王志遠(yuǎn),阮彥楠,王 偉,陳檢鋒,趙文軍,陳 華,付利波
(1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所,昆明 650205;2.昆明學(xué)院,昆明 650205;3.紅塔煙草(集團(tuán))有限責(zé)任公司原料部,云南 玉溪 653100)
【研究意義】煙草是中國(guó)的一種重要經(jīng)濟(jì)作物,其在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著關(guān)鍵作用。云南省是中國(guó)主要煙草產(chǎn)區(qū)之一,煙草也逐步成為云南省的一個(gè)支柱產(chǎn)業(yè)[1]。相關(guān)研究表明,合理的施肥措施是提高煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵核心技術(shù),在一定的生態(tài)環(huán)境和品種條件下,合理施肥能提高煙葉地上部分有機(jī)物的合成量,形成合理的C/N比[2-3],因此掌握煙草合理的施肥措施,是提升云南省煙草產(chǎn)量和品質(zhì)的重中之重?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】云南植煙土壤因長(zhǎng)期的不合理的施肥方式造成了云南植煙土壤的一系列生產(chǎn)問(wèn)題,特別是造成了土壤養(yǎng)分失調(diào)、土壤生物代謝過(guò)程受阻等問(wèn)題抑制了烤煙生長(zhǎng),從而導(dǎo)致煙葉品質(zhì)下降??梢钥闯鲩L(zhǎng)期不合理施肥嚴(yán)重影響云南省烤煙生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展[4-6]。王日俊等[7]研究表明,合理施肥能使烤煙的平均產(chǎn)量增加4.68%,并顯著提升了上等煙葉比例13.55%,所以合理的施肥措施可以提高煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)。土壤微生物是土壤生態(tài)過(guò)程的核心和重要組成部分,在Balvanera等[8]的研究中,微生物的多樣性對(duì)大多數(shù)的生態(tài)系統(tǒng)有積極的影響,包括在土壤生態(tài)系統(tǒng)中。土壤微生物結(jié)構(gòu)和功能可以有效地反映土壤質(zhì)量的變化、衡量土壤可持續(xù)發(fā)展,是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量及土壤生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的重要指標(biāo)[9]。Fierer等[10]發(fā)現(xiàn),土壤微生物可以增加土壤肥力,提高作物的產(chǎn)量,并改善陸地生態(tài)系統(tǒng)。土壤微生物在土壤有機(jī)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化分解[11]、養(yǎng)分元素的循環(huán)與利用[12]、土傳病害抑制等方面發(fā)揮著重要的作用。在Hartmann[13]的研究中,采用有機(jī)耕作和施肥的方式可以提高土壤微生物的豐富性,增加有機(jī)質(zhì)的分解和土壤肥力,并改變了土壤微生物群的結(jié)構(gòu)。土壤微生物是土壤肥力的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子,前人研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期合理施肥和土壤管理增加土壤細(xì)菌多樣性,改善了土壤養(yǎng)分質(zhì)量,支持了富營(yíng)養(yǎng)化生態(tài)系統(tǒng)[14],因此土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性信息對(duì)于揭示科學(xué)施肥措施與土壤肥力和作物生產(chǎn)力提高的作用機(jī)制具有重要意義?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】通過(guò)16S rRNA 高通量測(cè)序技術(shù)能檢測(cè)土壤樣品中微生物群落組成及其相對(duì)豐度,相較于傳統(tǒng)的微生物多樣性研究方法,高通量測(cè)序技術(shù)具有測(cè)出的數(shù)據(jù)量大、速度快,能夠直接反映出土壤DNA的豐度,低成本等優(yōu)勢(shì)[15]?!緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究通過(guò)研究不同施肥條件下煙田土壤中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成差異,試圖從土壤微生物多樣性的角度解釋不同施肥處理下土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的變化,以期為云南省煙草產(chǎn)區(qū)土壤的可持續(xù)耕作管理提供科學(xué)依據(jù)。
