水稻土微生物群落結構及功能隨植稻年限的變化：灘涂圍墾稻田時間序列的案例研究.pdf

1、土壤有機質是土壤的最關鍵組分，它促使土壤團聚體和良好結構的形成，提供微生物能源而養(yǎng)育土壤的生物區(qū)系，是土壤生物過程的驅動者，從而驅動和調節(jié)土壤中養(yǎng)分、水、能量循環(huán)，發(fā)揮土壤的生態(tài)系統(tǒng)功能服務。因此，土壤發(fā)育中土壤有機質-團聚體-微生物區(qū)系-土壤生態(tài)系統(tǒng)功能活性間的關系是土壤學的本質問題。已有研究表明，水稻土在水耕熟化過程中有機碳有明顯的積累趨勢和固碳潛力。
　　水稻土是我國長期栽培水稻下水耕熟化過程而形成發(fā)育的一類特色農業(yè)土壤，是

2、獨特的人為土壤(Anthrosols)。我國種植水稻已有7000-10，000年的歷史，水稻土可以起源于多種土壤類型，經(jīng)過長期水稻生產的人為管理和耕作，水耕熟化過程的長期演化而定向發(fā)育為具有特有的剖面形態(tài)特征和理化性質，并形成穩(wěn)定的作物生產力。已有研究表明，水稻種植下水稻土有機碳積累明顯，并具有較高的化學和生物學穩(wěn)定性。水稻土發(fā)育中有機質積累和穩(wěn)定是如何隨著植稻年限而演進，其微生物、生物活性功能如何與有機質積累相變化，這是還沒有清楚的問

3、題。
　　在中國浙江東部沿海地區(qū)，壘土筑塘、圍涂開墾，已有2000多年的歷史，在圍墾過程中，大量的灘涂濕地被開墾為水稻土。不同海塘的建筑年代均有較為可靠的歷史記錄，由此構成一個水稻土壤演變的時間序列。該時間序列由石灰性濱海沉積物發(fā)育而來，可作為研究長期植稻條件下土壤發(fā)生過程中土壤碳氮分布變化的一個模式系統(tǒng)。理解在長期農業(yè)利用過程中土壤是如何變化的，為進一步制定合理的土地利用策略和預測農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展提供科學依據(jù)。
　　由于

4、土壤微生物在地球化學養(yǎng)分循環(huán)和土壤健康中重要的作用，有關土地利用方式的改變對微生物群落的影響，吸引了越來越多研究者的關注，但是，我們對長期種植水稻如何影響土壤微生物群落的了解較少。因此，為了闡明土壤的基本性質和微生物群落在本體土壤和不同粒徑大小團聚體中隨土壤演變過程的變化情況，我們將沿海灘涂(P0)和植稻年限為50-700年的水稻土(P50-P700)一起作為研究對象。分析土壤主要的理化性質用來理解基本的水稻土演變過程。采用BIOLOG

5、微平板技術、定量PCR(qPCR)、末端限制性片段長度多態(tài)性分析(T-RFLP)、變性梯度凝膠電泳(DGGE)、454高通量測序等微生物分子生態(tài)學技術，結合溫室氣體的產生和土壤酶活性的測定，研究分析了長期種植水稻對土壤中細菌、真菌和古菌的基因豐度和群落結構的影響。主要研究結果如下:
　　一.長期種植水稻對土壤的理化性質及微生物活性的影響
　　灘涂圍墾后，種植水稻對土壤的理化性質產生了顯著的影響。在700年的種植水稻過程中，主

6、要的土壤性質的變化包括:土壤pH從8.62下降到6.65;土壤中的有機碳和總氮顯著積累，分別由6.32和0.79 g kg-1增加到了21.70和2.14 g kg-1;粗砂粒級團聚體含量由2.78％增加到7.63％，提高了土壤的團聚性。土壤總DNA含量、總磷(TP)、可溶性有機碳(DOC)、微生物生物量碳(SMBC)和CEC在圍墾后的50-100年間快速增加，在此之后隨著土壤的繼續(xù)發(fā)育保持相對穩(wěn)定。我們發(fā)現(xiàn)不同植稻年限的水稻土經(jīng)30天

