2016–2021 年海南文昌菜地土壤微生物數據集

陳淼，李勤奮*

1.中國熱帶農業科學院環境與植物保護研究所，?？?570100

2.海南儋州熱帶農業生態系統國家野外科學觀測研究站，海南儋州 571737

3.農業農村部熱區高效農業綠色低碳重點實驗室，?？?570100

引 言

隨著我國種植業的結構優化，蔬菜種植已成為繼糧食作物之后的第二大農作物。研究表明我國菜地化肥用量約為農作物用量的3.3 倍[1]。肥料合成效率的提高在提升作物產量的同時也引起了一系列環境問題，增加了農業生態系統的環境成本[2]。過量化肥使用引起的肥料利用率降低、面源污染、土壤微生物群落結構破壞等突出問題嚴重制約了我國蔬菜產業的可持續發展[3-5]。海南是我國主要的冬季瓜菜種植基地，隨著熱帶特色高效農業的快速發展，種植結構變化加快，新的耕作管理模式不斷涌現，對農田生態系統影響的不確定性增加。高溫多雨的氣候特點在加速土壤微生物對有機質的分解利用的同時也加劇土壤養分淋失。據調查，在海南蔬菜種植過程中，氮磷鉀復合肥的投入量遠高于作物養分需求量[6]，導致土壤中氮素的流失和磷素的積累[7-8]，影響土壤微生物的生長和繁殖[4]。

土壤微生物是農田生態系統的重要組成成分，主要充當分解者的角色。土壤微生物通過不同微生物類群之間和類群內部之間相互作用參與有機物的分解轉化和養分循環等，在維持土壤功能方面起重要作用[3,9]。土壤微生物類群繁多、組成復雜、功能多樣、且數量巨大，構成了地球上最復雜的生物資源庫、基因資源庫和代謝產物庫[9]。微生物群落多樣性、時空分布格局、重要養分循環等生態過程的介導已然受到微生物學、生態學、土壤學等領域學者的重視，成為當前研究的熱點。近年來，隨著基于土壤微生物DNA/RNA 分子生物學技術的快速發展，測序技術的發展和研究日益深入，特別是土壤宏基因組學受到廣泛關注。分子生物學技術是了解土壤微生物群落組成、功能、代謝、演變過程的重要手段，相關觀測結果對探究微生物群落演替及其驅動因子、闡明養分循環等微觀機理具有重要意義[10]。目前，已公開微生物數據集涉及農田生態系統土壤[11-12]、森林土壤[13-14]等，熱帶地區菜地土壤微生物長期動態監測仍屬空白，因此，熱帶地區菜地土壤微生物組的長期動態監測具有重要現實意義。

本數據集匯集了海南省文昌市2016–2021 年菜地土壤微生物擴增子測序數據，包含單施化肥、秸稈還田和單施化肥結合秸稈還田三種模式下細菌和真菌的測序數據，且以數據論文形式對數據進行系統描述，以推動數據共享和規范化使用。

1 數據采集和處理方法

1.1 觀測樣地設置

海南儋州熱帶農業生態系統國家野外科學觀測站文昌觀測場（中心點經緯度：110.46°E，19.32°N）建設于2014 年，土壤為海相沉積發育的磚紅壤，土壤質地為沙壤土。耕作層土壤（0–20 cm）初始理化性質為：pH5.86，容重1.56 g/cm3，總氮0.15 g/kg，總磷0.13 g/kg，總鉀0.80 g/kg，有機碳2.91 g/kg。每年5–10 月為雨季，常年降雨量1721.6 mm。熱帶海洋季風氣候，年均溫度為23.9 ℃，年平均降水量1886 mm，極端天氣為夏季暴雨春季干旱。

