科研 | FEMS Microbiol. Ecol.：长期传统和有机农业条件下模拟干旱对土壤质量、微生物多样性和作物产量的影响
编译：思敏如月，编辑：小菌菌、江舜尧。
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土壤微生物在土壤功能和生态服务过程中至关重要。极度干旱和密集农作措施等非生物因素影响土壤微生物群落的丰度、多样性和功能。在欧洲南部和中部，极度干旱导致夏季降雨减少。干旱对土壤生物功能等的影响依赖于多重因素，如干旱频率、时间和密集度；此外，干旱效应也受土壤和作物管理方式的影响。其中，在有机农田和传统农田中，干旱对土壤微生物群落的影响成为研究热点。为了探明有机农田和传统农田对干旱效应的影响，研究者以种植小麦的长期定位试验站为研究靶区，设置不同处理，分析了土壤微生物群落多样性和结构；分析了土壤理化性质和小麦生物量；对土壤微生物（AMF）、小麦生物量和土壤理化指标进行相关性分析。研究者提出如下假设：1有机农田土壤含水量高于传统农田；2在传统农田中，干旱改变微生物呼吸、多样性和群落组成；3在传统农田中，干旱对植物生长具有消极作用。研究结果符合以上3个假设。本研究的开展对深入认识干旱在农田系统中的效应具有指导作用，同时更好的认识了AMF对干旱的响应规律。但是，由于AMF在植物生长过程中的重要性，有关AMF在农田系统中的生态功能仍有待进一步探究。
论文ID
原名：Effects of simulated drought on biological soil quality, microbial diversity and yields under long-term conventional and organic agriculture
译名：长期传统和有机农业条件下模拟干旱对土壤质量、微生物多样性和作物产量的影响
期刊：FEMS Microbiology Ecology
IF：3.675
发表时间：2020.10
通信作者：Dominika Kundel
通信作者单位：瑞士有机农业研究所土壤科学系；德国康斯坦茨大学生物系生态学
实验设计
本文以位于瑞士、始建于1978年的长期定位试验站为研究靶区，试验区种植小麦。设置传统农田和有机农田，分别在两个农田系统中设置不同程度的干旱处理，即降水量减少至65%、有遮雨棚的对照和无遮雨棚的对照。在实验开始前，分别取0-10和10-20cm未扰动的土壤，分析当量浓度和田间持水量；实验组取表层20cm的土壤，测定土壤pH、总C、总N、总P、磷酸盐含量，总砂、黏土含量。分别在4（T1）、5（T2）和6（T3）月在上述取样点的临近点采集其他土壤作为对照，分析土壤理化性质和微生物丰度及多样性。新鲜的小麦植株烘干，测定生物量。通过Two-way ANOVA对小麦生物量、土壤理化性质和微生物群落进行相关性分析。
结果
1 土壤理化性质
与传统农田相比，有机农田具有较高的pH、总C和总N含量；伴随土壤持水量的升高，土壤当量浓度略有减少，土壤P和磷酸盐含量与之相反（Table S4）。降雨量减少65%时，土壤含水量显著下降（Fig. 2A）。在T2处理中，土壤含水量在有遮雨棚和无遮雨棚的处理中达到最高（Fig. 2B）。然而，土壤含水量在有遮雨棚的亚小区中仍然较高（Fig. 2A）。在T3处理中，土壤含水量临近T2（Fig. 2A）。在所有取样时间内，土壤含水量在有遮雨棚和无遮雨棚的处理中存在差异。在过度干旱中，土壤含水量在有机农田中高于传统农田，然而这样的结果只在T1和T2中显示（Fig. 2A）。
图2 干旱、取样时间和农田系统对土壤含水量的影响。
2 土壤基础呼吸和微生物生物量
