2024, Vol. 44文章信息
- 谢祎, 闫元元, 田兴武, 曲继松, 张丽娟, 朱倩楠, 赵军, 张金波, 蔡祖聪, 黄新琦
- XIE Yi, YAN Yuanyuan, TIAN Xingwu, QU Jisong, ZHANG Lijuan, ZHU Qiannan, ZHAO Jun, ZHANG Jinbo, CAI Zucong, HUANG Xinqi
- 宁夏设施栽培对土壤真菌群落结构和功能的影响
- Effects of facility cultivation on soil fungal community structure and function in Ningxia
- 生态学报. 2024, 44(18): 8383-8396
- Acta Ecologica Sinica. 2024, 44(18): 8383-8396
- http://dx.doi.org/10.20103/j.stxb.202402200360
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文章历史
- 收稿日期: 2024-02-22
- 网络出版日期: 2024-07-17
2. 宁夏农林科学院园艺研究所, 银川 750002;
3. 宁夏吴忠国家农业科技园区管理委员会, 吴忠 751199;
4. 江苏省土壤利用与农业可持续发展工程研究中心, 南京 210023;
5. 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心, 南京 210023
2. Institute of Horticulture, Ningxia Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Yinchuan 750002, China;
3. Ningxia Wuzhong National Agricultural Science and Technology Park Management Committee, Wuzhong 751199, China;
4. Jiangsu Engineering Research Center for Soil Utilization & Sustainable Agriculture, Nanjing 210023, China;
5. Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Resource Development and Application, Nanjing 210023, China
设施栽培是一种人为创造适宜的作物生长环境, 以减小气候条件限制, 从而实现稳定高产的现代农业生产方式。我国自20世纪50年代开始探索设施栽培技术, 90年代后快速发展, 到2020年为止我国设施栽培总面积已突破400万hm2[1]。我国宁夏地区全年日照充足, 昼夜温差大, 夏季气候凉爽, 具有发展设施蔬菜的天然优势。截至2019年底, 宁夏全区蔬菜生产总面积19.79万hm2, 设施蔬菜生产总面积达1.9万hm2, 建成规模化基地779个, 是农业农村部规划确定的黄土高原夏秋蔬菜和设施农业优势生产区[2]。然而, 高强度集约化的生产模式和不合理的养分管理导致设施栽培土壤普遍快速退化, 土壤次生盐渍化、酸化、养分失衡、土传病害高发等一系列问题接踵而至, 成为了限制设施农业可持续生产的重大问题[3]。
土壤真菌是全球生物多样性的重要组成部分, 在农业生态系统中发挥着至关重要的作用, 例如驱动土壤养分循环、介导植物矿质养分吸收、加强土壤团聚体稳定、缓解其他生物的养分限制和促进植物生长等[4—7]。研究表明, 土壤真菌在稳定生态系统多界互作网络方面扮演着“桥梁”的作用[8], 土壤真菌多样性对植物生态系统稳定性起到重要的贡献[9]。土壤真菌群落结构和功能作为土壤生态健康的重要指标, 往往受到土壤环境的深刻影响, 以往研究发现土地利用方式和强度的变化会引起土壤真菌群落的多样性、组成结构和功能多样性的变化[10]。Romdhane等[11]通过不同土地利用强度的长期田间试验发现, 土壤真菌群落的组成和结构因土地利用方式不同而存在显著差异, 耕地和多年生草地间的土壤真菌显著聚类成不同的组, 一些特定分类群区分了两种土地利用类型。裴广廷等[12]利用高通量测序技术发现, 人为干扰显著改变了喀斯特草地土壤真菌群落结构, 且人为干扰强度与土壤真菌α多样性呈负相关关系。孙文庆等[13]利用PCR-DGGE技术发现, 番茄连作土壤中一些真菌类群随种植时间逐渐富集, 导致土壤微生物群落结构失衡, 有益微生物数量下降, 病原菌大量滋生, 极大削弱了番茄抗病相关功能。
