地球化學(xué)循環(huán)等過程中發(fā)揮著重要作用。氮沉降通過改變氮素有效性、pH值、土壤C/N, 改變植物與土壤微生物之間的養(yǎng)分分配等方式, 直接或間接地影響微生物多樣性及群落組成[5]。如Barbara等長期施氮肥的實驗發(fā)現(xiàn)土壤細(xì)菌多樣性隨施氮量的增加而降低[6]。但Xu等的研究結(jié)果表明土壤細(xì)菌多樣性隨施氮量(0、50、150、250 kg·N·ha–1·a–1)的增加而增加[7]。通過Meta分析的方法研究氮添加對土壤微生物多樣性影響, Wang等的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)低水平的施氮量對土壤細(xì)菌和真菌的Shannon指數(shù)均有負(fù)面影響, 且氮添加對細(xì)菌Shannon指數(shù)的抑制作用隨施氮量增加而增強; 真菌則不然, 當(dāng)施氮量大于10 kg·N·ha–1·a–1時, 氮添加反而增加了真菌Shannon指數(shù)[8]。由于不同的土壤微生物類群可能在土壤氮循環(huán)過程(如固氮、硝化、反硝化等)中發(fā)揮的功能不同, 因而不同的微生物類群對外源氮素輸入的響應(yīng)各異[9]。Moorhead等認(rèn)為: 施氮會增加土壤無機氮含量, 提高土壤碳的有效性, 進而有助于增加富營養(yǎng)型菌種的相對豐度, 減少貧營養(yǎng)型菌種的相對豐度, 因為隨著氮素限制的減弱, 微生物轉(zhuǎn)向分解不穩(wěn)定碳源, 從而降低了這類偏向分解難降解碳源的貧營養(yǎng)型菌群相對豐度[10]。例如Acidobacteria是一種貧營養(yǎng)型土壤細(xì)菌, 其相對豐度通常在氮添加后降低[11], 而Proteobacteria是一種富營養(yǎng)型土壤細(xì)菌, 其相對豐度通常在氮添加后增加[12]。施氮可能通過改變氮有效性直接影響微生物相對豐度, 同時也可以通過降低土壤pH間接影響土壤微生物的相對豐度[13–14]。

土壤水分在土壤微生物生命活動中同樣起著重要作用。土壤水分可以通過直接影響微生物細(xì)胞內(nèi)滲透壓, 影響微生物的活性[15]; 或通過影響營養(yǎng)物質(zhì)在土壤界面的遷移, 間接影響微生物獲取養(yǎng)分[16]; 此外土壤水分的變化還會影響植物生理活動, 從而通過植物根系分泌物間接影響土壤微生物[17]。如Preece等利用溫室盆栽實驗研究土壤水分下降對土壤微生物的影響, 結(jié)果表明, 細(xì)菌Shannon指數(shù)隨干旱程度的加劇而降低[18]。同時Nicholas等在研究干旱對熱帶雨林土壤微生物的影響時也有類似的發(fā)現(xiàn), 干旱組的細(xì)菌多樣性顯著低于對照組[19]。但Acosta—Martínez等在干旱和熱浪對土壤微生物影響的研究中發(fā)現(xiàn), 干旱處理中土壤細(xì)菌、真菌Shannon指數(shù)均有顯著提升[20]。岳丹丹等通過盆栽控水研究干旱對棉花根系土壤真菌多樣性的影響, 發(fā)現(xiàn)與正常澆水處理相比, 干旱處理增加了真菌的Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)[21]。土壤微生物群落中, 具有不同生理和生態(tài)策略的微生物類群對土壤水分有效性變化的響應(yīng)不同, 有研究表明Proteobacteria與土壤含水量顯著正相關(guān), 土壤含水量的增加會增加其相對豐度, 而Acidobacteria相對豐度會隨著土壤干旱程度的加劇持續(xù)減少, Gemmatimonadetes則與Acidobacteria相反[22–23]。

