吳?；?王 蕊, 高長(zhǎng)青, 高 勝, 杜蘭蘭, KHAN Asif , BARMON Milon , 郭勝利,,*

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所, 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 楊凌 712100

2 陜西省長(zhǎng)武旱作小麥育種試驗(yàn)中心, 長(zhǎng)武 713600

3 中國(guó)科學(xué)院、水利部水土保持研究所, 楊凌 712100

土壤微生物作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,是物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的重要媒介,在調(diào)節(jié)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳、氮等元素的地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程中具有重要意義[1]。微生物功能及相關(guān)過(guò)程都是由微生物群落所決定的[2]。大量研究發(fā)現(xiàn)土壤中細(xì)菌群落主要為酸桿菌(Acidobacteria)、放線菌(Actinobacteria)、變形菌(Proteobacteria)等[3- 4],真菌群落主要是子囊菌(Ascomytota)、擔(dān)子菌(Basidiomycota)、接合菌(Zygomycotina)等[5-6]。根據(jù)這些微生物群落具有的某種相同或相似的生物學(xué)功能將其劃分成不同的功能群,如：參與土壤氮循環(huán)的硝化及反硝化型細(xì)菌等[1]；參與土壤碳循環(huán)的異養(yǎng)型細(xì)菌[7]及腐生型真菌等[8]。據(jù)報(bào)道,土壤有機(jī)碳(SOC)、氮含量及組分、容重等土壤性狀的改變顯著影響土壤微生物多樣性和群落組成[3,9-13]及功能[13-14]。但是,也有報(bào)道指出土壤微生物多樣性[15]不受土壤性狀的影響。因此,明確土壤性狀變化對(duì)微生物群落和功能的影響,有助于進(jìn)一步深入探討陸地生態(tài)系統(tǒng)地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程。

土地利用方式變化是影響土壤性狀的重要因素[16]。研究表明土地利用方式間,不同植被[17]和管理措施[18]都會(huì)導(dǎo)致土壤性狀存在顯著差異。例如,自然條件下[12]牧場(chǎng)、松林、闊葉林中土壤性狀變化較大：容重(1.2—1.7 g/cm3)、全氮含量(0.4—0.8 g/kg)、碳含量(9—18 g/kg)、土壤碳氮比(14—22)。耕地、林地、濕地土壤中[13]：全氮含量(0.5—0.8 g/kg)、銨態(tài)氮含量(9.2—11.4 mg/kg)。此外,Wang等[17]指出農(nóng)田不同作物種植模式(冬小麥連作、小麥-苜蓿輪作、小麥-土豆輪作、小麥-糜子-玉米輪作)也會(huì)引起土壤養(yǎng)分顯著變化：土壤有機(jī)碳(7.9—9.6 g/kg)、土壤全氮(1.0—1.2 g/kg)。這些土壤性狀的變化勢(shì)必會(huì)引起微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的改變[12]。已有研究指出黃土高原地區(qū)將廢棄農(nóng)田進(jìn)行植被恢復(fù)后(始于1998年),SOC含量從1998年的4.0 g/kg增加至2006年的4.5 g/kg[19]；到2014年SOC含量提高至6.2 g/kg,此時(shí)植被恢復(fù)區(qū)域SOC含量比廢棄農(nóng)田高2.8 g/kg[20]。目前大多數(shù)研究關(guān)注于該地區(qū)土地利用方式改變對(duì)土壤性狀的影響[20-21],但土地利用驅(qū)動(dòng)的土壤性狀變化對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的影響尚不十分清楚。

