曾廣娟, 馮 陽, 吳 舒, 彭紅麗, 耿世剛

(1.河北環(huán)境工程學(xué)院,河北秦皇島 066102; 2.企美實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司,河北邯鄲 057150)

長(zhǎng)期以來高強(qiáng)度地掠奪性種植和化肥農(nóng)藥引發(fā)的耕地質(zhì)量下降問題已成為制約中國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。因此,有機(jī)農(nóng)業(yè)應(yīng)時(shí)而生,有機(jī)農(nóng)業(yè)更強(qiáng)調(diào)對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)及注重土壤的健康。豐富而穩(wěn)定的土壤微生物多樣性是維持土壤肥力和土壤健康的核心與關(guān)鍵,土壤細(xì)菌的豐富度和多樣性對(duì)于維持土壤生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)揮著關(guān)鍵作用[1],在綠色發(fā)展大背景下土壤微生物在未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中將扮演越來越重要的角色。因此,探索有機(jī)與常規(guī)種植土壤細(xì)菌群落多樣性對(duì)建立高效、安全、資源節(jié)約、環(huán)境友好的有機(jī)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要作用。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)有機(jī)種植與常規(guī)種植2種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的農(nóng)作物產(chǎn)量與品質(zhì)[2-3]、土壤環(huán)境質(zhì)量[4-6]、土壤肥力效應(yīng)[7-9]、根際代謝產(chǎn)物[10]、不同種植方式對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響[11-12]等角度開展了相關(guān)研究,認(rèn)為與常規(guī)種植方式相比,有機(jī)種植方式在各方面顯示出顯著的優(yōu)越性。隨著土壤生物技術(shù)的發(fā)展和不斷完善,土壤微生物研究迅速成為國際科學(xué)研究熱點(diǎn)之一。汪潤(rùn)池等認(rèn)為,有機(jī)種植地塊的土壤微生物群落特征的綜合評(píng)分高于常規(guī)種植地塊[13]。馮海瑋等研究證明,有機(jī)種植麥田中細(xì)菌種群更為豐富,有機(jī)種植可以增加土壤細(xì)菌多樣性,且不同土層細(xì)菌多樣性存在差異[14]。黃化剛等對(duì)喀斯特地區(qū)由常規(guī)種植轉(zhuǎn)為有機(jī)種植的煙田微生物的分析表明,土壤有益微生物類群數(shù)量增加,細(xì)菌以變形菌門、放線菌門、酸桿菌門占優(yōu)勢(shì)[15]。微生物多樣性越高的土壤,表現(xiàn)出更復(fù)雜的生態(tài)功能、更高的抗環(huán)境脅迫和作物生產(chǎn)能力[16-17]。土壤微生物數(shù)量巨大、種類豐富,但能夠被鑒定的微生物種類不足5%[18],隨著高通量測(cè)序平臺(tái)的發(fā)展,更多低豐富群落物種被鑒定,提高了微生物群落研究的完整性,成為了研究微生物群落多樣性的重要手段。然而,采用高通量測(cè)序技術(shù)探究有機(jī)種植與常規(guī)種植蔬菜地土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)多樣性的差異研究尚鮮見報(bào)道。采用Illumina測(cè)序技術(shù)對(duì)2種不同種植方式土壤細(xì)菌群落的組成和多樣性進(jìn)行分析,以期為保護(hù)土壤微生物多樣性、保持土壤肥力、維護(hù)土壤健康、建立合理的種植方式提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 材料

研究區(qū)位于河北省邯鄲市永年區(qū)企美實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司南王莊有機(jī)蔬菜種植基地和隔離帶外的常規(guī)種植基地(36°37′N,114°41′E),面積均為1.33 hm2,為鮮食大豆和西蘭花輪種,土壤為褐土。南王莊有機(jī)蔬菜種植基地2018年開始進(jìn)行有機(jī)蔬菜種植,開始有機(jī)種植前2種植基地土壤的經(jīng)營管理狀況一致。有機(jī)種植基地施用肥料為公司自制羊糞 30 000 kg/(hm2·年),常規(guī)種植區(qū)域施用肥料為 1 500 kg化肥/(hm2·年);有機(jī)肥在3月初施入,化肥根據(jù)蔬菜生長(zhǎng)狀況于生長(zhǎng)季節(jié)施入。

