摘要
贵州土地平整后存在养分降低的现象。以贵州黄壤为研究对象，分析深层土壤微生物群落及基因功能特征，为山区土地平整后土壤快速改良提供理论依据。取耕层（0 ～ 30 cm）和深层（30 ～ 60 cm）土壤，利用宏基因组技术研究黄壤中微生物群落结构和基因功能的差异。结果显示，耕层和深层土壤样品中共获得 7872 个物种； 与耕层土壤相比，深层土壤特有基因数提高了 64.12%，但微生物多样性降低了 5.36%。在群落组成上，深层土壤细菌相对丰度降低，古菌、真核生物及病毒的相对丰度增加；在门水平上，深层土壤变形菌门（Proteobacteria） 和放线菌门（Actinobacteria）相对丰度较耕层分别降低 32.07% 和 54.58%，绿弯菌门（Chloroflexi）和酸杆菌门 （Acidobacteria）相对丰度分别增加 288.30% 和 48.82% ；深层土壤奇古菌门相对丰度较耕层降低 59.83%；深层土壤子囊菌门较耕层土壤降低 15.90%。耕层土壤中显著富集了细菌的放线菌门、芽单胞菌门（Gemmatimonadetes） 以及古菌的奇古菌门（Thaumarchaeota）；深层土壤中显著富集了细菌的酸杆菌门、绿弯菌门、厚壁菌门（Firmicutes）。深层土壤代谢通路的功能基因丰度整体低于耕层土壤，其中以碳水化合物代谢最丰富；深层土壤中 6 种碳水化合物活性酶家族基因丰度均低于耕层土壤，其中土壤糖苷水解酶、糖基转移酶、碳水化合物结合模块及辅助氧化还原酶差异显著，其深层土壤较耕层土壤分别降低 24.98%、15.46%、39.36%、42.93%，且土壤中 korA、 xylA、narZ、ureC、ppx-gppA、phoD 等碳氮磷循环过程中的关键基因相对丰度表现出深层较耕层降低的同样趋势。由此可见，深层土壤微生物群落结构及功能与耕层土壤有显著差别，深层土壤聚集的菌群中相关代谢通路功能基因和碳水化合物活性酶功能基因丰度降低了养分循环能力，进而影响土壤养分供应及熟化速度。
Abstract
There is a phenomenon of nutrient reduction after land leveling in Guizhou. Taking yellow soil of Guizhou province as the research object，the characteristics of microbial community and gene function in deep soil were analyzed to provide theoretical basis for rapid soil improvement after land leveling in mountainous areas. Metagenomic techniques were used tostudy the differences of microbial community structure and gene function in yellow soil from topsoil（0-30 cm）and deep soil （30-60 cm）. The results showed that a total of 7872 species were obtained from topsoil and deep soil samples. Compared with the topsoil，the number of specific genes in deep soil increased by 64.12%，but the microbial diversity decreased by 5.36%. In terms of community composition，the relative abundance of bacteria in deep soil decreased，while the relative abundance of archaea，eukaryotes and viruses increased. At the phylum level，the relative abundance of Proteobacteria and Actinobacteria in deep soil decreased by 32.07% and 54.58%，respectively，compared with that in the topsoil layer. The relative abundance of Chloroflexi and Acidobacteria increased by 288.30% and 48.82%，respectively. The relative abundance of archaea in deep soil was 59.83% lower than that in topsoil layer. Ascomycetes in deep soil decreased by 15.90% compared with those in topsoil. Actinomycetes，Gemmatimonadetes and Thaumarchaeota of archaea were significantly enriched in the topsoil. Acidobacteria，Chlorocurvula and Firmicutes were significantly enriched in the deep soil. The abundance of functional genes of metabolic pathways in deep soil was lower than that in topsoil，and carbohydrate metabolism was the most abundant. The gene abundance of six carbohydrate active enzyme families in deep soil was lower than that in topsoil，and there were significant differences in soil glycoside hydrolase，glycosyltransferase，carbohydrate binding module and cooxidoreductase，which decreased by 24.98%，15.46%，39.36% and 42.93% in the deep soil，respectively，compared with topsoil. The relative abundance of key genes in the carbon，nitrogen and phosphorus cycling process of korA，xylA，narZ， ureC，ppx-gppA and phoD in soil showed the same trend of decrease in the deep layer compared with the topsoil layer. In conclusion，the structure and function of microbial communities in deep soil were significantly different from those in the topsoil soil. The abundance of relevant metabolic pathway functional genes and carbohydrate active enzyme functional genes in the microbial communities gathered in deep soil reduced the nutrient cycling capacity，thus affecting the soil nutrient supply and ripening rate.