尽管真菌在土壤生态系统中发挥着重要的作用, 当前对于设施栽培这一现代农业生产方式对土壤真菌群落结构及其功能的影响仍不明确。近年来有关设施栽培对土壤性质的影响相关研究多聚焦于土壤理化性质和细菌群落的变化中, 对设施栽培土壤中真菌群落结构特别是真菌群落功能的变化关注相对较低, 如Dang等[14]应用16SrRNA测序技术和土壤养分测定对连作设施番茄土壤研究发现, 长期的设施番茄连作显著改变了根际细菌群落结构, 细菌群落随土壤理化性质的变化发生协同变化, 其中氮和磷是驱动细菌群落变异的主要因素；Li等[15]应用Illumina高通量测序技术对多年黄瓜连作设施土壤研究发现, 土壤细菌优势属相对丰度大多呈现先增加后下降的趋势, 细菌群落多样性随种植年限逐渐降低同时伴随细菌群落功能多样性减少；孔晨晨等[16]研究发现设施土壤有机碳含量随连作种植年限先增后减, 同时连作降低了设施土壤细菌的多样性, 增加了细菌群落种群间差异。厘清设施栽培对土壤真菌群落结构和相关功能的影响以及引起土壤真菌群落转变的驱动因素, 对于明确快速发展的设施栽培模式如何影响土壤生态系统功能、揭示设施土壤退化机制等具有重大意义。本研究以宁夏回族自治区设施土壤为研究对象, 采样地临近的露天大田土壤作为对照, 采用高通量测序技术结合FUNGuild工具, 探讨高强度人为干扰下的集约化设施栽培对土壤真菌群落结构和功能的影响, 揭示设施土壤退化在真菌群落层面的原因, 以期为设施土壤可持续利用提供理论支撑, 促进设施农业可持续发展。
1 材料与方法 1.1 研究区概况研究区位于宁夏回族自治区吴忠市、银川市、中卫市(37°53′—38°45′N, 105°21′—107°32′E), 地处我国西北内陆干旱半干旱地区, 属典型的大陆性气候, 干旱少雨, 蒸发强烈, 年均蒸发量1100—1600mm, 降水量180—200mm。区内日照充足, 温差较大, 无霜期长达164d, 年均温8—9℃。主要土壤类型有灰钙土、新积土、灌淤土和风沙土。
1.2 实验设计与土壤样品采集以研究区6个设施蔬菜集约种植区为调查对象, 分别分布在吴忠市红寺堡区(HSP)、利通区(LT)、盐池县(YC)、中卫市沙坡头区(SPT)、青铜峡市(QTX)和银川市兴庆区(XQ)。每个采样点以种植年限3年以上主栽作物为番茄或黄瓜(一年两熟至三熟)的设施蔬菜大棚(Greenhouse, GH)为研究对象, 以临近种植小麦或玉米(一年一熟或两熟)的传统露天大田(Open field, OF)为对照, 使用直径2.5cm的不锈钢土钻采集作物根周(0—5cm)土壤, 采样深度0—20cm, 每个田块中按照S形布点法采集6个土芯混合为1个土壤样品。土壤样品装在无菌自封塑料袋中密封, 使用冰袋冷藏并尽快带回实验室。在6个研究区内, 大致按照设施土壤比大田土壤3∶1的原则采集土壤样品, 共采集了52个设施大棚样品, 15个露天大田样品, 具体采样分布见表 1。采集好的土壤样品去除动植物残体和石块等杂质后, 研磨过2mm筛。过筛后的样品充分混匀, 一部分保存于4℃用于土壤理化性质测定, 一部分保存于-80℃用于土壤DNA提取。
| 编号 Sampling point number |
采样点 Sampling point |
经度 Longitude |
纬度 Latitude |
土壤类型 Soil type |
样本数量Sample size | |
| 设施 Greenhouse |
大田 Open field |
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| HSP | 吴忠市红寺堡区 | 106°14′E | 37°32′N | 浅灰钙土 | 13 | 2 |
| LT | 吴忠市利通区 | 106°07′E | 37°53′N | 浅灰钙土 | 6 | 3 |
| YC | 吴忠市盐池县 | 107°19′E | 37°48′N | 新积土 | 9 | 2 |
| SPT | 中卫市沙坡头区 | 105°12′E | 37°32′N | 灌淤土 | 15 | 5 |
| QTX | 青铜峡市 | 106°05′E | 38°08′N | 灌淤土 | 3 | 1 |
| XQ | 银川市兴庆区 | 106°24′E | 38°27′N | 灌淤土 | 6 | 2 |
| 大田：露天大田土壤；设施：设施大棚土壤 | ||||||
