文摘

对土壤特性的影响,研究了甘蔗收割期间燃烧后根据土壤特性的分析和微生物的数量。使用宏基因组土壤细菌群落结构观察。发现燃烧甘蔗收割降低了土壤水分和总氮含量和细菌真菌和放线菌的数量减少。此外,有固氮和phosphate-solubilizing细菌数量减少对植物有益。的厚壁菌门门(46.79%)被发现在燃烧甘蔗收获后土壤。Paenibacillus(34.20%)和芽孢杆菌(9.19%)占主导地位在属水平。另一方面,未燃烧甘蔗收获后土壤中,多样性指数高于后燃烧甘蔗收割。放线菌门级别的(25.92%)为主,Candidatus koribacter,Gaiella,Pseudolabrys,和Sphingomonas主导在属级的未燃的阴谋。改变细菌社区导致与土壤特性的变化相关。因此,燃烧的影响甘蔗收获应该意识到,特别是土壤理化和生物学性质退化(除了一些组织的细菌)以及它们的功能在土壤中。

1。介绍

农业残留物的燃烧是一个普遍现象,可能导致全球空气质量下降1,2和导致温室气体的排放3]。造成空气污染和温室气体二氧化碳,甲烷,一氧化二氮、氟化气体(4]。此外,生物质燃烧产生的颗粒物对环境和人类健康的负面影响(5,6]。燃烧农业残留土壤安全是一个严重的威胁和食物链的可持续性。例如,小麦燃烧残留对土壤质量的影响造成营养损失在发展中国家和发达国家(7]。甘蔗燃烧实践影响土壤质量、人类健康、收割甘蔗水分损失(8]。在泰国农业收获季节期间(2月11月),燃烧在耕地是一个主要的问题,尤其是甘蔗的收获前的燃烧。

甘蔗是糖和乙醇生产的重要来源在泰国,174万公顷种植甘蔗生产年生产200万(2020/219]。每年,从农民购买甘蔗糖工厂新鲜甘蔗(73.6%;490万t)或燃烧甘蔗(26.4%;176万t)。尽管政府变得更严格的措施来限制燃烧的实践收获期间,农民仍然燃烧甘蔗。重大损失的碳、氮和有机质(OM)由于甘蔗残渣燃烧已报告,导致了土壤质量的恶化8,10]。增加土壤温度在收获前的燃烧影响土壤微生物和水含量(11,12]。Rachid et al。13)报道,在不同的管理制度(收获前的燃烧和机械,未燃尽的收获,或绿色甘蔗),总有重大改变结构,ammonia-oxidizing,反硝化细菌社区。此外,土壤微生物在土壤OM扮演关键角色分解、养分可用性,和骑自行车14,15]。因此,土壤微生物必须设法确保可靠的农业生产和有效控制植物病害的16]。众所周知,燃烧影响土壤细菌和土壤属性;因此,这项工作延伸调查的土壤细菌群落和土壤化学性质之间的关系变化与否和它如何影响土壤性质的关系。当前研究的目的是比较和研究相关性的影响未燃烧和燃烧甘蔗收割土壤性质和土壤微生物的种群结构,以更好地了解燃烧甘蔗的生态影响。

2。材料和方法

2.1。土样的采集和理化分析在种植和收获之后

复合样品收集在流泻的均匀的土地(8 - 10公顷),10 - 20的混合物组成的次级样本(17]。样本收集0 30厘米的深度Kamphaeng Saen土系在Bo Suphan街道,歌φ侬区,Suphan布利省(14.165747°N, 99.800659°E),泰国。在种植甘蔗的土壤特性进行分析。氢的潜力(pH)用酸度计测定。土壤样本处理使用H2所以4na2所以4硒混合消化分析总氮指定内容基于凯氏法分析土壤OM (18]。磷含量分析根据布雷和库尔茨(19使用原子吸收(),分析了钾20.)和阳离子交换量(CEC)确定使用方法1 N醋酸铵,pH值7.0 [21]。分析了土壤含水量在105°C基于烘干24 - 48 h (22),并保存在一个干燥器,直到体重稳定。土壤水分的百分比是根据公式计算:(重量的湿润土壤-重量的干土)/干土的重量。

2.2。甘蔗种植和收割

孔敬3在第一截根苗甘蔗,甘蔗品种是当前研究中使用。两种不同的治疗方法进行了甘蔗收获(未燃烧和燃烧甘蔗领域),三次重复。情节的大小是5行种植×12米(1.4 - -1.8米之间种植行)。根据土壤肥料应用后建议分析由农业部甘蔗,泰国(N: P2O5:K2O的速度2.88:0.96:2.88公斤·哈−1分别)。复合土壤样本收集从10 - 20点在每个情节的深度0 30厘米。土壤种植甘蔗年龄在12个月收集的字段未燃烧和燃烧甘蔗收获后土壤分析,微生物计数,和脱氧核糖核酸(DNA)提取。样本保存在冰前运送到实验室进行微生物分析。