文昌觀測場試驗小區分布見圖1，種植制度為南方濕潤平原區露地蔬菜輪作模式[8]，作物為辣椒（“湘辣十七號”）和豇豆（“泰國金龍長豆角”）。辣椒10 月初播種，次年4 月中旬收獲；豇豆5 月初播種，8 月底收獲。株行距為45 cm×50 cm，覆膜。試驗小區為10 m×6.2 m 平地，小區與保護行之間及小區之間以寬24 cm，高70 cm（地面以下深度60 cm）磚混結構的田埂分離。采用隨機區組設計，設置3 個處理：單施化肥（CF）、化肥+秸稈還田（FS）、秸稈還田（CS），每個處理重復3 次。秸稈為玉米秸稈，秸稈還田處理使用旋耕滅茬使其均勻分布于耕層。施肥量見表1。

表1 試驗施肥方案Table 1 Experiment fertilization scheme

圖1 海南儋州熱帶農業生態系統國家野外科學觀測站文昌觀測場Figure 1 Wenchang Observation Site of Danzhou Tropical Agro-ecosystem National Observation and Research Station, Hainan Province

1.2 樣品采集與測試

于每年8 月份作物收獲后采集0–20 cm 耕層土壤，去掉凋落物、碎石、根系等雜物，-80 ℃冷藏保存，委托百邁克生物科技有限公司（北京，中國）進行高通量擴增子測序，使用MN NucleoSpin 96 Soi 試劑盒提取 DNA，基于 Illumina HiSeq 平臺，分別使用 338F/806R 引物對（5'-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3'/5'- GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3'）對16S rDNA 基因V3-V4 區進 行 擴 增 ， 使 用 ITS1F/ITS2 引 物 對 （ 5'-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA-3'/5'-GCTGCGTTCTTCATCGATGC-3'）對DNA 內轉錄間隔區利用雙末端測序的方法完成。

1.3 數據處理

原始測序數據首先使用Trimmomatic（version 0.33）進行質量過濾，然后使用Cutadapt（version 1.9.1）進行引物序列的識別與去除，其后使用 USEARCH（version 10）軟件（Edgar 2013）對雙端reads 進行拼接并去除嵌合體（UCHIME, version 8.1），16S rDNA 最終得到633468 條高質量的序列，ITS 最終得到688172 條高質量序列，在97%相似度水平下進行聚類，以測序所有序列數的 0.005%作為閾值過濾OTU 分別與Silva 和Unite 數據庫比對，使用RDPClassifier（version2.2）進行物種注釋，置信度閾值為0.8，獲得每個OTU 的分類學注釋。最后根據單個樣本所包含序列數構建OTU 矩陣文件。

2 數據樣本描述

2.1 數據集命名規則及數據量

本數據集為海南儋州熱帶農業生態系統國家野外科學觀測站文昌觀測場（海南省文昌市）2016–2021 年菜地土壤高通量擴增子測序細菌和真菌數據，大小為8.03 GB。文件名為“2016–2021 年海南文昌菜地土壤微生物數據集”，含1 個文件夾和3 個EXCEL 數據表，分別命名為“原始測序數據”“2016–2021 年海南文昌菜地細菌”“2016–2021 年海南文昌菜地真菌”和“數據質量控制統計”。

“原始測序數據”文件夾內含“2016–2021 年細菌原始序列”和“2017–2021 年真菌原始序列”兩個文件夾，分別內含108 和90 個FQ 文件，FQ 文件為每個樣本原始雙端測序文件。FQ 文件命名規則為“年份+處理編碼”，如文件“2016-CF1_1.fq”和“2016-CF1_2.fq”為2016 年單施化肥處理土壤樣本1 雙端測序文件。

“2016–2021 年海南文昌菜地細菌”和“2016–2021 年海南文昌菜地真菌”數據表為擴增子測序結果，各包括6 個表單，分別記錄2016 年至2021 年，單施化肥（CF）、化肥+秸稈還田（FS）和秸稈還田（CS）三個處理的細菌或真菌擴增子測序序列在97%相似度下聚類獲得OTU（操作單元）豐度及對應物種分類信息，每個表單以年份命名，如“2016”。

“數據質量控制統計”數據表為每次測序結果質量控制統計結果，內含2 個表單，分別記錄細菌或真菌每年測序結果表單涉及各樣本序列數目及數據評估，命名為“細菌”和“真菌”。

