沿黃稻區(qū)土壤菌群結(jié)構(gòu)與生態(tài)功能研究

田瑩瑩 郭琦 陳星儒 孫向輝 趙京

摘? 要：為了解沿黃稻區(qū)不同基質(zhì)土壤的微生物組成，采集了河灘砂質(zhì)土壤（sand soil，SS）和毗鄰稻田土壤（paddy soil，PS）.利用16S rRNA基因高通量測(cè)序技術(shù)揭示沿黃稻區(qū)土壤菌群的組成及其潛在的生態(tài)功能.Alpha多樣性分析顯示兩種土壤的菌群豐富度和多樣性指數(shù)無顯著性差異.進(jìn)一步的物種組成分析，發(fā)現(xiàn)unclassified_f? Micrococcaceae、鞘氨醇單胞菌屬（Sphingomonas）、norank_f? noorank_o? Vicinamibacterales、norank_f? Vicinamibacterales在SS和PS中廣布，與土壤基質(zhì)類型無關(guān)豐度，但芽孢桿菌屬（Bacilllus）、硫桿菌屬（Thiobacillus）在PS中的相對(duì)豐度顯著高于SS.基于FAPROTAX數(shù)據(jù)庫(kù)的功能熱圖分析顯示PS（尤其是P2_1、P3_1）中芳香烴降解功能序列的相對(duì)豐度高于SS，結(jié)合菌群相對(duì)豐度結(jié)果推測(cè)類諾卡氏菌屬（Nocardioides）、unclassified_f_Nocardioidaceae是該差異產(chǎn)生的關(guān)鍵.SS中光養(yǎng)微生物豐度顯著高于PS，尤以卟啉桿菌（Porphyrobacter）、unclassified_f_Rhodobacteraceae、紅細(xì)菌（Rhodobacter）為主的不產(chǎn)氧光合細(xì)菌的豐度較高，其中紅細(xì)菌科（Rhodobacteraceae）是參與SS生物膜形成的重要微生物.研究表明土壤類型對(duì)沿黃稻區(qū)菌群組成有一定的影響，并驅(qū)動(dòng)了菌群生態(tài)功能分異的形成.

關(guān)鍵詞：壤菌群結(jié)構(gòu)；生態(tài)功能；稻田土壤;砂質(zhì)土壤

中圖分類號(hào)：S158????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1000-2367（2024）03-0139-11

河南沿黃稻區(qū)每年經(jīng)歷濕地田、旱地的兩熟制管理方式，常年的稻麥輪作方式，人為干擾強(qiáng)烈，土壤有機(jī)質(zhì)含量較高［1］.黃河灘地為砂質(zhì)土壤，有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較低，人為干擾少，每年7至10月的黃河主汛期，多數(shù)灘地被季節(jié)性淹沒［2］，其他時(shí)間河床裸露干燥，呈旱地特征，并著生以莎草科為主的濕生草本植物.黃河灘地與毗鄰稻田具有相似的干濕交替周期，但二者又有截然不同的土地管理方式，主要是黃河灘地取樣點(diǎn)位于近河岸處，受上游來水影響大，且無耕作歷史.因此，上述兩種土樣可為微生物菌群與生態(tài)功能研究提供良好的材料.

土壤微生物在生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮著重要作用，其中微生物群落結(jié)構(gòu)與土壤性質(zhì)互為影響.土地利用方式可以改變土壤質(zhì)量和養(yǎng)分循環(huán)，又進(jìn)一步影響著土壤微生物組成［3］.不穩(wěn)定有機(jī)碳是維持土壤微生物群落的重要功能性環(huán)境因子，并影響著土壤有機(jī)碳變化和貯存［4］.河岸土地利用類型的不同也會(huì)導(dǎo)致土壤微生物群落組成差異，其中土壤硝酸鹽（NO-3）和水分含量是參與氮循環(huán)微生物群落的主要驅(qū)動(dòng)因素［5］.農(nóng)業(yè)、非農(nóng)業(yè)用地與原生草地相比，其共存的微生物在群落結(jié)構(gòu)和功能上有所不同［6］.植被類型不同，如以小麥、玉米替代向日葵單作也會(huì)顯著影響根際微生物群落組成［7］.JANGID等［8］研究發(fā)現(xiàn)，濕地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田后引起細(xì)菌豐度和種類的顯著變化，并確定土地利用變化是微生物群落組成的主要決定因素.微生

收稿日期：2023-06-02;修回日期：2023-09-08.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（21906041）；河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（232102320100，212102310079）；河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（21A610003）；河南工學(xué)院博士基金項(xiàng)目（9001/KQ1811）.

作者簡(jiǎn)介（通信作者）：田瑩瑩（1988-），女，河南許昌人，河南工學(xué)院講師，博士，研究方向?yàn)槲廴究刂婆c生態(tài)修復(fù)研究，E-mail：tyy@hait.edu.cn.

引用本文：田瑩瑩，郭琦，陳星儒，等.沿黃稻區(qū)土壤菌群結(jié)構(gòu)與生態(tài)功能研究［J］.河南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2024，52（3）：139-149.（Tian Yingying，Guo Qi，Chen Xingru，et al.Soil microbial community structure and eco-function in the rice zone along the Yellow River［J］.Journal of Henan Normal University（Natural Science Edition），2024，52（3）：139-149.DOI：10.16366/j.cnki.1000-2367.2023.06.02.0007.）

物參與特定的土壤生化反應(yīng)［9］，反過來影響土壤生態(tài)系統(tǒng)的多功能性［10-12］，包括土壤養(yǎng)分循環(huán)、植物生長(zhǎng)、溫室氣體產(chǎn)生等方面.研究表明，氨氧化細(xì)菌在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的硝化過程中起主導(dǎo)作用［5］.水稻-蔬菜長(zhǎng)期輪作導(dǎo)致土壤微生物組結(jié)構(gòu)均勻化，微生物的硝化和反硝化能力增加，潛在的N2O排放增加［9］.研究顯示，微生物多樣性受土地利用類型改變的影響較小，而微生物組成和結(jié)構(gòu)對(duì)土地利用類型的響應(yīng)相對(duì)更敏感［6，13］.在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展背景下，從機(jī)理上科學(xué)認(rèn)識(shí)沿黃稻區(qū)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與生態(tài)功能有助于更好地理解土壤內(nèi)部物質(zhì)循環(huán)過程與驅(qū)動(dòng)機(jī)制，對(duì)于制定科學(xué)合理的農(nóng)田可持續(xù)發(fā)展模式起著至關(guān)重要的作用.

