土地利用方式對(duì)紫色土全程及半程氨氧化微生物的影響
2025-04-22 00:00:00石秀麗馬瑞蔣先軍
摘要：
探討土地利用方式對(duì)紫色土全程氨氧化細(xì)菌（complete ammonia oxidizer， Comammox）、 半程氨氧化微生物中氧化古菌（ammonia-oxidizing archaea， AOA）和氨氧化細(xì)菌（ammonia-oxidizing bacteria， AOB）的影響。 在重慶紫色土區(qū)域采集林地、 旱地及水田土壤， 測(cè)定土壤硝化勢(shì)和亞硝酸鹽氧化勢(shì)， 分析土壤硝化活性； 采用定量PCR技術(shù)分析Comammox、 AOA及AOB的豐度， 通過(guò)克隆測(cè)序技術(shù)分析Comammox兩個(gè)分支 clade A和clade B的群落組成并構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)。 結(jié)果表明： Comammox與半程氨氧化微生物AOA、 AOB類似， 廣泛分布于不同土地利用方式的紫色土中。 不同土地利用方式的紫色土氨氧化微生物豐度存在差異， AOA amoA基因的豐度在林地中達(dá)到最大值， 為8.26×107拷貝數(shù)/g， 比旱地高出1個(gè)數(shù)量級(jí)； 而AOB則更適應(yīng)水田土壤環(huán)境， 其豐度達(dá)到1.38×107拷貝數(shù)/g， 分別是林地和旱地的38.4倍和3.4倍。 全程氨氧化細(xì)菌的兩個(gè)分支分別在林地和水田中達(dá)到最大豐度值， 其中clade A在林地中的豐度達(dá)到1.85×108拷貝數(shù)/g， clade B在水田中的豐度達(dá)到1.48×107拷貝數(shù)/g。 在紫色土中， 全程氨氧化細(xì)菌歸屬于Nitrospira inopinata。 Pearson相關(guān)性分析結(jié)果表明： AOB與土壤硝化勢(shì)呈極顯著正相關(guān)（p＜0.01）， clade A與硝化勢(shì)呈顯著負(fù)相關(guān)（p＜0.05）， clade B與亞硝酸鹽氧化勢(shì)呈顯著正相關(guān)（p＜0.05）， 說(shuō)明AOB和全程氨氧化細(xì)菌可能是紫色土硝化作用的主要推動(dòng)者。 綜合表明： 土地利用方式是影響紫色土全程氨氧化細(xì)菌及半程氨氧化微生物生態(tài)位分化的重要因子。
關(guān)"鍵"詞：土地利用方式； 紫色土； 硝化作用； 全程氨氧化細(xì)菌； 生態(tài)位分化
中圖分類號(hào)：S154
文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
文章編號(hào)：16739868（2025）04007010
Effects of Land Use Patterns on Complete and
Incomplete Ammonia Oxidizer of Purple Soil
SHI Xiuli1，"MA Rui2，"JIANG Xianjun2
1."College of Horticulture and Landscape Architecture， Southwest University， Chongqing 400715， China；
2."College of Resources and Environment， Southwest University， Chongqing 400715， China
Abstract：
To better understand the effects of land use patterns on ammonia oxidizers of purple soil， the abundance and activity of Comammox （complete ammonia oxidizer）， AOA （ammonia-oxidizing archaea） and AOB （ammonia-oxidizing bacteria） of purple soil from three land use patterns （upland， forest and paddy field） were investigated． Nitrification potential and nitrite oxidation potential were measured to analyze the activity of the soil ammonia oxidizers． Comammox， AOA and AOB abundances were analyzed by quantitative PCR， and the community composition of Comammox clade A and clade B was analyzed by clone sequencing and a phylogenetic tree was constructed． Results showed that similar to AOA and AOB， Comammox was widely distributed in purple soils of different land use patterns． The abundance of ammonia oxidizers in purple soil were different among land use patterns， with AOA amoA reaching a maximum abundance of 8.26×107"copies/g dry soil in forest soil， an order of magnitude higher than that of in upland soil． While AOB was better adapted to paddy field soil， with an abundance of 1.38×107"copies/g dry soil， which was 38.4 and 3.4 folds higher than that of in forest soil and upland soil， respectively． The most abundance of Comammox clade A and clade B was detected in forest and paddy field soils， respectively． The abundance of clade A and clade B reached 1.85×108"copies/g and 1.48×107"copies/g in forest land soil． Comammox detected in the soils of three land use patterns