粉壟耕作木薯根際與非根際土壤的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)多樣性差異

覃鋒燕，楊慰賢，彭曉輝，黎亮武，陽(yáng)太億，周 佳，韋茂貴，3，申章佑

(1.廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院，南寧 530004；2.廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所，南寧 530007；3.廣西高校作物栽培學(xué)與耕作學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣西大學(xué)，南寧 530004)

【研究意義】耕作方式通過(guò)改變土壤理化性質(zhì)及土壤微生物群落多樣性和數(shù)量，影響作物對(duì)養(yǎng)分的吸收和利用，最終表現(xiàn)為作物產(chǎn)量存在差異[1-3]。不同耕作方式對(duì)土壤理化性質(zhì)和微生物特性的影響存在差異，松耕使土壤養(yǎng)分從表層向深層土壤轉(zhuǎn)移，深翻可顯著提高土壤酶活性、微生物數(shù)量、微生物量碳和氮[4-5]。粉壟耕作是一種新型耕作技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)全耕層深耕深松，有效加深耕作層、均勻細(xì)碎土壤、提高土壤透氣性及保水蓄水能力，促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)、增加產(chǎn)量及改善品質(zhì)[6-7]。此外，土壤微生物作為土壤最活躍的部分，參與土壤有機(jī)殘?bào)w的分解與養(yǎng)分循環(huán)，在生態(tài)系統(tǒng)植物多樣性和生產(chǎn)力方面發(fā)揮關(guān)鍵作用[8]。土壤細(xì)菌作為土壤微生物的重要組成部分，通過(guò)參與土壤環(huán)境中有機(jī)殘?bào)w的分解和轉(zhuǎn)化過(guò)程，合成腐殖質(zhì)，釋放養(yǎng)分，從而調(diào)節(jié)土壤結(jié)構(gòu)與肥力的穩(wěn)定性，促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育[9]。我國(guó)木薯主要種植在南方黃紅壤地區(qū)，土壤耕層淺薄，加上連作障礙及干旱的雙重脅迫[10]，土壤板結(jié)程度逐年加重，但前期通過(guò)粉壟技術(shù)栽培的木薯，在減量施肥條件下仍能增產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增效[11]。因此，揭示粉壟木薯的增產(chǎn)機(jī)制，優(yōu)化現(xiàn)有木薯耕作方式，對(duì)助力木薯產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】張薇等[12]、鐘文輝和蔡祖聰[13]、Vitali等[14]研究認(rèn)為，植物群落、土壤類型、耕作措施和土壤理化性質(zhì)可影響土壤微生物的多樣性。近年來(lái)關(guān)于耕作方式的研究主要集中在免耕、深松深耕和翻耕等耕作類型[15-17]，其中，免耕、秸稈還田和深松深耕等保護(hù)性耕作措施通過(guò)改善土壤質(zhì)地及促進(jìn)土壤碳氮轉(zhuǎn)化而增加土壤微生物數(shù)量和微生物量碳，在減少碳素虧損的同時(shí)提高土壤脲酶活性，從而提高土壤肥力[18-19]；在免耕措施下，土壤的微生物多樣性、豐富度和均勻度指數(shù)與撂荒方式相近，但均高于翻耕和旋耕方式[20]。免耕覆蓋和深松免耕覆蓋均可明顯影響土壤微生物數(shù)量和微生物量，即使不改變土壤微生物的組成和種類，仍影響其相對(duì)豐度[21]。水稻粉壟耕作可在短時(shí)間內(nèi)改變水稻根際土壤細(xì)菌群落多樣性，其中，變形菌門和浮霉菌門的相對(duì)豐度均表現(xiàn)為粉壟高于免耕和旋耕[22-23]。粉壟耕作相對(duì)于旋耕處理能提高小麥成熟期潮土土壤的速效鉀含量，顯著降低土壤堿解氮、有效磷和有機(jī)質(zhì)含量[24]，而速效氮、速效鉀和土壤pH等理化性質(zhì)是影響土壤細(xì)菌多樣性和豐度的主要因子，其中速效氮和速效鉀含量與Shannon和Chao1指數(shù)呈顯著相關(guān)，土壤pH影響放線菌門和擬桿菌門的相對(duì)豐度[25]。相對(duì)于常規(guī)耕作方式，粉壟耕作可有效提高土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性，從而改變土壤化學(xué)性質(zhì)，改善土壤微生物生存的微環(huán)境[26]。可見(jiàn)，由于土壤類型、植物類型和耕作制度等因素的影響，不同耕作方式對(duì)土壤微生物數(shù)量、微生物量碳和氮及群落多樣性的影響效果不同。【本研究切入點(diǎn)】目前，關(guān)于粉壟耕作應(yīng)用于旱地作物的研究大多集中在其對(duì)作物增產(chǎn)提質(zhì)及土壤理化性質(zhì)優(yōu)化方面[27-28]，也有研究課探討了粉壟耕作對(duì)木薯非根際土壤細(xì)菌群落多樣性的影響[29]，但粉壟耕作對(duì)木薯根際細(xì)菌群落影響的研究未見(jiàn)報(bào)道。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以常規(guī)耕作為對(duì)照，利用高通量測(cè)序技術(shù)和生物信息學(xué)手段，分析粉壟耕作對(duì)木薯根際和非根際土壤理化性質(zhì)及細(xì)菌群落多樣性的影響，為闡釋粉壟耕作對(duì)木薯地細(xì)菌群落多樣性的形成機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)，也為粉壟耕作技術(shù)的推廣提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2019年4—12月在廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院武鳴里建試驗(yàn)基地(東經(jīng)107°49′26″，北緯22°59′58″)進(jìn)行。耕作前采集耕作層(0～20 cm)土壤，測(cè)定其pH為6.24，有機(jī)質(zhì)含量為17.23 g/kg，堿解氮含量為60.38 mg/kg，速效磷含量為45.09 mg/kg，速效鉀含量為42.17 mg/kg[30]。

