小麥-甘薯輪作長期增施有機肥對堿性土壤固氮菌群落結構及多樣性的影響

王 磊,王 靜,2,張愛君,張 輝,張永春,2,*

1 江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所/農業農村部江蘇耕地保育科學觀測站, 南京 210014 2 南京農業大學,南京 210095 3 江蘇省徐淮地區徐州農科所,徐州 221131

氮是植物必需的大量元素,也是獲得農業高產最主要的限制因子之一。固氮微生物是生物圈中固定大氣氮的重要微生物[1],氮固定能力廣泛分布于原核分類群中,包括非常不同的,遠緣相關的細菌和古細菌[2-3]。生物固氮是陸地氮循環的重要組成部分,每年為生物圈貢獻90—130 Tg N[4],且主要由細菌與豆科植物共同完成。然而,近年來土壤自生固氮微生物由于其對氮素的重要作用而受到越來越多的關注[5]。在農業生態系統中,管理經驗對固氮微生物的結構和固氮能力均具有重要的影響[6-7]。施肥管理經驗通過改變土壤特性直接影響土壤微生物群落和豐度或影響植物的反饋間接對土壤微生物群落和豐度產生影響[8-9]。近年來,化肥特別是氮肥的過量施用導致一系列的生態和環境問題,例如土壤酸化,氮淋失和潛在的大氣污染等[10-11]。施用有機肥料可以增加土壤有機質和養分含量,并改善土壤pH和土壤養分[12-14]。研究發現長期的施肥模式通過改變土壤pH、養分有效性和碳含量,對土壤微生物種群產生積極或消極的影響[8, 15-16]。有研究發現固氮微生物群落中的一些類群對外界的擾動也異常敏感[17]。因此,探究固氮微生物群落對無機或有機施肥的響應,對于了解土壤氮素的供應過程和選擇有效的施肥策略至關重要。

許多研究表明土壤中充足的氮通常會抑制微生物的生物固氮,從而對固氮微生物群落結構產生重要影響[18-19]。當向土壤中施用氮肥后,充足的可利用氮(如銨態氮和硝態氮)能夠充分滿足固氮微生物對氮素的需求,從而影響固氮微生物的活性并抑制其基因的表達[20-21]。例如,有研究發現氮肥的施用降低了菊芋根際土壤中固氮菌的數量,改變了固氮微生物的群落結構[22]。Wang等[23]研究表明長期施用化肥能改變固氮菌群落結構及降低其群落多樣性。然而,M?rtensson等[24]研究發現施用氮磷鉀肥對稻田固氮微生物的影響較小。Piceno和Lovell[25]研究也發現在短期的施肥試驗中氮肥施用與固氮菌的群落結構之間沒有明顯的相關性。出乎意料的是Juraeva等[26]研究發現黃瓜根中固氮酶基因的豐度與氮肥供應呈正相關關系。此外,在有機肥處理的土壤中高水平的碳和其它養分可能為固氮微生物提供更理想的條件。有研究表明單獨施用有機肥或與化肥配合施用都能明顯恢復固氮菌群落的多樣性[27]。另一方面,施用有機肥也會增加土壤有效氮的含量,這可能也會抑制固氮微生物的群落多樣性和豐度。有研究發現在酸性和中性土壤中長期施用有機肥能顯著抑制固氮微生物的群落多樣性[28-29]。然而,在堿性土壤中研究施用有機肥對固氮菌群落影響的報道還相對較少。因此,研究堿性土壤中增施有機肥對固氮菌群落結構、組成和多樣性的影響顯得尤為重要。