were all belonged to the Nitrospira inopinata cluster． Pearson correlation analysis showed a highly significant positive correlation between AOB and soil nitrification activity （p＜0.01）， while Comammox clade A was negatively correlated with potentials nitrification rates （p＜0.05） and Comammox clade B was positively correlated with potentials nitrite oxidation rates （p＜0.05）， implying that AOB and Comammox may play an important role in the nitrification process of purple soil． Taken together， our results indicated that land use pattern was an important factor influencing the ecological niche differentiation of complete and incomplete ammonia oxidizers in purple soil．
Key words：
land use pattern； purple soil； nitrification； complete ammonia oxidizer； niche differentiation
硝化作用是全球氮素循環(huán)的基本過(guò)程， 在土壤生態(tài)系統(tǒng)的氮素轉(zhuǎn)化過(guò)程中起著關(guān)鍵作用。 土壤中進(jìn)行的硝化作用是由微生物主導(dǎo)的兩步過(guò)程： 包括氨氧化微生物主導(dǎo)的氨氧化過(guò)程和亞硝化氧化菌主導(dǎo)的亞硝酸鹽氧化過(guò)程［1-"2］。 直到2015年， 在硝化螺菌屬譜系Ⅱ（Nitrospira lineage Ⅱ）中發(fā)現(xiàn)了具備完成氨氧化和亞硝酸鹽氧化能力的微生物， 打破了由兩種微生物來(lái)分別完成兩步硝化過(guò)程的傳統(tǒng)觀念［3］， 因此被命名為全程氨氧化細(xì)菌（complete ammonia oxidizer， Comammox）［4-5］， 只能進(jìn)行氨氧化反應(yīng)的AOA、 AOB則被稱為半程氨氧化微生物（incomplete ammonia oxidizers）［4，6］。 根據(jù)編碼氨單加氧酶基因α亞基（amoA）的系統(tǒng)發(fā)育分析， Comammox可被分為兩個(gè)分支： clade A和clade B［4， 7］， clade A則可進(jìn)一步劃分為clade A.1、 A.2和A.3［8］。 研究表明Comammox廣泛存在于土壤生態(tài)系統(tǒng)中［9-10］， 可能在土壤硝化作用中起著重要的作用， 但目前僅從水生生態(tài)系統(tǒng)中培育得到了歸屬于clade A的純培養(yǎng)物Nitrospira inopinata［4］， 尚未從土壤中獲得代表性富集物或分離物［11］， 這限制了我們對(duì)Comammox在土壤硝化作用中的理解。
環(huán)境因素是影響微生物地理分異規(guī)律的重要驅(qū)動(dòng)力［12］， 土地利用方式同時(shí)受到人為因素及環(huán)境因素的干擾， 對(duì)土壤微環(huán)境、 土壤理化性質(zhì)及棲息微生物都會(huì)造成影響［13］。 例如耕作措施、 施肥方式及水分管理等差異， 會(huì)改變土壤性質(zhì)（如土壤養(yǎng)分、 通氣狀況等）， 而土壤條件的差異則會(huì)進(jìn)一步影響硝化微生物的豐度及活性［14-15］。 稻田是一種獨(dú)特的人為水生生態(tài)系統(tǒng)， 由于施用大量的氮肥及長(zhǎng)期進(jìn)行淹水管理， 其土壤內(nèi)部通氣狀況差， 常形成缺氧環(huán)境［16］。 林地受到的人為干擾較小， 土壤養(yǎng)分含量較低。 有研究表明， 不同土地利用方式所形成的土壤環(huán)境差異推動(dòng)了參與氨氧化過(guò)程的功能微生物AOA和AOB的群落組成和生態(tài)位分化［14， 17-18］， 而不同土地利用方式下全程氨氧化細(xì)菌與半程氨氧化微生物的分布規(guī)律仍不完全清楚。 本研究選用由同一母質(zhì)發(fā)育的林地、 旱地和水田土壤作為研究對(duì)象， 分別測(cè)定其土壤的硝化活性， 通過(guò)定量PCR技術(shù)分析3種不同土地利用方式下AOA、 AOB和Comammox的菌群豐度及活性， 利用克隆測(cè)序分析Comammox群落的結(jié)構(gòu)變化， 旨在進(jìn)一步了解土地利用方式對(duì)全程氨氧化細(xì)菌及半程氨氧化微生物的影響。
1"材料與方法
1.1"研究區(qū)域概況
紫色土發(fā)育的水田及旱地土壤采自重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)國(guó)家紫色土土壤肥力與肥料效益檢測(cè)基地（30° 26′ 36″ N， 106° 26′ 33″ E）。 該區(qū)域?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)氣候， 年均溫18.2 ℃， 年均降水量1 105 mm， 供試土壤為紫色土， 由侏羅系沙溪廟組紫色泥巖風(fēng)化的殘積、 坡積物發(fā)育而成； 林地土壤采自鄰近區(qū)域相同成土母質(zhì)發(fā)育的土壤（人為干擾少）。 3種土地利用方式植被覆蓋差異： 水田主要進(jìn)行水稻—大麥輪作， 旱地以喜旱蓮子草（42%）和石龍芮（35%）為主， 林地則主要生長(zhǎng)攀倒甑（15%）及構(gòu)樹(shù)（10%）。
1.2"土壤取樣與準(zhǔn)備
土壤樣品采集于2019年5月， 在每個(gè)采樣地隨機(jī)選擇3個(gè)間隔10 m以上的5 m×5 m樣方進(jìn)行采樣， 每個(gè)采樣點(diǎn)以直徑為6.5 cm的土鉆按照5點(diǎn)取樣法采集0～20 cm深度的土壤樣品， 混合均勻后低溫保存帶回實(shí)驗(yàn)室。 土樣剔除樹(shù)根、 其他侵入體及較大石礫后分為3份， 第1份鮮土儲(chǔ)存在4 ℃冰箱中1周內(nèi)測(cè)定土壤硝化勢(shì)及亞硝酸鹽氧化勢(shì)； 第2份土樣自然風(fēng)干至不粘手時(shí)研磨通過(guò)2 mm篩， 儲(chǔ)存于-20 ℃冰箱中用于提取土壤DNA； 第3份土壤樣品完全風(fēng)干后研磨通過(guò)1 mm篩用于測(cè)定土壤基本理化性質(zhì)， 每個(gè)土壤樣品3 次重復(fù)。
