1、滩涂土壤固氮菌群落与环境因子的典范对应分析 蔡树美 1,2,3, 徐四新 1,2,3, 张翰林 1,2,3, 张德闪 1,2,3, 吕卫光 1,2,3, 诸海焘 1,2,3*(1.上海市农业科学院生态环境保护研究所, 上海 201403; 2.上海市设施园艺技术重点实验室, 上海 201403; 3.农业部上海农业环境与耕地保护科学观测实验站 , 上海 201403)摘要：选择连续 4 年进行水稻-紫云英轮作的田块，在 0-10cm、10-20cm 、20-40cm 和40-80cm 剖面深度分别采集土样，利用 PCR-DGGE 技术分析 水稻- 紫云英轮作对土壤不同剖面深度固氮菌 nifH
2、基因丰度与群落多样性的影响，并对固氮菌群落与 8 个环境因子进行了典范对应分析（Canonical Correspondence Analysis, CCA）。试验结果表明，水稻-紫云英轮作能提高滩涂土壤固氮菌的丰度和多样性。水稻-紫云英轮作处理 10-20cm 土壤剖面中固氮菌丰度最大，水稻-休闲处理 40-80cm 土壤剖面中的最小，其 Shannon-Weaver 多样性指数分别为 3.18 和 1.51。滩涂土壤环境因子中，总氮与铵态氮、EC 与速效磷、pH 与速效钾，两两之间的相关性最高；CCA 排序图表明土壤有机质、铵态氮和速效磷是影响滩涂土壤固氮菌群落的主要因子。关键词：滩涂盐碱
3、地；nifH 基因；PCR-DGGE；典范对应分析中图分类号：S154.3 文献标识码：A 文章编号：我国耕地资源紧缺，滩涂是重要的后备土地资源，有着巨大的开发潜力和利用价值。然而滩涂土壤并非农用耕地，恶劣的滩涂生态环境仍是制约人们更深层次利用这片资源的瓶颈。其限制因子主要包括土壤结构差、含盐量高、有机质和全氮含量低等问题 1-3。因此，如何合理利用和开发这片极具价值的土壤后备资源，已经成为缓解当前农业用地日益紧缺矛盾、助推农业可持续发展的难点之一。面对滩涂资源生态不断恶化的现实，以生物利用为核心的生物改良技术近年来日趋受到重视。通过紫云英等绿肥种植和农田耕翻轮作等模式，提升土壤有机质、增加碳
4、汇、培肥地力，已经成为近年来滩涂土壤生物改良的新趋势。目前对滩涂紫云英-水稻轮作生物改良技术的研究，大多集中在土壤类型、水分、施肥、植被等非微生物学因素方面 4-8，而对于滩涂土壤中微生物种群结构变化，在土壤改良中微生物和改良行为之间交互影响的微生物学因素的研究鲜有报道，对滩涂土壤特殊生理类群微生物群落结构影响的了解甚少，制约了滩涂土壤土地利用效率和土壤改良效率的提高。目前对滩涂紫云英-水稻轮作生物改良技术的试验研究，大多集中在土壤类型、水分、施肥、植被等非微生物学因素方面 4-8，对固氮菌群落结构和多样性等微生物学因素方面的野外试验研究相对较少。虽有报道显示紫云英- 水稻轮作能提高根际土壤和
5、水稻根内生微生物多样性 9-10，但对紫云英-水稻轮作生物基金项目：上海市市级农口系统青年人才成长计划（沪农青字 2015 第 1-21 号），科技部星火计划（2015GA680001），上海市科委成果转化项目（153919N0402），崇明县科技攻关项目（CKS2016-02），上海市科技兴农推广项目（沪农科推字 2015第 2-2 号）资助。* 通讯作者（ ）作者简介：蔡树美（1984），女，江苏溧阳人，博士，助理研究员副研究员，主要从事植物营养与环境的研究。E-mail: 改良行为下滩涂土壤特殊生理类群微生物群落结构的响应机制仍不清楚，制约了滩涂土壤土地利用效率和土壤改良效率的提高。本研
6、究通过分析紫云英- 水稻轮作模式对滩涂土壤固氮菌群落结构和土壤环境因子的影响，并通过土壤固氮菌群落结构和土壤环境因子的相关性分析，比较固氮菌群落和土壤环境环境对紫云英- 水稻轮作模式的响应，为滩涂盐碱地的生物改良技术提供参考。1 材料与方法1.1 试验区概况试验于 2011 年 10 月至 2015 年 6 月在上海崇明岛东滩优质水稻种植功能区进行（E12151，N 3136）。该区域位于上海崇明东滩上实现代农业园区范围内，属北亚热带季风海洋性气候，四季分明，日照充分，雨量充沛，气候温暖湿润，年平均气温 15.3 ，年均降水量 1022 mm。该区域位于上海崇明东滩上实现代农业园区范围内，属北
7、亚热带季风海洋性气候，年均日照时数 2104 小时，日照百分率 47%，全年无霜期 229 天，平均气温 15.3，年均降水量 1022 mm。由于园区内土地开垦期较短，土壤盐碱较重，肥力不足，故通过播种水稻、水稻-绿肥轮作等方式进行洗盐改造，以取得优质高产、高效。由于园区位处新近形成的潮滩湿地，1990 年才开始进行大面积围垦，土壤普遍存在盐碱较重、肥力偏低等问题。在前期对 200 份土壤样品的调查数据中发现，pH7.5 的土壤占比95.5%，其中 pH8.5 的碱性土壤占比 24.0%；盐分1g/kg 的土壤占比 77.5%，部分土壤盐分含量高达 6g/kg 以上；有机质含量 TNpHNH