中國是世界上最大的甘薯生產國,其種植面積和總產量均居世界第一[30],甘薯-小麥輪作是其主要輪作模式,其廣泛分布在長江中下游地區和北方薯區[31]。甘薯-小麥輪作與其它輪作方式存在顯著不同,在甘薯生產中,適當的氮肥投入是甘薯增產的有力措施之一[32],過高的氮肥施用量使甘薯藤蔓生長過旺,降低光合同化產物向薯塊的運輸,進而降低甘薯的收獲指數[33-34]。此外,考慮到礦質氮肥在農業生產中的過量施用已經引起嚴重的環境問題[35-37]。通過合適的措施增強自生固氮菌的生物固氮是在低氮肥投入條件下滿足植物營養需求的另一種方法[5]。因此,研究小麥-甘薯輪作體系中不同施肥方式尤其是增施有機肥對土壤固氮菌群落的影響及其環境驅動因子尤為重要。本文以種植小麥-甘薯長期定位試驗中不同施肥處理的甘薯季堿性土壤樣本為研究對象,采用Illumina MiSeq高通量測序技術,探討其輪作模式下不同施肥處理對土壤固氮菌群落結構及多樣性的影響及其環境驅動因子,結果對于我們更加充分認識長期施肥尤其是增施有機肥條件下固氮菌的群落及合理施用有機肥提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 長期試驗點概況及試驗設計

本研究所選取的長期施肥定位試驗點位于徐州農業科學研究所內(117°09′ E, 34°17′ N),海拔42 m,屬溫帶季風氣候,年均氣溫14 ℃,年降雨量800—930 mm,無霜期約210 d,年日照時數2284—2495 h,日照率52%—57%。氣候特點是：四季分明,光照充足,雨量適中,雨熱同期。土壤類型為黃潮土,質地沙壤。試驗從1980年開始,試驗前耕層(0—20 cm)土壤有機質含量10.8 g/kg,全氮0.66 g/kg,速效磷12.0 mg/kg,pH 8.01。1981—2002年為“小麥-玉米輪作”,2002年后改為“小麥-甘薯輪作”。試驗設9個處理：(1)不施肥對照(CK)；(2)氮肥(N)；(3)施氮磷肥(NP)；(4)施氮鉀肥(NK)；(5)單施化肥(NPK)；(6)單施有機肥(M)；(7)氮肥+有機肥(NM)；(8)氮磷肥+有機肥(NPM)；(9)化肥+有機肥(NPKM)。本研究選取其中3個施肥處理：CK：不施肥對照；NPK：單施化肥；NPKM：化肥+有機肥。試驗采用隨機區組設計,4次重復,小區面積33.6 m2(7 m×4.8 m),選取其中的3個重復用于本次研究。氮磷鉀肥每年施用量為純N 300 kg/hm2,P2O5150 kg/hm2,K2O 225 kg/hm2。有機肥為堆積制腐的廄肥。1981—1985年每年施用量(鮮基)為75000 kg/hm2,1985年后為37500 kg/hm2,有機肥平均含N 6.3 g/kg、P2O55.14 g/kg、K2O 7.93 g/kg,C:N為20.3。小麥、玉米季氮肥的基、追肥比例為各50%,甘薯季氮、磷、鉀及有機肥在翻地前均作基肥一次施用。

1.2 土壤樣品采集

土壤樣品于2018年10月(甘薯收獲后)采集。其中每個小區間隔為40 cm,每個區組間隔為70 cm,將每個小區中距水泥埂1 m左右的區域定為采樣區域,避免邊緣效應。去除表面土壤后,各小區按“S”形采樣路線隨機選取5個取樣點,用采樣器(直徑為2.5 cm)采集0—20 cm的耕作層土壤。各小區采集的5個土芯經初步破碎混勻后,所有樣品采用冰袋保鮮運回實驗室。土壤樣品在去除植物根系和大的石塊后過2 mm篩混勻。所有樣品分為兩部分,一部分室溫下風干后用于土壤理化性質測定,另一部分置于-80 ℃用于土壤DNA提取。