我國的亞熱帶地區(qū), 氮沉降量高, 降水季節(jié)性變化大, 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能強[24]。在氮沉降增加和干旱加劇背景下, 氮素和土壤水分的交互作用將如何影響土壤微生物多樣性和群落組成, 氮素與土壤水分對土壤微生物多樣性和群落組成的影響是否存在協(xié)同或拮抗作用還不清楚[25]?；诖? 本實驗以亞熱帶人工林紅壤為研究對象, 模擬研究氮添加、土壤水分及二者交互作用對土壤細(xì)菌和真菌多樣性及群落組成的影響。本研究結(jié)果有助于加深區(qū)域氮、水格局變化對森林土壤微生物群落影響的理解。

1 材料與方法

1.1 研究方法

實驗地點位于福州市福建農(nóng)林大學(xué)實驗溫室(26°08′N, 119°24′E), 于2017年10月在溫室內(nèi)建設(shè)18個生長池(1.4 m×1.4 m×0.6 m)。同年11月將從城郊人工林運來的紅壤混勻并填入池中, 填土深度為0.5 m。靜置穩(wěn)定1個月后將馬尾松()、杉木()、海南紅豆()和木荷()1年生幼苗各一株移入池中, 其中杉木和馬尾松為針葉植物, 木荷和紅豆為闊葉植物, 此外海南紅豆還具有固氮作用。緩苗4個月, 于2018年4月進行氮水交互處理, 根據(jù)實驗地區(qū)氮沉降水平, 設(shè)置兩組氮處理, 分別為不施氮(CK, 0 kg·N·ha–1·a–1)和施氮(AN, 80kg·N·ha–1·a–1); 每個氮處理下設(shè)置3個水分梯度, 分別為低水分(LW, 約40%田間最大持水量)、中水分(MW, 約60%田間最大持水量)和高水分(HW, 約80%田間最大持水量)處理, 在實際實驗處理中分別相當(dāng)于約15%、22%、28%土壤體積含水率。實驗共設(shè)計6個處理, 各處理設(shè)置3個重復(fù), 各處理和重復(fù)隨機分布。以硝酸銨為氮源, 每月定期將1.905 g硝酸銨溶于5 L水中噴于施氮處理中, 未施氮組噴水5 L。定期測定土壤含水率并補水分至實驗控制水平。處理8個月后, 每個樣方隨機采集0—10 cm土壤樣品4份并充分混勻,過2 mm篩后, 一份用于土壤理化性質(zhì)的分析, 一份保存于–80 ℃冰箱用于分析土壤微生物。

1.2 樣品分析

1.2.1 土壤基本理化性質(zhì)分析

土壤pH使用電位法, 水土比為2.5︰1。使用元素分析儀(Vario CUBE, 艾力蒙塔, 德國)分析土壤總碳(TC)、總氮(TN)含量。土壤銨態(tài)氮(NH4+-N)、硝態(tài)氮(NO3–-N)含量用氯化鉀溶液浸提后使用間斷性流動分析儀(Smart Chem200, MS-Allianc, 意大利)測得。土壤總磷(TP)使用硫酸—高氯酸消煮—鉬銻抗比色法測得, 使用鹽酸—硫酸浸提法測定土壤有效磷含量(AP)。速效鉀(AK)使用乙酸銨浸提—火焰光度法測定, 具體實驗步驟參考《土壤理化分析與剖面描述》[26]。

1.2.2 土壤微生物群落分析(PCR-AGE)