試驗(yàn)地于2019年在云南省澄江縣龍街鎮(zhèn)后香村(東經(jīng)102°52′55″,北緯24°38′58″),海拔1698 m。供試土壤為水稻土,試驗(yàn)烤煙品種為當(dāng)?shù)刂髟云贩NK326,種植規(guī)格為行距120 cm,株距60 cm。試驗(yàn)所用肥料:氮肥為硝酸銨鈣(含N 15.5%),磷肥為過(guò)磷酸鈣(含P2O516%),鉀肥為硫酸鉀(含K2O 50%)。
在種植烤煙前,將同一試驗(yàn)地分為3個(gè)大區(qū),每個(gè)大區(qū)700 m2,試驗(yàn)前對(duì)大區(qū)進(jìn)行裂區(qū)處理,每個(gè)大區(qū)裂為10個(gè)小區(qū),設(shè)置10個(gè)處理(表1),采用隨機(jī)區(qū)組分別設(shè)置3次重復(fù),其他生產(chǎn)技術(shù)按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)部門推薦技術(shù)操作。
表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
2019年在云南省澄江縣龍街鎮(zhèn)后香村烤煙實(shí)驗(yàn)田采集煙葉收獲后(70 d)土壤樣品,采樣時(shí)去除表層0~2 cm的土壤,拔出煙株,收集粘附在根系上的0~4 cm的土壤,再分別對(duì)每個(gè)小區(qū)隨機(jī)取5個(gè)煙株樣點(diǎn)混合為1個(gè)樣品,低溫下保存并及時(shí)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。將采集的土壤樣品過(guò)10 mm篩,去除試驗(yàn)土壤中的煙草根系殘?bào)w和未分解完全的秸稈殘?bào)w,再將處理好的土壤放入取樣袋中,于-80 ℃低溫冰箱下保存待用。
1.4.1 土壤樣品總DNA提取 土壤總DNA使用Fast DNA Spin Kit for Soil(MP Biomedicals,Santa Ana,CA,USA)試劑盒進(jìn)行土壤DNA提取,提取步驟依照試劑盒說(shuō)明進(jìn)行,每樣品3次平行,將已提取的DNA保存在-20 ℃冰箱內(nèi)以待后續(xù)測(cè)試。
1.4.2 細(xì)菌16S rRNA的PCR擴(kuò)增 以提取的土壤微生物總DNA為模板,將細(xì)菌16S rRNA基因在V3~V5區(qū)的特異性基因經(jīng)PCR擴(kuò)增,并將擴(kuò)增的產(chǎn)物克隆到載體上,對(duì)陽(yáng)性克隆子進(jìn)行挑選培養(yǎng)并測(cè)序;所得序列與NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/)進(jìn)行同源性比對(duì)分析,用紫外分光光度計(jì)測(cè)定其DNA濃度,制成標(biāo)準(zhǔn)品。用無(wú)菌水稀釋標(biāo)準(zhǔn)品至1 ng/μL,并將其作為模板放在熒光定量?jī)x上進(jìn)行PCR擴(kuò)增,建立反映定量PCR的Ct閾值與質(zhì)??截悢?shù)濃度對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線。通過(guò)檢測(cè)不同處理DNA樣品經(jīng)PCR擴(kuò)增后得到的Ct值,進(jìn)而得出特異性基因片段拷貝數(shù)目。
1.5.1 微生物數(shù)據(jù)分析 通過(guò)軟件 UCULT(3.1.0)對(duì)獲得的每個(gè)樣品16S rRNA 有效序列比對(duì)結(jié)果并進(jìn)行聚類,將相似度>97%的有效序列歸為同一個(gè) OTU(Operational taxonomic units,操作分類單位)。對(duì)得到的OUT數(shù)據(jù)集基于 R 3.6.3 軟件的phyloseq包和microbiome包進(jìn)行細(xì)菌群落多樣性分析。α多樣性指數(shù)可以反映土壤微生物群落變化和物種的豐度和多樣性[16]。土壤中觀測(cè)到的細(xì)菌OTU數(shù)量,可以描述土壤中檢測(cè)到的細(xì)菌物種的豐度,Shannon 指數(shù)可以描述土壤中微生物群落的多樣性,指數(shù)越小群落的物種多樣性越小,反之則越大,Simpson 指數(shù)可以描述土壤微生物群落中常見(jiàn)的物種優(yōu)勢(shì)程度,即物種均勻度[17-18]。本研究中關(guān)注的α多樣性是指對(duì)物種多樣性進(jìn)行分析,包括觀測(cè)到的OUT數(shù)量(Observed)、Simpson以及Shannon 3個(gè)指數(shù)[19-20]。通過(guò)以上3個(gè)指數(shù)評(píng)價(jià)煙田細(xì)菌的群落多樣性。