本研究以沿黃流域（原陽(yáng)段）黃河灘地和稻田土為研究對(duì)象，利用高通量測(cè)序技術(shù)揭示沿黃稻區(qū)菌群結(jié)構(gòu)、多樣性和差異物種，并基于BugBase、FAPROTAX數(shù)據(jù)庫(kù)預(yù)測(cè)菌群表型和功能.研究結(jié)果為認(rèn)識(shí)和理解沿黃稻區(qū)土壤微生物、功能及元素循環(huán)機(jī)制提供重要參考.

1? 材料和方法

1.1? 研究區(qū)域及土壤樣品的采集

于2021年11月初采用梅花形5點(diǎn)采樣法采集位于河南省原陽(yáng)縣沿黃稻區(qū)表層1 cm的嫩灘砂質(zhì)土（sand soil，SS； 34°55′1.59″ E，113°40′25.01″ N）和稻田土（paddy soil，PS； 35°01′28.442″ E， 113°39′45.714″ N）.每個(gè)土壤類型采集3個(gè)點(diǎn)，其中SS樣品記為S1_1、S2_1和S3_1，PS樣品記為P1_1、P2_1和P3_1.采樣點(diǎn)S1_1距離河岸約200 m（有植被覆蓋），S2_1距離河岸約50 m（有0.5 cm淤泥層覆蓋），S3_1為近河岸約1 m（受黃河水漲落影響最大）.PS采樣點(diǎn)距河岸直線距離約12 km，各點(diǎn)間直線距離100 m.在水稻地上部分收割后采樣，采集時(shí)盡量避開植株根系.所有土壤樣品采集后立即放置在冷藏箱中保存，并及時(shí)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室分析，其中用于土壤理化性質(zhì)分析的土樣置于4 ℃暫存并于48 h內(nèi)分析完畢，用于高通量測(cè)序的樣品在處理前置于-80 ℃冰箱保存.

1.2? 土壤理化性質(zhì)的測(cè)定

取適量風(fēng)干土樣，采用水土質(zhì)量比2.5∶1，搖床振蕩30 min，靜置后用便攜式pH計(jì)測(cè)定土壤pH值.土壤中的二價(jià)鐵（FeII）采用鄰菲羅啉比色法測(cè)定，總鐵（FeT）利用鹽酸羥胺還原后采用鄰菲羅啉比色法測(cè)定.土壤總有機(jī)碳（TOC）采用濕式重鉻酸鉀分光光度法測(cè)定.土壤銨態(tài)氮（NH+4-N）、硝態(tài)氮（NO-3-N）、亞硝態(tài)氮（NO-2-N）的測(cè)定利用2 mol/L KCl溶液浸提，其中NH+4-N采用靛酚藍(lán)比色法，NO-3-N采用紫外分光光度法，NO-2-N采用磺胺/鹽酸萘乙二胺分光光度法測(cè)定.土壤全氮（TKN）利用凱氏定氮法測(cè)定［14］.

1.3? DNA的提取，PCR擴(kuò)增與高通量測(cè)序

按E.Z.N.A.soil DNA kit（Omega Bio-tek，Norcross）試劑盒說明書步驟提取基因組DNA，使用NanoDrop 2000超微量蛋白質(zhì)核酸分析儀（Thermo Fisher Scientific，USA）測(cè)定提取出的DNA濃度和純度.將提取好的DNA樣品利用16S rRNA基因V3-V4區(qū)擴(kuò)增引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增，引物序列為338F（5'-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3'）和806R（5'-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3'）.使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%瓊脂糖凝膠回收PCR產(chǎn)物，利用AxyPrep DNA Gel Extraction Kit（Axygen Biosciences，Union City）進(jìn)行回收產(chǎn)物純化.

純化后的產(chǎn)物送至上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司，使用Illumina Miseq PE300平臺(tái)進(jìn)行高通量測(cè)序和分析.使用NEXTFLEX Rapid DNA-Seq Kit進(jìn)行建庫(kù).使用Fastq軟件對(duì)原始測(cè)序序列進(jìn)行質(zhì)控，并用Flash軟件進(jìn)行拼接.使用Qiime2（v2020.2）軟件，利用DADA2算法對(duì)序列進(jìn)行ASV聚類并剔除嵌合體.基于Silva 16S rRNA 數(shù)據(jù)庫(kù)（v138），利用RDP classifier貝葉斯算法對(duì)ASV代表序列進(jìn)行物種分類學(xué)注釋（置信度閾值0.7），獲得物種分類學(xué)注釋結(jié)果.各樣品的16S rRNA基因測(cè)序結(jié)果上傳至國(guó)家微生物科學(xué)數(shù)據(jù)中心（https：//nmdc.cn/），登錄號(hào)NMDC40024174～NMDC40024179.

1.4? 數(shù)據(jù)分析

基于細(xì)菌群落及土壤理化因子數(shù)據(jù)利用R語(yǔ)言Psych數(shù)據(jù)包繪制相關(guān)性熱圖.基于美吉云平臺(tái)，利用ggplot 2包繪制物種豐度圖，利用Kruskal-Wallis秩和檢驗(yàn)、多重比較方差分析檢驗(yàn)菌群的alpha多樣性，利用主坐標(biāo)分析（PCoA）、Bray-Curtis距離進(jìn)行beta多樣性分析，與BugBase數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)預(yù)測(cè)微生物表型；并與FAPROTAX數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)預(yù)測(cè)優(yōu)勢(shì)菌屬的功能.