2.2 數據樣本描述

樣本原始測序文件存儲了該樣本生物序列及相應質量評價，均以ASCII 字符表示，是目前高通量測序結果的事實標準。FASTQ 文件中每個序列通常有四行：第一行：以“@”開頭，后面跟著唯一序列ID 標識符和可選序列描述內容，二者用空格隔開；第二行：序列字符；第三行：以“+”開頭，后面跟著可選ID 標識符和描述內容，如果“+”后有內容則與第一行“@”后的內容相同；第四行：堿基質量字符，其字符數與第二行字符數相同，按一定規則轉化為堿基質量得分，能夠反映該堿基的錯誤率?！?016-CF1_1.fq”文件中部分序列信息如圖2。

圖2 “2016-CF1_1.fq”文件中部分序列信息Figure 2 Part of the sequence information in the “2016-CF1_1.fq” file

表2 列出“2016–2021 年海南文昌菜地細菌”和“2016–2021 年海南文昌菜地真菌”數據表中表頭示例并詳細記錄表單數據項含義、數據類型等信息。

表2 細菌或真菌測序表單內容Table 2 Content of the bacterial or fungal sequencing data table

表3 列出“數據質量控制統計”中表頭示例，并詳細記錄表單數據項含義、數據類型等信息。

表3 數據質量控制統計表單內容Table 3 Content of data quality control statistics data table

3 數據質量控制和評估

文昌觀測場作為海南儋州熱帶農業生態系統國家野外科學觀測站觀測區之一，在國家野外科學觀測研究站的統一規劃和指導下，圍繞熱帶農業綠色發展需要，系統開展熱帶農業生態系統水、土、氣、生等要素的長期、連續、動態的定位監測和數據匯聚，形成了系統的觀測指標、觀測方法、和觀測質量控制體系。文昌觀測樣地的設置、觀測和維護、樣品的采集、樣品制備與保存、數據填報和質控規范根據《中國生態系統研究網絡（CERN）長期觀測規范》[15-18]執行。

本數據集所涉及的樣本序列均經過數據處理和統計，包括過濾低質量、數據產出及質控統計。原始序列首先經過低質量過濾（Trimmomatic[19], version0.33），然后識別并去除引物序列（cutadapt，version1.9.1），進行拼接（Usearch，version1.2.11），拼接后去除嵌合體（UCHIME[20], version1.2.11），得到最終的高質量序列。最后統計各階段的序列數，序列長度等參數對數據進行評估。

4 數據價值

本數據集整合了2016–2021 年海南省文昌市菜地耕層土壤微生物細菌和真菌擴增子測序的數據，為了解熱區菜地不同田間管理模式下土壤微生物組成，探究土壤微生物群落演替及其影響因子和養分循環微觀機理提供數據基礎，有助于分析環境要素與生產系統間的相互作用機理，具有重要的實際意義。

5 數據使用方法和建議

本數據集可通過科學數據銀行（Science Data Bank）在線服務獲得，如需本數據集的其他相關數據信息可咨詢本文作者（chenm200567@163.com）。后續作者會陸續將臺站長期觀測包括與本文相關的其他數據內容撰寫數據論文，以提供更好的數據共享服務。

致 謝

衷心感謝海南儋州熱帶農業生態系統國家野外科學觀測研究站觀測人員的支持！感謝中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所劉宏斌老師、翟麗梅老師在實驗設計與數據質量控制方面給予的指導！感謝中國熱帶農業科學院環境與植物保護研究所范長華、葛梅紅和冷有鋒碩士在樣品采集、數據收集與處理方面給予的幫助！

數據作者分工職責

陳淼（1985—），男，四川省綿陽市人，博士，副研究員，研究方向為土壤碳氮循環與農業面源污染控制。主要承擔工作：觀測系統的長期連續運行、數據質量控制與整合。

李勤奮（1974—），女，內蒙古自治區鄂爾多斯市人，博士，研究員，研究方向為農業資源與環境保護。主要承擔工作：觀測系統的總體運行和數據集的整體架構。