1.5.2 不同施肥處理的差異分析 通過(guò)線性模型檢驗(yàn)不同施肥梯度下土壤細(xì)菌群落多樣性的差異效應(yīng)及交互作用。P×K互作處理為氮施用量為90 kg/hm2時(shí)不同磷、鉀梯度,包括P0K2、P1K2、P2K0、P2K1、P2K2、P2K3、P3K2;N×K互作處理為磷施用量為45 kg/hm2時(shí)不同氮、鉀梯度,包括N0K2、N1K2、N2K0、N2K1、N2K2、N2K3、N3K2;N×P互作處理為鉀施用量為270 kg/hm2時(shí)不同氮、磷梯度,包括N0P2、N1P2、N2P0、N2P1、N2P2、N2P3、N3P2;其中P0=0 kg/hm2,P1=22.5 kg/hm2,P2=45 kg/hm2,P3=67.5 kg/hm2;K0=0 kg/hm2,K1=135 kg/hm2,K2=270 kg/hm2,K3=405 kg/hm2;N0=0 kg/hm2,N1=45 kg/hm2,N2=90 kg/hm2,N3=135 kg/hm2。采用的統(tǒng)計(jì)分析軟件為 R studio 3.6.3,所用的數(shù)據(jù)分析包為nlme。
圖1表明,細(xì)菌在門水平上有21個(gè)種群,其中7個(gè)優(yōu)勢(shì)種群(每個(gè)種群相對(duì)豐度>1%)依次為變形菌門(Proteobacteria),酸桿菌門(Acidobacteria),放線菌門(Actinobacteria),擬桿菌門(Bacteroidetes),芽單胞菌門(Gemmatimonadetes),綠彎菌門(Chloroflexi),厚壁菌門(Firmicutes)。
圖1 不同氮、磷、鉀梯度下細(xì)菌門水平相對(duì)豐度
在氮梯度(N0、N1、N2、N3)處理中,變形菌門相對(duì)豐度分別為37.50%、39.51%、39.98%和40.05%,酸桿菌門為17.32%、12.74%、13.72%和14.42%,放線菌門為16.62%、17.93%、18.23%和16.92%,擬桿菌門為7.98%、9.37%、8.88%和9.56%,芽單胞菌門為7.37%、6.88%、6.95%和7.27%,綠彎 菌門為6.92%、6.79%、6.42%和5.66%,厚壁菌門為3.00%、2.88%、2.68%和2.91%;在不同氮梯度處理下,變形菌門,擬桿菌門和放線菌門相對(duì)豐度上升,分別上升至39.51%~40.05%、8.88%~9.56%和6.92%~18.23%;而酸桿菌門,芽單胞菌門,綠彎菌門和厚壁菌門相對(duì)豐度下降,分別下降至12.74%~14.42%、6.88%~7.27%、5.66%~6.79%和2.68%~2.91%。
在磷梯度(P0、P1、P2、P3)處理中,變形菌門相對(duì)豐度分別為46.40%、38.85%、39.98%和38.29%,酸桿菌門為13.20%、15.16%、13.72%和14.65%,放線菌門為15.68%、18.40%、18.23%和20.69%,擬桿菌門為9.34%、8.41%、8.88%和7.88%,芽單胞菌門為5.30%、6.30%、6.95%和6.75%,綠彎菌門為4.56%、6.19%、6.42%、5.99%,厚壁菌門為2.36%、3.52%、2.67%和3.00%;在不同磷梯度處理下,酸桿菌門,放線菌門,綠彎菌門,芽單胞菌門和厚壁菌門相對(duì)豐度上升,分別上升至13.72%~15.16%、18.23%~20.69%、5.99%~6.42%、6.30%~6.95%和2.67%~3.52%;而變形菌門和擬桿菌門相對(duì)豐度下降,分別下降至38.29%~39.98% 和7.88%~8.41%。
在鉀梯度(K0、K1、K2、K3)處理中,變形菌門相對(duì)豐度分別為40.94%、40.01%、39.98%和40.36%,酸桿菌門為17.67%、19.24%1、3.72%和17.03%,放線菌門為14.16%、13.19%、18.23%和14.13%,擬桿菌門為8.60%、9.54%、8.88%和9.83%,芽單胞菌門為7.27%、6.27%、6.95%和6.49%,綠彎菌門為6.20%、5.81%、6.42%和5.77%,厚壁菌門為1.88%、2.49%、2.67%和3.27%。在不同鉀梯度處理下,擬桿菌門,厚壁菌門相對(duì)豐度上升,分別上升至8.88%~9.83%和2.49%~3.27%;而變形菌門,芽單胞菌門相對(duì)豐度下降,分別下降至39.98%~40.36%和6.27%~6.95%;而在酸桿菌門,放線菌門和綠彎菌門中相對(duì)豐度有上升也有下降,但相對(duì)豐度也在0.22%~4.07%波動(dòng)。
