稻田土壤微生物群落對稻鱉共作模式的響應特征

肖力婷，楊慧林，賴 政,，賴 勝，倪才英，陳曉玲,3，簡敏菲,

稻田土壤微生物群落對稻鱉共作模式的響應特征

肖力婷1，楊慧林1，賴 政1,2，賴 勝1，倪才英2，陳曉玲2,3，簡敏菲1,2※

（1. 江西師范大學生命科學學院，南昌 330022；2. 江西師范大學地理與環(huán)境學院，南昌 330022；3. 武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，武漢 430079）

稻鱉共作是一種綠色、高效的生態(tài)農(nóng)業(yè)種養(yǎng)模式，然而有關(guān)共作模式對稻田土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與功能特征的影響及其驅(qū)動因子的研究鮮有報道。為此，該研究以水稻單作（RM）和稻鱉共作（RT）處理的稻田土壤為研究對象，采用Illumina高通量測序技術(shù)分析土壤細菌和真菌群落結(jié)構(gòu)的變化，并探討土壤理化性質(zhì)和微生物群落間的相關(guān)性。結(jié)果表明：1）稻鱉共作模式使土壤有機質(zhì)（Soil Organic Matter，SOM）、總鉀（Total Potassium，TK）、堿解氮（Alkali-hydrolyzale Nitrogen，AN）、有效磷（Available Phosphorus，AP）和速效鉀（Available Potassium，AK）含量顯著提高了17.82%、15.15%、13.80%、37.37%和21.57%（<0.05）。2）稻鱉共作模式顯著提高了土壤真菌群落的豐富度，改變了微生物群落結(jié)構(gòu)。共作使土壤細菌變形菌門（Proteobacteria）、酸桿菌門（Acidobacteriota）、真菌子囊菌門（Ascomycota）和羅茲菌門（Rozellomycota）相對豐度分別增加了6.42%、1.16%、0.44%和2.96%，真菌擔子菌門（Basidiomycota）相對豐度降低了0.22%。3）共線網(wǎng)絡分析表明，稻鱉共作增加了細菌微生物網(wǎng)絡總節(jié)點數(shù)、邊數(shù)、平均聚類數(shù)和模塊化，增強了微生物網(wǎng)絡復雜度，加強了群落間的聯(lián)系；共作降低了真菌微生物網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)，但增加了正相互作用的微生物，增強了微生物間的協(xié)同合作。4）冗余分析（Redundancy Analysis，RDA）表明，土壤有機質(zhì)、全鉀和速效鉀含量是影響細菌群落結(jié)構(gòu)變化的主要環(huán)境因子，全鉀、速效鉀和有效磷含量是影響真菌群落結(jié)構(gòu)變化的主要環(huán)境因子。綜上，稻鱉共作有利于提高稻田土壤肥力，改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，并提高了微生物豐富度，使微生物群落間的聯(lián)系更緊密。該研究為探究科學合理的稻田栽培模式提供了重要的科學依據(jù)。

土壤；微生物；稻鱉共作；群落特征

0 引 言

水稻是中國絕大多數(shù)人口的主要糧食來源[1]。近年來，隨水稻種植面積的擴大，以稻田單作為主的傳統(tǒng)栽培模式使農(nóng)藥化肥和化學除草劑的使用量大幅增加，導致農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和持續(xù)性不斷降低，土壤環(huán)境被污染、微生物多樣性和稻米品質(zhì)降低等問題頻發(fā)，這是影響中國稻米品質(zhì)降低的主要原因之一[2]。因此，如何兼顧水稻的高產(chǎn)高質(zhì)與土壤養(yǎng)分的有效利用，是近幾年農(nóng)業(yè)科學研究的熱點之一。

