吳照祥 劉巧麗 李輝虎 鐘永達(dá) 葉昌炎 余發(fā)新

摘要：為探討不同修復(fù)措施對(duì)南方典型退化紅壤細(xì)菌群落功能組成的影響，設(shè)置單施生物炭（B）、微生物有機(jī)肥（OF）、化學(xué)肥料（CF）、生物炭配施微生物有機(jī)肥（BO）、生物炭配施化學(xué)肥料（BC）以及空白對(duì)照（CK）等6種修復(fù)處理方式并進(jìn)行車(chē)前草的盆栽試驗(yàn)，采用細(xì)菌16S rRNA基因的高通量測(cè)序技術(shù)并結(jié)合PICRUSt功能預(yù)測(cè)分析，研究不同修復(fù)處理方式下退化紅壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及其功能組成的變化。結(jié)果表明，微生物有機(jī)肥和化學(xué)肥料對(duì)車(chē)前草根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與功能組成具有顯著的影響（F2，15=25.55，R2=0.773 1，P<0.001;F2，15=17.22，R2=0.696 6，P<0.001），而生物炭的作用不顯著（P>0.05）;微生物有機(jī)肥處理車(chē)前草根際土壤細(xì)菌物種多樣性顯著增加，增幅達(dá)到17.30%，但是化學(xué)肥料顯著降低細(xì)菌物種多樣性，降幅達(dá)21.25%;微生物有機(jī)肥增加生物代謝途徑和氮循環(huán)途徑功能基因豐度，促進(jìn)氮異化還原、反硝化作用和固氮作用過(guò)程，有利于土壤氮素的維持和土壤質(zhì)量的改善，而化學(xué)肥料施用則相反。另外，根際土壤細(xì)菌物種多樣性跟土壤的pH值顯著正相關(guān)，跟堿解氮和有效磷等土壤養(yǎng)分含量顯著負(fù)相關(guān)。本研究明確了退化紅壤微生物群落功能組成以及氮循環(huán)相關(guān)功能基因?qū)π迯?fù)措施的響應(yīng)，為南方退化紅壤的生態(tài)修復(fù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：PICRUSt;退化紅壤;生態(tài)修復(fù);細(xì)菌群落;功能基因預(yù)測(cè)

中圖分類號(hào)：S154.38+1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2021）16-0060-07

土壤退化是一個(gè)全球性的問(wèn)題，主要包括土壤鹽漬化、酸化、板結(jié)、重金屬污染、營(yíng)養(yǎng)元素失衡、有機(jī)質(zhì)和微生物多樣性減少等。在過(guò)去40年里，世界上1/3的可耕地因?yàn)楦鞣N退化原因而無(wú)法耕種。紅壤是我國(guó)南方土壤的重要組成部分，占全國(guó)土地面積的21%以上[1]。江西省地處南方亞熱帶中部，是我國(guó)重要的紅壤分布區(qū)，全省71%的土地面積都是紅壤[2]。南方紅壤地區(qū)水、熱條件優(yōu)越，光照充足，是我國(guó)農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)的重要區(qū)域，其中福建省和江西省森林覆蓋率位列全國(guó)之首，但是早期森林的過(guò)度采伐、毀林墾地，以及過(guò)度放牧、化肥農(nóng)藥的過(guò)度施用和高強(qiáng)度多頻次耕作等不合理的土地利用[3]，導(dǎo)致紅壤肥力下降、水土流失、地力衰退等嚴(yán)重的土壤退化問(wèn)題，也引發(fā)了一系列的民生、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)問(wèn)題。