本研究采用土壤DNA提取試劑盒E.Z.N.A.? Soil DNA Kit(OMEGA, D5625-01)提取土壤微生物DNA。PCR采用15 μL 2×Phanta Master Mix、引物各1 μL、10—20 ng Genomic DNA、30 μL ddH2O。細(xì)菌采用引物為341F(5’—CCTACGGGNGGCWGC AG—3’)和806R(5’—GGACTACHVGGGTWTCTA AT—3’), 真菌采用引物為ITS1F(5’—CTTGGTCA TTTAGAGGAAGTAA—3’)和ITS1R(5’—GCTGCG TTCTTCATCGATGC—3’)。PCR反應(yīng)程序為: 95 ℃預(yù)變性(5 min), 95 ℃變性(30 s), 55 ℃退火(30 s), 72 ℃延伸(45 s)(以上其中細(xì)菌循環(huán)27次、真菌循環(huán)29次); 72 ℃終延伸(10 min)。PCR結(jié)束后電泳驗證并引入Illumina橋式PCR兼容引物進行第二輪擴增, 以16S rRNA基因產(chǎn)物為細(xì)菌第二輪擴增模板, 以ITS rRNA基因產(chǎn)物為真菌第二輪擴增模板, 選擇細(xì)菌特異性較高的V3—V4區(qū), 真菌特異性較高的ITS1區(qū)作為擴增片段, 引物為F(AATGATACGG CGACCACCGAGATCTACACTATAGCCTACACTC TTTCCCTACACGACGCTCTTCCGATCT)和R(CAA GCAGAAGACGGCATACGAGATCGAGTAATGTG ACTGGAGTTCAGACGTGTGCTCTTCCGATCT), 反應(yīng)過程為95 ℃預(yù)變性(30 s), 95 ℃變性(15 s), 55℃退火(15 s), 72 ℃延伸(30 s), 5個循環(huán); 72 ℃終延伸(5 min)。PCR結(jié)束后, PCR產(chǎn)物進行瓊脂糖電泳檢測, 瓊脂糖濃度: 2%, 電壓80 V, 電泳時間40 min。選擇EqualbitTM dsDNA HSAssayK-it (Vazyme, EQ111-01)試劑盒切膠回收PCR產(chǎn)物, 由生物工程公司進行測序。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

使用USEARCH在0.97相似度下進行聚類, 對聚類后的序列進行嵌合體過濾后, 得到用于物種分類的OUT序列, 通過比對silva rRNA數(shù)據(jù)庫, 得到每個OTU對應(yīng)的物種分類信息。采用香農(nóng)指數(shù)(Shannon index)和辛普森指數(shù)(Simpson index)計算土壤細(xì)菌、真菌群落的均勻性及豐富度, 表征土壤微生物群落多樣性, 計算方法參考郭萍萍等[27]。使用R語言的vegan包基于Weigted Unifrac距離矩陣對所有OUT進行NMDS分析。使用SPSS26.0雙因素方差分析法檢驗氮添加、土壤水分及二者交互作用對土壤理化性質(zhì)、微生物多樣性、微生物門水平優(yōu)勢種群相對豐度的影響。采用單因素方差分析檢驗相同氮水平不同水分處理之間或相同水分水平不同氮處理之間的土壤理化性質(zhì)、微生物多樣性、微生物優(yōu)勢種群相對豐度的顯著性, 用LSD法進行多重比較。采用雙變量相關(guān)性分析對土壤相對豐度占比超過1%的優(yōu)勢菌群與土壤環(huán)境因子之間的相關(guān)性進行分析, 顯著性水平設(shè)置為0.05。使用Canoco 4.5對相對豐度占比大于1%的微生物做DCA (Detrended corresp-ondence analysis)分析, 前四軸最大值小于3, 選擇RDA(Redundancy analysis)分析其與環(huán)境因子之間關(guān)系。使用Origin軟件繪制柱狀圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)