1.2 土壤樣品采集

鮮食大豆于2021年7月底采收,西蘭花于8月初栽植,2021年8月25日在2基地內(nèi)各設(shè)置2個(gè) 10 m×10 m的樣方,每個(gè)樣方按梅花形采樣法,分別挖取0～15 cm和15～30 cm土壤樣品并相同土層多點(diǎn)混合而成,所有樣品分成2份,1份置于 -80 ℃ 保存用于土壤高通量測(cè)序,1份風(fēng)干后用于土壤化學(xué)性質(zhì)測(cè)定。有機(jī)種植樣地的土壤樣品記為YJ1(0～15 cm)、YJ2(15～30 cm);常規(guī)種植樣地的土壤樣品為CK1(0～15 cm)和CK2(15～30 cm)。

1.3 土壤細(xì)菌群落分析

采用CTAB法從樣品中提取總基因組DNA,在1%瓊脂糖凝膠上監(jiān)測(cè)濃度及純度;依據(jù)16S rRNA基因的變異區(qū)域,利用保守區(qū)設(shè)計(jì)通用引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增;對(duì)PCR產(chǎn)物進(jìn)行純化;使用TruSeqDNA PCR-Free樣品制備試劑盒生成測(cè)序文庫(Illumina);對(duì)高變區(qū)進(jìn)行測(cè)序分析和菌種鑒定。

1.4 土壤理化性質(zhì)測(cè)定

土壤有機(jī)質(zhì)的測(cè)定采用重鉻酸鉀氧化-容量法,全氮測(cè)定采用凱氏定氮法,全磷測(cè)定采用硫酸-高氯酸消煮法,全鉀的測(cè)定采用NaOH熔融-火焰光度法,土壤pH值測(cè)定采用電位法。

1.5 數(shù)據(jù)處理

基于Illumina NovaSeq 測(cè)序平臺(tái),利用雙端測(cè)序的方法,進(jìn)行PE250雙末端測(cè)序,測(cè)序得到的下機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接和質(zhì)控,得到Clean Tags,再進(jìn)行嵌合體過濾,得到可用于后續(xù)分析的有效數(shù)據(jù)。以97%的一致性將序列聚類成為OTU(operational taxonomic units),共得到8 792個(gè)OTU,然后對(duì)OTU序列與Silva138數(shù)據(jù)庫進(jìn)行物種注釋。根據(jù)物種注釋情況,進(jìn)行組間細(xì)菌相對(duì)豐度比較及進(jìn)一步計(jì)算α多樣性,進(jìn)行組間差異的比較,揭示不同種植方式下土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的差異特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)種植與常規(guī)種植土壤化學(xué)性質(zhì)分析

由測(cè)定結(jié)果(表1)可知,有機(jī)種植與常規(guī)種植土壤均為弱堿性,表層土壤pH值低于深層土壤,有機(jī)種植土壤pH值低于同土層常規(guī)種植pH值。相同土層土壤有機(jī)質(zhì)以有機(jī)種植方式高,表層土壤高于深層土壤,變化趨勢(shì)為YJ1>CK1>YJ2>CK2,表層與深層表現(xiàn)出了顯著性差別;土壤全氮、全磷、全鉀表現(xiàn)出了相同變化趨勢(shì),為CK1>CK2>YJ1>YJ2;方差分析(ANOVA)和LSD多重比較顯示不同種植方式土壤化學(xué)性質(zhì)存在顯著差別(P<0.05)。

2.2 有機(jī)種植與常規(guī)種植土壤細(xì)菌OTU分布

由測(cè)序結(jié)果(圖1)可知,隨著測(cè)序量的增加,4組土壤樣品的稀釋曲線逐漸趨于平緩,提示測(cè)序數(shù)據(jù)量漸進(jìn)合理,更多的數(shù)據(jù)量?jī)H會(huì)產(chǎn)生少量新的物種(OTU)[19]。所有樣品的測(cè)序覆蓋度均在97%以上,證明本次試驗(yàn)取樣量基本合理,可開展后續(xù)的多樣性分析,能真實(shí)反映有機(jī)種植和常規(guī)種植土壤細(xì)菌的群落組成。