1.3"土壤硝化勢(shì)及亞硝酸鹽氧化勢(shì)的測(cè)定
硝化勢(shì)是指示好氧氨氧化微生物硝化活性的重要指標(biāo)， 對(duì)土壤樣品進(jìn)行一段時(shí)間培養(yǎng)后， 測(cè)定土壤樣品中硝化過(guò)程產(chǎn)生的NO-3-N含量， 計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)單位土壤（干質(zhì)量）所形成NO-3-N的量。 具體步驟按照魯如坤［19］所述稍作修改： 將15 g新鮮土壤加入100 mL含NH+4的培養(yǎng)液中［培養(yǎng)液組成： 1.5 mL 0.2 mol/L KH2PO4、 3.5 L 0.2 mol/L K2HPO4、 15 mL 0.05 mol/L （NH4）2SO4均加入到1 L容量瓶中用純水定容］， 制備土壤懸浮液， 經(jīng)過(guò)24 h振蕩培養(yǎng)（200 r/min， 25 ℃）， NH+4被氧化為 NO-3； 分別在第2、 4、 22、 24 h采集10 mL懸浮液， 用10 mL 2 mol/L KCl溶液浸提土壤懸浮液后振蕩?kù)o置于室溫， 測(cè)定土壤中NO-3-N含量。
亞硝酸鹽氧化勢(shì)按Attard等［20］所描述的進(jìn)行： 將5 g新鮮的土壤樣品（每克干土含25μg NO-2-N）和50 mL NaNO2振蕩培養(yǎng)24 h（200 r/min， 25 ℃）， 分別在第2、 4、 22、 24、 30 h取樣， 采集4 mL土壤懸浮液， 用4 mL 2 mol/L KCl溶液浸提， 將其振蕩2 h（200 r/min， 25 ℃）后靜置30 min， 測(cè)定土壤中NO-2-N含量。 土壤NO-2-N的含量隨培養(yǎng)時(shí)間呈線性減少， 斜率即可作為土壤亞硝酸鹽氧化勢(shì)。
1.4"土壤微生物總DNA的提取
按照制造商的說(shuō)明方法， 采用Power Soil DNA Isolation Kit（MoBio Laboratories， USA）試劑盒提取土壤DNA并分別通過(guò)NanoDrop 2000分光光度法和1％瓊脂糖凝膠電泳法檢測(cè)土壤DNA的純度和完整性。
1.5"定量PCR及克隆測(cè)序
使用實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀（Quant Studio TM 6 Flex）測(cè)定AOA、 AOB、 clade A、 clade B amoA基因的拷貝數(shù)。 clade A、 clade B amoA基因的引物序列參照Pjevac等［7］所述。 實(shí)時(shí)熒光定量PCR的總反應(yīng)體系為20 μL， 包括DNA模板1 μL， 上游引物、 下游引物以及ROX Reference DyeII（50×）各0.4 μL， Taq DNA聚合酶10 μL及無(wú)菌水7.8 μL。 qPCR反應(yīng)擴(kuò)增條件與王梅等［21］描述一致， 每個(gè)樣品進(jìn)行3個(gè)生物學(xué)重復(fù)。 本研究qPCR分析的擴(kuò)增效率為96%～105%， R2值為0.996～0.999。 clade A、 clade B amoA基因克隆測(cè)序由上海凌恩生物科技有限公司完成， 每個(gè)樣品挑選50個(gè)陽(yáng)性克隆。
1.6"數(shù)據(jù)分析
利用SPSS 26.0軟件對(duì)土壤硝化勢(shì)， 亞硝酸鹽氧化勢(shì)， AOA、 AOB、 clade A、 clade B amoA基因拷貝數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析， 采用Pearson法進(jìn)行氨氧化微生物相對(duì)豐度與土壤硝化活性之間的相關(guān)性分析， 利用Origin 8.6軟件作圖。 clade A和clade B克隆測(cè)序得到的OTU序列在NCBI的GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行BLAST比對(duì)， 獲得高度相近的同源基因序列， 再采用MEGA11.0軟件在97%的相似度下對(duì)所有的序列進(jìn)行操作分類單元（Operating Taxonomic Unit， OTU）聚類， 最后采用鄰接法（Neighbor-Joining， NJ）構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)。
2"結(jié)果與分析
2.1"不同土地利用方式下土壤的硝化勢(shì)和亞硝酸鹽氧化勢(shì)
由圖1a可知， 不同土地利用方式下的土壤硝化勢(shì)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（p＜0.05）， 硝化勢(shì)的變化范圍為0.18～0.46 μg/（g·h）， 其中水田土壤具有最高的硝化勢(shì)， 為0.46 μg /（g·h）； 旱地其次， 為0.32 μg/（g·h）； 林地的硝化勢(shì)最低， 為0.18 μg/（g·h）。 由圖1b可知， 不同土地利用方式下的亞硝酸鹽氧化勢(shì)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（p＜0.05）， 其中水田具有最高的亞硝酸鹽氧化勢(shì)， 為1.46 μg/（g·h）， 分別是旱地［0.69 μg /（g·h）］和林地［0.44 μg /（g·h）］的2.1和3.3倍。 以上結(jié)果表明， 水田土壤更有利于硝化作用的進(jìn)行， 而林地土壤硝化潛力最弱。
2.2"不同土地利用方式下土壤氨氧化微生物的豐度
定量PCR分析比較了紫色土發(fā)育的3種不同土地利用方式下土壤AOA、 AOB、 clade A、 clade B amoA基因的豐度， 結(jié)果顯示紫色土的不同土地利用方式造成了土壤氨氧化微生物相對(duì)豐度的差異。 由圖2a可知， 紫色土發(fā)育而來(lái)的林地土壤AOA amoA基因的豐度顯著高于其他土壤（p＜0.05）， 達(dá)到8.26×107拷貝數(shù)/g； 在水田土壤中AOA amoA基因的豐度顯著降低了47.34%， 為4.35×107拷貝數(shù)/g； 旱地土壤豐度最低， 為4.01×106拷貝數(shù)/g， 表明林地土壤更有利于AOA的生長(zhǎng)。 由圖2b可知， 水田土壤AOB amoA基因的豐度達(dá)到最大值， 為1.38×107拷貝數(shù)/g， 分別是林地和旱地土壤的38.4倍和3.4倍， 差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（p＜0.05）。 由圖2c可知， 紫色土發(fā)育而來(lái)的3種土地利用方式下clade A amoA基因的豐度差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（p＜0.05）， 林地clade A amoA基因的豐度為1.85×108拷貝數(shù)/g， 比旱地（2.10×107拷貝數(shù)/g）和水田（3.44×107拷貝數(shù)/g）高出1個(gè)數(shù)量級(jí)， clade A與AOA相似， 都在林地土壤中達(dá)到豐度最大值。 由圖2d可知， 水田的clade B amoA基因的豐度為1.48×107拷貝數(shù)/g， 林地次之（3.94×106拷貝數(shù)/g）， 旱地豐度最低， 為1.24×106拷貝數(shù)/g（p＜0.05）。
