瘠薄红壤团聚体中氨氧化微生物的长期演替特征与主控因素

Red soil is the middle-low yield soil with acid, sticky boards and barren of features, which distributes widely in Hilly region of southeastern China. Synergy to cultivate red soil structure and biological function is an important aspect of soil fertility upgrade. The long-term fertilization experiment was conducted at the Yingtan National Agroecosystem Field Experiment Station of Chinese Academy of Sciences. In order to understand the co-evolution of soil aggregates and their internal microbial community composition, this study aimed to survey the variation of soil aggregates under 9-year (2002-2011) organic manure application, and analyze the variation of the soil microbial biomass and community structure in aggregate fractions by phosphate fatty acid (PLFA) analysis. The copy numbers of ammonia-oxidizing bacterial (AOB) and archaeal (AOA) amoA genes in aggregate fractions were quantified with real-time PCR, and the AOA to AOB amoA ratio was further calculated. High-throughput 454 sequencing technique was applied to identify the specific ecological flora and the same flora of AOB and AOA in different aggregate fractions, respectively. Furthermore, the responses of AOB and AOA to the inter-annual changes of bacterivores nematodes were determined. The relative importance of main factors on aggregate fractions, ammonia-oxidizing microorganisms and nitrification were quantitatively evaluated by aggregated boosted tree (ABT) and CCA-based variation partitioning analysis (VPA). The present study provides a theoretical basis for the rational use of biological resources of red soil and improving the red soil fertility.

红壤是我国东南丘陵区广泛分布的中低产土壤，具有酸、粘、板、瘠的特征，协同培育红壤结构和生物功能是地力提升的一个重要方面。本项目基于鹰潭红壤生态站设置的有机肥长期试验的系列历史样品，以土壤团聚体及其内部微生物组成的共同演变过程为切入点，在9年时间尺度上研究施用有机肥后土壤团聚体的变化特征；利用磷酸脂肪酸指纹图谱分析土壤微生物生物量和群落结构的演变趋势；运用定量PCR检测团聚体内氨氧化细菌和古菌amoA基因拷贝数，计算古菌与细菌比例及各自丰度的变化；通过454高通量测序研究不同团聚体中氨氧化细菌与古菌特有生态菌群和共有菌群的变化特征；在此基础上，研究氨氧化微生物对食细菌线虫年际变化的响应程度；聚合推进树（ABT）和变异分割分析（VPA）研究影响团聚体，氨氧化微生物结构演变及硝化作用的主控因素及其影响程度，为制定合理利用红壤生物资源、培育红壤地力的措施提供理论依据。

红壤是我国东南丘陵区广泛分布的中低产土壤，具有酸、粘、板、瘠的特征，协同培育红壤结构和生物功能是地力提升的一个重要方面。研究结果表明，长期施用有机肥提高了耕层红壤溶解有机碳（DOC）和氮（DON）含量，红壤DON淋溶在连续施用高量有机肥（600kg N/ha）3年后明显增加，年均DON淋溶损失在3.8-5.4kg/ha，占总氮淋溶量的6-11％，主要受耕层土壤养分（AK、DON、NH4-N）和真菌生物量的影响。红壤中线虫呈显著的季节性动态变化规律，并主要受NO3-N和NH4-N的影响。针对团聚体中C循环的生物驱动机制的研究结果表明，施用猪粪后土壤各粒径团聚体中微生物总量和线虫总数增加，微生物生物量随团聚体粒径的增大而降低，而线虫数量则趋势相反。仅施肥处理显著影响土壤线虫群落的组成，而施肥处理和团聚体均对微生物群落组成具有显著影响。线虫总数与土壤呼吸熵呈负相关，表明食细菌线虫选择性捕食作用可能抑制了微生物的活性。施用猪粪促进氨氧化微生物AOB和AOA丰度增加，但AOA/AOB呈下降趋势，AOB主要以亚硝化螺菌属（Nitrosospira）为优势属，AOA主要以亚硝化球菌（Nitrososphaera）和亚硝化细杆菌（Nitrosotalea）为优势属。尽管AOA丰度较氨氧化细菌更高，但AOB是硝化作用的主要参与者，食细菌线虫专一性捕食AOB刺激了土壤硝化强度，促进了N素循环。结合高通量测序技术（如454/Illumina高通量测序），通过“随机矩阵理论网络构建”方法构建相应的微生物群落遗传分子生态网络，分析土壤生物（线虫—微生物）食物网络之间相互作用。团聚体结构显著影响了线虫和氨氧化微生物的生态网络结构。相比于小团聚体和微团聚体，大团聚体中食物网络结构最为复杂，为驱动N素转化的土壤生物提供了最为适宜的生存空间和交互作用场所。团聚体中与硝化作用（PNA）显著相关的生物模块聚为一类。三种团聚体共有的网络节点中约有50%为显著的模块节点（P < 0.05），这些节点主要为氨氧化细菌cluster 3a和cluster 10。上述结果在红壤团聚体尺度下阐明了土壤线虫与微生物的协同分布特征及其对土壤呼吸熵和硝化强度的影响，揭示了线虫—氨氧化微生物网络结构对土壤硝化作用的影响机制，为今后阐释施用有机肥促进红壤有机碳积累和N素循环的生物学机制提供科学依据。