總體上看, 氮添加顯著增加土壤TN、NH4+-N、NO3–-N的含量(表1)。不同水分條件下, 氮添加對土壤TN含量無顯著影響, 均顯著增加土壤NO3–-N含量, 但僅顯著增加了低水分處理組土壤NH4+-N的含量。水分處理顯著影響土壤TN和NH4+-N含量, 同時對土壤pH(=0.051)和NO3–-N含量(=0.067)的影響也幾乎達到顯著水平。土壤TN含量表現(xiàn)為低水分處理組高于(<0.05)中水分處理組。隨著土壤水分降低, 土壤pH有降低趨勢。氮添加與土壤水分交互作用顯著影響土壤NH4+-N、NO3–-N的含量(＜0.01）。在不加氮組, 土壤NO3–-N含量隨土壤含水量的降低而降低; 但是加氮后NH4+-N、NO3–-N含量隨土壤含水量的降低而增加。在不加氮組, 水分處理對土壤pH無顯著影響; 但在加氮組, 低水分處理顯著降低土壤pH。

2.2 土壤微生物多樣性

如圖1所示: 整體上看, 氮添加對土壤細(xì)菌多樣性無顯著影響, 而水分處理顯著影響細(xì)菌的多樣性, 表現(xiàn)為低水分處理細(xì)菌多樣性顯著低于中、高水分處理(<0.01)。在不加氮組, 水分對土壤細(xì)菌多樣的無顯著影響; 但是加氮后, 低水分處理顯著降低土壤細(xì)菌多樣性(<0.05)。氮、水及二者的交互處理對土壤真菌多樣性無顯著影響, 但中水分處理土壤真菌Shannon指數(shù)顯著大于低水分處理。

2.3 土壤微生物群落組成

基于Weighted Unifrac distance的微生物群落組成非度量多維尺度分析(NMDS)分析氮添加、土壤水分及二者交互作用對土壤微生物群落組成的影響(圖2), 結(jié)果顯示, 施氮使低水分與中水分處理的細(xì)菌群落分開, 但真菌存在明顯的重疊。不同水分處理的土壤細(xì)菌群落在第一軸上分開(圖2a), 低水分處理和高水分處理的土壤真菌群落在第二軸上分開(圖2b); 總體而言, 土壤微生物群落對土壤含水量的響應(yīng)大于施氮, 而氮添加對細(xì)菌群落組成的影響主要體現(xiàn)在低水分處理。

表1 不同處理的土壤理化性質(zhì)

注: 表中土壤理化性質(zhì)數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差,=3。不同小寫字母表示相同施氮處理不同土壤水分間差異顯著(<0.05), 不同大寫字母表示相同土壤水分不同施氮處理間差異顯著(<0.05)。N, W, N*W的值為雙因素方差分析的值, 分別表示施氮、土壤水分及二者交互作用對土壤理化性質(zhì)的影響, **表示差異極顯著(<0.01)。

注: 平均值±標(biāo)準(zhǔn)差, n=3, 不同小寫字母表示相同施氮處理不同土壤水分間差異顯著(P<0.05); 圖中CK表示未施氮處理, AN表示氮添加處理, LW、MW、HW分別表示低、中、高水分處理。N、W、N*W分別表示施氮、土壤水分及二者交互作用對細(xì)菌, 真菌群落shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)的影響, P<0.05時影響顯著, 下同。

Figure 1 Shannon index (lift) and Simpson index (right) of soil bacteria (a, b) and fungi (c, d) under different treatments

注: CL表示不施氮低水分處理, NL表示施氮低水分處理, CM表示不施氮中水分處理, NM表示施氮中水分處理, CH表示不施氮高水分處理, NH表示施氮高水分處理, 下同。

Figure 2 Non-metric multidimensional scaling (NMDS) of bacterial (a) and fungal (b) community structure based on Weighted Unifrac distance

