2021, Vol. 42
2. 山东省烟台市农业科学研究院, 烟台 265500
, LIU Zhu1 , DAI Hong-cui1 , ZHANG Lei2 , WANG Na1 , XU Jie1 , LIU Kai-chang1 , MENG Wei-wei1
, WANG Xu-qing1
2. Yantai Academy of Agricultural Sciences, Yantai 265500, China
土壤属于不可再生资源, 是农田生态系统的重要组成部分, 较高的地力水平是作物优质稳产的基础.当前密集农业为保障我国粮食安全和满足人们对粮食产量的需求做出了巨大贡献, 但因耕地的长期高负荷运转, 导致土壤肥力下降、耕层变浅、土壤酸化和重金属污染等问题日益严重; 耕地质量下降又严重影响着国家粮食安全[1, 2].基于这一现状, 为推进生态修复治理和耕地质量提升, 促进农业可持续发展, 我国于2016年提出了探索实行耕地轮作休耕制度试点方案, 推出轮作休耕制度[3]; 2021年中央一号文件进一步提出健全耕地休耕轮作制度, 以推进农业绿色发展.
休耕是对生态环境脆弱、土壤严重污染的最好保护, 是促使农田生态自我修复、耕地质量提升, 实现“藏粮于地、藏粮于技”的重要手段[3].有研究发现, 休耕可以增加土壤养分和储水能力, 改善土壤环境和生物多样性, 缓解农业面源污染, 以恢复破碎化的农田生态[4~6].农田生态系统的自我修复同时离不开土壤微生物的理化效应, 土壤微生物既是土壤形成的作用者, 又是衡量农田生态环境健康发展的重要指标[7, 8].土壤细菌生物量占土壤微生物总量的70%~90%[9], 其生理类群在土壤物质转化和能量流动中具有特定的功能, 对腐殖质形成、有机质分解、土壤养分循环和转化发挥着关键的作用[10~12].有研究发现, 不同土地利用方式、耕作制度、物料还田及植被类型等均会对土壤细菌种类和数量产生影响, 进而影响土壤细菌群落结构和空间分布[9~13].此外, 农田管理措施如施肥、浇水和除草等也会改变土壤细菌的群落组成及多样性[12, 14].
当前关于农田土壤细菌的研究, 大多集中于土地利用[11, 15]、耕作方式[9, 13]、秸秆还田[12, 13]及肥料组合[12]等方面, 而轮作休耕如何影响土壤细菌群落变化的研究鲜见, 明确轮作休耕农田土壤细菌群落结构特征, 是揭示轮作休耕土壤肥力变化响应土壤细菌群落结构的必要环节.因此, 本文通过研究黄河下游冲积平原潮土细菌群落结构特征及其对不同轮作休耕方式的响应差异, 并结合土壤理化性状揭示其驱动因素, 通过阐明不同轮作休耕方式影响农田土壤肥力的微生物学机制, 以期为推进农田生态修复、耕地质量提升和农业绿色发展提供参考依据.
1 材料与方法 1.1 试验概况本试验设置于山东省济南市济阳区山东省农业科学院综合试验示范基地(116°58′ E, 36°58′ N).地处黄河下游冲积平原, 平均海拔20 m; 属暖温带半湿润季风气候, 四季分明, 光照充足, 雨热同期, 年均气温12.8℃, 年均无霜期195 d, 年均日照时数2 618 h, 年均降水量580 mm.供试土壤为潮土, 发育于黄河冲积母质, 表土质地砂壤.2017年10月至2018年6月种植济麦22, 麦收后始设长期轮作休耕定位试验.本试验初始耕层0~20 cm土壤有机质12.1 g·kg-1、全氮0.7 g·kg-1、全磷0.8 g·kg-1、全钾19.2 g·kg-1, 碱解氮50.6 mg·kg-1、有效磷20.5 mg·kg-1和速效钾151.9 mg·kg-1, pH为8.0.耕作期冬小麦品种为济麦22, 夏玉米品种为登海605, 播前基施氮磷钾复合肥(15-15-15)750 kg·hm-2, 冬小麦拔节期、夏玉米大口期追施尿素225 kg·hm-2, 其他管理措施同传统耕作, 秸秆还田; 休耕期无管理措施.
