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玉米秸秆分解过程中细菌群落组成演化特征

王西亚 吕继龙 何萍 范分良 仇少君 徐新朋 赵士诚

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玉米秸秆分解过程中细菌群落组成演化特征

    作者简介: 王西亚E-mail:18236960892@163.com;
    通讯作者: 赵士诚, E-mail:zhaoshicheng@caas.cn
  • 基金项目: 国家重大研发计划 (2016YFD0200102)

Succession inbacterial community during maize straw decomposition

    Corresponding author: ZHAO Shi-cheng, E-mail:zhaoshicheng@caas.cn
  • 摘要:   【目的】   土壤中存在大量的分解秸秆的微生物。研究秸秆分解过程中细菌群落组成的演化规律,对了解和调控农田微生物群体组成以促进秸秆分解具有重意义。   【方法】   试验于2014年10月至2015年10月在河南省农业科学院原阳试验基地进行,将成熟期玉米秸秆 (茎和叶) 烘干,剪碎至长1~2 cm × 宽0.3~1 cm,称12 g样品 (相当于8 t/hm2) 装入15 cm × 10 cm的尼龙网包 (孔径0.04 mm) 内,于10月5日冬小麦出苗后埋放在小麦垄间。分别于埋放后0、1、2、4、7、10和12个月收集秸秆包和土壤样品。秸秆样测定干物质量和碳氮含量,选择埋放了0、2、4、7和12个月的秸秆及其土壤样品分析细菌丰度及群落组成。   【结果】   秸秆埋入土壤后的前2个月内分解最快,然后逐步降低,在1、2、4、7、10和12个月后分别降解了总生物量的19.2%、32.9%、44.2%、52.2%、66.8%和73.8%。秸秆埋入土壤后,秸秆和土壤中细菌丰度均显著增加,分别于4和7个月后达到最高后开始下降。秸秆细菌的丰度指标OTUs、ACE、Chao1和多样性指标Shannon随试验时间的延长逐步增加,而Simpson指数随时间逐步降低,而土壤中这些指标在试验过程中没有显著变化。与刚埋放秸秆时相比,埋放2个月后的秸秆细菌Bacteroidetes门相对丰度显著增加,主导细菌群为Bacteroidetes和Proteobacteria门。Actinobacteria丰度在埋放2个月后显著降低,然后又随试验时间逐步增加。Planctomycetes、Saccharibacteria、Verrucomicrobia、Acidobacteria、Chloroflexi和Gemmatimona-detes丰度在原始秸秆中较低,埋入土壤后随试验时间逐步增加。Sphingobacteriia、Gammaproteobacteria、Alphaproteobacteria和Flavobacteriia主导前期细菌纲组成,而Actinobacteria、Anaerolineae和Bacilli纲丰度在后期逐步增加。秸秆分解速率主要受其碳含量影响,秸秆细菌群落组成前期与秸秆碳含量相关,后期与秸秆氮含量相关。秸秆细菌群落组成随试验进展与土壤中的组成趋同。   【结论】   秸秆埋入土壤后前2个月的分解速率最高,然后逐步降低。秸秆分解前期细菌群落由富营养型组分Bacteroidetes和Proteobacteria门和Sphingobacteriia、Gammaproteobacteria、Flavobacteriia和Alphaproteobacteria纲主导,随后被逐步增加的贫营养型组分Actinobacteria、Acidobacteria、Chloroflexi、Saccharibacteria门和Deltaproteobacteria、Actinobacteria纲等代替。秸秆碳氮含量变化是影响秸秆分解及其过程中细菌群落演化的主要原因。
  • 图 1  试验期间试验点温度和降雨量变化

    Figure 1.  Temperature and precipitationof the experimental site

    图 2  秸秆生物量和碳氮比随分解时间的变化

    Figure 2.  Dynamics of straw biomass and C/N ratio during decomposition period

    图 3  秸秆分解过程中秸秆和土壤中细菌丰度变化

    Figure 3.  Dynamics of bacterial abundance of straw and soil during straw decomposition process

    图 4  秸秆分解不同时间细菌群落组成门水平 (A) 和纲水平 (B) 的主成分分析

    Figure 4.  Principal component analysis of straw bacterial community composition at phylum (A) and class (B) levels in different decomposition months

