一、相关信息
原文题目：Soilamendmentschangebacterialfunctionalgenesmorethantaxonomicstructureinacadmium-contaminatedsoil第一作者通讯作者：MinXuQiaoyunHuang期刊：SoilBiologyandBiochemistry
二、研究亮点
（1）土壤pH值和镉（Cd）形态影响土壤细菌的分类和功能；（2）细菌功能基因对石灰（CaCO3）、生物炭和秸秆添加较为敏感；（3）土壤改良剂增加了C/N/P循环功能基因的丰度；（4）土壤pH改变了与功能基因高度相关的细菌群落关键类群。
三、研究概要
石灰、生物炭、秸秆等土壤改良剂可以有效地修复镉污染土壤，同时增加土壤微生物群落的分类多样性及其功能。通过3年的田间试验，作者研究了5种常用土壤改良剂对土壤Cd稳定性、细菌系统发育和功能属性的影响。施用改良剂后，土壤细菌群落结构没有发生变化。大多数参与C、N、P循环的细菌功能基因在CaCO3及其与生物炭/秸秆结合处理的土壤中比未加改良剂土壤更为丰富。在CaCO3-改良剂处理后的土壤中，与稀有细菌生长相关的功能基因数量更多，这些功能基因的数量是未处理土壤的1.3倍。重复施用CaCO3和CaCO3+生物炭/秸秆增加了功能基因的数量和丰度，增加了土壤细菌网络的复杂性和连通性。这可能是由于土壤pH的增加改变了与功能基因高度相关的关键类群。该研究表明，镉污染土壤中土壤改良剂可对土壤细菌群落及其功能产生意想不到的影响。
四、研究目的
土壤修复的终极目标是恢复土壤生态系统功能。评价一个成功的修复试验，不仅要看其对重金属的稳定效果，更要看其对微生物群落和功能恢复的影响。因此，作者通过田间试验，研究了5种常用土壤改良剂对镉稳定性、细菌系统发育和功能结构的影响。同时对不同改良剂的残留影响也进行了评估。
五、研究方法
选用的5种改良剂依次为CaCO3、生物炭、秸秆、CaCO3+生物炭以及CaCO3+秸秆。实验场址靠近一个有62年历史的Cd（2.84毫克/公斤）污染矿区。根据美国农业部的分类，该土壤是一种具有粉质粘土壤土质地的铝土。试验于-年进行，分为3组处理：（1）无土壤改良剂（对照组）；（2）在第一年内施加不同单一改良剂（单次施用组）；（3）将处理组分成三组，连续三年每年更换不同的改良剂。所有处理随机重复于3个5m×2m的样地（在0~20cm的土壤中充分混合改良剂）。每年于4月播种莴苣（LactucasativaL.），7月收获。改良剂详细添加方案及剂量如下表所示。
所有处理的土壤样品均于年10月采集。每个样地取5个点（0-20cm），充分混合作为一个样品。总计收集33个样品（11个处理×3个重复）。将土壤样品过筛（2mm）并分为2份：1份风干用于检测土壤物理化性质，另一份冷冻保存于-80C用于后续DNA提取。
六、主要研究结果
1、改良剂对土壤理化因子的影响
土壤改良剂并未显著改变土壤因子。但是在所有添加了CaCO3的实验组中土壤PH显著改变。在生物炭处理后续施用生物炭和碳酸钙处理组中，总碳（TC）含量明显提高。施用生物炭和秸秆提高了有机质（SOM）和溶解有机碳（DOC）含量，但这种影响不显著。此外，土壤改良剂对不同形态镉含量的影响大于对总镉含量的影响。在不同改良剂处理后，土壤水溶性Cd含量显著降低。碳酸盐结合的镉含量在所有处理组中均显著减少。其中以秸秆处理和CaCO3+生物炭/秸秆处理最为显著。
相比之下，秸秆单施以及改良剂的混合施用均可显著增加铁锰氧化物结合Cd的量。相关性分析结果表明，土壤PH与不同形态的Cd含量显著正相关。此外，DOC、TC与腐殖酸结合Cd和铁锰氧化物结合Cd的量呈显著正相关。然而土壤有机质与不同形态Cd含量的相关性并不显著。
2、土壤改良剂对细菌群落及功能的影响