1.3 土壤理化性質測定

1.4 土壤DNA提取及固氮菌nifH基因高通量測序

稱取0.50 g新鮮的土壤樣品,用強力土壤DNA提取試劑盒(QIAGEN laboratories, Carlsbad, CA, Germany)參照其操作說明提取土壤樣品中的總DNA,提取獲得的DNA于超低溫(-80 ℃)冰箱中保存。固氮菌nifH基因的高通量測序采用引物PolF(5′-TGCGAYCCSAARGCBGACTC-3′)和PolR (5′-ATSGCCATCATYTCRCCGGA-3′)[28]。每個樣品前段引物均含有不同的8 bp Barcode用于區分不同樣品。PCR的擴增條件為95 ℃ 2 min,95 ℃ 30 s,55 ℃ 30 s,25個循環,最后72 ℃延伸5 min。PCR反應體系為20 μL,其中包括4 μL(5×FastPfu)緩沖液,2 μL (2.5 mM)dNTP,0.8 μL正反引物,0.4 μL(5×FastPfu)DNA聚合酶,1 μL DNA模板,ddH2O補充到20 μL。擴增后的產物利用AxyPrep DNA Gel Extraction Kit (Axygen Biosciences, Union City, CA, U.S.)進行純化。將不同樣品的PCR擴增產物等摩爾混合后,采用Illumina MiSeq測序平臺完成序列分析(委托南京集思慧遠生物科技有限公司測定)。

1.5 高通量數據分析

利用QIIME軟件對下機后的原始序列根據相應的barcode信息進行各樣品序列分配并去除接頭和引物序列[39]。利用FLASH軟件拼接正反向序列,對拼接后的序列進行質控,去除低質量序列。具體步驟如下：1)去除q值小于0.5或長度不足250 bp的序列；2)去除單序列；3)序列97%相似度水平上生成一個OTU；4)去除嵌合體；5)挑選每個OTU代表序列；6)nifH序列與proGenomes數據庫(http://progenomes.embl.de/)比對進行注釋。將生成的OTU表格轉換成適合Mothur軟件分析用的文件,然后利用Mothur軟件進行各處理Alpha多樣性分析[40]。基于Unweight_unifrac距離的主坐標分析(PCoA)在QIIME軟件上進行。用冗余分析(Redundancy analysis, RDA)探索固氮菌群落結構、樣方和理化性質之間的關系；Mantel test用于檢測微生物群落組成與土壤理化之間的相關性；相似性分析(ANOSIM,Analysis of Similarities)用于檢驗各處理群落的相似性。前向選擇(forward selection)用于選取最優解釋變量。RDA、Mantel test、ANOSIM和前向選擇均在R 3.3.1統計軟件的Vegan[41]包里進行。

1.6 統計分析

用SPSS 20.0進行統計分析,單因素方差分析(One-way ANOVA)配合Tukey′s-b檢驗多處理間均值的顯著性。

2 結果與分析

2.1 土壤理化性質

長期不同施肥處理對土壤理化性質的影響如表1所示。與CK處理相比,NPK和NPKM處理顯著降低土壤pH(P<0.05),顯著增加土壤有機碳和全氮含量(P<0.05),其中pH分別降低0.30和0.54個單位,有機碳分別增加33.24%和104.26%,全氮分別增加61.54%和105.13%。銨態氮和硝態氮含量在3個處理中差異顯著(P<0.05),其中銨態氮含量在3個處理的高低順序為NPKM > CK > NPK,硝態氮按照NPKM > NPK > CK的順序排列。土壤有效磷和速效鉀在3個處理中差異顯著(P<0.05),其含量在3個處理中的高低順序為NPKM > NPK > CK。以上結果可以發現,在堿性土壤上增施有機肥通過降低土壤pH有效改善土壤酸堿度,通過增加土壤有機碳、全氮和速效養分的含量顯著改善土壤肥力水平。

