Combined System of Organic Substrate and Straw-DegradingMicrobial Agents lmproved Soil Organic Matter Levels and MicrobialAbundance in a Rice-Wheat Rotation
DOI：10.1007/s00284-022-02863-z
概要
稻麦轮作是中国农业高度集约化地区主要的农业种植方式，作物秸秆还田是提高土壤肥力的有效方法。然而，由于秸秆分解速度慢，在当前作物季节释放的养分少，直接秸秆还田对土壤质量和作物产量有许多不利影响，因此，探索秸秆资源综合有效利用的适宜做法很重要。随着农业机械化的普及，提高田间秸秆分解率也越来越受到重视，研究表明，含有能够分解秸秆的多种活性微生物的秸秆降解微生物制剂，能够通过分泌多种胞外酶有效地直接加速作物秸秆的分解，并对土壤质量和作物产量产生积极影响。尽管已有研究关注单一施用秸秆降解微生物制剂或有机基质对养分释放、酶活性和作物产量的影响，但关于整合秸秆降解微生物制剂和有机基质对土壤理化性质、活性有机碳含量和土壤微生物群落变化的影响的研究还很少。研究探讨了改良有机基质（MOS）和秸秆降解复合微生物制剂（CMA）联合体系对土壤理化性质、活性有机碳、微生物活性以及土壤微生物群落组成的影响。通过田间实验发现，MOS和CMA的联合使用对于提高砂质壤土的质量和肥力更为合适，并为可持续作物生产和农业发展提供了新的见解。
实验设计
四种处理，对照组（CK）、仅CMA、仅MOS、MOS+CMA。此外，所有处理均施用化肥，单独施用化肥作为对照。每个处理有三个重复。改良有机基质（MOS）的施用量为每公顷7500公斤，其中含氮1.82%，磷0.7%，钾0.6%，有机物质55%，有效菌落数为每克2×10^8 CFU；秸秆降解复合微生物制剂（CMA）的施用量为每公顷60公斤，其中细菌占40%，真菌占60%；化学肥料的施用量为每公顷300公斤，其中含氮7.2%，五氧化二磷4.8%，氧化钾4%。
土壤理化特性
与对照组（CK）相比，MOS+CMA处理显著增加了土壤有机质（SOM）、全氮（TN）、全磷（TP）、有效氮（AN）和有效磷（AP）含量。此外，MOS+CMA、CMA和MOS处理都显著降低了土壤容重（BD），而MOS+CMA和CMA处理的电导率（EC）较CK处理显著降低。MOS+CMA和MOS处理显著提高了阳离子交换容量（CEC），而CMA处理显著降低了CEC值。总体而言，MOS+CMA处理有效提高了土壤养分含量，改善了土壤物理环境，在土壤质量和肥力提升方面具有较大优势。
土壤活性有机碳含量与土壤生物学特性
MOS和CMA的单独或联合施用增加了土壤中的活性有机碳组分(图1A)，包括溶解有机碳（DOC）、颗粒有机碳（POC）、易氧化有机碳（EOC）和微生物生物量碳（MBC）。MOS处理的DOC和MBC含量最高，CMA处理显著提高了MBC和EOC含量，特别是MOS+CMA处理显著提高了所有测量的活性碳含量。与单独施用相比，MOS和CMA组合处理对土壤稳定碳变化没有累积效应，但总体上比CK处理有效提高了土壤稳定碳含量。此外，MOS+CMA、MOS和CMA处理显著提高了微生物生物量氮（MBN）含量和土壤酶活性(图1B)。
细菌和真菌的α-多样性
施用MOS和CMA对真菌群落的影响大于对细菌群落的影响。具体而言，在细菌群落中，尽管MOS+CMA处理与CMA处理、MOS和CK处理在OTU丰富度和细菌多样性方面没有显著差异，而在真菌群落中，CMA处理显著降低了OTU数、ACE和Chao1值，而MOS+CMA和MOS处理显著提高了ACE和Chao1丰度指数。值得注意的是，MOS+CMA处理不仅在细菌和真菌群落中具有最高的ACE和Chao1值，而且还提高了细菌的Shannon指数，这表明MOS和CMA组合系统可以有效提高土壤微生物丰度和细菌多样性。
不同处理间细菌和真菌群落组成及比较
各处理的优势细菌门为Proteobacteria, Chloroflexi, Actinobacteria, Acidobacteria, Bacteroidetes, Firmicutes, Cyanobacteria, Gemmatimonadetes, Epsilonbacteraeota, Patescibacteria和Nitrospirae（图2a）。优势真菌类群为 Ascomycota , Basidiomycota , Mortierellomycota。在所有细菌和真菌门中，与CMA或MOS处理相比，MOS+CMA处理中唯一显著增加的是Mortierellomycota（图2b）。