2? 結(jié)果和分析

2.1? 沿黃灘地和稻田土主要理化性質(zhì)

對(duì)比SS和PS的主要理化性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)除pH外，PS中的FeII、FeT、NH+4-N、NO-3-N、NO-2-N、TKN和TOC的含量均顯著高于SS.PS中pH的平均值為7.90，低于SS的8.53.研究表明，土壤有機(jī)質(zhì)含量有隨pH升高而降低的趨勢(shì)，二者間呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（R =-0.530～-0.332，P＜0.001）.本研究中，TOC與pH顯著負(fù)相關(guān)（R=-0.881，P=0.02）.

2.2? 沿黃灘地和稻田土中菌群結(jié)構(gòu)

將16S rRNA基因測(cè)序結(jié)果（去除葉綠體和線粒體）按樣本最小序列數(shù)抽平，構(gòu)建ASV集（ASV_all）.將相對(duì)豐度小于0.01的Genus合并，共有60屬.alpha多樣性指數(shù)反應(yīng)群落內(nèi)物種數(shù)量及其相對(duì)豐度，有豐富度指數(shù)（如Chao指數(shù)）和物種多樣性指數(shù)（如Shannon、Simpson指數(shù)）等.Chao指數(shù)值越高，說明物種數(shù)目較多；Shannon指數(shù)值越高，說明群落多樣性越高；Simpson指數(shù)值越高，則說明群落多樣性越低.分析表明（圖1），SS物種數(shù)目較多而多樣性低，但二者的3個(gè)指數(shù)值均無顯著性差異（P＞0.05）.對(duì)微生物組beta多樣性以主坐標(biāo)分析（PCoA）進(jìn)行計(jì)算并可視化.SS各點(diǎn)分散，PS各點(diǎn)距離近，表明SS的群落結(jié)構(gòu)差異較大，而PS的菌群組成較為相似，這與SS樣點(diǎn)間生境差異大有關(guān).主成分軸PC1和PC2分別解釋了49.24%和23.06%的結(jié)構(gòu)差異（圖2）.

去除至少在4個(gè)樣本中相對(duì)豐度都小于0.001 7的ASV，得到相對(duì)豐度前35的屬，以此繪制相對(duì)豐度熱圖（圖3（a）），其中前35屬在總序列中的平均相對(duì)豐度為0.439 4±0.030 4.由于S1_1、S2_1、S3_1樣點(diǎn)理化性質(zhì)（如NH+4-N、TOC、pH等）差異較大，使得SS中組成物種的重現(xiàn)性不如PS高.兩種類型土壤中的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌在門水平上都分屬于放線菌門（Actinobacteriota）和變形菌門（Proteobacteria），且相對(duì)豐度無差異.屬水平上，菌群的相對(duì)豐度有所不同.Unclassified_f? Micrococcaceae、鞘氨醇單胞菌屬（Sphingomonas）、norank_f? noorank_o? Vicinamibacterales和norank_f? Vicinamibacterales為土壤中的廣布屬，相對(duì)豐度與土壤類型無關(guān).SS中unclassified_f_Planococcaceae、黃桿菌屬（Flavobacterium）、副球菌屬（Paracoccus）、unclassified_f_Comamonadaceae、紅細(xì)菌屬（Rhodobacter）、Nodosilinea_PCC_7104相對(duì)豐度高于PS；PS中類諾卡氏菌屬（Nocardioides）、unclassified_f_Nocardioidaceae、硫桿菌屬（Thiobacillus）、unclassified_f_Intrasporangiaceae、芽孢桿菌屬（Bacillus）、norank_f_Anaerolineaceae、norank_f_Caldilineaceae、norank_f_norank_o_SJA-15、norank_f_norank_o_norank_c_MB-A2-108、Gaiella、norank_f_Sutterelleaceae相對(duì)豐度高于SS（圖3（b））.norank_f_Anaerolineaceae、norank_f_Caldilineaceae、norank_f_norank_o_SJA-15、norank_f_norank_o_norank_c_KD4_96屬綠彎菌門（Chloroflexi），在PP中的豐度顯著高于SS.Chlorolema也為Chloroflexi中的一屬，但僅在S1_1中有較高的相對(duì)豐度.此外，Porphyrobacter、Unclassified_f_Rhodobacteraceae、Rhodobacter作為不產(chǎn)氧光合細(xì)菌，能通過H2、硫化物、FeII等還原物質(zhì)提供電子供體還原CO2進(jìn)行光合自養(yǎng)生長(zhǎng)，因而在低有機(jī)質(zhì)的SS中呈現(xiàn)較高的相對(duì)豐度.

進(jìn)一步地用線性判別（LEfSe）分析確定了組間屬水平上豐度差異顯著的21屬（P＜0.05）.如附錄圖S1，norank_f_Caldilineaceae、norank_f_norank_o_SJA-15、norank_f_Anaerolineaceae、norank_f_norank_o_norank_c_KD4_96、norank_f_Steroidobacteraceae、norank_f_Sutterellaceae、Thiobacillus等的豐度在PS中顯著高于SS，而unclassified_f_Comamonadaceae、norank_f_Rhizobiales_Incertae_Sedis、Porphyrobacter、unclassified_f_Rhodobacteraceae、Paracoccus、微小桿菌屬（Exiguobacterium）、unclassified_f_Planococcaceae、Flavobacterium等的豐度在PS中顯著低于SS.

