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短期玉米秸秆还田对土壤细菌多样性的影响

   发布时间:2017-09-21   [点击量:452]  


 提 要: 为提醒秸秆还田土壤细菌群落结构及其差异.在春玉米吐丝期,使用高通量测序技能,结合相关生物信息学剖析,研讨惯例秸秆不还田( CK) 、秸秆深翻还田( SF) 和秸秆旋耕还田( XG) 3 个处理下,0 -10cm、10 - 20cm、20 - 30cm 3 个土层细菌群落丰厚度、多样性和群落结构改变.秸秆还田对土壤细菌多样性影响较大,细菌菌群 Alpha 多样性及样品属水平群落组成丰度剖析可知,XG 及 SF 10 -30cm 土层细菌多样性均比 CK的高.CK 中纤维素分化菌为鞘氨醇单胞菌属,而 XG 和 SF 中纤维素分化菌多样化,其间节杆菌属、湖堆积杆菌属、噬几丁质菌和乳杆菌属相对丰度较高.SF 表层土壤固氮、解磷、解钾等功用细菌多样性均比 XG 的高.秸秆深翻还田前进土壤纤维素降解菌、固氮、解磷、解钾功用细菌多样性.
 
  关键词: 秸秆还田; 土壤细菌多样性; 高通量测序; 西辽河平原

  秸秆还田是有用使用秸秆资源的重要途径,能调理土壤微生物群落结构和多样性,微生物多样性和群落结构在必定程度上反映农田生态系统基本情况.前人使用稀释平板计数法[1,2]和16SrDNA-PCR-DGGE办法[3,4],选用功用细菌特异性基因扩增,构建基因文库[5],研讨秸秆还田对土壤细菌多样性的影响,成果标明,秸秆还田前进土壤细菌多样性.现在关于长时间保护性耕耘和秸秆还田对土壤微生物群落结构和多样性方面研讨较多,并构成较为一起的结论.一般以为长时间保护性耕耘能改进土壤微生物群落结构,前进土壤微生物多样性.但是,有关短期玉米秸秆还田对土壤微生物群落结构和多样性的影响研讨没有构成一起的结论.Jackson等[6]和Minoshima等[7]研讨皆标明短期耕耘改变了土壤细菌和真菌生物量.
 
  但也有部分研讨指出短期耕耘并未影响微生物群落结构和多样性[8-11].刘军等[12]研讨棉花轮作合作秸秆还田对土壤微生物的影响,成果在轮作5~20a土壤细菌数量和微生物总量继续下降,在轮作25a和轮作30a又升高;刘建国等[13]经过对轮作与秸秆还田不同年限土壤微生物区系剖析标明,短期轮作(5~10a),棉花秸秆化感物质所引起的自毒效果占优势,而长时间轮作(10a以上)条件下,秸秆还田培肥地力效果占优势.顾美英等[14]3年秸秆还田实验成果可知,秸秆直接破坏还田有添加土传病害危险.尽管16SrDNA-PCR-DGGE办法较传统办法有很大前进,但仍是有局限性;只能剖析环境样品中优势菌,而疏忽了痕量菌.为探究秸秆还田第2年的土壤细菌多样性,于2014-2015年在西辽河平原井灌区土壤上设置秸秆破坏深翻还田、秸秆破坏旋耕还田实验,以惯例耕耘秸秆不还田为对照,运用高通量测序技能剖析土壤细菌多样性,以期为正确点评秸秆还田的生态效益和树立科学合理的农业生态系统供给理论依据.
 
  1资料与办法
 
  1.1供试资料实验点
 
  地处西辽河平原(43°36'N、122°22'E),海拔178m,年均气温6.8℃,年均降水量399.1mm,无霜冻期150d左右,≥10℃年活动积温3200℃.实验于2014-2015年在内蒙古民族大学农场进行,供试土壤为灰色草甸土,耕层土壤营养含量为有机质24.6g/kg、全氮0.96g/kg、碱解氮58.78mg/kg、速效磷10.81mg/kg、速效钾79.92mg/kg,土壤pH值8.3.实验地为轮作多年的玉米地.
 