8、 4OAC-KECNO3-N。图 2 固氮菌多样性与土壤环境因子的 CCA 二维排序图Fig. 2 Two dimensional ordinations diagram of canonical correspondence analysis of nitrogen microbial diversity and environmental variables3 讨论固氮菌是一类植物根际促生细菌，不仅具有固氮、溶磷、解钾等作用，还能分泌植物生长激素、抗生素类物质，促进植物生长，在维持农田生态系统健康稳定、物质转换和能量流动等方面发挥着重要作用 1517-1618。作为生态系统中一类重要的功能
9、菌群，固氮菌的分布特征和数量通常与土壤氮、碳循环密切相关，直接影响土壤肥力。Poly 等 19-20借助RFLP-PCR 技术研究了植被覆盖、土壤的管理制度以及土壤理化性质对 nifH 基因群落结构的影响，通过主成分分析发现管理制度是影响土壤 nifH 基因多样性的主因，理化性质和植被覆盖的影响次之。Poly 等 17借助土壤 nifH 基因多样性研究， 发现影响土壤 nifH 基因多样性的主要原因有三种，即植被覆盖、土壤的管理制度以及土壤的理化性质。其中，管理制度是主因，理化性质为第二因素。李刚 等 18在呼伦贝尔沙地不同植被恢复模式下研究发现速效磷、全磷、全氮和硝态氮对固氮微生物区系的影响
10、均达到显著，土壤固氮微生物种群和结构也存在差异，植被恢复不同程度地增加了土壤的养分含量，提高了土壤中固氮微生物的多样性。Bannert 等 1922运用定量 PCR 和 T-RFLP 技术研究了中国浙江慈溪地区潮滩湿地与水稻田土壤固氮菌数量和结构的多样性差异，结果表明，土壤 pH 的改变使得 50 年龄水稻田的固氮菌数量比潮滩湿地大大增加。尽管固氮菌在不同生境中的群落结构及其多样性成为近年来国际上的研究热点，但在滩涂绿肥水稻轮作这一特殊生境中固氮菌的相关研究还未见报道，对滩涂土壤绿肥-水稻轮作改良过程中固氮菌的分布和变化特征了解甚少，对其适应和响应机制的研究尚有待深入。本研究以滩涂土壤为研究对
11、象，分析了滩涂紫云英- 水稻轮作这一特殊生境中土壤剖面理化性质、固氮菌群落结构的变化及它们之间的关系，初步探讨了固氮菌群落在紫云英-水稻轮作过程中对滩涂土壤改良所起到的作用。研究结果表明，经过 4 年的连续紫云英-水稻轮作改良，土壤的理化性质得到了一定的提高，土壤的有机质含量增加、电导率和 pH降低。受土壤理化性质改善的影响，土壤固氮菌群落也有了积极的响应，生物量及多样性增加，能够促进土壤氮素循环、活化土壤养分、提高土壤肥力和营养元素有效性，确保作物健康生长。因此，在固氮菌的根际促生调节功能下，通过紫云英-水稻轮作，土壤环境得到明显的改良，而土质的改良又能稳定固氮菌的群落结构，提高土壤-作物-
12、 微生物之间的协同互作作用。已有对不同生态系统土壤中固氮菌群落结构组成的研究显示，环境因子和种植制度对固氮菌群落结构存在影响。相关研究表明通过种植绿肥来改良滩涂，可以疏松土壤，减轻板结，增强土壤透水透气性，减少表面土壤的积盐，功能微生物的根际活动可以激活土壤中 CaCO3 并加速其溶解，从而改善土壤理化性质并加速土壤脱盐 2023-2124。紫云英- 水稻轮作由于改良措施成本低、对环境扰动小、改良效果显著的特征而被广泛应用于滩涂盐碱地生态修复工程中。在本研究中，不同轮作方式对滩涂土壤环境有着不同的改良效果，对比水稻- 休闲方式，水稻-紫云英轮作对 10-20cm 土壤剖面中电导率、pH、固氮菌
13、群落的改善作用最为显著。两种轮作方式下，土壤固氮菌群落结构受环境因子变化的影响有较大差异，不同土壤剖面深度的固氮菌群落结构也因受环境因子影响不同而存在差异。对土壤固氮菌群落影响较大的主要环境因子为有机质、铵态氮和速效磷。4 结论（1）滩涂改良过程中土壤理化性质变化规律存在着一定差异。其中，总氮和铵态氮的相关性最高，与 pH、有机质的相关性次之； EC 与速效磷、硝态氮之间的相关性较高；pH 与速效钾的典型相关性高于其他土壤环境因子。（2）水稻-紫云英轮作的土壤固氮菌丰富度指数高于水稻- 休闲，采用水稻-紫云英轮作方式更能提高滩涂土壤 0-10cm 和 10-20cm 剖面中固氮菌的 Shann
14、on-Weaver 多样性指数及其均匀度。（3）典范对应分析表明，水稻-紫云英轮作方式与水稻休闲方式下，滩涂土壤固氮菌群落结构受环境因子变化的影响有较大差异，对土壤固氮菌群落影响较大的主要环境因子为有机质、铵态氮和速效磷。参考文献：1 王雨濛, 吴娟, 张安录. 我国耕地资源问题与实现有效保护的耕地补偿机制探讨J. 农业现代化研究, 2010, 31(1): 29-332 周健民. 我国耕地资源保护与地力提升J. 中国科学院院刊, 2013, 28(2): 263, 269-2733 姚荣江, 杨劲松, 陈小兵, 邹平, 赵秀芳 . 苏北海涂围垦区耕层土壤养分分级及其模糊综合评价J. 中国土壤