2020年6月麦收后, 选取长期休耕(LF, 已连续休耕2 a)、冬小麦-夏休耕(WF, 季节性休耕)、冬休耕-夏玉米(FM, 季节性休耕)、冬小麦-夏玉米周年轮作(WM)这4个处理的0~40 cm土层分析土壤细菌群落结构特征, 每个处理3次重复, 计12个小区.2020年5月16日至6月15日自建气象站记录的日均温度(地表距离)与降水量见图 1, 期间无灌溉.
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图 1 采样前31 d的日均气温与降水量 Fig. 1 Daily average temperature and precipitation of 31 days before sampling |
2020年6月15日麦收后, 小区“S”形5点采集0~20 cm和20~40 cm土层土壤样品.同小区同土层样品混合, 部分样品直接装入铝盒测定土壤水分, 剩余用干冰保存并迅速带回实验室.剔去沙石、根系等杂质后, 部分鲜土样品转入无菌冻存管中, 储存于-80℃冰箱, 用于分析土壤细菌群落结构; 剩余样品自然风干后过0.25 mm和1 mm筛测定土壤理化性状.
1.3 测定方法土壤理化性状参考文献[16]测定, 土壤全氮(TN)采用凯氏定氮法, 土壤全磷(TP)采用氢氧化钠碱熔-钼锑抗分光光度法, 土壤全钾(TK)采用原子吸收火焰光度法, 土壤碱解氮(AN)采用碱解扩散法, 土壤有效磷(AP)采用碳酸氢钠-钼锑抗分光光度法, 土壤速效钾(AK)采用醋酸铵-原子吸收火焰分光光度法; 土壤有机碳(TOC)采用重铬酸钾氧化-外加热法, pH采用电位法(水土比2.5∶1).
土壤细菌DNA参照土壤DNA提取试剂盒(OMEGA, USA)说明书进行提取, 用1%的琼脂糖凝胶电泳进行检测, 使用核酸定量仪(Nano Drop ND-2000)检测提取DNA的浓度和纯度.选择细菌V3-V4区的16S rDNA序列进行PCR扩增, 扩增引物为338F(5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′)和806R(5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′).PCR扩增采用TransGen AP221-02: TransStart Fastpfu DNA Polymerase, 20 μL反应体系: FastPfu Buffer 4 μL循环5次, 2.5 mmol·L-1 dNTPs 2 μL, 5 μmol·L-1 Forward Primer 0.8 μL, 5 μmol·L-1 Reverse Primer 0.8 μL, FastPfu Polymerase 0.4 μL, BSA 0.2 μL, Template DNA 10 ng, ddH2O补至20 mL. PCR反应参数为: 95℃持续3 min, 27次循环(95℃持续30 s, 55℃退火30 s, 72℃持续45 s), 72℃延伸10 min, 10℃至停机(PCR仪: ABI GeneAmp® 9700型).
使用2%琼脂糖凝胶电泳检测PCR产物, 依照AxyPrep DNA Gel Extraction Kit(Axygen Biosciences, Union City, USA)说明书进行纯化, 再用QuantiFluorTM-ST(Promega, USA)进行定量.通过Illumina MiSeq平台构建Paired-end测序, 由上海美吉生物医药科技有限公司提供技术支持.
1.4 数据处理利用美吉生物云平台, 经过QIIME(v1.9.1)软件过滤、拼接、去除嵌合体后, 聚类为用于运算分类的OTU(operational taxonomic units), 并按照最小样本序列数进行抽平[17].采用RDP classifier贝叶斯算法对97%相似水平的OTU代表序列进行分类学分析[11], 置信度阈值为0.7, 比对Silva (Release132http://www.arb-silva.de)数据库.利用Mothur软件(Version 1.31.2)进行α多样性(Sobs、ACE、Chao1和Coverage)分析[18].基于Bray-curtis距离, 应用R软件制图, 采用主坐标分析(PCoA)计算β多样性距离矩阵[11].通过Tax4Fun将基于Silva数据库的16S分类谱系转化为京都基因和基因组百科全书(kyoto encyclopedia of genes and genomes, KEGG, http://www.genome.jp/kegg/)数据库中原核生物的分类谱系, 对16S RNA基因序列进行KEGG功能注释[18].土壤因子与细菌种群分布特征之间的关系利用R语言画图进行冗余分析(RDA), 研究土壤理化性质对细菌种群分布的影响[15].