對(duì)Illumina NovaSeq測(cè)序所得土壤樣品數(shù)據(jù)經(jīng)質(zhì)檢后,所有樣品獲得的細(xì)菌有效序列總數(shù)為 206 946 條,4組12個(gè)土壤樣品的8 792個(gè)OTU分屬于88門152綱319目446科841屬371種。

由圖2、圖3可知,Venn圖中有機(jī)種植與常規(guī)種植土壤細(xì)菌共有的OTU數(shù)是1 955個(gè),占總數(shù)的23.4%。YJ1特有的OTU數(shù)最高,為845個(gè),占總數(shù)的10.1%;CK1特有的OTU為819個(gè),占比9.8%;YJ2為686個(gè),占總數(shù)的比例為8.2%;CK2特有的OTU數(shù)量最低,為672個(gè),占總數(shù)的8.0%。表明不同種植方式不同土層細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)有一定相似性,同時(shí)表現(xiàn)出特異性,以YJ1土壤細(xì)菌特有的OTU最高,可能與種植方式有密切關(guān)系。

2.3 有機(jī)種植與常規(guī)種植方式土壤細(xì)菌α多樣性指數(shù)分析

由表2可知,α多樣性指數(shù)分析中,分別對(duì)4個(gè)樣品的observed_species指數(shù)、Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)、Chao1指數(shù)、ACE指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),使用方差分析(ANOVA)和LSD多重比較探究不同樣品的差異顯著性,YJ1的5個(gè)指數(shù)均為最大,除observed_species指數(shù)外,YJ1在上述4個(gè)指數(shù)分別與YJ2、CK1、CK2存在顯著差別(P<0.05),表明YJ1細(xì)菌群落的豐富度、物種的均勻度均為最高。

表2 有機(jī)種植與常規(guī)種植土壤細(xì)菌Alpha多樣性指數(shù)比較

2.4 有機(jī)種植與常規(guī)種植土壤細(xì)菌相對(duì)豐度分析

由圖3可知,物種注釋結(jié)果,YJ1、YJ2、CK1、CK2樣品土壤細(xì)菌在門分類水平上屬于88個(gè)門,相對(duì)豐度排名前10的細(xì)菌門依次為變形菌門(Proteobacteria)、unidentified_Bacteria、酸桿菌門(Acidobacteriota)、泉古菌門(Crenarchaeota)、放線菌門(Actinobacteriota)、綠彎菌門(Chloroflexi)、擬桿菌門(Bacteroidota)、甲基肌酐菌門(Methylomirabilota)、黏菌門(Myxococcota)、厚壁菌門(Firmicutes),10個(gè)菌門的相對(duì)豐度在樣本YJ1、YJ2、CK1、CK2中占所有菌門的比例分別為77.17%、78.66%、80.83%、78.67%。以變形菌門(相對(duì)豐度18.10%～27.86%)和酸桿菌門(相對(duì)豐度8.10%～14.74%)2大菌門占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。進(jìn)一步LSD多重比較顯示,放線菌門、綠彎菌門和甲基肌酐菌門3個(gè)菌門的相對(duì)豐度以有機(jī)種植的不同土層豐度高,與常規(guī)種植表現(xiàn)出顯著差異(P<0.05);而常規(guī)種植中變形菌門、酸桿菌門、擬桿菌門和厚壁菌門4個(gè)菌門的相對(duì)豐度顯著高于有機(jī)種植(P<0.05)。由表3可知,相同種植方式的不同土層間,YJ1和YJ2在門水平未表現(xiàn)出顯著性差異;而常規(guī)種植中,酸桿菌門、擬桿菌門和厚壁菌門在CK1和CK2間的相對(duì)豐度差異顯著(P<0.05)。而泉古菌門和黏菌門在有機(jī)種植與常規(guī)種植不同土層中的相對(duì)豐度接近,未表現(xiàn)出顯著差別。