    图 5  对秸秆分解过程中细菌群落组成和秸秆理化性状的冗余分析

    Figure 5.  Redundancy analysis of bacterial community composition and physicochemical characteristics of straw in different decomposition months

    图 6  秸秆分解过程秸秆和土壤中细菌各门和纲组分的相对丰度变化

    Figure 6.  Change in relative abundance of bacterial fractions in both straw and soil in different straw decomposition months

    表 1  秸秆分解过程中秸秆和土壤中细菌群落的α-多样性指数

    Table 1.  α-Diversity indexes of bacterial communities in straw and soil during decomposition process

    样品
    Sample
    分解时间 (month)
    Decomposition period
    OTUsACEChao1ShannonSimpson
    秸秆 Straw0263 d272 d276 d2.87 d0.178 a
    2612 c754 c738 c3.87 c0.032 b
    4686 bc832 b854 b4.10 b0.020 c
    7710 b899 b906 b4.06 b0.019 c
    121238 a1627 a1635 a5.40 a0.011 d
    土壤 Soil02846 a3267 a3198 a6.76 a0.004 a
    42863 a3253 a3284 a6.76 a0.004 a
    72928 a3305 a3339 a6.88 a0.003 a
    123003 a3334 a3374 a6.83 a0.004 a
    注(Note):同列数值后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 5%) Values followed by different letters in the same column indicate significant differences among decomposition periods (P < 5%).
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-05-25

玉米秸秆分解过程中细菌群落组成演化特征

    作者简介:王西亚E-mail:18236960892@163.com
    通讯作者: 赵士诚, zhaoshicheng@caas.cn
  • 农业农村部植物营养与肥料重点实验室,中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京 100081
  • 基金项目: 国家重大研发计划 (2016YFD0200102)
  • 摘要:    【目的】   土壤中存在大量的分解秸秆的微生物。研究秸秆分解过程中细菌群落组成的演化规律,对了解和调控农田微生物群体组成以促进秸秆分解具有重意义。   【方法】   试验于2014年10月至2015年10月在河南省农业科学院原阳试验基地进行,将成熟期玉米秸秆 (茎和叶) 烘干,剪碎至长1~2 cm × 宽0.3~1 cm,称12 g样品 (相当于8 t/hm2) 装入15 cm × 10 cm的尼龙网包 (孔径0.04 mm) 内,于10月5日冬小麦出苗后埋放在小麦垄间。分别于埋放后0、1、2、4、7、10和12个月收集秸秆包和土壤样品。秸秆样测定干物质量和碳氮含量,选择埋放了0、2、4、7和12个月的秸秆及其土壤样品分析细菌丰度及群落组成。   【结果】   秸秆埋入土壤后的前2个月内分解最快,然后逐步降低,在1、2、4、7、10和12个月后分别降解了总生物量的19.2%、32.9%、44.2%、52.2%、66.8%和73.8%。秸秆埋入土壤后,秸秆和土壤中细菌丰度均显著增加,分别于4和7个月后达到最高后开始下降。秸秆细菌的丰度指标OTUs、ACE、Chao1和多样性指标Shannon随试验时间的延长逐步增加,而Simpson指数随时间逐步降低,而土壤中这些指标在试验过程中没有显著变化。与刚埋放秸秆时相比,埋放2个月后的秸秆细菌Bacteroidetes门相对丰度显著增加,主导细菌群为Bacteroidetes和Proteobacteria门。Actinobacteria丰度在埋放2个月后显著降低,然后又随试验时间逐步增加。Planctomycetes、Saccharibacteria、Verrucomicrobia、Acidobacteria、Chloroflexi和Gemmatimona-detes丰度在原始秸秆中较低,埋入土壤后随试验时间逐步增加。Sphingobacteriia、Gammaproteobacteria、Alphaproteobacteria和Flavobacteriia主导前期细菌纲组成,而Actinobacteria、Anaerolineae和Bacilli纲丰度在后期逐步增加。秸秆分解速率主要受其碳含量影响,秸秆细菌群落组成前期与秸秆碳含量相关,后期与秸秆氮含量相关。秸秆细菌群落组成随试验进展与土壤中的组成趋同。   【结论】   秸秆埋入土壤后前2个月的分解速率最高,然后逐步降低。秸秆分解前期细菌群落由富营养型组分Bacteroidetes和Proteobacteria门和Sphingobacteriia、Gammaproteobacteria、Flavobacteriia和Alphaproteobacteria纲主导,随后被逐步增加的贫营养型组分Actinobacteria、Acidobacteria、Chloroflexi、Saccharibacteria门和Deltaproteobacteria、Actinobacteria纲等代替。秸秆碳氮含量变化是影响秸秆分解及其过程中细菌群落演化的主要原因。