利用Excel 2019整理数据, 运用SPSS 26.0进行单因素方差分析(One-Way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)多重比较.
2 结果与分析 2.1 不同轮作休耕农田土壤细菌测序分析利用Illumina MiSeq平台测序结果显示, 24个土壤样本共获得有效序列1 200 939条, 经过优化筛选, 基于97%的相似性, 24个样本共获得7 760 OTUs, 划分为44门、146纲、338目、530科、965属和2 073种(表 1). 20~40 cm土层土壤细菌各分类水平的数目均多于0~20 cm, 但序列数少于0~20 cm.
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表 1 土壤全部样本序列信息与细菌分类 Table 1 Sequence information and bacterial classification of all soil samples |
不同轮作休耕农田中, 0~20 cm和20~40 cm土壤细菌OTUs水平相似性分析产生差异(图 2). 0~20 cm土层中[图 2(a)], LF、FM、WF和WM的OTUs数目分别为4 686、5 106、5 232和4 724, 特有OTUs为260、392、486和300, 共有OTUs为2 941.20~40 cm土层[图 2(b)]4个处理的OTUs数目依次为: WF > FM > WM > LF, 与0~20 cm土层次序相同; 但特有OTUs发生变化, LF、FM、WF和WM分别为361、297、506和404; 共有OTUs为2 739.与0~20 cm土层相比, 20~40 cm土层共有OTUs数目减少, LF和FM也减少, WF和WM则增加; 特有OTUs方面, 20~40 cm土层的LF、WF和WM增加, FM则减少.
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图 2 土壤细菌群落OTU水平的Venn图 Fig. 2 Venn on OTU level of soil bacterial community |
将所有数据抽平1次, 每个样本得到28 993条高质量序列, 各个样本的覆盖度指数显示0~20 cm及20~40 cm土层土壤OTUs涵盖了土壤中95%以上的细菌, 说明测序深度可以比较真实地反映土壤样本的细菌群落, 代表细菌群落丰富度与α多样性(表 2). 0~20 cm土层中, WF的物种丰富度、ACE指数、Chao 1指数和香农指数最高, FM的物种丰富度和ACE指数与WF无明显差异, WF的香农指数显著高于其他处理(P＜0.05). 20~40 cm土层中, WF的物种丰富度和ACE指数、Chao 1指数均显著高于其他处理, LF则均显著低于其他处理(P＜0.05); WF的香农指数最高.
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表 2 土壤细菌α多样性1) Table 2 Soil bacterial α-diversity |
2.3 不同轮作休耕农田土壤细菌群落物种组成
不同轮作休耕方式下, 0~20 cm和20~40 cm土壤细菌群落门水平相对丰度不同(图 3).0~20 cm土层中[图 3(a)], 放线菌门(Actinobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)和绿弯菌门(Chloroflexi)是土壤细菌的主要优势菌群, 在12个样本中平均相对丰度分别为26.08%、19.90%、17.12%和13.03%, 约占76.13%; 未被分类细菌约占1.16%, 另有7类菌门相对丰度大于1.0%, 相对丰度小于1.0%的细菌门约占3.87%.在主要优势菌群中, 放线菌门(Actinobacteria)在FM中最丰富(31.27%), 但在WF中最少(23.34%); 相反, 绿弯菌门(Chloroflexi)在WF中最丰富(13.92%), 但在FM中最少(11.66%); 第二丰富的变形菌门(Proteobacteria), 在WF和FM中相对丰度较高(22.15%和21.08%); 而酸杆菌门(Acidobacteria)在LF中最丰富(22.08%), 且相对丰度高于变形菌门(Proteobacteria, 17.26%), 在FM中相对丰度最低(12.93%).