選擇相對豐度在1%以上的門水平優(yōu)勢微生物種群分析其相對豐度的變化, 細(xì)菌分別為變形菌門(Proteobacteria)、酸桿菌門(Acidobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)、厚壁菌門(Firmicutes)、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)、藍(lán)藻菌門(Cyanobacteria)和擬桿菌門(Acidobacteria), 其中變形菌門相對豐度最高(29.54%—37.90%), 其次是酸桿菌(14.90%—21.69%)、放線菌(5.60%— 19.15%) (圖3)。真菌分別為子囊菌門(Ascomycota)、擔(dān)子菌門(Basidiomycota)、球囊菌門(Mortierellomycota)和羅茲菌門(Rozellomycota)。其中子囊菌門相對豐度最高(59.74%—82.76%), 其次是擔(dān)子菌門(10.12%— 29.07%)、球囊菌門(1.25%—8.80%)(圖4)。如圖3所示: 氮添加顯著增加Actinobacteria、Bacteroidetes的相對豐度(<0.05), 降低Acidobacteria的相對豐度(<0.05)。土壤水分條件的改變顯著影響除Chloroflexi、Cyanobacteria外其余6種優(yōu)勢細(xì)菌相對豐度, 具體表現(xiàn)為: Acidobacteria、Bacteroidetes的相對豐度隨土壤含水量的升高而升高(<0.05); 但Actinobacteria (<0.01)、Firmicutes (<0.05)、Gemmatimonadetes (<0.05)的相對豐度隨土壤含水量的降低而降低。氮添加使低水分處理組Cyanobacteria的相對豐度顯著下降(<0.05), 但隨著土壤水分的增加, Cyanobacteria的相對豐度對氮添加的響應(yīng)由降低變?yōu)樯摺３酥? 不施氮處理組, 中、高水分處理下Proteobacteria、Bacteroidetes的相對豐度顯著高于低水分處理(<0.05), 但其顯著性在氮添加后消失。土壤水分的增加對Firmicutes相對豐度的抑制作用也在氮添加后達到了顯著水平。施氮、土壤水分及二者的交互作用對土壤門水平優(yōu)勢真菌的影響均未表現(xiàn)出顯著性(圖4), 但干旱有增加Ascomycota和降低Basidiomycota相對豐度的趨勢。

注: 不同大寫字母表示相同土壤水分不同施氮處理間差異顯著(P<0.05)。

Figure 3 Relative abundance of dominant soil bacteria in phylum level under different treatments

2.4 土壤微生物群落與環(huán)境因子的相關(guān)性分析

土壤細(xì)菌RDA前兩個排序軸分別解釋73.0%、10.1%的土壤細(xì)菌優(yōu)勢種群與環(huán)境因子之間的關(guān)系(圖5a), 土壤含水量(=0.002)、pH(=0.004)、NO3–-N (=0.032)和TN(=0.022)與細(xì)菌群落組成顯著相關(guān), 分別解釋了土壤細(xì)菌群落組成變化的65.6%、26.1%、21.5%和20.7%(圖5a)。土壤真菌冗余分析前兩個排序軸分別解釋38.2%、2.2%的土壤真菌優(yōu)勢種群與環(huán)境因子之間的關(guān)系(圖5b), 土壤理化性質(zhì)對真菌優(yōu)勢菌群的影響不顯著。

