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不同耕作方式配施有机肥对盐碱地玉米根际土壤微生物群落的影响

花匠小妙招
2024-11-29 12:08

玉米(Zea mays L.)是宁夏的主要粮食作物, 年均产量占粮食总产量的34%, 在宁夏农业经济中具有至关重要的地位[1]。土壤盐渍化是一个全球性问题, 全球盐碱地面积约为954万hm2, 中国的盐碱地总面积约为99.1万hm2, 其中30%具有农用价值[2]。宁夏的盐碱地面积占灌溉总面积的40%, 盐碱地会导致玉米产量降低甚至完全绝收[3-4]。因此, 合理利用盐碱地并降低其盐碱化程度已成为当前研究的热点。

土壤微生物在生态系统中扮演着重要角色, 其多样性能够反映土壤生态环境的状况[5]。土壤微生物群落对农田的可持续生产具有明显影响, 其变化往往反映土壤代谢产物的变化[6-7]。在盐碱地修复过程中, 土壤微生物起着关键作用。已有研究表明, 土壤微生物能够恢复退化盐碱地的肥力, 其能通过固氮和调动关键养分(如磷和钾)至作物植株, 提高作物对养分的利用效率, 同时改善和修复土壤结构[8]。此外, 土壤微生物通过分解无机物提供作物生长发育所需的养分, 而根际是这些过程发生的主要场所, 因此, 研究多集中于根际土壤微生物群落结构[9]。

长期不合理的耕作方式会导致耕层深度的降低和犁底层厚度的增加, 进而减少土壤入渗水量和深层渗漏量, 降低养分利用效率[10]。此外, 化肥的过度使用引发了土地退化、非点源污染和温室气体排放等严重的环境问题[11]。与传统耕作方式不同, 垂直深旋耕能够在不扰动土层的情况下粉碎深层土壤, 提高土壤水分渗透性并促进土壤盐分的浸出[12]。有机肥的施用不仅能促进作物对养分的吸收、提高土壤肥力, 还能增加土壤湿度并减少化肥的使用。有研究表明, 盐碱地施用有机肥可降低土壤的pH值和全盐含量[13]。目前已有研究显示, 垂直深旋耕和施用有机肥能够提高土壤微生物的群落丰富度和多样性[14-15]。Liu等[16]的研究发现, 深旋耕能够提高土壤细菌菌门中厚壁菌门和拟杆菌门的相对丰度; Zhang等[17]的研究则表明, 施用有机肥能够提高土壤细菌菌门中放线菌门和拟杆菌门的相对丰度, 并增加真菌菌门中子囊菌门的相对丰度。然而, 目前关于垂直深旋耕对盐碱地土壤微生物丰富度、多样性和群落组成影响的研究较少, 且关于盐碱地施用有机肥对土壤修复及微生物群落影响的研究也较为缺乏。因此, 本研究设置了传统翻耕和垂直深旋耕两种耕作方式, 并设定了4个有机肥施用水平, 以探究不同耕作方式和有机肥施用水平对盐碱地玉米根际土壤化学性质和微生物群落结构的影响。研究旨在阐明不同耕作方式和有机肥施用水平组合下, 玉米根际土壤pH值、全盐含量、速效养分含量以及微生物的群落组成特征, 揭示盐碱地改良过程中土壤化学性质与微生物群落的互作效应, 提出能显著降低pH值和全盐含量、提高盐碱地玉米根际土壤微生物群落多样性和速效养分含量的最佳农艺措施组合, 为盐碱地耕作改土、肥力提升和玉米增产提供理论依据和技术支撑。

1. 材料和方法

1.1 试验地概况

本试验于2022年4月至2022年10月在宁夏石嘴山市平罗县前进农场(38°50′ N, 106°24′ E)开展。该地区属于半干旱大陆性气候, 海拔高度为1150 m。降水和蒸发主要集中在4—10月, 年平均蒸发量为1875 mm, 降雨量为205 mm, 年均气温为9.5℃。由于降水量少而蒸发量大, 导致该地土壤盐渍化严重。试验地为中度盐碱地, 土壤的基本性质如下: pH值为7.98, 全盐含量2.31 g∙kg−1, 有机质含量14.20 g∙kg−1, 碱解氮含量30.29 mg∙kg−1, 速效磷含量22.00 mg∙kg−1, 速效钾含量214.27 mg∙kg−1。

