科研 | SBB：土壤酸化对免耕小麦种植土壤中不同深度微生物群落关系的影响
编译：阿昊，编辑：小菌菌、江舜尧。
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土壤pH值是影响土壤细菌群落组成和多样性的重要因素之一。然而，大多数对细菌群落的研究都集中在10-20厘米的土壤上，对底层土壤微生物群落的组成、多样性和结构力的知识还相对较少。此外，在免耕（no-till）管理的农业土壤中，肥料常常在种子区形成酸化的土壤层，这使得免耕土壤成为研究pH值和土壤深度对微生物群落影响的独特系统。在这篇文章中，我们描述了华盛顿东部免耕小麦种植系统中土壤深度（0 cm、10 cm、25 cm、50 cm、75 cm和100 cm）对细菌群落的组成和多样性的影响。土壤表层以变形菌门（Proteobacteria）和放线菌（Actinobacteria）为主，酸杆菌（Acidobacteria）在10cm处相对丰度达到高峰，25cm以下的放线菌和未鉴定类群的相对丰度最大。然而，酸化土壤破坏了土壤深度与细菌群落之间的关系，导致10cm深度细菌群落多样性低。细菌类群的共现网络主要揭示了对土壤pH值或深度有响应的共生类群。这项工作深度解析了细菌群落在旱地小麦种植系统的分布和驱动因素。
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实验设计
土壤样本采集自华盛顿州立大学库克农艺农场，该农场位于美国华盛顿州东部，位于美国华盛顿州普尔曼东北约11公里处的美国农业部研究现场（46.78N，−117.08E）。2016年4月，在冬小麦轮作期内对土壤进行采样。在取样之前，这个样带已经连续进行了18年的谷物轮作。轮作模式是春大麦-春小麦-冬小麦。冬小麦是取样前最后种植的作物。作物在种植时按土壤取样和华盛顿州立大学的建议施肥。在播种深度以下5cm深的地带施肥。N以无水氨或硝酸铵的形式施用，P以聚磷酸铵的形式施用，S以液体硫酸铵的形式施用。2016年4月7日，使用液压土壤探针（Giddings Machine Co，Inc，Windsor，Co.）从8个点（每个点2个）获取了16个土芯。简单地说，土壤探测器装有塑料衬垫（PET-G，聚对苯二甲酸乙二醇酯改性，Giddings Machine Co.Inc.），在每个点取4.4 cm内径的土芯，深度至少为100 cm。土芯立即加盖，运输至实验室，并在−20°C下冷冻。在距土壤表面10 cm、25 cm、50 cm、75 cm和100 cm处，用钻孔机在每个土壤冻结土芯的塑料护套上钻孔（直径约2 cm），并用包装带密封。为了获得土壤样品，将土芯在台地上单独解冻约30分钟，并在刮去土壤外层后，用无菌抹刀从每个钻孔和每个土芯表面（0 cm深）取约1 g土壤。总共处理了96个土壤样本（16个土芯×6个土壤深度）。
结果
1.土壤深度对细菌群落组成及多样性的影响
在22个已鉴定的细菌门中，最丰富的门包括放线杆菌门（Actinobacteria，31.3%）、变形菌门（Proteobacteria，18.9%）、酸杆菌门（Acidobacteria，18.1%）、疣微菌门（Verrucomicrobia，4.4%）和拟杆菌门（Bacteroidetes，4.3%）。然而，各个门的丰富程度在土壤深度之间有很大的差异（图1），其中许多门的相对丰度随着土壤深度的增加而增加（例如酸杆菌、放线杆菌、绿弯菌门（Chloroflexi）和硝化螺旋菌门（Nitrospirae）类），而其他门（如WPS-1、浮霉菌门（Planctomycetes）、变形菌门、拟杆菌门（Bacteroidetes））相对丰度随着深度的增加而减少（图1）。有趣的是，疣微菌门在中等深度（25和50厘米；图1）中相对丰度最高。最后，不能被分类到特定分类水平的序列的比例随着土壤深度的增加而增加，这表明在深层土壤剖面中有很大一部分未勘探的微生物。
细菌群落整体在土壤深度上存在显著差异（图2；Adonis r2=0.49，p=0.001）。两两比较表明，土壤0cm和10cm（r2=0.48，p=0.001），10cm和25cm（r2=0.41，p=0.001）之间存在较大差异，但较低深度的群落间分化较弱或不显著（25cm vs.50cm：r2=0.16，p=0.004； 50cmvs.75cm： r2=0.08，p=0.21； 75cmvs. 100cm： r2=0.08，p=0.21；75cm vs.100cm：r2=0.06，p=0.59）。此外，细菌群落间的差异随土壤深度的增加而显著增加（图3），表明来自较深土壤的群落往往比来自较浅土壤深度的群落之间的差异更大。总的来说，细菌群落之间的相似性与土壤pH值、总C和N以及C/N比的增加密切相关（Mantel检验；R=0.80，p=0.001）。