3 討論

3.1 氮添加和水分改變對土壤細(xì)菌、真菌多樣性的影響

整體上看, 氮添加及氮水交互作用對土壤細(xì)菌的多樣性無顯著影響, 僅土壤含水量對土壤細(xì)菌多樣性有顯著影響。已有許多研究發(fā)現(xiàn)施氮對土壤細(xì)菌多樣性有明顯的降低作用[8], 但也有研究表明: 在氮限制環(huán)境下, 短期施氮會增加細(xì)菌活性, 少量的氮能夠促進某些土壤細(xì)菌的生長[28]。在本研究中, 施氮有增加細(xì)菌多樣性的趨勢, 但是沒有達到顯著水平(圖1)。Christian等人認(rèn)為在微酸性土壤中, 土壤細(xì)菌多樣性與土壤pH值之間存在很強的相關(guān)關(guān)系[29]。因此在本研究中可能是由于氮添加量及實驗處理時間的原因, 施氮并沒有對土壤pH產(chǎn)生顯著影響(表1), 因此也未顯著影響細(xì)菌多樣性。土壤水分在土壤細(xì)菌生命活動中起重要作用, 一般來說, 土壤水分降低會影響細(xì)菌體內(nèi)滲透壓及土壤養(yǎng)分有效性因而對土壤細(xì)菌的多樣性有負(fù)面影響[16, 30]。這與本實驗的研究結(jié)果低水分處理土壤細(xì)菌的Shannon指數(shù)顯著低于中、高水分處理一致。本研究還發(fā)現(xiàn), 增加土壤含水量后, 氮添加對土壤細(xì)菌多樣性的影響由降低變?yōu)樯? 且施氮只顯著降低了低水分處理土壤pH值。Zhang等的實驗也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果, 增加土壤含水量增加了低施氮水平處理的細(xì)菌多樣性[31]。一方面這可能與土壤pH對細(xì)菌多樣性的影響有關(guān), 土壤水分含量增加后, 增強了土壤硝態(tài)氮的淋失, 此外土壤含水量的增加也會增強土壤反硝化作用, 從而導(dǎo)致酸性土壤pH升高[32];另一方面, 還可能是因為土壤水分的增加對細(xì)菌多樣性的促進作用。土壤水分增加可能會增強短期內(nèi)土壤氮素對土壤細(xì)菌多樣性的促進作用。

圖4 不同處理土壤真菌門水平優(yōu)勢種群的相對豐度

Figure 4 Relative abundance of dominant soil fungi in phylum level under different treatments

注: 各種圖形含義同上, 理化性質(zhì)實線表示影響顯著, 虛線表示不顯著。

Figure 5 Redundancy analysis results for bacterial community and soil environmental parameters (Bacteria a, Fungi b)

本研究發(fā)現(xiàn)土壤真菌多樣性對土壤氮水條件變化的耐受性強于細(xì)菌, 施氮、土壤水分及二者的交互作用對土壤真菌多樣性均無顯著作用。施氮增加了真菌Shannon指數(shù)與Simpson指數(shù), 但未達到顯著水平。Zhou等在中國東北黑土上連續(xù)施用了34年氮肥, 研究其對土壤真菌的影響, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)真菌多樣性顯著降低[33]。這與本實驗研究結(jié)果不符, 可能與實驗處理時間長短與實驗地區(qū)土壤類型有關(guān)[8, 34–35]。Zhang等人在研究施氮與降雨增加對內(nèi)蒙古草原土壤真菌影響的實驗中發(fā)現(xiàn): 正常降水條件真菌多樣性在施氮量為100 kg·N·ha–1·a–1時顯著升高, 但增加降水后其顯著性消失, 并推測施氮與增雨相結(jié)合有利于維持土壤真菌的多樣性[36]。這與本研究的結(jié)果相似, 本實驗發(fā)現(xiàn): 施氮后, 中水分處理的真菌Shannon指數(shù)顯著高于低水分處理, 但高水分處理與低水分處理之間并無顯著性。這可能是由于中土壤水分條件下更適宜土壤真菌的生命活動, 也可能由于細(xì)菌與真菌之間對有機碳的競爭所導(dǎo)致[37], 本結(jié)果也進一步說明氣候變化對土壤真菌多樣性的影響可能要從多因素交互作用預(yù)測。