稻漁共作是一種將水稻養(yǎng)殖與水產(chǎn)養(yǎng)殖相結(jié)合的新型生態(tài)種養(yǎng)模式，現(xiàn)已逐步成為生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展的新方向[3]。其中，稻-鱉共作是稻田綜合種養(yǎng)中效益較好的模式之一。稻-鱉共作指鱉在稻田中與水稻共同生存，以田間害蟲和雜草等作為部分餌料，水稻以鱉的殘餌和排泄物等作為有機肥料吸收利用的一種種養(yǎng)模式[4]。這種動植物共生的生態(tài)種養(yǎng)模式不僅增加了稻田水體營養(yǎng)程度，也減少了化肥、農(nóng)藥的使用量，實現(xiàn)了經(jīng)濟、生態(tài)和社會三重效益的共同提升，達到了“養(yǎng)鱉穩(wěn)糧、增收增效”的效果[5]。蘭國俊等[6]發(fā)現(xiàn)，稻鴨共作使土壤有機質(zhì)和堿解氮的含量分別增加了13.6%和17.6%；佀國涵等[7]發(fā)現(xiàn)，稻蝦共作使土壤平均顏色變化率（Average Well Color Development，AWCD）在0～25和25～50 cm土層中較水稻單作模式分別提高了16.1%和76.9%。

土壤微生物是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中最重要和最活躍的成分之一，是參與土壤養(yǎng)分循環(huán)、維持土壤肥力和促進作物生長的重要因子[8]。細菌和真菌是兩大類關(guān)鍵的微生物菌群，前者主要調(diào)節(jié)土壤有機質(zhì)的分解礦化，后者參與植物殘體的分解和木質(zhì)纖維素的降解等，兩者相互作用，共同參與生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)，促進植物的生長發(fā)育[9]。在稻田這個復雜的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，鱉引入田間后會活動于土壤表面，對土壤生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生一定程度的影響，而這種影響更直觀表現(xiàn)在對土壤菌群的影響上。以往的研究者更注重共作模式對稻田產(chǎn)量和經(jīng)濟效益等方面的研究[10]，而忽略了該模式對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與功能特征的影響。本研究以稻田土壤為研究對象，旨在從微生物的角度揭示稻鱉共作對土壤理化性質(zhì)和微生物群落的影響，以期為稻漁共作的生態(tài)研究和發(fā)展提供一定的理論依據(jù)，為中國綠色高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)水稻的生產(chǎn)提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況和樣品采集

試驗于江西省鷹潭市余江區(qū)錦江鎮(zhèn)灌田村水稻研究基地進行（E116°41′，N28°37′），該地屬于亞熱帶濕潤季風氣候，四季分明，光照充足，年平均降水量1 778.8 mm，平均日照時數(shù)1 738.4 h，無霜期257 d。有關(guān)土壤基礎理化性質(zhì)見文獻[11]。

田間試驗于2019年6月開始，采用隨機田塊設計，設置水稻單作（RM）和稻鱉共作（RT）2個處理，各處理3個重復，共6塊稻田，各塊田面積約1 000 m2，田塊間用田埂和圍隔分離。水稻單作模式于水稻移栽前施肥一次（6月6日），施肥量為N 120.0 kg/hm2、P2O522.0 kg/hm2和 K2O 35.0 kg/hm2。于6月15日采用移栽法種植水稻，水稻品種為黃華占，株間距為18 cm×25 cm，于10月12日收割水稻。水稻共作模式的水分管理、肥料施用量及相關(guān)農(nóng)藝技術(shù)等與水稻單作模式均相同。水稻移栽后15 d左右向3個田塊各投放規(guī)格為200 g/只的中華鱉300只，每天按中華鱉質(zhì)量的3%～5%投喂鱉飼料（漁盛甲魚配合飼料）。兩種模式的處理在整個水稻生長期間均不施農(nóng)藥和化學除草劑。

于2019年6月—2021年10月進行田間定位試驗，每年水稻收獲后的秸稈均還田，按前一年各田塊的排列進行種植。2021年10月進行土壤樣品的采集，此時處于稻田成熟期，土壤的組成、理化性質(zhì)及形態(tài)特征均趨于穩(wěn)定狀態(tài)。各田塊按照S型“五點取樣法”和“抖落法”采集稻田根際土壤[12]，將采集到的土壤樣品充分混勻后，冷藏帶回實驗室，一部分置于-80 ℃，用于土壤DNA的提取；另一部分自然風干、研磨過篩后用于土壤理化性質(zhì)的測定。