1.2 试验设计

本试验采用裂区设计, 主区为耕作方式, 设有传统翻耕(CT)和垂直深旋耕(DV)两种处理, 耕深分别为20 cm和45 cm。副区为有机肥施用量, 设有4个水平: 分别为0 kg∙hm−2 (O1)、7500 kg∙hm−2 (O2)、15 000 kg∙hm−2 (O3)、22 500 kg∙hm−2 (O4)。总共形成8个处理组合: CTO1、CTO2、CTO3、CTO4、DVO1、DVO2、DVO3和DVO4, 每个处理重复3次。每个试验小区的尺寸为48 m2 (8 m×6 m)。供试品种为‘先玉1225’, 种植密度为66 700株∙hm−2。施肥种类为: 尿素(N 46%)、磷酸二铵(N 18%, P2O5 46%)、硫酸钾(K2O 50%), 纯N施用量300 kg∙hm−2, 纯P (P2O5)施用量180 kg∙hm−2, 纯K (K2O)施用量90 kg∙hm−2, 有机肥为羊粪鸡粪混合堆肥(N 1.2%, P2O5 0.8%, K2O 1.0%)。磷肥、钾肥和有机肥均作为基肥施用, 氮肥则50%作为基肥, 剩余50%在玉米大喇叭口期追施。除施肥外, 其他田间管理措施一致。

1.3 测定项目和方法 1.3.1 玉米根际土壤样品的采集与保存

在玉米开花期, 每个小区随机采集5株长势相同的玉米植株的根际土壤样品, 具体步骤为: 对铲子进行消毒后, 沿着玉米茎周围向下挖约40 cm, 之后将玉米植株连根带土拔起, 轻轻晃动玉米植株的根部, 从而收集附着在玉米根部的土壤, 将每个处理收集的玉米根际土壤放入对应的无菌袋中, 低温运至实验室。

每个处理采集到的土样分为两部分: 一部分风干、研磨和过筛, 用于测定根际土壤的化学性质; 另一部分装入经过灭菌处理的离心管, 使用液氮速冻后, 存放在−80℃冰箱中, 用于分析微生物群落结构。

1.3.2 玉米根际土壤化学性质的测定

使用pH计测定土壤pH值(水土比5∶1), 使用电导率仪测定土壤电导率并计算全盐含量(水土比5∶1), 使用重铬酸钾容量法测定土壤有机质含量, 使用碱解扩散法测定土壤碱解氮含量, 使用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定土壤速效磷含量, 使用醋酸铵浸提-火焰光度法测定土壤速效钾含量。具体操作参考鲍士旦编著《土壤农化分析》[18]。

1.3.3 玉米成熟期干物质量及产量的测定

于玉米成熟期每小区采集生长健康, 具有代表性的植株3株, 取地上部, 按茎、叶、苞叶、穗轴、籽粒分为5个部分擦拭表面尘污后分别装袋, 于烘箱105℃杀青30 min, 80℃烘干至恒重, 称量各部分质量后计算穗重和总干物重。

玉米成熟期, 收获小区最中间5行玉米, 对玉米脱粒后称重, 并使用帝强MinIGAC水分测定仪(美国)对玉米籽粒进行水分测定, 计算产量。

1.3.4 玉米根际土壤微生物测定方法

根据美国Mpbio公司的土壤基因组DNA提取试剂盒说明书, 提取0.5 g土壤样品的总DNA。用1%琼脂糖凝胶电泳验证DNA质量, 并用超微量分光光度计(NanoDrop2000,美国)检测浓度。以提取的DNA为模板, 对细菌V3-V4区和真菌ITS1区进行PCR扩增和MiSeq测序。细菌引物为338F和806R, 真菌引物为ITS1F和ITS2R。PCR扩增在PCR扩增仪(ABI GeneAmp 9700, 美国)上进行, 产物通过2%琼脂糖凝胶电泳回收, 并用AxyPrep试剂盒纯化。使用Quantus荧光计测量回收产物。建库采用NEXTELEX Rapid DNA-Seq Kit, 测序在MiSeq PE300平台上进行(上海天昊生物科技有限公司)[19-20]。