  1.2实验规划
 
  本实验设3个处理,惯例秸秆不还田(CK)、秸秆深翻还田(SF)和秸秆旋耕还田(XG),秸秆还田办法为春播前玉米秸秆全量破坏还田,还田深度15cm,深翻深度30cm.玉米种类为伟科702,栽培密度7.5万株/hm2,小区面积214m2,3次重复.实验田基施磷酸二胺228kg/hm2、硫酸钾90kg/hm2,拔节期一次追施尿素37590kg/hm2.在玉米拔节期、吐丝期、灌浆前期灌溉3次.分0-10cm、10-20cm、20-30cm3个土层,9个样;标记为CK1、CK2、CK3、SF1、SF2、SF3、XG1、XG2和XG3.
 
  1.3样品收集
 
  春玉米吐丝期取0-10cm、10-20cm、20-30cm土层样品,进行土壤细菌多样性测定.
 
  1.4测定目标与办法
 
  1.4.1土壤微生物DNA的提取
 
  土壤微生物总DNA的提取选用改进SDS高盐缓冲液抽提法.
 
  1.4.2DNA测序与数据处理
 
  过滤对16SrDNA高变区V3+V4区进行测序,对原始数据进行拼接(FLASH,version),将拼接得到的序列进行质量过滤(Trimmomatic,version),并去除嵌合体(UCHIME,version),得到高质量的Tags序列[15-17].
 
  1.4.3微生物组成和丰度计测
 
  在类似性97%水平上对序列进行聚类(UCLUST,version1.2.22),以测序一切序列数0.005%作为阈值过滤操作分类单元(OperationaltaxonomicunitOTU).
 
  1.4.4微生物多样性
 
  核算alpha指数剖析选用Mothurversionv.1.30.
 
  2成果与剖析
 
  2.1不同处理中细菌群落结构剖析
 
  2.1.1细菌OTU剖析
 
  测序取得序列归类,在97%的类似度水平下,聚类得到各样品OTU个数.从图1可知,总共取得2532个OTU;OTU个数为SF>CK>XG;3组样品一起OTU2419个,CK特有OTU2个,XG为1个,SF为78个.SF特有OTU数明显多于XG和CK.
 
  2.1.2细菌菌群Alpha多样性剖析
 
  Alpha多样性指数值中Chao1和Shannon指数均指示群落结构改变.由表1可知,CK和XG3个土层细菌丰厚度和多样性均体现为0-10cm>10-20cm>20-30cm.这阐明CK和XG表层土壤细菌种群较多,物种较为丰厚;SF3个土层细菌丰厚度和多样性均体现为SF2>SF3>SF1;0-10cm土层各处理细菌丰厚度和多样性体现为XG1>CK1>SF1,10-20cm土层中XG2>SF2>CK2,20-30cm土层中XG3>SF3>CK3,秸秆深翻和旋耕还田均使10-30cm土层细菌多样性添加,群落结构趋于杂乱;旋耕还田使0-10cm土层细菌多样性添加.
 

 
  Alpha多样性指数值中Shannon-Wiener指数对物种丰厚度更灵敏.从图2可知,9个样品曲线数值先是直线上升直至趋向平整,阐明测序量足够大,能掩盖样品中绝大多数微生物信息.样品中细菌多样性均丰厚.其间XG2、CK2、XG3、SF3、SF2、XG1和CK1Shannon曲线值均高于6,阐明它们物种多样性和丰厚度均较高;而CK3和SF1Shannon值较低,阐明这2样品物种多样性较低.表1可知,Chao1指数为XG1>SF2>CK2>XG3>XG2>CK1>SF3>CK3>SF1.
 
  2.2属分类水平上秸秆还田土壤细菌多样性剖析
 
  将OTU代表序列与微生物参阅数据库进行比对,取得OTU对应物种分类信息,制作样品属水平群落组成丰度图.从图3和表2可知,9个样品优势属(相对丰度>1%)共10个,SF1样品中不知道菌、不能培育菌、不能培育的杆菌属、丰厚度<1%的菌丰度为53%,其他样品中为75%-96%;各处理不知道菌丰度为XG3>SF3>CK3,0-20cm土层各处理间无差异,XG和SF前进了深层土壤细菌相对丰度.
 
  已知细菌中,CK1优势菌为鞘氨醇单胞菌属,未呈现假单胞菌属、湖堆积杆菌属、噬几丁质菌和乳杆菌属细菌;CK2中鞘氨醇单胞菌属、不能培育的酸杆菌细菌、硝化螺旋菌属、节杆菌属丰度均匀,并呈现了假单胞菌属菌,但丰厚较低;CK3优势菌为假单胞菌属,并检测到湖堆积杆菌属菌.
 