    English Abstract

    • 作物秸秆富含有机碳和矿质养分,是重要的有机肥资源。我国近年农田秸秆产量超过8亿吨[1],养分还田潜力巨大。秸秆还田可提高土壤肥力、增加有机碳固持和维持农田可持续生产能力[2],因此秸秆还田对我国的土壤培肥和化肥减施意义重大。

      秸秆分解是一个由土壤微生物调控的有机碳矿化和养分释放的过程,所有影响微生物活性的因素均可影响秸秆的分解,如秸秆化学组成、土壤养分和C/N、水热条件等[3-4]。以前研究报道细菌主导秸秆前期易分解组分如蛋白质、纤维素等的分解,而真菌主导后期难分解组分如木质素等的分解[5-6];而其他研究发现细菌Actinobacteria、Firmicutes和Proteobacteria门在玉米秸秆分解中起重要作用[5],细菌 Bacilli 属只出现在秸秆分解前期,而Actinobacteria在整个分解过程中均保持较高丰度[6],即细菌在秸秆整个分解过程中都起着重要作用。不同微生物组分对秸秆组分表现出不同的分解功能,如Herzog等[7]发现秸秆分解前期以快速循环微生物Bacteroidetes和Helotiales等为主,随后被Acidobacteria和Pleosporales等代替,因此秸秆分解过程也是其微生物群落组成的演化过程。秸秆分解中的微生物来源包括秸秆和土壤,Stone发现有些微生物组分在作物成熟衰老期已存在于作物秸秆和叶片表面并在随后的秸秆分解中起重要作用[8]。秸秆的碳氮比一般高于土壤,而土壤对于微生物的生长一般是限碳的[9],土壤微生物为得到有机碳而向秸秆移殖,因此土壤微生物的移植促进秸秆内微生物的生长及对秸秆的同化分解[10]。然而,区域土壤理化性状的变异导致其微生物群落组成差异较大[4],不同区域秸秆分解过程中来自秸秆和土壤的微生物组成在秸秆分解过程中的演化特征也不一致。

      华北地区是我国主要粮食产区之一,近年基本实现作物秸秆全量直接还田,是我国秸秆直接还田比例最高的地区[11]。当前针对华北地区秸秆分解速率与秸秆中细菌群落组成演化的研究相对较少。本研究在河南省潮土区设置一年的基于秸秆包的田间秸秆分解试验,不定期取样分析秸秆生物量、养分含量和秸秆、土壤细菌群落组成的变化,探究玉米秸秆分解过程中细菌群落组成的演化特征,以期为调控土壤微生物群落组成以促进还田秸秆分解的研究和利用提供理论依据。

      • 秸秆分解试验于2014年10月至2015年10月在河南省农业科学院原阳试验基地 (34°47′N,113°40′E) 进行。该地区为暖温带半湿润大陆性季风气候,以冬小麦‒夏玉米轮作为主要种植模式,年平均温度和降水量分别为14.3℃和632 mm,约70%~80%的年降水集中于夏玉米季,试验期间的月平均温度和降水量如图1所示。试验点土壤为砂壤质潮土,其理化性状如下:pH 8.7(水∶土壤为2.5∶1)、有机碳5.2 g/kg、全氮0.46 g/kg、全磷 0.65 g/kg、全钾 16.9 g/kg、矿质态氮 (硝态氮+铵态氮)56.4 mg/kg、有效磷16.1 mg/kg、交换性钾89.4 mg/kg。

