生物菌肥对小麦田地土壤微生物群落的影响.pdf
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1、113青海科技202303成果视窗青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY土壤微生物是农田生态系统的重要组成部分,在维持生态系统结构和功能稳定性中发挥着重要作用1。在农业发展初期,为追求产量,不断增加化肥的施用量。过量化肥的使用造成耕地土壤酸化、土壤微生物群落失衡等问题2。但是随着中国农业高质量发展不断推动,有必要施用一种与化肥肥效相似或更好但对环境友好的替代肥料,实现对环境的保护3。微生物菌肥在植物生长代谢过程中可以产生多种生理活性物质4,具有活化有机质、减少环境污染等众多优势5,能够解决我国当前农业发展中遇到的很多重大问题,为有机农业生产的未来提供更多可能,符合我
2、国向生态型农业发展的趋势。本研究通过施用生物菌肥和常规化肥对比分析,研究土壤微生物群落多样性变化的响应,探讨和评价在高原地区施用生物菌肥的可行性,为青海省农业绿色发展提供科学参考。1 材料与方法1.1 试验区概况田间试验地位于青海省西宁市大通县林家台村(370207N,1013511E),平均海拔 2556 m,年平均气温 3.3,年日照时数 2300h,全年无霜期 151.60d,年平均降水量 398.80mm,年平均气温4.30,属高原大陆性气候。土壤类型为栗钙土,种植前用五点法采样分析测得耕层土壤(020cm)基本性质:有机质 28.80gkg-1,全氮 1.00gkg-1,碱解氮 10
3、2.90mgkg-1,有效磷 57.70mgkg-1,速效钾 102.40mgkg-1,土壤 pH 值 8.40。基金项目:青海省青藏高原药用动植物资源重点实验室项目(2020-ZJ-04);2022 年民生科技专项“生物菌肥对高原小麦种植的影响”。作者简介:密发凯(1998-),女,在读硕士,研究方向:生物化学与分子生物学。E-mail:。*通信作者:马永贵(1972-),男,博士,教授,研究方向:青藏高原药用动植物资源。E-mail:。生物菌肥对小麦田地土壤微生物群落的影响密发凯 赵志敏 马永贵*(1.青海师范大学生命科学学院,西宁 810008;2.青海省青藏高原药用动植物资源重点实验室
4、,西宁 810008)摘 要:采用大田试验,结合高通量测序等技术,研究生物菌肥对小麦田地土壤肥力及微生物群落结构的影响。结果表明:微生物菌肥提升了土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、速效磷含量,降低了土壤 pH 值。在 97%相似水平上,细菌文库聚类获得 3919 个 OTU,其中包含 37 个门、113 个纲、259 个目、393 个科、701 个属和1 454 个种;真菌文库聚类获得 1203 个 OTU,其中包含 13 个门、38 个纲、84 个目、180 个科、369 个属和551 个种。细菌中的优势菌门为放线菌、变形菌、绿弯菌、酸杆菌;真菌中的优势菌门为子囊菌门、被孢霉门、担子菌门。在一
5、定程度上,微生物菌肥提高了细菌、真菌群落多样性,降低了细菌、真菌群落的丰富度。研究为改善青海地区土壤环境、促进青海省农业绿色发展提供一定的科学参考。关键词:生物菌肥;化肥;高通量测序;微生物群落结构;土壤肥力中图分类号:S154.3;S144 文献标识码:A 文章编号:1005-9393(2023)03-0113-08114青海科技202303成果视窗青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY1.2 试验设计试验于 2021 年 4-9 月进行,采用随机区组设计,麦地设置 2 个处理,分别为小麦微生物菌肥处理组(M)和常规化肥组(B)。微生物菌肥处理组施用微生物菌肥 5
6、0 倍稀释液,对照组施用传统无机化肥尿素(含 N46%)、过磷酸钙(P2O512%),每个处理设置 3 个重复,共 9 个小区,每个小区面积 5m10m=50m2,保护行宽 1m,走道宽及小区排水渠宽 0.5m。微生物菌肥由华联农业发展(辽宁省)有限公司提供,登记证号为微生物肥(2020)准字(7774)号,有效菌种为枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis),有效活菌数 2.0 亿/mL。供试小麦品种为当地广泛种植品种“互助红”。两种处理均于 2021 年 4 月 8 日播种后进行首次施肥,二次追肥时间为 6 月 11 日,其他田间管理措施与传统大田相同。1.3 土壤样品采集土壤样品采
7、集于小麦收获后,在每个小区按照“S”形多点打土钻,打钻深度为 20cm,每个小区取 3 钻土壤,去除表面浮土、根系、石块等杂质后充分混匀作为一个区的耕层土壤样品,放入冰盒低温保存带回实验室。在实验室将每份土壤分为两部分,一部分风干后研磨,过 200 目筛网用于土壤养分等指标的测定;另一部分置于-80 冰箱保存备用,用于土壤微生物相关指标的测定。1.4 测定项目及方法1.4.1 土壤指标测定pH 计(MettlerToledo;Switzerland)测 定 土壤 悬 液 的 pH 值;意 大 利 NCTechnologies 公 司CostechESC4024元素分析仪测定全氮、全磷、全钾;N