2.3。微生物数量

土壤溶液稀释的方法被用在这个实验。土壤溶液被稀释10−1-10年−6三次重复。然后,0.1毫升的适当稀释的解决方案是用移液器吸取到培养皿中。不同类型的microorganism-specific媒体使用:营养琼脂(NA)细菌,放线菌分离放线菌琼脂(AA),马铃薯葡萄糖琼脂(PDA)真菌(HIMEDIA) Pikovskaya (PVK)媒介phosphate-soluble细菌(23),摘要中(NF)固氮细菌(24]。微生物被数在30°C孵化后7天24小时细菌和放线菌和真菌。微生物的数量比较使用的对数菌落(日志CFU)每1克干土重(Dw)。

2.4。DNA制备和宏基因组

DNA提取0.25克土壤使用NucleoSpin DNA净化设备(德国Macherey-Nagel)后,协议由制造商提供的。DNA样本quality-checked基于1%琼脂糖凝胶电泳和量化使用Nanodrop分光光度计(大师、台湾)。样本的DNA (20 - 30 ng)是用于生成扩增子。图书馆准备和测序被用于原核的V3和V4变异度高的地区16 s rRNA核糖体RNA基因。图书馆是量化到10纳米;PE250 / FE300 paired-end测序进行根据Illumina公司MiSeq / NovaSeq(美国Illumina公司)工具手册。处理16 s rRNA库都使用了定量见解微生物生态学(QIIME)软件,版本1.9.1 [25]。产生的序列操作的分类单位(OTU)集群使用VSEARCH集群软件,版本1.9.6 [26]。非度量多维标度(nmd)是用于显示β多样性可视化、基于使用Bray-Curtis度量之间的距离。OTU分析使用一个随机抽样的样本序列计算指数的王牌,Chao1,香农,辛普森α多样性和良好的覆盖,和社区物种序列(序列相似性被设置为97%)。多样性指数计算使用以下方程:Ace指数(27]: 在哪里年代0:类群的数量至少观察一次样本一个0:未知数量的物种存在于社区而不是观察到。曹国伟的索引(28,29日]: 在哪里年代马克斯:最大的没有。的物种,年代奥林匹克广播服务公司:观察到的物种数量在不同的样本,一个:单件(的物种数量由每一个个体),和b:双张中的一张牌(的物种数量由每两个人)。香农指数(30.]: 和辛普森指数(31日]: 在哪里π:整个人口的比例由物种我,R:数量的物种。良好的覆盖指数(32]: 在哪里F1:单例辣子鸡的数量,N:个体的总数或丰度的总和为所有辣子鸡。

2.5。统计分析和关联

方差分析进行了使用R软件,版本2.15.3 [33)使用邓肯与平均值之间的差异比较的新多个范围测试。治疗的区别进行了检测,作为重要或非常重要( 和 ,分别)。相关系数是显示在一个热图定量变量之间的关系用一款统计软件,版本16.2.0 [34)软件。

3所示。结果

3.1。在种植前土壤特性

之前的土壤属性Kamphaeng Saen土系基于抽样的甘蔗种植的土壤深度0 30厘米如下:pH值6.22;OM、总氮和可交换钾低水平的1.43%,0.05毫克公斤−1和44.21 mg·公斤−1分别;磷高达49.83毫克·公斤−1;沙子、淤泥和粘土为58.74,21.11和20.15%,分别;和纹理是砂质粘壤土。这些结果被用来应用的相关建议使用化肥的甘蔗种植(35]。

3.2。收获后土壤理化性质的变化未燃烧和燃烧甘蔗

土壤深度的土壤理化性质分析了0 30厘米后未燃烧和燃烧甘蔗收割(表1)。没有OM的变化,可用的磷、钾和交换内容或土壤CEC的。最明显的变化在土壤属性的燃烧甘蔗收获相比未燃烧的水平降低pH值(从5.54减少到4.60)和土壤水分(1.42%)和总氮(0.01%)的内容。

表1
土壤理化性质未燃烧和燃烧甘蔗收获后土壤深度0 30厘米。
3.3。收获后,微生物数量的变化未燃烧和燃烧甘蔗

土壤微生物分析了两种不同的甘蔗收割系统(未燃烧和燃烧甘蔗收获)。数量的细菌、放线菌和真菌有显著不同的未燃烧和燃烧甘蔗收获(图之间的关系1(一))。数量的细菌、放线菌和真菌分别为5.68,4.76和4.73 g Dw日志CFU−1分别在未燃烧甘蔗收获相比,4.40,3.34和3.65 g Dw日志CFU−1分别在燃烧甘蔗。土壤微生物的数量少了燃烧甘蔗收割。的数量phosphate-solubilizing日志CFU g Dw (3.67−1日志CFU)和固氮(3.95 g Dw−1)微生物后燃烧甘蔗收获不到的甘蔗收割(图中未燃烧1 (b))。