1.2 試驗(yàn)材料

供試木薯品種為廣西主栽品種華南205(中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院選育)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 設(shè)常規(guī)耕作和粉壟耕作兩個(gè)不同耕作方式處理，其中，常規(guī)耕作地塊先犁地(深30～35 cm)，再使用紐荷蘭牌110馬力拖拉機(jī)臥式旋耕耙兩輪，耙地深度15～18 cm；粉壟耕作地塊直接使用廣西五豐機(jī)械公司的LG-125型自走式粉壟機(jī)，一次完成全土層土壤粉碎并形成小平壟，耕作深度30～35 cm。每個(gè)耕作田塊里劃分為24個(gè)70 m2的試驗(yàn)小區(qū)(5 m ×14 m)，隨機(jī)挑選4個(gè)小區(qū)作為重復(fù)。

木薯于2019年4月16日種植，種莖長(zhǎng)約15 cm，株行距1 m × 1 m。木薯整個(gè)生育期的N、P2O5和K2O施用量分別為358.80、89.10和187.50 kg/hm2，其中，于植后60 d撒施60%，植后120 d撒施40%。施肥后用薄土覆蓋，試驗(yàn)期間無(wú)人工灌水。除耕作方式不同外，兩個(gè)耕作處理的其他田間管理措施一致。

1.3.2 土壤樣品采集與處理 前期研究發(fā)現(xiàn)，木薯地在7月的溫室氣體排放通量最高[30]，故土壤樣品采集安排在木薯塊根形成期(植后90 d)進(jìn)行。根際土壤采集：每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選擇3株木薯，挖出完整的塊根，抖去大塊土壤，采用抖根法采集根系上的土壤。非根際土壤采集：各小區(qū)在離木薯根際0.5 m處按S形隨機(jī)選5個(gè)點(diǎn)，分別用取土器采集0～20 cm深的土樣，混勻后作為該小區(qū)非根際土樣。土壤樣品分別置于塑料薄膜上，剔除植物殘?bào)w、石礫及其他雜物，混勻后用四分法將土壤樣品分為3份：1份立即用液氮速凍，放入冰盒中保存帶回實(shí)驗(yàn)室于-80 ℃條件下保存，用于測(cè)定土壤微生物群落多樣性；另1份做好標(biāo)記，帶回實(shí)驗(yàn)室于冰箱4 ℃保存，用于測(cè)定土壤酶活性；最后1份置于寫(xiě)好標(biāo)簽的自封袋內(nèi)，常溫保存帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干后磨碎過(guò)篩，用于測(cè)定土壤理化性質(zhì)。