表3 有機(jī)種植與常規(guī)種植不同深度土壤細(xì)菌在門水平的相對(duì)豐度差異分析

高通量測(cè)序顯示,4個(gè)樣品共分屬于841屬,其中優(yōu)勢(shì)菌屬(相對(duì)豐度>1%)為MND1、Sphingomonas、Haliangium、Dongia。由圖4可知,屬水平聚類豐度熱圖,YJ1樣品細(xì)菌豐度較大的屬包括MND1、Haliangium和Dongia,Dongia在YJ2樣品中豐度也較高,但Haliangium和Dongia在CK1和CK2中豐度明顯降低甚至消失;在YJ2樣品中豐度較高而在CK1和CK2中豐度較低或幾乎接近零的屬包括oc32、MIZ17、Pelagibius、Castellaniella、Gaiella、Candidatus_Nitrososphaera、Lysobacter。在CK1豐度較大但在其他樣品豐度極低的屬是Faecalibacterium和Ellin6055,CK1和CK2豐度同時(shí)較高的屬是Massilia、Flavisolibacter、Steroidobacter、Pontibacter、Sphingomonas、YC-ZSS-LKJ147、SWB02、Bacillus、Bryobacter、RB41和Pseudoxanthomonas;CK1和YJ1豐度均較高的屬有Lactobacillus、Candidatus_Entotheonella和Skermanella。CK2和YJ2豐度都較高的屬是Ralstonia和Pseudomonas。

2.4 有機(jī)種植與常規(guī)種植土壤細(xì)菌群落組成分析

為探究有機(jī)種植與常規(guī)種植土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異,基于weighted Unifrac距離進(jìn)行主坐標(biāo)分析(PCoA)。由圖5可知,pcoa1軸和pcoa2軸分別表示2種不同種植方式不同土層間差異貢獻(xiàn)率分別是50.7%和15.66%,累計(jì)貢獻(xiàn)率為66.36%。其中,YJ1和YJ2位于第Ⅱ和第Ⅲ象限,CK1和CK2位于第Ⅰ象限,土壤細(xì)菌群落按照不同樣品聚集成簇;另發(fā)現(xiàn),CK1和CK2這2個(gè)圈的距離大于YJ1和YJ2這2個(gè)圈的距離,說明YJ1和YJ2細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異不明顯,CK1和CK2間差異較明顯,有機(jī)種植的細(xì)菌群落和常規(guī)種植的細(xì)菌群落可很好地區(qū)分。PCoA分析表明,2種不同模式的土壤細(xì)菌群落有明顯差別。

由圖6可知,LDA score>4的土壤樣品豐度差異的顯著物種。本次共檢測(cè)到23個(gè)有顯著差異的細(xì)菌群落。對(duì)于YJ1組,對(duì)其有顯著影響效應(yīng)的菌群是羅庫菌目(Rokubacteriales);對(duì)于YJ2土壤細(xì)菌群落,對(duì)其有顯著影響的菌群為11個(gè),其中,影響較大的3個(gè)菌群分別為芽單胞菌目(Gemmatimonadales)、芽單胞菌科(Gemmatimonadaceae)、放線菌門;對(duì)于CK1組,對(duì)其有顯著影響的菌群為9個(gè),其中影響較大的3大菌群依次為變形菌門、鞘脂單胞菌科(Sphingomonadaceae)、鞘脂單胞菌目(Sphingomonadales);對(duì)CK2組影響較大的菌群是酸桿菌門和γ變形菌綱(Gammaproteobacteria)。因此,不同種植方式、不同土層細(xì)菌群落均有差別。

