减氮配施有机肥对燕麦土壤细菌群落特征影响与生态功能预测.pdf
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1、山西农业科学 2023,51(10):1196-1202Journal of Shanxi Agricultural Sciences减氮配施有机肥对燕麦土壤细菌群落特征影响与生态功能预测郑敏娜,邹璨阳,康佳惠,杨富(山西农业大学 高寒区作物研究所,山西 大同 037008)摘要:为了探讨减氮配施有机肥处理下燕麦根际土壤细菌群落多样性的差异状况,以晋燕 17号为试验材料,采用高通量测序技术,分析不施肥(CK)、仅施用尿素(T1,180 kg/hm2)和尿素与有机肥分别按照 9 1(T2)、8 2(T3)、7 3(T4)、6 4(T5)和 5 5(T6)的比例配施等 7个处理对土壤养分状况和细菌
2、群落多样性的影响,并利用PICRUSt法预测其生态功能。结果表明,减氮配施有机肥处理下,随着有机肥添加比例的增加,土壤中有机质含量逐渐增加,且在 T6 处理时达到最大(14.86 g/kg),籽粒产量在 T4 处理下达到最高(4 357.61 kg/hm2);与不施有机肥土壤相比,增施有机肥后显著提升了变形菌门、厚壁菌门的相对丰度,丰度前 5的优势细菌门依次为变形菌门、厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门、绿弯菌门;影响燕麦田土壤细菌群落结构的主要环境因子是速效氮(AN)、有机质(OM)、速效钾(AK)、全氮(TN)。PICRUSt预测结果表明,减氮配施有机肥后明显降低了土壤细菌细胞转化功能基因的丰度
3、,明显增加了生物体系统功能基因的丰度。综上,T4处理(126 kg/hm2尿素+54 kg/hm2有机肥)下生物产量最高,且其优势菌群更有利于土壤的可持续生产。关键词:减施氮肥;有机肥;高通量测序;PICRUSt法;土壤细菌群落特征;生态功能预测中图分类号:S512.6 文献标识码:A 文章编号:10022481(2023)10119607Effects of Nitrogen Reduction Combined with Organic Fertilizer and Prediction of Ecological Functions of Bacterial Community Char
4、acteristics in Oat SoilZHENG Minna,ZOU Canyang,KANG Jianhui,YANG Fu(Institute of High Latitude Crops,Shanxi Agricultural University,Datong 037008,China)Abstract:In order to investigate the difference of bacterial community diversity in oat rhizosphere soil treated with nitrogen reduction combined wi
5、th organic fertilizer,in this study,Jinyan 17 was taken as the experimental material,high-throughput sequencing technology was adopted,the effects of the seven treatments including no fertilization(CK),carbamide only(T1,180 kg/ha)and carbamide combined with organic fertilizer in the ratios of 9 1(T2
6、),8 2(T3),7 3(T4),6 4(T5)and 5 5(T6)on soil nutrient status and bacterial community diversity were analyzed,and the ecological functions were predicted by PICRUSt method.The results showed that the content of organic matter in soil gradually increased with the increase of the proportion of organic f
7、ertilizer under the treatments of nitrogen reduction combined with organic fertilizer,reaching the maximum under T6 treatment(14.86 g/kg),and the grain yield reached the maximum under T4 treatment(4 357.61 kg/ha).Compared with the soil without organic fertilizer,the relative abundance of Proteobacte
8、ria and firmicutes was significantly increased after increased application of organic fertilizer.The top 5 dominant bacterial phyla in abundance were Proteobacteria,Firmicutes,Bacteroidetes,Actinobacteria,and Green Curved Bacteria in order.The main environmental factors affecting the soil bacterial
