張 曼,侯天鈺,張應(yīng)榕,王娟紅,陳波浪, 2

(1. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,烏魯木齊 830052;2. 新疆土壤與植物生態(tài)過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830052)

【研究意義】新疆是我國(guó)重要的優(yōu)質(zhì)棉生產(chǎn)基地,新疆棉花生產(chǎn)面積、單產(chǎn)和調(diào)出量居全國(guó)首位,占全球棉花總產(chǎn)量的20%[1]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中,磷是棉花產(chǎn)量提高的重要物質(zhì)保證,由于磷在土壤中易被固定,其有效性往往較低。近30年來(lái),盡管我國(guó)農(nóng)田土壤有效磷水平通過(guò)施用磷肥得到了顯著提高,全國(guó)平均耕層土壤速效磷含量 (24.7 mg/kg) 是20世紀(jì)80年代的3倍多[2],但當(dāng)季磷肥利用率僅有10%～15%[3],絕大多數(shù)肥料磷以累積態(tài)磷存在,作物可利用的有效磷含量仍然不足。因此,如何提高作物對(duì)土壤累積態(tài)磷的活化利用以及提高磷肥的利用效率是保障我國(guó)作物高產(chǎn)與資源高效的重大問(wèn)題?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】微生物在土壤磷循環(huán)和調(diào)節(jié)磷有效性中起著重要作用[4],尤其是在積累磷的再循環(huán)中。Dinesh等[5]發(fā)現(xiàn)微生物具有將土壤中有機(jī)磷轉(zhuǎn)化成可供植物吸收的無(wú)機(jī)磷的能力;張玲玉等[6]研究發(fā)現(xiàn)微生物在促進(jìn)土壤有機(jī)磷和不溶性磷向有效磷轉(zhuǎn)化中起著積極作用。另外,施用磷肥對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)具有反饋?zhàn)饔?。已有研究表?施用磷肥可以增加土壤有效磷含量,從而改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和組成,促進(jìn)某些特定微生物的生長(zhǎng)[7]。廖朝選等[8]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),短期施用磷肥可以顯著增加土壤細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量。羅明等[9]通過(guò)對(duì)灰漠土棉花試驗(yàn)地土壤連續(xù)2年進(jìn)行觀測(cè),發(fā)現(xiàn)適宜的磷肥用量可促進(jìn)微生物數(shù)量顯著增加。Shi等[10]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)17年不同水平施磷梯度 (P2O50、17.5和35 kg/hm2) 后,土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)并未發(fā)生顯著改變。Tan等[11]研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)過(guò)42年不同磷肥施用梯度處理后,土壤細(xì)菌多樣性和土壤中溶磷性細(xì)菌的相對(duì)豐度隨著磷肥施用量的增加而增加,但酸桿菌門(mén) (Acidobacteria) 和假單胞菌屬 (Pseudomonas) 等細(xì)菌相對(duì)豐度隨之降低。綜上,關(guān)于磷肥施用對(duì)土壤微生物群落的影響機(jī)制仍存在廣泛的不確定性[12]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前,關(guān)于施磷調(diào)控棉田土壤理化性質(zhì)影響細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的研究鮮有報(bào)道。因此,本研究通過(guò)6年定位磷添加的田間試驗(yàn),采用Illumina MiSeq高通量測(cè)序技術(shù)手段,探討不同磷添加量對(duì)棉田土壤細(xì)菌多樣性及群落組成的變化,闡述環(huán)境因子對(duì)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】明確調(diào)節(jié)棉田理化性質(zhì)、優(yōu)化土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的最佳磷添加量,以期為科學(xué)施磷、改善土壤理化性質(zhì)和維持土壤微生物群落結(jié)構(gòu)等提供一定理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于新疆昌吉回族自治州瑪納斯縣新湖農(nóng)場(chǎng) (44°79′ E,86°44′ N),該地區(qū)屬于溫帶大陸性干旱半干旱氣候,日照充足,最高氣溫40 ℃,年降雨量237.7 mm。土壤類型為灰漠土。試驗(yàn)田塊已經(jīng)連續(xù)6年進(jìn)行不同磷添加梯度的定位試驗(yàn)。棉花品種為新陸早57號(hào),播前土壤 (0～20 cm) 的基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of soil