1.3.3 土壤理化性質(zhì)及酶活性測(cè)定 土壤pH采用酸度計(jì)法測(cè)定(雷磁pHS-2F，上海)，有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定[31]，堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定[32]，土壤速效磷含量使用鉬酸比色法測(cè)定，土壤速效鉀含量采用NH4OAc浸提火焰光度計(jì)測(cè)定[33]；土壤脲酶活性采用苯酚—次氯酸鈉比色法測(cè)定[34]，過(guò)氧化氫酶活性采用紫外分光光度法測(cè)定[35]，亞硝酸還原酶[36]和硝酸還原酶活性[37][]采用紫外分光光度法測(cè)定。

1.3.4 土壤微生物高通量測(cè)序及生物信息學(xué)分析 委托上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司利用Illumina MiSeq平臺(tái)進(jìn)行土壤樣品高通量測(cè)序。使用FastDNA?Spin Kit for Soil試劑盒(MP biomedicals，USA)提取土壤基因組DNA，以NanoDrop2000檢測(cè)DNA濃度和純度，1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)DNA提取質(zhì)量。使用特異引物338F(5’-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3’)和806R(5’-GGACTACHVGGG TWTCTAAT-3’)對(duì)16S rRNA序列的V3～V4可變區(qū)進(jìn)行PCR擴(kuò)增。PCR擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)2%瓊脂糖凝膠回收，用AxyPrep DNA Gel Extraction Kit(Axygen biosciences，Union City，CA，USA)進(jìn)行純化，進(jìn)行2%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)后，再用QuantusTMFluorometer(Promega，USA)進(jìn)行定量檢測(cè)。使用NEXTFLEX Rapid DNA-Seq Kit試劑盒(Bioo scientific，USA)構(gòu)建文庫(kù)。利用Illumina MiSeq PE300平臺(tái)測(cè)序后，原始數(shù)據(jù)上傳至NCBI SRA數(shù)據(jù)庫(kù)(登錄號(hào)PRJNA783658，樣品序列號(hào)SRR17038929-SRR17038944)。

原始測(cè)序序列質(zhì)控和拼接分別使用Trimmomatic(version 0.32)和FLASH(version 1.2.11)，使用UPARSE Version 7.1將序列在97%相似度下進(jìn)行分類操作單元(OTU)聚類。基于Silva數(shù)據(jù)庫(kù)，將篩選后的非嵌合序列在RDP classifier(http://rdp.cme.msu.edu/)進(jìn)行物種分類注釋，設(shè)置比對(duì)閾值為70%。

利用Past 3.0(http://fold.uio.no/ohammer/past)計(jì)算各樣品的OTU豐富度，利用Mothur Version 1.30.2對(duì)OTU進(jìn)行Alpha多樣性分析。主成分分析(PCA)、置換多因素方差分析(PERMANOVA)、冗余分析(RDA)，使用R(version 3.3.1)vegan制圖，以stats和python的scipy進(jìn)行組間差異顯著性檢驗(yàn)。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與圖表制作，以SPSS 20.0進(jìn)行方差分析、相關(guān)分析和差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作方式對(duì)木薯根際和非根際土壤養(yǎng)分含量和酶活性的影響

由表1可知，粉壟耕作木薯非根際和根際土壤的pH和有機(jī)質(zhì)含量均顯著高于常規(guī)耕作土壤(P<0.05，下同)；粉壟耕作非根際的土壤速效鉀含量顯著高于常規(guī)耕作的非根際土壤，根際土的土壤速效鉀含量高于常規(guī)耕作的根際土壤，但差異不顯著(P>0.05，下同)；兩種耕作方式的土壤堿解氮含量間及有效磷含量間均無(wú)顯著差異；除常規(guī)耕作根際與非根際的土壤脲酶活性間差異顯著外，其他酶活性間均無(wú)顯著差異。說(shuō)明不同耕作處理木薯根際與非根際土壤的養(yǎng)分含量和酶活性存在差異。