8、Y/T1848-2010:联合浸提-比色法测定碱解氮、有效磷、速效钾;GB9834-88:重铬酸钾容量法测定有机质。1.4.2 土壤微生物总 DNA 提取和高通量测序采用 E.Z.N.A.SoilDNAKit(OMEGA,美国)试剂盒提取土壤微生物总 DNA,采用 NanoDrop-NDl000 测定提取 DNA 浓度,并经 2琼脂糖凝胶电泳对 DNA 样品进行检测,检测合格后用于菌群文库构建。以各土壤样品微生物总 DNA 为模板,选取细菌 V3+V4 区(338F:ACTCCTACGGGAGGCAGCAG,806R:GGACTACHVGGGTWTCTAAT)6和真菌ITS1区(ITS1F:C
9、TTGGTCATTTAGAGGAAGTAA,ITS2R:GCTGCGTTCTTCATCGATGC)7进行目的片段扩增,用于后续微生物种属鉴定。PCR 扩增产物的测序委托上海美吉生物医药科技有限公司完成。1.5 数据处理及分析测序数据通过 FLASH 和 Trimmomatic 软件进行过滤优化和双端序列的连接,优质序列利用Usearch 软件基于 97%的相似水平进行分类操作单元(OperationalTaxonomicUnits,OTU)聚类,根据Silva 细菌数据库8和 Unite 真菌数据库利用 RDPClassifier 进行物种注释和分类9;基于 OTU 丰度信息,利用 R 语言工
10、具进行主成分分析(PrincipalComponentAnalysis,PCA),稀释曲线、Venn 图和群落柱形图的制作。利用 Mothur 软件计算 Alpha多样性指数(Shannon、Simpson、Chao、ACE 等指数),并用 Excel 和 SPSS23.0 软件进行数据统计分析与作图。2 实验结果2.1 施用生物菌肥对土壤肥力的影响由表 1 可知,M 相比 B,pH 值下降,有机质含量上升 1.79%,全氮含量上升 2.44%,全磷含量上升 2.17%,全钾含量上升 2.26%,碱解氮含量上升 3.21%,速效磷含量上升 33.99%,速效钾含量降低 9.85%。成分pH 值
11、有机质/gkg-1全氮/gkg-1全磷/gkg-1全钾/gkg-1碱解氮/mgkg-1速效磷/mgkg-1速效钾/mgkg-1M8.050.0230.201.572.100.072.820.0323.500.47105.409.1013.184.51119.5617.58B8.100.0329.671.502.050.472.760.0722.980.42102.123.8717.665.17132.301.60P0.4500.6930.8710.2340.2260.6110.3230.336表 1 施用生物菌肥对小麦根区土壤肥力的影响注:表中数值为“平均值 标准差”。115青海科技20230
12、3成果视窗青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY2.2 施用生物菌肥对小麦根区土壤微生物的影响2.2.1 小麦根区土壤微生物文库测序结果评价本研究对 6 个小麦土壤样品进行了 IlluminaMiSeq 高通量测序,数据经过滤优化,细菌文库共得到 268969 条有效序列,序列长度分布在232505bp 之间,以 97%相似水平将序列聚类获得 3919 个 OTU,其中包含 37 个门、113 个纲、259 个目、393 个科、701 个属和 1454 个种;真菌文库共得到 344113 条有效序列,序列长度分布在 140526bp 之间,以 97%相似水平将序列聚
13、类获得 1203 个 OTU,其中包含 13 个门、38 个纲、84 个目、180 个科、369 个属和 551 个种。细菌V3+V4 区、真菌 ITS1 区的有效序列数量和 OTU 数量如表 2 所示,统计结果显示处理组和化肥组中细菌文库及真菌文库的有效序列数量和 OTU 数量均差异不显著。表 2 小麦根际土壤细菌、真菌 OTU 序列读数注:表中数值为“平均值 标准差”。成分细菌 V3+V4 区真菌 ITS1 区有效序列数量/条OUT/个有效序列数量/条OUT/个M427959653.62542234.058654108620.259814.2B468612737.9275054.65605
14、06171.261743.7P0.5210.2600.7360.521小麦根区土壤细菌和真菌多样性稀释曲线(图1)显示,随着测序数量的不断增大,各样品 OTU数目的增加趋势趋于平缓,基本达到饱和,说明测序数据量合理。图 1 小麦根区土壤样品细菌(a)、真菌(b)稀释曲线2.2.2 小麦根区土壤微生物 Alpha 多样性指数分析本研究在 97%相似水平上计算各土壤样品测序的覆盖率(表 3),细菌文库测序覆盖率在 98%以上,真菌文库测序覆盖率在 99%以上,说明本研究取样合理且处理组和化肥组间微生物文库测序覆盖率差异不显著,测序数据能够真实地反映土壤样品中的微生物群落。Shannon(香农指数)
