论文部分内容阅读
细菌和真菌是土壤中最常见的微生物类群，其生命活动驱动着土壤有机质转化累积、养分循环等多个生物地球化学过程。土壤中的细菌和真菌并非单独存在，它们相互依存，频繁的相互作用。不同细菌、真菌以及细菌-真菌物种间通过合作、竞争等互作关系形成复杂的生态网络，影响微生物参与的土壤物质循环和能量流动的效率。施肥是提升农田地力的最重要农业措施，其在增加作物产量的同时影响细菌和真菌群落组成。团聚体是土壤结构基本单元，不同粒径团聚体为微生物栖息提供水分、养分和空气截然不同的微环境，从而直接影响细菌和真菌群落组成。大量研究已经发现细菌和真菌群落组成随施肥模式和团聚体粒径不同而异，却忽略了物种间相互作用的潜在变化。研究不同养分配比和土壤团聚体中微生物物种间的网络共生关系，探索微生物群落构建模式，寻找具有核心生态功能的关键物种，对于全面理解土壤-微生物-生态功能间的关系具有重要意义。
本研究以中国典型旱地土壤砂姜黑土、潮土、红壤为研究对象，依托位于安徽蒙城、河南封丘、湖南祁阳长期施肥定位试验，选取平衡施肥(NPK)、缺氮(PK)、缺磷(NK)、低磷(NP1/2K)、缺钾(NP)和不施肥(Nil)等6种不同养分配比，利用现代高通量测序技术，结合新兴的分子生态网络分析技术，研究不同施肥模式下:(1)细菌群落和网络关系的变化;(2)真菌群落和网络关系的变化;(3)细菌-真菌网络关系的变化;(4)土壤团聚体中细菌群落组成的变化;(5)土壤团聚体中真菌群落组成的变化;(6)不同级别土壤团聚体中细菌-真菌网络关系的变化。主要结果如下:
(1)比较砂姜黑土中5个施肥处理(NPK、NP、PK、NK、Nil)间的细菌群落组成及其网络关系的差异，发现NP、PK和Nil处理中香农指数较NPK处理显著升高4.48％～7.21％，而NK处理则显著降低3.95％，这种变化趋势与不同养分配比导致的土壤pH变化密切相关。细菌群落结构主要由土壤pH、有机质(SOC)和全磷(TP)控制，且受缺氮施肥影响最大。与NPK相比，PK处理中变形菌门和酸杆菌门显著降低，放线菌门、绿弯菌门和芽单胞菌门显著升高;NK处理中拟杆菌门显著降低，放线菌门显著升高;NP处理中酸杆菌门显著降低，放线菌门和芽单胞菌门显著升高。网络分析发现细菌网络复杂度按照NP＞NPK＞PK＞NK＞Nil的顺序降低，说明缺磷施肥对细菌种间关系影响最大。以上结果表明不同养分配比对砂姜黑土中细菌群落影响强度和方向存在明显差异，其中缺氮施肥对细菌群落结构和组成影响最大，缺磷对细菌网络构建影响最大，而缺钾对细菌群落影响最小。
(2)比较磷肥施用量（NK、NP1/2K和NPK）对砂姜黑土真菌群落组成和网络关系变化发现:SOC、可溶性碳(DOC)、TP、速效磷(AP)以及铵态氮(NH4+-N)等养分指标及β-葡糖苷酶、蛋白酶和脱氢酶等胞外酶活性均随磷肥施用量增加而升高。与NK处理相比，真菌香农指数在NP1/2K和NPK处理中分别降低了6.08％和8.10％，且与TP和AP呈显著负相关关系。不同养分配比下TP和DOC含量变化导致真菌群落结构发生明显改变。子囊菌门和子囊菌纲随着磷肥施用而显著增加，被孢霉菌门和被孢霉菌纲则呈相反的趋势。此外随着磷肥施用量的增加，真菌物种间正相关作用增加，负相关作用减少，网络复杂度和稳定性也随之升高。
(3)基于砂姜黑土、潮土和红壤中细菌-真菌SparCC相关性，分别构建NPK和NK分子生态网络。结果发现NK网络复杂度和养分利用效率较NPK网络明显降低。缺磷施肥下细菌和真菌间合作和对抗作用均明显减少。NPK中关键种为Chaetothyriales、Actinomycetales、Pedosphaerales和Zoopagales，而NK网络中关键种主要是Burkholderiales、Mortierellales、Hypocreales和Bacillales，且NK网络中关键种受土壤理化性质影响较大，对环境扰动更为敏感。长期缺磷导致网络中主要模块物种组成发生明显改变，但却保留了各个模块的生态功能。