基于此,本研究依托陜西長(zhǎng)武縣長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)試驗(yàn),研究了不同土地利用方式(裸地、農(nóng)田、草地)的土壤容重及碳氮養(yǎng)分含量等土壤性狀差異；分析了不同土地利用方式下細(xì)菌和真菌群落豐富度、多樣性及土壤碳氮代謝相關(guān)功能特征的變化；進(jìn)而分析了二者之間的關(guān)系,以期明確土地利用方式變化條件下土壤性狀和微生物群落與功能的作用機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本實(shí)驗(yàn)在陜西長(zhǎng)武農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)試驗(yàn)(始于1984年)進(jìn)行,該站位于高塬溝壑區(qū)的陜西省長(zhǎng)武縣十里鋪村(107°40′E,35°12′N,海拔1200 m),該地屬于旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū),無(wú)灌溉條件[22]。據(jù)長(zhǎng)武縣氣象局資料統(tǒng)計(jì)(1957—2018年),該地區(qū)年均降水量為580 mm,7—9月份降水量占年降水量的49%左右,平均氣溫為9.1℃,大于10℃的積溫為3029℃,年日照時(shí)數(shù)2230 h,日照率為51%,年輻射總量為484 kJ/cm2。土壤為粘壤質(zhì)黑壚土,1984年布設(shè)試驗(yàn)時(shí)土壤有機(jī)碳含量為6.5 g/kg,全氮含量為0.6 g/kg,pH值8.4,CaCO3含量10.5%,粘粒含量(<0.002 mm)24%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與管理

長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)試驗(yàn)共計(jì)36個(gè)處理,3次重復(fù),均由農(nóng)田轉(zhuǎn)化而來(lái)。在該長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)試驗(yàn)中選取3個(gè)典型土地利用方式(均未進(jìn)行施肥處理)：①農(nóng)田(小麥)：從1984年開(kāi)始,小麥地連續(xù)種植冬小麥,一年一茬,播種期為9月中下旬,定期進(jìn)行除草和松土,試驗(yàn)管理措施與當(dāng)?shù)卮筇镆恢?到6月下旬小麥成熟后將地上生物量進(jìn)行一次性收割,隨后用翻耕機(jī)將小麥地表層0—20 cm土壤進(jìn)行翻耕,掩埋根系殘茬并將其輸入土壤,進(jìn)入夏季休閑期(7—9月),9月份進(jìn)行再一次小麥耕作播種；②草地(紫花苜蓿)：草地選擇根系具有較強(qiáng)固氮作用的苜蓿地,其品種為紫花苜蓿,自1984年播種紫花苜蓿生長(zhǎng)至今,不復(fù)種,每年6月下旬和9月下旬進(jìn)行兩次地上生物量的刈割,小區(qū)內(nèi)散生雜草,定期進(jìn)行除草松土；③裸地：作為對(duì)照處理,自1984年開(kāi)始已連續(xù)多年不種作物,定期移除地面生長(zhǎng)的雜草。各土地利用方式隨機(jī)排列。小區(qū)長(zhǎng)5.5 m,寬4 m,面積為22 m2。

1.3 土壤樣品的采集

2018年6月下旬,小麥和苜蓿收割后,用直徑為3 cm的土鉆采集了長(zhǎng)期試驗(yàn)地農(nóng)田、草地、裸地耕層0—20 cm土壤。每個(gè)小區(qū)以S型選定5個(gè)采樣點(diǎn)采集5鉆土樣,制成混合土樣為一次重復(fù),每個(gè)處理3次重復(fù)。新鮮土樣通過(guò)2 mm篩后,剔除根系殘?bào)w,裝進(jìn)采樣盒中,用冷藏箱盡快帶回實(shí)驗(yàn)室：-20℃保存供分析微生物群落結(jié)構(gòu)；4℃保存供分析微生物量碳(SMBC),硝態(tài)氮和銨態(tài)氮(礦質(zhì)氮)等；樣品風(fēng)干用于測(cè)定SOC和TN等理化指標(biāo)。