1.2 土壤理化性質(zhì)測定

土壤有機質(zhì)（Soil Organic Matter，SOM）測定采用重鉻酸鉀容量法，全氮（Total Nitrogen，TN）測定采用凱式法，堿解氮（Alkali-hydrolyzale Nitrogen，AN）測定采用堿解擴散法，全磷（Total Phosphorus，TP）和速效磷（Available Phosphorus，AP）測定采用鉬銻抗比色法，全鉀（Total potassium，TK）和速效鉀（Available potassium，AK）測定采用火焰光度法[13]。

1.3 土壤樣品微生物總DNA提取、擴增和高通量測序

采用Foregene土壤基因組DNA提取試劑盒（成都福際）提取樣品基因組總DNA，1%瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA提取質(zhì)量后于-20 ℃冰箱保存，供后續(xù)試驗使用。

以上述提取到的DNA為模板，采用帶有barcode的特異性引物338F（5'-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3'）和806R（5'-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3'）擴增細菌16S rRNA 的V3+V4區(qū)，利用引物ITS1F（5'-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA-3'）和ITS2（5'- GCTGCGTTCTTCATCGATGC-3'）擴增真菌的ITS1區(qū)。采用50 μL PCR擴增體系：DNA模板1 μL，正反向引物各1 μL（10mM），DreamTaqTM Green PCR Master Mix（2×）25 μL，DNA 模板10 ng。擴增條件為：95 ℃預變性3 min，95 ℃變性30 s，55 ℃退火1 min，72 ℃延伸1 min，共30個循環(huán)，最后72 ℃延伸10 min[14]。1%瓊脂糖凝電泳檢測PCR擴增產(chǎn)物后，采用E.Z.N.A. ? Gel Extraction Kit（Omega）試劑盒進行純化后等量混樣，由北京百邁客生物科技有限公司進行建庫，利用Miseq PE250平臺（美國Illumina公司）進行測序。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Usearch軟件對Reads在97%相似度水平下聚類，獲得分類操作單元數(shù)（Operational Taxonomic Units，OTUs）；采用QIIME軟件生成不同分類水平上的物種豐度表，R語言繪制物種群落結(jié)構(gòu)圖，分析各水平物種組成及相對豐度；采用QIIME2軟件，對樣品Alpha多樣性指數(shù)和香農(nóng)指數(shù)曲線進行評估[15]；采用IBM SPSS Statistics 21進行單因素方差分析（One-way ANOVA）和最小顯著差異法（Least Significance Difference，LSD）檢驗土壤理化因子和微生物Alpha多樣性指數(shù)的差異顯著性；利用http://huttenhower.sph.harvard.edu/galaxy網(wǎng)站對各分類水平上具有顯著差異的關(guān)鍵物種進行線性判別分析（Linear discriminant analysis Effect Size，LEfSe）；采用R 4.2.0的“psych”包對屬水平上微生物群落基于Spearman相關(guān)性系數(shù)進行共生網(wǎng)絡分析，Gephi 0.9.2軟件進行微生物共生網(wǎng)絡分析的可視化繪圖；采用聯(lián)川生物云平臺（https://www.omicstudio.cn/index）進行土壤理化因子與微生物間的冗余分析（Redundancy Analysis，RDA）。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻鱉共作對土壤理化性質(zhì)的影響

由表1可知，稻鱉共作模式提高了稻田土壤養(yǎng)分含量。與水稻單作相比，稻鱉共作的土壤有機質(zhì)含量（SOM）、總鉀含量（TK）、堿解氮含量（AN）、有效磷含量（AP）和速效鉀含量（AK）均顯著高于水稻單作土壤（<0.05），分別高于單作組17.82%、15.15%、13.80%、37.37%和21.57%。

表1 不同處理土壤理化性質(zhì)分析

注：SOM：有機質(zhì)；TN：全氮；TP：全磷；TK：全鉀；AN：堿解氮；AP：速效磷；AK：速效鉀。不同小寫字母表示不同處理間差異顯著（<0.05）。下同。

Note: SOM: soil organic matter; TN: total nitrogen; TP: total phosphorus. TK: total potassium; AN: alkali-hydrolyzale nitrogen; AP: available phosphorus; AK: available potassium. Values with different lowercase letters are significantly different among different treatments at the 0.05 level. Same as below.