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在新湖農(nóng)場(chǎng)一連四隊(duì)棉花種植區(qū)域內(nèi)進(jìn)行田間試驗(yàn),試驗(yàn)地采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),小區(qū)總面積為1936 m2。不同磷(P2O5)添加量分別為0、75、150、300、450 kg/hm2,記為P0、P1、P2、P3和P4,每個(gè)處理3個(gè)重復(fù),共15個(gè)小區(qū)。施用磷肥品種為重過(guò)磷酸鈣,作為基肥一次性施入,尿素(N) 300 kg/hm2,氮肥施用方式為40%播前施入,其余60%分8～10次在棉花不同生育期隨水滴施,硫酸鉀(K2O) 75 kg/hm2,鉀肥也一次性在播前做基肥施用,其他田間管理同當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶常規(guī)管理。

1.3 土壤樣品采集

棉花根際土樣于2021年8月花鈴期進(jìn)行采集,每個(gè)小區(qū)用抖根法采集根際土,保存于無(wú)菌的自封袋中。每個(gè)地塊按“S”型隨機(jī)抽取5個(gè)點(diǎn),并將5個(gè)點(diǎn)的土樣混合放入無(wú)菌袋作為1個(gè)樣品,每個(gè)處理5個(gè)重復(fù)。將所采集的土樣放入冰盒內(nèi)冷藏帶回實(shí)驗(yàn)室,從土樣中取出30 g左右新鮮土樣混勻后過(guò)2 mm篩,無(wú)菌袋封好放入-80 ℃冰箱用于土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的測(cè)定。剩下部分自然風(fēng)干,研磨過(guò)1.00和0.25 mm土篩,用于測(cè)定土壤基本理化指標(biāo)。用100 cm3的環(huán)刀采集0～20 cm土層土壤樣品,用于土壤容重和含水量測(cè)定。

1.4 測(cè)定方法

1.4.1 土壤理化性質(zhì)測(cè)定 土壤pH采用1.0∶2.5土水比,在振蕩箱振蕩30 min后直接用pH計(jì)測(cè)量,全鹽采用1.0∶5.0土水比,通過(guò)電導(dǎo)率計(jì)算求得。土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法[13]測(cè)定,土壤容重和含水量采取環(huán)刀烘干法[14]測(cè)定,土壤溫度采用土壤溫度記錄儀 (JL-04) 自動(dòng)采集,每隔30 min采集記錄1次數(shù)據(jù)。

1.4.2 土壤DNA提取及高通量測(cè)序 提取DNA采用MoBio/QIAGEN公司的DNeasy Power Soil Kit進(jìn)行,并對(duì)抽提的DNA進(jìn)行檢測(cè)。采用熒光分光光度計(jì)(Quantifluor ST fluorometer, Promega,E6090 Quant iT PicoGreen dsDNA Assay Kit,Invitrogen, P7589)在260 和280 nm 處分別測(cè)定DNA的吸光值,檢測(cè)DNA濃度,并用1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)DNA質(zhì)量。調(diào)整DNA溶液濃度,DNA工作液保存于4 ℃,儲(chǔ)存液保存于20 ℃。

使用通用引物5’-CAGTGGGACGACCACGAGGT-3’和5’-GAGGCCGATCGGCATGTCG-3’對(duì)細(xì)菌16S rRNA基因的 V3～V4 可變區(qū)域進(jìn)行PCR擴(kuò)增;然后進(jìn)行膠回收純化,針對(duì)目標(biāo)條帶進(jìn)行割膠回收,得到純化樣本,然后進(jìn)行各樣本定量,利用BioTek酶標(biāo)儀對(duì)各個(gè)樣品定量 (BioTek Flx800酶標(biāo)儀;Quant-iT PicoGreen dsDNA Assay Kit, Invitrogen, P7589),最后采用標(biāo)準(zhǔn)的Illumina TruSeq DNA文庫(kù)制備實(shí)驗(yàn)流程構(gòu)建所需的上機(jī)文庫(kù)。利用Pico green和熒光分光光度計(jì)方法定量文庫(kù),并使用安捷倫 (Agilent 2100) 對(duì)PCR富集片段進(jìn)行質(zhì)量控制,驗(yàn)證DNA文庫(kù)的片段大小及分布。均一化并混合文庫(kù):多樣品DNA文庫(kù) (Multiplexed DNA libraries) 均一化至10 nmol/L后等體積混合。將混合好的文庫(kù) (10 nmol/L) 逐步稀釋定量至45 pmol/L后進(jìn)行上機(jī)測(cè)序。