表1 長期不同施肥處理的土壤理化性質

2.2 固氮菌群落Alpha多樣性

如表2所示,不同施肥處理間土壤固氮菌群落Alpha多樣性存在不同程度的差異。與CK處理相比,NPK和NPKM處理降低土壤固氮菌群落Chao1豐富度指數、觀測的物種數和Shannon多樣性指數,其中NPKM處理的Chao1豐富度指數、觀測的物種數顯著低于CK和NPK處理(P<0.05),Shannon多樣性指數在NPKM處理中最低,但差異不顯著(P> 0.05)。因此,長期施肥降低土壤固氮菌群落多樣性和豐富度,增施有機肥降低的程度更大。

表2 長期不同施肥處理的土壤固氮菌群落Alpha多樣性

2.3 固氮菌群落Beta多樣性

如圖1所示,不同施肥處理間土壤固氮菌群落Beta多樣性差異顯著。在OTU水平上,基于Unweight_unifrac距離進行主坐標分析,結果發現主坐標的前兩軸共解釋群落變異的58.60%,第一軸和第二軸分別解釋群落變異的43.88%和14.72%。CK、NPK和NPKM處理的群落組成沿著第一軸依次分開,相似性分析(ANOSIM)也表明CK、NPK和NPKM處理的群落組成差異顯著(R= 0.4825,P= 0.005)。冗余分析主要是分析土壤理化、群落組成與樣方之間的關系,結果表明土壤理化因子顯著影響固氮菌群落的組成(Mantel test,R= 0.4825,P= 0.01)。通過解釋變量的前向選擇(forward selection)發現土壤速效鉀和有機碳分別能解釋群落變異的75.01%和24.99%。因此,長期增施有機肥顯著增加土壤速效鉀和有機碳,這種變化驅動著土壤固氮菌群落結構的轉變。

圖1 長期不同施肥處理中土壤固氮菌群落組成及其與土壤理化性質的關系Fig.1 Soil diazotrophic community composition and its relationship with soil physicochemical properties in long-term different fertilization treatmentANOSIM：相似性分析；Mantel test：檢驗群落組成與理化因子的相關性；CK：不施肥對照；NPK：單施化肥；NPKM：化肥+有機肥RDA: 冗余分析; SOC: 有機碳Soil organic carbon; AK:速效鉀Available potassium

2.4 固氮菌群落類群分析

固氮菌測序得到的原始序列經過質控獲得1104419條高質量的序列,每個樣品的序列從112486到131951條不等,平均每個樣品有122713條序列,99%的序列被劃分為細菌界,共獲得1337個OTU,歸屬為9個門,12個綱,27個目,32個科,36個屬,61個種。固氮菌門水平相對豐度如圖2所示,具體9個主要門：變形菌門(47.66%—90.61%),硝化螺旋菌門(2.65%—49.52%),藍藻菌門(0.18%—7.60%),放線菌門(0.27%—2.24%),浮霉菌門(0—1.68%),酸桿菌門(0.04%—0.80%),厚壁菌門(0.04%—0.64%),芽單胞菌門(0—0.56%),擬桿菌門(0—0.38%)。在門水平上,長期不同施肥處理對其相對豐度產生顯著影響。與CK和NPK處理相比,NPKM處理顯著增加酸桿菌門和硝化螺旋菌門的相對豐度(P<0.05),但也顯著降低了變形菌門的相對豐度(P<0.05)。與CK處理比較,兩個肥料處理NPK和NPKM處理均顯著降低藍藻菌門的相對豐度(P<0.05),其中在NPKM處理中其相對豐度最低。

圖2 長期不同施肥處理中土壤固氮菌群落門水平的相對豐度Fig.2 Relative abundance of soil diazotrophic phyla level within long-term different fertilization treatment不同的字母表示在P<0.05(Tukey′s-b test)水平上差異顯著；CK：不施肥對照；NPK：單施化肥；NPKM：化肥+有機肥

如圖3所示,在固氮菌綱水平上,Beta-變形菌和Gamma-變形菌是最豐富的類群。在不同施肥處理中綱水平上的相對豐度差異明顯。Alpha-變形菌、Beta-變形菌和Delta-變形菌在NPKM處理的土壤中其相對豐度最低,其中Beta-變形菌的相對豐度顯著低于CK和NPK處理(P<0.05)。Gamma-變形菌在3個處理中差異不顯著,其相對豐度的高低順序為CK > NPKM > NPK。