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图 3 土壤细菌群落phylum水平的相对丰度 Fig. 3 Community abundance at the phylum level of soil bacterial communities |
20~40 cm土层中[图 3(b)], 土壤细菌的主要优势菌群与0~20 cm土层相同, 在12个样本中平均相对丰度分别为22.34%、21.00%、15.93%和12.37%, 约占71.64%; 未被分类细菌约占1.67%, 另有10类菌门相对丰度大于1.0%, 相对丰度小于1.0%的细菌门约占5.01%.与0~20 cm土层不同, LF和WM中最丰富的仍为放线菌门(Actinobacteria, 21.23%和24.64%), 而FM和WF中则为变形菌门(Proteobacteria, 23.67%和27.11%); 酸杆菌门(Acidobacteria)和绿弯菌门(Chloroflexi)在LF中最丰富(20.33%和13.84%), 且高于变形菌门(Proteobacteria, 12.90%); 酸杆菌门(Acidobacteria)和绿弯菌门(Chloroflexi)相对丰度分别在WF和FM中最低(13.05%和10.85%).
2.4 不同轮作休耕农田土壤细菌群落组成差异不同轮作休耕方式下, 0~20 cm和20~40 cm土壤细菌群落OTU水平基于Bray Curtis距离的PCoA分析产生差异(图 4).0~20 cm土层中[图 4(a)], 以主成分PC1和PC2为坐标轴构建二维坐标系的PCoA分析, PC1和PC2可分别解释41.59%和14.13%群落组成差异, 合计达55.72%. LF位于PC1、PC2正值区域; FM位于PC1负值区域和PC2正值区域; WF与FM在PC1负值区域距离较近, 但位于PC2负值区域; WM位于PC1正值区域和PC2正负值区域两侧, 与LF距离较近.
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图 4 土壤细菌群落OTU水平的主成分分析 Fig. 4 PCoA on OTU level of soil bacterial communities |
20~40 cm土层中[图 4(b)], PCoA分析显示主成分PC1和PC2分别可以解释52.11%和14.72%群落组成差异, 合计达66.83%.LF位于PC1正值区域和PC2正负值两侧; FM位于PC1、PC2正负值两侧; WF位于PC1正值区域和PC2负值区域; WM位于PC1、PC2负值区域.与0~20 cm土层相比, LF和WM在PC1、PC2上均发生负移, FM和WF均在PC1负移、PC2正移.
2.5 不同轮作休耕农田土壤细菌群落功能预测基于Silva数据库的16S分类谱系转化为KEGG数据库中原核生物的分类谱系, 通过Tax4Fun对不同轮作休耕0~40 cm土壤16S的OTUs信息进行功能预测.结果获得一级功能代谢通路(pathway level 1)6类(表 3); 二级功能代谢通路(pathway level 2)40类, 其中相对丰度大于1.0%的二级功能代谢通路包含18类(表 4); 三级功能代谢通路(pathway level 3)264类.
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表 3 土壤细菌群落一级功能代谢通路的相对丰度1)/% Table 3 Relative abundances of level 1 functional metabolic pathways in soil bacterial communities based on Tax4Fun/% |
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表 4 土壤细菌群落中相对丰度大于1%的二级功能代谢通路1)/% Table 4 Level 2 functional metabolic pathways with relative abundances of more than 1% in soil bacterial communities based on Tax4Fun |
从表 3可知, 在0~20 cm和20~40 cm土壤中, 6类一级功能代谢通路相对丰度均依次为: 新陈代谢(metabolism)＞环境信息处理(environmental information processing)＞遗传信息处理(genetic information processing)＞细胞过程(cellular processes)＞人类疾病(human diseases)＞有机系统(organismal systems).FM的新陈代谢功能相对丰度显著高于WF(P＜0.05), 但二者与FM、WM均差异不显著; LF的环境信息处理功能相对丰度显著最丰富, WF则显著最低(P＜0.05); WF的遗传信息处理、人类疾病和有机体系统功能均显著最高, LF则均显著最低(P＜0.05); 细胞过程功能则差异不显著.20~40 cm土层中, 环境信息处理和细胞过程功能差异显著性与0~20 cm土层相似; FM和WF的新陈代谢功能显著高于LF和WM, WF和WM的遗传信息处理和有机体系统功能显著高于FM和LF(P＜0.05); 人类疾病中LF＜FM＜WF＜WM.
