复合型治沙措施对土壤细菌群落结构及功能的影响

doi:10.11686/cyxb2023140

摘要/Abstract

摘要：

以流动沙丘地人工梭梭林土壤（Asd）为对照，选取尼龙网格沙障+人工梭梭林（Nn）和黏土沙障+人工梭梭林（Cy）2种复合型治沙措施区土壤为研究对象，采用Illumina高通量测序和PICRUSt2功能预测技术，探究复合型治沙措施对土壤细菌群落结构及功能的影响，并采用冗余分析解释影响土壤细菌群落及功能的主要理化因子。结果表明：1）2种复合型治沙措施区土壤细菌隶属于35门、90纲、172目、259科和436属。放线菌门、变形菌门和绿弯菌门是研究区土壤优势菌群，平均相对丰度累计达71.84%，其中放线菌门相对丰度最高，占32.16%~37.09%。Cy措施区土壤拟杆菌门和蓝藻菌门显著高于Asd样地（P<0.05）。2）2种措施区土壤细菌Chao1指数显著高于流动沙丘土壤（P<0.05），但主坐标分析显示，3组样地土壤细菌群落结构组成相似。3）在17个次级功能中，碳水化合物代谢功能等为土壤细菌的主要生态功能，且在治沙措施区表现出高度冗余特点。4）相较流动沙丘土壤，复合型治沙措施区土壤有机质等养分含量呈显著增加的共性趋势（P<0.05），且冗余分析表明土壤有机质和速效钾等理化因子显著影响细菌群落结构及生态功能。5）土壤优势菌门与绝大多数代谢功能呈显著相关，且Mantel检验表明土壤细菌群落结构差异与功能潜势差异之间呈显著正相关。综上，复合型治沙措施的实施有助于改善荒漠土壤微环境，研究结果可为沙化土壤微环境生态修复提供理论依据。

关键词: 土壤细菌, 群落结构, 治沙措施, 沙化土地修复

Abstract:

In this research， the soil of artificial Haloxylon ammodendron forest （Asd） in mobile dune land was taken as the control， and soils from two other compound sand control systems ［nylon grid sand barrier+artificial H. ammodendron forest （Nn） and clay sand barrier+artificial H. ammodendron forest （Cy）］ were selected as experiment treatments. Illumina high-throughput sequencing and PICRUSt2 function prediction technology were used to explore the effects of the compound sand control measures on soil bacterial community structure and function， and redundancy analysis was used to explain the main physical and chemical factors affecting soil bacterial community structure and function. It was found that： 1） The bacterial communities in soil samples from the two composite sand control measures comprised 35 phyla， 90 classes， 172 orders， 259 families and 436 genera. Actinobacteria， Proteobacteria and Chloroflexi were the dominant soil bacterial taxa in the study area， with an average relative abundance of 71.84%. The relative abundance of Actinobacteria was the highest， accounting for 32.16%-37.09%. The occurrences of Bacteroidetes and Cyanobacteria in the Cy plot were significantly higher than those in the Asd plot （P<0.05）. 2） The Chao1 index of soil bacterial diversity in the two plots was significantly higher than that in the mobile dune soil （P<0.05）， but the principal coordinate analysis showed that the soil bacterial community structure of the three plots was similar. 3） Among the 17 secondary functions， carbohydrate metabolism and other functions were the main ecological functions of soil bacteria and showed highly redundant characteristics in different sand control measures areas. 4） Compared with mobile dune soils， the soil organic matter and other nutrients in the area with composite sand control measures showed a common trend of significant increase in bacterial occurrence （P<0.05）， and redundancy analysis showed that physicochemical factors such as soil organic matter and fast-acting potassium levels significantly affected the structure and ecological function of bacterial communities. 5） The dominant phylum among the soil bacteria was significantly correlated with most metabolic functions， and the Mantel test showed a significant positive correlation between differences in soil bacterial community structure and differences in functional potential. In conclusion， the implementation of composite sand control measures improved the desert soil microenvironment， and the research results provide a theoretical basis to manage the ecological restoration of the sandy soil microenvironment.