土壤pH值按照土水比1：2.5(m/v)浸提后采用S220K pH仪(Metter, Switzerland)测定。土壤电导率(Electrical conductivity, EC)按照土水比1：5(m/v)浸提后采用DDS-320电导率仪(Dapu, China)测定。土壤有机质(Soil organic matter, SOM)、速效磷(Available phosphorus, AP)、速效钾(Available potassium, AK)分别参照《土壤农业化学分析方法》[17]中的H2SO4-K2Cr2O7湿烧法、0.5mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法、1mol/L乙酸铵浸提-火焰光度法进行测定。土壤铵态氮(Ammonium nitrogen, NH4+-N)和硝态氮(Nitrate nitrogen, NO3--N)使用1mol/L KCl溶液按照土比溶液1∶5(m∶v)进行浸提后使用流动分析仪(Skalar San++, Breda, The Netherlands)测定其含量。采样点气候数据来源于WorldClim平台(https://www.WorldClim)。
1.3.2 土壤DNA提取及土壤真菌数量测定称取0.5g土壤样品(-80℃保存), 采用FastDNA® SPIN Kit(MP Biomedicals, USA)试剂盒提取土壤DNA。提取的DNA样品通过DS-11 Spectrophotometer(Denovix INC, DE, USA)测定浓度和纯度, 检测完成后置于-20℃冰箱保存待用。采用QuanStudio3实时荧光定量PCR仪(Applied Biosystems, USA)测定土壤中真菌数量, 扩增反应体系为：2μL土壤DNA、10μL SYBR Green premix Taq (2×, Takara, 中国大连)、6μL无菌水、正向和反向引物各1μL。扩增所用双向引物为：ITS1F(CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA)和ITS2R(GCTGCGTTCTTCATCGATGC)[18]；扩增条件及标准曲线构建参考Liu等[19]方法。
1.3.3 真菌扩增子测序采用通用引物ITS1F/ITS2R对真菌ITS1区域进行PCR扩增, 扩增条件参考Huang[20]等方法。扩增结束后使用AMPure XP Beads (Beckman Coulter, Brea, USA)回收试剂盒进行纯化, 并将等摩尔浓度的扩增子送至上海美吉生物医药科技有限公司的Illumina Miseq平台进行高通量测序。使用QIIME[21]软件对高通量测序数据进行处理与分析, 包括序列拼接、质控聚类和注释等。聚类采用pick_open_reference_otus.py命令在97%相似度水平上划分操作单元(Operational taxonomic unit, OTU), 注释使用UNITE数据库对真菌OTU进行物种注释。所有样本抽平至50329条序列, 共获得4852个真菌OTU。真菌群落α多样性通过alpha_diversity.py命令进行计算。
1.4 数据处理使用SPSS 25.0(SPSS Inc, Chicago, USA)和R(version 4.2.3)对数据进行统计分析和可视化。采用独立样本T检验配合单因素方差分析(One-way ANOVA)和LSD进行显著性差异分析和多重比较, 显著性水平设定为P＜0.05。基于OTU分布的Bary-Curtis距离矩阵使用“phyloseq”包进行主坐标分析(Principal coordinates analyses, PCoA)。使用“vegan”包对真菌群落与不同影响因子进行方差分解分析(Variation partitioning analysis, VPA), 并对真菌群落结构的差异进行置换多元方差分析(Permutational multivariate analysis of variance, PERMANOVA)。真菌组间OTU的Spearman相关性使用“psych”包计算, 并采用FDR(BH法)对P值进行矫正, 仅保留了相对丰度大于0.01%的OTU进行计算。真菌共现网络使用相关系数r＞0.5且P＜0.05的相关矩阵进行分析, 所得结果使用Gephi(0.9.2)软件进行可视化。设施大棚土壤和露天大田土壤网络结构稳定性通过鲁棒性(Robustness)和最大易损性(Max vulnerability)表征[22]。使用FunGuild工具对真菌营养类型及其功能类群进行分类注释[23], 通过与数据库比对, 可获得“极可能”、“很可能”、“可能”3个置信等级分类注释, 为避免过度解读真菌功能类群, 后续分析仅保留置信度为“极可能”和“很可能”的2个等级。采用R包“pheatmap”展示组间真菌功能类群组成差异。采用随机森林和线性回归分析各理化因子对真菌群落的贡献度。
