2018-08-02
正文
最近，派森諾生(sheng)物再次與中(zhong)科院(yuan)土壤(rang)所合作，在(zai)土壤(rang)學領域(yu)期刊《Soil Biology and Biochemistry》（影響(xiang)因子：4.926）發表論文，揭示了pH是塑(su)造老(lao)成土土壤(rang)中(zhong)，固氮菌群豐度、多(duo)樣(yang)性和組成結(jie)構的(de)主要驅(qu)動力。
研究背景
老(lao)成(cheng)土(tu)(tu)分布在(zai)熱帶(dai)和亞熱帶(dai)地(di)(di)區(qu)，占全球土(tu)(tu)壤(rang)類型的(de)8.4%。這(zhe)些(xie)土(tu)(tu)壤(rang)一般(ban)具有(you)低(di)(di)陽離子交換力(CEC)和pH值(zhi)、高(gao)營養浸出、高(gao)鋁錳毒性(xing)(xing)和低(di)(di)結(jie)構(gou)穩定性(xing)(xing)、很(hen)少或沒有(you)礦物(wu)(wu)儲量(liang)。為了提(ti)高(gao)作物(wu)(wu)產量(liang)，大(da)量(liang)的(de)肥(fei)(fei)料，特別是(shi)(shi)無機氮(dan)肥(fei)(fei)被用于(yu)改良(liang)老(lao)成(cheng)土(tu)(tu)，這(zhe)反過來又加劇了土(tu)(tu)壤(rang)酸(suan)化(hua)，引發金屬毒性(xing)(xing)，威(wei)脅環境(jing)可持(chi)續發展。增強生物(wu)(wu)固(gu)氮(dan)是(shi)(shi)滿足(zu)低(di)(di)氮(dan)肥(fei)(fei)條件(jian)下植(zhi)物(wu)(wu)營養需求的(de)一種替(ti)代方法。盡(jin)管對(dui)老(lao)成(cheng)土(tu)(tu)固(gu)氮(dan)菌的(de)研究很(hen)少，但在(zai)其他類型的(de)土(tu)(tu)壤(rang)中，菌群的(de)活性(xing)(xing)、豐度和群落結(jie)構(gou)型已被證明是(shi)(shi)受到(dao)各種物(wu)(wu)理和化(hua)學性(xing)(xing)質的(de)影響(xiang)，包括土(tu)(tu)壤(rang)pH、氧(yang)分壓、碳含量(liang)、氮(dan)利用率、土(tu)(tu)壤(rang)質地(di)(di)、土(tu)(tu)壤(rang)團(tuan)聚體大(da)小，但結(jie)果之間存在(zai)不(bu)(bu)(bu)一致。這(zhe)些(xie)不(bu)(bu)(bu)一致的(de)結(jie)果可能是(shi)(shi)由(you)于(yu)特定的(de)固(gu)氮(dan)菌群對(dui)不(bu)(bu)(bu)同(tong)生態系統的(de)環境(jing)因素作出的(de)反應不(bu)(bu)(bu)同(tong)。
研究目的
1、評估長期施(shi)肥是否會影響固氮菌群的豐度、多樣性和(he)群落結構；
2、確定(ding)老成土中優勢固氮(dan)屬對關鍵影響(xiang)因子(zi)的反應。
研究方法
測(ce)(ce)序技術(shu)：Illumina MiSeq高通量測(ce)(ce)序平臺
測序模式：微生物組nifH功能基因測序
實驗對象：土壤樣本
實驗設(she)計：實驗組于1988年4月建立了一個長期的(de)田間試驗，以(yi)監(jian)測無機肥和(he)有機肥及其(qi)組合對(dui)作物(wu)產量(liang)和(he)老成土的(de)物(wu)理化學和(he)固氮力的(de)影響。
組(zu)別名稱 | 施用肥料 |
對(dui)照組 | 無肥料 |
N | NPK無機肥 |
NL | 氮肥+石灰（CaCO3） |
NPS | 氮肥(fei)+花(hua)生秸(jie)稈(gan) |
NRS | 氮肥+水(shui)稻秸稈 |
NR | 氮肥+蘿卜(bu)殘體 |
NPM | 氮(dan)肥+豬糞 |
研究結果
1、土壤理化性質
表1 長期(qi)施用無機(ji)和有機(ji)肥后土壤物理(li)化學性質
2、nifH基因拷貝數
nifH基因拷貝數在對照組最高（9.92 × 105 copies g?1），NL和NPM處理對nifH基因拷貝數有大的抑制作用。然而，與N處理相比，植物殘體的應用對nifH基因豐度沒有影響。nifH基因的豐度和DON，NO3?-N與DCo呈正相(xiang)(xiang)關，和(he)pH，DOC和(he)AP呈負相(xiang)(xiang)關。
圖1 不同組(zu)中nifH基因拷貝數(shu)
3、固氮菌群多樣性
對(dui)照組(zu)固(gu)(gu)氮(dan)(dan)菌(jun)多樣性(xing)(xing)(xing)（Shannon和(he)Simpson）和(he)OTU豐(feng)度（Chao1和(he)Observed species）低于NL和(he)NPM處(chu)理組(zu)。然而，與N處(chu)理組(zu)相比，植物殘(can)體對(dui)固(gu)(gu)氮(dan)(dan)菌(jun)多樣性(xing)(xing)(xing)和(he)OTU豐(feng)度沒(mei)有影響。多元(yuan)回歸分(fen)析表(biao)明，固(gu)(gu)氮(dan)(dan)菌(jun)多樣性(xing)(xing)(xing)和(he)豐(feng)度主要(yao)受(shou)土壤(rang)pH所影響，土壤(rang)pH占變異(yi)的32%以上(shang)。進一(yi)步的相關分(fen)析顯(xian)示固(gu)(gu)氮(dan)(dan)菌(jun)多樣性(xing)(xing)(xing)和(he)豐(feng)度的所有指(zhi)標與土壤(rang)pH呈負相關（P<0.01）。