对于细菌属(图3a)，在MOS+CMA处理下，Bacillus、Pedomicrobium、norank_f_burkholderaceae, Pedobacter和Pajaroellobacter等相对丰度显著较高。然而,仅有MOS的情况下，Bryobacter、Bacillus、Planifilum，Pedobacter，Novosphingobium等丰度显著增加(图3c)。CMA处理显著增加了10种细菌属(图3b)，包括unclassified_f_burkholderaceae, Micromonospora, Catellatospora, norank_f_burkholderaceae，Desulfovirga，Streptorangium等。因此，CMA对细菌群落的影响更大。对于真菌属，MOS+CMA处理显著增加了Sordariomycetes, Microascales, Fusicolla, Cephalotrichu, Remersonia、Phialophroa和Hannaella的丰度(图3d)。在MOS处理下，三种真菌属(valsonectriia, Thermomyces, Aspergillaceae)出现了显著差异(图3f)。同样，在CMA处理中观察到其他三种真菌属:微鳞片(未分类)、毛癣和颈癣(图3e)。
不同处理下特定微生物类群的表现
在细菌群落中(图4a)，与其他处理相比，CMA处理具有最多种类的生物标志物，这表明单一的CMA处理倾向于改变细菌群落的结构。在真菌群落中(图4b)，MOS+CMA和MOS处理对真菌群落的影响更大，而单独CMA处理对细菌群落的影响更大。
细菌和真菌的PCoA和db - RDA
通过主坐标分析(PCoA)比较4种施肥策略在土壤微生物群落中的分离规律(图5a, b)。PCoA显示，细菌群落中46.09%的总变异可以用前两个主坐标来解释，其中PC1为28.77%，PC2为17.32%(图5a)。不同施肥策略之间有分离的趋势，但均未达到显著水平。真菌群落中超过一半的变异可以由前两个主坐标解释，其中PC1为33.24%，PC2为22.23%(图5b)。来自不同处理的样本从前两个主坐标显著分散。土壤理化性质与土壤细菌群落的关系如图5c所示。前两个轴的特征值分别为CAP1为19.16%和CAP2为13.31%。一般细菌群落与pH呈显著正相关，而CMA处理与EOC相关性更强，其余因素与MO处理呈正相关。对于真菌(图5d)，前两个轴解释了整个真菌方差的37.8%，其中CAP1为21.34%，CAP2为16.42%。真菌群落对土壤农化特征的响应强于细菌群落。真菌群落与SOM、AN、POC 呈极显著正相关，而CMA处理与EOC仍呈正相关。
结论
结果表明，MOS改良显著提高了土壤养分水平、土壤有机质和活性有机碳含量，改变了土壤真菌群落结构，在诱导土壤细菌群落稳定性方面具有很大潜力。此外，MOS对土壤微生物活性(与碳氮矿化有关)和土壤细菌群落多样性有积极影响，有利于作物抗病。最后，MOS+CMA处理在增加有机质积累、改善土壤养分水平、增加土壤微生物活性和丰度方面具有一定优势，但均不及MOS或CMA处理的两倍。因此，在秸秆还田条件下，短期内推广应用综合施肥措施改善农田砂壤土质量是值得的。
根际互作生物学研究室 简介
根际互作生物学研究室是沈其荣院士土壤微生物与有机肥团队下的一个关注于根际互作的研究小组。本小组由袁军教授带领，主要关注：1.植物和微生物互作在抗病过程中的作用；2 环境微生物大数据整合研究；3 环境代谢组及其与微生物过程研究体系开发和应用。团队在过去三年中在 Nature Communications，ISME J，Microbiome，SCLS，New Phytologist，iMeta，Fundamental Research， PCE，SBB，JAFC（封面），Horticulture Research，SEL（封面），BMC plant biology等期刊上发表了多篇文章。欢迎关注 微生信生物 公众号对本研究小组进行了解。
撰写：万婷
修改：文涛
排版：刘炜烨
审核：袁军 团队工作及其成果 （点击查看）
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