7、的淹水厭氧培養(yǎng)后，植稻土壤的CH4和CO2產生量要高于灘涂土壤，CH4和CO2分別增加了3.81倍和3.89倍。利用BIOLOG對土壤微生物的功能多樣性研究后，香農指數(shù)（H'BIOLOG）、豐富度（SBIOLOG）在植稻100年間明顯增加，在此之后趨于穩(wěn)定。
　　在不同粒徑的團聚體中，DNA含量、SOC和總N的含量存在明顯差異。這些指標在粗砂粒和粘粒中要顯著高于其他粒徑的團聚體。一般來說，DNA含量、SOC和總N的含量在單個土壤樣

8、品中的分布規(guī)律是:粗砂粒（2000-200μm）＞粘粒（＜2μm）＞細砂粒（200-20μm）和粉粒（20-2μm）。而且，粗砂粒中的C/N也顯著高于其他粒級的團聚體。
　　二.長期種植水稻對土壤中細菌群落的影響
　　隨著圍墾后植稻年限的延長，細菌16S rRNA基因豐度由最初的每克干土3.99×108拷貝數(shù)顯著地增加到1.83×1010。與此同時，長期種植水稻對土壤中大部分的功能微生物和潛在的病原菌都有顯著地影響。其中，擬

9、桿菌門（Bacteroidetes）在最初的灘涂中的相對豐度最高(29.02％)，但在圍墾后的100年間下降到了1.52％，在此之后一直處于較低的豐度水平。與此相反，酸桿菌門（Acidobacteria）在圍墾后的300年間，相對豐度由3.44％增加到最大值17.91％。在700年的種植水稻過程中，硝化螺菌門（Nitrospirae）、δ-變形菌綱（Deltaproteobacteria）、綠彎菌門（Chloroflexi）和芽單胞菌門

10、（Gemmatimonadetes）呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，放線菌門(Actinobacteria)、α-變形菌綱（Alphaproteobacteria）和γ-變形菌綱（Gammaproteobacteria）則呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，而β-變形菌綱（Betaproteobacteria）沒有明顯的變化趨勢。細菌群落的OTU數(shù)、香農指數(shù)(H')、Chao1和系統(tǒng)發(fā)育多樣性指數(shù)(PD)被用來估計和比較不同植稻年限水稻土中細菌的多樣性和豐富度，結

11、果發(fā)現(xiàn)，植稻土壤(P50-P700)中細菌群落的多樣性和豐富度要遠遠高于圍墾前灘涂中的細菌群落，且所有的多樣性指數(shù)均在植稻100年后達到穩(wěn)定。長期植稻條件下細菌群落的演變與pH、SOC、TN和SMBC呈顯著相關，且與SOC的相關性最高(r=0.76，p＜0.001)。
　　三.長期種植水稻對土壤中古菌和產甲烷菌群落的影響
　　古菌16S rRNA基因和產甲烷菌mcrA基因豐度隨植稻年限的延長都呈現(xiàn)出逐漸增長的趨勢，分別由最初

12、的每克干土6.70×106和1.53×105拷貝數(shù)增加到植稻700年時的每克干土2.89×108拷貝數(shù)和2.73×107。而古菌和產甲烷菌群落的多樣性指數(shù)(H'、Chao和Dominance)在圍墾之后顯著增加并在植稻100年時達到最大。此外，雖然在圍墾后的50年的植稻年限里，古菌和產甲烷菌群落的結構組成發(fā)生明顯地改變，但是在不同植稻年限土壤中產甲烷菌群落中甲烷八疊球菌目（Methanosarcinales）一直處于優(yōu)勢地位。通過比較發(fā)

13、現(xiàn)，在長期植稻過程中，產甲烷菌的群落結構較其基因豐度更快的達到相對穩(wěn)定。圍墾初期古菌群落快速的演替過程也與成土過程中土壤形態(tài)和礦物的演變相對應。這一迅速的演替過程可能與圍墾后100年間土壤有機碳的快速積累有關。
　　四.長期種植水稻對不同粒徑團聚體中微生物群落的影響
　　最高的細菌基因豐度和群落多樣性分布在最大粒徑（粗砂粒）和最小粒徑（粘粒）團聚體中，而最高的真菌基因豐度和群落多樣性只分布在最大粒徑團聚體中。細菌和真菌的基因