(一)
(一)
(b)
(b)
图1
(一)土壤微生物的数量和(b)固氮和phosphate-solubilizing细菌数量在未燃烧和燃烧甘蔗的情节。栏显示±标准误差 。
3.4。细菌群落的变化后收获未燃烧和燃烧甘蔗

未燃烧和燃烧甘蔗收获后土壤样本用于生成V3-V4 16 srrna基因资料。细菌多样性和丰富。总共有1295634读了215939年平均计数每批样品,在总,367辣子鸡生成,其中318人共享未燃烧和燃烧甘蔗收割。(图nmd祝圣礼2)的土壤细菌群落结构差异和分离未燃烧和燃烧甘蔗收割。的相对丰度在门级(图3(一个))是由放线菌(25.92%),变形菌门(24.19%),Acidobacteria(22.72%)和厚壁菌门在未燃烧甘蔗收割(10.68%),而在燃烧甘蔗收获,占主导地位的门厚壁菌门(46.79%),放线菌(15.33%),Acidobacteria(13.59%)和Chloroflexi(10.84%)。微生物组成丰富(图3 (b))在属水平未燃烧甘蔗收获的三大非保密细菌(16.27%),芽孢杆菌(5.67%)和Sphingomonas(4.84%)。相比之下,在燃烧甘蔗收割,前三Paenibacillus(34.20%),未分类细菌(10.24%),和芽孢杆菌(9.19%)。社区丰富的估计和多样性指数差异未燃烧和燃烧甘蔗收获后土壤中如表所示2。Ace的值,超1,香农,辛普森指数高的物种的丰度和均匀度都存在于一个社区为未燃烧甘蔗收获与燃烧甘蔗收割。好的报道发现1.0未燃烧和燃烧甘蔗收割。


图2
细菌群落组成未燃烧和燃烧甘蔗情节基于非度量多维标度(nmd)分析,压力达到< 0.001。
(一)
(一)
(b)
(b)
图3
门相对丰度的主要细菌(a)和(b)属土样未燃烧和燃烧甘蔗的阴谋。
表2
土壤细菌多样性指数和丰富的估计未燃烧和燃烧甘蔗收获决定使用Illumina公司MiSeq测序分析。
3.5。土壤属性的相关性、微生物数量和细菌结构

土壤属性的相关性矩阵的热图,微生物数量,和细菌结构如图4。未燃的甘蔗收割、OM、可用和可交换钾磷呈正相关。pH值、总氮、细菌和放线菌与固氮细菌呈正相关。OM和交换钾呈正相关副球菌,Dongia,洋葱。CEC呈正相关,Byobacter和Occallatibacter。土壤水分含量呈正相关Gaiella、phosphate-solubilizing细菌C。Koribacter。另一方面,OM和交换钾与土壤含水量和phosphate-solubilizing负相关细菌Gaiella,Conexibacter,C。Koribacter。Phosphate-solubilizing细菌呈正相关Conexibacter和Dongia。细菌和放线菌有正相关,洋葱,Sphingomonas,Tumebacillus,Bradyrhizobium,而真菌有正相关Paenibacillus,芽孢杆菌,链霉菌属,假单胞菌,Jatrophihabitans。CEC、总氮和固氮细菌是负相关Ammoniphilus。pH值与真菌有负相关,Paenibacillus,芽孢杆菌,链霉菌属,而有效磷与CEC有负相关,硝化螺菌属,Candidatus Solibacter,Gemmatimonas,Byobacter,Occallatibacter。

(一)
(一)
(b)
(b)
图4
相关系数的理化性质、微生物计数和细菌结构烧不烧(a)和(b)的土壤。热图相关水平的颜色为绿色(积极)或红色(负面)色调,虽然没有相关性黄色所示。

燃烧甘蔗收割,CEC和phosphate-solubilizing细菌呈正相关Gaiella,Conexibacter,硝化螺菌属。OM,磷,和可交换钾呈正相关链霉菌属,C。Solibacter,Byobacter,Bradyrhizobium。真菌和固氮细菌呈正相关Paenibacillus。相反,OM、磷可用和可交换钾与土壤水分含量负相关,真菌、固氮细菌,Paenibacillus,副球菌。pH值与放线菌负相关。CEC是负相关的细菌,固氮细菌,和副球菌。