(4)采用湿筛法分别获取砂姜黑土、潮土、红壤三个长期试验土壤中NPK、NP、PK、NK处理中＞2mm(LM)、0.25～2mm(SM)、0.053～0.25mm(FM)和＜0.053mm(SC)等4种粒径团聚体。结果发现潮土以FM粒径水稳性团聚体为主，而砂姜黑土和红壤以SM粒径为主。NP和NK处理导致潮土和红壤平均重量直径显著降低，而PK处理则没有显著影响。细菌多样性在不同土壤类型间按照潮土＞砂姜黑土＞红壤的顺序降低，在不同施肥处理间按照PK＞NPK、NP＞NK的顺序降低，在不同团聚体间按照LM、SM＞FM＞SC的顺序降低。不同施肥处理对细菌群落结构的影响按照潮土＜砂姜黑土＜红壤的顺序降低，而团聚体的影响则呈相反趋势。潮土各级团聚体中细菌群落结构受缺磷影响较大，而砂姜黑土和红壤各级团聚体中细菌群落结构则受缺氮影响较大。不同团聚体粒径下细菌组成发生明显改变:LM中Phormidium、Leptolyngbya和Kitasatospora丰度最高;SM中Kribbella、Pilimelia、Devosia和Bradyrhizobium丰度最高;FM中Rubrobacter、Arthrobacter和Ochrobactrum丰度最高;SC中Opitutus、Luteimonas和Rhodanobacter丰度最高。功能预测发现SC中物种生态位宽度最低，且具有最高的顽固有机碳分解能力，而LM则具有最高的新鲜有机质分解能力。
(5)与细菌结果相似，真菌多样性在不同土壤类型和施肥处理中具有明显差异，而在不同粒径团聚体中差异不显著。三种土壤中真菌群落结构均受施肥影响较大，而受团聚体粒径影响较小。潮土各级团聚体中真菌群落组成均受缺磷影响最大，而砂姜黑土和红壤则受缺磷影响最大。不同团聚体粒径中真菌组成发生明显改变:LM中Trechispora invisitata、Pulveroboletus ravenelii和Hypocreales丰度最高;SM中Magnaporthiopsis丰度最高;FM中Lecanicillium和Mortierella fimbricystis丰度最高;SC中Pseudogymnoascus roseus、Nigrospora oryzae和Penicillium cinnamopurpureum丰度最高。
(6)基于砂姜黑土、潮土、红壤中细菌-真菌Spearman相关性分别构建原土(Bulk)、LM、SM、FM和SC等5个分子生态网络。发现不同粒径团聚体形成了与原土截然不同的网络结构，其中FM网络复杂度最高，SM网络养分利用率最高，而SC网络复杂度和养分利用率在所有团聚体中最低。不同团聚体中参与网络构建的物种组成具有明显差异:子囊菌门随团聚体粒径减少而增多，绿弯菌门呈相反趋势。各级团聚体网络多数连接为真菌-真菌关系;细菌-细菌之间的合作和竞争关系均随团聚体粒径的降低而减少;细菌和真菌连接以正相关为主，且在SC中比例最高。随着团聚体粒径降低，模块间连接也随之减少，网络中模块更为孤立。关键种数量随团聚体粒径降低而减少，且物种组成发生明显改变。
本研究以中国典型旱地土壤砂姜黑土、潮土、红壤为研究对象，依托位于安徽蒙城、河南封丘、湖南祁阳长期施肥定位试验，选取平衡施肥(NPK)、缺氮(PK)、缺磷(NK)、低磷(NP1/2K)、缺钾(NP)和不施肥(Nil)等6种不同养分配比，利用现代高通量测序技术，结合新兴的分子生态网络分析技术，研究不同施肥模式下:(1)细菌群落和网络关系的变化;(2)真菌群落和网络关系的变化;(3)细菌-真菌网络关系的变化;(4)土壤团聚体中细菌群落组成的变化;(5)土壤团聚体中真菌群落组成的变化;(6)不同级别土壤团聚体中细菌-真菌网络关系的变化。主要结果如下:
(1)比较砂姜黑土中5个施肥处理(NPK、NP、PK、NK、Nil)间的细菌群落组成及其网络关系的差异，发现NP、PK和Nil处理中香农指数较NPK处理显著升高4.48％～7.21％，而NK处理则显著降低3.95％，这种变化趋势与不同养分配比导致的土壤pH变化密切相关。细菌群落结构主要由土壤pH、有机质(SOC)和全磷(TP)控制，且受缺氮施肥影响最大。与NPK相比，PK处理中变形菌门和酸杆菌门显著降低，放线菌门、绿弯菌门和芽单胞菌门显著升高;NK处理中拟杆菌门显著降低，放线菌门显著升高;NP处理中酸杆菌门显著降低，放线菌门和芽单胞菌门显著升高。网络分析发现细菌网络复杂度按照NP＞NPK＞PK＞NK＞Nil的顺序降低，说明缺磷施肥对细菌种间关系影响最大。以上结果表明不同养分配比对砂姜黑土中细菌群落影响强度和方向存在明显差异，其中缺氮施肥对细菌群落结构和组成影响最大，缺磷对细菌网络构建影响最大，而缺钾对细菌群落影响最小。