2 结果与分析 2.1 设施栽培对土壤真菌丰度、Alpha多样性和Beta多样性的影响由图 1可以看出, 设施土壤与露天大田土壤相比, 真菌数量和丰富度指数差异不显著(P＞0.05), Pielou均匀度指数、Shannon多样性指数、平均最近分类单元距离和平均成对距离则分别显著降低了20.54%、21.92%、29.82%和16.35%(P＜0.01)。此外, 进一步分析发现不同地理位置和土壤类型中设施栽培引起的真菌群落α多样性下降趋势较为一致。
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| 图 1 设施与露天大田土壤真菌数量和alpha多样性 Fig. 1 Fungal population and alpha diversity in the greenhouse and open field soils 采用T-test检验设施土壤与露天大田土壤间各指标的差异显著性, ns表示无显著性差异, “**”和“***”分别表示P < 0.01和0.001 |
主坐标分析(Principal Coordinates Analysis, PCoA)结合置换多元方差分析(PERMANOVA)发现, 设施栽培模式和地理位置均对土壤真菌群落具有极显著(P＜0.001)影响, 同时两者之间还有极显著(P＜0.001)的交互作用, 表明不同地区设施栽培引起的土壤真菌群落结构变化具有差异(图 2)。由图 2方差分解分析(Variance Partitioning Analysis, VPA)结果可知, 不同利用模式、地理位置和土壤理化性质对土壤真菌群落结构总的解释度分别为6.80%、13.37%和11.70%, 利用模式与理化性质共有解释度为4.10%, 地理位置差异对土壤真菌群落结构具有最高的解释度。
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| 图 2 土壤真菌群落结构主坐标分析(PCoA)和方差分解分析(VPA) Fig. 2 Principal coordinates analysis(PCoA) and variance partitioning analysis(VPA) of soil fungal community structure HSP: 吴忠市红寺堡区；LT：吴忠市利通区；YC：吴忠市盐池县；SPT：中卫市沙坡头区；QTX：青铜峡市；XQ：银川市兴庆区 |
所有土壤样本共获得了4852个真菌OTU, 属于15个门, 278个科, 521个属。根据图 3和图 4可知, 设施栽培显著改变了土壤真菌群落从门至OTU水平的组成。在门水平上, 所有土壤样本中子囊菌门(Ascomycota)、被孢霉门(Mortierellomycota)、担子菌门(Basidiomycota)是最主要的真菌门, 占真菌总数的88.89%, 且子囊菌门平均相对丰度最高, 占真菌总数74.43%。设施栽培显著改变了土壤真菌门的组成, 其中球囊菌门(Glomeromycota)和其他低丰度门(Others)相对丰度在设施土壤中显著降低(P＜0.05)；且不同地理位置设施栽培对土壤真菌门组成的影响表现出差异, 如壶菌门(Chytridiomycota)相对丰度在吴忠市红寺堡区设施土壤中较大田土壤显著增加, 而在盐池县设施土壤中较大田土壤显著降低(图 3)。