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25、f Microbiology, 2013, 63(4): 1619-1627Canonical correspondence analysis of relationship between characteristics of nitrogen-fixing microbes community and environmental factors in mudflat soilCAI Shu-mei1,2,3, XU Si-xin1,2,3, ZHANG Han-lin1,2,3, ZHANG De-shan1,2,3, LV Wei-Guang1,2,3, ZHU Hai-tao1,2,3
26、*(1.Institute of Eco-Environment and Plant Protection, Shanghai Academy of Agricultural Science, Shanghai 201403, China; 2.Shanghai Key Laboratory of Protected Horticultural Technology, Shanghai 201403, China; 3.Shanghai Scientific Observation and Experimental Station for Agricultural Environment an
27、d Land Conservation, Shanghai 201403, China)Abstract: In order to study the characteristics of soil nitrogen-fixing microbial communities, rice- milk vetch rotation was conducted for 4 consecutive years in mudflat soil, nifH gene abundance and community diversity on different soil profile depth (0-1
28、0cm、10-20cm、20-40cm、40-80cm) were investigated by PCR-DGGE. After Canonical Correspondence Analysis (CCA), the results showed that rice- milk vetch rotation can increase the richness and diversity index of nitrogen-fixing microbes in mudflat soil. Treatment of rice- milk vetch rotation on 10-20cm so
29、il profile had the highest abundance and diversity index of nitrogen-fixing microbes, while the treatment of rice-fallow on 10-20 cm soil profile the lowest, with the Shannon-Weaver diversity index of 3.18 and 1.51, respectively. High Correlation coefficient were observed on pairwise comparison of t
30、otal nitrogen and ammonium nitrogen, EC and available P, pH and available K, among all the environmental factors, whereas CCA ordination explained preferably that soil organic matter, ammonium nitrogen and available phosphorus were the main factors affecting nitrogen-fixing microbial communities in mudflat soil.Keywords: Mudflat Soil, nifH Gene, PCR-DGGE, Canonical Correspondence Analysis
