2016–2021 年海南文昌菜地土壤微生物数据集

2024-01-11陈淼李勤奋

中国科学数据(中英文网络版) 2023年4期

关键词：文昌菜地真菌

陈淼，李勤奋*

1.中国热带农业科学院环境与植物保护研究所，海口 570100

2.海南儋州热带农业生态系统国家野外科学观测研究站，海南儋州 571737

3.农业农村部热区高效农业绿色低碳重点实验室，海口 570100

引言

随着我国种植业的结构优化，蔬菜种植已成为继粮食作物之后的第二大农作物。研究表明我国菜地化肥用量约为农作物用量的3.3 倍[1]。肥料合成效率的提高在提升作物产量的同时也引起了一系列环境问题，增加了农业生态系统的环境成本[2]。过量化肥使用引起的肥料利用率降低、面源污染、土壤微生物群落结构破坏等突出问题严重制约了我国蔬菜产业的可持续发展[3-5]。海南是我国主要的冬季瓜菜种植基地，随着热带特色高效农业的快速发展，种植结构变化加快，新的耕作管理模式不断涌现，对农田生态系统影响的不确定性增加。高温多雨的气候特点在加速土壤微生物对有机质的分解利用的同时也加剧土壤养分淋失。据调查，在海南蔬菜种植过程中，氮磷钾复合肥的投入量远高于作物养分需求量[6]，导致土壤中氮素的流失和磷素的积累[7-8]，影响土壤微生物的生长和繁殖[4]。

土壤微生物是农田生态系统的重要组成成分，主要充当分解者的角色。土壤微生物通过不同微生物类群之间和类群内部之间相互作用参与有机物的分解转化和养分循环等，在维持土壤功能方面起重要作用[3,9]。土壤微生物类群繁多、组成复杂、功能多样、且数量巨大，构成了地球上最复杂的生物资源库、基因资源库和代谢产物库[9]。微生物群落多样性、时空分布格局、重要养分循环等生态过程的介导已然受到微生物学、生态学、土壤学等领域学者的重视，成为当前研究的热点。近年来，随着基于土壤微生物DNA/RNA 分子生物学技术的快速发展，测序技术的发展和研究日益深入，特别是土壤宏基因组学受到广泛关注。分子生物学技术是了解土壤微生物群落组成、功能、代谢、演变过程的重要手段，相关观测结果对探究微生物群落演替及其驱动因子、阐明养分循环等微观机理具有重要意义[10]。目前，已公开微生物数据集涉及农田生态系统土壤[11-12]、森林土壤[13-14]等，热带地区菜地土壤微生物长期动态监测仍属空白，因此，热带地区菜地土壤微生物组的长期动态监测具有重要现实意义。

本数据集汇集了海南省文昌市2016–2021 年菜地土壤微生物扩增子测序数据，包含单施化肥、秸秆还田和单施化肥结合秸秆还田三种模式下细菌和真菌的测序数据，且以数据论文形式对数据进行系统描述，以推动数据共享和规范化使用。

1 数据采集和处理方法

1.1 观测样地设置

海南儋州热带农业生态系统国家野外科学观测站文昌观测场（中心点经纬度：110.46°E，19.32°N）建设于2014 年，土壤为海相沉积发育的砖红壤，土壤质地为沙壤土。耕作层土壤（0–20 cm）初始理化性质为：pH5.86，容重1.56 g/cm3，总氮0.15 g/kg，总磷0.13 g/kg，总钾0.80 g/kg，有机碳2.91 g/kg。每年5–10 月为雨季，常年降雨量1721.6 mm。热带海洋季风气候，年均温度为23.9 ℃，年平均降水量1886 mm，极端天气为夏季暴雨春季干旱。

文昌观测场试验小区分布见图1，种植制度为南方湿润平原区露地蔬菜轮作模式[8]，作物为辣椒（“湘辣十七号”）和豇豆（“泰国金龙长豆角”）。辣椒10 月初播种，次年4 月中旬收获；豇豆5 月初播种，8 月底收获。株行距为45 cm×50 cm，覆膜。试验小区为10 m×6.2 m 平地，小区与保护行之间及小区之间以宽24 cm，高70 cm（地面以下深度60 cm）砖混结构的田埂分离。采用随机区组设计，设置3 个处理：单施化肥（CF）、化肥+秸秆还田（FS）、秸秆还田（CS），每个处理重复3 次。秸秆为玉米秸秆，秸秆还田处理使用旋耕灭茬使其均匀分布于耕层。施肥量见表1。

表1 试验施肥方案Table 1 Experiment fertilization scheme

图1 海南儋州热带农业生态系统国家野外科学观测站文昌观测场Figure 1 Wenchang Observation Site of Danzhou Tropical Agro-ecosystem National Observation and Research Station, Hainan Province