        图  1  试验期间试验点温度和降雨量变化

        Figure 1.  Temperature and precipitationof the experimental site

      • 2014年9月夏玉米收获期从田间收集玉米秸秆 (包括茎和叶),将秸秆在 65℃下烘干后剪切成长1~2 cm、宽0.3~1 cm的碎片,并将12 g秸秆 (相当于8 t/hm2) 放入15 cm × 10 cm尼龙网包 (孔径0.04 mm)。于10月5日将36个秸秆包埋在两行冬小麦的中间 (深度12 cm、包间距20 cm),冬小麦收获后免耕并直播夏玉米。整个小麦-玉米生长季内不施用任何肥料以避免其对秸秆养分测定的影响。

      • 分别于埋放后1、2、4、7、10和12个月各收集6个秸秆包,用刷子将秸秆包外附着的土壤颗粒及土壤动物等异物刷掉,然后将秸秆包放入冰盒并立即运至实验室。将三个秸秆包放入烘箱中65℃烘至恒重后测定干物质量和养分含量,另外三个秸秆包保存在超低温冰箱中 (–70℃) 用于细菌群落组成测定。在收取秸秆包的同时 (除第2月) 收集秸秆包周围5~10 cm 处土壤样品20 g,与秸秆包一起放入冰盒运至实验室,捡出砂砾、作物根系等过筛后存于超低温冰箱用于细菌群落结构测定。

      • 将烘干的秸秆样用球磨仪 (Retsch MM200,德国) 研磨,用秸秆碳、氮元素分析仪 (CN型,德国) 测定,原始秸秆有机碳含量426.2 g/kg、全氮含量9.3 g/kg。取各时期粉碎的秸秆样0.5 g放入马弗炉550℃ 煅烧8小时后测定灰分含量,根据不同取样期秸秆样品与原始秸秆灰分重量差异来矫正土壤污染对秸秆生物量的影响[12]

      • 选取原始秸秆和埋入土壤中第2、4、7、12个月的秸秆样品及试验初始和埋入秸秆4、7、12个月的土壤样品,提取总微生物DNA。称取0.2 g秸秆残渣或土壤样品,使用FastDNA®SPIN试剂盒 (MP Biomedicals,Illkirch,法国),从中提取微生物DNA。使用Ultra- Clean DNA纯化试剂盒 (MoBio,Carlsbad,CA,美国) 纯化提取的DNA,然后用1.0%琼脂糖凝胶电泳检查。定量PCR分析:使用SYBR Green I在iCycler系统 (美国) 中定量细菌16S rRNA基因拷贝的丰度,并通过Bio-Rad iQ5 v2.0分析结果。PCR反应体系 (20 μl) 包含2 × 10 Super Mix(Bio-Rad,美国)、10 μM的引物 (515F和806R) 和1 μL的1/10稀释DNA。PCR采用以下热循环程序:95℃ 预变性1 min,94℃ 变性15 s,55℃ 退火34 s,72℃ 延伸15 s,共40循环。用含有细菌DNA的质粒稀释成不同梯度制作反应标准曲线用于计算各样品细菌丰度,标准曲线的相关性系数大于0.99。定量PCR反应每样品设置四个重复。细菌16S rRNA的扩增和测序:细菌16SrRNA基因的V3-V4区使用引物338F(5'-barcode-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3') 和806R(5'-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3') 进行PCR扩增 (95℃ 预变性2 min;95℃ 变性30 s,56℃ 退火30 s,72℃延伸60 s,30个循环;72℃进行5 min的最终延伸),barcode为一八碱基序列[13]。PCR扩增产物用2%琼脂糖凝胶回收,用AxyPrep DNA纯化试剂盒 (Axygen Biosciences,Union City,CA,美国) 纯化,并用QuantiFluorTM-ST (Promega,美国) 进行定量。将纯化的PCR产物交由上海美吉生物科技有限公司使用IlluminaMiSeq平台进行高通量测序。然后采用QIIME(V1.17) 对原始序列并进行质量控制和加工处理,在质量控制后,每个样品的细菌总数为33968~66495个,平均长度为437 bp。为了避免由测序深度差异导致的偏差,每样品随机选择33480个子样本read抽平后用于细菌多样性和群落组成分析。使用UPARSE(V7.1) 将OTUs按照97%的相似性归类,并使用UCHIME鉴定并去除嵌合序列。利用Silva数据库对每个16S rRNA基因序列的分类进行分析。使用Mothur软件计算Shannon和Simpson多样性指数,以及Chao1和ACE丰度,以估计细菌的多样性和丰度。将结果存入NCBI数据库 (登录号:PRJNA623251)。

