Effect of conservation tillage on microbial functional genes related to carbon cycle of black soil
Year: 2023
Type: article
Abstract: 土壤微生物既参与土壤有机碳的分解也是土壤有机碳转化和固定的驱动者，是影响土壤碳循环和有机碳稳定性的关键因素。然而，保护性耕作（秸秆还田）如何通过调节土壤微生物碳循环功能基因组成来影响土壤CO2释放的机理尚不明确。因此，依托中国科学院东北地理与农业生态研究所长春保护性耕作观测站，借助鸟枪法宏基因组测序技术，分析了玉米连作系统不同耕作方式（免耕（NT）、秋翻（MP）以及常规耕作（CT））对土壤CO2释放速率、碳水化合物活性酶（CAZy）、碳循环功能基因（碳固定、甲烷代谢以及碳水化合物代谢）组成的影响。研究表明：基于生长季节土壤CO2释放速率6年平均值分析发现，生长季前期免耕土壤的平均CO2释放速率显著低于秋翻和常规耕作，分别比秋翻低28%（5月份）、11%（6月份）和23%（7月份）；比常规耕作低31%（5月份）、19%（6月份）和7%（7月份）。基于CAZy数据库注释结果，发现耕作处理显著影响一些糖苷水解酶（如GH102、GH5_38和GH13_17）、糖基转移酶（如GT39）和多糖裂解酶（如PL17和PL5_1）的基因丰度，与常规耕作相比，秸秆还田的免耕和秋翻处理的这些差异基因的相对丰度较高。基于京都基因与基因组百科全书（KEGG）数据库注释结果，发现耕作方式显著影响土壤碳循环功能基因组成（Adonis，多元方差分析，R2=0.45；P=0.006），且免耕处理土壤的碳固定、甲烷代谢以及碳水化合物代谢功能基因组成不同于常规耕作和秋翻处理，单独聚为一类。免耕土壤上调的碳固定功能基因的相对丰度（所有上调功能基因相对丰度的平均值）分别比常规耕作和秋翻高17%和11%，而下调的2个功能基因（K01007和K00170）的丰度分别低19%（CT）、21%（MP）和14%（CT）、17%（MP）。免耕土壤上调的甲烷代谢基因相对丰度分别较常规耕作和秋翻高15%和10%；下调基因的丰度分别低13%（CT）和11%（MP）。免耕土壤上调的碳水化合物代谢功能基因丰度较常规耕作和秋翻高23%和14%；下调的基因丰度分别低25%（CT）和18%（MP）。冗余分析（db-RDA）表明土壤容重及土壤水溶性有机碳（DOC）是驱动土壤碳循环功能基因组成差异的主要因子（P<0.05），且免耕土壤上调的碳固定功能基因（K00625、K01676、K09709、K00925和K14470等）、甲烷代谢基因（K03520、K00830、K10713、K15633和K00625等）和碳水化合物代谢功能基因（K00886、K00830、K01676、K00117和K00114等）与土壤DOC、容重或含水量呈显著正相关。此外，研究发现土壤CO2释放速率与土壤碳循环功能基因组成显著相关（R2=0.80；P<0.01），尤其是与一些碳水化合物代谢功能基因显著相关。这些结果说明免耕处理通过影响土壤理化性质改变土壤碳循环过程，且推断免耕秸秆还田和减少干扰的叠加效应通过调节碳循环功能基因组成来提高土壤固碳潜力。
Source: Acta Ecologica Sinica
Author: 王倩，刘红文，贾淑霞 WANG Qian
Language: English
Subfield: Soil Science
Domain: Life Sciences
Open Access status: bronze
OpenAlex ID: W4384471677