2.2 稻鱉共作對土壤微生物多樣性的影響

由圖1可知，不同處理的土壤樣品Shannon指數(shù)隨樣品序列數(shù)的增加而增加，到達一定序列數(shù)時，曲線走向逐漸趨于平緩，Shannon指數(shù)不再隨測序數(shù)的增加而增加，表明測序數(shù)據(jù)量足夠大，測序結(jié)果能夠反映稻田土壤微生物物種的多樣性。

圖1 土壤細菌和真菌群落香農(nóng)指數(shù)曲線

圖2為不同處理的土壤樣品OTUs維恩圖。土壤細菌群落中，水稻單作和共作土壤共有OTUs為2 037，特有OTUs分別為5和54；真菌群落中，水稻單作和共作土壤共有OTUs為981，特有OTUs分別為52和168。不同處理的土壤微生物Alpha多樣性指數(shù)如表2所示。與水稻單作相比，稻鱉共作使土壤細菌ACE指數(shù)、Chao指數(shù)、Simpson指數(shù)和Shannon指數(shù)分別提高了2.53%、1.98%、1.01%和1.76%；土壤真菌群落ACE指數(shù)、Chao指數(shù)和Shannon指數(shù)分別提高了7.70%、7.90%和4.89%。其中，稻鱉共作處理的土壤真菌群落ACE指數(shù)和Chao指數(shù)顯著高于單作組（<0.05）。

圖2 土壤細菌和真菌群落維恩圖

表2 土壤細菌和真菌群落Alpha多樣性指數(shù)分析

2.3 稻鱉共作對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

不同種養(yǎng)模式的稻田土壤細菌和真菌群落門水平相對豐度居于前10%的物種分布如圖3所示。門水平上，細菌群落主要以變形菌門（Proteobacteria）、酸桿菌門（Acidobacteriota）、脫硫菌門（Desulfobacterota）、泉古菌門（Crenarchaeota）和綠彎菌門（Chloroflexi）為主，相對豐度分別為25.37%～31.79%、11.31%～12.47%、9.13%～12.81%、4.42%～10.88%和5.19%～6.98%；真菌群落以子囊菌門（Ascomycota）、擔子菌門（Basidiomycota）、羅茲菌門（Rozellomycota）、壺菌門（Chytridiomycota）和被孢霉門（Mortierellomycota）為主，相對豐度分別為43.19%～43.63%、17.01%～17.23%、9.34%～12.30%、3.75%～6.27%和4.16%～5.41%。與水稻單作模式相比，共作模式的應用使土壤細菌變形菌門（Proteobacteria）、酸桿菌門（Acidobacteriota）和綠彎菌門（Chloroflexi）相對豐度分別增加了6.42%、1.16%和1.79%，脫硫菌門（Desulfobacterota）和泉古菌門（Crenarchaeota）相對豐度分別降低了3.68%和6.46%；真菌子囊菌門（Ascomycota）和羅茲菌門（Rozellomycota）相對豐度分別增加了0.44%和2.96%，擔子菌門（Basidiomycota）、壺菌門（Chytridiomycota）和被胞霉門（Mortierellomycota）相對豐度分別降低了0.22%、2.52%和1.26%。

不同種養(yǎng)模式的稻田土壤微生物群落組成存在差異，進一步通過線性判別分析（Linear discriminant analysis Effect Size，LEfSe）確定各分類水平上各處理組間具有顯著差異的關(guān)鍵物種及其效益大小（圖4）。對所有樣品進行LEfSe分析可知，稻鱉共作模式的應用減少了稻田土壤中的差異物種（Linear Discriminant Analysis，LDA = 3.0，<0.05）。如圖4a所示，細菌群落在門、綱、目、科、屬水平上共發(fā)現(xiàn)6種具有顯著差異的物種信息（<0.05）。其中，水稻單作組中有4個顯著富集的物種，分別為g_unclassified_Bacteroidetes_vadinHA17、f_Bacteroidetes_ vadinHA17、擬桿菌門（Bacteroidota）和脫硫菌綱（Desulfobacteria）；共作組中有2個顯著富集的物種，分別為紅桿菌科（Rhodanobacteraceae）和f_Oxalobacteraceae。如圖4b所示，真菌群落在門、綱、目、科、屬水平上共發(fā)現(xiàn)9種具有顯著差異的物種信息（P<0.05）。其中，水稻單作組有6個顯著富集的物種，分別為未分類的被胞霉綱（c_unclassified_Mortierellomycota）、未分類的被胞霉科（f_unclassified_Mortierellomycota）、螺旋聚孢霉屬（Clonostachys）、f_Cyphellaceae、未分類的被胞霉屬（g_unclassified_Mortierellomycota）和未分類的被胞霉目（o_unclassified_Mortierellomycota），共作組中有3個顯著富集的物種，分別為錘舌菌綱（Leotiomycetes）、f_Herpotrichiellaceae和o_Thelebolales。