Keywords
土地破碎化是农业现代化的主要障碍，多存在于西南山区[1]。土地平整是挖掘丘陵地区耕地潜力、增加耕地有效面积的途径之一。在平整过程中，多采用底土上翻、表土剥离等方式[2]，使原有土体结构受到破坏，短期内对土壤肥力和作物生长具有较大的负面影响[3]。在目前的研究中较多的从土壤物理化学角度和熟化年限对平整土壤质量下降原因进行解释。研究显示，土地平整后短期内土壤物理化学性质会发生变化，土层厚度加深，土壤体积质量总体减小，有机质、碱解氮、速效钾和有效磷含量下降[4-5]。土壤有机碳质量分数降低、土壤 pH 值提高[6]。土壤 Fe、Mn、Cu、Zn 等微量元素的含量均下降[7]。土壤微生物是土壤营养元素循环的重要参与者[8]，在土壤的形成与发育、有机质的分解、土壤熟化过程中起到重要作用[9-10]。叶晶等[6]采用磷脂脂肪酸法研究发现，土地平整后土壤微生物多样性 Shannon 指数、各菌群相对丰度以及磷脂脂肪酸含量均显著下降。因此从土壤微生物角度去认识平整后土壤低生产力的原因，对土壤培肥改良具有重要意义。土壤平整后的变化原因主要是由于原表土被剥离，下层土壤成为新表土[11]，了解深层土壤微生物群落结构及功能，为新平整土壤的快速改良提供基础理论。目前，宏基因组技术具有免分离培养、可直接提取微生物遗传物质的特点，在土壤微生物研究中得到了广泛的应用[12]，王小利等[13]利用宏基因组研究施肥方式对土壤改良的影响发现平衡施肥有利于土壤中富集更多的碳氮循环基因。段见阳等[14]利用宏基因组研究发现长期施肥可显著提高微生物物种多样性，李凤霞等[15]利用宏基组研究发现种植玉米改善了微生物结构，盐渍化土壤进而得到修复。可见宏基因在农业措施对土壤改良中已经有相关研究，但在土壤平整改良中应用的较少。本研究以贵州黄壤为目标，采用宏基因测序方法，一方面研究贵州黄壤的全基因特征，另一方面对比耕层和深层土壤微生物结构及功能差异，为贵州省土壤耕作潜力挖掘及土壤健康培育提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验地点
试验地位于贵州省安顺市平坝区，地处北纬 25°21′～26°38′、东经 105°13′～106°34′，该区是典型的喀斯特地貌，属高原型湿润亚热带季风气候，雨量充沛，年平均降水量 1360 mm，年平均气温 14℃，历史最高气温 34.3℃，最低气温-7.6℃，年平均相对湿度 80%。
1.2 试验设计
2022 年 7 月 1 日在安顺市平坝区选择旱地耕地土壤，取样时土壤无种植作物，按照随机多点混合的原则，除去土壤表层凋落物后，利用土钻分别采集耕层（0～30 cm）和深层（30～60 cm）土壤样品，并标记为 R（耕层土壤）和 N（深层土壤） 处理，每个处理取 3 个重复，共 6 个混合土壤样品。从所得 6 个混合土样中分别取 200 g 鲜土放入液氮罐中，带回实验室后及时送检，剩余样品自然风干，用于测定其他常规指标。
1.3 样品测试
1.3.1 土壤理化性质测试
土壤 pH 用（土水比 1∶2.5）浸提电位法测定； 土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定；全磷采硫酸-双氧水联合消煮后用钼锑抗比色法测定；碱解氮用碱解扩散法测定；有效磷用 0.5 mol/L 碳酸氢钠浸提后用钼锑抗比色法测定；土壤全钾采用氢氧化钠熔融后火焰光度法测定；土壤速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定；土壤质地用指测法测定。以上方法均参照《土壤农化分析》进行[16]。