1.5 數(shù)據(jù)處理

土壤理化性質(zhì)使用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理,利用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差分析 (ANOVA),采用Origin Pro 2018軟件進(jìn)行作圖。

土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)選用Silva數(shù)據(jù)庫(kù),后續(xù)基于OTU分析,進(jìn)行分類組成學(xué)分析實(shí)現(xiàn)各樣本在門(mén)、綱、目、科、屬、種6個(gè)分類水平上的組成分布。還可獲得樣本內(nèi)α-多樣性指數(shù)、樣本間β-多樣性指數(shù)。α-多樣性指數(shù)包含Chao1指數(shù)、Observed species指數(shù)、Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)和覆蓋度 (Good’s coverage) 指數(shù),β多樣性分析包括冗余分析。

冗余分析是一種最經(jīng)典的非約束排序分析方法,通過(guò)將樣本距離矩陣經(jīng)過(guò)投影后,在低維度空間進(jìn)行展開(kāi),并最大限度地保留原始樣本的距離關(guān)系。常用的β多樣性距離包括Jaccard距離、Bray-Curtis距離、unweighted UniFrac距離和weighted UniFrac距離等。

2 結(jié)果與分析

2.1 磷添加對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

由圖1-a和1-b可知,不同磷添加處理對(duì)土壤容重和含水量影響較小,各處理間無(wú)顯著差異。由圖1-c可知,不同施肥處理對(duì)耕層土壤溫度產(chǎn)生顯著影響。隨著磷添加水平的升高,土壤溫度呈先增加后降低趨勢(shì),P4處理的土壤溫度顯著低于P1和P2處理,分別降低11.05%和11.80% (P<0.05)。由圖1-d可知,不同磷添加處理對(duì)土壤pH有較大影響(P<0.05)。隨著磷添加水平的增加,pH呈先減小后增加趨勢(shì);與P0處理相比,P2處理平均顯著降低0.2。由圖1-e可知,不同磷添加處理對(duì)土壤電導(dǎo)率值變化影響顯著 (P<0.05),整體呈下降趨勢(shì),其中P1和P2處理土壤電導(dǎo)率下降較為明顯,與P0處理相比分別下降27.05%和35.19%。由圖1-f可以看出,土壤有機(jī)質(zhì)含量隨著磷添加的升高先升高后降低,整體顯著高于P0處理,增幅為1.95%～19.05%,不同磷添加間差異顯著。P2處理土壤有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到峰值,P4處理的有機(jī)質(zhì)含量與P0處理差異不大。由圖1-g可知,隨著磷添加水平的增加,有效磷含量呈先增加后降低趨勢(shì),P3處理的土壤有效磷含量最高,與P0處理相比,P3處理的土壤有效磷含量增加30.92%。由圖1-h可知,P2和P3處理的土壤全磷含量較P0處理土壤全磷含量分別增加33.14%和34.91%。

柱上不同小寫(xiě)字母表示處理間差異達(dá)到0.05 顯著水平。Different lowercase letters on the bar indicate a significant level of 0.05 difference between treatments.圖1 不同磷添加條件下棉田土壤理化性質(zhì)的變化Fig.1 Changes in soil physicochemical properties of cotton field under different phosphorus addition conditions

