论文部分内容阅读
江苏省沿海滩涂资源十分丰富，其合理开发利用是实现江苏农业长期稳定发展的一项重要战略措施。然而，滩涂土壤高盐、低肥特征严重制约了其在农业生产中的广泛利用。水稻种植集“用、改、养”三位一体，具有持续优化、加速改良盐碱地的特殊作用。已有研究多关注滩涂种稻对土壤理化性质的改良作用，而有关滩涂土壤微生物群落结构演化规律的研究鲜有报道。本文以具有不同种稻年限(分别种植水稻约0、11和20年)背景的沿海滩涂土壤为对象，利用IlliminaMiSeq测序、实时定量PCR和末端限制性片段长度多态性(T-RFLP)等分子生态学技术，比较不同种稻年限滩涂水稻土细菌群落结构以及氮循环功能菌群的差异，明确滩涂土壤种稻改良过程细菌及氮循环功能菌群的演替规律及其与土壤碳氮积累的关系;在此基础上通过短期定位试验，研究氮肥施用水平对改良初期滩涂稻田微生物群落的调节机制，为加速沿海滩涂向耕地转化改良提供科学依据。
本文主要结论如下:
1)持续种稻淡化了滩涂土壤盐分，提高了土壤有机质、全氮和铵态氮含量，但pH变化不明显。随种稻年限的延长，滩涂土壤碱性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶、蛋白酶和过氧化氢酶活性显著提高，多酚氧化酶活性明显下降;土壤细菌群落结构随种稻年限延长呈明显的趋向性演化，变形菌门、绿弯菌门、酸杆菌门相对丰度逐渐增加，拟杆菌门、蓝细菌、浮霉菌门相对丰度明显降低，同时水稻种植显著增加了土壤厌氧及铁还原微生物数量，如Anaerolineae、Geobacter、Anaeromyxobacter，这些微生物类群可能驱动滩涂稻田有机质的不断积累，进而与盐分淡化协同促进滩涂土壤微生物物质代谢能力的增强及细菌群落的趋向性演替。
2)长期种稻促进了滩涂土壤氮循环功能基因丰度的明显增加，但相对丰度呈下降趋势，同时提高了咒nifH、nirK、narG在土壤氮循环功能基因中的比例，降低了AOA、nirS、nosZ的比例，且随种稻年限延长，nifH/AOA和norB/nosZ呈增高趋势，表明滩涂水稻土固氮、硝酸盐还原及反硝化产N20潜能随种稻时间的延长在不断提高。滩涂水稻土氨氧化作用由氨氧化古菌主导，亚硝酸盐还原菌由nirS型主导向nirK型主导演变。基于T.RFLP研究发现，nijn、AOA、nirS、nirK和nosZ型微生物群落结构随种稻年限的延长发生趋势性变化，并且发现大部分，nifH、AOA、nirS和nirK型微生物均属于未培养类群，而含nosZ基因的反硝化优势菌群由Azoarcus向未培养细菌演变。冗余分析及Mmltel检测表明，氮循环基因在氮循环网络中的占比及其群落结构与土壤电导率、有机质、全氮、速效磷和速效钾含量关系密切。
3)施氮量增加一方面提高了新垦滩涂稻田土壤有机质、全氮、硝态氮和铵态氮含量，对pH和电导率的影响存在区域性(根际、非根际)差异，另一方面降低了新垦滩涂水稻土细菌群落仪多样性。随着施氮量的增加，优势类群中拟杆菌门和放线菌门相对丰度提高，绿弯菌门、酸杆菌门、芽单胞菌门、浮霉菌门、α-变形菌纲和δΝ变形菌纲相对丰度下降，厚壁菌门相对丰度随施氮量增加表现出“先增后降”的变化趋势，而γ-变形菌纲对施氮量的响应存在区域性差异。主成分分析表明，高氮处理(345～390kg·N·ha-1)对新垦滩涂稻田细菌群落结构及其功能特征的影响比低氮处理(0～300kg·N·ha-1)更为强烈，但低氮处理与种稻近20年的滩涂水稻土细菌群落及其功能特征更为接近。相关性分析及Mantel检测表明，氮肥施用导致铵态氮、硝态氮和有机质含量提高是新垦滩涂稻田细菌群落多样性及结构变化的主要驱动因子。