1.3.2 宏基因组测序
采用天根磁珠试剂盒对样本的基因组 DNA 进行提取，利用 1% 的琼脂糖凝胶电泳检测分析 DNA的纯度和完整性；使用 Qubit® dsDNA Assay Kit in Qubit® 2.0 Flurometer（Life Technologies，CA，USA） 对 DNA 进行定量，取适量样本于离心管中，用无菌水稀释样品至 OD 值在 1.8～2.0 之间。取样本的 1μg 基因组 DNA，使用 NEBNext® Ultra DNA Library Prep Kit for Illumina（NEB，USA）进行文库的构建，用 Covaris 超声波破碎仪随机打断成长度约为 350 bp 的片段，经末端修复、加 A 尾、加测序接头、纯化、PCR 扩增等步骤完成整个文库制备。
文库构建完成后，先使用 Qubit 2.0 进行初步定量，稀释文库至 2 ng/μL，随后使用 Agilent 2100 对文库的 insert size 进行检测，insert size 符合预期后，使用 Q-PCR 方法对文库的有效浓度进行准确定量 （文库有效浓度 >3 nmol/L），以保证文库质量。库检合格后，把不同文库按照有效浓度及目标下机数据量的需求 pooling 后进行 Illumina PE150 测序。
测序结果数据出来后，进行数据质量控制处理。首先移除质量值低于 38 且连续长度超过 40 bp 的低质量 reads，去除含有超过 10 bp 的 N 碱基的 reads，以及去除与 Adapter 重叠超过 15 bp 的 reads，以获得高质量 reads。其次使用 MEGAHIT 对高质量 reads 进行宏基因组组装，生成 Scaftigs。通过 Bowtie2 比对高质量 reads 至 Scaftigs，筛选出不小于 500 bp 的 Scaftigs；使用 MetaGeneMark 对筛选出的 Scaftigs 进行 ORF 预测，过滤掉长度小于 100 nt 的信息；接着是构建非冗余基因集，使用 CD-HIT 进行去冗余分析，默认以 identity 95%， coverage90% 进行聚类，并选取最长的序列为代表性序列；最后采用 Bowtie2，将各样品的 reads 与非冗余基因集进行比对，统计各基因在各样品中的丰度信息。
物种注释使用 DIAMOND 将非冗余基因集与 NR 数据库中抽提出的细菌（Bacteria）、真核生物 （Eukaryota）、古菌（Archaea） 和病毒（Viruses） 序列进行比对以获得相应的物质注释信息，进而进行后续的统计分析。以上检测均在诺禾致源公司完成。
1.4 数据处理
采用 Excel2016 和 R 语言对数据进行处理，其中 R 语言采用 vegan 包分析土壤微生物多样性，应用 LEfSe 方法分析微生物进化及差异，通过 Diamond 将非冗余基因集序列与京都基因与基因组百科全书（KEGG）的基因数据库和碳水化合物活性酶（CAZy）数据库进行比对注释丰度，比对参数设置期望值为 evalue ≤ 1e-5。
2 结果与分析
2.1 深层土壤养分特征
不同处理土壤理化性质如表1所示，耕层土壤与深层土壤间土壤养分差异显著，与耕层土壤相比，深层土壤 pH、有机质、速效养分（碱解氮、速效钾、有效磷）以及全量养分（全氮、全磷）均降低，全钾显著增加。
表1土壤基础理化性质
注：同行不同字母表示处理间差异显著（P<0.05）。下同。