9、community structure in oat fields were available nitrogen(AN),organic matter(OM),available potassium(AK),and total nitrogen(TN).The PICRUSt prediction results indicated that the abundance of transforming functional genes of bacterial cells was significantly decreased after nitrogen reduction combine
10、d with organic fertilizer,and the abundance of functional genes of biological systems was significantly increased.In conclusion,under T4 treatment(126 kg/ha carbamide+54 kg/ha organic fertilizer),the biological yield was the highest,and the dominant bacterial community was more conducive to sustaina
11、ble production of soil.Key words:nitrogen reduction;organic fertilizer;high-throughput sequencing technology;PICRUSt method;soil bacterial community characteristics;ecological function prediction燕麦(Avena sativa L.)为 1 年生禾本科粮饲兼用型作物,在全球 42个国家和地区广泛栽培,居世doidoi:10.3969/j.issn.1002-2481.2023.10.11收稿日期:202
12、3-07-31基金项目:山西农业大学育种工程项目(YZGC085);财政部和农业农村部:国家现代农业产业技术体系(CARS-07-A-2)作者简介:郑敏娜(1983-),女,甘肃通渭人,副研究员,硕士,主要从事燕麦栽培等研究工作。1196郑敏娜等:减氮配施有机肥对燕麦土壤细菌群落特征影响与生态功能预测界谷物生产第 6 位,主要分布于欧洲、亚洲和非洲的温带地区1。我国是燕麦的起源地之一,主要分布在华北、西北和西南等地区。燕麦具有耐贫瘠、耐盐碱、耐寒、抗旱、抗风沙等特点2-3,适应性广泛,且栽培措施简易,在营养价值、生产性能、利用方式、开发潜力等方面优势突出,是山西省传统优势杂粮作物之一,尤其是大
13、同地区的特色优势杂粮作物,很受市场的青睐,具有很大的发展空间和利用潜力,在山西区域经济建设中发挥着重要作用。施肥是燕麦田间管理中非常重要的措施之一,对燕麦田生产力的提升和土壤生态具有重要作用。肥料(包括无机肥和有机肥)输入土壤后,会对土壤生态环境产生巨大影响,合理施用不但可以直接提升作物产量,而且可以改变土壤微生态,有利于土壤微生物的正向演替;但在实际生产中,为了追求更高的产量,化肥施用量偏高,有机肥投入不足,造成土壤质量下降等问题,不但造成了土壤资源严重污染,而且会威胁食品安全4。因此,在燕麦生产过程中,探索合理的减氮配施有机肥比例,将有利于促进土壤和生产的可持续发展,对晋北地区燕麦田土壤生
14、态系统的可持续发展具有重要意义。在土壤生态系统中,微生物是重要的参与者,其对土壤养分循环、能量流动和物质转化等起到至关重要的作用5-9,是生态系统健康可持续发展的重要保障。在土壤生态系统中,相同的微生物种群可以行使不同的土壤功能,相同的土壤过程也可由不同微生物种群完成,其种群会因环境变更或管理分异产生微生物多样性及其生态功能的变化9。目前,众多学者在施肥与土壤微生物及其生态系统方面进行了大量研究,大多试验结果都表明,配施一定比例的有机肥料后土壤微生物量碳、氮、磷和生物活性均有不同程度的提高,具体效果会因配施比例或施肥种类而有所差异10-14。然而,也有研究显示,长期氮磷肥配施对土壤微生物生物量
15、的影响不大15。本研究通过田间小区试验,研究在不同剂量无机有肥料配施下,燕麦田土壤环境及其微生物的生态差异,揭示不同剂量肥料的输入对燕麦田土壤生态功能的影响,优选出最佳施肥模式,为晋北地区燕麦的种植和提质增效提供参考意见。1 材料和方法1.1试验地概况试验于 2022 年在山西农业大学高寒区作物研究所毛皂试验基地(N11234 11434,E3903 4044)进行。该地海拔 1 050 m,属中温带干旱区,土壤有机质含量为 12.61 g/kg,土壤全氮含量为0.81 g/kg,土壤有效磷含量为 5.03 mg/kg,土壤 pH值为 8.37。1.2试验材料选用燕麦品种晋燕 17 号为试验材
16、料,由山西农业大学高寒区作物研究所提供。试验所用肥料为尿素和自制有机肥,其中,尿素 N 含量46%;自制 有 机 肥 以 牛 粪 为 主 要 原 料,其 有 机 质 含 量 为15.8%,N含量为 0.046 g/kg。1.3试验设计试验采用随机区组排列。播前进行精细耙耱镇 压,平 整 后 人 工 开 沟 条 播,小 区 面 积 为 10 m2(2 m5 m),3 次重复,种植密度为 400 万株/hm2,播种深度 35 cm,行间距约 25 cm。试 验 共 设 7 个 处 理,以 不 施 肥 处 理 为 对 照(CK),分别设置仅施用氮肥(T1)和氮肥与有机肥分别按照 9 1(T2)、8
17、2(T3)、7 3(T4)、6 4(T5)和5 5(T6)的比例配施,共计 21个小区,其中,T1处理N 的施用量为 180 kg/hm2,T2T6等 5个处理 N 的总用量与T1处理一致,对应有机肥施用量按照配施比例计算,P、K施用量各小区均相同,试验期间各处理田间管理保持一致,具体施用量如表1所示。1.4测定项目及方法1.4.1土壤样品采集与测定于燕麦成熟期,各小区按对角线 5点采集燕麦根际土壤,采用四分法取0.2 kg土壤样品,3次重复。取样后,一部分土样,风干后测定常规土壤化学指标16,包括全氮(TN)、速效氮(AN)、速效磷(AP)、速效钾(AK)、有机质(OM);另一部分土样-80