由表1可知， 土地利用方式顯著影響了土壤中AOA/AOB和clade A/ clade B amoA基因豐度的比率。 具體而言， 林地土壤AOA/AOB amoA基因比率最高， 達(dá)到229.3， 而水田和旱地AOA/AOB amoA基因比率分別為3.1和1.1， 兩者差異不大， 說(shuō)明在利用氨方面， AOA具有更好的氨親和力， 更適應(yīng)于低營(yíng)養(yǎng)的林地土壤環(huán)境。 與AOA/AOB amoA基因比率結(jié)果類似， 3種不同土地利用方式下的clade A amoA基因的豐度都高于clade B， 其比率分別為47.0、 16.8和2.3， 表明在3種土壤中全程氨氧化細(xì)菌都以clade A為主； 并且與AOA豐度相似， clade A在林地土壤中豐度最高， 而水田環(huán)境中全程氨氧化細(xì)菌的不同分支分布更加均勻。
2.3"土壤硝化活性與氨氧化微生物基因豐度的相關(guān)性
Pearson相關(guān)性分析結(jié)果表明， 氨氧化微生物的豐度與土壤硝化活性顯著相關(guān)（表2）。 clade A與土壤硝化勢(shì)呈顯著負(fù)相關(guān)（R=-0.719， p＜0.05）， 而與土壤亞硝酸鹽氧化勢(shì)無(wú)顯著相關(guān)性。 clade B與亞硝酸鹽氧化勢(shì)呈顯著正相關(guān)（R=0.671， p＜0.05）， 與土壤硝化勢(shì)無(wú)顯著相關(guān)性。 AOA與硝化勢(shì)及亞硝酸鹽氧化勢(shì)無(wú)顯著相關(guān)性。 AOB與土壤硝化勢(shì)及亞硝酸鹽氧化勢(shì)均呈極顯著正相關(guān)（R1=0.955， R2=0.891， p＜0.01）。 氨氧化微生物的豐度之間也具有相關(guān)性， 其中clade A與AOA呈顯著正相關(guān)（R=0.776， p＜0.05）， 與AOB呈極顯著負(fù)相關(guān)（R=-0.799， p＜0.01）。 clade B與AOA呈顯著正相關(guān)（R=0.669， p＜0.05）。
2.4"全程氨氧化細(xì)菌的系統(tǒng)發(fā)育分析
將不同土地利用方式土壤下的Comammox進(jìn)行克隆測(cè)序分析， 并構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)， 如圖3。
結(jié)果表明紫色土發(fā)育的林地、 旱地和水田土壤的Comammox群落結(jié)構(gòu)組成均與Nitrospira inopinata物種密切相關(guān)， 未檢測(cè)到Nitrospira nitrosa物種， 但是不同土地利用方式下土壤OTU占比存在顯著差異。 clade A系統(tǒng)發(fā)育分析總共得到14個(gè)OTU， 林地土壤共有4個(gè)OTU， 其中OTU2占比最大， 為67%； 旱地土壤共得到9個(gè)OTU， 其中OTU10占比最大， 為43%； 水田土壤得到4個(gè)OTU， 其中OTU4占比最大， 為30%， 其次是OTU1（28%）， OTU5（26%）和OTU20（11%）。 clade B系統(tǒng)發(fā)育分析總共得到8個(gè)OTU， 林地土壤共得到5個(gè)OTU， 其中OTU6占比最高（88%）， 與序列MF347205相關(guān)； 旱地土壤所涉及的OTU最為廣泛， 為6個(gè)OTU， 其中OTU2占比最高， 為45%； 水田土壤中未發(fā)現(xiàn)clade B的OTU。
3"討論與結(jié)論
3.1"討論
本研究的結(jié)果顯示， 土地利用方式對(duì)全程及半程氨氧化微生物的豐度及硝化活性有顯著影響（p＜0.05）， 不同土地利用方式導(dǎo)致的氨有效性［3， 22］、 水分［11， 17］及氧氣有效性［23-24］的差異可能是導(dǎo)致全程及半程氨氧化微生物在不同土地利用類型的土壤中發(fā)生生態(tài)位分化的主要原因。
Comammox及半程氨氧化微生物AOA、 AOB都以NH3為氮源進(jìn)行自養(yǎng)生長(zhǎng)， 并且在不同土壤環(huán)境中廣泛分布共存。 已有的研究確定氨的有效性是造成AOA和AOB之間生態(tài)位分化的一個(gè)重要因素［25-26］。 在氮素含量較低的林地土壤中， AOA的豐度顯著高于大量施用氮肥的水田， 并且林地土壤AOA豐度比AOB高出2個(gè)數(shù)量級(jí)， 而AOB在水田中達(dá)到豐度最大值（圖2）， 表明AOA在低氮的貧營(yíng)養(yǎng)環(huán)境中更具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)， AOB則更適應(yīng)富氮土壤生境。 Dimitri等［3］對(duì)Comammox Nitrospira inopinata的氨氧化動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果顯示， 其氨親和力高， 可能比半程氨氧化微生物更適應(yīng)貧營(yíng)養(yǎng)的生存環(huán)境。 在低氨濃度的水生生態(tài)系統(tǒng)［27］及生物過(guò)濾器［28］的研究中表明， Comammox Nitrospira inopinata在貧營(yíng)養(yǎng)環(huán)境中發(fā)揮著重要作用。 在本研究中， 林地中占優(yōu)勢(shì)的氨氧化微生物為clade A， 其豐度分別是半程氨氧化微生物AOA和AOB的2.2倍和47.0倍， 表明底物有效性是導(dǎo)致硝化微生物類群生態(tài)位分化的重要因素。 在氨限制的貧營(yíng)養(yǎng)土壤環(huán)境中， Comammox Nitrospira inopinata比半程氨氧化微生物更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。 研究指出clade B具有amt型氨轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白序列， 與clade A具有的rh型轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白序列相比具有更高的氨親和力［24］， 這一區(qū)別可能是造成clade A與clade B之間生態(tài)位分化的一個(gè)重要原因。 本研究結(jié)果顯示， 在3種不同土地利用方式中clade A的豐度均高于clade B， 這與Xu等［29］對(duì)全國(guó)采集的典型農(nóng)業(yè)土壤研究中得出的結(jié)果相一致， 表明雖然底物濃度是影響clade A和clade B之間生態(tài)位分化的一個(gè)因素， 但仍存在其他環(huán)境因素的綜合作用推動(dòng)紫色土中兩者的生態(tài)位分化， 并且在紫色土中， 全程氨氧化細(xì)菌以clade A為主。