2.2 深层土壤微生物多样性及微生物种群结构
2.2.1 土壤微生物多样性
根据微生物的相似程度，将其划分为界（kingdom）、门（phylum）、纲（class）、目（order）、科 （family）、属（genus）、种（species）不同分类水平，其中界是分类的最高水平，种是最基本的分类单位。本研究通过宏基因组测序发现，耕层和深层土壤样品中共有 7872 个物种，耕层土壤特有物种1441 个，深层土壤特有物种 2365 个，较耕层提高了 64.12%（图1）。深层与耕层土壤中微生物多样性具有差异（表2），深层土壤微生物 Shannon 指数和 Simpson 指数显著低于耕层土壤，而 Ace 指数、Sobs 指数、Chao1 指数显著高于耕层土壤。表明深层土壤微生物多样性降低，但物种较为丰富，且分布均匀。
图1耕层与深层土壤微生物物种维恩图
表2耕层与深层土壤微生物多样性指数
2.2.2 深层土壤对界水平微生物组成的影响
在界分类水平上，耕层和深层土壤中各个菌群基因相对丰度如图2所示。耕层和深层土壤中细菌 （Bacteria）占主导地位，其次是古菌（Archaea）、真核生物（Eukaryota）和病毒（Virus）。深层土壤细菌相对丰度较耕层土壤低 7.38%，而古菌、真核生物和病毒在深层土壤中的相对丰度都显著高于耕层土壤。
图2耕层和深层土壤中界水平上的物种相对丰度
注：R 表示耕层处理，N 表示深层处理；下同。柱形图上不同小写字母表示同一界水平下的微生物种群在不同处理间差异显著（P<0.05）。
2.2.3 深层土壤对门和属水平微生物组成的影响
在细菌门水平中（图3A），变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）、酸杆菌门（Acidobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）为耕层和深层土壤的细菌优势种群。与耕层相比，深层土壤使变形菌门和放线菌门相对丰度分别降低 32.07%、54.58%、绿弯菌门和酸杆菌门相对丰度分别增加 288.30%、48.82%。在古菌门水平中 （图3B），奇古菌门（Thaumarchaeota）是耕层土壤的优势古菌门，占比 87.94%；广古菌门（Euryarchaeota）是深层土壤优势古菌门，占比 41.98%；与耕层土壤相比，深层土壤奇古菌门相对丰度降低了 59.83%。在真核生物门水平中（图3C），子囊菌门 （Ascomycota）是土壤中的优势真核生物门，深层土壤子囊菌门相对丰度为 39.82%，较耕层土壤降低 15.90%。
图3耕层和深层土壤中门水平上的物种丰度分析
注：A 为细菌门水平相对丰度前 10；B 为古菌门水平相对丰度前 10；C 为真核生物门水平相对丰度前 10。
在细菌属水平中（ 图4A），Solirubrobacter、 Nocardioides、Bradyrhizobium、Candidatus Entotheonella、Nitrospira 是耕层和深层土壤中的优势菌属，深层土壤与耕层土壤相比分别降低了 16.05%、 24.29%、0.66%、2.66%、1.56%；在古菌属水平中 （ 图4B），Nitrososphaera、Candidatus Nitrosocosmicus、 Candidatus Nitrosotalea、Methanosarcina 是优势菌属，深层土壤与耕层土壤相比分别降低了 1.18%、 