14、豐度在圍墾后50年的植稻年限達到最大，在此之后保持相對的穩(wěn)定，這一變化趨勢主要表現(xiàn)在粗砂粒和粘粒中，在細砂粒和粘粒中并不明顯。雖然不同粒徑團聚體中細菌和真菌群落結構都存在明顯的差異，但是相似性分析的結果表明，真菌群落在長期種植水稻過程中比細菌變異性大。
　　對于古菌和產甲烷菌，在粗砂粒和粘粒中的基因豐度較高。而且，長期植稻過程中，古菌和產甲烷菌在粗砂粒和粘粒中基因豐度和多樣性的變化也比其他粒徑中明顯。對古菌16S rRNA基因測序

15、分析后發(fā)現(xiàn)，Methanocellales廣泛分布于各個團聚體粒徑中并貫穿整個時間序列，甲烷八疊球菌科（Methanosarcinaceae）和甲烷鬃菌科（Methanosaetaceae）在粘粒中的分布極少。
　　不同植稻年限土壤中，砂粒和粉粒的SOC和總氮與微生物生物量（總DNA含量）存在顯著地相關性，這表明SOC和總氮可能是土壤微生物生物量的主要影響因子。
　　五.長期植稻過程對耕層土壤不同深度細菌和真菌群落功能和結構

16、的影響
　　對不同植稻年限耕層三個深度（0-5cm、5-10cm和10-20cm）的土壤進行分析后發(fā)現(xiàn)，細菌和真菌的基因豐度、酸性磷酸酶、蔗糖酶和脲酶與土壤發(fā)育年限存在顯著地相關性，尤其表現(xiàn)在0-10cm土層。真菌的基因豐度和酸性磷酸酶與土壤深度成顯著相關。而且，土壤發(fā)育年限與土壤深度所產生的交互作用對真菌豐度和酸性磷酸酶活性產生強烈的影響。另外，我們發(fā)現(xiàn)細菌群落結構隨土壤深度的增加沒有明顯的變化，而真菌的群落結構隨土壤深度的增加

17、而明顯變化。在三個土壤深度中，細菌和真菌群落的多樣性在圍墾后50-100年的時間內均持續(xù)增加，但在此之后達到相對的穩(wěn)定。結合不同深度土壤中微生物群落結構與土壤酶活性可以提高我們對表層和表層以下土壤在長期種植水稻過程中，微生物群落結構和功能的認識。
　　綜上所述，本研究提高了我們對長期植稻過程中，本體土壤和不同團聚體中的微生物（細菌、真菌和古菌）豐度和群落結構演變過程的認識。
　　利用由灘涂圍墾所形成的時間序列，我們發(fā)現(xiàn)在長期

18、種植水稻過程中，土壤中的生物和非生物因素的演變過程是不一致的。特別在本體土壤中，雖然細菌和古菌的基因豐度隨土壤發(fā)育時間的延長而逐漸增加，但是它們的群落結構和多樣性在圍墾后的100年內迅速增加并達到穩(wěn)定。相對于長期植稻過程中土壤形態(tài)和礦物特征的逐漸演變，土壤圍墾初期有機碳的顯著積累為微生物提供了良好的生存環(huán)境，促進了微生物群落和功能的快速形成。由此，細菌和古菌群落的演替可以分為兩個階段，在最初的幾十年甚至上百年相對較短的時間內，群落多樣性

19、快速增加且群落結構快速變化;而在此之后幾百年的較長的土壤發(fā)育過程中，微生物群落及多樣性變化緩慢。
　　在土壤團聚體這一微生境中，不同植稻年限土壤中微生物（細菌、真菌和古菌）生物量的空間分布存在明顯不同。不同粒徑中細菌和真菌的基因豐度在圍墾50年后達到最大，而古菌和產甲烷菌的基因豐度隨植稻年限的延長而增加。但是，不同類群微生物的多樣性隨土壤發(fā)育時間的變化較為一致。
　　在700年的種植水稻過程中，無論是本體土壤還是不同的團聚體