2.3? 細(xì)菌優(yōu)勢(shì)組成物種功能預(yù)測(cè)分析

BugBase表型預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，35個(gè)土壤優(yōu)勢(shì)菌屬涵蓋了全部7個(gè)類型的微生物群落，除厭氧、生物膜形成外的其他功能菌的比例在SS和PS之間無顯著性差異（圖4（a））.選取與生物膜形成和氧需求相關(guān)的類型分析各自組成細(xì)菌的貢獻(xiàn)度，如圖4（b-e））.科水平上，土壤優(yōu)勢(shì)菌中的嚴(yán)格厭氧菌包括norank_o? Vicinamibacterales、Vicinamibacteraceae，其在PS中相對(duì)豐度顯著高于灘地土.鞘脂單胞菌科（Sphingomonadaceae）、類諾卡氏菌科（Nocardioidaceae）、norank_o_norank_c_MB-A2-108、Rhizobiales_Incertae_Sedis為兩種土壤中貢獻(xiàn)度前四的好氧菌.相對(duì)優(yōu)勢(shì)兼性厭氧菌包括微桿菌科（Microbacteriaceae）、嗜氫菌科（Hydrogenophilaceae）、紅細(xì)菌科（Rhodobacteraceae），其中Hydrogenophilaceae在PS中相對(duì)豐度高，Rhodobacteraceae在SS中相對(duì)豐度高，并是參與SS生物膜形成的重要類群.

為研究土壤優(yōu)勢(shì)菌屬在生物地球化學(xué)循環(huán)中的作用，利用FAPROTAX預(yù)測(cè)確定了12個(gè)功能類群（圖5）.它們主要參與土壤碳、硫元素的轉(zhuǎn)化和提供能量，其中化能異養(yǎng)型、需氧化能異養(yǎng)型功能類群占絕對(duì)優(yōu)勢(shì).氧化硫和硫化物的類群在兩種土壤中的比例差異顯著（P＜0.01），其他類群無差異.此外，P2_1，P3_1中具PAHs降解功能的細(xì)菌比例相對(duì)升高.S3_1中光養(yǎng)生物占優(yōu)勢(shì)，包括光合自養(yǎng)和光合異養(yǎng)兩類，分別為能產(chǎn)生氧氣的藍(lán)藻（主要是浮絲藻屬）和不產(chǎn)生氧氣的光合細(xì)菌（主要是Porphyrobacter、unclassified_f_Rhodobacteraceae、Rhodobacter）貢獻(xiàn)，尤以光合異養(yǎng)功能細(xì)菌為主.

3? 討? 論

3.1? 沿黃流域土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)分析

本研究中SS與PS的土壤類型不同，孕育了某些特定的微生物類群.SS中unclassified_f_Planococcaceae的優(yōu)勢(shì)序列（ASV2）與動(dòng)球菌屬（Planococcus sp.）相似性高.Planococcus為好氧菌，GAN等［15］從鹽堿土壤中分離得到的Planococcus最適pH為9.0.SS為砂質(zhì)土，透氣性良好，pH值接近9.0，可能是unclassified_f_Planococcaceae相對(duì)豐度高的關(guān)鍵.Paracoccus廣泛存在于多種生境，對(duì)土壤中多環(huán)芳烴（PAHs）、鄰苯二甲酸二甲酯等污染有較好的降解作用［16-17］.脫氮副球菌（Paracoccus denitrificans）是Paracoccus的模式種，也是重要的土壤好氧反硝化菌.SS中Paracoccus豐度高于PS，說明SS可能形成獨(dú)特的環(huán)境，較OMs豐富、N源充足的PS更適宜Paracoccus的生長(zhǎng)繁殖.Flavobacterium也是兩種類型土壤中的差異物種.研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)lavobacterium是土壤中魚腥藻屬（Anabaena sp.）PCC7120的重要伴生菌，具有適應(yīng)寡營(yíng)養(yǎng)的特性，可能是SS中相對(duì)豐度高的原因之一［18］.

PS中類諾卡氏菌Nocardioides、Bacillus、Thiobacillus豐度顯著高于SS.土壤中Nocardioides的某些種參與N、S元素循環(huán)［19-20］.Bacillus是水稻田常見的組成微生物［21-22］.枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）DBM與礦物成分（高嶺石、針鐵礦）形成的復(fù)合體提高了礦物本身對(duì)銅（Cu）和鉛（Pb）的吸附能力，并保護(hù)了DBM免受重金屬毒害［23］.Thiobacillus是自然生境中重要的化能自養(yǎng)菌，主要參與氧化硫化物（H2S，S2O2-3）或單質(zhì)硫?yàn)榱蛩?本研究中Thiobacillus與pH極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），與FeII、FeT正相關(guān)（P＜0.05），表明偏酸性環(huán)境和高含量FeII會(huì)更適宜氧化亞鐵硫桿菌（Thiobacillus ferrooxidans）生存，說明T. ferrooxidans可能是Thiobacillus中的優(yōu)勢(shì)種之一.此外，Thiobacillus與NH+4-N顯著正相關(guān)，其優(yōu)勢(shì)序列ASV42與環(huán)境樣本中一反硝化Thiobacillus（登錄號(hào)MG801484.1）相似性（＞99%）高，說明ASV42可能具有脫N作用.因此，推測(cè)T. ferrooxidans、T. denitrificans是本研究中Thiobacillus的重要組成物種.此外，Bacillus、Thiobacillus是重要的發(fā)酵型鐵環(huán)原微生物［24］，有效改善石灰性土（pH 7.5～8.5）缺鐵狀況［25］.土壤中Thiobacillus豐度可直接影響C、N、Fe、S元素轉(zhuǎn)化.Thiobacillus是PS中的優(yōu)勢(shì)菌，因此在稻田干濕周期中Thiobacillus與土壤元素轉(zhuǎn)化的關(guān)系的研究對(duì)稻田的精細(xì)化管理具有重要的指導(dǎo)意義.