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| 图 3 设施与露天大田土壤真菌优势门和优势属相对丰度 Fig. 3 Relative abundance of dominant fungal phylum and genus between greenhouse and open fields 所有：所有土壤样本; OF：露天大田土壤; GH：设施大棚土壤; 其他：其他门或属；Ascomycota：子囊菌门; Mortierellomycota：被孢霉门; Basidiomycota：担子菌门; Chytridiomycota：壶菌门; Rozellomycota：罗兹菌门; Olpidiomycota：油壶菌门; Blastocladiomycota：芽枝霉门; Glomeromycota：球囊菌门; Chaetomium：毛壳菌属; Mortierella：被孢霉属; UC_f__Microascaceae：未鉴定小囊菌科; UC_k__Fungi：未鉴定真菌; Gibberella：赤霉菌属; UC_o__Sordariales：未鉴定粪壳菌目; Fusarium：镰刀菌属; Neocosmospora：新赤壳属; Aspergillus：曲霉属; UC_f__Pyronemataceae：未鉴定火丝菌科; UC_p__Chytridiomycota：未鉴定亚壶门; Coprinellus：鬼伞属; UC_c__Sordariomycetes：未鉴定粪壳菌纲; Gibellulopsis：Gibellulopsis属; Pseudombrophila：假雨盘菌属; Acremonium：枝顶孢霉属; Microascus：小囊菌属; Kernia：闭小囊菌属; Humicola：腐质霉属; 门水平保留了相对丰度大于2.00%的优势门, 相对丰度小于2.00%的门归为其他；属水平保留了相对丰度前20的优势属, 其余的属归为其他 |
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| 图 4 设施与露天大田土壤真菌OTU差异 Fig. 4 Differences in soil fungal OTU between the greenhouse and open field soils Microascaceae：小囊菌科；Emericellopsis：翅孢壳属；Acremonium：枝顶孢属；Sodiomyces：钠霉菌属；Chaetomiaceae：毛壳科；Metarhizium：绿僵菌属；Albifimbria：漆斑菌属；Stachybotrys：葡萄穗霉属；Schizothecium：裂壳菌属；Lasiosphaeriaceae：毛球菌科；Podospora：柄孢壳属；Alternaria：链格孢属；Talaromyces：篮状菌属；Titaea：Titaea属；Pyrenochaetopsis：拟棘壳孢属；Setophoma：棘壳孢菌属；Pyrenochaeta：须壳孢属；Sordariomycetes：未鉴定粪壳菌纲；Acaulium：无茎真菌属；GS13：未鉴定GS13纲；Ascobolus：粪盘菌属；Pezizales：未鉴定盘菌目；Stephanosporaceae：冠孢伞科；OTU差异系统发育进化树为设施与露天大田土壤间具有显著差异(P＜0.05)的真菌OTU, 叶片不同颜色表示显著富集的分组, 叶片大小与平均相对丰度成正比, 展示标签为相对丰度前50的OTU所在科或属 |
在属水平上, 所有土壤样本中闭小囊菌属(Kernia)、腐质霉属(Humicola)、小囊菌属(Microascus)、镰刀菌属(Fusarium)、新赤壳属(Neocosmospora)等优势属相对丰度在设施土壤中显著高于大田土壤(P＜0.05), 赤霉菌属(Gibberella)、鬼伞属(Coprinellus)等相对丰度在设施土壤中显著低于大田土壤(P＜0.05)。设施栽培对土壤真菌优势属组成的影响也表现出地区化差异, 如镰刀菌属在吴忠市红寺堡区设施土壤中较大田土壤相对丰度显著增加, 而在中卫市沙坡头区设施土壤中则表现相反(图 3)。
在OTU水平上, 所有土壤样本中设施和大田土壤独特真菌OTU占比分别为62.17%和44.29%, 其中有220个OTU相对丰度在设施土壤和大田土壤间表现出显著性差异(P＜0.05), 且差异OTU多在设施土壤中富集(63.64%)(图 4)。
2.3 设施栽培对土壤真菌互作网络及其稳定性的影响为解析设施栽培对土壤真菌群落间互作关系的影响, 分别构建了设施土壤和露天大田土壤真菌共现网络, 并通过计算鲁棒性和最大易损性评估网络稳定性。根据表 2和图 5结果可知, 设施栽培降低了土壤真菌网络的复杂性, 与大田土壤真菌网络相比, 设施土壤真菌网络的节点数、边数、直径、平均度、平均路径长度、聚类系数和模块化程度分别降低了30.20%、79.68%、45.57%、70.89%、37.26%、47.43%和10.00%；在随机移除50%节点时设施土壤真菌网络鲁棒性较大田土壤极显著降低了43.75%(P＜0.001), 设施土壤真菌网络的最大易损性较大田土壤真菌网络高72.51%。以上结果表明设施栽培降低了土壤真菌群落网络的复杂性, 削弱了网络稳定性。