3.2 氮添加和水分改變對土壤細(xì)菌、真菌群落組成的影響

氮素是影響土壤細(xì)菌群落組成的重要因素, 不同類群土壤微生物對施氮的響應(yīng)不同[38]。畢捷等研究了半干旱草原土壤微生物群落組成對氮水條件變化的響應(yīng), 發(fā)現(xiàn)其群落組成受到氮添加的顯著影響[39]。本研究也發(fā)現(xiàn)類似的結(jié)果, 這可能是因為外源氮素的輸入改變了土壤微生物的底物供應(yīng), 本研究中氮添加使土壤NH4+-N、NO3–-N含量顯著增加, 降低低水分處理組土壤pH(表1), 且RDA的結(jié)果表明土壤pH、NO3–-N和TN含量與細(xì)菌群落組成顯著相關(guān)(圖5a)。另一方面, 本實驗結(jié)果表明氮添加顯著降低Acidobacteria的相對豐度, 顯著增加Actinobacteria的相對豐度。這與Zeng等的研究結(jié)果一致, 他們的結(jié)果表明, Acidobacteria的相對豐度隨施氮量的升高而下降、Actinobacteria隨施氮量的升高而升高, 這可能是因為氮添加提高了土壤的養(yǎng)分有效性, 直接影響微生物的生理活動, 也可能由于氮添加降低了土壤pH或通過植物根系等作用間接影響其相對豐度[40]。此外, 本研究還發(fā)現(xiàn)土壤水分的變化改變了Cyanobacteria、Actinobacteria的相對豐度對氮添加的響應(yīng), 低水分處理中, 施氮顯著降低了Cyanobacteria的相對豐度, 增加土壤含水量后, 施氮反而增加了Cyanobacteria的相對豐度, 有研究表明: 水分是影響土壤微藻分布的重要限制因素, 在一些水分充足的土壤環(huán)境中, 藍(lán)藻的豐富度最高, 并且大多數(shù)藍(lán)藻都具有固氮功能, 能將無機氮轉(zhuǎn)化為有機氮[41], 氮源豐富的環(huán)境可能會促進其生長。張海芳等的研究結(jié)果表明, 增加土壤水分導(dǎo)致Actinobacteria相對豐度在施氮后由顯著升高變?yōu)轱@著降低[42], 這與本實驗結(jié)果相似, 本研究中Actinobacteria的相對豐度與土壤含水量極顯著負(fù)相關(guān), 與土壤硝態(tài)氮的含量顯著正相關(guān)(圖5a), 高土壤水分抑制了施氮對Actinobacteria生長的促進作用, 這可能與Actinobacteria在不同水分條件下的形態(tài)特征有關(guān), 在不同的水分條件下, Actinobacteria對氮添加的響應(yīng)存在差異。

四種土壤優(yōu)勢真菌的相對豐度對施氮、土壤水分及二者的交互作用的響應(yīng)均不顯著, 可能是因為真菌具有細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)這一生理結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢, 在短期內(nèi)使其更容易抵抗外界環(huán)境因素的脅迫[43–44]。Zhou等的研究結(jié)果表明, 在300 kg·N·ha–1·a–1時Ascomycota的相對豐度顯著降低, Basidiomycota的相對豐度顯著升高[33]。這與本實驗研究結(jié)果不一致, 本研究發(fā)現(xiàn), Ascomycota與土壤NH4+-N、NO3–-N含量呈正相關(guān),則相反(圖5b), 說明實驗的施氮量及實驗處理時間的長短也可能是本實驗土壤真菌相對豐度無顯著變化的原因之一。綜上所述, 土壤微生物多樣性和群落組成與土壤氮水條件變化之間的關(guān)系較為復(fù)雜, 研究需綜合考慮土壤類型、地上部植物、實驗條件對土壤氮水交互效應(yīng)的影響。

4 結(jié)論

(1)氮添加對土壤細(xì)菌和真菌多樣性無顯著影響, 土壤水分的變化顯著影響土壤細(xì)菌多樣性, 表現(xiàn)為高水分處理>中水分處理>低水分處理, 且氮添加增強了低水分對細(xì)菌多樣性的抑制作用。氮、水及二者的交互處理對土壤真菌多樣性無顯著影響