2.5 土壤細(xì)菌群落與環(huán)境因子的冗余分析

為進(jìn)一步揭示影響不同種植方式土壤微生物群落的環(huán)境因子,以土壤細(xì)菌屬水平群落豐度為響應(yīng)變量,土壤環(huán)境因子為解釋變量進(jìn)行基于距離的冗余分析(dbRDA),由圖7可知,細(xì)菌的第一軸和第二軸累計(jì)解釋變異量為81.51%。有機(jī)種植中 0～15 cm土層的采樣點(diǎn)YJ1(Y.J.1、Y.J.2和Y.J.3)與15～30 cm土層的采樣點(diǎn)YJ2(Y.J.4、Y.J.5和Y.J.6)距離更近,而常規(guī)種植中0～15 cm采樣點(diǎn)CK1(C.G.1、C.G.2和C.G.3)與15～30 cm采樣點(diǎn)的CK2(C.G.4、C.G.5和C.G.6)距離更近,表明相同種植方式不同土層微生物群落的組成類似,不同種植方式土壤微生物群落差異明顯。細(xì)菌群落中,Haliangium與SOM呈正相關(guān),而與pH值呈負(fù)相關(guān);MND1、unidentified_Bacteria和Candidatus_Nitrosotenuis與pH值呈正相關(guān),而與SOM呈負(fù)相關(guān);Sphingomonas、RB41與Pontibacter與TN、TP、TK呈正相關(guān),且對(duì)Sphingomonas影響最大;Dongia和Candidatus_Nitrososphaera與TN、TP、TK呈正相關(guān)。環(huán)境因子對(duì)土壤細(xì)菌群落的影響大小依次為TN>SOM>TP>pH>TK,Mantel test檢驗(yàn)表明,TN(R2=0.853 5,P=0.001)、SOM(R2=0.757 2,P=0.002)、TP(R2=0.701 1,P=0.005)、pH值(R2=0.520 6,P=0.04)是影響不同種植方式土壤細(xì)菌群落的主要環(huán)境因子,而TK(R2=0.285 4,P=0.217)對(duì)土壤細(xì)菌群落的影響不顯著。

3 討論

本研究是基于16S rRNA高通量測(cè)序技術(shù)分析對(duì)比了有機(jī)種植與常規(guī)種植蔬菜地2種不同模式、不同深度土層的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征,發(fā)現(xiàn)不同種植方式、不同土層的OTU數(shù)目、細(xì)菌群落組成和多樣性存在差異。

3.1 不同種植方式不同土層土壤化學(xué)性質(zhì)比較

分析結(jié)果發(fā)現(xiàn), 有機(jī)種植降低了土壤pH值,有機(jī)種植蔬菜地有機(jī)質(zhì)含量分別比常規(guī)種植相同土層提高了18.29%和20.53%, 這與王宏燕、姜瑢等對(duì)華北和華中典型農(nóng)場(chǎng)有機(jī)種植土壤的研究結(jié)果[6,20]一致。但TN、TP、TK均低于常規(guī)種植相同土層,這可能是由于:第一,有機(jī)肥的氮素礦化率顯著低于無機(jī)肥,土壤氮素有效性下降[21]。第二,有機(jī)種植時(shí)間短,有機(jī)種植體系實(shí)施前期養(yǎng)分釋放緩慢從而導(dǎo)致土壤養(yǎng)分的供應(yīng)不足[22]。第三,常規(guī)種植過量施用化肥。第四,2種種植方式地上部產(chǎn)量基本接近。

3.2 有機(jī)種植與常規(guī)種植不同種植方式不同土層細(xì)菌多樣性

α-多樣性指數(shù)是有效評(píng)價(jià)土壤微生物群落多樣性和物種豐富度的指標(biāo)[23]。本研究發(fā)現(xiàn),YJ1的Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)、Chao1指數(shù)、ACE指數(shù)在4個(gè)樣品中均為最大,表明有機(jī)種植方式下0～15 cm土壤細(xì)菌群落的多樣性、豐富度與物種的均勻度均為最高,說明有機(jī)種植增加了表層土壤細(xì)菌的多樣性和豐富度,研究結(jié)果與前人研究結(jié)果[14]一致,這可能與有機(jī)種植過程中僅施用園區(qū)內(nèi)閉合循環(huán)過程中自制的有機(jī)肥料有關(guān)。陳芝蘭等研究證明,有機(jī)肥可為土壤微生物提供所需的氮源、碳源與能量,有利于微生物的生長(zhǎng)與繁殖,增加微生物的數(shù)量和活性[24]。但本研究中,有機(jī)種植15～30 cm 深的土層α多樣性指數(shù)最低,這可能與細(xì)菌在土壤中的分布特性有關(guān),也可能是由于有機(jī)種植時(shí)間較短所致。