从表 4可知, 在0~20 cm和20~40 cm土壤中, 相对丰度大于1.0%的18类二级功能代谢通路总丰度分别为96.36%~96.63%和96.43%~96.69%, 其中相对丰度大于5.0%的均包含碳水化合物代谢(carbohydrate metabolism)、氨基酸代谢(amino acid metabolism)、膜转运(membrane transport)、信号转导(signal transduction)、辅助因子和维生素的代谢(metabolism of cofactors and vitamins)、能量代谢(energy metabolism)和核苷酸代谢(nucleotide metabolism)这7类.相对丰度大于1.0%的二级功能代谢通路中, LF与FM、WF和WM在0~20 cm和20~40 cm土层分别有10、11、9和12、13、15类通路存在显著差异(P＜0.05), FM与WF和WM在两土层分别有9、11和11、13类通路存在显著差异(P＜0.05), WF与WM在两土层则均有10类通路存在显著差异(P＜0.05). 0~20 cm土层的聚糖生物合成与代谢(glycan biosynthesis and metabolism)、转化(translation)、复制和修复(replication and repair)和细菌性传染病(infectious disease: bacterial)这4类二级功能代谢通路在4个处理间差异分别显著(P＜0.05), 20~40 cm土层的能量代谢、膜转运、细菌性传染病3类二级功能代谢通路在4个处理间差异分别显著(P＜0.05).
2.6 不同轮作休耕农田土壤细菌群落环境因子分析不同轮作休耕方式下, 0~20 cm和20~40 cm土壤细菌群落结构与土壤理化性质的冗余分析产生差异(图 5).0~20 cm土层中[图 5(a)], RDA1和RDA2积累解释变异量可达77.32%(RDA1: 61.09%; RDA2: 16.23%), 能够反映土壤环境因子对土壤细菌群落结构的影响.置换检验结果显示, 土壤含水率(SWC, r2=0.852, P=0.002)、全磷(TP, r2=0.666, P=0.008)、有效磷(AP, r2=0.489, P=0.048)、速效钾(AK, r2=0.504, P=0.038)、pH(r2=0.614, P=0.011)、碳氮比(C/N, r2=0.539, P=0.033)为主要影响细菌群落变化的环境因子, 其中, 土壤含水率与全磷达到极显著水平(P ＜0.01). 20~40 cm土层中[图 5(b)], RDA1和RDA2积累解释变异量可达81.32%(RDA1: 72.24%; RDA2: 9.08%).置换检验结果显示, 全磷(TP, r2=0.629, P=0.014)、有效磷(AP, r2=0.552, P=0.039)为主要影响细菌群落变化的环境因子.有机碳(TOC)、全氮(TN)、碱解氮(AN)、速效钾(TK)对0~40 cm土层的土壤细菌群落结构影响不显著(P ＞0.05), 全磷和有效磷则影响显著(P ＜0.05).