土壤退化問(wèn)題自1971年由聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）提出以來(lái)，一直備受各界的廣泛關(guān)注，世界各國(guó)也都開(kāi)展了土壤退化現(xiàn)狀、成因以及應(yīng)對(duì)措施方面的研究。我國(guó)早在20世紀(jì)50年代就開(kāi)始對(duì)華南退化坡地土壤侵蝕進(jìn)行長(zhǎng)期的觀測(cè)，并進(jìn)行植被恢復(fù)的研究[4]。經(jīng)過(guò)幾十年的不懈努力，我國(guó)在土壤退化及其恢復(fù)理論與應(yīng)用技術(shù)方面取得了豐碩的成果，針對(duì)不同區(qū)域、不同土壤、不同退化類型和程度的生態(tài)系統(tǒng)，探索并總結(jié)了包括物理、化學(xué)和生物的退化土壤修復(fù)技術(shù)體系。在南方紅壤區(qū)這一獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)，也開(kāi)展了以恢復(fù)植被、控制水土流失為目標(biāo)的荒山綠化、水土流失綜合治理研究并取得顯著成效[5]。

雖然不同學(xué)者對(duì)土壤退化定義的論述具有差異性，但是都著重強(qiáng)調(diào)土壤質(zhì)量的降低，土壤退化和土壤質(zhì)量具有千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系[6]。微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，幾乎所有的土壤過(guò)程都直接或間接與其有關(guān)，越來(lái)越受到科學(xué)家的密切關(guān)注[4，6]。土壤是微生物的重要棲息地，其理化性質(zhì)和養(yǎng)分含量對(duì)微生物群落具有重要影響，一定程度上決定了微生物的種類、數(shù)量和多樣性，而土壤微生物的結(jié)構(gòu)和多樣性的變化也可以反映土壤質(zhì)量的變化趨勢(shì)。微生物活動(dòng)對(duì)健康和肥沃的土壤至關(guān)重要，是土壤質(zhì)量和退化土壤修復(fù)評(píng)價(jià)的一項(xiàng)重要指標(biāo)[7]。

隨著生物學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和退化土壤修復(fù)研究的深入，人們對(duì)退化土壤微生物群落組成與多樣性以及修復(fù)措施對(duì)土壤微生物的影響等方面開(kāi)展了廣泛的研究，但是對(duì)退化土壤中的微生物群落功能組成的系統(tǒng)研究還相對(duì)較少，多集中在微生物硝化作用、反硝化作用以及固氮能力等單一功能的研究。土壤微生物的分類學(xué)多樣性與功能多樣性有密切聯(lián)系，但并沒(méi)有顯著相關(guān)性[8-9]，所以土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與功能組成的系統(tǒng)研究有助于土壤微生態(tài)過(guò)程的全面揭示。因此，本研究通過(guò)室內(nèi)盆栽模擬野外退化土壤的修復(fù)，通過(guò)對(duì)細(xì)菌16S rRNA進(jìn)行高通量測(cè)序并借助細(xì)菌PICRUSt基因功能預(yù)測(cè)技術(shù)，研究稻殼生物炭、微生物有機(jī)肥以及化學(xué)肥料施用等措施對(duì)南方退化紅壤土壤微生物功能組成的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