      • 用SPSS 19.0统计软件对不同时期秸秆干物质量和碳氮比、秸秆和土壤中细菌丰度、各组分的相对丰度和多样性的差异进行单因素分析,并通过Tukey显著差异法分析样品间显著性 (P < 0.05)。用Minitab 16.0进行主成分分析评估细菌群落组成的β多样性,用Canoco 5.0软件进行冗余分析评价秸秆理化特征和环境因子对秸秆细菌群落组成变化的影响。

      • 秸秆生物量残留率随试验时间的增加逐步降低,秸秆埋放后的1、2、4、7、10和12月后的秸秆残留率分别为80.8%、67.1%、55.8%、47.8%、33.2%和26.2%,其中秸秆在前两个月的分解速率最快 (图2)。秸秆C/N在埋放后1个月后显著增加,然后随试验时间逐步下降,秸秆分解前7个月内的C/N均高于原始秸秆 (埋放前秸秆,C/N 45.8),第12月C/N较初始值降低了7.4。

        图  2  秸秆生物量和碳氮比随分解时间的变化

        Figure 2.  Dynamics of straw biomass and C/N ratio during decomposition period

      • 秸秆埋入土壤后,秸秆细菌丰度显著增加并在第4个月达到最高,然后开始逐步降低 (图3)。试验过程中土壤中细菌丰度的变化与秸秆中相似,第7个月后达最高后开始降低,而同时期土壤细菌的丰度高于秸秆中。

        图  3  秸秆分解过程中秸秆和土壤中细菌丰度变化

        Figure 3.  Dynamics of bacterial abundance of straw and soil during straw decomposition process

      • 秸秆分解过程中秸秆和土壤中细菌α-多样性指标如表1所示。秸秆埋入土壤2月后,秸秆中细菌的OTUs、ACE、Chao1和Shannon指数均显著增加,且随试验时间的增加逐步增加,而Simpson指数随试验时间的增加而逐步降低。土壤细菌的OTUs和多样性指标ACE、Chao1、Shannon和Simpson指数在试验过程没有显著变化。对比发现,同时期土壤中细菌的OTUs数目和组成多样性显著高于秸秆细菌OTUs和多样性。

        表 1  秸秆分解过程中秸秆和土壤中细菌群落的α-多样性指数

        Table 1.  α-Diversity indexes of bacterial communities in straw and soil during decomposition process

        样品
        Sample
        分解时间 (month)
        Decomposition period
        OTUsACEChao1ShannonSimpson
        秸秆 Straw0263 d272 d276 d2.87 d0.178 a
        2612 c754 c738 c3.87 c0.032 b
        4686 bc832 b854 b4.10 b0.020 c
        7710 b899 b906 b4.06 b0.019 c
        121238 a1627 a1635 a5.40 a0.011 d
        土壤 Soil02846 a3267 a3198 a6.76 a0.004 a
        42863 a3253 a3284 a6.76 a0.004 a
        72928 a3305 a3339 a6.88 a0.003 a
        123003 a3334 a3374 a6.83 a0.004 a
        注(Note):同列数值后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 5%) Values followed by different letters in the same column indicate significant differences among decomposition periods (P < 5%).
      • 根据主成分分析结果,第一和第二主成分分别解释了秸秆细菌群落门水平总变异的48.1%和20.3% (图4A)。起始秸秆细菌群落组成在第二主成分轴与其他时期的细菌组成显著分离,从第2月起,秸秆细菌群落组成沿第一主成分轴由负轴向正轴延伸分布,且第12月的细菌群落组成与其他时期显著分离。起始秸秆样中细菌组成由Proteobacteria主导,埋放后2~7个月由Bacteroidetes主导,而12个月后Actinobacteria、Chloroflexi、Acidobacteria和Gemmatimonadetes主导作用显著增加。在纲水平,第一和第二主成分分别解释了秸秆细菌群落总变异的52.9%和25.2% (图4B),不同时期秸秆细菌纲组分在第一、二主成分的分布与门组分相似。起始秸秆中细菌纲组分由Gammaproteobacteria主导,埋放后2~7个月由Betaproteobacteria、Sphingobacteriia和Flavobacteriia主导,而12个月后Acidobacteria、Spartobacteria、Deltaproteobacteria、Bacilli和Anaerolineae等组分主导作用显著增加。