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SWC表示土壤含水率, TOC表示有机碳, TN表示全氮, TP表示全磷, TK表示全钾, AN表示碱解氮, AP表示有效磷, AK表示速效磷, C/N表示碳氮比 图 5 土壤细菌群落与环境因子间的冗余分析 Fig. 5 Redundancy analysis(RDA)of soil bacterial communities and environmental factors |
不同轮作休耕方式导致黄河下游冲积平原的农田覆被和土壤理化性状发生变化, 进而对土壤微生物多样性和丰富度产生影响. 0~20 cm冬小麦-夏休耕、冬休耕-夏玉米较麦玉周年轮作或连续2 a休耕的土壤细菌群落更丰富且多样性程度更复杂, 20~40 cm冬小麦-夏休耕则表现出土壤细菌群落更丰富、多样性程度更复杂.这说明季节性休耕较麦玉周年轮作可以促进土壤细菌的多样性.可能是因为季节性休耕较麦玉周年轮作减少了对农田土壤的翻动, 减少了土壤与空气的接触, 减缓了土壤有机质的氧化、矿化, 有效提高土壤肥力, 利于维持土壤细菌群落结构的稳定[19~21]; 也可能因为季节性休耕较麦玉轮作减少了化肥和农药的使用而更有利于微生物的生长繁殖, 增加细菌种群的多样性[22].另外, 传统的麦玉周年轮作频繁翻动土壤, 导致土壤结构恶化, 使细菌群落的多样性和丰富度降低[9, 21].本研究中连续2 a休耕土壤细菌群落的丰富度低于季节性休耕.这可能因为季节性休耕中小麦或玉米秸秆的还田, 在增加有机质输入和改善土壤理化性状的同时[21, 23], 利于维持或提高土壤微生物的多样性及活性.左梅等[24]在鄂西南山区的研究发现, 休耕措施虽然利于提高土壤细菌群落的丰富度, 但随着休耕年限的增加, 土壤Chao1指数和Shannon指数呈增加趋势, Simpson指数呈降低趋势.这与本研究结果存在差异, 可能与取样时间和环境因素有关; 此外, 本试验未考虑休耕年限方面的问题.因此, 休耕年限对土壤微生物多样性的影响, 有待随时间的推移进一步研究.
3.2 不同轮作休耕对农田土壤细菌群落结构的影响不同轮作休耕方式在改变农田土壤细菌群落丰富度和多样性的同时, 也促进了土壤细菌群落结构发生变化.本研究发现, 4种方式下0~20 cm和20~40 cm土层土壤的放线菌门(Actinobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)和绿弯菌门(Chloroflexi)等细菌主要优势菌群没有发生变化, 但其丰度在两个土层中产生显著差异.这可能是由于小尺度环境下土壤微生物群落组成较为相近[25]; 又因不同轮作休耕方式使土壤理化性质产生变化, 导致细菌群落丰度产生差异.此外, 地上植物分类及功能属性也有助于解释微生物多样性和群落分布的差异[26, 27].不同植被下土壤细菌群物种组成和多样性相对稳定, 但不同植被条件会造成土壤中细菌种群在丰度和个别物种上的差异, 表现出各自独特的物种特征[28].不同轮作休耕中, 20~40 cm土层相对丰度大于1.0%的细菌门类均多于0~20 cm土层, 这可能也是由于深层土壤较表层受人为扰动较少而造成的, 也可能是因为植物根系垂直分布及分泌物不同造成的[20, 29]. Youssef等[30]的研究通过排序分析细菌不同的门, 发现生境的差异使细菌群落表现出较大的生态系统多样性.通过PCoA分析发现, 10~20 cm土层中连续2 a休耕和麦玉周年轮作的簇距离较近, 说明这2个处理间细菌群落结构相似; 而20~40 cm土层中这2个处理簇相对分离, 说明土壤细菌群落结构存在差异.有研究发现, 不同生境样本的簇分布相对离散, 说明不同生境中细菌群落结构特征存在差异[30, 31].
3.3 不同轮作休耕对农田土壤细菌群落功能的影响细菌群落是土壤有机质分解与矿化的重要参与者, 在驱动土壤养分循环的同时, 指示并调节土壤生态功能[18].本研究发现, 不同轮作休耕方式使黄河下游冲积平原农田土壤细菌群落结构发生改变的同时, 也使土壤细菌功能代谢通路发生了相应地变化.土壤细菌功能代谢通路丰度的波动, 也反映了不同轮作休耕方式土壤细菌群落组成及多样性的变化[31].农田土壤细菌利用新陈代谢、环境信息处理、遗传信息处理、细胞过程、人类疾病和有机系统这6类功能代谢通路维系生态系统的稳定.其中, 新陈代谢通路在不同轮作休耕方式中相对丰度均最大, 环境信息处理和遗传信息处理仅次于新陈代谢.这表明新陈代谢、环境信息处理和遗传信息处理是土壤细菌的核心功能, 受人为影响较小[11, 29]. Tax4Fun功能预测表明, 参与代谢最多的细菌类群与氨基酸、碳水化合物和能量代谢有关; 负责环境信息处理最多的细菌是参与膜运输的菌群, 其次是参与信号转导的菌群; 而在参与遗传信息处理的细菌中, 参与遗传信息转化及复制和修复的细菌群具有明显的优势.这与Xia等[29]在黄土高原东南干旱区关于小麦休耕期不同耕作方式土壤细菌群落功能预测的研究结果基本一致.氨基酸代谢主要通过脱氨作用、转氨作用、联合脱氨或脱羧作用分解成α-酮酸、胺类及CO2, 是碳代谢和氮代谢的中枢; 碳水化合物合成与代谢则与氮、磷循环呈正相关, 间接说明土壤细菌丰富度越高越有利于氮、磷的转化和迁移[11, 32].本研究中休耕与季节性休耕土壤细菌群氨基酸代谢通路相对丰度均高于麦玉周年轮作; 小麦收获后, 连续2 a休耕与冬休耕-夏玉米细菌性传染病二级功能代谢通路则显著低于麦玉周年轮作及冬小麦-夏休耕, 这与一级功能代谢通路人类疾病相对丰度的差异性相同; 细菌性传染病代谢通路源于致病细菌基因.