圖3 土壤樣品細菌和真菌群落門水平相對豐度

2.4 稻鱉共作對土壤微生物網(wǎng)絡共發(fā)生的影響

進一步通過構(gòu)建共生網(wǎng)絡分析來探索稻田土壤微生物群落間的相互關(guān)系，水稻單作和共作土壤中的細菌和真菌群落都形成了各自獨特的微生物網(wǎng)絡。細菌共生網(wǎng)絡中，水稻單作土壤包含126個節(jié)點和3 738條邊，其中正相關(guān)55.03%，負相關(guān)44.97%，平均聚類數(shù)為0.995，模塊化3.069，平均連通度59.333（圖5a）；稻鱉共作土壤包含141個節(jié)點和3 973條邊，其中正相關(guān)53.64%，負相關(guān)46.36%，平均聚類數(shù)為0.996，模塊化3.591，平均連通度55.844（圖5b）。表明稻鱉共作增加了土壤細菌群落間的網(wǎng)絡復雜度，加強了細菌群落間的聯(lián)系。真菌共生網(wǎng)絡中，水稻單作包含72個節(jié)點和841條邊，其中正相關(guān)56.72%，負相關(guān)43.28%，平均聚類數(shù)0.985，模塊化3.49，平均連通度23.361（圖5c）；稻鱉共作土壤包含69個節(jié)點和968條邊，其中正相關(guān)69.94%，負相關(guān)30.06%，平均聚類數(shù)0.988，模塊化0.843，平均連通度28.058（圖5d）。表明稻鱉共作減小了土壤真菌群落規(guī)模大小，但使群落間的聯(lián)系更加緊密，且使正相互作用的微生物增加。

注：紅色線表示正相關(guān)；綠色線表示負相關(guān)。

2.5 土壤微生物群落與環(huán)境因子間的相互關(guān)系

利用冗余分析（RDA）進一步探究土壤理化性質(zhì)對微生物群落組成的影響。如圖6a所示，細菌群落中前兩軸特征值占總排序軸特征值的92.93%，第一和第二軸（RDA1和RDA2）分別占81.03%和11.90%，SOM、TK和AK含量對土壤細菌群落結(jié)構(gòu)影響較大，其中綠彎菌門（Chloroflexi）、放線菌門（Actinobacteriota）、變形菌門（Proteobacteria）和疣微菌門（Verrucomicrobiota）與土壤養(yǎng)分含量呈正相關(guān)，擬桿菌門（Bacteroidota）相對豐度與土壤AP、SOM和TK含量呈顯著負相關(guān)（<0.05）。如圖6b所示，真菌群落中前兩軸特征值占總排序軸特征值的78.30%，第一和第二軸（RDA1和RDA2）分別占56.48%和21.82%，TK、AP和AK含量對土壤真菌群落結(jié)構(gòu)影響較大，其中壺菌門（Chytridiomycota）相對豐度與土壤養(yǎng)分含量均呈負相關(guān)，子囊菌門（Ascomycota）相對豐度與土壤AK和AP含量正相關(guān)性較強。