南昌市黃馬鄉(xiāng)試驗(yàn)基地位于116°1′3.57″E、28°22′28.28″N，土壤成土母質(zhì)是第四紀(jì)紅黏土，由于長(zhǎng)期過(guò)度利用，造成水土流失、土壤板結(jié)、養(yǎng)分短缺等問(wèn)題，土壤退化嚴(yán)重。挖取0～20 cm的表層土壤，過(guò)2 mm篩后風(fēng)干備用，其基本理化性狀見(jiàn)表1。稻殼生物炭以干燥稻殼為原料，通過(guò)炭化爐在 500 ℃、無(wú)氧狀態(tài)下制備而成，pH值為8.36，養(yǎng)分包括48.59% C、1.87% N、1.53% P、2.94% K，含灰分11.43%。微生物有機(jī)肥是將畜禽糞便發(fā)酵完全后與多黏芽孢桿菌復(fù)合而成，化學(xué)肥料為史丹利農(nóng)業(yè)集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的硫酸銨型復(fù)合肥，均購(gòu)買(mǎi)于當(dāng)?shù)剞r(nóng)資市場(chǎng)。微生物有機(jī)肥含44.20%的有機(jī)質(zhì)和2.35% N、0.62% P、4.49% K，多黏芽孢桿菌活菌數(shù)為3×108 CFU/g，化學(xué)復(fù)合肥中N、P、K含量分別為12.0%、5.24%、9.96%。本試驗(yàn)采用室內(nèi)模擬盆栽方式進(jìn)行，分別添加稻殼生物炭（B）、微生物有機(jī)肥（OF）以及化學(xué)肥料（CF）、生物炭配施微生物有機(jī)肥（BO）、生物炭配施化學(xué)肥料（BC）等方式對(duì)退化紅壤進(jìn)行修復(fù)，以空白作為對(duì)照（CK），共設(shè)置6個(gè)試驗(yàn)處理，詳細(xì)設(shè)計(jì)方案和養(yǎng)分添加見(jiàn)表2，每個(gè)處理重復(fù)3次。2019年8月25日以塑料花盆（口徑15 cm×高12 cm，底部有孔）作為栽培容器，裝填1.0 kg混合均勻的基質(zhì)后移栽2株1月齡健壯車(chē)前幼苗。試驗(yàn)在江西省科學(xué)院智能人工氣候室中進(jìn)行。試驗(yàn)期間保持室內(nèi)溫度為20～25 ℃，空氣濕度為60%。植物生長(zhǎng)期間定期澆灌去離子水，稱質(zhì)量法保持土壤含水量在20%（最大田間持水量60%）。植物生長(zhǎng)90 d后，移除植物地上部和根系后，收集土壤樣品，過(guò)2 mm土壤篩，混勻后分成2份，一份自然風(fēng)干用于土壤理化性狀測(cè)定，一份真空冷凍干燥后置于-80 ℃超低溫保藏，用于土壤細(xì)菌分子生態(tài)學(xué)分析。

1.2 土壤理化性狀測(cè)定

土壤pH值和電導(dǎo)率采用PHS-3C型酸度計(jì)測(cè)定（測(cè)定pH值的水土比為2.5 ∶ 1，測(cè)定電導(dǎo)率的水土比為 5 ∶ 1，F(xiàn)E20-Five Easy PlusTM，Switzerland）;土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀氧化還原滴定法[10]測(cè)定;土壤可溶解有機(jī)碳含量采用沸水浸提法[11]測(cè)定;采用硼酸吸收鹽酸滴定法測(cè)定土壤堿解氮含量[12];土壤有效磷含量采用氟化銨-鹽酸溶液浸提，鉬藍(lán)比色法測(cè)定[13];土壤速效鉀含量采用中性醋酸銨溶液浸提，火焰光度計(jì)法測(cè)定。

1.3 高通量測(cè)序

每個(gè)土壤樣品準(zhǔn)確稱取冷凍干燥后的土壤 500 mg。使用試劑盒Fast DNA SPIN Kit for Soil（Q BIOgene Inc.，Carlsbad，CA，USA）提取土壤總DNA，按照試劑盒內(nèi)的操作流程進(jìn)行。提取的DNA經(jīng)0.8%瓊脂糖凝膠電泳和Nanodrop ND-1000 UV-Vis Spectrophotometer（NanoDrop Technologies）檢測(cè)后保存于-20 ℃冰箱中備用。

合成帶有barcode標(biāo)簽序列（用于區(qū)分不同的樣品）及接頭序列的特異引物515F/806R（前引物515F：5′-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3′;后引物806R：5′-GGACTACVSGGGTATCTAAT-3′），采用PCR擴(kuò)增技術(shù)對(duì)土壤細(xì)菌16S rRNA基因高變區(qū)的V4-V5進(jìn)行擴(kuò)增。PCR擴(kuò)增采用25 μL反應(yīng)體系，包括1 μL的模板DNA（10 ng/L）、1 μL上下游引物[10 pmol/μL，生工生物工程（上海）股份有限公司]、12.5 μL 2×PCR緩沖液（TaKaRa公司，大連）、0.5 μL DNA Taq 聚合酶（2.5 U/μL，TaKaRa公司），最后加滅菌超純水至25 μL。反應(yīng)條件為：95 ℃預(yù)變性3 min;95 ℃變性30 s，58 ℃退火30 s，72 ℃延伸 1 min，35個(gè)循環(huán);72 ℃再延伸10 min。每個(gè)樣品3個(gè)重復(fù)，將同一樣品的PCR產(chǎn)物混合后使用QIAEXDNA（QIAGEN Inc，USA）膠純化試劑盒回收純化PCR產(chǎn)物，并用Nanodrop ND-1000 UV-Vis Spectrophotometer（NanoDrop Technologies）對(duì)回收產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)。按照每個(gè)樣品的測(cè)序量要求，進(jìn)行相應(yīng)比例混合并構(gòu)建MiSeq文庫(kù)，在Illumina MiSeq （PE×300）平臺(tái)上進(jìn)行高通量測(cè)序。