3.3 不同種植方式不同土層細(xì)菌群落特征分析

有機(jī)種植與常規(guī)種植土壤細(xì)菌群落空間分布顯示,不同種植方式不同土層差異對(duì)土壤細(xì)菌群落組成有一定的影響,2種種植方式下既有共同的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌群落,同時(shí)也存在差異。門水平上,不同種植方式不同土層中,土壤細(xì)菌以變形菌門、酸桿菌門、泉古菌門、放線菌門等占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),這與已有的研究結(jié)果[15]一致。本研究中,放線菌門、綠彎菌門為有機(jī)種植方式的優(yōu)勢(shì)菌群,放線菌門屬于土壤中的有益菌群,有助于土壤的生物緩沖作用并在作物生產(chǎn)的有機(jī)物分解中扮演著一定作用,放線菌門細(xì)菌還具有共生固氮和解磷作用[6,25];綠彎菌門參與包括CO2固定、CH4氧化及纖維素等大分子降解的碳循環(huán)過程,同時(shí)也是氮硫元素循環(huán)的重要參與者[5],還能促進(jìn)土壤有毒物質(zhì)的降解[26]。常規(guī)種植方式中變形菌門、酸桿菌門表現(xiàn)出更高的豐度,變形菌門在土壤的碳氮及硫循環(huán)中起著關(guān)鍵作用,但同時(shí)也含有一些致病菌[27]。常規(guī)種植土壤中變形菌門相對(duì)豐度顯著上升,可能會(huì)增加一些不利于植物生長(zhǎng)發(fā)育的致病菌;酸桿菌門是寡營養(yǎng)細(xì)菌[28],一般被認(rèn)為是較貧瘠土壤環(huán)境的指示細(xì)菌[29];還可以作為土壤質(zhì)量健康的一個(gè)指標(biāo)[30],土壤質(zhì)量越好酸桿菌門相對(duì)豐度越低,表明常規(guī)種植土壤的營養(yǎng)狀況和環(huán)境狀況出現(xiàn)惡化現(xiàn)象。由此可知,有機(jī)種植更有利于增加土壤中的有益菌群,有利于保持土壤質(zhì)量,維護(hù)土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康,上述研究結(jié)果與前人研究結(jié)果[14,31]一致。然而,也有學(xué)者指出變形菌門的豐度與有機(jī)質(zhì)的含量呈正相關(guān)[32],本研究中雖未能證明這一點(diǎn),但研究結(jié)果顯示變形菌門是所有土壤樣品中的最優(yōu)勢(shì)菌群,在有機(jī)質(zhì)分解轉(zhuǎn)化中起著重要作用,且研究區(qū)域土壤為弱堿性土壤,因此推測(cè)變形菌門可能是堿性土壤中的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌群落,這與王鵬、趙祥等的研究結(jié)果[33-34]一致。

屬水平上,有機(jī)種植土壤中Haliangium、Dongia、Pelagibius和Castellaniella為優(yōu)勢(shì)屬,其中Haliangium被證實(shí)能分離出抗植物病原真菌物質(zhì),從而證明了Haliangium具有潛在的生防作用[35],屬于有益生防細(xì)菌。Pelagibius屬于嗜鹽細(xì)菌,在鹽堿土壤有機(jī)質(zhì)循環(huán)及其土壤修復(fù)中發(fā)揮著重要作用,Castellaniella具有降解石油烴的功能,說明有機(jī)種植更能為微生物生長(zhǎng)提供良好的環(huán)境條件。常規(guī)種植土壤中顯著增加的菌屬為Candidatus_Entotheonella、Terrimonas、Adhaeribacter、鞘氨醇單胞菌屬、Pseudoxanthomonas、Candidatus_Nitrosotenuis、芽孢桿菌屬、Flavisolibacter、Ralstonia,可能與大量施用化肥從而使氮磷在土壤中累積導(dǎo)致促進(jìn)硝化過程與磷素循環(huán)的細(xì)菌增多;以及由于使用化學(xué)農(nóng)藥進(jìn)行病蟲害防治促使降解有機(jī)污染物的微生物增多;Ralstonia是一類重要的土傳病害細(xì)菌,可導(dǎo)致青枯病的發(fā)生,常規(guī)種植土壤中有害細(xì)菌的增加可能是由于化肥、化學(xué)農(nóng)藥的過度使用,造成了土壤理化性質(zhì)惡化,微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)失衡,或者是由于輪作時(shí)間短所致。