氨氧化過(guò)程是硝化過(guò)程的第一步也是限速步驟， 需要氧分子的參與才能完成氨的活化。 Santoro等［30］對(duì)半程氨氧化微生物AOA和AOB的研究指出， AOB豐度隨著氧氣濃度的降低而減少， 而AOA比AOB更適宜于低氧環(huán)境。 對(duì)Comammox純培養(yǎng)物的基因組分析結(jié)果表明， Comammox Nitrospira inopinata可能具有潛在的低氧耐受特性［4， 24］， 且多生存于低氧濃度的環(huán)境中［24］。 此外， 在低氧濃度下運(yùn)行的生物反應(yīng)器中， Comammox的高度富集也表明在微氧環(huán)境條件下， Comammox比半程氨氧化微生物更具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)［23］， 因此， 氧的有效性可能是直接調(diào)節(jié)Comammox、 AOA和AOB在土壤環(huán)境中分布格局的一個(gè)因素［31］。 與林地和旱地相比， 水田由于長(zhǎng)期處于淹水狀態(tài)， 氧氣的轉(zhuǎn)移受到限制［32］， 土壤環(huán)境處于缺氧狀態(tài)。 本研究發(fā)現(xiàn)， 紫色土的clade A均屬于Nitrospira inopinata類群（圖3）， 雖然在水田與旱地中clade A的豐度無(wú)顯著差異， 但水田中clade A的豐度是旱地的1.6倍， 在水田中clade B的豐度顯著高于林地與旱地（圖2， p＜0.05）， 進(jìn)一步證明了Comammox對(duì)微氧土壤環(huán)境的耐受性。 在低氧的水田土壤環(huán)境中， Comammox兩個(gè)分支的豐度均高于AOB， 這與先前對(duì)氧氣含量較低的沿海水域及三峽庫(kù)區(qū)河流沉積物中得到的Comammox amoA基因豐度高于AOB的研究結(jié)果類似［7， 33］， 表明氧氣含量可能是造成全程與半程氨氧化微生物生態(tài)位分化的因素之一。
土壤水分對(duì)微生物代謝活動(dòng)及硝化過(guò)程同樣起著重要作用［34］。 不同土地利用方式所造成的水分狀況差異會(huì)改變土壤的微生態(tài)環(huán)境［35-36］， 例如土壤水分的增加會(huì)降低氣體的擴(kuò)散速率， 直接影響微生物的活性［37］。 增加土壤水分能加快液體的擴(kuò)散速度， 為硝化微生物提供關(guān)鍵底物［37-38］。 Dai等［17］指出， 水分條件可能是導(dǎo)致旱地與稻田土壤AOA和AOB生態(tài)位分化的主要原因， 其中AOA更適應(yīng)于淹水環(huán)境， 而AOB則在旱地土壤中主導(dǎo)土壤氨氧化過(guò)程。 在本研究中， AOA豐度從林地到水田顯著降低（p＜0.05）， 而AOB則對(duì)土壤水分增加產(chǎn)生了積極的響應(yīng)， 這與劉若萱等［39］對(duì)不同水分梯度的土壤模擬實(shí)驗(yàn)得出AOB對(duì)水分變化敏感的結(jié)論一致。 水田環(huán)境同樣刺激了clade B的活性， 并且clade A 與clade B的豐度比值也從林地的47.0降低到水田的2.3， 表明clade B可能在缺氧的淹水環(huán)境中具有生理活性。 Wang等［11］研究中也得到clade B在酸性和中性水稻土的硝化作用中有貢獻(xiàn)。 在旱地和水田處理中， clade A的豐度并未表現(xiàn)出顯著差異， 表明在紫色土中clade A可能對(duì)土壤水分變化不敏感。
硝化勢(shì)是指示好氧氨氧化微生物硝化活性的重要指標(biāo)， 亞硝酸鹽氧化勢(shì)則是全程氨氧化細(xì)菌和亞硝酸鹽氧化菌活性的反映。 在本研究中， Pearson相關(guān)性分析結(jié)果表明， AOB和clade A與硝化勢(shì)呈顯著相關(guān)性（p＜0.05）， AOB和clade B與亞硝酸鹽氧化勢(shì)呈顯著相關(guān)性（p＜0.05）， 說(shuō)明這3類氨氧化微生物可能在紫色土的硝化過(guò)程中發(fā)揮重要作用。 相比之下， AOA與土壤硝化活性并無(wú)明顯相關(guān)， 表明AOA可能在不同土地利用方式的紫色土中硝化活性較弱， 對(duì)硝化作用貢獻(xiàn)不高， 因此不同土地利用方式可能會(huì)造成氨氧化微生物的變化， 進(jìn)而影響土壤硝化、 亞硝酸鹽氧化過(guò)程。 在本研究中， 水田土壤的硝化活性顯著高于林地和旱地土壤（圖1）， 而在林地土壤中全程及半程氨氧化微生物的總豐度高于旱地和水田土壤， 但其土壤亞硝酸鹽氧化勢(shì)卻顯著低于旱地和水田土壤（圖1， p＜0.05）， 進(jìn)一步表明土壤環(huán)境中微生物功能基因的數(shù)量并不一定能反映其功能活性［9， 40］。 Bai等［41］對(duì)不同耕作制度黑土的研究中也指出， 雖然AOA與Comammox在豐度上占有很大比重， 但是AOB才是促進(jìn)耕地黑土硝化作用的主要貢獻(xiàn)者。
土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與土壤環(huán)境密切相關(guān)， 一方面土壤環(huán)境的改變會(huì)影響土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)及其功能； 另一方面土壤微生物的結(jié)構(gòu)及功能活性也會(huì)影響土壤中各種養(yǎng)分的循環(huán)轉(zhuǎn)化過(guò)程［42］。 本研究發(fā)現(xiàn)， 不同土地利用方式的紫色土中clade A均歸屬于Nitrospira inopinata， 表明紫色土環(huán)境中clade A的系統(tǒng)發(fā)育多樣性較單一， 但不同土地利用方式下土壤中優(yōu)勢(shì)Comammox存在差異性， 說(shuō)明不同土地利用方式仍會(huì)影響紫色土Comammox的群落結(jié)構(gòu)。 Medriano等［43］對(duì)不同土地利用類型的熱帶土壤研究中也得出， 人為土地利用導(dǎo)致了熱帶土壤微生物組成及多樣性的改變。
