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科學(xué)施肥,改變老成土固氮菌群結(jié)構(gòu)

2021-07-12

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期刊:《Soil Biology and Biochemistry》

影響因子:7.609



最近,派森諾生物再次與中科院土壤所合作,在期刊《Soil Biology and Biochemistry》發(fā)表論文,揭示了pH是塑造老成土土壤中,固氮菌群豐度、多樣性和組成結(jié)構(gòu)的主要驅(qū)動(dòng)力。


研究背景

老成土分布在熱帶和亞熱帶地區(qū),占全球土壤類型的8.4%。這些土壤一般具有低陽(yáng)離子交換力(CEC)和pH值、高營(yíng)養(yǎng)浸出、高鋁錳毒性和低結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、很少或沒(méi)有礦物儲(chǔ)量。為了提高作物產(chǎn)量,大量的肥料,特別是無(wú)機(jī)氮肥被用于改良老成土,這反過(guò)來(lái)又加劇了土壤酸化,引發(fā)金屬毒性,威脅環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。增強(qiáng)生物固氮是滿足低氮肥條件下植物營(yíng)養(yǎng)需求的一種替代方法。盡管對(duì)老成土固氮菌的研究很少,但在其他類型的土壤中,菌群的活性、豐度和群落結(jié)構(gòu)型已被證明是受到各種物理和化學(xué)性質(zhì)的影響,包括土壤pH、氧分壓、碳含量、氮利用率、土壤質(zhì)地、土壤團(tuán)聚體大小,但結(jié)果之間存在不一致。這些不一致的結(jié)果可能是由于特定的固氮菌群對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境因素作出的反應(yīng)不同。


研究目的

1、評(píng)估長(zhǎng)期施肥是否會(huì)影響固氮菌群的豐度、多樣性和群落結(jié)構(gòu);

2、確定老成土中優(yōu)勢(shì)固氮屬對(duì)關(guān)鍵影響因子的反應(yīng)。


研究方法

測(cè)序技術(shù):Illumina MiSeq高通量測(cè)序平臺(tái)

測(cè)序模式:微生物組nifH功能基因測(cè)序

實(shí)驗(yàn)對(duì)象:土壤樣本

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì):實(shí)驗(yàn)組于1988年4月建立了一個(gè)長(zhǎng)期的田間試驗(yàn),以監(jiān)測(cè)無(wú)機(jī)肥和有機(jī)肥及其組合對(duì)作物產(chǎn)量和老成土的物理化學(xué)和固氮力的影響。

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研究結(jié)果

1、土壤理化性質(zhì)

表1 長(zhǎng)期施用無(wú)機(jī)和有機(jī)肥后土壤物理化學(xué)性質(zhì)

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2、nifH基因拷貝數(shù)

nifH基因拷貝數(shù)在對(duì)照組最高(9.92 × 105 copies g?1),NL和NPM處理對(duì)nifH基因拷貝數(shù)有最大的抑制作用。然而,與N處理相比,植物殘?bào)w的應(yīng)用對(duì)nifH基因豐度沒(méi)有影響。nifH基因的豐度和DON,NO3?-N與DCo呈正相關(guān),和pH,DOC和AP呈負(fù)相關(guān)。

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圖1 不同組中nifH基因拷貝數(shù)


3、固氮菌群多樣性

對(duì)照組固氮菌多樣性(Shannon和Simpson)和OTU豐度(Chao1和Observed species)低于NL和NPM處理組。然而,與N處理組相比,植物殘?bào)w對(duì)固氮菌多樣性和OTU豐度沒(méi)有影響。多元回歸分析表明,固氮菌多樣性和豐度主要受土壤pH所影響,土壤pH占變異的32%以上。進(jìn)一步的相關(guān)分析顯示固氮菌多樣性和豐度的所有指標(biāo)與土壤pH呈負(fù)相關(guān)(P<0.01)。