1.4 数据处理与分析

使用Microsoft Excel 2020对玉米根际土壤pH值、全盐含量、有机质含量、碱解氮含量、速效磷含量、速效钾含量、玉米干物质量、产量、细菌和真菌α多样性以及细菌和真菌门、属水平的相关数据进行整理, 使用origin2022进行单因素方差分析(LSD检验)并绘制柱状体图和弦图。使用R4.3.2的vegan、tidyverse、ggrepel、psych、pheatmap、ggplot2包进行根际土壤微生物的β多样性分析, 根际土壤微生物群落与土壤化学性质的冗余分析、组间相关性分析, 并绘图。

2. 结果与分析

2.1 不同处理对玉米根际土壤化学性质和玉米生物量、产量的影响

图1展示了不同处理对玉米根际土壤化学性质及玉米生物量和产量的影响。DVO3和DVO4处理下, 玉米根际土壤的pH值和全盐含量分别为7.32、7.30和1.64 g∙kg−1、1.61g∙kg−1, 显著低于其他处理3.94%~9.20%和6.31%~25.96% (P<0.05) (图1A-B)。与此同时, 在DVO3和DVO4处理下, 玉米根际土壤的有机质含量分别为24.40 g∙kg−1和24.44 g∙kg−1, 碱解氮含量分别为52.03 mg∙kg−1和52.83 mg∙kg−1, 速效磷含量分别为26.18 mg∙kg−1和26.48 mg∙kg−1, 速效钾含量分别为285.19 mg∙kg−1和287.26 mg∙kg−1, 均显著高于其他处理(P<0.05) (图1C-F)。此外, 在DVO3和DVO4处理下, 玉米的干物质量分别为471.19 g和470.47 g, 穗重分别为295.69 g和296.13 g, 产量分别为18.74 t∙hm−2和18.61 t∙hm−2, 较其他处理均有显著提高(P<0.05) (图1G-I)。综上所述, DVO3和DVO4处理显著降低了盐碱地玉米根际土壤的pH值和全盐含量, 显著提高了速效养分和有机质含量以及玉米的干物质量和产量。

图 1 不同处理对玉米根际土壤pH值(A)、全盐含量(B)、有机质含量(C)、碱解氮含量(D)、速效磷含量(E)、速效钾含量(F)成熟期干物质量(G)、成熟期穗重(H)和产量(I)的影响

CT和DV分别为传统翻耕和垂直深旋耕, O1、O2、O3、O4分别为施用0、7500 kg∙hm−2、15 000 kg∙hm−2和22 500 kg∙hm−2有机肥。不同小写字母表示同一指标在不同处理间差异显著(P<0.05)。CT and DV refer to traditional plowing and deep vertical rotary tillage, respectively. O1, O2, O3, and O4 represent the application of organic fertilizer at rates of 0, 7500, 15 000, and 22 500 kg∙hm−2, respectively. Different lowercase letters indicate significant differences between treatments for the same indicator (P<0.05).

Figure 1. Effects of different treatments on the pH value (A), total salt content (B), organic matter content (C), alkali-hydrolyzable nitrogen content (D), available phosphorus content (E), available potassium content (F) in the rhizosphere soil of maize, dry matter mass at maturity (G), ear weight at maturity (H), and yield (I)

2.2 不同处理对玉米根际土壤微生物群落的影响 2.2.1 不同处理对玉米根际土壤微生物OTU数目的影响

不同处理下玉米根际土壤微生物OTU数目如图2所示, 各处理细菌群落所共有的OTU数目为852个(图2A), 真菌群落所共有的OTU数目为202个(图2B), DVO3、DVO4和CTO3、CTO4处理下细菌群落和真菌群落的特有OTU数目均分别高于DVO2、DVO1和CTO2、CTO1处理, 表明施用15 000~22 500kg∙hm−2有机肥能提高玉米根际土壤微生物特有OTU数目。此外, DVO3、DVO4和DVO2、DVO1处理下细菌群落和真菌群落的特有OTU数目均分别高于CTO3、CTO4和CTO2、CTO1处理, 表明垂直深旋耕较传统翻耕能提高玉米根际土壤微生物特有OTU数目。

