宏基因组学视角下施用石灰和返还稻草对酸性红土中微生物多样性、群落结构及功能特征的影响

《Journal of Soil Science and Plant Nutrition》：Metagenomic Insights Into Liming and Straw Return Effects on Microbial Diversity, Community Structure and Functional Profiles in Acidic Red Soil

石灰和秸秆还田对土壤酸化缓解及微生物氮循环的影响研究。通过六年田间试验（NF、NPK、NPKL、NPKS）及宏基因组测序发现：石灰显著提高土壤pH（5.4→6.1）并增强氮循环相关基因（denitrification, ammonification）丰度，而秸秆还田虽未改变pH但提升缓冲能力（20.9 mmol kg?1 pH?1），并增加有机质和氮含量。微生物群落结构（变形菌门、单细胞古菌门增加，放线菌门、酸杆菌门减少）与土壤pH显著相关（Mantel检验）。该研究为酸化土壤管理提供机制依据。

　　

摘要

施用石灰和返还秸秆被认为是缓解土壤酸化的有效管理措施。然而，石灰和秸秆返还对微生物多样性、群落组成以及氮循环功能的影响仍尚未得到充分研究。我们进行了为期六年的田间实验，设置了四种处理方式：不施用肥料（NF）、施用化学肥料（NPK）、同时施用石灰和化学肥料（NPKL）以及同时施用石灰和秸秆（NPKS）。通过宏基因组测序技术评估了微生物分类和功能组成对石灰和秸秆处理的响应。结果表明，与NPK处理相比，施用石灰显著提高了土壤pH值，从5.4升至6.1。相比之下，返还秸秆并未提高土壤pH值，但增强了土壤的pH缓冲能力，从13.3 mmol kg?1 pH?1提高至20.9 mmol kg?1 pH?1。石灰未影响Shannon指数和Simpson指数，但显著改变了微生物的分类和功能基因组成。施用石灰显著增加了Proteobacteria和Gematimonadetes的相对丰度，同时降低了Actinobacteria和Acidobacteria的相对丰度。此外，石灰通过增加与氮相关的功能基因（如反硝化相关基因narG、nirK、nosZ以及氨化相关基因cynA、ureC等）的丰度，改变了微生物的功能基因组成。返还秸秆略微增加了土壤有机质和氮含量，但未改变微生物的分类或功能组成。Mantel检验显示，微生物的分类和功能基因组成与土壤pH值之间存在显著相关性。施用石灰能迅速改善土壤酸度并促进关键的氮循环过程，而返还秸秆则有助于增加土壤有机质和长期pH缓冲能力。因此，我们的田间研究为优化酸化农业生态系统中的土壤健康管理策略提供了机制框架。

施用石灰和返还秸秆被认为是缓解土壤酸化的有效管理措施。然而，石灰和秸秆返还对微生物多样性、群落组成以及氮循环功能的影响仍尚未得到充分研究。我们进行了为期六年的田间实验，设置了四种处理方式：不施用肥料（NF）、施用化学肥料（NPK）、同时施用石灰和化学肥料（NPKL）以及同时施用石灰和秸秆（NPKS）。通过宏基因组测序技术评估了微生物分类和功能组成对石灰和秸秆处理的响应。结果表明，与NPK处理相比，施用石灰显著提高了土壤pH值，从5.4升至6.1。相比之下，返还秸秆并未提高土壤pH值，但增强了土壤的pH缓冲能力，从13.3 mmol kg?1 pH?1提高至20.9 mmol kg?1。石灰未影响Shannon指数和Simpson指数，但显著改变了微生物的分类和功能基因组成。施用石灰显著增加了Proteobacteria和Gematimonadetes的相对丰度，同时降低了Actinobacteria和Acidobacteria的相对丰度。此外，石灰通过增加与氮相关的功能基因（如反硝化相关基因narG、nirK、nosZ以及氨化相关基因cynA、ureC等）的丰度，改变了微生物的功能基因组成。返还秸秆略微增加了土壤有机质和氮含量，但未改变微生物的分类或功能组成。Mantel检验显示，微生物的分类和功能基因组成与土壤pH值之间存在显著相关性。施用石灰能迅速改善土壤酸度并促进关键的氮循环过程，而返还秸秆则有助于增加土壤有机质和长期pH缓冲能力。因此，我们的田间研究为优化酸化农业生态系统中的土壤健康管理策略提供了机制框架。