此外， 植被組成在調(diào)節(jié)微生物群落和功能方面發(fā)揮著重要作用［44-47］。 Subbarao等［48］研究指出胡枝子對(duì)硝化作用的抑制機(jī)制是通過(guò)向土壤釋放根系分泌物來(lái)阻斷細(xì)菌的氨氧化途徑， 這可能也從另一個(gè)角度解釋了本研究中3種土地利用方式下全程及半程硝化微生物豐度的差異。 在本研究中， 3種土地生長(zhǎng)的植被類型存在差異： 林地主要生長(zhǎng)攀倒甑（15%）及構(gòu)樹(shù)（10%）， 旱地以喜旱蓮子草（42%）和石龍芮（35%）為主， 水田則主要進(jìn)行水稻—大麥輪作， 后續(xù)研究可從植被類型對(duì)土壤硝化功能微生物菌群的影響方面加以考慮。
3.2"結(jié)論
本研究表明， Comammox、 AOA和AOB在不同土地利用方式的紫色土中均廣泛分布。 土地利用方式是影響全程氨氧化細(xì)菌（Comammox）及半程氨氧化微生物（AOA和AOB）生態(tài)位分化的關(guān)鍵因子。 此外， 土地利用方式也顯著影響Comammox兩個(gè)分支（clade A和clade B）的生態(tài)位分化特征。 該研究結(jié)果對(duì)農(nóng)業(yè)和林業(yè)生產(chǎn)種植具有重要指導(dǎo)意義， 有助于根據(jù)不同土地利用方式優(yōu)化氮肥管理， 提升土壤氮素利用效率， 促進(jìn)作物和林木的健康生長(zhǎng)。
參考文獻(xiàn)：
［1］
KNNEKE M， BERNHARD A E， DE LA TORRE J R， et al． Isolation of an Autotrophic Ammonia-oxidizing Marine Archaeon ［J］． Nature， 2005， 437（7058）： 543-546．
［2］"BOCK E， WAGNER M． Oxidation of Inorganic Nitrogen Compounds as an Energy Source ［J］． Springer New York， 2006， 7（16）： 83-118．
［3］"DIMITRI K K， SEDLACEK C J， LEBEDEVA E V， et al． Kinetic Analysis of a Complete Nitrifier Reveals an Oligotrophic Lifestyle ［J］． Nature， 2017， 549（7671）： 269-272．
［4］"DAIMS H， LEBEDEVA E V， PJEVAC P， et al． Complete Nitrification by Nitrospira Bacteria ［J］． Nature， 2015， 528（7583）： 504-509．
［5］"VAN KESSEL M A H J， SPETH D R， ALBERTSEN M， et al． Complete Nitrification by a Single Microorganism ［J］． Nature， 2015， 528（7583）： 555-559．
［6］"COSTA E， PREZ J， KREFT J U． Why is Metabolic Labour Divided in Nitrification？ ［J］． Trends in Microbiology， 2006， 14（5）： 213-219．
［7］"PJEVAC P， SCHAUBERGER C， POGHOSYAN L， et al． AmoA-targeted Polymerase Chain Reaction Primers for the Specific Detection and Quantification of Comammox Nitrospira in the Environment ［J］． Frontiers in Microbiology， 2017， 8： 1508．
［8］"WANG X X， LU L， ZHOU X， et al． Niche Differentiation of Comammox Nitrospira in the Mudflat and Reclaimed Agricultural Soils along the North Branch of Yangtze River Estuary ［J］． Frontiers in Microbiology， 2021（11）： 618287．
［9］"LIU H Y， HU H W， HUANG X， et al． Canonical Ammonia Oxidizers， rather than Comammox Nitrospira， Dominated Autotrophic Nitrification during the Mineralization of Organic Substances in Two Paddy Soils ［J］． Soil Biology and Biochemistry， 2021， 156： 108192．
［10］HU H W， HE J Z． Comammox—A Newly Discovered Nitrification Process in the Terrestrial Nitrogen Cycle ［J］． Journal of Soils and Sediments， 2017， 17（12）： 2709-2717．
［11］WANG Z H， CAO Y Q， ZHU-BARKER X， et al． Comammox Nitrospira Clade B Contributes to Nitrification in Soil ［J］． Soil Biology and Biochemistry， 2019， 135： 392-395．
［12］王智慧， 蔣先軍． 宏基因組技術(shù)研究泥巖母質(zhì)發(fā)育的三種不同pH紫色土硝化微生物群落演變規(guī)律 ［J］． 微生物學(xué)報(bào)， 2021， 61（7）： 1933-1944．
［13］DE VRIES F T， THBAULT E， LIIRI M， et al． Soil Food Web Properties Explain Ecosystem Services across European Land Use Systems ［J］． Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America， 2013， 110（35）： 14296-14301．
［14］劉天琳， 任佳琪， 王天佑， 等． 中性紫色水稻土硝化作用中細(xì)菌和古菌的相對(duì)貢獻(xiàn) ［J］． 土壤通報(bào)， 2018， 49（5）： 1091-1096．