4)随施氮量增加，新垦滩涂稻田氮矿化速率、硝化速率呈现下降趋势，反硝化速率在根际土、非根际土中分别表现为“降升”、下降趋势。氮肥施用总体上增加了新垦滩涂稻田固氮菌和反硝化菌丰度，降低了氨氧化古菌的丰度;但各基因在氮循环网络中占比对施氮水平的响应较为复杂，且在不同区域对氮肥的响应机制存在分异。随施氮量增加，mifH/amoA及(narG+napA)/(narG+napA+nirK&S+norB+nosZ)呈先升高后稳定的趋势;norB/nosZ总体保持稳定，但在高氮处理的根际土中急剧上升，说明氮肥施用提高了土壤铵态氮积累和硝态氮还原潜势，且过量施用会刺激根际区域反硝化产N2O潜能。此外还发现，新垦滩涂稻田氨氧化作用以氨氧化古菌为主，亚硝酸盐还原菌以nirS型为主。从群落结构来看，nifH、AOA、nirK、nirS、norB和nosZ型微生物类群结构随施氮量增加发生了显著改变，同时不同区域对氮肥的响应也存在差异。系统发育树结果显示这些氮循环微生物均属于未培养类群。冗余分析及Mantel检测表明，施氮导致土壤养分含量的变化是影响氮循环功能基因构成的主要因素，并且铵态氮和硝态氮含量的增加对nifH、AOA、nirK、nits、norB和nosZ基因群落结构变化起到了关键作用。
5)新垦滩涂稻田土壤生物特性与水稻产量及氮素利用率相关分析结果表明，根际细菌多样性与水稻产量呈现负相关关系，这是因为氮肥施用选择性富集有机物降解菌群，间接地为水稻生长提供了养分，同时一些可能改善水稻根际营养状况、提高植物抗逆性的菌群也在水稻根际富集，如Nocardioides、Pontibacter、Salegentibacter、Psychroflexus、Bacillus、Jeotgalibacillus、Salinarimonas、Hydrogenophaga、Lysobacter。氮循环基因与新垦滩涂稻田氮素利用、损失密切相关，且不同区域氮循环基因与氮素损失的分子机制存在分异。相关性分析表明，N2O排放潜能增加是新垦滩涂稻田根际区域氮素损失的主要原因，而铵态氮积累潜能增强导致的氨挥发是非根际区域氮素损失的主要途径。
综上所述，长期种稻提高了土壤微生物活性及微生物的物质代谢能力，并驱动了滩涂水稻土细菌群落及氮循环功能菌群发生趋向性演化，这主要与土壤理化性质随种稻时间变化有关。氮肥施用导致铵态氮和硝态氮含量的增加是新垦滩涂稻田细菌及氮循环菌群结构发生变化的主要驱动因子。300kg·N·ha-1的施氮量有助于新垦滩涂稻田水稻经济效益与生态效益的优化协调，同时又有利于加快新垦滩涂水稻土的熟化。
本文主要结论如下:
1)持续种稻淡化了滩涂土壤盐分，提高了土壤有机质、全氮和铵态氮含量，但pH变化不明显。随种稻年限的延长，滩涂土壤碱性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶、蛋白酶和过氧化氢酶活性显著提高，多酚氧化酶活性明显下降;土壤细菌群落结构随种稻年限延长呈明显的趋向性演化，变形菌门、绿弯菌门、酸杆菌门相对丰度逐渐增加，拟杆菌门、蓝细菌、浮霉菌门相对丰度明显降低，同时水稻种植显著增加了土壤厌氧及铁还原微生物数量，如Anaerolineae、Geobacter、Anaeromyxobacter，这些微生物类群可能驱动滩涂稻田有机质的不断积累，进而与盐分淡化协同促进滩涂土壤微生物物质代谢能力的增强及细菌群落的趋向性演替。
2)长期种稻促进了滩涂土壤氮循环功能基因丰度的明显增加，但相对丰度呈下降趋势，同时提高了咒nifH、nirK、narG在土壤氮循环功能基因中的比例，降低了AOA、nirS、nosZ的比例，且随种稻年限延长，nifH/AOA和norB/nosZ呈增高趋势，表明滩涂水稻土固氮、硝酸盐还原及反硝化产N20潜能随种稻时间的延长在不断提高。滩涂水稻土氨氧化作用由氨氧化古菌主导，亚硝酸盐还原菌由nirS型主导向nirK型主导演变。基于T.RFLP研究发现，nijn、AOA、nirS、nirK和nosZ型微生物群落结构随种稻年限的延长发生趋势性变化，并且发现大部分，nifH、AOA、nirS和nirK型微生物均属于未培养类群，而含nosZ基因的反硝化优势菌群由Azoarcus向未培养细菌演变。冗余分析及Mmltel检测表明，氮循环基因在氮循环网络中的占比及其群落结构与土壤电导率、有机质、全氮、速效磷和速效钾含量关系密切。