光養(yǎng)微生物有光合產(chǎn)氧和光合不產(chǎn)氧兩類.與PS相比，SS中光合自養(yǎng)微生物總的相對(duì)豐度高，其中又以光合不產(chǎn)氧細(xì)菌的豐度占優(yōu)勢(shì).SS中Symphothece PCC 702、Planthorix為光合產(chǎn)氧細(xì)菌，Chloronema、Rhodobacter和unclassified_f_Rhodobacteraceae為厭氧不產(chǎn)氧光合細(xì)菌.研究發(fā)現(xiàn)，Porphyrobacter屬中也包含有好氧不產(chǎn)氧的光合類群［26］.SS中Porphyrobacter、Chloronema、Rhodobacter和unclassified_f_Rhodobacteraceae相對(duì)豐度高，主要是因?yàn)楣廨椛渥饔孟?，它們能以H2、硫化物、FeII等還原物質(zhì)提供的電子供體還原CO2光合自養(yǎng)生長(zhǎng)，因而在有機(jī)質(zhì)低的灘地環(huán)境中較異養(yǎng)代謝微生物呈現(xiàn)出一定的生存優(yōu)勢(shì).Rhodobacter是稻田土中常見的優(yōu)勢(shì)光合細(xì)菌，大多能隨外界氧氣、有機(jī)質(zhì)濃度的改變進(jìn)行好氧、微需氧或光合厭氧代謝［27］.C是植物必需的六種大量元素之首.土壤中的C固存與土壤肥力密切相關(guān).光氧微生物是土壤有機(jī)碳的重要生產(chǎn)者.為提高沿黃稻田有機(jī)碳含量，結(jié)合測(cè)序結(jié)果，可在沿黃稻田干濕周期分別接種好氧Porphyrobacter和厭氧Chloronema、Rhodobacter實(shí)現(xiàn)生物固碳以減少外源有機(jī)肥使用量.

3.2? 土壤優(yōu)勢(shì)物種的功能及生物地球化學(xué)作用

土壤菌群組成與其環(huán)境適應(yīng)性有關(guān)，并影響著生境內(nèi)元素的生物地球化學(xué)循環(huán).基于BugBase表型預(yù)測(cè)的結(jié)果顯示，優(yōu)勢(shì)菌屬包括了全部的7類表型.嚴(yán)格厭氧功能菌是PS和SS中的重要差異類群，具體為，norank_o? Vicinamibacterales、Vicinamibacteraceae在PS中相對(duì)豐度顯著高于SS.Microbacteriaceae、Hydrogenophilaceae、Rhodobacteraceae是優(yōu)勢(shì)兼性厭氧菌，此外，Rhizobiales_Incertae_Sedis、Rhodobacteraceae與生物膜形成相關(guān)，它們?cè)赟S中的相對(duì)豐度均高于PS.基于FAPROTAX數(shù)據(jù)庫(kù)預(yù)測(cè)確定了12個(gè)功能類群，它們主要參與土壤碳、硫等的轉(zhuǎn)化和提供能量.化能異養(yǎng)和需氧化能異養(yǎng)型微生物在總微生物類群中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì).氧化硫和硫化物的微生物在兩類土壤中的比例有極顯著差異.SS中光養(yǎng)微生物的相對(duì)豐度普遍高于PS，尤以S3_1（Porphyrobacter、unclassified_f_Rhodobacteraceae、Rhodobacter構(gòu)成）為最高.光合自養(yǎng)微生物的存在提高了光能利用率，供給了部分有機(jī)碳源，對(duì)維持生境內(nèi)穩(wěn)定的菌群結(jié)構(gòu)起重要作用.PS中具硫、硫化物氧化和PAHs降解功能的微生物的比例也相對(duì)較高.T. ferrooxidans、T. denitrificans為Thiobacillus的重要組成物種，通過代謝硫和硫化物影響體系內(nèi)Fe、N元素的轉(zhuǎn)化.微生物降解作用是環(huán)境中PAHs去除的主要途徑［28］.與焦化廠污染的荒地相比，農(nóng)田土壤理化特性增加了PAHs降解菌和總細(xì)菌群落的多樣性，與低分子量PAHs相關(guān)的降解菌主要隸屬于變形桿菌，與高分子PAHs相關(guān)的降解菌主要隸屬于放線菌［28］.FAPROTAX功能熱圖分析結(jié)果顯示，PS（尤其是P2_1、P3_1）中PAHs降解功能微生物的相對(duì)豐度高于SS.Sphingomonas生境廣，適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的難降解芳香化合物有特異作用，在生物聚合物的生產(chǎn)方面有優(yōu)越性.本研究中Sphingomonas豐度在兩種不同利用方式的土壤中無顯著性差異，說明PS中可能有其他的具芳香烴功能的微生物存在.研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)業(yè)土壤中Nocardioides也是具降解PAHs功能的微生物的重要類群之一［29］.本研究中Nocardioides、unclassified_f_Nocardioidaceae在P2_1、P3_1中的相對(duì)豐度顯著高于其他樣點(diǎn)，與PAHs降解功能的熱圖分析結(jié)果一致，表明Nocardioides、unclassified_f_Nocardioidaceae可能是促使PAHs降解的關(guān)鍵類群.

unclassified_f? Micrococcaceae為兩種類型土壤中的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)屬.本研究中unclassified_f? Micrococcaceae的優(yōu)勢(shì)代表序列ASV1和ASV3與節(jié)桿菌屬（Arthrobacter sp.）相似性達(dá)100%.Arthrobacter菌株嚴(yán)格好氧，具有高效降解有機(jī)污染物和吸附重金屬的能力［30］.Arthrobacter sp.ADH-2在10 h內(nèi)對(duì)100 mg/L阿特拉津的降解率為99.9%［31］.研究顯示，unclassified_f? Micrococcaceae是健康與發(fā)病煙田微生物的主要差異物種之一，在健康煙田土壤中的相對(duì)豐度是發(fā)病土壤的2倍［32］.此外，unclassified_f? Micrococcaceae也是間作甘蔗植株中特有的內(nèi)生菌之一［33］.