圖2 多元回歸(gui)分析固氮菌群和土壤理化(hua)特性(xing)Alpha多樣性(xing)
4、固氮菌群結構
過濾后得(de)到996,682條高質量序列，每個樣品序列為38,920至63,662不等，每個處理(li)組獲得(de)了79至189個OTU。NL的固氮菌群(qun)(qun)與(yu)較(jiao)高的土壤pH相(xiang)關，而(er)NPM處理(li)的固氮菌群(qun)(qun)與(yu)SOC，DOC，AP和TN相(xiang)關。對實驗地(di)塊的446個OTU的MRT分析顯示，群(qun)(qun)落組成主要受土壤pH影響。
所有處理中，OTU被劃分到不同的屬，其中最豐富的屬相對豐度大于1%。Azospirillum，Bradyrhizobium和Azohydromonas是處理中三種最優勢的屬，總豐度占了nifH基(ji)因序列的77.8%-97.4%。這些屬的豐度在不同組(zu)中有所差異(yi)。
大多數OTU在N，NPS，NRS和NR處理之間共有，并且PERMANOVA分析證實在這些處理之間固氮菌群沒有差異。OTU355是對照組中豐度最高的指示物種，相對豐度為2.89%，與Bradyrhizobium密切相關，與土壤pH，SOC，DOC，AP和AK呈負相關，與NO3?-N和DCo呈正相關。NL組中豐度最高的指示屬是OTU97，相對豐度為2.88%，與Azohydromonas緊密相關，與土壤pH呈正相關，與NO3?-N（P < 0.01）呈負相關。NPM中指示物種是OTU88，與Frankia密(mi)切相(xiang)(xiang)關，豐度為1.57%，與(yu)DOC和AP呈正相(xiang)(xiang)關，與(yu)DCo（P < 0.05）呈負相(xiang)(xiang)關。
圖3 處理間固氮菌群(qun)結構的CCA分(fen)析
圖4 優勢固氮屬(shu)和處理(li)間(jian)的(de)響應
圖5 對照組、NL和NPM處(chu)理組中(zhong)的(de)指示物種
討論與總結
1、長期施用氮肥降低了酸性老成土中nifH基因的豐度，石灰和豬糞在NL和NPM組有抑制作用。作者的研究中，NH4+濃度很低（<0.7 mg N kg-1），對照和施肥處理沒有差異，主要是由于夏季降雨量大導致的高植物吸收和氮損失。此外，作者發現NL組的硝化活性顯著高于其他處理組中的硝化活性，這主要是由于土壤pH增加，表明NL處理中的NH4+濃度更有效地轉化為NO3-。因此，作者認為NH4+濃度如果有的話，一定程度上有助于降低試驗土壤中nifH基因的豐度。土壤pH值與nifH基因豐度呈負相關，被認為是nifH基因豐度的主要預測因子。此外，土壤pH<4.5對Bradyrhizobium的(de)生長也是有害的，因此將土壤pH從極端酸增加到4.5可以促進nifH基因豐度。
2、研究結果表明，土壤pH是影響老成土中固氮菌群多樣性的決定因素。長期施肥所引起的土壤pH變化，選擇了不同類型的固氮菌群，并隨后改變了他們群落結構，特別是在NL和NPM組。Azohydromonas是石灰處理組（NL）中豐度最高的指示物種，占了全部序列的78%。Azohydromonas相對豐度和土壤pH之間呈顯著正相關（R = 0.932，P <0.001），說明酸性土壤pH值的增加有利于其生長。另外，作者發現Frankia僅在NPM組中出現，它是其指示物種。NPM組中優勢屬是Azospirillum，并且顯著高于對照和NL組。因此，NPM和NL組中優勢固氮菌群結構的改變，可能影響共生氮固氮能力。另外，與僅施NPK的處理N組相比，作者的研究中NPK肥料加上植物殘渣的應用，在固氮菌群群落結構只有很小的影響作用。
該研究表明，施肥+石灰或豬糞增加土壤pH值，降低了nifH基因的豐度和多樣性。長期施肥使固氮菌群結構從對照組單一優勢Bradyrhizobium轉變為NL組Azohydromonas和NPM組Azospirillum。然而，除了氮磷鉀肥料外，作物殘體的施用對固氮菌群的影響不大。
文章索引：
Yongxin Lin, Guiping Ye, Deyan Liu, Stewart Ledgard, Jiafa Luo, Jianbo Fan, Junji Yuan, Zengming Chen, Weixin Ding (2018).Long-term application of lime or pig manure rather than plant residues suppressed diazotroph abundance and diversity and altered community structure in an acidic Ultisol .Soil Biology and Biochemistry 123(2018) 218–228.
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