  XG1中鞘氨醇单胞菌属为优势菌;blastocatella、不能培育的酸杆菌细菌、溶杆菌、硝化螺旋菌属、节杆菌属丰度均匀;XG2和XG3中优势菌为鞘氨醇单胞菌属、不能培育的酸杆菌细菌、节杆菌属丰度均匀,还呈现了blastoca-tella、溶杆菌、硝化螺旋菌属细菌.SF1优势菌为乳杆菌属、相对丰度为40%,但SF2和SF3中未检测到该属菌;湖堆积杆菌属还存在于SF1,SF三个土层中鞘氨醇单胞菌属和节杆菌属相对丰度相同,随土层下移不能培育的酸杆菌相对丰度先添加后下降,不能培育的杆菌属相对丰度添加.XG和SF中未检测到假单胞菌属菌.
 

 
  惯例耕耘秸秆不还田土壤中纤维素降解菌为鞘氨醇单胞菌属,而玉米秸秆旋耕还田和深翻还田中纤维素降解菌体现多样化,其间节杆菌属、湖堆积杆菌属、噬几丁质菌和乳杆菌属相对丰度较高;各样品间Blastocatella属丰度无差异;SF2酸杆菌属丰度大;XG1溶杆菌丰度是CK1的2倍、SF1的4倍,SF2、SF3与XG2、XG3丰度适当,是CK2、CK3的2倍.XG1硝化螺旋菌属丰度是SF1和CK1丰度的2倍.20-30cm土层中SF和XG节杆菌属丰度分别是CK的2倍和4倍.假单胞菌属细菌深层土壤的散布较广,是CK3优势秸秆降解菌属;噬几丁质菌和乳杆菌属仅呈现在SF1.
    
 
  3评论
 
  本实验中Blastocatella属、硝化螺旋菌属细菌各样品间它们丰度没差异,这与前人研讨成果相同.酸杆菌相对丰度在CK和XG各土层及SF3中没有差异,SF1中下降,张星星[31]研讨中酸杆菌为基层土壤优势菌群;王光华等[18]研讨中向土壤中增施氮肥下降了酸杆菌细菌相对丰度,秸秆破坏深翻还田可能添加表层氮肥含量;与已知微生物比较,酸杆菌降解纤维素才能可能很弱,但在冰冷北方酸性湿地中,其他纤维素降解菌难以生计,酸杆菌在这样条件下可能对纤维素降解中起到重要效果[19].节杆菌属、假单胞菌属细菌具有较强运动性,在0℃低温下成长杰出,体现出对低温很强的适应性[20],本实验中此两种菌属细菌在深翻和旋耕还田中相对丰度高于对照,这可能是秸秆还田具有就地防风保温效果.
    
 
  4结论
 
  玉米秸秆旋耕还田和深翻还田添加10-30cm土层细菌多样性和相对丰度;秸秆深翻还田前进土壤纤维素降解菌、固氮、解磷、解钾功用细菌多样性.
 
  参阅文献
 
  [1]萨如拉,高聚林,于晓芳,胡树平.玉米秸秆深翻还田对土壤有利微生物和土壤酶活性的影响[J].干旱区资源与环境,2014,28(7):138-143.
  [2]吴红艳,王智学,陈飞,郭玲玲,修翠娟.秸秆降解菌剂对秸秆还田土壤中细菌种群数量的影响[J].微生物学杂志,2012,32(2):79-82.
  [3]刘佳斌.秸秆还田对黑土土壤酶及细菌多样性影响研讨[D].黑龙江省哈尔滨:东北农业大学,2012:20-23.
  [4]萨如拉,高聚林,青格尔,于晓芳,闹干朝鲁,赵吉睿.玉米秸秆深翻还田土壤细菌群落16SrDNA-PCR-DGGE剖析[J].玉米科学,2014,22(3):43-47,53.
  [5]萨如拉,高聚林,于晓芳,闹干朝鲁,青格尔,赵吉睿.玉米秸秆深翻还田土壤氨氧化细菌amoA基因多样性剖析[J].玉米科学,2015,23(3):107-111.
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  [11]郭梨锦,曹凑贵,张枝盛,刘天奇,李成芳.耕耘办法和秸秆还田对稻田表层土壤微生物群落的短期影响[J].农业环境科学学报,2013,32(8):1577-1584.

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