土壤基础呼吸受农田系统、取样时间和干旱处理的影响（Fig. 3A）。在所有取样时间内，土壤基础呼吸在有机农田中高于传统农田；在T2处理中最高，在T3处理中最低。在有机农田和传统农田系统中，取样时间和干旱处理对细菌和真菌磷脂脂肪酸丰富度无影响（Fig. 3B, C）；然而，细菌和真菌的丰度受农田系统的影响，且在有机农田中高于传统农田（Fig. 3B, C）。研究结果表明取样时间、农田系统和干旱对AMF的丰度具有影响（Fig. 3D）。在有机农田中，AMF的丰度从T1到T3呈增加趋势；而在传统农田中，AMF的丰度降低（无遮雨棚的T2除外）。
图3 不同处理中土壤微生物群落的差异。A：土壤基础呼吸；B：细菌磷脂脂肪酸丰度；C：真菌磷脂脂肪酸丰度；D：AMF丰度。
本研究结果进一步发现，在所有处理中，细菌Proteobacteria, Bacteroidetes,Acidobacteria, Planctomycetes和Actinobacteria（Fig. 4A）、真菌Ascomycota, Mortierellomycota, Basidiomycota和Chytridiomycota（Fig. 4B）是优势物种。细菌多样性（Shannon指数）在T3中最高，在T2中最低（Fig. 5A）。不考虑干旱处理，细菌多样性在有机农田中高于传统农田（Fig. 5A）；真菌多样性不受实验因素的影响（Fig. 5B）。细菌和真菌群落组成受取样时间和农田系统的影响，但是不受干旱处理的影响（Table 1）。在T1和T2处理中，微生物群落具有相似性（Fig. 6）。被检测的12个土壤理化指标中，6个（土壤含水量、土壤持水量、土壤pH、总C、总N和表层杂草）与细菌和真菌群落结构具有较强的相关性（Table S7）。研究结果进一步发现，不同处理中细菌和真菌的指示物种组成存在差异。细菌中，53个OTU分布于有机农田中，它们隶属于Planctomycetaceae和Cytophagaceae；21个OTU分布于传统农田中，隶属于Acidobacteriaceae [Subgroup_1]和Solibacteraceae [Subgroup_3]。真菌中，5个指示物种分布于有机农田中，3个分布于传统农田中（Fig. 7A; Table S8-S10）。研究结果进一步显示了细菌和真菌群落组成对干旱处理的响应。在有机农田的有遮雨棚处理中，分别由1个细菌指示物种分布于T1和T3中（Fig. 7B）。在传统农田的有遮雨棚处理中，11个细菌指示物种分布于T2中。这些指示物种大部分属于Anaerolineaceae（Fig. 7B）。
图4 不同处理中，细菌（A）和真菌（B）门水平上物种的相对丰度。
图5 细菌（A）和真菌（B）Shannon指数在不同处理中的差异。
图6 细菌（A）和真菌（B）群落组成与环境因子相关性分析（db-RDA）。
图7 细菌和真菌指示物种在有机农田和传统农田中的分布规律（A）；细菌和真菌指示物种在干旱处理中的分布规律（B）。
3 小麦生长、产量和杂草覆盖
为了检测实验处理对生态服务功能的影响，我们分析了与植物相关的指标。总茎干重随时间的增加而增加，但是在干旱和农田系统中无变化（Fig. 8A）。在T1和T2之间，根的生物量增加，但是在T2和T3之间减少（Fig. 8B）。农田系统对根的生物量的影响仅在T1中被发现，根的生物量在有机农田中低于传统农田（Fig. 8C）。秸秆和谷物的产量在各农田系统中无差异（Table 2）。在T1和T2中，杂草覆盖度在有机农田中高于传统农田。干旱对杂草覆盖度无影响（Fig. S5）。
图8 总茎生物量（A）和总根生物量（B）在不同处理中的差异。
4 AMF丰度对小麦的影响
为了分析AMF对小麦生长的影响，研究分别构建了不同农田系统中的线性回归分析。研究结果表明，无论在有机农田还是传统农田中，AMF的丰度与小麦总茎生物量、高度、谷物和秸秆产量均无相关性（Table S11）。
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