2.41%、0.42%、0.90%；Rhizophagus、Aspergillus、 Fusarium、Polyporus、Oidiodendron、Rhizoclosmatium，是优势真菌菌属，深层土壤中的 Rhizophagus、 Aspergillus、Oidiodendron、Rhizoclosmatium 与耕层土壤相比分别降低了 1.22%、0.71%、0.10%、0.37%，此外，Fusarium 差异不明显，Polyporus（2.61%） 在深层土壤中不存在。
图4耕层和深层土壤中属水平上的物种丰度分析
注：A 为细菌属水平相对丰度前 10；B 为古菌属水平相对丰度前 10；C 为真核生物属水平相对丰度前 10。
2.3 深层土壤微生物显著差异类群分析
采用 LEfSe 方法从门到种水平对耕层和深层土壤微生物中的差异类群做进一步的筛选，由 LDA 得分高于 4.0 的分布图（图5A）可知，本研究土壤中有 37 个微生物类群存在显著差异，耕层土壤富集了 24 个分类群，而深层土壤则富集了 13 个。从门水平上看（图5B），耕层土壤中显著富集的种群依次是来自细菌的放线菌门（Actinobacteria）、芽单胞菌门（Gemmatimonadetes）以及古菌的奇古菌门 （Thaumarchaeota）；深层土壤中显著富集的种群依次来自细菌的酸杆菌门（Acidobacteria）、绿弯菌门 （Chloroflexi）、厚壁菌门（Firmicutes）。从属水平上看，耕层土壤中显著富集的种群依次是来自细菌属中的红杆菌属（Solirubrobacter）、Gemmatirosa、 Conexibacter、硝化螺属（Nitrospira）；深层土壤中显著富集的种群主要来自绿弯菌门的 Thermogemmatispora 和纤线杆菌属（Ktedonobacter）。
图5耕层和深层土壤 LEfSe 分析
注：A 为组间差异物种的 LDA 值分布图；B 为物种进化分支图。
2.4 深层土壤微生物功能基因分析
2.4.1 KEGG 功能分析
KEGG 是基因和基因组的百科全书，用于分析基因组功能。本研究土壤微生物群落有 6 类一级和 46 类二级功能代谢通路。图6显示，代谢相关基因丰度最高，其次为细胞过程、环境信息处理、遗传信息处理、有机系统和人类疾病，深层土壤代谢通路的基因丰度整体低于耕层土壤。二级功能中有 20 个差异显著，其中碳水化合物代谢最丰富，其次是氨基酸和能量代谢。
2.4.2 深层土壤 CAZy 基因
CAZy 数据库涵盖合成与分解复杂碳水化合物及糖复合物的酶类信息，共含有多糖裂解酶、糖基转移酶、糖苷水解酶、碳水化合物酯酶、碳水化合物结合模块以及辅助氧化还原酶 6 种碳水化合物活性酶家族。由表3可知，深层土壤 6 种碳水化合物活性酶家族处理整体较耕层处理低；其中土壤糖苷水解酶、糖基转移酶、碳水化合物结合模块及辅助氧化还原酶差异显著，其深层土壤较耕层土壤分别降低 24.98%、 15.46%、39.36%、42.93%。
图6土壤微生物群落功能注释结果
注：R1、R2、R3 为处理 R 的重复样本，N1、N2、N3 为处理 N 的重复样本。
表3土壤碳水化合物活性酶的分类统计结果
2.4.3 深层土壤碳氮磷功能基因