1.4 數(shù)據(jù)分析

對(duì)MiSeq測(cè)序得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，同時(shí)對(duì)序列的質(zhì)量和拼接效果進(jìn)行質(zhì)控過(guò)濾，并根據(jù)序列末端的box序列校正序列方向。拼接后的數(shù)據(jù)用QIIME （version 1.8.0）軟件[14]進(jìn)一步質(zhì)控：序列長(zhǎng)度小于200 bp，連續(xù)5個(gè)堿基平均測(cè)序質(zhì)量小于30，含有模糊堿基，引物堿基中有超過(guò)1個(gè)的錯(cuò)配，以及無(wú)法被任何barcode 識(shí)別的序列，所有包含這些條件的序列都會(huì)被丟棄。采用UCHIME[15]借助16S核糖體基因序列的Silva數(shù)據(jù)庫(kù)（version 119）[16]檢測(cè)并去除嵌合體序列;采用Usearch對(duì)所有序列參照Greengenes數(shù)據(jù)庫(kù)以97%的相似度進(jìn)行OTU聚類分析，得到OTU列表并對(duì)其進(jìn)行序列數(shù)量標(biāo)準(zhǔn)化，借助PICRUSt軟件對(duì)細(xì)菌16S rRNA基因功能進(jìn)行預(yù)測(cè)。每個(gè)土壤樣品的細(xì)菌群落豐富度是通過(guò)計(jì)算每個(gè)樣品的OTU獲得的。細(xì)菌物種數(shù)和土壤理化性狀之間的相關(guān)關(guān)系采用線性回歸方法進(jìn)行分析。擬合適合度采用調(diào)整的R2和P值進(jìn)行判定?；贐ray-Curtis 相似性矩陣的PCoA 分析用于分析土壤細(xì)菌群落組成和預(yù)測(cè)基因功能多樣性的變異，并用多元的相似性分析方法ADONIS（Adonis test，Vegan package in R）檢驗(yàn)變異的顯著程度[17]。應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS 18.0計(jì)算微生物多樣性指數(shù)，預(yù)測(cè)功能基因豐度平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，并進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，確定各處理樣品間微生物多樣性和預(yù)測(cè)功能基因差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤細(xì)菌多樣性

本研究包括18個(gè)土壤樣品，測(cè)序下機(jī)數(shù)據(jù)通過(guò)拼接、質(zhì)控后共計(jì)得到1 201 631條有效序列，根據(jù)97%的相似度劃分為3 669個(gè)OTU。平均每個(gè)樣品獲得66 757條序列，每個(gè)樣品的序列數(shù)在43 548～74 917條之間。經(jīng)過(guò)比對(duì)、注釋和分類統(tǒng)計(jì)得到32個(gè)細(xì)菌門(mén)分類單元，其中優(yōu)勢(shì)分類門(mén)（>細(xì)菌群落總豐度的1%）分別為變形菌門(mén)（Proteobacteria）、放線菌門(mén)（Actinobacteria）、綠彎菌門(mén)（Chloroflexi）、Patescibacteria、WPS-2菌門(mén)、酸桿菌門(mén)（Acidobacteria）、芽單胞菌門(mén)（Gemmatimonadetes）、厚壁菌門(mén)（Firmicutes）、浮霉菌門(mén)（Planctomycetes）、擬桿菌門(mén)（Bacteroidetes），占總序列數(shù)的95%以上。優(yōu)勢(shì)分類門(mén)在不同土壤修復(fù)措施下具有顯著差異，其中變化最大的為厚壁菌門(mén)。