［15］張曉楠， 陸玉芳， 楊婷， 等． 水稻生物硝化抑制劑1， 9-癸二醇的定量方法優(yōu)化 ［J］． 土壤， 2020， 52（6）： 1152-1157．
［16］KGEL-KNABNER I， AMELUNG W， CAO Z H， et al． Biogeochemistry of Paddy Soils ［J］． Geoderma， 2010， 157（1-2）： 1-14．
［17］DAI S Y， LIU Q， ZHAO J， et al． Ecological Niche Differentiation of Ammonia-oxidising Archaea and Bacteria in Acidic Soils Due to Land Use Change ［J］． Soil Research， 2018， 56（1）： 71．
［18］YING J Y， ZHANG L M， HE J Z． Putative Ammonia-oxidizing Bacteria and Archaea in an Acidic Red Soil with Different Land Utilization Patterns ［J］． Environmental Microbiology Reports， 2010， 2（2）： 304-312．
［19］魯如坤． 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法 ［M］． 北京： 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社， 2000．
［20］ATTARD E， POLY F， COMMEAUX C， et al． Shifts between Nitrospira-"and Nitrobacter-like Nitrite Oxidizers Underlie the Response of Soil Potential Nitrite Oxidation to Changes in Tillage Practices ［J］． Environmental Microbiology， 2010， 12（2）： 315-326．
［21］王梅， 王智慧， 石孝均， 等． 長(zhǎng)期不同施肥量對(duì)全程氨氧化細(xì)菌豐度的影響 ［J］． 環(huán)境科學(xué)， 2018， 39（10）： 4727-4734．
［22］HE S S， LI Y W， MU H B， et al． Ammonium Concentration Determines Differential Growth of Comammox and Canonical Ammonia-oxidizing Prokaryotes in Soil Microcosms ［J］． Applied Soil Ecology， 2021， 157： 103776．
［23］CAMEJO P Y， SANTO DOMINGO J， MCMAHON K D， et al． Genome-enabled Insights into the Ecophysiology of the Comammox Bacterium Candidatus Nitrospira Nitrosa ［J］． mSystems， 2017， 2（5）： e00059．
［24］PALOMO A， PEDERSEN A G， JANE FOWLER S， et al． Comparative Genomics Sheds Light on Niche Differentiation and the Evolutionary History of Comammox Nitrospira ［J］． The ISME Journal， 2018， 12（7）： 1779-1793．
［25］HU H W， XU Z H， HE J Z． Ammonia-oxidizing Archaea Play a Predominant Role in Acid Soil Nitrification ［M］ //Advances in Agronomy． Amsterdam： Elsevier， 2014： 261-302．
［26］PROSSER J I， NICOL G W． Archaeal and Bacterial Ammonia-oxidisers in Soil： The Quest for Niche Specialisation and Differentiation ［J］． Trends in Microbiology， 2012， 20（11）： 523-531．
［27］BARTELME R P， MCLELLAN S L， NEWTON R J． Freshwater Recirculating Aquaculture System Operations Drive Biofilter Bacterial Community Shifts around a Stable Nitrifying Consortium of Ammonia-oxidizing Archaea and Comammox Nitrospira ［J］． Frontiers in Microbiology， 2017（8）： 101．
［28］FOWLER S J， PALOMO A， DECHESNE A， et al． Comammox Nitrospira are Abundant Ammonia Oxidizers in Diverse Groundwater-fed Rapid Sand Filter Communities ［J］． Environmental Microbiology， 2018， 20（3）： 1002-1015．
［29］XU S Y， WANG B Z， LI Y， et al． Ubiquity， Diversity， and Activity of Comammox Nitrospira in Agricultural Soils ［J］． Science of the Total Environment， 2020， 706： 135684．
［30］SANTORO A E， FRANCIS C A， DE SIEYES N R， et al． Shifts in the Relative Abundance of Ammonia-oxidizing Bacteria and Archaea across Physicochemical Gradients in a Subterranean Estuary ［J］． Environmental Microbiology， 2008， 10（4）： 1068-1079．
［31］LI C Y， HU H W， CHEN Q L， et al． Niche Specialization of Comammox Nitrospira Clade a in Terrestrial Ecosystems ［J］． Soil Biology and Biochemistry， 2021， 156： 108231．