表1 不同耕作處理對(duì)木薯根際和非根際土壤養(yǎng)分含量及酶活性的影響

2.2 不同耕作處理對(duì)木薯根際和非根際土壤細(xì)菌群落多樣性的影響

2.2.1 對(duì)α多樣性的影響 由表2可知，木薯根際土壤與非根際土壤間細(xì)菌群落的α多樣性存在極顯著差異(P<0.01，下同)，土壤類型×耕作方式互作也顯著影響其細(xì)菌群落的α多樣性，而2種耕作方式木薯根際土壤與非根際土壤間細(xì)菌群落的α多樣性無(wú)顯著差異。從圖1也可看出，木薯根際土壤細(xì)菌群落的α多樣性顯著高于非根際土壤。由表3可知，各耕作方式的文庫(kù)覆蓋率均超過(guò)95.00%，計(jì)算各處理細(xì)菌群落的多樣性指數(shù)(Shannon和Simpson指數(shù))及群落豐富度指數(shù)(Chao1和Ace指數(shù))，結(jié)果表明，常規(guī)耕作非根際土壤的Shannon指數(shù)大于根際土壤，但差異不顯著，而粉壟耕作非根際土壤的Shannon指數(shù)小于根際土壤，說(shuō)明常規(guī)耕作非根際土壤的細(xì)菌群落多樣性大于根際土壤，而粉壟耕作根際土壤細(xì)菌群落的多樣性大于非根際土壤；2種耕作方式根際土壤的Ace和Chao1指數(shù)均大于非根際土壤，但無(wú)顯著差異，說(shuō)明木薯根際土壤的細(xì)菌群落較非根際土壤豐富。

表2 各土壤樣本OTU豐富度的方差分析

表3 不同耕作處理木薯根際土壤和非根際土壤細(xì)菌的α多樣性指數(shù)比較

不同小寫(xiě)字母表示根際與非根際間各土壤樣本OTU豐富度差異顯著

2.2.2 對(duì)β多樣性的影響 從圖2可看出，非根際土壤的主成分分析結(jié)果表明，第一主成分(PC1)可解釋總方差的58.21%，可能是因粉壟耕作方式中個(gè)別重復(fù)肥力差異較大引起；第二主成分(PC2)將2種耕作方式分別劃分到正、負(fù)2個(gè)方向，可解釋總方差的16.66%，可認(rèn)定為耕作方式不同引起的差異(圖2-A)；根際土壤的主成分分析結(jié)果顯示，不考慮離群樣本，第二主成分(PC2)將2個(gè)耕作方式分成2個(gè)群體，可解釋總方差的26.87%，可認(rèn)定為耕作方式不同引起的差異(圖2-B)。

A：非根際土壤；B：根際土壤。圖5和圖6同

基于細(xì)菌菌落半度量距離(Bray-Curtis)和未加權(quán)的Unifrac距離，使用PERMANOVA方法，分別計(jì)算單個(gè)因素對(duì)細(xì)菌群落變化的貢獻(xiàn)。由表4可知，在Bray-Curtis算法中，耕作方式是影響土壤細(xì)菌群落分類和系統(tǒng)發(fā)育β多樣性差異的主要因素，土壤類型對(duì)β多樣性差異的影響不顯著；在未加權(quán)的Unifrac算法中，土壤類型和耕作方式對(duì)土壤細(xì)菌群落分類和系統(tǒng)發(fā)育β多樣性差異均具有顯著影響。