        图  4  秸秆分解不同时间细菌群落组成门水平 (A) 和纲水平 (B) 的主成分分析

        Figure 4.  Principal component analysis of straw bacterial community composition at phylum (A) and class (B) levels in different decomposition months

        冗余分析显示,秸秆分解前期 (2个月) 的细菌群落组成在门和纲水平均与秸秆有机碳和水分含量相关性较高,4个月的群落组成后与秸秆C/N相关,7个月后与温度相关性较高,而在12个月后收秸秆氮含量影响较大。说明有机碳含量和水分是影响秸秆前期分解的重要因素 (图5)。

        图  5  对秸秆分解过程中细菌群落组成和秸秆理化性状的冗余分析

        Figure 5.  Redundancy analysis of bacterial community composition and physicochemical characteristics of straw in different decomposition months

      • 相关分析显示,秸秆C/N和有机碳含量与秸秆分解速率正相关 (r = 0.5),且秸秆C与其分解速率显著相关 (r = 731,P < 0.05),而秸秆氮含量、温度、含水量,及微生物丰富度、多样性因子与秸秆分解速率均呈负相关,相关系数分别为–0.18、–0.505、–0.454、–0.036、–0.742。

      • 细菌群落主要由12个门组成 (相对丰度 > 1%),以Proteobacteria (变形菌门) 丰度最高,占样品细菌总丰度的40.2%~66.5%,其次为Actinobacteria (放线菌门,5.25%~27.1%)、Bacteroidetes (拟杆菌门,11.1%~40.0%)、Firmicutes (厚壁菌门,1.9%~6.5%)、Chloroflexi (绿弯菌门,0.6%~12.2%)、Saccharibacteria (TM7门,1.0%~21.1%)、Acidobacteria (酸杆菌门,0.2%~5.0%)、Verrucomicrobia(疣微菌门,0.5%~2.9%)、Planctomycetes (浮霉菌门,0.3%~3.6%)、Gemmatimonadetes (芽单胞菌门,0.1%~2.3%)、Latescibacteria (WS3门,0.05%~1.5%) 和Nitrospirae (硝化螺旋菌门,0.02%~1.3%) (图4A)。土壤中也以变形菌门丰度最高 (31.1%~32.8%),其次为放线菌门 (14.7%~16.6%)。秸秆埋入土壤后,秸秆Proteobacteria门丰度随试验时间逐步降低;Actinobacteria丰度在埋入土壤初期显著降低,然后随试验时间的增加逐步增加;Bacteroidetes丰度在埋入土壤初期显著增加,然后随试验时间逐步降低;Chloroflexi、Saccharibacteria和Acidobacteri门的丰度均随试验时间的增加逐步增加。Verrucomicrobia、Planctomycetes和Gemmatimonadetes门在起始秸秆中没有检测到,它们在秸秆埋入土壤后出现且其丰度随试验时间的延长逐步增加,说明这些细菌组分是由土壤移殖于秸秆。在土壤中,Chloroflexi和Acidobacteria门的相对丰度显著高于Bacteroidetes,且细菌所有组分门的相对丰度在试验过程中没有显著变化。