圖6 細菌和真菌群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境變量的冗余分析

3 討 論

3.1 稻鱉共作對土壤理化性質(zhì)的影響

土壤養(yǎng)分是土壤肥力的物質(zhì)基礎和評價土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標，也是作物生長所需營養(yǎng)物質(zhì)的重要來源[16]。有機質(zhì)作為衡量土壤養(yǎng)分有效性和營養(yǎng)程度的重要因子，保肥保水、改良土壤結(jié)構(gòu)和活化鉀磷等營養(yǎng)元素是其主要作用[17]。本研究表明，稻鱉共作顯著提高了土壤有機質(zhì)含量（<0.05），這與張軍等[18]的研究結(jié)果一致。原因主要包括：1）稻鱉共作過程中鱉糞便的排入可作為土壤有機肥料，提升土壤肥力；2）稻田中的雜草和枯枝敗葉等在鱉的踩踏過程中會腐化，而稻田長期被水浸沒，減緩了有機物的分解速率，使大量有機質(zhì)累積[19]。作物生長過程中，土壤中氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素的穩(wěn)定供應也是保證作物正常生長發(fā)育的前提[20]。朱秀秀等[21]發(fā)現(xiàn)，稻蝦共作模式提高了土壤全氮、全磷、速效鉀和硝態(tài)氮的含量，本研究結(jié)果與其相似。稻鱉共生過程中，投放于田間的鱉會進行攝食、踩踏爬行及翻土等活動，促進了土壤與外界的氣體交換，土壤透氣性增加，進一步加速了雜草和秸稈等的腐解速率而釋放出養(yǎng)分；同時鱉的排泄物會殘留在土壤表面，其富含一定的微生物和速效養(yǎng)分，在促進土壤微生物活動的同時加速了土壤養(yǎng)分的活化[22]，進一步提高了土壤有效養(yǎng)分的含量。本研究樣地土壤pH值在3.91～3.97之間，屬于酸性土壤。研究發(fā)現(xiàn)，酸性土壤中礦物養(yǎng)分的釋放會受到抑制，導致植物缺乏某些營養(yǎng)元素，不利于根系對養(yǎng)分的吸收利用[23]，因此可以考慮在生產(chǎn)中通過施用石灰和生理堿性肥料等方式來合理調(diào)節(jié)土壤的pH值，使之維持在有利于土壤養(yǎng)分釋放的范圍，促進植物的吸收利用。

3.2 稻鱉共作對土壤微生物的影響

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組分之一，是促進土壤養(yǎng)分循環(huán)與能量流動的重要因子[24]。在稻田這個復雜的生態(tài)系統(tǒng)中，水稻栽培方式的改變會影響土壤微生物的多樣性及群落結(jié)構(gòu)。鄧時銘等[25]發(fā)現(xiàn)，稻鰍共養(yǎng)提高了土壤微生物豐富度；陳玲等[26]發(fā)現(xiàn)，稻蝦共作提高了土壤細菌群落多樣性。本研究中，共作模式的土壤微生物群落Alpha多樣性指數(shù)均高于單作土壤，表明稻鱉共作提高了土壤微生物群落的豐富度和多樣性，這與鄧時銘和陳玲等的研究結(jié)果一致。中華鱉活動于田間，其覓食和翻耕等活動促進了土壤團聚體的形成，增強了土壤透氣性，有利于微生物的生長繁殖，進而提高了微生物的豐度和多樣性。另外，鱉腸道中含有的大量微生物會通過排泄過程進入到土壤環(huán)境中，與土壤中的微生物相互作用，進一步改變了微生物的多樣性和群落結(jié)構(gòu)。