3)施氮量增加一方面提高了新垦滩涂稻田土壤有机质、全氮、硝态氮和铵态氮含量，对pH和电导率的影响存在区域性(根际、非根际)差异，另一方面降低了新垦滩涂水稻土细菌群落仪多样性。随着施氮量的增加，优势类群中拟杆菌门和放线菌门相对丰度提高，绿弯菌门、酸杆菌门、芽单胞菌门、浮霉菌门、α-变形菌纲和δΝ变形菌纲相对丰度下降，厚壁菌门相对丰度随施氮量增加表现出“先增后降”的变化趋势，而γ-变形菌纲对施氮量的响应存在区域性差异。主成分分析表明，高氮处理(345～390kg·N·ha-1)对新垦滩涂稻田细菌群落结构及其功能特征的影响比低氮处理(0～300kg·N·ha-1)更为强烈，但低氮处理与种稻近20年的滩涂水稻土细菌群落及其功能特征更为接近。相关性分析及Mantel检测表明，氮肥施用导致铵态氮、硝态氮和有机质含量提高是新垦滩涂稻田细菌群落多样性及结构变化的主要驱动因子。
4)随施氮量增加，新垦滩涂稻田氮矿化速率、硝化速率呈现下降趋势，反硝化速率在根际土、非根际土中分别表现为“降升”、下降趋势。氮肥施用总体上增加了新垦滩涂稻田固氮菌和反硝化菌丰度，降低了氨氧化古菌的丰度;但各基因在氮循环网络中占比对施氮水平的响应较为复杂，且在不同区域对氮肥的响应机制存在分异。随施氮量增加，mifH/amoA及(narG+napA)/(narG+napA+nirK&S+norB+nosZ)呈先升高后稳定的趋势;norB/nosZ总体保持稳定，但在高氮处理的根际土中急剧上升，说明氮肥施用提高了土壤铵态氮积累和硝态氮还原潜势，且过量施用会刺激根际区域反硝化产N2O潜能。此外还发现，新垦滩涂稻田氨氧化作用以氨氧化古菌为主，亚硝酸盐还原菌以nirS型为主。从群落结构来看，nifH、AOA、nirK、nirS、norB和nosZ型微生物类群结构随施氮量增加发生了显著改变，同时不同区域对氮肥的响应也存在差异。系统发育树结果显示这些氮循环微生物均属于未培养类群。冗余分析及Mantel检测表明，施氮导致土壤养分含量的变化是影响氮循环功能基因构成的主要因素，并且铵态氮和硝态氮含量的增加对nifH、AOA、nirK、nits、norB和nosZ基因群落结构变化起到了关键作用。
5)新垦滩涂稻田土壤生物特性与水稻产量及氮素利用率相关分析结果表明，根际细菌多样性与水稻产量呈现负相关关系，这是因为氮肥施用选择性富集有机物降解菌群，间接地为水稻生长提供了养分，同时一些可能改善水稻根际营养状况、提高植物抗逆性的菌群也在水稻根际富集，如Nocardioides、Pontibacter、Salegentibacter、Psychroflexus、Bacillus、Jeotgalibacillus、Salinarimonas、Hydrogenophaga、Lysobacter。氮循环基因与新垦滩涂稻田氮素利用、损失密切相关，且不同区域氮循环基因与氮素损失的分子机制存在分异。相关性分析表明，N2O排放潜能增加是新垦滩涂稻田根际区域氮素损失的主要原因，而铵态氮积累潜能增强导致的氨挥发是非根际区域氮素损失的主要途径。
综上所述，长期种稻提高了土壤微生物活性及微生物的物质代谢能力，并驱动了滩涂水稻土细菌群落及氮循环功能菌群发生趋向性演化，这主要与土壤理化性质随种稻时间变化有关。氮肥施用导致铵态氮和硝态氮含量的增加是新垦滩涂稻田细菌及氮循环菌群结构发生变化的主要驱动因子。300kg·N·ha-1的施氮量有助于新垦滩涂稻田水稻经济效益与生态效益的优化协调，同时又有利于加快新垦滩涂水稻土的熟化。