        在纲水平,秸秆中丰度最高的细菌纲组分为Gammaproteobacteria (γ-变形菌纲),丰度占样品所有组分的 10.6%~48.5%,然后依次为Alphaproteobacteria (α-变形菌纲,14.7%~22.4%),Actinobacteria (放线菌纲,3.3%~27.2%),Sphingobacteriia (鞘脂杆菌纲,0.7%~27.4%),Flavobacteriia (黄杆菌纲,0.3%~19.6%),Betaproteobacteria (β-变形菌纲,2.0%~5.9%),Bacilli (芽孢杆菌纲,0.7%~4.5%),Cytophagia (噬纤维菌纲,1.0%~3.8%),Deltaproteobacteria (δ-变形菌纲,0.2%~4.4%),Saccharibacteria (螺旋体菌纲,0.07%~3.3%),Anaerolineae (0.1%~4.9%),和Acidobacteria (酸杆菌纲,0.2%‒16.5%)。土壤中以Actinobacteria (15.4%~15.8%) 丰度最高,其次为Acidobacteria (14.4%~14.6%),Alphaproteobacteria (10.4%~10.7%),Anaerolineae (6.5%~6.9%),Gammaproteobacteria (6.6%~7.1%),Betaproteobacteria (5.1%~5.6%),Gemmatimonadetes (4.5%~5.1%),Sphingobacteriia (4.6%~4.6%),Chloroflexia (3.3%~3.5%),Saccharibacteria (2.6%~3.3%) 和Cytophagia (2.2%~2.5%)。

        秸秆埋入土壤后,Alphaproteobacteria、Acidobacteria和Deltaproteobacteria纲的丰度随试验时间逐步增加,12个月后达最高,而Gammaproteobacteria丰度随时间逐步降低。Actinobacteria和Bacilli在埋入后初期丰度显著降低,然后又随试验时间逐步增加;Sphingobacteriia、Flavobacteriia和Betaproteobacteria组分在起始阶段显著增加,然后随时间逐步降低。土壤各纲组分相对丰度在试验过程分度没有显著变化,秸秆中纲群落组成随试验时间延长与土壤中的组成逐步趋同。

        图  6  秸秆分解过程秸秆和土壤中细菌各门和纲组分的相对丰度变化

        Figure 6.  Change in relative abundance of bacterial fractions in both straw and soil in different straw decomposition months

      • 秸秆分解过程主要包括快速和缓慢分解阶段[14]。本研究中秸秆前2个月的分解速率最高,随后逐步降低,这与前人研究的秸秆分解前期快、后期慢的结果一致[15-16]。因为微生物首先同化分解秸秆易分解组分,易分解组分耗尽后才会去分解难分解组分,而秸秆化学组成是影响其分解素率的重要因素[17-18]。本研究中也发现,分解前期主要是叶片等易分解组分。Kamble等[9]发现细菌在土壤中的生长主要受有机碳限制,添加有机碳可促进细菌的生长。本研究中所用玉米秸秆C/N (45.8) 显著高于土壤C/N (11.3),秸秆能提供较多的有机碳,土壤能为微生物生长提供了适宜的水分和温度,因此埋入土壤后秸秆内细菌获得充足的碳源和养分后活性迅速增加,进而增殖而显著增加了丰度,提高了对秸秆碳的同化和分解。相关分析也说明,秸秆分解受其碳含量影响最大。因为分解前期秸秆易分解组分的有机碳含量高于难分解组分,后期秸秆组成以难分解组分为主,其有机碳含量也逐步降低[19]。作为秸秆的主要分解者,微生物的丰度、活性和群落组成均可显著影响秸秆分解速率[3],以前的研究表明不同施肥处理土壤主要通过增加微生物丰度来促进秸秆分解[20-21]。秸秆分解速率显著降低后 (2个月后) 微生物丰度仍继续增加,类似现象在以前的研究也已发现[20],可能因为微生物量的消减变化较秸秆生物量变化具有一定滞后性,同时夏季的高温有助于微生物的生长。秸秆埋入土壤后,土壤微生物为获得有机碳而逐步向秸秆移植导致秸秆内细菌组成多样性逐步增加,而相关分析显示秸秆分解速率与细菌组成多样性呈显著负相关,一方面因为秸秆易分解组分在前期被大量分解而分解速率降低,另一方面因为大量微生物组分具有相似的分解功能并占据着相同的生态位,其功能的冗余导致增加的群落多样性并没有增加秸秆分解速率[7]。温度和水分均是影响秸秆分解的重要因素,而本研究中秸秆分解速率与其温度和水分相关不显著,因为前期易变组分的分解对温度变化不敏感[22],中后期 (夏秋季) 难分解组分分解过程中本区域温度和水分均不是限制因素。