1.4 DNA提取和高通量測(cè)序

采用Fast DNA SPIN Kit for soil試劑盒根據(jù)說(shuō)明提取DNA。用Nanodrop ND- 2000 UV-Vis分光光度計(jì)(Nano Drop Technologies, Wilmington, DE, USA)檢測(cè)DNA的數(shù)量和質(zhì)量。根據(jù)測(cè)序區(qū)域的選擇,使用帶Barcode的特異引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增：338F(5′ACTCCTACGGGAGGCAGCAG- 3′)和806R(5′-GGACTACHV GGGTWTCTAAT3′)[23]擴(kuò)增細(xì)菌16S rRNA基因的V3-V4區(qū)域,ITS1(5′-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA3′)和ITS2(5′-GCTGCGTTCTTCATCGATGC- 3′)擴(kuò)增真菌ITS基因區(qū)域[24]。純化擴(kuò)增產(chǎn)物并制備序列文庫(kù),然后用Qubit@2.0 Fluorometer(Thermo Scientific)和Agilent Bioanalyzer 2100系統(tǒng)檢測(cè)文庫(kù)質(zhì)量。最后送北京諾禾致源科技股份有限公司利用Illumina Hi Seq 2500 PE250平臺(tái)進(jìn)行高通量測(cè)序。

將雙末端序列根據(jù)Barcode序列和PCR擴(kuò)增引物標(biāo)簽拆分出各個(gè)樣品的數(shù)據(jù),將每個(gè)樣品的序列借助FLASH(V1.2.7,httP://ccb.jhu.edu/software/FLASH/)進(jìn)行拼接,然后根據(jù)QIIME[25]質(zhì)控流程進(jìn)行質(zhì)量控制。根據(jù)UCHIME算法[26]去除嵌合體序列,然后將剩余的序列利用UParse軟件[27]以97%的相似度聚類劃分OTU。對(duì)于OTU的每一個(gè)代表序列,使用RDP Classifier算法與GreenGene數(shù)據(jù)庫(kù)以80%的置信閾值進(jìn)行物種注釋分析。最后以數(shù)據(jù)量最少的樣品為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)得到的OTU豐度數(shù)據(jù)進(jìn)行均一化處理,后續(xù)的alpha和beta多樣性分析均基于均一化處理后的數(shù)據(jù)。

1.5 土壤理化性狀分析

土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定,SOC利用H2SO4-K2Cr2O7外加熱法測(cè)定[28],TN利用凱氏定氮法測(cè)定[29],SMBC利用氯仿熏蒸-萃取法測(cè)定[30],土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮用2 mol/L KCl溶液浸提鮮土樣后,用流動(dòng)分析儀測(cè)定(SAN++,Skalar,Holland)[31],并在本研究中用土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮測(cè)定含量之和來(lái)表示土壤礦質(zhì)氮的總量。

1.6 數(shù)據(jù)分析方法

采用SPSS 2.0軟件對(duì)土壤性狀和微生物群落α-、β-多樣性指數(shù)進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA),并進(jìn)行F顯著性檢驗(yàn),當(dāng)檢驗(yàn)顯著時(shí),再通過(guò)Duncan檢驗(yàn)將不同土地利用方式的均值進(jìn)行比較(P<0.05)。顯著性檢驗(yàn)完成后運(yùn)用Sigmaplot(12.5)軟件繪制門、綱、目、科四個(gè)水平排名前十的細(xì)菌和真菌群落相對(duì)豐度圖。采用R語(yǔ)言(3.5.1)對(duì)微生物數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,通過(guò)ape包和ggplot2包繪制主坐標(biāo)分析圖(Principal Co-ordinates Analysis, PCoA)。細(xì)菌和真菌功能分別利用FAPROTAX[7]和FUN Guild[32]進(jìn)行預(yù)測(cè)。土壤微生物群落豐富度(Chao1指數(shù))及多樣性(Shannon指數(shù))、功能結(jié)構(gòu)和土壤理化性狀之間相關(guān)關(guān)系采用SPSS 2.0軟件通過(guò)Spearman進(jìn)行定量分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式下土壤理化性狀的變化

不同土地利用方式下(裸地vs.農(nóng)田vs.草地)土壤性狀存在顯著差異(表1)。其中裸地土壤容重最大(1.4 g/cm3)、其次為農(nóng)田(1.3 g/cm3)、最次為草地(1.2 g/cm3)。裸地中SOC含量為5.9 g/kg,農(nóng)田(6.5 g/kg)和草地(10.5 g/kg)分別較裸地高出10.2%和78.0%。裸地與農(nóng)田土壤中TN含量均為0.8 g/kg,而草地較裸地高出1.5倍。三個(gè)不同土地利用方式中礦質(zhì)氮含量范圍為12.7—34.0 mg/kg,其中草地最高(34.0 mg/kg)。