2.2 磷添加對(duì)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響

稀釋曲線能反應(yīng)樣品文庫(kù)測(cè)序數(shù)據(jù)量的合理性。由圖2可知,5種不同磷添加處理的稀釋曲線均平緩,表明當(dāng)前測(cè)序深度足以反映樣本所包含微生物多樣性,說(shuō)明測(cè)序數(shù)據(jù)量合理。從OTU數(shù)量可以看出,P2處理的OTU數(shù)量最多,P3次之,P1最少。Chao1指數(shù)能體現(xiàn)微生物群落豐富度,而Shannon和Simpson指數(shù)能夠體現(xiàn)微生物群落多樣性。由表2可知,P2、P3和P4處理的Chao1指數(shù)較P0處理分別增加13.82%、9.55%和12.48%,說(shuō)明實(shí)用施磷為150 kg/hm2的菌群最豐富;而與對(duì)照相比,施磷對(duì)Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)無(wú)顯著影響。

圖2 OTUs稀疏曲線Fig.2 Sparse curves of OTUs

表2 不同磷添加處理下土壤細(xì)菌α多樣性Table 2 α diversity of soil bacteria under different phosphorus addition treatments

圖3～7分別挑選豐度TOP10的細(xì)菌菌門(mén)、綱、目、科和豐度TOP50的細(xì)菌菌屬來(lái)分析土壤細(xì)菌群落組成的變化。由圖3可知,不同磷添加下土壤細(xì)菌在門(mén)水平上的優(yōu)勢(shì)類群為變形菌門(mén)(Proteobacteria,53.71%) 和放線菌門(mén) (Actinobacteria,9.08%) 的相對(duì)豐度最高,浮霉菌門(mén) (Planctomycetes) 的平均相對(duì)豐度為0.45%,而其余相對(duì)豐度較小,在0.01%～0.11%。P2處理明顯降低放線菌門(mén)的相對(duì)豐度,較P0處理下降25.44%,變形菌門(mén)的相對(duì)豐度無(wú)顯著變化。由圖4可知,在綱水平上以γ-變形菌綱、α-變形桿菌綱、β-變形菌綱為主,平均相對(duì)豐度分別為36.69%、28.79%和1.08%。較P0處理,P2處理中α-變形桿菌綱的相對(duì)豐度明顯增加,增加11.66%。P4處理中γ-變形菌綱的相對(duì)豐度明顯增加,增加36.40%,而α-變形桿菌綱的相對(duì)豐度明顯降低,降低51.83%。 說(shuō)明磷添加會(huì)改變綱分類水平下土壤中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)分布和相對(duì)豐度。由圖5可知,在目水平的優(yōu)勢(shì)類群為假單胞菌目、根瘤菌目、放線菌目和假諾卡式菌目,相對(duì)豐度分別為36.32%、24.20%、7.78%和6.08%,與P0相比,P1和P2根瘤菌目增加6.75%和17.38%,但假單胞菌目明顯降低24.53%和13.35%,P3和P4假單胞菌目明顯增加30.30%和36.86%,根瘤菌目明顯降低52.76%和58.28%。由圖6可知,在科水平的優(yōu)勢(shì)類群為假單胞菌科、慢生根瘤菌科、鏈霉菌科、根瘤菌科和假諾卡氏菌科,相對(duì)豐度分別為36.33%、20.40%、3.70%、2.87%和2.10%,其他不足1%。與P0相比,P3和P4假單胞菌科明顯增加30.32%和36.85%,慢生根瘤菌科明顯降低56.31%和68.27%,P1和P2慢生根瘤菌科明顯增加8.22%和23.36%,假單胞菌科明顯降低24.53%和13.35%。由圖7可知,在屬水平上相對(duì)豐度大于1%的屬共有4個(gè),分別為中華根瘤菌屬、慢生根瘤菌屬(Bradyrhizobium)、鏈霉菌屬和糖多孢菌屬,在P4處理的相對(duì)豐度分別為3.13%、1.43%、1.11%和1.16%,從菌屬的變化可以看出在不同磷添加下,細(xì)菌菌屬豐度大多數(shù)存在顯著差異。

圖3 不同磷添加條件下棉田土壤中細(xì)菌門(mén)水平群落組成變化Fig.3 Changes in the community composition of bacterial phylum in the cotton field soil under different phosphorus addition conditions

圖4 不同磷添加條件下棉田土壤中細(xì)菌綱水平群落組成變化Fig.4 Changes in the community composition of bacterial class in cotton field soil under different phosphorus addition conditions