變形菌門、酸桿菌門和綠彎菌門等為土壤細菌優(yōu)勢菌門。本研究中，共作使土壤變形菌門、酸桿菌門和綠彎菌門相對豐度分別增加了6.42%、1.16%和1.79%。變形菌門是一種嗜營養(yǎng)菌，可分解有機物和促進植物的生長發(fā)育[27]，共作組中較高的有機質(zhì)含量為其提供了充足的代謝底物，促進了其生長繁殖，有利于豐度的增加；酸桿菌門作為一類可分解某些難降解的碳源和植物殘體多聚物的寡營養(yǎng)菌群[28]，相對豐度在土壤養(yǎng)分含量高的共作組中反而表現(xiàn)出較高趨勢，這可能與共作組中較低的土壤pH值促進了酸桿菌的生長繁殖，使其相對豐度增加，有益于促進土壤中現(xiàn)有碳源的分解相關(guān)；綠彎菌門可依靠光合作用適應環(huán)境的變化，因此稻鱉共作有利于植物光合作用的進行，促進稻田的生長發(fā)育。另外，擬桿菌門作為水稻單作土壤中的關(guān)鍵菌群，相對豐度在共作處理中顯著降低，這與本研究物種相對豐度結(jié)果是一致的。研究表明，擬桿菌門相對豐度與土壤鹽分含量相關(guān)[29]，因此共作組中其相對豐度的降低可能與該研究地土壤鹽分含量有關(guān)，對于這一結(jié)果的分析需進一步深入研究。真菌門水平上，子囊菌門、擔子菌門和羅茲菌門為主要的真菌門類，這與廖詠梅等[30]的研究結(jié)果相似。子囊菌門以腐生菌為主，喜好透氣性好的土壤環(huán)境，有較強的有機質(zhì)降解能力[31]，是土壤養(yǎng)分循環(huán)的主要驅(qū)動力。本研究中，稻鱉共作使子囊菌門和羅茲菌門的相對豐度分別增加了0.44%和2.96%，而擔子菌門相對豐度降低了0.22%。與水稻單作相比，稻鱉共作對土壤的擾動程度更大，較強的土壤透氣性為子囊菌和羅茲菌門的生長發(fā)育提供了更適宜的生存環(huán)境，有利于其利用降解的植物殘體等促進菌群的快速生長繁殖；而擔子菌門的相對豐度卻呈相反的變化趨勢，這可能與共生后的土壤環(huán)境改變相關(guān)。

網(wǎng)絡共線分析是評價微生物相互作用的有效工具，廣泛應用于構(gòu)建不同生境下的微生物共生網(wǎng)絡，其拓撲特性是評價微生物群落穩(wěn)定性和多樣性的良好指標[32]。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤細菌網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)、連接度和平均連通度均高于真菌群落，表明細菌網(wǎng)絡比真菌網(wǎng)絡更復雜，細菌在稻田土壤微生物相互作用過程中更占優(yōu)勢，這與Li等[33]的觀點一致。細菌共生網(wǎng)絡中，共作模式下的網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)、連接數(shù)和平均度均大于單作土壤，表明共作增強了土壤細菌網(wǎng)絡規(guī)模和微生物間的相互作用，這可能是由于共作的土壤細菌群落間形成了特殊的共生體，群落穩(wěn)定性和抗脅迫能力增強[34]，進一步加強了其在共生模式下的生存能力。真菌共生網(wǎng)絡中，共作處理降低了網(wǎng)絡規(guī)模大小，但增強了微生物群落間的正相關(guān)關(guān)系，微生物間的聯(lián)系更復雜，表明共作模式顯著增強了土壤真菌群落間的協(xié)同合作關(guān)系，這有利于土壤養(yǎng)分的有效利用。

4 結(jié) 論

通過研究稻鱉共作模式對稻田土壤養(yǎng)分和微生物群落結(jié)構(gòu)的影響，有以下主要發(fā)現(xiàn)：

1）稻鱉共作模式有利于提升土壤肥力。與水稻單作相比，稻鱉共作使土壤有機質(zhì)、總鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀含量等指標分別顯著提高了17.82%、15.15%、13.80%、37.37%和21.57%。

2）稻鱉共作有利于提高土壤真菌群落微生物豐富度。與水稻單作相比，稻鱉共作使真菌群落ACE指數(shù)和Chao指數(shù)分別顯著提高了7.70%和7.90%（<0.05）。

3）變形菌門、酸桿菌門和脫硫菌門為細菌優(yōu)勢菌門，子囊菌門、擔子菌門和羅茲菌門為真菌優(yōu)勢菌門。稻鱉共作增加了變形菌門、酸桿菌門、子囊菌門和羅茲菌門的相對豐度，降低了擔子菌門和脫硫菌門的相對豐度。

4）稻鱉共作改變了土壤微生物間的相互作用模式。共作增加了土壤細菌群落的網(wǎng)絡規(guī)模和群落聯(lián)系，減小了真菌群落的規(guī)模大小，但加強了群落間的協(xié)同合作。

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Response characteristics of soil microbial communities in paddy fields to rice-turtle integrated system

Xiao Liting1, Yang Huilin1, Lai Zheng1,2, Lai Sheng1, Ni Caiying2, Chen Xiaoling2,3, Jian Minfei1,2※