        秸秆C/N与其分解速率相关性没有达到显著水平,其较高的相关也说明秸秆C/N可影响秸秆分解速率。杨志谦等[23]发现秸秆碳氮比对其分解有一定的影响,且秸秆碳氮比的变化只影响作物秸秆初期的分解,与本研究秸秆分解初期碳氮比升高促使秸秆分解速率较快的结果相一致。

      • 原始秸秆中Proteobacteria和Actinobacteria门主导细菌群落组成 (> 93%)。秸秆埋入土壤初期,Bacteroidetes、Firmicutes和Proteobacteria门主导秸秆细菌群落组成,因为这三个细菌门均为富营养型菌 (r-型),主要在早期对秸秆富含养分的易降解组分进行分解[24]。Actinobacteria丰度在初期显著降低,然后随试验时间的延长而增加;Chloroflexi、Saccharibacteria和Acidobacteria门在原始秸秆中丰度极低,在埋入土壤后4~7个月开始显著增加,因为这些细菌属于贫营养型菌 (k-型)[24],主导秸秆降解中后期贫营养、难分解组分的降解。Bastian等[25]和Sun等[26]发现作物秸秆分解过程中微生物群落组成经历一个营养状态由饱和到耗竭的演替过程,秸秆分解早期主要由富营养菌群控制,随着秸秆质量的下降,贫营养菌群相对丰度增加而主导中后期秸秆的分解。Blaud等[27]探究稻草分解过程中细菌群落动态变化时发现秸秆降解早期阶段革兰氏阴性细菌更重要,本研究秸秆中Proteobacteria门 (属革兰氏阴性细菌) 丰度在初期的相对丰度较高和秸秆分解初期分解速率较高时间上保持一致,可见变形菌门对前期秸秆分解影响较大。范分良等[5]发现玉米秸秆分解时Proteobacteria门在分解前期,Acidobacteria门在分解后期起重要作用。

        秸秆埋入土壤后,细菌Actinobacteria和Anaerolineae纲丰度变化分别与Actinobacteria和Chloroflexi门相似。Gammaproteobacteria纲丰度变化与Proteobacteria门相似,而Alphaproteobacteria和Deltaproteobacteria的丰度在分解过程中逐步增加。Sphingobacteriia和Flavobacteriia纲表现出与Bacteroidetes门相似的变化,而Cytophagia丰度却随试验时间逐步增加。说明Bacteroidetes,Firmicutes,Actinobacteria和Chloroflexi门的代谢功能由纲Sphingobacteriia和Flavobacteriia,Actinobacteria和Anaerolineae主导。秸秆分解过程中Alph-、Beta-、Delt- and Gammaproteobacteria丰度的不同变化说明细菌同门下的不同纲在秸秆分解不同阶段具有不同的功能。如Gammaproteobacteria被认为是富营养型菌,而Deltaproteobacteria则被认为是贫营养型菌[25]。Sun等[26]认为Deltaproteobacteria和Acidobacteria在秸秆分解后期主导而具有贫营养型菌特征。根据冗余分析结果,秸秆分解早期主要受秸秆有机碳和水分含量影响,而后期与氮含量相关性较高,说明秸秆分解过程中细菌群落组成的演化主要受秸秆碳氮变化所驱动,即秸秆中易分解组分的降低和难分解组分的增加导致细菌组分由富营养型向贫营养型演化。

      • 秸秆在还田后的前2个月分解速率较快,随后逐步降低,周年分解率约为74%。秸秆分解前期细菌群落由Proteobacteria、Bacteroidetes门和Gammaproteobacteria、Sphingobacteriia、Flavobacteriia和Alphaproteobacteria纲主导,后期由Actinobacteria、Acidobacteria、Chloroflexi、Saccharibacteria门和Deltaproteobacteria、Actinobacteria纲等主导。秸秆碳氮含量变化是影响秸秆分解及过程中细菌群落演化的主要原因。

    参考文献 (27)
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