圖5 不同磷添加條件下棉田土壤中細(xì)菌目水平群落組成變化Fig.5 Changes in the community composition of bacterial order in the cotton field soil under different phosphorus addition conditions

圖6 不同磷添加條件下棉田土壤中細(xì)菌科水平群落組成變化Fig.6 Changes in the community composition of bacterial family in cotton field soil under different phosphorus addition conditions

圖7 不同磷添加條件下棉田土壤中細(xì)菌屬水平群落組成變化Fig.7 Changes in the community composition of bacterial genus in cotton field soil under different phosphorus addition conditions

2.3 土壤細(xì)菌TOP8優(yōu)勢(shì)菌門(mén)與土壤理化性質(zhì)冗余分析

如圖8所示,紅色箭頭代表細(xì)菌TOP8優(yōu)勢(shì)菌門(mén),黑色箭頭代表土壤理化性質(zhì) (SOM、T、pH、EC、MS和BD)。結(jié)果表明,RDA1和RDA2兩個(gè)排序軸共解釋細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)62.23%的變化,土壤pH、電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)和容重與放線菌門(mén)的相對(duì)豐度呈顯著正相關(guān) (P<0.05),與廣古菌門(mén)、厚壁菌門(mén)和疣微菌門(mén)的相對(duì)豐度呈正相關(guān),與變形菌門(mén)的相對(duì)豐度呈負(fù)相關(guān);含水率與放線菌門(mén)呈正相關(guān),而與變形菌門(mén)、酸桿菌門(mén)和浮霉菌門(mén)呈負(fù)相關(guān);土壤溫度與變形菌門(mén)呈正相關(guān),而與浮霉菌門(mén)、酸桿菌門(mén)和放線菌門(mén)呈負(fù)相關(guān);土壤pH與浮霉菌門(mén)和酸桿菌門(mén)呈正相關(guān);土壤溫度和pH均與其他8種細(xì)菌菌門(mén)呈正相關(guān)。

圖8 土壤細(xì)菌優(yōu)勢(shì)菌門(mén)的相對(duì)豐度與土壤理化性質(zhì)的冗余分析(RDA)Fig.8 Redundancy analysis (RDA) of the relative abundance of dominant bacteria and physicochemical properties of soil bacteria

3 討 論

3.1 磷添加對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

土壤溫度不僅影響土壤中碳氮等物質(zhì)的化學(xué)和生物學(xué)過(guò)程,還決定土壤資源質(zhì)量高低,從而影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量等[15-17]。不同磷添加下土壤溫度在同一生育時(shí)期內(nèi),P1和P2處理的土壤溫度顯著高于P0處理,平均分別高1.5和2.3 ℃。P3和P4處理的土壤溫度顯著低于P0處理,平均分別低1.3和2.2 ℃。有研究表明,土壤溫度1 ℃的差異也將顯著影響作物生長(zhǎng)[18-19]。本研究中施用磷肥條件下0～20 cm 土壤的溫度在P2處理下達(dá)最高,隨著磷添加量過(guò)高后會(huì)促進(jìn)棉花生長(zhǎng)尤其是地上部冠層覆蓋度顯著增加,減少到達(dá)地面的有效太陽(yáng)輻射,從而降低土壤溫度,這與前人研究結(jié)果一致[20]。

土壤pH影響土壤養(yǎng)分的存在狀態(tài),同時(shí)也決定肥料的施用效果,對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育有直接影響[21]。土壤電導(dǎo)率是土壤的電化學(xué)特征,可表征土壤的鹽分狀況,是判斷土壤是否鹽漬化的重要指標(biāo)[22]。前人研究指出,鹽堿地施用磷肥可顯著降低土壤pH[23]和電導(dǎo)率[24]。本研究結(jié)果表明,磷添加量在P2處理下最能顯著降低pH和電導(dǎo)率,這與前人的結(jié)論基本一致,即合理的施肥量可降低土壤pH和電導(dǎo)率,緩解土壤鹽堿壓力。