(1.,,330022,;2.,,330022,;3.,,,430079,)

Rice-turtle integrated system refers to a green, efficient and ecological breeding technology in modern agriculture. In the multiple species coexistence system, the turtles take the field pests and weeds as the food, while the rice absorbs the residues and excrement as the organic fertilizers in the paddy fields. Among them, the soil microorganisms can greatly contribute to the biodiversity of ecosystem functions and nutrient cycling in agroecosystems. However, only a few studies were focused on the effects of rice-turtle mixed cropping on the soil microbial community structure and functional characteristics, together with the driving factors. In this study, a systematic analysis was implemented to determine the response characteristics of soil bacterial-fungal community structure and diversity to the rice cultivation system using Illumina high-throughput sequencing. The correlation analysis was also obtained between soil physical/chemical properties and microbial community structure. The results showed that: 1) The Rice-Turtle Integrated system (RT) was beneficial to promote the soil nutrient contents and fertility. Specifically, the contents of Soil Organic Matter (SOM), Total Potassium (TK), Alkali-hydrolyzed Nitrogen (AN), Available Phosphorus (AP), and Available Potassium (AK) in the soil significantly increased by 17.82%, 15.15%, 13.80%, 37.37%, and 21.57% under the RT (<0.05), compared with the Rice Monoculture system (RM). 2) The soil microbial richness and diversity were improved to change the microbial community structure in the RT. In the soil bacterial community, the Abundance-based coverage estimators (ACE), Chao1, Simpson, and Shannon indexes increased by 2.53%, 1.98%, 1.01%, and 1.76%, respectively. In the fungal community, the ACE, Chao1, and Shannon indexes increased by 7.70%, 7.90%, and 4.89%, respectively. At the same time, the relative abundance of Proteobacteria, Acidobacteriota, Chloroflexi, Ascomycota, and Rozellomycota increased by 6.42%, 1.16%, 1.79%, 0.44%, and 2.96%, respectively. By contrast, the abundance ofDesulfobacterota, Crenarchaeota, Basidiomycota, Chytridiomycota, and Mortierellomycota decreased by 3.68%, 6.46%, 0.22%, 2.52%, and 1.26%, respectively. 3) Microbial molecular ecological networks were used to intuitively demonstrate the complex ecological interactions among microorganisms and their responses to environmental changes. The topological structure, modularity, and network composition were then selected to better reflect the relationship between the microbial community and the niche functions. The network analysis showed that the co-cropping system was strengthened the relationship between communities, leading to the high complexity of microbial network with the total number of nodes and edges, the average clustering number, as well as the modularity of bacterial microbial network. Nevertheless, the number of nodes decreased in the fungal microbial network, whereas there was an increase in the number of edges and positive interacting microorganisms, indicating the enhanced collaboration among microorganisms. 4) The redundancy analysis showed that the different soil physical and chemical properties posed the different effects on the dominant genera of microbial communities. The contents of SOM, TK, and AK were the main environmental factors on the bacterial community structure, whereas, the TK, AK, and AP contents were dominated the fungi community. In conclusion, the rice-turtle integrated system can be expected to enhance the soil fertility, the soil microbial community, the microbial richness, and the closer relationship between microbial communities. This finding can also provide an important scientific basis to explore the reasonable cultivation mode in paddy fields.

soils; microbiome; rice-turtle integrated system; community characteristics

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.24.011

S154.3

A

1002-6819(2022)-24-0102-08

肖力婷，楊慧林，賴政，等. 稻田土壤微生物群落對稻鱉共作模式的響應特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2022，38(24)：102-109.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.24.011 http://www.tcsae.org

Xiao Liting, Yang Huilin, Lai Zheng, et al. Response characteristics of soil microbial communities in paddy fields to rice-turtle integrated system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(24): 102-109. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.24.011 http://www.tcsae.org

2022-09-26

2022-12-12

國家自然科學基金項目（42167006，32260016）；江西省地質(zhì)局科技研究項目（2022JXDZKJKY05）

肖力婷，研究方向為土壤微生物。Email：xiaolt014726@163.com

簡敏菲，博士，教授，博士生導師，研究方向為濕地生態(tài)學與污染生態(tài)學。Email：jianminfei0914@163.com