表1 不同土地利用方式土壤性狀Table 1 Soil properties under different land uses

2.2 微生物多樣性

土壤樣本中細(xì)菌和真菌群落分別獲得64246和31162個(gè)高通量序列。細(xì)菌和真菌OTU數(shù)在土地利用方式間無(wú)顯著差異。細(xì)菌群落Chao1指數(shù)差異顯著(P<0.05)(表2),大小排序?yàn)椋恨r(nóng)田(4921)>裸地(4831)>草地(4202)。細(xì)菌群落Shannon指數(shù)同樣具有顯著差異(P<0.05)(表2),大小排序?yàn)椋恨r(nóng)田(10.2)>草地(10.1)>裸地(9.9)。真菌群落Chao1指數(shù)與Shannon指數(shù)按農(nóng)田、裸地、草地依次降低,但均未達(dá)到顯著水平。土地利用方式對(duì)細(xì)菌和真菌群落β-多樣性也存在一定影響(圖1)。裸地土壤細(xì)菌群落β-多樣性指數(shù)較高(0.3),農(nóng)田和草地較裸地低31.0%、13.8%。裸地中真菌群落β-多樣性指數(shù)為0.8,農(nóng)田較裸地低37.5%,而草地較裸地高出14.3%。

表2 根據(jù)64246條細(xì)菌序列及31162條真菌序列計(jì)算基因序列相似度為97%的微生物alpha多樣性指數(shù)Table 2 Microbial alpha diversity indicates at 97 % sequence similarity of gene sequence calculated based on 64,246 bacterial sequences and 31,162 fungal sequences for each sample

圖1 細(xì)菌和真菌群落beta多樣性Fig.1 Beta diversity of bacterial and fungal communities圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)

2.3 微生物群落豐度變化

土壤微生物群落門、綱、目、科四個(gè)水平相對(duì)豐度在不同土地利用方式間存在差異(圖2、圖3)。細(xì)菌群落在門水平上,變形菌(Proteobacteria)、放線菌(Actinobacteria)和酸桿菌(Acidobacteria)均為優(yōu)勢(shì)菌(圖2)(29.8%—31.1%、17.6%—18.3%、17.6%—19.5%),但只有變形菌門存在顯著性差異,農(nóng)田和草地中變形菌門相對(duì)豐度為29.7%和29.9%,分別較裸地(31.1%)低4.5%和3.9%(P<0.05)。

真菌群落中,子囊菌門(Ascomycota)、擔(dān)子菌門(Basidiomycota)、被孢霉菌門(Mortierellomycota)和毛霉菌門(Mucoromycota)為優(yōu)勢(shì)菌,且在土地利用方式間存在較大變異性(圖3)。草地中子囊菌門相對(duì)豐度(5.5%)較低,農(nóng)田(9.2%)和裸地(27.0%)中較草地高出67.3%、3.9倍；裸地中擔(dān)子菌門相對(duì)豐度較高(24.7%),農(nóng)田(12.8%)和草地(4.2%)分別較裸地低48.2%和83.0%；農(nóng)田中被孢霉菌門相對(duì)豐度最高(農(nóng)田vs.草地vs.裸地：5.7%vs.3.6%vs.1.8%),但在不同土地利用方式間無(wú)顯著差異；農(nóng)田(4.3%)和草地(0.9%)中毛霉菌門相對(duì)豐度分別高出裸地16.9倍、2.8倍(P<0.05)。