生態(tài)系統(tǒng)中存在多元素的耦合作用，因此，參與碳、硫等元素代謝的微生物往往也介導(dǎo)了生境內(nèi)的N轉(zhuǎn)化過程.Paracoccus denitrificans厭氧條件下以H2作為電子供體，利用CO2、HCO-3等無機(jī)碳源，還原硝酸鹽到亞硝酸鹽到氧化氮（NO、N2O）和N2［34］.該過程是生物地球化學(xué)氮循環(huán)中重要的反硝化反應(yīng)，方程式為：①5H2+2NO-3→N2+4H2O+2OH-；H2+0.35NO-3+0.35H++0.052CO2→0.17N2+1.1H2O+0.010C5H7O2N［34］.好氧條件下，P. denitrificans對(duì)溶解性硝酸鹽、亞硝酸鹽的去除以同化作用為主，少部分經(jīng)由反硝化作用去除［35］.學(xué)者們也發(fā)現(xiàn)了同時(shí)具有異養(yǎng)硝化-好氧反硝化功能的菌株，為P. denitrificans用于廢水短程脫氮提供參考［36］.某些Rhodobacter菌株以NO-3-N為電子受體，有機(jī)碳源為電子供體光合異養(yǎng)生長(zhǎng)，是沉積物中一種關(guān)鍵的反硝化菌［37］.研究報(bào)道，Rhodobacter是汾河下游水體中nir S型反硝化細(xì)菌群落的3個(gè)主導(dǎo)菌屬之一，在下游某些采樣點(diǎn)的相對(duì)豐度可高于98%，其相對(duì)豐度與NO-3-N負(fù)相關(guān)［38］.本研究中Rhodobacter與NO-3-N也顯著負(fù)相關(guān)，說明所調(diào)查區(qū)域的Rhodobacter中可能存在反硝化脫氮菌株.T. denitrificans利用元素硫?yàn)殡娮庸w從水生環(huán)境中去除NO-3，是重要的硫自養(yǎng)反硝化菌.溶解性有機(jī)質(zhì)作為一種微生物光敏劑驅(qū)動(dòng)T. denitrificans發(fā)生光電反硝化反應(yīng)［39］.

4? 結(jié)? 論

本研究利用高通量測(cè)序技術(shù)揭示了沿黃稻區(qū)SS和PS土樣中的菌群結(jié)構(gòu)、多樣性及差異物種，發(fā)現(xiàn)兩種土樣中的菌群豐富度和多樣性指數(shù)差異不顯著，但部分菌群相對(duì)豐度差異顯著.unclassified_f? Micrococcaceae、Sphingomonas為土壤中的廣布種；Bacilllus、Thiobacillus在PS中的相對(duì)豐度顯著高于SS；PS中光合細(xì)菌的相對(duì)豐度則顯著低于SS.特別地，與硫代謝相關(guān)的Thiobacillus，推測(cè)主要由T. denitrificans和T. ferrooxidans組成，而Rhodobacteraceae則是土壤優(yōu)勢(shì)菌屬中重要的促生物膜形成微生物.基于BugBase、FAPROTAX數(shù)據(jù)庫(kù)的菌群表型和功能預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，SS和PS均包括了7類表型和12類地化循環(huán)相關(guān)微生物，其中厭氧、氧化硫或硫化物功能的類群在土壤中的相對(duì)豐度差異顯著.

但本研究樣本量較少，對(duì)SS和PS土壤微生物的差異性認(rèn)識(shí)可能不全面.未來，需要更全面的研究以揭示土壤類型、土地利用方式等影響下的微生物群落結(jié)構(gòu)與功能.

附錄見電子版（DOI：10.16366/j.cnki.1000-2367.2023.06.02.0007）.

參? 考? 文? 獻(xiàn)

［1］ ??孫建權(quán)，胡寧，王書玉，等.水稻旱直播高產(chǎn)栽培技術(shù)初探［J］.種業(yè)導(dǎo)刊，2009（10）：22-25.

SUN J Q，HU N，WANG S Y，et al.Preliminary study on high-yield cultivation techniques of dry direct seeding of rice［J］.Journal of Seed Industry Guide，2009（10）：22-25.

［2］李榮容，王鵬，韋詩(shī)濤，等.黃河中下游汛期洪水的分期識(shí)別［J］.人民黃河，2017，39（11）：24-29.

LI R R，WANG P，WEI S T，et al.Flood season staged in middle and lower Yellow River［J］.Yellow River，2017，39（11）：24-29.

［3］LI Y T，XIE X H，ZHU Z J，et al.Land use driven change in soil organic carbon affects soil microbial community assembly in the riparian of Three Gorges Reservoir Region Applied Soil Ecology，2022，176：104467.

［4］ZHANG H K，F(xiàn)ANG Y Y，ZHANG B G，et al.Land-use-driven change in soil labile carbon affects microbial community composition and function［J］.Geoderma，2022，426：116056.

［5］MAFA-ATTOYE T G，BASKERVILLE M A，OFOSU E，et al.Riparian land-use systems impact soil microbial communities and nitrous oxide emissions in an agro-ecosystem［J］.The Science of the Total Environment，2020，724：138148.

［6］BISSETT A，RICHARDSON A E，BAKER G，et al.Long-term land use effects on soil microbial community structure and function［J］.Applied Soil Ecology，2011，51：66-78.

［7］WEN X Y，DUBINSKY E，WU Y，et al.Wheat，maize and sunflower cropping systems selectively influence bacteria community structure and diversity in their and succeeding crop's rhizosphere［J］.Journal of Integrative Agriculture，2016，15（8）：1892-1902.

［8］JANGID K，WILLIAMS M A，F(xiàn)RANZLUEBBERS A J，et al.Land-use history has a stronger impact on soil microbial community composition than aboveground vegetation and soil properties［J］.Soil Biology and Biochemistry，2011，43（10）：2184-2193.

［9］SIM J X F，DOOLETTE C L，VASILEIADIS S，et al.Pesticide effects on nitrogen cycle related microbial functions and community composition［J］.The Science of the Total Environment，2022，807：150734.

［10］SHEN J E，TAO Q，DONG Q，et al.Long-term conversion from rice-wheat to rice-vegetable rotations drives variation in soil microbial communities and shifts in nitrogen-cycling through soil profiles［J］.Geoderma，2021，404：115299.