土壤有機(jī)質(zhì)是植物有機(jī)營(yíng)養(yǎng)的供給源,是土壤結(jié)構(gòu)形成的驅(qū)動(dòng)者[1]。盧九斤等[25]認(rèn)為,磷添加可提高土壤有機(jī)質(zhì)含量,改善土壤養(yǎng)分狀況。本研究中,磷添加提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量,P1、P2、P3和P4處理分別提高0.843、1.420、0.523和0.120 g/kg。在0～20 cm土層,磷添加處理土壤有機(jī)質(zhì)含量均顯著高于對(duì)照處理,適量磷添加能增加土壤微生物活性,促進(jìn)微團(tuán)聚體形成,從而提高土壤有機(jī)質(zhì)含量[26]。土壤有機(jī)質(zhì)含量總體低于6年前的基本值,這可能是因?yàn)闊o(wú)外源有機(jī)質(zhì)的補(bǔ)充,隨著種植年限的增加棉田土壤有機(jī)質(zhì)礦化作用增強(qiáng),其礦化產(chǎn)物被棉花吸收帶走而消耗,而且無(wú)機(jī)養(yǎng)分充足更利于有機(jī)質(zhì)的礦化[27]。

磷在棉花生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用,而有效磷和全磷含量則能很好地反映出土壤供磷能力。本研究結(jié)果中,P3處理顯著提高土壤有效磷含量。大量研究表明,磷添加能有效提高土壤磷水平[28]。趙亮等[29]研究結(jié)果表明,與不施磷肥或低施磷肥(75 kg/hm2)相比,施磷量為150 kg/hm2時(shí)土壤有效磷含量變化不顯著,基本保持平衡;當(dāng)施磷量較高(300 kg/hm2)時(shí),土壤有效磷水平顯著升高,這與本研究結(jié)果一致。本研究結(jié)果表明,P3和P4處理可顯著提高土壤全磷含量,隨著磷添加水平的增加,全磷含量呈先增加后降低趨勢(shì)。有研究顯示,土壤全磷在長(zhǎng)期施用磷后均有一定積累,而不施磷土壤的全磷含量處于枯竭狀態(tài)[22]。

3.2 施磷對(duì)土壤細(xì)菌群落組成及細(xì)菌α-多樣性的影響

細(xì)菌是土壤微生物的重要組成,參與土壤養(yǎng)分循環(huán),且對(duì)維持整個(gè)土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性起著重要作用[30]。本研究從門(mén)、綱、目、科和屬5個(gè)分類水平選取TOP10優(yōu)勢(shì)菌門(mén)、菌綱、菌目和菌科以及TOP50優(yōu)勢(shì)菌屬進(jìn)行探究。結(jié)果表明,不同處理門(mén)、綱、目、科和屬水平上優(yōu)勢(shì)類群的相對(duì)豐度差異較顯著。土壤細(xì)菌群落中變形菌門(mén)占比最大,平均豐度為55.61%,與孫瑞波等[31]對(duì)長(zhǎng)期施肥條件下砂姜黑土細(xì)菌群落變化的研究中得到的優(yōu)勢(shì)菌門(mén)相同,但在相對(duì)豐度上差異較大,這可能是因?yàn)檗r(nóng)田土壤質(zhì)地、施肥類型與數(shù)量以及作物類型的不同所致[32]。在細(xì)菌門(mén)水平上,P2處理明顯降低了變形菌門(mén)的相對(duì)豐度,這可能是因?yàn)橄蛲寥乐刑砑恿卓赡軙?huì)降低土壤的滲透勢(shì),導(dǎo)致土壤微生物生長(zhǎng)受到阻礙[33]。在細(xì)菌綱水平上,γ-變形菌綱、α-變形桿菌綱和β-變形菌綱的相對(duì)豐度較高,其中最優(yōu)勢(shì)的菌綱是γ-變形菌綱,平均相對(duì)豐度在35.47%,李明等[34]在研究黃瓜根際微生物群落中發(fā)現(xiàn),γ-變形菌綱能夠分解各類物質(zhì),是一種適應(yīng)能力很強(qiáng)的微生物類群,從而成為大多作物根際微生物的優(yōu)勢(shì)種群。隨著磷添加量的增加,α-變形桿菌綱的相對(duì)豐度呈先增加后降低趨勢(shì),在P2處理達(dá)到最大,說(shuō)明較高的施磷水平會(huì)抑制α-變形桿菌綱的相對(duì)豐度[35]。在目水平上,主要由假單胞菌目、根瘤菌目、放線菌目、假諾卡式菌目和伯克氏菌目和細(xì)菌組成,該結(jié)果與前人報(bào)道基本一致[36-37]。有研究表明,假單胞菌目是參與磷循環(huán)的主要細(xì)菌[38],與促進(jìn)植物生長(zhǎng)緊密相關(guān)。在科水平上,磷添加對(duì)棉田土壤根際微生物影響最大的是假單胞菌科和慢生根瘤菌科。在屬水平上相對(duì)豐度大于1%的屬共有4個(gè),分別為中華根瘤菌屬、慢生根瘤菌屬、鏈霉菌屬和糖多孢菌屬,其中慢生根瘤菌是土壤中常見(jiàn)的解磷微生物,幫助植物完成磷循環(huán)。本研究中,具有溶磷作用的浮霉菌門(mén)、慢生根瘤菌屬和鏈霉菌屬相對(duì)豐度隨磷肥施入而明顯升高。