2.4 微生物功能變化

通過(guò)對(duì)裸地、農(nóng)田、草地中采集的土壤樣本進(jìn)行PCoA分析,發(fā)現(xiàn)微生物功能在土地利用方式間存在顯著差異(圖4)。細(xì)菌功能排序軸第1軸的貢獻(xiàn)率為39.8%,排序軸第2軸的貢獻(xiàn)率為25.7%,前2軸累計(jì)解釋量為65.5%。其中,第一主成分軸上裸地、農(nóng)田、草地均聚類明顯。根據(jù)FAPROTAX算法,按照排名選取了土壤細(xì)菌群落中相對(duì)豐度排名前10的功能分組(圖5)。細(xì)菌群落功能基因中占據(jù)優(yōu)勢(shì)的是化能異養(yǎng)型和好氧化能異養(yǎng)型細(xì)菌。對(duì)照組裸地中化能異養(yǎng)型細(xì)菌相對(duì)豐度較高(10.3%),農(nóng)田(9.6%)和草地(8.2%)分別較裸地低6.8%和20.3%(P<0.05)。農(nóng)田和草地中好氧化能異養(yǎng)型細(xì)菌相對(duì)豐度為8.9%和7.5%,分別較裸地低4.3%和19.4%。此外,硝化型細(xì)菌在裸地中相對(duì)豐度較低(1.0%),農(nóng)田(1.4%)和草地(2.3%)較裸地高出40.0%和1.3倍(P<0.05)。類似地,裸地中好氧氨氧化型細(xì)菌的含量也較低(0.6%),農(nóng)田(0.9%)和草地(1.9%)分別較裸地高50%和2.2倍(P<0.05)。

圖4 不同土地利用方式土壤細(xì)菌群落功能基因預(yù)測(cè)PCoA分析Fig.4 PCoA analysis of soil bacterial community predicted by functional genes composition under different land uses

圖5 不同土地利用方式土壤細(xì)菌群落功能基因豐度 Fig.5 The abundance of soil bacterial community predicted by functional genes composition under different land uses圖中同一組柱狀圖不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)

本研究借助FUN Guild在線數(shù)據(jù)平臺(tái)(https://github.-com/UMNFuN/FUNGild),將真菌群落劃分到不同的營(yíng)養(yǎng)型(Trophic mode)和共位群(Guild)。主要營(yíng)養(yǎng)型為腐生菌,其次為病原菌和共生菌。其中腐生菌和病原菌相對(duì)豐度在不同土地利用方式中大小排序均為：裸地>農(nóng)田>草地(圖6)。Guild是一種類似于資源利用吸收所進(jìn)行的功能分類,其中包括動(dòng)物病原菌、植物病原菌、木腐生菌等。通過(guò)對(duì)Guild的預(yù)測(cè),可以從另外的生態(tài)功能角度研究真菌的功能。因此,基于不同營(yíng)養(yǎng)型對(duì)本研究中的菌群進(jìn)行了各種功能共位群的劃分,除未知的菌群外土壤真菌群落可以劃分為未定義腐生菌、植物病原菌、木腐生菌等多個(gè)功能菌群(圖7)。其中未定義腐生菌相對(duì)豐度最高(裸地vs.農(nóng)田vs.草地：23.8%vs.17.2%vs.5.5%),其次是植物病原菌。此外還有多種混合型營(yíng)養(yǎng)型共位菌群,如：寄生植物病原菌、動(dòng)物病原-植物內(nèi)生病原-木材腐生菌、寄生型真菌-植物病原菌等。本研究中共注釋到37個(gè)Guild,裸地、農(nóng)田和草地中分別注釋到31、35和28個(gè)Guild。不同土地利用方式土壤真菌功能組成相似,但優(yōu)勢(shì)功能基因相對(duì)豐度差異較大。

圖6 不同土地利用方式土壤真菌營(yíng)養(yǎng)型基因豐度 Fig.6 The abundance of soil fungal community nutrient under different land uses圖中同一組柱狀圖不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)

圖7 不同土地利用方式土壤真菌功能型基因豐度 Fig.7 The abundance of soil fungal community functional genes under different land uses圖中同一組柱狀圖不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)

2.5 土壤性狀對(duì)微生物群落和功能的影響

將不同土地利用方式下土壤理化各指標(biāo)與微生物群落、微生物功能基因豐度之間進(jìn)行了Spearman相關(guān)性分析后發(fā)現(xiàn),微生物群落和功能與土壤理化性狀之間存在不同程度相關(guān)關(guān)系(表3、表4、表5)。