4所示。讨论

结果清楚地表明,燃烧甘蔗测量土壤特性的影响。pH值是酸性更强,水分损失约为20%,总氮减少而不是燃烧(表1)。这些结果是一致的与Flores-Jimenez et al。36),报告从土壤中挥发性氮营养和水分损失在甘蔗燃烧。Arocena和开始钟声37)报道,pH值降低的原因通常是失去基阳离子在燃烧。相反的效果被报道的作者文献[38相比),控制(未燃烧)网站的松树林和橡树林,烧焦的松树和橡树森林的土壤pH值高了0.41和0.78单位,分别。在最近的研究中,细菌、放线菌和真菌的数量减少。此外,phosphate-solubilizing和固氮细菌数量减少(图1)。结果符合工厂的结果和小巷39]报告异养细菌减少76% 0 - 3 cm的深度和高达90%的碎秸燃烧后5 - 10厘米,深度固氮菌固氮细菌和硝化细菌在表层土破坏。显著减少nitrogen-related根际土壤中细菌和硫循环功能占总氮和硫的连续有效的减少甘蔗根际土壤的内容以及减少甘蔗产量和糖含量(40]。然而,作者文献[38)发现火灾后的细菌群体倾向于增加,因为更多的可利用的碳源。在最近的研究中,土壤中的细菌结构改变后燃烧在甘蔗收获(表2和图3)。值得注意的是,大部分的Paenibacillus燃烧甘蔗收获后土壤中被发现(图3)。这些细菌endospore-forming耐热(41),可以在焚烧作物生存。几个已知物种的Paenibacillussp.已知在植物根际,促进作物的生长和生产力,包括大米、玉米、南瓜,杨树,柳枝稷(42]。Candidatus Koribacter,Gaiella,假单胞菌,Sphingomonas后在土壤中未燃烧甘蔗收获后土壤中元素丰度大于燃烧甘蔗收割。这些细菌对甘蔗生长有益,c . Koribacter在相关Acidobacteria养分矿化43),而Sphingomonas和Gaiella分解木质纤维素和促进养分循环44]。美国paucimobilisZJSH1通过固氮和各种激素促进植物的生长,包括水杨酸,indole-3-acetic酸、玉米素、脱落酸(45]。的多样性假单胞菌种虫害与固氮和indole-3-acetic酸在广西甘蔗生产,中国46),的影响荧光假单胞菌与其他的接种物的剂量降低磷肥和磷积累在甘蔗的周期47]。这些结果相关的工作——和Fattore48),那些报道,碎秸保留在土壤中微生物生物量和微生物活性高于stubble-burned土壤。将收获从燃烧到绿色(未燃烧)据报道许多积极影响土壤性质,如碳股票,微生物生物量、土壤酶活性和土壤聚合(49,50]。从甘蔗收割作物残留提供生态系统服务、营养循环,土壤生物多样性、蓄水、碳积累,土壤侵蚀控制和限制杂草丛生51]。因此,土壤管理使用未燃烧甘蔗收割和允许废物分解比燃烧甘蔗收获应该是更好的选择。

与燃烧甘蔗收割时,可用的磷和钾交换与占主导地位的细菌正相关社区(图4)。增加营养的原因从燃烧的二氧化碳被释放52),与水结合生成碳酸,影响了土壤的pH值;因此,pH值控制土壤生物学和可溶性营养物质(53]。的主导地位的另一个原因芽孢杆菌属在当前研究其报告的有效性在溶解磷和钾(54,55]。然而,水分,放线菌、细菌和真菌与占主导地位的细菌有较高的负相关社区在当前研究;与燃烧,一些组织的细菌减少,而其他人则增加。纤维素和淀粉分解的数量略有减少,但氧化剂铵积极影响火(56]。类似的情况是明显的在当前的研究中,在门Acidobacteria属C。solibacter和C。koribacter,链霉菌属spp。,Bradyrhizobium生产纤维素或淀粉水解酶减少,而ammonia-oxidizing细菌Paenibacillus增加了。土壤中的水分也会影响细菌数量(57]。然而,进一步的研究是必需的,因为不同的土系和土壤管理方法与采后燃烧可能会改变细菌群落结构及其与土壤性质的关系。

5。结论

燃烧在甘蔗收获导致减少土壤属性(pH值和总水分和氮内容)和微生物的数量。土壤性质和土壤细菌种群结构之间的相关性变化模式在未燃烧和燃烧甘蔗收获,与细菌结构燃烧甘蔗收成减少。这些细菌对土壤肥力和质量很重要,影响植物生长。然而,孢子形成的细菌在甘蔗燃烧,其中芽孢杆菌与磷和钾溶解。

数据可用性

宏基因组数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了泰国研究基金会(基金会)(格兰特RDG61T0070数量,2018),总理办公室,曼谷,泰国。