圖3 長期不同施肥處理中土壤固氮菌群落綱水平的相對豐度Fig.3 Relative abundance of soil diazotrophic class level within long-term different fertilization treatment不同的字母表示在P<0.05(Tukey′s-b test)水平上差異顯著；CK：不施肥對照；NPK：單施化肥；NPKM：化肥+有機肥

如圖4所示,對固氮菌群落屬水平上進行分析,結果發現CK處理的土壤中擬色球藍細菌屬相對豐度高于NPK和NPKM處理,但差異不顯著(P> 0.05)。與CK和NPK處理相比,NPKM處理顯著增加硝化螺菌屬的相對豐度(P<0.05),但顯著降低固氮弧菌屬的相對豐度(P<0.05)。

圖4 長期不同施肥處理中土壤固氮菌群落屬水平的相對豐度Fig.4 Relative abundance of soil diazotrophic genus level within long-term different fertilization treatment不同的字母表示在P<0.05(Tukey′s-b test)水平上差異顯著；CK：不施肥對照；NPK：單施化肥；NPKM：化肥+有機肥

2.5 固氮菌群落多樣性及類群與土壤環境因子的關系

土壤理化因子與固氮菌群落多樣的相關分析如表3所示。土壤硝態氮與Shannon多樣性指數顯著負相關(P<0.05)；豐富度指數Chao1和觀測到的物種數與土壤pH達到極顯著的正相關(P<0.01),而與土壤有機碳、全氮、硝態氮、有效磷和速效鉀之間均達到極顯著的負相關(P<0.01)。以上結果可以發現,長期施肥尤其是增施有機肥能顯著提升土壤肥力水平,這從某種程度上降低了固氮菌的群落多樣性。

表3 被選擇的土壤理化性質與固氮菌群落多樣性的相關分析

如表4所示,相關分析表明土壤pH、有機碳、全氮、銨態氮、硝態氮、有效磷和速效鉀與放線菌門、擬桿菌門、厚壁菌門、芽單胞菌門、浮霉菌門和Gamma-變形菌間均無顯著相關性(P> 0.05)；土壤pH與酸桿菌門、硝化螺旋菌門和硝化螺菌屬顯著負相關(P<0.05),與藍藻菌門、變形菌門、Beta-變形菌、擬色球藍細菌屬和固氮弧菌屬間均呈顯著(P<0.05)正相關；而土壤有機碳和全氮與酸桿菌門、硝化螺旋菌門和硝化螺菌屬間顯著正相關(P<0.05),與藍藻菌門、變形菌門、Beta-變形菌、擬色球藍細菌屬和固氮弧菌屬顯著負相關(P<0.05)；銨態氮與酸桿菌門顯著正相關(P<0.05),與Alpha-變形菌顯著負相關(P<0.05)；硝態氮與酸桿菌門、硝化螺旋菌門和硝化螺菌屬顯著正相關(P<0.05),與藍藻菌門、變形菌門、Beat-變形菌、擬色球藍細菌屬和固氮弧菌屬顯著負相關(P<0.05)；有效磷和速效鉀均與酸桿菌門、硝化螺旋菌門和硝化螺菌屬顯著正相關(P<0.05),均與變形菌門、Beta-變形菌和固氮弧菌屬顯著負相關(P<0.05),其中有效磷與Delta-變形菌顯著負相關(P<0.05),速效鉀與藍藻菌門和擬色球藍細菌屬顯著負相關(P<0.05)。綜上,施肥導致土壤pH的變化對固氮菌群落類群產生潛在積極的影響,而土壤有機碳及有效養分改變對其產生潛在消極的影響。

