氮素形态对紫花苜蓿根际土壤微生物群落结构的影响

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紫花苜蓿(Meativa L.)在我国种植面积广,是优质的牧草资源。在土壤养分转化过程中,不同形态氮素对紫花苜蓿根际土壤微生物群落的影响还不明确。本研究设置了土壤盆栽和小区栽培两个试验,研究了添加不同形态氮素对紫花苜蓿根际土壤微生物群落结构和多样性的影响。土壤盆栽试验共设置了 6个处理,分别是Con(对照组),NN(单施硝态氮处理),AN(单施铵态氮处理),NN-AN(硝铵 1:1 处理),3NN-7AN(硝铵 3:7 处理)和 7NN-3AN(硝铵 7:3处理)。小区栽培试验共设置了 4个处理,分别是Con(对照组),NN(单施硝态氮处理),AN(单施铵态氮处理)和NN-AN(硝铵1:1处理)。主要结果如下:(1)土壤盆栽试验中,通过高通量测序发现,施加混合形态氮素处理的OTU平均数量高于施加单一形态氮素处理的OTU数量,但差异不显著。门分类水平上,土壤微生物群落主要分布在变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和酸杆菌门(Acidobacteria),其中放线菌门(Actinobacteria)相对丰度在施加混合形态氮素处理下显著高于施加单独形态氮素处理(P<0.05),拟杆菌门(Bacteroidetes)相对丰度在施加混合形态氮素处理下显著低于施加单独形态氮素处理(P<0.05)。(2)对盆栽试验土壤微生物群落进行α多样性分析发现,施加混合形态氮素处理比施加单独形态氮素处理更能提高土壤微生物群落多样性,但差异不显著。而土壤微生物进行β多样性分析发现,施加混合形态氮素处理和施加单独形态氮素处理的土壤微生物群落多样性有显著差异(P<0.05)。LefSe分析结果显示,放线菌门(Actinobacteria)是多硝少铵(7NN-3AN)处理中的优势菌群,拟杆菌门(Bacteroidetes)是AN处理中的优势菌群,噬纤维菌目(Cytophagales)是NN处理中的优势菌群。(3)利用RDA分析盆栽试验中土壤优势微生物群落与紫花苜蓿生理指标及环境因子的关系,结果表明,紫花苜蓿根中硝态氮含量、土壤淀粉酶和土壤速效钾是影响其根际土壤微生物群落结构和多样性的重要因子。在硝铵等比混施处理下,它们更有效地促进了植物和土壤对养分的吸收和利用,通过微生物丰度的改变,改变了植物和微生物对土壤养分的竞争关系,间接影响了紫花苜蓿对氮素的吸收和利用,提高了植株的氮含量、地上生物量和粗蛋白含量。(4)小区栽培试验中,共对紫花苜蓿刈割了三茬。双因素方差分析结果表明,在门分类水平上,茬次和施氮方式之间的交互作用对土壤优势微生物的相对丰度没有显著交互作用。硝铵1:1混施处理下的OTU数在各茬次均为最高。与盆栽试验相比,小区栽培试验中各处理下的优势微生物群落更加丰富。在门分类水平上,土壤微生物群落主要分布在变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、酸杆菌门(Acidobacteria)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)和绿弯菌门(Chloroflexi)。刈割第一茬时,变形菌门(Proteobacteria)的相对丰度显著低于其他处理(P<0.05),第二茬和第三茬时相对丰度也低于其他处理但差异不显著。厚壁菌门(Firmicutes)和拟杆菌门(Bacteroidetes)的相对丰度在第一、二茬的混合形态氮素处理下显著高于其他处理(P<0.05),在第三茬则没有表现出显著差异。变形菌门(Proteobacteria)中的溶杆菌属(Lysobacter),在第二茬时的相对丰度最高。(5)对小区栽培试验中的土壤微生物群落进行α多样性分析,结果表明,在门分类水平上,茬次和施氮方式之间的交互作用对紫花苜蓿根际土壤生物的α多样性指数没有显著交互作用。紫花苜蓿刈割第三茬后,单施硝态氮处理下的土壤微生物丰度和多样性显著高于第一茬时的单施硝态氮和单施铵态氮处理(P<0.05)。同一茬次不同处理间没有表现出显著差异。土壤微生物群落β多样性在不同处理间也没有显著差异。(6)小区栽培试验中土壤优势微生物群落和紫花苜蓿生长、生理指标以及环境因子的RDA分析表明,第一茬紫花苜蓿硝态氮含量与土壤微生物群落结构密切相关,第二茬和第三茬紫花苜蓿铵态氮含量和土壤微生物群落结构密切相关,说明随着种植年限的增加,土壤中硝态氮含量逐渐富集。在氮素充足的条件下,植物根际土壤微生物随着时间的推移,对土壤全氮的需求逐渐转变为对土壤速效养分的需求。本课题组前期研究发现在硝铵等比混施处理下,紫花苜蓿氮素利用率、地上生物量、粗蛋白含量均高于其他单施和对照处理,本研究发现紫花苜蓿的氮素利用率与其根际土壤中变形菌门(Proteobacteria)的相对丰度显著相关,说明优势菌群相对丰度的变化在促进紫花苜蓿对氮素吸收和利用中起到了重要作用。综上,施用不同形态氮素通过改变土壤理化性质以及土壤酶活性间接改变了根际土壤微生物群落结构和多样性,进而影响了紫花苜蓿对氮的吸收和利用,改变了植株中氮的含量。小区栽培试验比土壤盆栽试验拥有更加丰富的土壤微生物类群,说明在一个开放的土壤生态系统中,会有更多的微生物类群参与养分转化过程。两个试验都表明施加混合形态氮素,尤其是硝铵1:1混合施加更能提高土壤微生物群落的相对丰度和多样性。
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