表4 基于Bray-Curtis和Unweighted unifrac距離的PERMANOVA分析

2.3 不同耕作方式對(duì)木薯根際和非根際土細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響

2.3.1 對(duì)細(xì)菌群落組成的影響 從圖3可看出，不同耕作方式木薯根際和非根際土壤的細(xì)菌門水平和綱水平群落結(jié)構(gòu)組成基本相同；所有土壤樣品中均主要含放線菌門(Actinobacteriota)、變形菌門(Proteobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)、厚壁菌門(Firmicutes)、酸桿菌門(Acidobacteriota)、芽單胞菌門(Gemmatimonadota)、Myxococcota、Methylomirabilota、擬桿菌門(Bacteroidota)、浮霉菌門(Planctomycetota)、硝化螺旋菌門(Nitrospirota)、藍(lán)藻門(Cyanobacteria)和疣微菌門(Verrucomicrobiota)等。其中，占主導(dǎo)地位的細(xì)菌類群有放線菌門(占比20.03%～21.45%)、變形菌門(占比18.13%～21.70%)、綠彎菌門(占比15.92%～16.73%)、厚壁菌門(占比8.68%～14.08%)和酸桿菌門(占比9.59%～13.29%)，占總相對(duì)豐度的79.89%～81.38%；2種耕作方式非根際土壤放線菌門、綠彎菌門、酸桿菌門和芽單胞菌門的相對(duì)豐度均大于根際土壤；粉壟耕作方式根際土壤變形菌門的相對(duì)豐度大于非根際土壤，非根際土壤后壁菌門的相對(duì)豐度大于根際土壤，而常規(guī)耕作方式與粉壟耕作方式相反。在綱分類水平，α-變形菌綱(Alphaproteobacteria)、放線菌綱(Actinobacteria)、芽孢桿菌綱(Bacilli)和γ-變形菌綱(Gammaproteobacteria)為土壤細(xì)菌的主要優(yōu)勢(shì)菌群(圖4)。其中，粉壟耕作方式根際土壤α-變形菌綱的相對(duì)豐度大于非根際土壤，而常規(guī)耕作方式相反；放線菌綱的相對(duì)豐度在粉壟耕作方式中是根際土壤小于非根際土壤，在常規(guī)耕作中為根際土壤大于非根際土壤；2種耕作方式土壤芽孢桿菌綱和γ-變形菌綱的相對(duì)豐度均以根際土壤大于非根際土壤。綜上所述，根際土壤與非根際土壤細(xì)菌在門和綱水平的群落組成基本相同，但其細(xì)菌群落的相對(duì)豐度存在差異。

圖3 2種耕作處理木薯根際土壤和非根際土壤細(xì)菌群落的門水平組成

圖4 2種耕作處理木薯根際土壤和非根際土壤細(xì)菌群落綱水平的聚類分析熱圖

2.3.2 細(xì)菌群落組成差異分析 從常規(guī)耕作和粉壟耕作木薯根際土壤和非根際土壤的細(xì)菌群落中選取相對(duì)豐度均存在顯著或極顯著差異排名前10位的OTUs進(jìn)行細(xì)菌群落組成差異分析，結(jié)果(圖5)表明，常規(guī)耕作方式木薯根際土壤和非根際土壤細(xì)菌群落的OTUs被分類為黃色桿菌科(OTU3214)、芽單胞菌科(OTU2248)、硝化螺旋菌屬(OTU6678)、苯基桿菌屬(OTU8035)、Azohydromonas屬(OTU4105)、假諾卡氏菌屬(OTU9628)、TK10綱(OTU476)、Gaiellales目(OTU6143)、酸桿菌目(OTU7972)和Conexibacter屬(OTU5869，分別屬于變形菌門、芽單胞菌門、硝化螺旋菌門、放線菌門和綠彎菌門(圖5-A)，其中，OTU8035、OTU4105、OTU9628、OTU7972和OTU5869占主導(dǎo)地位，且在細(xì)菌群落組成中均顯著或極顯著高于非根際土壤；從圖5-B可看出，粉壟耕作方式木薯根際土壤和非根際土壤細(xì)菌群落的OTUs被分類為芽孢桿菌屬(OTU7337)、鞘氨醇單胞菌屬(OTU350)、芽單胞菌屬(OTU3052)、亞硝化螺菌屬(OTU4016)、IMCC26256目(OTU9034)、Ellin6067屬(OTU6431)、Vicinamibacteraceae科(OTU6922)、A21b科(OTU7905)、馬賽菌屬(OTU7179和梭狀芽孢桿菌屬(OTU2218)，分別屬于厚壁菌門、變形菌門、芽單胞菌門和放線菌門，其中，OTU7337、OTU3052、OTU9034、OTU6431、OTU7905和OTU7179占主導(dǎo)地位，且在細(xì)菌群落組成中均顯著或極顯著高于非根際土壤。可見(jiàn)，常規(guī)耕作木薯根際土壤細(xì)菌群落組成排名前10位的OTUs中有5個(gè)顯著高于非根際土壤，粉壟耕作木薯根際土壤細(xì)菌群落組成排名前10位的OTUs中有6個(gè)顯著或極顯著高于非根際土壤。