| 土壤类型 Soil type |
节点数 Nodes |
边数 Edges |
直径 Diameter |
平均度 Average degree |
平均路径长度 Average path length |
聚类系数 Clustering coefficient |
模块化程度 Modularity |
| 大田土壤Open field soil | 1063 | 16963 | 11.184 | 31.915 | 3.772 | 0.813 | 0.680 |
| 设施土壤Greenhouse soil | 742 | 3447 | 6.088 | 9.291 | 2.367 | 0.428 | 0.612 |
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| 图 5 设施与露天大田土壤真菌群落共现网络分析及网络结构稳定性评估 Fig. 5 Co-occurrence network analysis and network structure stability assessment of fungal communities in the greenhouse and open field soils Ascomycota：子囊菌门；Basidiomycota：担子菌门；Chytridiomycota：壶菌门；Blastocladiomycota：芽枝霉门；Unclassified__Fungi：未鉴定真菌；Mortierellomycota：被孢霉门；Glomeromycota：球囊菌门；Rozellomycota：罗兹菌门；Zoopagomycota：捕虫霉门；其他：其他门；误差线表示标准误, “***”表示经T-test检验显著性P＜0.001 |
根据图 6可知, 设施栽培显著改变了土壤真菌功能类群的组成与结构。利用FUNGuild工具共检测到97种真菌功能类群和7种营养模式, 通过主坐标分析和置换多元方差分析发现, 种植模式和地理位置极显著(P＜0.001)影响土壤真菌功能类群结构(图 6)。
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| 图 6 设施与露天大田土壤真菌功能类群的主坐标分析(PCoA)及不同营养模式真菌相对丰度差异 Fig. 6 Principal coordinates analysis (PCoA) of soil fungal functional guild composition and their differences in relative abundance between the greenhouse and open field soils 热图展示21种在设施和露天大田土壤间存在显著差异(P＜0.05)的功能类群；采用T-test检验设施土壤与露天大田土壤间真菌不同营养模式和功能类群相对丰度的差异显著性, 空白和“ns”表示无显著性差异, “*”、“**”和“***”分别表示P＜0.05、0.01和0.001, 误差线表示标准误 |
对比设施土壤和露天大田土壤不同营养模式真菌相对丰度, 发现设施土壤中病理营养型、共生营养型和病理-腐生营养型真菌较大田土壤相对丰度分别显著降低了55.02%、60.82%和72.28%(P＜0.05), 病理-腐生-共生营养型真菌则显著增加了169.54%(P＜0.05)(图 6)。
对所有设施土壤和露天大田土壤真菌功能类群相对丰度进行显著性检验发现, 21种功能类群存在显著差异(P＜0.05), 植物病原菌-木质腐生真菌、植物腐生菌-木质腐生真菌、土壤腐生真菌等8种类群在设施土壤中显著富集；动物病原菌-真菌寄生菌-未定义腐生真菌、真菌寄生菌-土壤腐生菌-未定义腐生菌-木质腐生真菌、丛枝菌根真菌等13种功能类群显著在大田土壤中富集；不同地理位置设施栽培对土壤真菌功能类群组成的影响具有差异, 如内生菌-真菌寄生菌-植物病原菌在吴忠市利通区和青铜峡市大田土壤中较设施土壤显著富集, 而在银川市兴庆区则表现相反(图 6)。
2.5 环境因子对土壤真菌群落多样性的影响通过随机森林分析环境因子对所有土壤、设施土壤和大田土壤真菌群落α和β多样性的平均预测重要性。所有土壤样本中, AP、NO3--N、EC、MAT、pH、MAP和AK对真菌NMDS1值具有显著影响, NO3--N、AP和MAT对真菌Shannon多样性指数具有显著影响；大田土壤中, NO3--N、EC以及EC、NO3--N、pH分别对土壤真菌NMDS1值和Shannon多样性指数具有显著影响；设施土壤中, MAT、AK、MAP和AP对真菌群落NMDS1值具有显著影响, MAT、MAP对真菌Shannon多样性指数具有显著影响(图 7)。