图 2 不同处理下玉米根际土壤细菌群落(A)和真菌群落(B)的OTU数目

CT和DV分别为传统翻耕和垂直深旋耕, O1、O2、O3、O4分别为施用0、7500 kg∙hm−2、15 000 kg∙hm−2和22 500 kg∙hm−2有机肥。CT and DV refer to traditional plowing and deep vertical rotary tillage, respectively. O1, O2, O3, and O4 represent the application of organic fertilizer at rates of 0, 7500, 15 000, and 22 500 kg∙hm−2, respectively.

Figure 2. Number of OTUs in rhizosphere soil bacterial community (A) and fungal community (B) of maize under different treatments.

2.2.2 不同处理下玉米根际土壤微生物β多样性和α多样性分析

NMDS分析显示, 细菌(图3A)和真菌(图3B)群落的胁迫系数(stress)分别为0.1089和0.1620, 胁迫系数表示实际生态距离与NMDS映射在低维空间中的距离之间的差异, 细菌和真菌群落的胁迫系数均小于0.2, 表明NMDS分析结果可靠。R值越接近1, 表明组内样本更相似, 而与其他组的样本差异更大, P<0.05则表明组间差异具有统计显著性(ANOSIM分析), 细菌群落和真菌群落的R值分别为0.8644和0.7421, P=0.001, 表明各处理细菌和真菌群落组间差异显著且具有统计显著性。

图 3 不同处理下玉米根际土壤细菌群落(A)和真菌群落(B)的β多样性分析

Figure 3. Beta diversity analysis of rhizosphere soil bacterial community (A) and fungal community (B) of maize under different treatments.

不同处理下玉米根际土壤微生物的α多样性如图4所示。DVO3和DVO4处理下细菌和真菌的ACE指数分别为2186.74、2146.02和393.26、400.12, 均显著高于其他处理(P<0.05) (图4A、4E), Chao1指数分别为2220.51、2223.13和390.33、398.67, 均显著高于其他处理(P<0.05) (图4B、4F), 表明DVO3和DVO4处理下细菌和真菌群落的丰富度显著高于其他处理。此外, DVO3和DVO4处理下细菌和真菌的Shannon指数分别为6.83、6.87和4.32、4.36, 均显著高于其他处理(P<0.05) (图4C、4G), Simpson指数分别为0.0027、0.0029和0.0298、0.0259, 均显著低于其他处理(P<0.05) (图4D、4H), 表明DVO3和DVO4处理下细菌和真菌群落的多样性显著高于其他处理。综上所述, DVO3和DVO4处理能显著提高玉米根际土壤微生物的群落丰富度和多样性。

图 4 不同处理下玉米根际土壤细菌群落(A、B、C、D)和真菌群落(E、F、G、H)的α多样性分析

Figure 4. Analysis of alpha diversity of rhizosphere soil bacterium (A, B, C, D) and fungus (E, F, G, H) communities of maize under different treatments

2.2.3 不同处理下玉米根际土壤微生物群落结构

依据微生物分类学标准, 8个处理的24个玉米根际土壤样本的土壤细菌在门水平上可分为30个门, 其中相对丰度前10的细菌菌门分别为: 变形菌门(Proteobacteria) (31.68%~37.00%)、拟杆菌门(Bacteroidetes) (16.39%~25.72%)、绿弯菌门(Chloroflexi) (8.87%~14.14%)、酸杆菌门(Acidobacteria) (7.83%~10.58%)、放线菌门(Actinobacteria)、浮霉菌门(Planctomycetes)、疣微菌门(Verrucomicrobia)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)、蓝菌门(Cyanobacteria)和厚壁菌门(Firmicutes)(图5A-E)。DVO3和DVO4处理下玉米根际土壤变形菌门和拟杆菌门的相对丰度均显著高于其他处理(P<0.05) (图5B-C), 此外, 绿弯菌门和酸杆菌门的相对丰度较低, 但绿弯菌门只显著低于CTO1、CTO2和DVO1、DVO2处理, 酸杆菌门只显著低于CTO1、CTO2和DVO1处理(P<0.05) (图5D-E)。表明DVO3和DVO4处理能够显著提高玉米根际土壤优势细菌菌门中变形菌门和拟杆菌门的相对丰度, 一定程度上降低绿弯菌门和酸杆菌门的相对丰度。