Key words: soil bacteria, community structure, sand control measures, sandy land restoration

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图/表 14

表1 采样地基本信息

Table 1 Basic information on sampling sites

样地

Sample plot

纬度

Latitude （N）

经度

Longitude （E）

沙障规格

Sandy specifications

优势种

Dominant species

高度

Height （cm）

盖度

Coverage （%）

表2 PCR反应体系

Table 2 PCR reaction system

试剂名称

The name of the reagent

无核酸酶水

Nuclease-free water

表3 土壤因子和梭梭形态特征变化

Table 3 Changes of soil factors and morphological characteristics of H. ammodendron

环境因子 Environmental factors	治沙措施 Sand control measures
环境因子 Environmental factors	Asd	Nn	Cy
pH	8.22±0.30b	8.83±0.19a	8.96±0.22a
SOM （g·kg^-1）	1.04±0.07b	1.41±0.13a	1.53±0.30a
TN （g·kg^-1）	0.08±0.01b	0.14±0.03a	0.18±0.03a
TP （g·kg^-1）	0.18±0.02b	0.22±0.04b	0.26±0.03a
AP （mg·kg^-1）	1.25±0.19a	1.33±0.25a	1.36±0.34a
AK （mg·kg^-1）	112.29±11.34b	148.96±14.51a	155.77±18.29a
H （cm）	125.33±11.30c	155.01±8.01b	187.65±17.55a
VG （%）	30.40±2.49b	36.42±2.82a	39.77±3.08a

图1 土壤细菌Alpha多样性分析**：P<0.01；*：P<0.05；ns：P>0.05；Asd1~Asd6：流动沙丘梭梭林土壤Soil of mobile dune H. ammodendron forest；Nn1~Nn6：尼龙网格沙障区梭梭林土壤Soil of H. ammodendron forest in nylon grid sand barrier area；Cy1~Cy6：黏土沙障区梭梭林土壤Soil of H. ammodendron forest in clay sand barrier area；下同。The same below.

Fig.1 Analysis of Alpha diversity of soil bacterial

图2 土壤细菌Beta多样性分析

Fig.2 Beta diversity analysis of soil bacteria

图3 土壤细菌门水平群落结构

Fig.3 Soil bacterial phylum level community structure

图4 土壤细菌属水平群落结构

Fig.4 Soil bacterial community structure at genus level

表4 土壤细菌群落一级功能通路的相对丰度

Table 4 Relative abundance of primary functional pathways of soil bacterial community （%）

功能Function	Asd	Nn	Cy
新陈代谢Metabolism	81.98±0.36a	81.73±0.15a	81.78±0.20a
遗传信息处理Genetic information processing	11.74±0.24a	11.75±0.38a	11.78±0.33a
细胞过程Cellular processes	3.74±0.30a	3.99±0.28a	3.83±0.26a
环境信息处理Environmental information processing	1.98±0.08a	2.06±0.11a	2.03±0.07a

图5 土壤细菌二级功能相对丰度及差异不同小写字母表示差异显著（P<0.05）；ns表示差异不显著（P>0.05）。Different lowercase letters indicate significant differences （P<0.05）； ns indicates no significant difference （P>0.05）.CM：碳水化合物代谢Carbohydrate metabolism；AM：氨基酸代谢Amino acid metabolism；MCV：辅助因子和维生素代谢Metabolism of cofactors and vitamins；MTP：萜类和聚酮类化合物的代谢Metabolism of terpenoids and polyketides；MOA：其他氨基酸的代谢Metabolism of other amino acids；LM：脂质代谢Lipid metabolism；XBM：外来生物的生物降解和代谢Xenobiotics biodegradation and metabolism；EM：能量代谢Energy metabolism；RR：复制和修复Replication and repair；FSD：折叠排序和降解Folding sorting and degradation；GBM：糖类的生物合成和代谢Glycan biosynthesis and metabolism；BOM：其他次级代谢物的生物合成Biosynthesis of other secondary metabolites；TR：翻译Translation；CL：细胞运动性Cell motility；MT：膜运输Membrane transport；NM：核苷酸代谢Nucleotide metabolism；CGD：细胞生长和死亡Cell growth and death.