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| 图 7 环境因子对设施与露天大田土壤真菌α和β多样性平均重要性随机森林预测 Fig. 7 Random forest prediction of the average importance of environmental factors on the soil fungal alpha and beta diversity in the greenhouse and open field soils EC：土壤电导率Electrical conductivity；SOM：土壤有机质Soil organic matter；AP：速效磷Available phosphorus；AK：速效钾Available potassium；NH4+-N：土壤铵态氮Ammonium nitrogen；NO3--N：硝态氮Nitrate nitrogen；MAT：年均温Average annual temperature；MAP：年均降水量Average annual precipitation；NMDS1：非度量多维排列Non-metric multidimensional scaling分析1轴结果；Shannon：Shannon多样性指数；随机森林环境因子变量重要程度显著性由“rfPermute”包计算得出, “*”、“**”分别表示P＜0.05、0.01 |
根据随机森林预测结果选择关键因子AP、NO3--N、MAT分别与设施土壤和露天大田土壤真菌NMDS1值、Shannon多样性指数进行相关性分析, 结果发现, AP与设施土壤真菌NMDS1值呈显著负相关关系(P＜0.01), NO3--N与露天大田土壤真菌NMDS1值和Shannon多样性指数呈显著(P＜0.05)负相关关系, MAT与设施土壤真菌NMDS1值呈显著(P＜0.05)负相关关系(图 8)。
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| 图 8 关键环境因子与设施和露天大田土壤真菌α和β多样性线性回归分析 Fig. 8 Linear regression analysis between key environmental factors and soil fungal α and β diversity in the greenhouse and open field soils r表示Pearson相关系数; 灰色条带表示95%置信区间 |
土壤微生物群落多样性被认为是衡量土壤多功能性和稳定性的重要指标, 较高的微生物多样性通常表现出更加稳定的土壤生态网络和更加多样化的功能[24—25]。同时, 微生物多样性对多功能性的影响是通过网络复杂性间接驱动的, 更高的微生物多样性可以通过确保微生物之间更大的关联复杂性来支持生态多功能性[26]。诸多研究表明, 土壤微生物丰度、多样性、组成结构和网络复杂性受到土地利用方式、利用强度、地理位置等条件的影响[27—30]。
在本研究中, 观察到设施土壤中真菌Pielou均匀度指数、Shannon多样性指数、平均最近分类单元距离和平均成对距离均显著低于大田土壤, 真菌数量在设施栽培土壤较露天大田土壤虽然无显著差异, 但总体表现为设施土壤真菌丰度高于露天大田土壤, 该结果与王凯莉等[31]的研究结果一致, 在达到一定种植年限后, 土壤真菌数量随种植年限逐渐增加而多样性逐渐降低。本研究中土壤真菌数量在设施和大田土壤中差异不显著可能是由于采集的设施栽培土壤样本种植年限差异导致的, 如刘莹莹等[32]发现, 设施栽培对土壤真菌数量的影响与种植年限有关, 设施栽培土壤真菌数量在种植10年时达到最低水平, 在种植12年后土壤真菌数量显著增加。进一步的, 通过共现网络分析发现, 尽管设施土壤拥有更多的真菌数量, 但设施土壤真菌网络复杂性和稳定性均低于大田土壤, 与真菌群落多样性的变化趋势一致, 该结果与Shi等[33]在细菌群落中的研究结果类似。
以上结果表明, 土壤真菌网络的复杂性和稳定性受到群落多样性的影响, 更高的群落多样性具有更加复杂且稳定的微生物网络, 该结果与张君红等[26]研究结果一致。因此设施栽培通过影响土壤真菌群落的多样性降低土壤真菌网络的复杂性和稳定性, 进而削弱了土壤生态系统的稳定性和多功能性。