［32］WANG X M， WANG S Y， JIANG Y Y， et al． Comammox Bacterial Abundance， Activity， and Contribution in Agricultural Rhizosphere Soils ［J］． Science of the Total Environment， 2020， 727： 138563．
［33］LIN S S， HERNANDEZ-RAMIREZ G． Nitrous Oxide Emissions from Manured Soils as a Function of Various Nitrification Inhibitor Rates and Soil Moisture Contents ［J］． Science of the Total Environment， 2020， 738： 139669．
［34］LIU S， ZHANG J H， WANG Y C， et al． Effects of Dam Building on Niche Differentiation of Comammox Nitrospira in the Main Stream of the Three Gorges Reservoir Area ［J］． Water， 2022， 14（24）： 4014．
［35］ZHOU S M， ZHANG M， ZHANG K K， et al． Effects of Reduced Nitrogen and Suitable Soil Moisture on Wheat （Triticum aestivum L.） Rhizosphere Soil Microbiological， Biochemical Properties and Yield in the Huanghuai Plain， China ［J］． Journal of Integrative Agriculture， 2020， 19（1）： 234-250．
［36］WANG H， YANG J P， YANG S H， et al． Effect of a 10 ℃-Elevated Temperature under Different Water Contents on the Microbial Community in a Tea Orchard Soil ［J］． European Journal of Soil Biology， 2014， 62： 113-120．
［37］BLAGODATSKY S， SMITH P． Soil Physics Meets Soil Biology： Towards Better Mechanistic Prediction of Greenhouse Gas Emissions from Soil ［J］． Soil Biology and Biochemistry， 2012， 47： 78-92．
［38］唐瑞杰， 胡煜杰， 趙彩悅， 等． 不同水分條件下土地利用方式對(duì)我國(guó)熱帶地區(qū)土壤硝化過(guò)程及NO和N2O排放的影響 ［J］． 環(huán)境科學(xué)， 2022， 43（11）： 5159-5168．
［39］劉若萱， 張麗梅， 白刃， 等． 模擬條件下土壤硝化作用及硝化微生物對(duì)不同水分梯度的響應(yīng) ［J］． 土壤學(xué)報(bào)， 2015， 52（2）： 415-422．
［40］SUN X X， ZHAO J， ZHOU X， et al． Salt Tolerance-based Niche Differentiation of Soil Ammonia Oxidizers ［J］． The ISME Journal， 2022， 16（2）： 412-422．
［41］BAI X， HU X J， LIU J J， et al． Ammonia Oxidizing Bacteria Dominate Soil Nitrification under Different Fertilization Regimes in Black Soils of North East China ［J］． European Journal of Soil Biology， 2022， 111： 103410．
［42］楊東偉， 章明奎． 水田改果園后土壤性質(zhì)的變化及其特征 ［J］． 生態(tài)學(xué)報(bào)， 2015， 35（11）： 3825-3835．
［43］MEDRIANO C A， CHAN A， DE SOTTO R， et al． Different Types of Land Use Influence Soil Physiochemical Properties， the Abundance of Nitrifying Bacteria， and Microbial Interactions in Tropical Urban Soil ［J］． Science of the Total Environment， 2023， 869： 161722．
［44］SRIKANTHASAMY T， LELOUP J， N，DRI A B， et al． Contrasting Effects of Grasses and Trees on Microbial N-Cycling in an African Humid Savanna ［J］． Soil Biology and Biochemistry， 2018， 117： 153-163．
［45］宿少鋒， 王小燕， 林之盼， 等． 熱帶地區(qū)6種植被類型土壤微生物功能多樣性特征 ［J］． 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)）， 2022， 37（3）： 505-514．
［46］顏彩繽， 趙亞， 李少卡， 等． 不同間作模式對(duì)幼齡菠蘿蜜土壤酶活性和真菌群落的影響 ［J］． 中國(guó)南方果樹(shù)， 2024， 53（6）：92-99．
［47］劉小玉， 付登強(qiáng)， 余鳳玉． 解淀粉芽孢桿菌ck-05對(duì)檳榔生長(zhǎng)及土壤微生態(tài)的影響 ［J］． 中國(guó)南方果樹(shù)， 2023， 52（6）： 141-145．
［48］SUBBARAO G V， NAKAHARA K， HURTADO M P， et al． Evidence for Biological Nitrification Inhibition in Brachiaria Pastures ［J］． Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America， 2009， 106（41）： 17302-17307．
責(zé)任編輯"周仁惠