Fig.5 Relative abundance and difference of secondary function of soil bacteria

表5 土壤细菌群落及代谢功能RDA排序特征值及解释量

Table 5 Soil bacterial community and metabolic function RDA ordination characteristic value and interpretation amount

项目 Item	指标 Index	轴1 Axis 1	轴2 Axis 2	轴3 Axis 3	轴4 Axis 4
土壤细菌群落与理化因子Soil bacterial communities and physicochemical factors	土壤细菌群落特征值Soil bacterial community characteristic values	0.6824	0.0008	0.0004	0.0001
	土壤细菌群落累计解释量Cumulative interpretation of soil bacterial community （%）	68.24	68.32	68.36	68.37
	土壤细菌群落与环境因子的相关性Correlation between soil bacterial community and environmental factors	0.8278	0.6393	0.5542	0.6547
	土壤细菌群落与环境因子累计解释量Cumulative explained amount of soil bacterial community and environmental factors （%）	99.80	99.92	99.97	99.99
	典范特征值Canonical eigenvalue	68.37
	总特征值Total eigenvalue	99.99
土壤细菌代谢功能与理化因子Soil bacterial metabolic functions and physicochemical factors	土壤细菌代谢功能特征值Soil bacterial metabolic function characteristic values	0.3787	0.0390	0.0250	0.0113
	土壤细菌代谢功能累计解释量Cumulative interpretation of soil bacterial metabolic function （%）	37.87	41.77	44.27	45.39
	土壤细菌代谢功能与环境因子的相关性Correlation between soil bacterial metabolic function and environmental factors	0.7772	0.6107	0.5843	0.6210
	土壤细菌代谢功能与环境因子累计解释量Cumulative explained amount of soil bacterial metabolic functions and environmental factors （%）	80.78	89.10	94.43	96.83
	典范特征值Canonical eigenvalue	45.39
	总特征值Total eigenvalue	96.83

图6 土壤细菌群落与理化因子RDA分析实线实心箭头Solid line solid arrow：环境因子Environmental factor. SOM：土壤有机质Soil organic matter；TN：土壤全氮Soil total nitrogen；TP：土壤全磷Soil total phosphorus；AP：土壤速效磷Soil available phosphorus；AK：土壤速效钾Soil available potassium；VG：梭梭林盖度H. ammodendron forest coverage；H：梭梭林高度Height of H. ammodendron forest；下同。The same below. 虚线空心箭头Dashed hollow arrow：土壤细菌群落及多样性指数Soil bacterial community and diversity index. 1：放线菌门Actinobacteria；2：变形菌门Proteobacteria；3：绿弯菌门Chloroflexi；4：拟杆菌门Bacteroidetes；5：酸杆菌门Acidobacteria；6：芽单胞菌门Gemmatimonadetes；7：蓝藻菌门Cyanobacteria；8：厚壁菌门Firmicutes；9：Chao1指数Chao1 index；10：Shannon指数Shannon index；11：Simpson指数Simpson index.

Fig.6 RDA analysis of soil bacterial community and physicochemical factors

图7 土壤细菌功能基因与理化因子RDA分析虚线空心箭头Dashed hollow arrow：土壤细菌功能Soil bacterial function. 1：碳水化合物代谢Carbohydrate metabolism；2：氨基酸代谢Amino acid metabolism；3：辅助因子和维生素的代谢Metabolism of cofactors and vitamins；4：萜类和聚酮类化合物的代谢Metabolism of terpenoids and polyketides；5：其他氨基酸的代谢Metabolism of other amino acids；6：脂质代谢Lipid metabolism；7：外来生物的生物降解和代谢Xenobiotics biodegradation and metabolism；8：能量代谢Energy metabolism；9：复制和修复Replication and repair；10：折叠排序和降解Folding sorting and degradation；11：糖类的生物合成和代谢Glycan biosynthesis and metabolism；12：其他次级代谢物的生物合成Biosynthesis of other secondary metabolites；13：翻译Translation；14：细胞运动性Cell motility；15：膜运输Membrane transport；16：核苷酸代谢Nucleotide metabolism；17：细胞生长和死亡Cell growth and death.

Fig.7 RDA analysis of functional genes and physicochemical factors of soil bacteria

图8 土壤细菌群落结构与功能相关性热图

Fig.8 Heat map of structural and functional correlations of soil bacterial communities

图9 不同治沙措施下土壤细菌群落结构差异与功能基因丰度差异关系

Fig.9 Relationship between differences in soil bacterial community structure and differences in functional gene abundance under different sand control measures

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