由圖2可知,不同氮梯度和不同鉀梯度條件對(duì)土壤細(xì)菌的3個(gè)多樣性指數(shù)的影響相較于不同磷梯度處理下影響較低。不同磷梯度條件下,在磷施用量為67.5 kg/hm2時(shí),土壤微生物3個(gè)α多樣性指數(shù)分別為OUT=1494(P=0.067),Shannon=5.98(P=0.016)和Simpson=0.9891(P=0.043),顯著低于其他處理組;在不施磷處理的條件下各指數(shù)也相對(duì)較低,分別為OUT=1512(P=0.067),Shannon=6.05(P=0.016)和Simpson=0.9919(P=0.043)。在磷施用量為45 kg/hm2條件下,觀察到OUT=1530(P=0.067),數(shù)值最高;在施磷22.5和45 kg/hm2條件下,Shannon和Simpson指數(shù)差異不明顯。
圖中小寫(xiě)字母表示處理間差異,*表示P<0.05,**表示P<0.1
圖3表明,在N=90 kg/hm2的處理中,不同磷、鉀組合梯度下發(fā)現(xiàn),磷、鉀不同養(yǎng)分梯度組合可顯著改變土壤優(yōu)勢(shì)種群變形菌門的Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù);其中當(dāng)磷和鉀(P2K3)的施用量分別為45和405 kg/hm2時(shí),Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)分別為4.640(P=0.049)和0.967(P=0.053),顯著低于其他處理組;當(dāng)磷和鉀(P1K2)的施用量分別為22.5和270 kg/hm2時(shí),Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)分別為4.87(P=0.049)和0.976(P=0.053)。在P=45 kg/hm2的處理中,不同氮、鉀組合梯度下,未發(fā)現(xiàn)顯著改變土壤優(yōu)勢(shì)種群變形菌門的α多樣性指數(shù)的效應(yīng),但是當(dāng)?shù)外?N2K3)施用量分別為90和405 kg/hm2時(shí),變形菌門的Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)分別為4.640(P=0.370)和0.967(P=0.444),相對(duì)低于其他處理組。
圖3 不同養(yǎng)分互作條件下優(yōu)勢(shì)種群變形菌門α多樣性
在自然生態(tài)系統(tǒng)中無(wú)人為干擾的條件下,土壤生物在維持土壤養(yǎng)分動(dòng)態(tài)循壞平衡中發(fā)揮著重要的作用[21]。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中由于人類的集約化耕作措施的影響,想維持土壤中養(yǎng)分平衡,施用有機(jī)肥、無(wú)機(jī)肥或有機(jī)無(wú)機(jī)混合肥是最有效并快速補(bǔ)充土壤養(yǎng)分的重要方法[22]。化肥能為作物提供大量的N、P、K用于合成植物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),不同的施肥量往往對(duì)土壤中微生物的影響也不同,煙田施用肥料的種類和用量,均會(huì)對(duì)土壤性質(zhì)和微生物群落組成和結(jié)構(gòu)功能產(chǎn)生影響[23]。研究表明,氮和鉀對(duì)烤煙產(chǎn)量及品質(zhì)具有非常重要的影響[24],因此植煙土壤中氮和鉀通常殘留量很大;本研究雖然設(shè)置了不同量梯度的氮和鉀處理,可能由于殘留因素,不同氮和鉀梯度處理對(duì)土壤細(xì)菌3個(gè)多樣性指數(shù)影響表現(xiàn)無(wú)明顯差異,但不同磷梯度處理對(duì)土壤細(xì)菌3個(gè)多樣性指數(shù)的影響具有一定的差異。
土壤微生物多樣性與群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能穩(wěn)定性之間總體上存在線性關(guān)系,一般情況下,土壤微生物豐度越高、群落組成結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,土壤微生態(tài)的功能穩(wěn)定性越強(qiáng)[8],不均衡的施肥會(huì)導(dǎo)致土壤有效養(yǎng)分失衡,生產(chǎn)力下降,從而抑制土壤微生物活性,不利于參與土壤養(yǎng)分循環(huán)的微生物繁殖,進(jìn)而導(dǎo)致土壤微生物多樣性的下降[25]。土壤微生物豐度下降,導(dǎo)致土壤性質(zhì)和土壤微生物群落對(duì)環(huán)境的應(yīng)變能力降低、土壤微生態(tài)的穩(wěn)定性下降,而當(dāng)土壤微生物群落的豐度較高時(shí),能夠“持有”和“表達(dá)”不同的功能過(guò)程,群落才能更好適應(yīng)環(huán)境,進(jìn)而維持其功能[26-27]。在本研究不同養(yǎng)分互作條件下優(yōu)勢(shì)種群變形菌門α多樣性比較中,發(fā)現(xiàn)在N=90 kg/hm2的處理中,不同磷、鉀組合梯度可顯著改變土壤優(yōu)勢(shì)種群變形菌門的Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù),說(shuō)明在N=90 kg/hm2基礎(chǔ)上,磷、鉀的不同養(yǎng)分梯度均能顯著改變土壤微生物群落豐度。