1.2 样品采集与测试

于每年8 月份作物收获后采集0–20 cm 耕层土壤，去掉凋落物、碎石、根系等杂物，-80 ℃冷藏保存，委托百迈克生物科技有限公司（北京，中国）进行高通量扩增子测序，使用MN NucleoSpin 96 Soi 试剂盒提取 DNA，基于 Illumina HiSeq 平台，分别使用 338F/806R 引物对（5'-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3'/5'- GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3'）对16S rDNA 基因V3-V4 区进行扩增，使用 ITS1F/ITS2 引物对（ 5'-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA-3'/5'-GCTGCGTTCTTCATCGATGC-3'）对DNA 内转录间隔区利用双末端测序的方法完成。

1.3 数据处理

原始测序数据首先使用Trimmomatic（version 0.33）进行质量过滤，然后使用Cutadapt（version 1.9.1）进行引物序列的识别与去除，其后使用 USEARCH（version 10）软件（Edgar 2013）对双端reads 进行拼接并去除嵌合体（UCHIME, version 8.1），16S rDNA 最终得到633468 条高质量的序列，ITS 最终得到688172 条高质量序列，在97%相似度水平下进行聚类，以测序所有序列数的 0.005%作为阈值过滤OTU 分别与Silva 和Unite 数据库比对，使用RDPClassifier（version2.2）进行物种注释，置信度阈值为0.8，获得每个OTU 的分类学注释。最后根据单个样本所包含序列数构建OTU 矩阵文件。

2 数据样本描述

2.1 数据集命名规则及数据量

本数据集为海南儋州热带农业生态系统国家野外科学观测站文昌观测场（海南省文昌市）2016–2021 年菜地土壤高通量扩增子测序细菌和真菌数据，大小为8.03 GB。文件名为“2016–2021 年海南文昌菜地土壤微生物数据集”，含1 个文件夹和3 个EXCEL 数据表，分别命名为“原始测序数据”“2016–2021 年海南文昌菜地细菌”“2016–2021 年海南文昌菜地真菌”和“数据质量控制统计”。

“原始测序数据”文件夹内含“2016–2021 年细菌原始序列”和“2017–2021 年真菌原始序列”两个文件夹，分别内含108 和90 个FQ 文件，FQ 文件为每个样本原始双端测序文件。FQ 文件命名规则为“年份+处理编码”，如文件“2016-CF1_1.fq”和“2016-CF1_2.fq”为2016 年单施化肥处理土壤样本1 双端测序文件。

“2016–2021 年海南文昌菜地细菌”和“2016–2021 年海南文昌菜地真菌”数据表为扩增子测序结果，各包括6 个表单，分别记录2016 年至2021 年，单施化肥（CF）、化肥+秸秆还田（FS）和秸秆还田（CS）三个处理的细菌或真菌扩增子测序序列在97%相似度下聚类获得OTU（操作单元）丰度及对应物种分类信息，每个表单以年份命名，如“2016”。

“数据质量控制统计”数据表为每次测序结果质量控制统计结果，内含2 个表单，分别记录细菌或真菌每年测序结果表单涉及各样本序列数目及数据评估，命名为“细菌”和“真菌”。

2.2 数据样本描述

样本原始测序文件存储了该样本生物序列及相应质量评价，均以ASCII 字符表示，是目前高通量测序结果的事实标准。FASTQ 文件中每个序列通常有四行：第一行：以“@”开头，后面跟着唯一序列ID 标识符和可选序列描述内容，二者用空格隔开；第二行：序列字符；第三行：以“+”开头，后面跟着可选ID 标识符和描述内容，如果“+”后有内容则与第一行“@”后的内容相同；第四行：碱基质量字符，其字符数与第二行字符数相同，按一定规则转化为碱基质量得分，能够反映该碱基的错误率。“2016-CF1_1.fq”文件中部分序列信息如图2。

图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 年海南文昌菜地细菌”和“2016–2021 年海南文昌菜地真菌”数据表中表头示例并详细记录表单数据项含义、数据类型等信息。

表2 细菌或真菌测序表单内容Table 2 Content of the bacterial or fungal sequencing data table

表3 列出“数据质量控制统计”中表头示例，并详细记录表单数据项含义、数据类型等信息。

表3 数据质量控制统计表单内容Table 3 Content of data quality control statistics data table

3 数据质量控制和评估

文昌观测场作为海南儋州热带农业生态系统国家野外科学观测站观测区之一，在国家野外科学观测研究站的统一规划和指导下，围绕热带农业绿色发展需要，系统开展热带农业生态系统水、土、气、生等要素的长期、连续、动态的定位监测和数据汇聚，形成了系统的观测指标、观测方法、和观测质量控制体系。文昌观测样地的设置、观测和维护、样品的采集、样品制备与保存、数据填报和质控规范根据《中国生态系统研究网络（CERN）长期观测规范》[15-18]执行。

本数据集所涉及的样本序列均经过数据处理和统计，包括过滤低质量、数据产出及质控统计。原始序列首先经过低质量过滤（Trimmomatic[19], version0.33），然后识别并去除引物序列（cutadapt，version1.9.1），进行拼接（Usearch，version1.2.11），拼接后去除嵌合体（UCHIME[20], version1.2.11），得到最终的高质量序列。最后统计各阶段的序列数，序列长度等参数对数据进行评估。