15、、Simpson(辛普森指数)指数作为用来估算样本中微生物多样性的指数,常用于反映群落 alpha 多样性。Shannon 指数越116青海科技202303成果视窗青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY大,说明群落多样性越高。Simpson 指数值越大,说明群落多样性越低10。如表 3 所示,M 的小麦农田根区土壤中,细菌的 Shannon 指数相比 B 下降 0.47%,真菌的 Shannon 指数上升 2.91%;细菌和真菌的 Simpson 指数相比 B 分别下降 10.53%和 17.35%,说明施用微生物菌肥后小麦根区土壤细菌和真菌的多样性在一定程度上有所
16、提高。ACE 指数、Chao 指数是生态学中估计物种总数的常用指数之一,表征微生物-多样性的指标,其值越高表示微生物多样性越高11,物种丰富度也越高12。与 B 相比,M 的细菌 Chao指数下降 5.97%,真菌 Chao 指数下降 1.65%;M 的细菌 ACE 指数下降 5.97%,真菌 ACE 指数相比下降 2.58%,表明施用微生物菌肥可以在一定程度上降低小麦根区细菌和真菌群落的物种总数。2.2.3 小麦根区土壤微生物 OTUs 分布对两个处理组中所共有的 OTU 进行 Venn 图分析,M 与 B 之间共有的细菌 OTU 为 3030 个(图2a),特有的 OTU 数分别为 362
17、 个和 527 个,说明微生物菌肥会降低小麦根区土壤的特有细菌物种。M 和 B 共有的真菌 OTU 为 701 个(图 2b),特有的 OTU 数分别为 227 个和 275 个,说明微生物菌肥会降低根区土壤特有真菌物种。微生物处理多样性指数丰富度文库覆盖率/%Shannon 指数Simpson 指数ACE 指数Chao 指数细菌M6.47570.03850.00510.00013104.6229.363107.9242.550.98440.0037B6.50620.90240.00570.00153301.0130.593305.1115.220.98590.0015P0.6190.5610
18、.2670.2720.561真菌M4.27350.16540.03810.0059653.15.51655.96.020.99840.0005B4.15240.37400.04610.0203670.451.15666.950.500.99850.0004P0.6350.5500.5920.7260.934表 3 小麦根区土壤细菌、真菌群落丰富度和多样性指数注:表中数值为“平均值 标准差”。图 2 小麦根区土壤样品细菌(a)、真菌(b)OTU 分布的 Venn 图2.2.4 小麦根区土壤细菌群落组成和结构分析在门的分类水平共得到 9 个类群(图 3a),分别为放线菌门(Actinobacter
19、iota)、变形菌门(Proteobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、酸杆菌门(Acidobacteriota)、芽单胞菌门(Gemmatimonadota)、厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bacteroidota)、粘菌门(Myxococcota)、嗜甲烷菌门(Methylomirabil)。M 相比 B 提高了变形菌门、酸杆菌门、芽单胞菌门、厚壁菌门、拟杆菌门、粘菌门、嗜甲烷菌门的相对丰度,分别提升 0.09%、0.93%、0.90%、0.16%、0.12%、0.02%、0.12%,芽单胞菌门两个处理间的差异达到显著水平(P 0.05)。两个处理的放117
20、青海科技202303成果视窗青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY图 3 在门(a)、纲(b)水平上小麦根区土壤细菌的相对丰度图 4 在门(a)、纲(b)水平上小麦根区土壤真菌的相对丰度线菌门、变形菌门、绿弯菌门、酸杆菌门为优势菌门,其丰度之和占比达到 80%以上。在纲的分类水平上共得到 17 个类群(图 3b),M 相比 B 提高了放线菌纲、-变形菌纲、绿弯菌纲、酸微菌纲、芽单胞菌纲、拟杆菌纲、KD4-96、厌氧绳菌纲、Gitt-GS-136 的相对丰度,分别提高了 0.92%、0.63%、0.39%、0.32%、0.87%、0.12%、0.43%、0.38%、0
21、.20%。其中放线菌纲、-变形菌纲、嗜热油菌纲、绿弯菌纲、邻里菌纲、-变形菌纲为优势菌纲,其丰度之和占比达到 60%以上。2.2.5 小麦根区土壤真菌群落组成和结构分析在 门 的 分 类 水 平 上 共 得 到 4 个 类 群(图4a),分别是子囊菌门(Ascomycota)、被孢霉门(Mortierellomycota)、担子菌门(Basidiomycota)、未分 类 的 k 真 菌(unclassified_k_Fungi)。M 相 比 B提高了子囊菌门和未分类的 k 真菌相对丰度,分别提升 1.72%和 1.11%。其中子囊菌门、被孢霉门、担子菌门为优势菌门,其丰度之和占比达到90%以
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