以往有研究表明,磷添加可顯著增加土壤細(xì)菌多樣性[11]。Zhong和Cai[39]認(rèn)為磷添加后土壤養(yǎng)分增加,尤其是有機(jī)質(zhì)含量的增加是細(xì)菌多樣性增加的主要原因。本研究中,P2處理下的OTU 數(shù)和 Chao1 指數(shù)均最高,說(shuō)明磷添加可以增加物種豐富度,這與前人的研究結(jié)果一致。Islam等[40]對(duì)不同施肥措施的水稻土研究發(fā)現(xiàn)施用NPK肥對(duì)土壤細(xì)菌群落多樣性影響較小,這與本試驗(yàn)研究結(jié)果一致,施磷增加了Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù),但無(wú)顯著影響。這可能是受本試驗(yàn)土壤養(yǎng)分和質(zhì)地的影響。

3.3 土壤細(xì)菌TOP8優(yōu)勢(shì)菌門(mén)與土壤理化性質(zhì)冗余分析

本研究對(duì)細(xì)菌TOP8優(yōu)勢(shì)菌門(mén)與土壤理化性質(zhì)進(jìn)行冗余分析。研究表明,土壤理化性狀能顯著影響微生物的群落組成[41]。本研究中土壤pH、電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)、容重是影響土壤細(xì)菌群落豐度的主要因素。放線菌門(mén)與土壤pH、電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)、容重和含水率呈顯著正相關(guān),土壤溫度與變形菌門(mén)呈正相關(guān),土壤pH與浮霉菌門(mén)和酸桿菌門(mén)呈正相關(guān),而土壤溫度與放線菌門(mén)、浮霉菌門(mén)和酸桿菌門(mén)呈負(fù)相關(guān),這與孫冰潔等[42]研究結(jié)果一致,土壤溫度過(guò)高會(huì)抑制放線菌和霉菌的生長(zhǎng);而含水率與變形菌門(mén)、浮霉菌門(mén)和酸桿菌門(mén)呈負(fù)相關(guān),有研究表明,隨土壤含水率增加,土壤中變形菌門(mén)的相對(duì)豐度逐漸升高[43],這可能是因?yàn)樵诓煌耐寥拉h(huán)境條件下,變形菌門(mén)對(duì)含水量的需求不同。本研究表明施用磷肥后土壤環(huán)境變化是導(dǎo)致細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異的主要原因。

4 結(jié) 論

磷添加可顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)、降低土壤pH和電導(dǎo)率。磷添加能夠增加細(xì)菌多樣性,改變土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu);土壤中具有溶磷作用的浮霉菌門(mén)、慢生根瘤菌屬和鏈霉菌屬相對(duì)豐度在施磷處理中明顯升高。土壤理化性狀能顯著影響細(xì)菌的群落組成,土壤pH、電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)和容重均為影響土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的重要環(huán)境因素。