圖5 2種耕作處理木薯根際和非根際土壤細(xì)菌群落中相對(duì)豐度存在顯著或極顯著差異排名前10位的OTUs差異比較

2.4 不同耕作方式對(duì)土壤養(yǎng)分含量與細(xì)菌群落組成相關(guān)性的影響

從圖6可看出，在非根際土壤中(圖6-A)，厚壁菌門與土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量、擬桿菌門與有效磷含量、浮霉菌門和Armatimonadota與硝酸還原酶活性及硝化螺旋菌門、Latescibacterota和脫硫桿菌門與亞硝酸還原酶活性分別呈顯著正相關(guān)，Methylomirabilota與有機(jī)質(zhì)含量、綠彎菌門與堿解氮含量分別呈顯著負(fù)相關(guān)；在根際土壤中(圖6-B)，硝化螺旋菌門、unclassified_k_norank_d_Bacteria和藍(lán)藻門分別與脲酶活性、過(guò)氧化氫酶活性和速效鉀含量分別呈顯著負(fù)相關(guān)，有效磷含量與浮霉菌門、綠彎菌門、疣微菌門和Latescibacterota呈顯著負(fù)相關(guān)。可見(jiàn)，土壤細(xì)菌群落組成同時(shí)受土壤理化性質(zhì)和酶活性的影響，但影響程度存在差異。

圖6 土壤樣品細(xì)菌群落相對(duì)豐度與環(huán)境因子在門水平的相關(guān)分析

從圖7可看出，豐度值靠前的5個(gè)細(xì)菌門分別為放線菌門、變形菌門、綠彎菌門、厚壁菌門和酸桿菌門，RDA1和RDA2的解釋變量分別達(dá)35.24%和20.50%；土壤有機(jī)質(zhì)含量、pH、有效磷含量、亞硝酸還原酶活性、過(guò)氧化氫酶活性與堿解氮含量是對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)影響較大的環(huán)境因子，其中，有機(jī)質(zhì)含量與pH和有效磷含量呈正相關(guān)，有機(jī)質(zhì)含量和pH是影響厚壁菌門相對(duì)豐度的原因之一，過(guò)氧化氫酶活性和有效磷含量是影響變形菌門相對(duì)豐度的主要原因，亞硝酸還原酶活性是影響酸桿菌門和綠彎菌門相對(duì)豐度的主要因素，過(guò)氧化氫酶對(duì)放線菌門相對(duì)豐度有一定影響。粉壟耕作方式土壤中厚壁菌門的相對(duì)豐度較高，主要是其較高的有機(jī)質(zhì)含量和pH影響脲酶活性；而常規(guī)耕作方式土壤中綠彎菌門和酸桿菌門的相對(duì)豐度較高，進(jìn)而提高了土壤亞硝酸還原酶活性。說(shuō)明土壤細(xì)菌群落的分布與土壤環(huán)境因子相互影響。

實(shí)線箭頭代表物種；虛線箭頭表示環(huán)境影響因子，箭頭長(zhǎng)短代表環(huán)境因子對(duì)物種數(shù)據(jù)的影響程度

對(duì)不同耕作方式的土壤細(xì)菌群落(門分類水平相對(duì)豐度大于0.1%)與理化性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果(表5)表明，有8個(gè)細(xì)菌門與土壤理化性質(zhì)呈顯著相關(guān)。其中，變形菌門與有效磷含量呈極顯著正相關(guān)；綠彎菌門與堿解氮含量和有效磷含量呈極顯著負(fù)相關(guān)、與過(guò)氧化氫酶活性呈顯著負(fù)相關(guān)；厚壁菌門與pH呈顯著正相關(guān)、與有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)；酸桿菌門與硝酸還原酶活性呈顯著正相關(guān)；Methylomirabilota與有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著負(fù)相關(guān)；硝化螺旋菌門與脲酶活性呈顯著負(fù)相關(guān)、與亞硝酸還原酶活性呈顯著正相關(guān)；藍(lán)藻門與脲酶活性呈顯著正相關(guān)。說(shuō)明對(duì)細(xì)菌群落影響較大的環(huán)境因子為有機(jī)質(zhì)含量、有效磷含量和脲酶活性，而影響最小的因子為速效鉀含量。