對(duì)不同修復(fù)措施下土壤細(xì)菌物種數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，生物有機(jī)肥的施用顯著提高了土壤細(xì)菌物種數(shù)，化學(xué)復(fù)合肥料的施用顯著降低了土壤細(xì)菌物種數(shù)，而稻殼生物炭的施用沒(méi)有產(chǎn)生顯著的影響（圖1）。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，土壤細(xì)菌物種數(shù)（OTU）與土壤pH值呈正相關(guān)，而與土壤堿解氮和有效磷含量呈負(fù)相關(guān)（圖2），都達(dá)到了極顯著的水平（P<0.01）。

2.2 土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化

基于Bray-Curtis距離的細(xì)菌群落組成，在PCoA分析的第一、第二排序軸上明顯區(qū)分成3個(gè)大的區(qū)域（圖3），分別為不施肥組、施用微生物有機(jī)肥組、施用化學(xué)復(fù)合肥組（Adonis F2，15=25.55，R2=0.773 1，P<0.001），解釋率達(dá)到68.7%。各大組均包括施用生物炭和不施用生物炭，但是無(wú)法根據(jù)生物炭施用與否進(jìn)行進(jìn)一步的劃分（P>0.05）。

2.3 土壤細(xì)菌功能組成

基于KEGG數(shù)據(jù)對(duì)比樣品中的細(xì)菌一級(jí)功能分類，各個(gè)修復(fù)處理間細(xì)菌一級(jí)功能基因豐度差異見(jiàn)圖4。已知的六大類生物代謝通路中，代謝（Metabolism）相關(guān)基因豐度最高，其次是遺傳信息處理和環(huán)境信息處理，而細(xì)胞過(guò)程、有機(jī)系統(tǒng)和人類疾病相關(guān)基因豐度很低。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，化學(xué)肥料（CF和BC）施用顯著降低代謝和環(huán)境信息處理相關(guān)基因豐度（P<0.05），有機(jī)肥（OF和BO）的施用對(duì)其豐度提升不顯著。有機(jī)肥和化學(xué)肥料的施用對(duì)遺傳信息處理、人類疾病和細(xì)胞過(guò)程相關(guān)基因豐度的影響不顯著（P>0.05）。另外，化學(xué)肥料的施用還顯著降低了有機(jī)系統(tǒng)相關(guān)基因豐度。稻殼生物炭單獨(dú)或與肥料混合施用都對(duì)細(xì)菌一級(jí)功能基因豐度無(wú)顯著影響。

上述生物代謝通路可以進(jìn)一步細(xì)分為二級(jí)功能層，共包含40種子功能，根據(jù)Bray-Curtis距離計(jì)算出預(yù)測(cè)功能基因β多樣性，通過(guò)PCoA分析發(fā)現(xiàn)，所研究的18個(gè)土壤樣品的區(qū)分不明顯（圖5），大致可以區(qū)分為對(duì)照組、化學(xué)肥料組以及其他（Adonis F2，15=17.22，R2=0.6966，P<0.001）。

2.4 土壤細(xì)菌氮循環(huán)

進(jìn)一步研究不同類型肥料施用下車(chē)前根際土壤細(xì)菌參與氮循環(huán)途徑（三級(jí)功能層，ko00910）的基因差異，發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥施用顯著提高氮循環(huán)途徑基因豐度，化學(xué)肥料施用降低其豐度，而稻殼生物炭單獨(dú)施用或與肥料混合施用都沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的影響（圖6）。