SOC和TN與細(xì)菌群落OTU數(shù)之間呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05；P<0.01),而真菌群落OTU數(shù)與土壤礦質(zhì)氮含量呈負(fù)相關(guān)(P<0.05)(表3)。細(xì)菌和真菌Shannon指數(shù)分別與TN、土壤礦質(zhì)氮呈負(fù)相關(guān)(P<0.05)；真菌Chao1指數(shù)與C∶N比呈正相關(guān)(P<0.05)。細(xì)菌和真菌β-多樣性的主要影響因素分別是SMBC/SOC(P<0.01)、C∶N和礦質(zhì)氮含量(P<0.01)。此外,不同土地利用方式間細(xì)菌優(yōu)勢(shì)菌門變形菌中的α-變形菌(Alphaproteobacteria)和?-變形菌(Gammaproteobacteria)與土壤容重均呈正相關(guān)(P<0.01；P<0.05),與SOC(P<0.05)和SMBC呈負(fù)相關(guān)(P<0.01；P<0.05)(表3)。子囊菌、擔(dān)子菌和被孢霉菌門為優(yōu)勢(shì)真菌類群,但與土壤理化性狀之間無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系。

表3 微生物群落豐度及多樣性指數(shù)與土壤性狀之間相關(guān)關(guān)系Table 3 Correlations between the abundance and the diversity index of microbial and soil properties

本研究中化能異養(yǎng)型和好氧化能異養(yǎng)型細(xì)菌與土壤容重呈正相關(guān)(P<0.05)；與SOC和TN呈負(fù)相關(guān)(P<0.01)(表4)。硝化型和好氧氨氧化型細(xì)菌相對(duì)豐度與土壤容重呈負(fù)相關(guān)(P<0.01)；與SOC(P<0.01；P<0.05)、TN(P<0.05)及SMBC(P<0.01)呈正相關(guān)關(guān)系。參與硫和硫化物呼吸的細(xì)菌豐度與SOC呈正相關(guān)(P<0.05)。與細(xì)菌不同,土地利用方式對(duì)真菌營(yíng)養(yǎng)型影響較小(表5)。但是,土壤理化性狀顯著影響真菌的共位群：其中寄生植物病原菌和動(dòng)物病原-植物內(nèi)生病原-木材腐生菌均與土壤容重正相關(guān)(P<0.05；P<0.01),與SOC負(fù)相關(guān)(P<0.05；P<0.01)；動(dòng)物病原-土壤腐生菌與土壤礦質(zhì)氮含量負(fù)相關(guān)(P<0.05),蘭花菌根與土壤C∶N(P<0.05)和礦質(zhì)氮(P<0.01)分別正、負(fù)相關(guān)。

表4 細(xì)菌功能基因豐度與土壤性狀之間相關(guān)關(guān)系Table 4 Correlations between the abundance of bacterial functional genes and soil properties

表5 真菌功能型及營(yíng)養(yǎng)型基因豐度與土壤理化性狀之間相關(guān)關(guān)系Table 5 Correlations between the abundance of nutrient and functional genes of fungal community and soil properties

3 討論

3.1 土地利用方式對(duì)土壤性狀的影響

土地利用方式顯著影響土壤容重,本研究中裸地土壤容重(1.4 g/cm3)大于農(nóng)田和草地,這可能與裸地中地表裸露無(wú)植物覆蓋,地下無(wú)根系生長(zhǎng)擾動(dòng)有關(guān),韓蕾等人也得到相似的結(jié)果[33]。農(nóng)田和草地中SOC與TN含量高于裸地(表1),出現(xiàn)這一現(xiàn)象可能與不同土地利用方式中不同的植物殘茬輸入以及根系分泌物有關(guān)。同時(shí),本研究結(jié)果顯示草地中SOC和TN含量顯著高于農(nóng)田中,可能是因?yàn)檗r(nóng)田中作物覆蓋度遠(yuǎn)不如草地大,且隨著作物的連年收獲,土壤養(yǎng)分耗竭,土壤有機(jī)質(zhì)含量下降[34]。此外,苜蓿作為豆科植物具有良好的固氮能力,使得土壤礦質(zhì)氮含量在草地中較高[35],進(jìn)而刺激微生物生長(zhǎng)和繁殖并提高了SMBC含量,這與李英等[36]的研究結(jié)果存在差異,主要原因可能是不同研究區(qū)草地和農(nóng)田中植被類型的不同所導(dǎo)致。