［11］CHEN W Q，WANG J Y，CHEN X A，et al.Soil microbial network complexity predicts ecosystem function along elevation gradients on the Tibetan Plateau［J］.Soil Biology and Biochemistry，2022，172：108766.

［12］TANG Q A，XIA Y Q，TI C P，et al.Partial organic fertilizer substitution promotes soil multifunctionality by increasing microbial community diversity and complexity［J］.Pedosphere，2023，33（3）：407-420.

［13］張俊，黃煦旸，彭宇琦.“雙碳”目標(biāo)下黃河流域種植業(yè)碳足跡的時(shí)空異質(zhì)效應(yīng)［J］.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2023，57（5）：884-896.

ZHANG J，HUANG X Y，PENG Y Q.Spatio-temporal heterogeneity of planting carbon footprint in Yellow River Basin under the carbon peaking and carbon neutrality targets［J］.Journal of Henan Agricultural University，2023，57（5）：884-896.

［14］榮國(guó)華，周景云，吳鴻宇，等.流動(dòng)分析儀與凱氏定氮儀測(cè)定土壤全氮含量之比較研究［J］.水土保持研究，2023，30（1）：204-208.

RONG G H，ZHOU J Y，WU H Y，et al.Comparative study on determination of total nitrogen content in soil by flow analyzer and Kjeldahl nitrogen analyzer［J］.Research of Soil and Water Conservation，2023，30（1）：204-208.

［15］GAN L Z，ZHANG H M，TIAN J W，et al.Planococcus salinus sp. nov.，a moderately halophilic bacterium isolated from a saline-alkali soil［J］.International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology，2018，68（2）：589-595.

［16］毛健，駱永明，滕應(yīng)，等.一株副球菌對(duì)污染土壤中多環(huán)芳烴的降解研究［J］.土壤，2009，41（3）：448-453.

MAO J，LUO Y M，TENG Y，et al.Biodegradation of PAHs by Paracoccus aminovorans HPD-2 in contaminated soil［J］.Soils，2009，41（3）：448-453.

［17］朱曉慧，劉虹，郭茹鑫，等.黑土微生物群落對(duì)副球菌屬（Paracoccus sp.）QD15-1修復(fù)鄰苯二甲酸二甲酯污染土壤的響應(yīng)［J］.環(huán)境污染與防治，2020，42（2）：182-186.

ZHU X H，LIU H，GUO R X，et al.Response of microbial community in black soil to remediation of dimethyl phthalate contaminated soil by Paracoccus sp.QD15-1［J］.Environmental Pollution & Control，2020，42（2）：182-186.

［18］荊瑞勇，王麗艷，孫強(qiáng)，等.東北旱田土壤中Anabaena伴生細(xì)菌的分離與鑒定［J］.微生物學(xué)通報(bào)，2020，47（1）：130-139.

JING R Y，WANG L Y，SUN Q，et al.Isolation and identification of bacteria associated with Anabaena from upland soils in northeast China［J］.Microbiology China，2020，47（1）：130-139.

［19］CUI Y S，WOO S G，LEE J，et al.Nocardioides daeguensis sp. nov.，a nitrate-reducing bacterium isolated from activated sludge of an industrial wastewater treatment plant［J］.International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology，2013，63（Pt_10）：3727-3732.

［20］LACHMAYR K，ODUARAN E.Investigation of Nocardioides sp. metabolic，structural，biochemical properties，and its potential role in the sulfur cycle［J］.The FASEB Journal，2015，29（S1）：1944-1956.

［21］曹夢(mèng)雨，桑世飛，王亞男，等.水稻全基因組磷脂酶家族蛋白篩選及其生物信息學(xué)分析［J］.河南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022，50（3）：143-149.

CAO M Y，SANG S F，WANG Y N，et al.Genome wide screening and bioinformatics analysis of rice phospholipase family proteins［J］.Journal of Henan Normal University（Natural Science Edition），2022，50（3）：143-149.

［22］DING M J，SHANG N J，XIAO Z X，et al.Bacillus aciditolerans sp. nov.，isolated from paddy soil［J］.International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology，2019，69（4）：1155-1161.

［23］BAI J，CHAO Y，CHEN Y M，et al.The effect of interaction between Bacillus subtilis DBM and soil minerals on Cu（II）and Pb（II）adsorption［J］.Journal of Environmental Sciences，2019，78（4）：328-337.

［24］田瑩瑩，王強(qiáng)，趙京，等.黃河灘地和稻田土中鐵還原菌、不產(chǎn)氧光合細(xì)菌分布機(jī)制［J］.微生物學(xué)報(bào)，2023，63（2）：805-820.

TIAN Y Y，WANG Q，ZHAO J，et al.Distribution mechanism of iron-reducing bacteria and oxygen-producing photosynthetic bacteria in Yellow River beach and paddy soil［J］.Acta Microbiologica Sinica，2023，63（2）：805-820.

［25］GHORBANZADEH N，LAKZIAN A，HAGHNIA G H，et al.Isolation and identification of ferric reducing bacteria and evaluation of their roles in iron availability in two calcareous soils［J］.Eurasian Soil Science，2014，47（12）：1266-1273.

［26］LI X L，KOBLEK M，F(xiàn)ENG F，et al.Whole-genome sequence of a freshwater aerobic anoxygenic phototroph，Porphyrobacter sp. strain AAP82，isolated from the Huguangyan maar lake in southern China［J］.Genome Announcement，2013，1（2）：e0007213.

［27］ZAVALA N，BAEZA L，GONZALEZ S，et al.The effects of different carbon sources on the growth of Rhodobacter sphaeroides［J］.Advances in Microbiology，2019，9（8）：737-749.

［28］DU J Q，LIU J X，JIA T，et al.The relationships between soil physicochemical properties，bacterial communities and polycyclic aromatic hydrocarbon concentrations in soils proximal to coking plants［J］.Environmental Pollution，2022，298：118823.