土壤表面主要由变形菌门、拟杆菌门和放线杆菌中的许多类群的成员所控制，尤其是属于鞘氨醇单胞菌科、黄杆菌科和鞘氨醇杆菌科的成员（图4）。尽管在10 cm深处，许多相同的细菌科在土壤中占主导地位，但其他细菌（如诺卡氏菌科、链球菌科、亚硝基单胞菌科、黄杆菌科）的相对丰度有明显的增加和减少。最后，在25cm及以下，土壤细菌群落的盖勒氏菌科（Gaiellaceae）、叶杆菌科（Phyllobacteriaceae）和硝化螺旋菌科（Nitrospiraceae）的相对丰度特别高（图4）。
虽然土壤深度间微生物群落组成存在较大差异，但在整个土壤剖面中仍发现了一些一致的分类群。在至少75%的样本中发现了40个细菌家族（共155个，占48%），这表明这些家族的成员有广泛的栖息地偏好。然而，只有40 个zOTU个体（共8763个，占0.46%）持续存在。最值得注意的是，最丰富的普遍存在的zOTUs属于根瘤菌（Bradyrhizobiaceae: zOTU 4,5,13,46；Mesorhizobium：zOTU 46）或Gaiellales（zOTUs 12和26），这表明尽管有许多细菌家族无处不在，大多数的细菌类群有专门的栖息地偏好。
图1 土壤深处细菌门的序列计数。每个数据点上方的不同字母表示土壤深度之间门水平上存在显著差异（Tukey HSD<0.05）。
图2 细菌群落NMDS图（应力=0.08）按土壤深度着色。箭头表示土壤特性的显著（p<0.05）向量。
图3 不同土壤深度细菌群落间的扩散。离质心（y轴）越远，说明细菌群落组成的变异性越大。
图4 土壤深度间细菌科的相对丰度。
2.土壤深度对细菌丰富度和多样性的影响
细菌丰富度和多样性在不同深度增量之间存在显著差异，且在土壤表面趋于最大，在100 cm处最低（表1）。此外，从土壤表面到10 cm深度（酸化层）的丰富度和多样性显著急剧下降，这与最深土壤（50 cm、75 cm和100 cm；图5）更具可比性。
表1 不同土壤深度土壤特性和多样性指标的平均值（+/-标准偏差）。不同的字母表示深度之间有显著差异（Tukey's HSD，p<0.05）。
图5 细菌丰富度和多样性与土壤特性和土壤深度的关系。
3.土壤深度间的土壤特性
土壤pH、C、N和C:N比值随土壤剖面的变化而变化。土壤C、N和C:N比值在土壤表层（0cm深度）最大，并随深度的增加而降低（表1）。相反，pH值从土壤表面到10cm深度显著下降，然后随着土壤深度的增加而增加（表1）。土壤深度间细菌群落的变化与C、N、C:N和pH值显著相关（图2）。
一些类群的相对丰度随土壤深度的变化趋势一致，而其他类群的相对丰度受低pH土壤带的影响更大。例如，随着土壤深度的增加，茎杆菌科（Caulobacteraceae）、几丁质体科（Chitinophagaceae）、角豆科（Comamonadaceae）、毛门蕨科（Geodermatophilaceae,）、草酸杆菌科（Oxalobacteraceae）、平丝菌科（Planctomycetaceae）和黄单胞菌科（Xanthomoadaceae）的相对丰度持续下降，而亚硝基螺旋藻科（Nitrospiraceae）和未分类的菌科（unidentified families）的相对丰度增加（图4）。有趣的是，小单孢菌科（Micromonosporaceae）似乎同时受到pH和土壤深度的影响（图4）。
4.细菌群落与土壤特性的关系
细菌丰富度和多样性与土壤pH、N、C显著相关（图5）。最显著的是，zOTU丰富度与%C（Spearman rho=0.66，p=0.0001）、%N（Spearman rho=0.66，p<0.0001）和C:N比值（Spearman rho=0.53，p<0.0001）呈正相关。然而，除10cm深度（酸化层）具有低pH值和低zOTU丰富度外，zOTU丰富度随着土壤pH值的增加而下降（图5）。同样，Shannon and Simpson多样性与%C和%N呈正相关。
5.细菌共生网络
n=202个分类群之间的共现网络（在属级或最低可信分类级别组合）分别由592个正向作用和202个负向作用组成（图6）。正共生类群聚集成11个不同的模块。模块内的中心分类群包括酸杆菌（模块10）、α变形菌（模块1）和中村氏菌科（Nakamurellaceae，模块9）。大模块的相对丰度（由10个或更多类群组成）随土壤深度和pH值呈现出不同的模式（图7）。值得注意的是，模块2、6和9的相对丰度从0 cm到10 cm深度急剧下降，并在10 cm以下保持相对较低水平。相比之下，第10单元的相对丰度从0增加到25 cm，并且在25 cm及以下占优势。总的来说，这表明这些模块（2、6、9和10）的相对丰度主要由土壤深度决定。有趣的是，第三组分的相对丰度从0～10cm逐渐下降，但随土壤深度的增加而增加。然而，这些类群显示出与土壤pH值一致的趋势（图7），这表明它们对pH值的响应比土壤深度本身更大。
图6 按模着色的细菌类群（仅限正边）的共生网络。节点被标记为最低级别的分类分配，节点大小与分类单元的相对丰度成比例。边缘宽度反映了节点间共生的强度。
图7 土壤深度（左）和土壤pH（右）之间的共生类群（y轴）的相对丰度之间的关系。
总结
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