不同水分含量下黑土硝化反硝化微生物群落结构的变化

【目的】阐明土壤水分含量的变化对土壤硝化与反硝化微生物数量的影响,揭示土壤微生物群落结构对土壤水分含量的响应规律,为黑土区农田合理水分管理提供参考。【方法】依托长期定位试验平台,采集典型黑土区表层土壤样品进行室内微宇宙试验,设置4个土壤水分含量梯度(40%WHC、60%WHC、80%WHC和100%WHC)模拟土壤湿度环境,土壤样品在(25±1)℃下连续培养7天后,采用实时荧光定量q-PCR和高通量测序技术,分析黑土硝化与反硝化微生物数量,揭示不同土壤水分含量下黑土微生物群落结构的变化规律。【结果】土壤水分对农田黑土硝化与反硝化微生物数量影响显著。硝化微生物AOA基因拷贝数在60%WHC下最低,随着土壤水分含量的升高而显著增加(P<0.05)。AOB基因拷贝数变化随土壤水分状况的变化由多到少依次为100%WHC、60%WHC、80%WHC和40%WHC。反硝化微生物nirS和nosZ基因拷贝数均随土壤含水量的升高而增加,在土壤含水量为100%WHC条件下均达到最高值,分别是40%WHC条件下的38和2.7倍。高通量测序及分析结果表明,不同土壤水分状况下土壤微生物群落结构发生明显分异,微生物物种组间差异分析发现,不同土壤水分状况微生物群落组成差异显著,80%WHC处理条件下土壤微生物群落的物种丰富度和多样性较高,而100%WHC处理条件下土壤微生物群落的多样性较低。低土壤水分(40%WHC和60%WHC)状况下土壤中的优势微生物属为难培养的RB41和硝化螺菌(Nitrospira),高土壤水分(80%WHC和100%WHC)状况下为根瘤杆菌(Rhizobacter)、假单胞菌(Pseudomonas)和黄色土源菌(Flavisolibacter)。土壤水分含量与优势微生物类群的相关分析结果表明,变形菌门(Proteobacteria)与土壤水分含量呈现极强的正相关关系,根瘤杆菌属和假单胞菌属与土壤水分含量呈显著正相关关系。【结论】较低的土壤水分含量增加硝化微生物丰度,而较高特别是饱和土壤水分状况下可显著提高反硝化微生物nirS和nosZ的丰度,土壤水分含量的升高通过增加反硝化nosZ相关微生物的丰度进一步促进N2O还原成N2。土壤水分含量改变了农田黑土的优势微生物类群。硝化螺菌属与土壤水分含量呈现负相关关系,而根瘤杆菌属和假单胞菌属则与土壤水分含量呈现极强的正相关关系,在高土壤水分含量条件下反硝化作用被进一步促进。