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圖2 多元回歸分析固氮菌群和土壤理化特性Alpha多樣性


4、固氮菌群結(jié)構(gòu)

過(guò)濾后得到996,682條高質(zhì)量序列,每個(gè)樣品序列為38,920至63,662不等,每個(gè)處理組獲得了79至189個(gè)OTU。NL的固氮菌群與較高的土壤pH相關(guān),而NPM處理的固氮菌群與SOC,DOC,AP和TN相關(guān)。對(duì)實(shí)驗(yàn)地塊的446個(gè)OTU的MRT分析顯示,群落組成主要受土壤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(duì)豐度大于1%。Azospirillum,BradyrhizobiumAzohydromonas是處理中三種最優(yōu)勢(shì)的屬,總豐度占了nifH基因序列的77.8%-97.4%。這些屬的豐度在不同組中有所差異。

大多數(shù)OTU在N,NPS,NRS和NR處理之間共有,并且PERMANOVA分析證實(shí)在這些處理之間固氮菌群沒(méi)有差異。OTU355是對(duì)照組中豐度最高的指示物種,相對(duì)豐度為2.89%,與Bradyrhizobium密切相關(guān),與土壤pH,SOC,DOC,AP和AK呈負(fù)相關(guān),與NO3?-N和DCo呈正相關(guān)。NL組中豐度最高的指示屬是OTU97,相對(duì)豐度為2.88%,與Azohydromonas緊密相關(guān),與土壤pH呈正相關(guān),與NO3?-N(P < 0.01)呈負(fù)相關(guān)。NPM中指示物種是OTU88,與Frankia密切相關(guān),豐度為1.57%,與DOC和AP呈正相關(guān),與DCo(P < 0.05)呈負(fù)相關(guān)。

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圖3 處理間固氮菌群結(jié)構(gòu)的CCA分析

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圖4 優(yōu)勢(shì)固氮屬和處理間的響應(yīng)

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圖5 對(duì)照組、NL和NPM處理組中的指示物種


討論與總結(jié)

1、長(zhǎng)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(duì)照和施肥處理沒(méi)有差異,主要是由于夏季降雨量大導(dǎo)致的高植物吸收和氮損失。此外,作者發(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)化為NO3-。因此,作者認(rèn)為NH4+濃度如果有的話,一定程度上有助于降低試驗(yàn)土壤中nifH基因的豐度。土壤pH值與nifH基因豐度呈負(fù)相關(guān),被認(rèn)為是nifH基因豐度的主要預(yù)測(cè)因子。此外,土壤pH<4.5對(duì)Bradyrhizobium的生長(zhǎng)也是有害的,因此將土壤pH從極端酸增加到4.5可以促進(jìn)nifH基因豐度。

2、研究結(jié)果表明,土壤pH是影響老成土中固氮菌群多樣性的最重要決定因素。長(zhǎng)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?nèi)郝浣Y(jié)構(gòu),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(duì)豐度和土壤pH之間呈顯著正相關(guān)(R = 0.932,P <0.001),說(shuō)明酸性土壤pH值的增加有利于其生長(zhǎng)。另外,作者發(fā)現(xiàn)Frankia僅在NPM組中出現(xiàn),它是其最優(yōu)勢(shì)的指示物種。NPM組中優(yōu)勢(shì)屬是Azospirillum,并且顯著高于對(duì)照和NL組。因此,NPM和NL組中優(yōu)勢(shì)固氮菌群結(jié)構(gòu)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?jiān)膽?yīng)用,在固氮菌群群落結(jié)構(gòu)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(zhǎng)期施肥使固氮菌群結(jié)構(gòu)從對(duì)照組單一優(yōu)勢(shì)Bradyrhizobium轉(zhuǎn)變?yōu)镹L組Azohydromonas和NPM組Azospirillum。然而,除了氮磷鉀肥料外,作物殘?bào)w的施用對(duì)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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