結(jié)果表明，本試驗(yàn)中稻殼生物炭對(duì)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與功能組成無(wú)顯著性影響，所以接下來(lái)對(duì)氮循環(huán)5個(gè)階段（氮異化還原、氮同化還原、反硝化作用、固氮作用和硝化作用）相關(guān)功能基因豐度分析只在施用有機(jī)肥（OF）、化學(xué)肥料（CF）的修復(fù)處理和空白對(duì)照（CK）之間進(jìn)行?？傮w而言，退化紅壤車(chē)前根際細(xì)菌的氮異化還原、氮同化還原以及反硝化作用相關(guān)基因豐度最高，固氮作用次之，硝化作用最低（圖7）。在車(chē)前根際土壤細(xì)菌氮異化還原過(guò)程中，亞硝酸還原酶基因nirB、硝酸還原酶基因narL和異化還原酶基因nrfA對(duì)各修復(fù)處理的響應(yīng)基本一致，有機(jī)肥顯著提升其豐度，而化學(xué)肥料處理其豐度顯著降低或降低不顯著?；瘜W(xué)肥料施用顯著降低亞硝酸還原酶基因nirD豐度，而有機(jī)肥無(wú)顯著影響。氮同化還原過(guò)程中，硝酸還原酶基因nasA和nirA豐度高于nasB和narB，nasA和nirA豐度均表現(xiàn)為CK>OF>CF。反硝化作用過(guò)程中，化學(xué)肥料施用顯著增加亞硝酸還原酶基因nirK和一氧化氮還原酶基因norB豐度，降低一氧化氮還原酶基因narC、亞硝酸還原酶基因narH以及硝酸還原酶基因napA和napB豐度，而有機(jī)肥施用顯著增加亞硝酸還原酶基因narH和氧化亞氮還原酶基因nosZ豐度。固氮作用過(guò)程的固氮酶基因nifD、nifH、anfG和nifK豐度大小均表現(xiàn)為OF>CK>CF處理。硝化作用過(guò)程相關(guān)基因豐度明顯低于其他氮循環(huán)過(guò)程，其中羥胺脫氫酶基因hao豐度表現(xiàn)為CK>OF>CF處理，其他基因豐度無(wú)顯著差異。

3 討論與結(jié)論

植物根際土壤微生物是根部最活躍的部分，能夠敏感地反映出土壤生態(tài)系統(tǒng)的變化[4，6，18]。本研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥施用顯著增加退化紅壤車(chē)前根際細(xì)菌物種數(shù)，提升代謝和環(huán)境信息處理通路基因豐度，特別是土壤氮循環(huán)途徑基因豐度，調(diào)控土壤氮循環(huán)過(guò)程?；瘜W(xué)肥料的施用基本上發(fā)揮了相反的作用，而稻殼生物炭的影響不明顯。根際土壤細(xì)菌物種數(shù)以及生物代謝途徑基因豐度，反映了土壤同化和礦化的能力及方向，在土壤養(yǎng)分循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中起著重要作用，是土壤生態(tài)系統(tǒng)肥力的重要生物學(xué)指標(biāo)[19]，表明有機(jī)肥施用能對(duì)退化紅壤起到很好的修復(fù)作用，提升土壤質(zhì)量和土地生產(chǎn)力。

相關(guān)研究表明，生物炭和肥料的單獨(dú)施用都對(duì)土壤微生物群落組成表現(xiàn)出較強(qiáng)的調(diào)節(jié)作用[20-21]，有效提升土壤質(zhì)量。本研究將生物炭與微生物有機(jī)肥以及化學(xué)肥料相結(jié)合，并應(yīng)用于退化紅壤的生態(tài)修復(fù)，結(jié)果表明，微生物有機(jī)肥能顯著增加細(xì)菌群落物種多樣性，而化學(xué)肥料表現(xiàn)出相反的作用，與前人研究結(jié)果[22]一致。施用微生物有機(jī)肥向土壤補(bǔ)充活潑的碳源，促進(jìn)異養(yǎng)微生物群落發(fā)展壯大，增強(qiáng)其代謝活性[23]，這可能是微生物有機(jī)肥提升土壤微生物群落的重要原因。然而，稻殼生物炭對(duì)細(xì)菌群落多樣性沒(méi)有顯著的影響。細(xì)菌群落主成分（PCoA）分析結(jié)果也顯示，所有樣品可以根據(jù)肥料類型劃分為3類，包括微生物有機(jī)肥相關(guān)修復(fù)、化學(xué)肥料相關(guān)修復(fù)以及不施肥對(duì)照，生物炭施用與否區(qū)分不明顯。