图 5 不同处理下玉米根际土壤门水平前10的细菌菌群相对丰度(A)及变形菌门(B)、拟杆菌门(C)、绿弯菌门(D)、酸杆菌门(E)相对丰度

Figure 5. Relative abundance of the top 10 bacterial phyla in the rhizosphere soil of maize under different treatments (A) and the relative abundance of Proteobacteria (B), Bacteroidetes (C), Chloroflexi (D), and Acidobacteria (E)

8个处理的24个玉米根际土壤样本的土壤真菌在门水平上可分为12个门, 相对丰度前10的真菌菌门分别为: 子囊菌门(Ascomycota) (32.33%~48.75%)、担子菌门(Basidiomycota) (11.12%~18.57%)、被孢菌门(Mortierellomycota) (2.41%~5.65%)、球囊菌门(Glomeromycota) (2.21%~3.52%)、壶菌门(Chytridiomycota)、毛霉门(Mucoromycota)、罗兹菌门(Rozellomycota)、油壶菌门(Olpidiomycota)、Aphelidiomycota和芽枝霉门(Blastocladiomycota) (图6A-E)。DVO3和DVO4处理下玉米根际土壤子囊菌门和担子菌门的相对丰度显著高于其他处理(P<0.05)(图6B-C), 被孢菌门和球囊菌门的相对丰度较低, 但被孢菌门只显著低于CTO1、CTO2和DVO1处理, 球囊菌门只显著低于CTO3和DVO1处理(P<0.05) (图6D-E)。表明DVO3和DVO4处理能够显著提高玉米根际土壤优势真菌菌门中子囊菌门和担子菌门的相对丰度, 一定程度上降低被孢菌门和球囊菌门的相对丰度。

图 6 不同处理下玉米根际土壤门水平前10的真菌菌群相对丰度(A)及子囊菌门(B)、担子菌门(C)、被孢菌门(D)、球囊菌门(E)相对丰度

Figure 6. Relative abundance of the top 10 fungal phyla in the rhizosphere soil of corn under different treatments (A), and the relative abundance of Ascomycota (B), Basidiomycota (C), Mortierellomycota (D), and Glomeromycota (E)

不同处理下玉米根际土壤相对丰度前10的细菌菌属分别为: Ohtaekwangia (5.44%~12.88%)、Gp6 (3.46%~9.07%)、Gp7 (3.10%~7.78%)、芽单胞菌属(Gemmatimonas) (2.09%~2.98%)、黄色土源菌属(Flavisolibacter)、丰祐菌属(Opitutus)、节杆菌属(Arthrobacter)、假单胞菌属(Pseudomonas)、黄杆菌属(Flavobacterium)、类诺卡氏菌属(Nocardioides) (图7A-E)。DVO3和DVO4处理下玉米根际土壤Ohtaekwangia、Gp6和Gp7的相对丰度均显著高于其他处理(P<0.05) (图7B-D), 此外, 芽单胞菌属的相对丰度与其他处理的差异规律性较差(图7E)。表明DVO3和DVO4处理能够显著提高玉米根际土壤优势细菌菌属中Ohtaekwangia、Gp6和Gp7的相对丰度, 对芽单胞菌属的相对丰度的影响效果不明显。

图 7 不同处理下玉米根际土壤属水平前10的细菌菌群相对丰度(A)及Ohtaekwangia (B)、Gp6(C)、Gp7(D)、芽单胞菌属(E)相对丰度

Figure 7. Relative abundance of the top 10 bacterial genera in the rhizosphere soil of maize under different treatments (A) and the relative abundance of Ohtaekwangia (B), Gp6 (C), Gp7 (D), and Gemmatimonas (E)