18、 保存进行土壤微生物分析。1.4.2籽粒产量测定于燕麦成熟期,收获测定各小区的种子产量。1.4.3土壤微生物总 DNA 提取及生物信息学分表 1 各处理的肥料施用时期和施用量Tab.1 The fertilizer application period and dosage of each treatment处理TreatmentCKT1T2T3T4T5T6CO(NH2)2/(kg/hm2)播种前Pre-planting010897.286.475.664.854拔节期Jointing stage07264.857.650.443.236有机肥/(m3/hm2)Organic fertiliz
19、er播种前Pre-planting0018365472901197山西农业科学 2023 年第 51 卷第 10 期析使用 MN NucleoSpin 96 Soil(Germany)试剂盒 进 行 DNA 的 提 取,每 个 样 品 重 复 3 次,采 用PacBio 测 序 平 台 的 通 用 引 物(正 向 27F 和 反 向1492R),以细菌 16SrRNA 基因全长序列(V3-V4)为目的片段进行 PCR 扩增,扩增体系参照艾锋等17,扩增合格的样品在北京百迈克生物有限公司进行测序分析,对得到的高质量 CCS 序列进行生物信息学分析,具体方法参照艾锋等17文献。最后,使用 PICR
20、USt软件进行细菌功能类群预测18。此外,利用 STAMP和 R软件进行方差分析等。1.5数据分析利用 Microsoft Excel 2009进行数据整理,采用SPSS 22.0软件用单因素方差分析不同处理间的差异显著性(P0.05),采用Pearson法进行相关性分析。2 结果与分析2.1不同处理下土壤养分及籽粒产量的变化不同处理下土壤特性和籽粒产量如表2所示。由表 2 可知,与 CK 相比,各处理的土壤全氮(TN)和速效氮(AN)含量均有所增加,但各处理间差异不显著;对土壤速效钾(AK)、速效磷(AP)和有机质(OM)含量则有显著影响,其中,速效钾(AK)和速效磷(AP)含量均在 T3
21、处理时最高,分别为251.14、10.99 mg/kg,与其他处理间差异显著(除T4处理外,P0.05);随着施入有机肥肥量的增加,土壤中有机质的含量逐渐增加,在 T6处理时达到最大,为 14.86 g/kg,与其他各处理间差异显著(除 T5、T4处理外,P0.05)。此外,籽粒产量 T4处理最大,为4 357.61 kg/hm2,与其他处理间差异显著(P0.05)。2.2土壤微生物特征的变化2.2.1土壤细菌群落多样性分析本研究计算了减氮配施有机肥处理下燕麦根际土壤细菌群落的Alpha多样性。丰富度指数评估(图 1)发现,Chao1和 ACE 指数具有相似的变化规律,表现为 T6处理高于其他
22、处理;多样性评估表明,T3 处理 Shannon多样性指数最高(8.78),与最低的 T2 处理间差异显著(P0.05);T1处理的 Simpson指数最高,仍以T2处理的最低,二者间差异显著(P0.05)。表 2 不同处理下土壤特性和籽粒产量比较Tab.2 Comparison of soil characteristics and seed yield under different treatments处理TreatmentCKT1T2T3T4T5T6TN/(g/kg)1.010.22a1.250.21a1.510.09a1.520.28a1.470.16a1.560.26a1.400.
23、17aAN/(mg/kg)162.469.24a165.6210.76a157.672.13a174.3214.32a167.263.69a159.326.90a150.365.98aAK/(mg/kg)178.3621.02c208.3445.36bc199.3425.31bc251.1456.34a248.1216.98a209.4615.24b228.9930.67bAP/(mg/kg)8.590.69b9.980.25b9.361.36b10.990.96a9.230.90ab8.211.24b8.760.06bOM/(g/kg)10.180.19e11.251.26d12.300.6
24、4c12.851.39bc13.901.28ab14.851.22a14.861.35a籽粒产量/(kg/hm2)Seed yield3 001.0093.12c3 957.00101.23b3 818.00110.26b4 026.78102.13b4 357.61102.13a3 966.0093.04b3 899.42102.13b注:不同小写字母表示处理间差异显著(P0.05)。表中数值为平均值标准差。Note:Different lowercase letters indicated significant difference between treatments(P0.05).T
25、he values in the table were the mean standard deviation.图 1不同处理下土壤细菌群落 Alpha多样性Fig.1Alpha diversity of soil bacterial communities under different treatments 1198郑敏娜等:减氮配施有机肥对燕麦土壤细菌群落特征影响与生态功能预测采用主坐标分析(Principal co-ordinates analysis,PCoA)结果表明(图 2),T5、T6 处理落在第 1 象限,T4 处理落在第 1 象限和第 4 象限,T3 处理落在第 1 象限和
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