不同土層之間,YJ1土壤Stenotrophobacter的相對(duì)豐度極顯著高于YJ2樣品,有學(xué)者研究表明,Stenotrophobacter具有結(jié)瘤效果[36],可能是花椰菜上茬種植的鮮食大豆在有機(jī)種植方式下土壤表層根部更有利于根瘤的形成。常規(guī)種植CK1樣品中Candidatus_Entotheonella相對(duì)豐度極顯著高于CK2樣品,說明化肥施入后,氮肥在表層積累更多。研究還發(fā)現(xiàn),YJ1樣品中具有解磷作用的Inquilinus相對(duì)豐度極顯著高于CK1和CK2樣品,表明有機(jī)種植土壤表層細(xì)菌可能更有利于難溶性磷轉(zhuǎn)化為可溶性磷,從而保證土壤中磷的有效供應(yīng)。Opitutus在YJ2樣品與CK1樣品間表現(xiàn)出極顯著差異,Opitutus為厭氧發(fā)酵細(xì)菌,能培肥土壤和促進(jìn)土壤生態(tài)良性循環(huán),表明有機(jī)種植深層土壤也能為微生物創(chuàng)造良好的生態(tài)環(huán)境,有利于土壤的健康。Solimonas能降解黃曲霉毒素B1,在CK1樣品中相對(duì)豐度極顯著高于YJ2樣品,可能是常規(guī)種植的管理措施導(dǎo)致了土壤生態(tài)系統(tǒng)的惡化。李思萌等研究認(rèn)為,有機(jī)種植總體上能明顯降低土壤中的重金屬含量[26],本研究發(fā)現(xiàn)耐鉻菌屬Terribacillus在CK1樣品中相對(duì)豐度明顯高于YJ2樣品,表明有機(jī)種植對(duì)土壤中重金屬的富集能起到抑制作用。

3.4 微生物群落結(jié)構(gòu)與土壤環(huán)境因子的dbRDA分析

有機(jī)種植與常規(guī)種植由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的差別,在施肥種類與方式、種植強(qiáng)度、農(nóng)藥選擇等方面存在較大差異,因而導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)和土壤微生物群落結(jié)構(gòu)等發(fā)生顯著變化,Dean等的研究表明,土壤微生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)變化與土壤特性相關(guān)[37-38]。本研究有機(jī)種植中施用的有機(jī)肥為園區(qū)內(nèi)閉環(huán)循環(huán)生產(chǎn)的羊糞,肥料方面不存在外來引入的干擾因素,研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)種植土壤的pH值低于常規(guī)種植相同土層的pH值,與王玲等的研究結(jié)果[10]一致。從不同種植方式土壤微生物(屬水平)與環(huán)境因子的dbRDA分析可以看出,總氮、有機(jī)質(zhì)、pH值和總磷是影響微生物群落結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵土壤環(huán)境因子。Sphingomonas與全氮、全磷、全鉀和有機(jī)質(zhì)同時(shí)正相關(guān),Sphingomonas能降解土壤中的有毒物質(zhì)[39],對(duì)植物生長(zhǎng)起到保護(hù)作用。增施有機(jī)肥能夠提升有益菌群Haliangium和Sphingomonas的生長(zhǎng),從而創(chuàng)造有利于植物生長(zhǎng)的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

不同種植方式不同土層中,細(xì)菌多樣性和群落結(jié)構(gòu)不同,有機(jī)種植0～15 cm土壤具有更豐富的細(xì)菌多樣性和穩(wěn)定性,確認(rèn)放線菌門(Actinobacteriota)、綠彎菌門(Chloroflexi)為有機(jī)種植方式的特征優(yōu)勢(shì)菌群,變形菌門(Proteobacteria)、酸桿菌門(Acidobacteriota)為常規(guī)種植方式的特征優(yōu)勢(shì)菌群。α-多樣性指數(shù)分析表明,有機(jī)種植0～15 cm土層細(xì)菌群落多樣性、豐富度和物種的均勻度均為最高。dbRDA分析結(jié)果顯示,土壤細(xì)菌群落主要受總氮、土壤有機(jī)質(zhì)、總磷、pH值等環(huán)境因子的顯著影響,而總鉀對(duì)微生物群落的影響不顯著。