3.2 微生物群落結(jié)構(gòu)對(duì)土壤性狀的響應(yīng)

土壤性狀顯著影響微生物群落結(jié)構(gòu)[37],本研究中SOC和TN是細(xì)菌群落OTU數(shù)的主要影響因素(表3),而真菌群落OTU數(shù)受土壤礦質(zhì)氮含量的影響,這與Guo等[38]的研究結(jié)果一致。宋賢沖等[39]發(fā)現(xiàn)土壤微生物Shannon指數(shù)與SOC、TN負(fù)相關(guān),本研究結(jié)果與之存在相似之處。此外,β-多樣性的主要影響因素是SMBC/SOC、C∶N及礦質(zhì)氮含量,這與Landesman等[40]認(rèn)為β-多樣性不受土壤養(yǎng)分影響的結(jié)論存在差異,原因可能是本研究區(qū)域不同土地利用方式下土壤理化指標(biāo)含量尚未達(dá)到滿足微生物充分生長(zhǎng)的水平,仍是制約微生物生長(zhǎng)的主要因素[41]。

不同土地利用方式間變形菌均為細(xì)菌優(yōu)勢(shì)菌門(圖2),說(shuō)明變形菌具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性[42]。據(jù)報(bào)道,變形菌的相對(duì)豐度與土壤容重呈負(fù)相關(guān)[10],與TN正相關(guān)[1]。但在本研究中α-變形菌和?-變形菌與土壤容重之間的關(guān)系與之相反,且SOC、TN和SMBC與α-變形菌和?-變形菌也存在相關(guān)關(guān)系(表3),這可能與二者屬于寡養(yǎng)型細(xì)菌有關(guān)[43]。此外,裸地中?-變形菌綱與α-變形菌綱相對(duì)豐度顯著高于草地和農(nóng)田也進(jìn)一步證實(shí)了此結(jié)論(圖2)。子囊菌、擔(dān)子菌[44]和被孢霉菌門[6]為真菌優(yōu)勢(shì)菌門,與細(xì)菌不同的是真菌群落與土壤理化指標(biāo)之間并無(wú)相關(guān)關(guān)系,這與Bahram等的研究結(jié)果相似[45],可能是因?yàn)樽幽揖蛽?dān)子菌處在較低的系統(tǒng)發(fā)育水平,對(duì)土壤養(yǎng)分不同程度的響應(yīng)[46]。

3.3 不同土地利用方式下土壤性狀的變化影響土壤微生物功能

本研究結(jié)果表明,參與土壤碳循環(huán)[47]的細(xì)菌主要為化能異養(yǎng)型和好氧化能異養(yǎng)型。這與Liang等[9]的研究結(jié)果一致。2021年Hou等[48]發(fā)現(xiàn)化能異養(yǎng)型和好氧化能異養(yǎng)型細(xì)菌相對(duì)豐度隨土壤中SOC和TN含量上升而增加,而本研究結(jié)果與之相反,一方面可能是因?yàn)镾OC含量過(guò)高時(shí)抑制了微生物對(duì)碳的同化和利用,從而導(dǎo)致異養(yǎng)型微生物量的減少；另一方面可能與Hou的研究土樣為沼澤沉積泥沙,而本研究中為旱地土壤有關(guān)。不同土地利用方式引起的土壤性狀變化對(duì)氮循環(huán)過(guò)程也存在顯著影響[13]。此外,參與氮循環(huán)的硝化型和好氧氨氧化型細(xì)菌相對(duì)豐度隨土壤容重增加而降低,隨SOC、TN及SMBC含量的增加而升高。2015年Cheng等[49]發(fā)現(xiàn)農(nóng)田土壤中增加的SOC及C∶N比促進(jìn)了硝化作用的發(fā)生,這也剛好驗(yàn)證了上述研究結(jié)果?？赡苁且?yàn)槿葜剌^低時(shí)土壤透氣性較好,氧氣供應(yīng)充足；同時(shí)較高的碳氮底物(SOC、TN)[50]勢(shì)必會(huì)加快微生物對(duì)物質(zhì)的分解轉(zhuǎn)化,并促進(jìn)氮代謝；因此,參與土壤氮循環(huán)的細(xì)菌在草地中較農(nóng)田富集。Huang等[1]發(fā)現(xiàn)土壤TN與硫化合物呼吸負(fù)相關(guān),與硫呼吸正相關(guān),而本研究中參與硫和硫化物呼吸的細(xì)菌豐度與SOC呈正相關(guān)(P<0.05),原因可能是微生物在驅(qū)動(dòng)硫化合物的氧化還原過(guò)程中也和其他元素(碳和氮等)的循環(huán)相互耦合[51]。