土壤微生物碳固定功能基因丰度如图7A 所示。从中可知，耕层土壤中除 accA 外，korA、acsA、 rbcL、pccA 等碳固定相关功能基因丰度都较深层土壤高，由图7B 可知，xylA、abfA、manB 和 amyA 等参与降解半纤维素和淀粉类物质功能基因也表现出同样的趋势。碳固定和碳降解相关功能基因相对丰度均在深层土壤中降低。土壤氮循环相关基因相对丰度在深层土壤中也呈下降趋势，如图8所示，分别是参与反硝化作用的 narZ、nirK、narH、nosZ 以及 narB 功能基因；参与氮代谢 ureC 的功能基因； 参与异化硝酸盐途径的 nrfA 功能基因；参与同化硝酸盐还原途径的 nrtC 功能基因。图9是参与土壤磷循环相关基因的丰度，由图9可知，参与无机磷溶解和有机磷矿化功能基因 ppx-gppA、phoD 和 pqqC 在深层土壤中也呈降低趋势。
图7耕层和深层土壤对参与碳循环相关功能基因相对丰度的影响
注：A 为参与固碳功能基因相对丰度；B 为参与碳降解功能基因相对丰度。
图8耕层和深层土壤对参与氮循环功能基因相对丰度的影响
图9耕层和深层土壤对磷循环功能基因相对丰度的影响
3 讨论
3.1 深层土壤降低了微生物多样性、提升了物种丰富度
土壤微生物对土壤肥力的形成和维持起着关键作用。土壤微生物包括细菌、古菌、真核生物、病毒等[17]。本研究土壤样品中共检测出 7872 个物种数量，深层土壤独有物种数较耕层土壤高了 64.12%，且其物种分布较为均匀。其原因可能是深层土壤受到较少的人为干扰，一些低氧环境下的物种被保留的较多。土壤微生物群落多样性和群落组成具有层位特异性，在不同的地层中存在差异[18]。有研究表明，随着土壤深度的增加，微生物多样性指数和微生物数量显著降低[19]。本研究结果进一步验证了此结论。本研究中，深层土壤微生物多样性比耕层土壤低，这与杜雄峰等[18]研究发现草地土壤微生物多样性随土壤深度增加而逐渐降低相一致。土壤微生物多样性与深层土壤中的 pH、氮、磷、钾等资源可利用性的降低有关，结合本研究深层土壤中 pH、养分元素含量等显著低于耕层土壤可知，这一结论进一步得到了验证，且王亚妮等[20]研究发现荒漠开垦为农田后，细菌群落多样性明显提高。
3.2 深层土壤养分较低、富营养种群相对丰度降低、寡营养菌富集。
黄壤主要微生物种群为细菌，其次是古菌、真核生物和病毒，表现为细菌 >古菌 >真核生物 >病毒，这与以往研究表现一致[21]；但本研究显示，细菌相对丰度在深层土壤中显著降低，古菌、真核生物及病毒丰度显著提高。本研究发现土壤中主要的优势种群是细菌的变形菌门、放线菌门、酸杆菌门、绿弯菌门，古菌的奇古菌门、广古菌门，真核生物的子囊菌门，这与前人研究一致[22-23]；深层土壤中的变形菌门和放线菌门相对丰度低于耕层土壤，绿弯菌门和酸杆菌门相对丰度高于耕层土壤； 深层土壤奇古菌门显著降低，子囊菌门丰度增加。结合 LEfSe 分析结果，表明耕层土壤中富集更加丰富的放线菌门、芽单胞菌门、变形菌门和奇古菌门以及土壤红杆菌属、Gemmatirosa、Conexibacter 和硝化螺属等有益菌属，而深层土壤显著富集的主要是细菌的酸杆菌门、绿弯菌门、厚壁菌门以及绿弯菌门下的 Thermogemmatispora、Ktedonobacter 等菌属。绿弯菌门丰度与土壤有机质呈显著负相关，其具有对难降解化合物的代谢潜力[24]。酸杆菌门参与转运蛋白过程[25]。绿弯菌门和酸杆菌门在营养贫瘠和缺氧的土壤中相对富集，是土壤养分贫瘠的指示细菌[26-27]，绿弯菌门下的 Thermogemmatispora、Ktedonobacter 菌属是土壤营养物质缺乏时抗胁迫的关键属菌[28]。奇古菌门包含了大量氨氧化古菌，是参与土壤硝化过程的关键微生物，且奇古菌门与有机质、有效氮和全氮含量呈显著负相关[29]。