分析显著表明，尽管改良剂施用类型与频率并未显著影响土壤细菌群落的Alpha多样性，但却明显改变了土壤细菌群落结构。置换多元方差分析（PERMANOVA）结果显示各处理间细菌群落结构差异显著（P0.05）。同一改良剂中施肥量的影响因土壤改良剂不同而不同，其中仅CaCO3和CaCO3与生物炭组合处理对施肥量的影响显著（P0.05）。
在12个主要细菌类群中（平均相对丰度0.1%），土壤改良剂的应用减少了变形菌门和酸杆菌门的相对丰度，但增加了拟杆硝化螺旋菌门以及匿杆菌门的相对丰度。整体来看，不同的门细菌类群对改良剂的种类和使用量有不同的响应。例如，CaCO3与生物炭复合施用以及单次使用时酸细菌门显著减少（F=14.,P0.05），但三次使用时拟杆菌门显著增加。
普鲁克分析（Procrustes）分析结果表明细菌系统发育与群落功能之间并无显著一致性关系。而PERMANOVA分析发现，不同处理间功能基因结构会发生显著变化（P0.05），其中秸秆添加对功能基因结构的影响最小。分子生态网络拓扑结构中发现，在单次施用组中共鉴定出35个基因节点和56条边，远低于施次应用组（个基因节点和条边）。这一结果表明，改良剂的重复施用提高了功能基因之间的相关性。
作者进一步比较了土壤改良剂对碳、氮、磷循环的影响。对于单施处理组，CaCO3以及CaCO3与生物炭结合施用显著提高了75%以上的C分解基因的丰度（P0.05）。而秸秆处理降低了CaCO3的增强效应，只有50%的基因在CaCO3与秸秆组合处理中显著增加(P0.05)。单独使用生物炭或秸秆处理的效果较弱，即增加的基因数量较少，基因丰度较低。值得注意的是，除秸秆外，土壤改土剂对C降解基因丰度的增强作用在3个处理中最强，尤其是CaCO3改土剂。
3、环境因素对细菌群落结构和功能的影响
冗余分析表明，土壤pH、TN、TC和不同形态的Cd对细菌系统发育和功能结构有显著影响。土壤pH值与拟杆菌门、硝化螺旋菌门、匿杆菌门的相对丰度呈显著正相关，但是却与变形菌门、酸杆菌门以及浮霉菌门负相关。值得注意的是，不同的形态的Cd对不同门类细菌类群相对丰度的影响是不同的。方差分解结果表明，Cd组分、pH和其他土壤因子分别解释了细菌系统发育群落总变异的17.7%、4.2%和26.0%，其中交互作用占2.3%。剩下的47.8%无法解释。
在细菌功能方面，51.1%的微生物功能结构变化是由Cd形态（17.4%）、pH（4.0%）和其他土壤因素（20.0%）解释的。通过Spearman相关分析进一步验证了Cd形态与C、N、P循环相关基因丰度之间的联系。约63.95%的基因与水溶性Cd呈负相关（P0.05），34.69%和12.24%的基因与腐殖酸结合Cd和铁锰氧化物结合Cd呈正相关（P0.05）。其他Cd形态如可交换性Cd、强有机结合Cd和残留Cd与少数功能基因呈显著正相关（P0.05）。
4、不同土壤改良剂对细菌群落关键种的影响
通过对微生物类群和功能基因的共发生网络可以分析微生物系统发育与涉及C、N、P、S循环、金属形态和次级代谢的基因之间的潜在连接性。变形菌（OTU和OTU）、酸杆菌（OTU和OTU）和拟杆菌（OTU）被确定为支持该网络结构的关键类群。在这5个关键种中，OTU、OTU和OTU与超过50个的C、N、S循环功能基因以及金属形态显著相关，而OTU则与C、N循环基因连接较强。曼特尔检验进一步证实了关键种与参与C循环和营养循环的基因丰度之间的强而显著的相关性（P0.05）。
不同改良剂的应用增加了关键种的相对丰度，特别是在CaCO3处理中。这些结果表明了稀有物种在细菌功能结构中的重要作用。除OTU外，关键种与土壤pH值以及Cd形态均显著正相关。
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