與細(xì)菌不同,土地利用方式對(duì)真菌營(yíng)養(yǎng)型影響較小(表5),可能是土壤容重及養(yǎng)分含量處于真菌群落適宜生活范圍之內(nèi)[44]。但是,土壤理化性狀顯著影響真菌的共位群(表5)：土壤容重、SOC對(duì)寄生植物病原菌和動(dòng)物病原-植物內(nèi)生病原-木材腐生菌；土壤礦質(zhì)氮含量對(duì)動(dòng)物病原-土壤腐生菌；土壤C∶N和礦質(zhì)氮對(duì)蘭花菌根。上述四類真菌共位群富集程度均以裸地最高(圖7)。2018年關(guān)于長(zhǎng)期水稻田的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),植物病原菌不受土壤理化性狀的影響,動(dòng)物病原菌易在養(yǎng)分較低的環(huán)境中生存,而叢枝菌根、外生菌及內(nèi)生菌更偏好于養(yǎng)分較高的土壤環(huán)境[44]。這與本研究結(jié)果不一致的原因可能與土壤類型的不同有關(guān)。2021年Zhang等[52]認(rèn)為土壤腐生型真菌相對(duì)豐度隨土壤中有機(jī)質(zhì)含量上升而增加,這與本研究趨勢(shì)相反。導(dǎo)致出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是不同研究中田間管理措施的不同。腐生菌可以分解大量難分解碳[8],它們與碳循環(huán)密切相關(guān),故農(nóng)田土壤環(huán)境更有利于土壤碳循環(huán)過(guò)程的發(fā)生。

4 結(jié)論

不同土地利用方式中土壤微生物群落優(yōu)勢(shì)菌群相對(duì)豐度及功能基因相對(duì)豐度存在差異,主要是受不同土地利用方式引起的土壤性狀變化影響。細(xì)菌群落變化主要與土壤容重、TN、礦質(zhì)氮、C∶N比和微生物量碳有關(guān),而真菌群落與土壤礦質(zhì)氮有關(guān)；化能異養(yǎng)型、好氧化能異養(yǎng)型、硝化型、好氧氨氧化型細(xì)菌豐度均隨土壤容重、SOC、TN及微生物量碳變化；與細(xì)菌不同,土地利用方式對(duì)真菌營(yíng)養(yǎng)型影響較小。因此,相比于草地,細(xì)菌優(yōu)勢(shì)菌群變形菌和放線菌,以及真菌優(yōu)勢(shì)菌群子囊菌和擔(dān)子菌較宜生存于農(nóng)田土壤；參與土壤碳循環(huán)的化能異養(yǎng)型和好氧化能異養(yǎng)型細(xì)菌及腐生型真菌也主要富集在農(nóng)田土壤中；而參與氮循環(huán)的硝化型和好氧氨氧化型細(xì)菌主要富集在草地中。所以土地利用驅(qū)動(dòng)的土壤容重和碳氮變化影響微生物的群落結(jié)構(gòu)和功能。