长期施肥影响土壤固氮菌的群落装配过程

文章链接https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2018.08.021

本文由“笨拙的小贼”编译，宏基因组公众号排版校稿。

导读

氮（N）是自然和人工生态系统中的重要元素。由气态N2转化为化合态氮的过程称为固氮。由固氮微生物进行的生物固氮过程贡献了自然陆地生态系统中超过97%的氮素转换。但在农田生态系统中，人工施加的化学肥料已超过生物固氮成为第一大输入N源。已有研究发现，固氮菌群的相对丰度，多样性和群落结果可以显著影响固氮效率，并对施肥过程敏感。长期施用化学肥料会降低固氮菌群的多样性，改变其群落结构。施用有机肥（如农业废弃物和牲畜粪便）或有机肥与化肥联合施用，可以恢复固氮菌群的多样性。肥料对土壤固氮菌群的影响可能是通过提供可利用营养物如有机碳、磷、可利用氮，改变碳氮比等直接影响固氮菌，也可能是通过改变土壤性质如pH等间接影响固氮菌。

过去的研究集中于长期施肥对固氮菌群多样性和群落组成的影响，对潜在的群落组装过程未有研究。本研究通过Illumina Miseq测序技术调查了一些接受了长达30年施肥处理的土壤中的固氮菌群落，研究不同施肥方式对固氮菌群多样性和群落结构的影响，解析固氮菌群的群落装配过程。

研究对象

一块自1982年开始进行小麦大豆轮种的田地，将田地分为6组，每组4重复，分别为：

• 不施肥对照组（Control）、
• 仅施化学NPK肥料组（NPK）、
• 化学NPK肥料与低量小麦秸秆（3750 kg每公顷每年）共施组（NPK+LS），
• 化学NPK肥料与大量小麦秸秆（7500 kg每公顷每年）共施组（NPK+HS）、
• 化学NPK肥料与猪粪共施组（NPK+PM）、
• 化学NPK肥料与牛粪共施组（NPK+CM）

实验结果

施肥对土壤固氮菌群多样性和群落结构的影响

从表1可以看出，长期单一施用化学NPK肥料，或者化学肥料与小麦秸秆联合施用，都会降低固氮菌群落的α多样性，而将化学NPK肥料与牲畜粪便联合施用，则可以保持固氮菌群的α多样性。

表1 土壤固氮菌群落的α多样性指标。

数值为平均值(标准差)；缩写Ob：Observed number of OTUs；MNTD：mean nearest taxon distance

图1 在属水平上各组土壤样品中固氮菌群落组成

Control组的标志属为Burkholderia（16.2%），NPK+HS组的标志属为Opitutaceae（3.0%），NPK+CM组标志属为Bradyrhizobium（26.6%），NPK+LS和NPK+PM组的标志属均为Leptolyngbya（12.5%和12.2%）。

图2 各组土壤样品中固氮菌群落的标志属

彩色圆代表相对丰度>1%的可分类的属，灰色圆代表相对丰度<1%的可分类的属，黑色圆代表无法分类的属。

土壤性质与土壤固氮菌群多样性和群落结构之间的相关关系，通过MRT，CCA和DistLM分析等都显示：pH与固氮菌群落的α多样性显著相关。只有在DistLM分析中显示AP（可利用磷）也与固氮菌群落的α多样性显著相关。

表2 土壤化学性质与固氮菌群落α多样性及群落差异性之间的相关关系

缩写：NTI，nearest taxon index；βMNTD，MNTD between samples；DOC，溶解性有机碳；DON，溶解性有机氮；AP，可利用磷；AK，可利用钾；TN，总氮；TC，总碳；C:N，总碳与总氮之比；*p<0.01，p<0.05

土壤固氮菌群落装配过程

对于固氮菌群落，Control组的平均NTI值最高，大于0，代表系统发生趋于集聚，而其他所有施肥组的平均NTI值都接近0，代表系统发生趋于随机。

Control组固氮菌群落的βNTI值均小于-2，而化学NPK肥料与农业废弃物共施组固氮菌群落的βNTI值都在-2到2之间。尽管与牲畜粪便共施，使部分样品中的βNTI值降到-2以下，但是大部分的样品中βNTI值依然在-2到2之间。代表Control组的固氮菌群落装配主要是确定性过程（Deterministic process），而施肥组的固氮菌群落装配过程主要是随机性（Stochastic process）。

对于总细菌群落而言，所有组样品中NTI值均大于0，βNTI值均小于-2，表明总细菌群落的装配过程为确定性过程，这与固氮菌群落装配过程不同。

图3 NTI与βNTI值箱型图

（A）固氮菌群落，（B）总细菌群落

根据物种等级分布模型计算，所有施肥组的固氮菌群落大多符合生态位理论（niche theory）（只有NPK和NPK+LS组各有1个样品符合ZSM模型），所有施肥组中总细菌群落的物种等级分布模型均符合生态位（niche theory）模型。

表3 不同组样品中固氮菌群落和总细菌群落的物种等级分布模型分析

讨论

• 土壤pH是决定固氮菌群落多样性和群落结构的重要因素

原因可能有二。首先，土壤pH可以直接对物种进行筛选，适应此pH条件下的物种最终会战胜那些不适应此pH条件的物种；其次，pH可能与土壤中营养物质的可利用性以及重金属元素的化合价态强烈相关，这些会反过来影响固氮菌群落组成。

• 固氮菌群落的装配过程

通过计算，发现固氮菌群落的NTI与βNTI值与null distribution并无显著差异，这表明固氮菌群落装配主要是随机性过程（Stochastic process）。然而该结果与物种等级分布模型结果相悖。由于使用系统发生信息（NTI与βNTI值）来推断群落装配过程需要建立在该群落系统发生是保守的前提下，然而通过mantel相关性检验发现，在本研究中该前提并不成立。因此，通过物种等级分布模型得到的结果更为可靠。即在所有施肥组中固氮菌群落装配过程主要是确定性过程（Deterministic process）。但是我们在施肥组的固氮菌群落装配过程中发现，系统发生的随机性提高了。

• 固氮菌与总细菌群落装配过程比较
  尽管两者的装配过程都主要是确定性过程，但在施肥组的总细菌群落装配过程中，我们并没有发现系统发生随机性有提高。

总结

• 根据研究结果，我们建议在施用化肥的田地里，配合牲畜粪便而不是与小麦秸秆共施，可以保持土壤中固氮菌群落的多样性和群落结构。这可能主要是通过添加的有机肥料导致土壤pH改变造成的效果。
• 尽管土壤固氮菌群落和总细菌群落装配过程都是确定性过程，但是固氮菌群落装配过程中，随机性更高。
• 我们鉴定出土壤中4个关键的固氮菌属，Bradyrhizobium，Burkholderia，Leptolyngbya和Opitutacear。
• 根据我们的发现，恰当的施肥管理可以通过调节土壤pH和营养物质含量来调控土壤中的固氮菌群，从而促进农田中生物固氮的效率。

启发

解析微生物群落的装配过程是微生物生态学的热点和难点。通过本文研究发现，不同的计算方法会得出不同的结果，尤其是对于种群多样性不高，或者人为干扰大的群落。如何区别群落装配过程中确定性过程和随机性过程分别所起的作用，二者的相对重要性如何影响群落内物种相对丰度、群落组成和结构，依然是微生物生态学中的难题。

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