表4 被選擇的土壤理化性質與固氮菌類群間的相關分析

3 討論

3.1 長期不同施肥對固氮菌群落結構及多樣性的影響

土壤固氮微生物群落多樣性對不同土壤施肥方式異常敏感。本研究中,長期增施有機肥顯著降低土壤固氮菌群落多樣性、改變固氮菌群落結構。有研究發現在中性黑土上,長期施用化肥或有機肥均降低土壤固氮菌群落的多樣性[42],在氮素缺乏的土壤中固氮微生物更具競爭優勢,土壤氮素含量的變化會影響固氮微生物與其它土壤微生物的競爭關系,從而影響固氮微生物的群落組成[43]。本文中我們發現長期增施有機肥顯著改變土壤pH、有機碳、全氮及有效養分的含量,這些土壤特性是驅動固氮菌群落豐富度變化的主要因子[44-45],這可能解釋了在增施有機肥處理的土壤中固氮菌群落多樣性和結構與對照和單施化肥處理相比差異更大。此外與對照和單施化肥處理相比,增施有機肥顯著降低土壤pH、增加土壤有機碳、全氮、硝態氮、有效磷和速效鉀(表1),這些改變分別對土壤固氮菌群落多樣性產生潛在積極和消極的影響(表3)。土壤養分含量的增加導致固氮菌群落多樣性降低,可能是養分含量上升增加了固氮微生物與其它土壤微生物的競爭關系,從而影響固氮微生物的群落豐富度和多樣性。然而在有些研究中報到了不同的結果,如wang等[45]研究指出有機管理的水稻田中固氮細菌多樣性相對較高。Feng等[46]研究發現單施化肥顯著降低土壤固氮菌多樣性,而添加畜禽糞便能保持其多樣性。Lin等[28]研究表明長期施肥顯著降低土壤固氮菌豐度和群落多樣性,而添加豬糞增加了其抑制作用。在Orr等[47]對傳統和有機管理的農業土壤進行比較時,發現土壤肥力管理對固氮菌群落和多樣性影響不大。產生以上不同的結果可能是施肥改變了其它的土壤特性,例如土壤pH[48, 23]和有機質含量[49],這些變化可能對固氮微生物產生二次的影響。

由于土壤類型和土壤利用方式的差異,土壤固氮菌群落結構受到不同環境因子的調控。有學者指出在土壤pH<5時,土壤pH對固氮菌群落有著重要的影響[50]。Lin等[28]研究也發現土壤pH是驅動固氮菌群落變化的關鍵因子。Hu等[29]結果表明土壤有效磷是影響固氮菌群落改變最重要的因子。在Yang等[42]研究中發現土壤硝態氮和有效磷驅動固氮菌群落結構的改變。冗余分析中解釋變量的前向選擇結果表明土壤有機碳和速效鉀的變化能最大程度上解釋土壤固氮菌群落的改變(圖1)。而本研究中不同施肥處理間土壤pH值均大于8,且pH值變化范圍較小(8.16—8.70),因此pH的變化可能對固氮菌群落結構的影響沒有有機碳和速效鉀強烈。此外隨著長期化肥或有機肥的添加,土壤有機碳、全氮及速效養分改變較大(表1),可能這些土壤特性的變化驅動著固氮菌群落結構的變化。綜上所述,在小麥-甘薯輪作中土壤有機碳和速效鉀與固氮菌群落的變化密切相關。