子囊菌门是营腐生生活的真菌，参与复杂有机质和木质纤维素的降解[30]。这与深层土壤有机质、速效养分（碱解氮、速效钾、有效磷）以及全量养分（全氮、全磷）含量显著降低，养分贫乏、肥力低相关，而表现出富营养种群相对丰度降低，寡营养种群相对丰度增加。属水平上，耕层和深层优势种群结构具有明显差异，深层土壤降低了 Solirubrobacter、Nocardioides、Candidatus Entotheonella、Nitrososphaera、 Candidatus Nitrosocosmicus 等具有促进土壤氮素循环功能和抑制病原菌的优势菌属相对丰度[31-33]。综上可发现，深层土壤减少了与土壤养分矿化相关的优势菌门和菌属的相对丰度，土地平整前后的肥力差异进而得到解释，即深层土壤上翻，深层土壤中主要富集的是寡营养微生物种群，进而限制了土壤矿化和养分提升速率，不利于作物生长。
3.3 深层土壤微生物代谢能力降低
KEGG 功能注释能够清晰展现土壤中微生物群落的基因功能特征，本研究中深层与耕层土壤的代谢功能差异显著，且深层土壤代谢功能基因丰度整体较耕层土壤低，这与前人研究结果相一致[34]。一级层功能代谢通路中以新陈代谢占主导地位，新陈代谢相关的功能基因丰度最高，新陈代谢是土壤微生物参与土壤与环境之间的物质循环和能量转化过程的主要功能[23]。微生物的分解作用、代谢过程中产生的气体交换，也有助于改善土壤的通气性和结构。在二级功能代谢通路中，所有参与新陈代谢功能的菌群以碳水化合物代谢功能相对丰度最高，其次是氨基酸代谢和能量代谢，与毛晓雅等[35]的研究结果一致，碳水化合物代谢能够分解、转化碳水化合物，氨基酸代谢具有将蛋白质分解转化为铵态氮的作用。从而提高土壤养分含量，为作物生长提供源源不断可利用的营养元素。这说明了土壤微生物群落结构组成不同的同时，也会使土壤微生物代谢通路丰度产生差异。碳水化合物活性酶（CAZy）能够参与碳水化合物的降解和合成[36]，碳水化合物活性酶含量高，意味着土壤中能够给微生物活动提供更多的能量参与土壤中的代谢活动。本研究中，耕层和深层土壤碳水化合物活性酶以糖苷水解酶基因丰度最高，与前人研究结果一致[21]。耕层土壤中 6 种碳水化合物活性酶家族功能基因数均高于深层土壤，可见深层土壤微生物碳循环基因及代谢活动较耕层土壤少，碳元素的利用率低。结合本研究对碳循环基因的分析发现，深层土壤碳代谢较低，与土壤中 xylA、abfA、manB 和 amyA 等参与降解半纤维素和淀粉类物质功能基因相对丰度较少有关。由此可知，深层土壤中的代谢通路基因以及参与碳循环基因相对丰度整体都较耕层土壤低。深层土壤碳代谢的降低可能与碳来源较少有关，卞清等[37]研究表明，有机物料还田增加了降解碳功能基因丰度。本研究还发现深层土壤氮磷循环关键功能基因也较耕层土壤少，这与氮和磷养分含量差异表现出相同的差异趋势，说明土壤中的养分矿化利用与土壤微生物携带的基因功能丰度相关，这一发现有待进一步研究。
4 结论
综上所述，贵州省耕地深层土壤微生物多样性较耕层土壤低，优势种群和显著富集物种差异明显，深层土壤中富集了寡营养微生物群落，且微生物的代谢功能通路、碳水化合物活性酶功能基因以及碳氮磷相关功能基因相对丰度都较耕层土壤低。研究揭示了深层土壤聚集的菌群中具有的相关代谢通路功能基因、碳水化合物活性酶功能基因以及碳氮磷循环功能基因丰度满足不了土壤生产力的需求，进而影响土壤熟化速度。后续在加速土壤熟化的工作中，可从微生物群落组成和功能基因层面开展。该研究从微生物角度为山区土地平整后的土壤肥力提升及改良工作提供了新思路。