通過(guò)研究不同施肥條件下煙田土壤中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成差異,試圖從土壤微生物多樣性的角度解釋不同施肥處理下土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的變化。玉鈺等[28]研究表明,在煙田長(zhǎng)期施用有機(jī)肥或有機(jī)無(wú)極混合肥會(huì)明顯提高土壤質(zhì)量,增加土壤細(xì)菌豐富度,維持煙田土壤質(zhì)量和微生物結(jié)構(gòu)。反之,土壤微生物的組成結(jié)構(gòu)和豐度也映土壤質(zhì)量。微生物的群落豐度越高,土壤的物質(zhì)代謝越快,土壤質(zhì)量越好。有研究表明,土壤微生物群落多樣性與土壤養(yǎng)分含量呈正相關(guān)[29],而土壤微生物的組成結(jié)構(gòu)也反映土壤質(zhì)量,在煙田土壤微生物組成中,細(xì)菌數(shù)量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),其次是放線菌,真菌數(shù)量最少[30],本次試驗(yàn)占比最多的細(xì)菌優(yōu)勢(shì)門類為變形菌門(Proteobacteria),酸桿菌門(Acidobacteria),放線菌門(Actinobacteria),擬桿菌門(Bacteroidetes),芽單胞菌門(Gemmatimonadetes),綠彎菌門(Chloroflexi),厚壁菌門(Firmicutes),這些優(yōu)勢(shì)群落占所有有效序列的90%以上,這與楊帥等[31]的在不同輪作方式下煙田土壤細(xì)菌群落組成類似。土壤真菌群落主要由子囊菌、擔(dān)子菌和接合菌構(gòu)成,子囊菌為優(yōu)勢(shì)菌群[32]。本次試驗(yàn)未研究云南植煙土壤真菌群落結(jié)構(gòu)與多樣性,但有研究表明,土壤真菌群落對(duì)烤煙產(chǎn)量有顯著的負(fù)效應(yīng),真菌群落豐度和群落多樣性對(duì)煙草有一定的負(fù)影響[33]。綜上所述,煙田合理的施肥制度能增加有益細(xì)菌并降低病原真菌的豐度和群落多樣性,這些復(fù)雜的土壤微生物組成結(jié)構(gòu)和豐度共同作用于土壤物質(zhì)代謝循環(huán),反映土壤質(zhì)量,最終影響煙草產(chǎn)量和品質(zhì)。
試驗(yàn)通過(guò)16S rRNA 高通量測(cè)序技術(shù)檢測(cè)云南植煙土壤微生物群落組成及其相對(duì)豐度,克服了傳統(tǒng)微生物多樣性研究方法的局限性,能更迅速、直接、低成本反映出土壤DNA的豐度[15]。這些研究有助于明確如何通過(guò)合理施肥來(lái)管理土壤微生物,增加土壤微生物群落多樣性,相關(guān)研究表明,適宜施肥方式可以有效改善煙田土壤微生物,穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)和土壤微生態(tài)環(huán)境,提高煙草產(chǎn)量和品質(zhì)[34],最終促進(jìn)種地與養(yǎng)地相結(jié)合的煙田資源可持續(xù)利用提供依據(jù)。
本研究表明,在煙草根際土壤中,不同梯度施用量的氮、磷、鉀在提高土壤養(yǎng)分的同時(shí),也提高了土壤微生物的豐富度,氮、磷、鉀不同養(yǎng)分梯度組合顯著改變了土壤優(yōu)勢(shì)種群變形菌門的多樣性。在煙田中不同施肥處理?xiàng)l件下土壤細(xì)菌域有7個(gè)優(yōu)勢(shì)種群,依次為變形菌門,酸桿菌門,放線菌門,擬桿菌門,芽單胞菌門,綠彎菌門,厚壁菌門,這些優(yōu)勢(shì)群落占所有有效序列的90%以上,相對(duì)于不同氮、鉀梯度施用量,不同磷梯度的養(yǎng)分用量對(duì)煙田土壤細(xì)菌群落的多樣性具有顯著影響。在不同梯度施肥作用條件下,施肥改變了土壤的主要化學(xué)性質(zhì),進(jìn)而導(dǎo)致了土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的改變,合理的施肥制度能很好的保持土壤微生物群落生態(tài)系統(tǒng),促進(jìn)種地與養(yǎng)地相結(jié)合的煙田資源可持續(xù)利用。