表5 不同耕作處理木薯土壤細(xì)菌主要菌群與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)分析結(jié)果

3 討 論

粉壟耕作通過(guò)深耕深松土壤但土層不變的方式，保留原耕作層和犁底層的良好結(jié)構(gòu)，具有更好的協(xié)調(diào)土壤水肥氣熱作用，可減少木薯受旱受漬機(jī)率[30]。本研究中，粉壟耕作木薯根際土壤的pH、有機(jī)質(zhì)含量和有效磷含量均大于非根際土壤，而常規(guī)耕作木薯根際土壤的pH、有機(jī)質(zhì)含量和有效磷含量均小于非根際土壤，可能是因?yàn)樵谀臼硗⑸L(zhǎng)的7月降水量較大，粉壟耕作的土壤疏松有利于雨水下滲，木薯未受逆境脅迫，而常規(guī)耕作方式的耕作層土壤濕度明顯高于粉壟耕作，土壤水分出現(xiàn)過(guò)飽和現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致木薯受逆境脅迫，誘導(dǎo)根系分泌物有機(jī)碳和有機(jī)酸，與前人關(guān)于冠麥草在受澇害脅迫時(shí)分泌有機(jī)酸的研究結(jié)果一致[38]。土壤酶活性可反映土壤各種生物化學(xué)過(guò)程，是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一[39]。本研究中，除常規(guī)耕作木薯的根際土壤脲酶活性顯著高于非根際土壤外，2種耕作方式的其他幾種酶活性在非根際土壤與根際土壤間均無(wú)顯著差異，可能與常規(guī)耕作木薯處于水分脅迫下分泌更多的有機(jī)酸和氨基酸，引起木薯根際土壤脲酶活性變高有關(guān)，與Schlute等[40]、趙寬等[41]的研究結(jié)果一致。

土壤微生物參與并主導(dǎo)土壤生態(tài)系統(tǒng)的一系列活動(dòng)，維持土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[42]。本研究結(jié)果表明，木薯根際土壤細(xì)菌群落的α多樣性顯著高于非根際土壤，而粉壟耕作和常規(guī)耕作方式木薯根際土壤細(xì)菌群落間的α多樣性間差異不顯著，與高晶晶等[43]、李麗娜等[44]的研究結(jié)果一致，說(shuō)明土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的多樣性和豐富度差異主要受木薯根系分泌物影響，耕作方式的影響效應(yīng)較小。本研究PERMANOVA分析結(jié)果表明，土壤細(xì)菌群落β多樣性受耕作因子影響顯著，基于未加權(quán)Unifrac距離的PERMANOVA分析結(jié)果也顯示，非根際土壤和根際土壤細(xì)菌群落β多樣性具有顯著差異，與Griffiths和Philippot[45]的研究結(jié)果相似，說(shuō)明常規(guī)耕作對(duì)木薯土壤耕層的擾動(dòng)完全破壞了土壤耕作層，而粉壟耕作通過(guò)不改變土層的方式深耕深松土壤，仍保留原耕作層的結(jié)構(gòu)，因此，耕作方式對(duì)土壤細(xì)菌群落系統(tǒng)發(fā)育β多樣性的影響存在差異。