3.2 设施栽培改变了土壤真菌群落及其功能类群的组成和结构众所周知, 土壤微生物群落组成及其多功能性对于维持土壤健康和生态功能至关重要[34—35]。土地利用方式将引起土壤微生物群落组成的变化, 进一步的也将影响土壤微生物功能类群的组成和结构变化。王喜英等[36]发现, 种植3年以上的设施菜地土壤nosZ型反硝化细菌丰度较露天菜地土壤显著降低；宋达成等[37]发现, 与耕地相比, 退耕显著改变了土壤中碳固定、氮代谢相关土壤微生物和功能基因丰度。本研究发现, 设施栽培显著改变了土壤真菌群落的组成和结构, 土壤真菌功能类群的组成和结构与真菌群落的变化类似。设施栽培显著增加了土壤中多级营养型(病理-腐生-共生)真菌和植物病原真菌相关功能类群相对丰度, 降低了土壤中单一病理营养型真菌和丛枝菌根真菌等共生营养型有益真菌的相对丰度；相对的, 土壤真菌群落组成的变化与之表现一致, 设施土壤中腐质霉属、镰刀菌属、新赤壳属等多级营养型植物病原菌相对丰度显著提高, 而球囊菌门这一有益共生营养型真菌相对丰度显著降低。球囊菌门中的真菌多被报道为有益的共生营养型真菌, 其中不乏大量的丛枝菌根真菌[38], 具有促进植物吸收氮、磷等营养元素, 增强植物对土传病害和干旱的抗逆性等功能[39]。设施土壤病原菌的富集和有益菌的减少与前人研究结果一致, 如蔡祖聪等[40]指出高强度的集约化设施栽培模式下, 土壤中病原微生物的逐渐积累, 有益微生物的减少, 将引致土传病害的爆发, 成为了制约设施农业可持续发展的重大难题。本研究中, 设施土壤单一病理营养型真菌的减少, 而更加稳定且难以杀灭的多级营养型病原菌的增加, 可能也是设施栽培土壤质量衰退的重要表现。
3.3 设施栽培改变了影响土壤真菌群落多样性的关键环境因子本研究发现, 土壤养分因子(速效磷、硝态氮)和气候因子(年均温)是所有土壤样本预测真菌群落α和β多样性变化的关键因子, 该结果与以往研究一致。Thormann[41]的研究表明, 养分和管理措施等对土壤真菌群落具有显著的影响；董炜灵[42]等发现, 土壤温度对土壤真菌群落结构具有显著影响。
同时, 本研究发现, 气候因子(年均温)是设施土壤真菌群落变化最重要的影响因素, 养分因子(硝态氮)则是大田土壤真菌群落变化最重要的影响因素。年均温的变化与设施土壤真菌β多样性呈显著相关关系, 土壤环境温度的变化对于土壤真菌群落的结构往往具有重要影响, 如Xiao等[43]通过大尺度下稻田土壤微生物β多样性的纬度分布格局研究, 发现微生物β多样性随着纬度的增加显著降低。然而, 设施栽培人为调控了土壤环境温度, 小区域范围内大气温度变化对设施土壤温度影响很小, 这一结果可能更多表明的是地理位置差异带来的土壤异质性和栽培管理方式差异对土壤真菌群落结构的影响, 该结果也与本研究中VPA分析发现地理位置差异对土壤真菌群落结构具有最高解释度的结果表现一致。土壤硝态氮含量与大田土壤真菌β多样性和Shannon多样性呈显著负相关关系。何睿橦等[44]的研究发现, 铵硝无机态氮的施用显著改变了真菌群落结构, 降低了真菌群落多样性, 该结果与其表现一致。同时, 本研究发现当土壤硝态氮含量增加到一定程度时, 土壤真菌群落多样性不再受其影响。设施土壤具有较高的硝态氮含量, 这也应是设施土壤真菌群落不受硝态氮影响的主要原因。
4 结论宁夏地区设施栽培显著降低了土壤真菌群落多样性和真菌网络的复杂性与稳定性, 改变了土壤真菌群落结构, 进一步的也改变了土壤真菌功能类群的组成和结构。主要表现为球囊菌门等有益菌和共生营养型真菌相对丰度降低, 镰刀菌属、腐质霉属、新赤壳属等多级营养型植物病原真菌相对丰度的增加。尽管设施栽培引起真菌群落α多样性下降的趋势在不同地区或土壤类型中较为一致, 但设施栽培所引起的土壤真菌群落组成、结构和功能变化具有地区化差异。设施栽培改变了影响土壤真菌群落多样性的关键环境因子, 年均温代表的土壤异质性和栽培管理方式差异是设施土壤真菌群落多样性最重要的影响因素, 而硝态氮代表的养分差异是大田土壤真群落多样性最重要的影响因素。在未来研究和设施生产实践中, 一方面应关注设施土壤病原菌富集和有益微生物减少的问题, 制定合理的生物调控措施以提升土壤生物肥力和健康；另一方面应明确具体种植管理措施对土壤生物健康的影响及其在不同土壤地区或土壤类型中的差异, 为完善区域化设施农业管理标准、保障当地设施农业可持续发展提供理论和技术支撑。
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