3.4 不同轮作休耕农田土壤细菌群落对环境因子的响应环境因子对土壤微生物具有抑制、促进或无明显作用, 是土壤微生物群落组成的重要影响因素[33].利用RDA分析农田土壤细菌信息, 可直观地展现出土壤环境因子对该地区土壤细菌群落结构特征的影响.RDA分析表明, 显著影响0~20 cm土层土壤细菌群落结构的主要环境因子是土壤含水率、全磷、有效磷、速效钾、pH和碳氮比, 20~40 cm土层则是全磷和有效磷.可见, 全磷和有效磷对不同轮作休耕2个土层的土壤细菌群落结构均有显著影响.有研究发现, 富营养条件下, 磷素能够削减原有微生物群落的限制作用, 使微生物的代谢活动发生变化, 进而可能会改变微生物的种类组成[34, 35].另外, 吴宪等[12]的研究发现, 潮土细菌群落结构受到土壤磷的调控, 全磷对细菌群落α多样性的作用显著.这与本研究结果类似, 可能是因为细菌生长需要磷, 有效磷对细菌具有促进作用.但在黄土高原半干旱区的研究发现, 土壤全氮、全钾和速效氮含量是影响9种轮作休耕方式土壤细菌群落结构的主要环境因子[36].这与本试验存在差异, 可能是地域环境、作物种类及取样时间不同造成的.目前, 关于环境因子对土壤细菌群落的影响, 不同地域或不同学者得出的结论不同[21, 33~36]; 另外, 土壤细菌群落受水热条件的影响较大, 而水和热又不能隔离.因此, 不同轮作休耕农田土壤细菌群落结构特征对环境因子的响应有待深入研究.
4 结论不同轮作休耕方式20~40 cm土层中, 土壤细菌在门、纲、目、科、属、种及OTU水平上菌群数量均多于0~20 cm土层, 但0~20 cm土壤细菌在不同分类水平上均存在20~40 cm土层没有的特有类群; 冬小麦收获后, 0~20 cm土层季节性休耕(冬小麦-夏休耕和冬休耕-夏玉米)的土壤细菌群落更丰富、多样性程度更复杂, 20~40 cm土层则是冬小麦-夏休耕; 2个土层中, 主要优势菌群同为放线菌门(Actinobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)和绿弯菌门(Chloroflexi).通过Tax4Fun功能预测发现, 不同轮作休耕土壤细菌具有一级功能代谢通路6类, 二级功能代谢通路40类, 三级功能代谢通路264类; 季节性休耕可以提高参与新陈代谢、环境信息处理和遗传信息处理等有益细菌的代谢功能.根据RDA分析, 0~20 cm土层的土壤细菌群落受土壤含水率、全磷、有效磷、速效钾、pH和碳氮比影响显著, 20~40 cm受土壤全磷和有效磷影响显著.由此可见, 在黄河下游冲积平原农田中, 不同轮作休耕方式和土壤深度均可使土壤细菌群落多样性、丰富度及代谢功能产生差异; 合理的季节性休耕可以促进农田土壤生态系统的健康与稳定.
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