论文部分内容阅读
丛枝菌根(arbuscular mycorrhiza,AM)真菌和根际细菌是重要的土壤微生物,能与植物根系形成互惠共生关系,在促进植物生长发育、增强植物抗逆能力、维持农业生态系统稳定等方面发挥着重要作用。覆膜与施氮显著影响作物的生长发育、生物量积累及土壤性质,而关于二者共同作用下对根系AM真菌和土壤细菌的群落结构及功能的研究还很少。本文报告了在黄土高原大田条件下7年期(2012-2018)覆膜和施氮肥(150kg N/ha)处理对根系丛枝菌根真菌和土壤细菌丰富度和群落特征的影响。试验设置6个处理,包括不覆膜不施氮(M0N0)、不覆膜施氮(M0N1)、覆膜不施氮(M1N0)和覆膜施氮(M1N1),这4个处理均种植玉米。另外2个处理为裸地不覆膜(BM0)和裸地覆膜(BM1)。主要研究结果如下:1.在0-20cm和20-40cm土层中,不论覆膜或施氮,玉米根系AM真菌群落在属的水平上所获得的基因序列分属于球囊霉属(Glomus)、多样孢囊霉属(Diversispora)、双型囊霉属(Ambispora)和unclassified。其中Glomus(62.12%-99.49%)的相对丰度最高,在所有处理中均超过60%。Diversispora(0.43%-37.86%)在所有处理中也有出现,但相对丰度较低。在0-20cm土层中,Ambispora只存在于M1N1(0.19%),M1N0(2.57%)和M0N1(0.11%)处理中,unclassified只在M0N1(0.01%)和M0N0(0.02%)处理中出现。在20-40cm土层中,Ambispora、unclassified只在M1N0(0.66%,0.34%)和M0N0(0.60%,0.01%)处理中出现。在0-20cm土层,施氮显著提高了根系AM真菌球囊霉属(Glomus)的相对丰度,且显著降低了多样孢囊霉属(Diversispora)的相对丰度,覆膜则对它们的相对丰度无显著影响。而在20-40cm土层中,覆膜和施氮对Glomus和Diversispora的相对丰度均无显著影响。覆膜对0-20cm和20-40cm土层中根系AM真菌丰富度和多样性指数没有显著影响。施氮显著提高了0-20cm土层中根系AM真菌的多样性指数,对AM真菌的丰富度无显著影响。施氮对20-40cm土层中根系AM真菌的丰富度和多样性指数均无显著影响。2.在0-20cm土层中,根际细菌群落在属的水平上所获得的基因序列可划分为576个属,相对丰度前11位的菌群依次为微球菌属(Micrococcaceae)、酸杆菌属(Acidobacteria)、JG30-KF-CM45、类诺卡氏菌属(Nocardioides)、KD4-96、土壤红杆菌属(Solirubrobacter)、芽单胞菌属(Gemmatimonadaceae)、鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)、芽球菌属(Blastococcus)、类节杆菌属(Paenarthrobacter)、放线菌属(Actinobacteria)。施氮显著降低了0-20cm土层中根际细菌芽单胞菌属(Gemmatimonadaceae)和JG30-KF-CM45的相对丰度,但提高了类节杆菌属(Paenarthrobacter)的相对丰度,覆膜则无显著影响。在20-40cm土层中,根际细菌群落在属的水平上所获得的基因序列可划分为573个属,相对丰度前11位的菌群依次为微球菌属(Micrococcaceae)、酸杆菌属(Acidobacteria)、放线菌属(Actinobacteria)、盖勒氏菌属(Gaiellales)、芽单胞菌属(Gemmatimonadaceae)、KD4-96、芽孢杆菌属(Bacillus)、Gitt-GS-136、盖亚属(Gaiella)、酸微菌属(Acidimicrobiales)、硝化螺旋菌属(Nitrospira)。覆膜明显降低了20-40cm土层中根际细菌盖勒氏菌属(Gaiellales)和盖亚属(Gaiella)的相对丰度,施氮则无显著影响。覆膜对0-20cm和20-40cm土层中根际细菌丰富度和多样性指数没有显著影响。施氮显著降低了0-20cm土层中根际细菌的多样性指数,对根际细菌的丰富度无显著影响。施氮对20-40cm土层中根际细菌的丰富度和多样性指数均无显著影响。3.根际细菌PICRUSt预测碳氮循环相关功能基因分析结果表明,在0-20cm土层中,覆膜显著增加了反硝化基因narG丰度(P=0.048),施氮显著增加了硝化基因HaO(P=0.011)和反硝化基因napA丰度(P=0.030);并且施氮显著增加了半纤维素降解基因β-galactosidase(P=0.026)和木质素降解基因Catalase(P=0.015)的丰度,显著降低了纤维素降解基因Endoglucanase(P=0.002)和几丁质降解基因Chitinase(P=0.009)的丰度。在20-40cm土层中,覆膜与施氮对碳氮循环基因的丰度均无显著影响。土壤理化性质、植物属性、AM真菌群落及细菌群落等相关变量的因果关系SEM模型可解释69%的土壤理化性质变化、94%的植物属性变化、61%的AM真菌群落变化以及32%的根际细菌群落变化。覆膜主要通过间接效应影响AM真菌群落,通过直接和间接效应的共同作用影响根际细菌群落。施氮对根际细菌群落的直接效应要强于对AM真菌群落的影响。综上所述,7年期覆膜与施氮对根系AM真菌群落结构、根际土壤细菌群落结构以及碳氮循环相关功能基因丰度具有重要作用。覆膜可能会增加0-20cm土壤反硝化作用,而施氮可能改变0-20cm土壤碳代谢功能水平,影响农田生态系统的稳定和可持续。同时玉米根系与微生物和土壤环境因子之间形成了一种相对稳定的互作关系。本研究为改善黄土高原半干旱地区农田生态环境、保持该区域农业可持续发展及土壤微生物群落保护提供了理论依据。