［29］LU C，HONG Y，LIU J A，et al.A PAH-degrading bacterial community enriched with contaminated agricultural soil and its utility for microbial bioremediation［J］.Environmental Pollution，2019，251：773-782.

［30］李娟，CONSTANTINE UWAREMEW，冷艷，等.節(jié)桿菌屬細(xì)菌處理有機(jī)物和重金屬污染物的研究進(jìn)展［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2017，40（10）：89-97.

LI J，UWAREMWE C，LENG Y，et al.Progress on the study of biodegradation of organic pollutants and adsorption of heavy metals with Arthrobacter strains［J］.Environmental Science & Technology，2017，40（10）：89-97.

［31］韓鵬，洪青，何麗娟，等.阿特拉津降解菌ADH-2的分離、鑒定及其特性研究［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，28（2）：406-410.

HAN P，HONG Q，HE L J，et al.Isolation，identification and characterization of an atrazine-degrading bacteria ADH-2［J］.Journal of Agro-Environment Science，2009，28（2）：406-410.

［32］陳乾錦，林書震，李紅麗，等.邵武煙田土壤微生物群落結(jié)構(gòu)變化與煙草青枯病發(fā)生關(guān)系初報(bào)［J］.中國(guó)煙草學(xué)報(bào)，2019，25（4）：64-71.

CHEN Q J，LIN S Z，LI H L，et al.A preliminary report on relationship between variation of microbial community structure in soil and occurrence of tobacco bacterial wilt in tobacco field in Shaowu［J］.Acta Tabacaria Sinica，2019，25（4）：64-71.

［33］肖健，陳思宇，孫妍，等.甘蔗間作不同豆科作物對(duì)甘蔗植株內(nèi)生細(xì)菌多樣性的影響［J］.熱帶作物學(xué)報(bào)，2021，42（11）：3188-3198.

XIAO J，CHEN S Y，SUN Y，et al.Effect of intercropping with different legume crops on endophytic bacterial diversity of sugarcanes［J］.Chinese Journal of Tropical Crops，2021，42（11）：3188-3198.

［34］RICHARDSON D J，SAWERS G，VAN SPANNING R J M.Periplasmic electron-transport systems in bacteria［M］.Amsterdam：Elsevier，2013.

［35］劉道玉，范立民，王瓊，等.脫氮副球菌的好氧反硝化特性及對(duì)養(yǎng)殖水體中氮素的控制［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，31（11）：2249-2255.

LIU D Y，F(xiàn)AN L M，WANG Q，et al.The aerobic denitrification characteristics of Paracoccus denitrificans and its nitrogen control for aquaculture water［J］.Journal of Agro-Environment Science，2012，31（11）：2249-2255.

［36］李海紅，佟欣宇，宦臣臣，等.高效異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌株TS-1篩選及降解特性［J］.應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)，2020，26（4）：791-799.

LI H H，TONG X Y，HUAN C C，et al.Characterizing the heterotrophically nitrifying and aerobically denitrifying TS-1 strain［J］.Chinese Journal of Applied and Environmental Biology，2020，26（4）：791-799.

［37］ZHOU S L，SUN Y E，LI Z X，et al.Characteristics and driving factors of the aerobic denitrifying microbial community in Baiyangdian Lake，Xiong'an new area［J］.Microorganisms，2020，8（5）：714.

［38］汪銀龍，馮民權(quán)，董向前.汾河下游水體nirS型反硝化細(xì)菌群落組成與無機(jī)氮關(guān)系［J］.環(huán)境科學(xué)，2019，40（8）：3596-3603.

WANG Y L，F(xiàn)ENG M Q，DONG X Q.Community composition of nir S-type denitrifying bacteria in the waters of the lower reaches of the Fenhe River and its relationship with inorganic nitrogen［J］.Environmental Science，2019，40（8）：3596-3603.

［39］HUANG S F，CHEN M，DIAO Y M，et al.Dissolved organic matter acting as a microbial photosensitizer drives photoelectrotrophic denitrification［J］.Environmental Science & Technology，2022，56（7）：4632-4641.

Soil microbial community structure and eco-function in the rice zone along the Yellow River

Tian Yingyinga，b， Guo Qia， Chen Xingrua， Sun Xianghuia，b， Zhao Jinga，b

（a. Department of Material Science and Engineering; b. Xinxiang City Engineering Research Center for Wastewater Treatment Energy Saving and Emission Reduction， Henan Institute of Technology， Xinxiang 453003， China）

Abstract： In the present study， samples of riverside sand soil（SS） and adjacent paddy soil（PS） were collected to know the microbial composition of different substrate soils in the rice zone along the Yellow River. The high-throughput sequencing of 16S rRNA gene was used to uncover the soil microbial compositions and to explain microbes' potential eco-function. Alpha diversity analysis showed no significant difference in microbial richness and diversity index between the two soils. Further species analysis showed the ubiquitous distribution of unclassified_f? Micrococcaceae， Sphingomonas， norank_f? noorank_o? Vicinamibacterales and norank_f? Vicinamibacterales， whose abundances were independent of soil types. However， the relative abundances of Bacilllus and Thiobacillus were significantly higher in PS than that in SS. The function heatmap analysis based on FAPROTAX database showed that aromatic compound degrading bacteria in PS（especially P2_1 and P3_1） was higher than that in SS. Combined with the results of bacterial relative abundance， Nocardioides and unclassified_f_Nocardioidaceae might be the key genera contributing to aromatic compound degradation. The phototrophic microbes（PMs） in SS were more abundant than that in PS， which were dominant anoxygenic PMs like Porphyrobacter， unclassified_f_Rhodobacteraceae and Rhodobacter. Moreover， Rhodobacteraceae was likely to participate in biofilm formation in SS. Overall， soil microbial compositions along the Yellow River were to some extent impacted by the soil type， driving the differences of their eco-functions.

Keywords： soil microbial community structure; eco-function; paddy soil; sand soil

［責(zé)任編校? 劉洋? 楊浦］

附? 錄