本研究中，2種耕作方式木薯根際土壤與非根際土壤的優(yōu)勢(shì)菌門均為放線菌門、變形菌門、綠彎菌門、厚壁菌門和酸桿菌門，與張貴云等[21]對(duì)旱地麥田、周佳等[23]對(duì)水稻根際土細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果相似；粉壟耕作方式木薯根際土壤中厚壁菌門芽孢桿菌屬(OTU7337)、芽單胞菌門芽單胞菌屬(OTU3052)、放線菌門IMCC26256目(OTU9034)及變形菌門Ellin6067屬(OTU6431)、A21b科(OTU7905)和馬賽菌屬(OTU7179)的相對(duì)豐度顯著大于非根際土壤，結(jié)合微生物主要菌群與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)分析和RDA分析結(jié)果推測(cè)，可能與粉壟耕作可減輕木薯澇害，減少根際分泌物有機(jī)酸的產(chǎn)生，從而促使木薯根際土壤pH、有機(jī)質(zhì)含量和有效磷含量增加有關(guān)[21]。芽孢桿菌屬中有很多能降解土壤中苯酚類和酚酸類有毒物質(zhì)且具有拮抗病原菌活性的益生菌，能改善植物根際生態(tài)環(huán)境，增強(qiáng)對(duì)外界環(huán)境的適應(yīng)和抵御能力[46]，可能也是粉壟耕作中根際土壤的芽孢桿菌屬顯著高于非根際土壤的原因。本研究還發(fā)現(xiàn)，常規(guī)耕作和粉壟耕作木薯非根際土壤酸桿菌門的相對(duì)豐度均高于根際土壤，與柳春林等[47]得出酸桿菌門是具有嗜酸特點(diǎn)的一類細(xì)菌，酸性土壤環(huán)境有利于其代謝活動(dòng)的觀點(diǎn)一致。

木薯塊根形成期正值夏季，雨水較多，而木薯忌漬，土壤中過(guò)多的水分會(huì)對(duì)木薯產(chǎn)生澇害脅迫。粉壟耕作可長(zhǎng)時(shí)間保持土壤疏松，有利于雨水下滲，可避免或有效減輕木薯在塊根形成期遭受澇害脅迫。本研究發(fā)現(xiàn)，在木薯非根際土壤中，有機(jī)質(zhì)含量、亞硝酸還原酶活性和硝酸還原酶活性對(duì)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響較大；在木薯根際土壤中，有效磷含量對(duì)土壤各細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響最大；RDA分析結(jié)果表明各細(xì)菌群落與環(huán)境因子間關(guān)系不盡相同，放線菌門的相對(duì)豐度與有機(jī)質(zhì)含量和pH呈負(fù)相關(guān)，與有效磷含量、堿解氮含量和過(guò)氧化氫酶活性呈正相關(guān)，與Juhnke等[48]的研究結(jié)果存在差異，可能是由于植物類型及土壤質(zhì)地不同所引起；綠彎菌門與pH、有效磷含量和堿解氮含量呈負(fù)相關(guān)，與Kim等[49]的研究結(jié)果一致；厚壁菌門與有機(jī)質(zhì)含量、有效磷含量和堿解氮含量呈正相關(guān)，可能與粉壟耕作可優(yōu)化土壤物理結(jié)構(gòu)、提高土壤有機(jī)質(zhì)含量[50]，進(jìn)而提高厚壁菌門的相對(duì)豐度有關(guān)；酸桿菌門的相對(duì)豐度與有機(jī)質(zhì)含量、pH、有效磷含量和堿解氮含量呈負(fù)相關(guān)，與Lauber等[51]發(fā)現(xiàn)酸桿菌門和放線菌門的相對(duì)豐度隨著pH的升高而降低的研究結(jié)果相似。

4 結(jié) 論

木薯粉壟耕作通過(guò)改善土壤耕作層物理結(jié)構(gòu)，減少木薯逆境脅迫，使其根際土壤的pH、有機(jī)質(zhì)含量、有效磷含量和速效鉀含量大于非根際土壤，進(jìn)而引起根際土壤細(xì)菌群落多樣性和豐富度均大于非根際土壤，其中根際土壤細(xì)菌群落的α多樣性顯著高于非根際土壤。木薯根際土壤與非根際土壤細(xì)菌群落多樣性的差異主要體現(xiàn)在細(xì)菌群落相對(duì)豐度上，根際土壤中芽孢桿菌屬、芽單胞菌屬、Ellin6067屬和馬賽菌屬的豐度顯著高于非根際土壤。