(2)比较磷肥施用量（NK、NP1/2K和NPK）对砂姜黑土真菌群落组成和网络关系变化发现:SOC、可溶性碳(DOC)、TP、速效磷(AP)以及铵态氮(NH4+-N)等养分指标及β-葡糖苷酶、蛋白酶和脱氢酶等胞外酶活性均随磷肥施用量增加而升高。与NK处理相比，真菌香农指数在NP1/2K和NPK处理中分别降低了6.08％和8.10％，且与TP和AP呈显著负相关关系。不同养分配比下TP和DOC含量变化导致真菌群落结构发生明显改变。子囊菌门和子囊菌纲随着磷肥施用而显著增加，被孢霉菌门和被孢霉菌纲则呈相反的趋势。此外随着磷肥施用量的增加，真菌物种间正相关作用增加，负相关作用减少，网络复杂度和稳定性也随之升高。
(3)基于砂姜黑土、潮土和红壤中细菌-真菌SparCC相关性，分别构建NPK和NK分子生态网络。结果发现NK网络复杂度和养分利用效率较NPK网络明显降低。缺磷施肥下细菌和真菌间合作和对抗作用均明显减少。NPK中关键种为Chaetothyriales、Actinomycetales、Pedosphaerales和Zoopagales，而NK网络中关键种主要是Burkholderiales、Mortierellales、Hypocreales和Bacillales，且NK网络中关键种受土壤理化性质影响较大，对环境扰动更为敏感。长期缺磷导致网络中主要模块物种组成发生明显改变，但却保留了各个模块的生态功能。
(4)采用湿筛法分别获取砂姜黑土、潮土、红壤三个长期试验土壤中NPK、NP、PK、NK处理中＞2mm(LM)、0.25～2mm(SM)、0.053～0.25mm(FM)和＜0.053mm(SC)等4种粒径团聚体。结果发现潮土以FM粒径水稳性团聚体为主，而砂姜黑土和红壤以SM粒径为主。NP和NK处理导致潮土和红壤平均重量直径显著降低，而PK处理则没有显著影响。细菌多样性在不同土壤类型间按照潮土＞砂姜黑土＞红壤的顺序降低，在不同施肥处理间按照PK＞NPK、NP＞NK的顺序降低，在不同团聚体间按照LM、SM＞FM＞SC的顺序降低。不同施肥处理对细菌群落结构的影响按照潮土＜砂姜黑土＜红壤的顺序降低，而团聚体的影响则呈相反趋势。潮土各级团聚体中细菌群落结构受缺磷影响较大，而砂姜黑土和红壤各级团聚体中细菌群落结构则受缺氮影响较大。不同团聚体粒径下细菌组成发生明显改变:LM中Phormidium、Leptolyngbya和Kitasatospora丰度最高;SM中Kribbella、Pilimelia、Devosia和Bradyrhizobium丰度最高;FM中Rubrobacter、Arthrobacter和Ochrobactrum丰度最高;SC中Opitutus、Luteimonas和Rhodanobacter丰度最高。功能预测发现SC中物种生态位宽度最低，且具有最高的顽固有机碳分解能力，而LM则具有最高的新鲜有机质分解能力。
(5)与细菌结果相似，真菌多样性在不同土壤类型和施肥处理中具有明显差异，而在不同粒径团聚体中差异不显著。三种土壤中真菌群落结构均受施肥影响较大，而受团聚体粒径影响较小。潮土各级团聚体中真菌群落组成均受缺磷影响最大，而砂姜黑土和红壤则受缺磷影响最大。不同团聚体粒径中真菌组成发生明显改变:LM中Trechispora invisitata、Pulveroboletus ravenelii和Hypocreales丰度最高;SM中Magnaporthiopsis丰度最高;FM中Lecanicillium和Mortierella fimbricystis丰度最高;SC中Pseudogymnoascus roseus、Nigrospora oryzae和Penicillium cinnamopurpureum丰度最高。
(6)基于砂姜黑土、潮土、红壤中细菌-真菌Spearman相关性分别构建原土(Bulk)、LM、SM、FM和SC等5个分子生态网络。发现不同粒径团聚体形成了与原土截然不同的网络结构，其中FM网络复杂度最高，SM网络养分利用率最高，而SC网络复杂度和养分利用率在所有团聚体中最低。不同团聚体中参与网络构建的物种组成具有明显差异:子囊菌门随团聚体粒径减少而增多，绿弯菌门呈相反趋势。各级团聚体网络多数连接为真菌-真菌关系;细菌-细菌之间的合作和竞争关系均随团聚体粒径的降低而减少;细菌和真菌连接以正相关为主，且在SC中比例最高。随着团聚体粒径降低，模块间连接也随之减少，网络中模块更为孤立。关键种数量随团聚体粒径降低而减少，且物种组成发生明显改变。