(2)不同類群細(xì)菌對氮添加、土壤水分變化及二者交互作用響應(yīng)不同, 氮添加顯著降低Acidobacteria的相對豐度, 增加Actinobacteria和Bacteroidetes的相對豐度; Acidobacteria、Bacteroidetes的相對豐度隨土壤含水量的增加增加, Actinobacteria、Firmicutes和Gemmatimonadetes則相反; 干旱使氮添加對Acidobacteria相對豐度的抑制作用達到顯著水平; 土壤水分的增加改變了Cyanobacteria的相對豐度對氮添加的響應(yīng)。

(3)氮水單獨或交互作用對土壤優(yōu)勢真菌相對豐度均無顯著影響。但干旱有增加Ascomycota和降低Basidiomycota相對豐度的趨勢。

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Effects of nitrogen addition and moisture change on microbial diversity and community composition in subtropical plantation red soil

SUN Haozhao1, LIU Guizhen1, ZHU Yulin1, LIN Xueping1, GUO Hao2, QIAN Xiaojie1, FANG Xiong3,*

1. Fujian Provincial Key Laboratory of Soil Environmental Health and Regulation, College of Resources and Environment, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350000, China 2. College of Mechanical and Electrical Engineering, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350000, China 3. College of Land Resources and Environment, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China

The intensification of nitrogen deposition and the change of global rainfall pattern are important features of global change. The input of exogenous nitrogen and the change of soil water conditions will inevitably affect soil microbial diversity and community composition. Illumina Miseq high-throughput sequencing technology was used to study the effects of nitrogen addition, water change and their interaction on bacterial and fungal diversity and community composition of red soil in a modeling subtropical plantation, as well as their relationships with soil properties. The results showed that: soil bacterial diversity decreased with the decrease of water content, and the inhibition effect was enhanced by the addition of nitrogen. The Shannon index of soil fungi under medium water treatment was significantly higher than that under low water treatment. Nitrogen addition significantly decreased the relative abundance of Acidobacteria, while increased the relative abundance of Actinobacteriaand Bacteroidetes. In the soil, the relative abundance of Acidobacteria and Bacteroidetes increased with the increase of soil water content, while Actinobacteria and Firmicutes were on the contrary. Drought intensified the inhibition effect of nitrogen addition on the relative abundance of Acidobacteria. Nitrogen addition and soil water interaction significantly affected the relative abundance of Cyanobacteria. But nitrogen addition, soil moisture and their interactions had no significant effects on soil fungal community composition. The results of redundancy analysis showed that the changes of soil bacterial community composition were significantly related to soil water content, pH, NO3–-N content and TN, which accounted for 65.6%, 26.1%, 21.5% and 20.7% of the changes of soil bacterial community composition, respectively. These results suggest that nitrogen addition may alter the intensity and direction of the effects of drought on soil bacterial diversity and community composition.

nitrogen deposition; soil water content; microbial diversity; microbial community composition

10.14108/j.cnki.1008-8873.2024.01.012

S714.3

A

1008-8873(2024)01-094-11

2021-08-18;

2021-11-09

國家自然科學(xué)基金項目(42267034); 江西省“千人計劃”創(chuàng)新領(lǐng)軍人才長期青年項目(jxsq2023101103); 福建省松林改造提升行動重點科技攻關(guān)項目(2021FKJ01)

孫浩釗(1997—), 男, 河南許昌人, 碩士, 研究方向為土壤生態(tài)學(xué), E-mail: 18238670521@163.com

通信作者:方熊, 博士, 副教授, 主要從事土壤生態(tài)學(xué)研究, E-mail: fangxiong_1103@126.com

孫浩釗, 劉桂珍, 朱玉璘, 等. 氮添加和水分改變對亞熱帶人工林紅壤微生物多樣性及群落組成的影響[J]. 生態(tài)科學(xué), 2024, 43(1): 94–104.

SUN Haozhao, LIU Guizhen, ZHU Yulin, et al. Effects of nitrogen addition and moisture change on microbial diversity and community composition in subtropical plantation red soil[J]. Ecological Science, 2024, 43(1): 94–104.