3.2 長期不同施肥對固氮菌群落類群的影響

本研究發現變形菌門和硝化螺旋菌門為優勢的自生固氮菌群(圖2)。在變形菌門內,Beta-變形菌和Gamma-變形菌為優勢的菌群(圖3),這和賈雨雷等[51]研究結果一致。更為重要的是長期不同施肥對固氮菌群落類群在土壤中的分布產生顯著的影響。如長期增施有機肥顯著降低變形菌門、藍藻菌門、Beta-變形菌和固氮弧菌屬的相對豐度,增加硝化螺旋菌門、酸桿菌門和固氮弧菌屬的相對豐度(圖4)。已有研究發現變形菌門屬于革蘭氏陰性菌,是一類生長在富營養環境中的類群,其相對豐度與養分含量呈正相關性[52-53]。藍藻細菌由于其固氮能力,在維持水稻土肥力水平起著至關重要的作用[54-55]。然而,在本文中我們發現變形菌門、藍藻菌門、Alpha-變形菌、Beta-變形菌、Delta-變形菌、Gamma-變形菌和固氮弧菌屬均與土壤有機碳和有效養分顯著負相關,結果的不同可能是因為長期施肥導致土壤養分顯著提高,土壤養分的提升為其它土壤微生物提供充足的養分供應,加速了與固氮微生物間的競爭。此外,長期施用化肥或有機肥也顯著提高土壤可利用氮的水平,而高氮含量的土壤中并不適合自生固氮菌的生長和繁殖[47,57],這可能也是固氮微生物群落某些類群受到一定抑制的原因。在本研究中土壤pH雖然變化很小,對土壤固氮微生物群落結構的影響較小,但也可能對某些固氮微生物類群在土壤中的分布產生重要的影響。酸桿菌門是土壤中新發現的一類嗜酸菌,有研究發現土壤酸桿菌門與pH呈負相關性[57]。本研究也發現增施有機肥顯著降低土壤pH,而酸桿菌門在增施有機肥的處理中最高,相關分析也表明酸桿菌門與土壤pH顯著負相關。因此,在增施有機肥的土壤中pH顯著降低,同時顯著富集了固氮菌酸桿菌門。在屬水平上,在高養分含量的土壤中,硝化螺旋菌屬相對豐度較高,固氮弧菌屬相對豐度受到明顯的抑制。有研究表明,硝化螺菌屬中的微生物可以獨立完成氨氧化成硝酸鹽的氮代謝過程,并將這類微生物定義為全程氨氧化微生物[58-59]。因此,在我們研究中長期增施有機肥可能顯著影響全程氨氧化微生物的群落,從而使硝化螺旋菌屬的相對豐度顯著提高。固氮弧菌屬是一類革蘭氏陰性細菌,隸屬于Beta-變形菌綱、紅環菌目的紅環菌科,目前發現的有7個代表種,具有生物固氮的功能,一般情況下每消耗1 g碳水化合物,至少10 g大氣氮被非共生固定。固氮弧菌屬廣泛存在于自然界,是一類兼性厭氧菌[60],在生物固氮過程中有著重要作用的微生物[61]。從生態的角度出發,固氮弧菌屬可分為土壤固有的細菌和植物根系的內生菌[63]。本研究結果發現長期增施有機肥顯著降低固氮弧菌屬的相對豐度(圖4),相關分析也表明固氮弧菌屬的相對豐度與有機碳、全氮、硝態氮、有效磷和速效鉀的含量顯著負相關(表4)。因此,長期施用有機肥增加了土壤有機碳、全氮和有效養分進而對固氮弧菌屬產生潛在消極的影響。綜上所述,長期增施有機肥顯著改變土壤pH、有機碳和土壤有效養分的含量,這些土壤性質的變化顯著影響土壤固氮微生物的群落結構,在某種程度上對固氮微生物群落多樣性和一些類群產生一定的抑制作用。

4 結論

本研究揭示了在堿性土壤上,與不施肥比較長期增施有機肥對固氮菌群落結構的影響強于單施化肥,對固氮菌群落多樣性的抑制作用更大。長期增施有機肥增加了土壤有機質、豐富了土壤養分,這些改變增加了酸桿菌門、硝化螺旋菌門和硝化螺旋菌屬的相對豐度,但也降低了變形菌門、藍藻菌門、Beta-變形菌和固氮弧菌屬的相對豐度。長期增施有機肥顯著改變土壤固氮菌群落結構和多樣性,這與土壤有機碳和速效鉀的變化密切相關。因此,長期增施有機肥對土壤固氮菌群落結構的影響更大,且不利于其群落多樣性的維持。