稻殼生物炭施用對(duì)退化紅壤中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性沒(méi)有表現(xiàn)出顯著的影響，這也體現(xiàn)在土壤微生物群落功能組成上，包括基于KEGG的生物代謝通路功能基因豐度、氮循環(huán)途徑功能基因豐度以及氮循環(huán)過(guò)程相關(guān)功能基因豐度。已有研究發(fā)現(xiàn)，多種類型生物炭的施用對(duì)土壤微生物群落具有很好的調(diào)節(jié)作用[20，24-25]，這可能是由生物炭自身特性及劑量、土壤類型、環(huán)境條件與微生物表征方法等差異引起的，本試驗(yàn)中生物炭施用對(duì)土壤微生物群落沒(méi)有發(fā)揮顯著作用的原因還有待進(jìn)一步深入研究。

基于16S rRNA基因的高通量測(cè)序，比對(duì)KEGG數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)細(xì)菌群落功能組成進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，結(jié)果表明，施用不同類型肥料對(duì)微生物群落功能組成具有顯著的影響，施用微生物有機(jī)肥能顯著增加生物代謝通路功能基因豐度，提升代謝途徑中的氮循環(huán)途徑功能基因豐度（ko00910），而化學(xué)肥料的施用基本表現(xiàn)出相反的作用。肥料施用對(duì)細(xì)菌群落功能組成的影響與其對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成的影響基本一致，說(shuō)明基于肥料施用的退化紅壤的修復(fù)效應(yīng)是深遠(yuǎn)的，微生物有機(jī)肥的施用能夠明顯改善退化土壤質(zhì)量，也將顯著提升土地的生產(chǎn)力。

對(duì)氮循環(huán)過(guò)程相關(guān)的功能基因分析結(jié)果表明，微生物有機(jī)肥增加氮異化還原、氮固定以及部分反硝化作用相關(guān)的功能基因豐度，究其原因可能是反硝化、固氮等微生物多為異養(yǎng)微生物，有機(jī)物料可以為土壤提供更均衡和穩(wěn)定的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)，促進(jìn)它們生長(zhǎng)繁殖[26]，這有利于促進(jìn)土壤中氮素養(yǎng)分的維持[27]，而化學(xué)肥料表現(xiàn)出顯著的抑制作用。大量研究表明，農(nóng)田土壤中施加氮肥可以顯著提高參與反硝化作用過(guò)程的nirK和norB基因豐度[28-29]，與本研究結(jié)果一致。nirK和norB是反硝化作用過(guò)程的2個(gè)關(guān)鍵基因[27]，化學(xué)肥料的施用通過(guò)增加它們的豐度，促進(jìn)土壤氮素向空氣中擴(kuò)散，這不利于環(huán)境保護(hù)和土壤質(zhì)量。

本研究結(jié)果顯示，結(jié)合細(xì)菌16S RNA基因高通量測(cè)序和PICRUSt功能基因預(yù)測(cè)，分析并比較了稻殼生物炭、微生物有機(jī)肥和化學(xué)肥料在典型南方退化紅壤修復(fù)中對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能組成的影響。微生物有機(jī)肥對(duì)退化紅壤的修復(fù)增加車(chē)前根際土壤細(xì)菌群落多樣性，有效調(diào)節(jié)細(xì)菌的微生物群落結(jié)構(gòu)，而化學(xué)肥料施用則表現(xiàn)出相反的作用。微生物有機(jī)肥施用顯著改善了土壤微生物群落功能組成，提高生物代謝途徑和氮循環(huán)途徑功能基因豐度。另外，微生物有機(jī)肥的施用還調(diào)節(jié)了氮循環(huán)過(guò)程相關(guān)基因豐度，有利于土壤氮素的維持，改善土壤質(zhì)量，而化學(xué)肥料施用則相反。稻殼生物炭單獨(dú)施用或與肥料混合施用對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性無(wú)顯著影響，表現(xiàn)在土壤微生物群落功能組成上。

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