相对丰度前10的真菌菌属分别为: 粪盘菌属(Ascobolus) (6.63%~26.89%)、线黑粉酵母属(Filobasidium) (6.41%~11.51%)、毛葡孢属(Botryotrichum) (3.80%~7.92%)、链格孢属(Alternaria) (3.77%~6.48%)、枝孢属(Cladosporium)、镰刀菌属(Fusarium)、被孢霉属(Mortierella)、翅孢壳属(Emericellopsis)、赤霉菌属(Gibberella)、Mycochlamys(图8A-E)。DVO3和DVO4处理下玉米根际土壤粪盘菌属、线黑粉酵母属和毛葡孢属的相对丰度均显著高于其他处理(P<0.05) (图8B-D), 此外, 链格孢属的相对丰度与其他处理的差异规律性较差(图8E)。表明DVO3和DVO4处理能够显著提高玉米根际土壤优势细菌菌属中粪盘菌属、线黑粉酵母属和毛葡孢属的相对丰度, 对链格孢属的相对丰度的影响不明显。

图 8 不同处理下玉米根际土壤属水平前10的真菌菌群相对丰度(A)及粪盘菌属(B)、线黑粉酵母属(C)、毛葡孢属(D)、链格孢属(E)相对丰度

Figure 8. Relative abundance of the top 10 fungal genera in the rhizosphere soil of maize under different treatments (A) and the relative abundance of Ascobolus (B), Filobasidium (C), Botryotrichum (D), and Alternaria (E)

2.2.4 玉米根际土壤微生物群落结构与土壤化学性质的关系

在门水平上对根际土壤微生物群落与土壤化学性质做冗余分析(RDA)。结果显示, 细菌群落与土壤化学性质冗余分析的第一和第二主成分轴分别解释了76.45%和11.52%的变异。不同处理下, 细菌菌门分布较分散, 而相同处理下则较集中。分析表明, 变形菌门和拟杆菌门的相对丰度与碱解氮、速效磷、速效钾及有机质含量呈正相关, 厚壁菌门则与速效钾和有机质含量呈正相关。同时, 绿弯菌门、酸杆菌门、放线菌门等与pH值和全盐含量呈正相关(图9A)。对于真菌群落, 第一和第二主成分轴分别解释了54.96%和38.38%的变异。不同处理下, 真菌菌门分布较分散, 相同处理下则较集中。分析表明, 子囊菌门、担子菌门等与碱解氮、速效磷、速效钾及有机质含量呈正相关, 而被孢菌门、球囊菌门等与pH值和全盐含量呈正相关(图9B)。

图 9 门水平上玉米根际土壤细菌(A)和真菌(B)群落与土壤化学性质的RDA分析

Figure 9. RDA analysis of rhizosphere soil bacterium (A) and fungus (B) communities and soil chemical properties of maize at the phylum level

在属水平上对根际土壤微生物群落与土壤化学性质做组间相关性分析, 结果表明: 细菌群落中, Ohtaekwangia、Gp6和Gp7的相对丰度与有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量极显著正相关(P<0.01), 而与pH值和全盐含量极显著负相关(P<0.01)。芽单胞菌属与速效钾和碱解氮含量显著负相关(P<0.05), 与有机质含量极显著负相关(P<0.01)。黄色土源菌属与速效钾、碱解氮和有机质含量极显著负相关(P<0.01), 但与全盐含量极显著正相关(P<0.01), 与pH值显著正相关(P<0.05)(图10A)。

图 10 属水平上玉米根际土壤细菌(A)和真菌(B)群落与土壤化学性质的相关性分析

pH、SC、AP、AN、AK、OM分别为pH值、全盐、速效磷、碱解氮、速效钾、有机质。*表示显著相关(P<0.05), **表示极显著相关(P<0.01)。pH, SC, AP, AN, AK, and OM are pH, total salts, quick phosphorus, alkaline dissolved nitrogen, quick potassium, and organic matter, respectively. * indicates significant correlation (P<0.05), ** indicates highly significant correlation (P<0.01).

Figure 10. Correlation analysis of rhizosphere soil bacterial (A) and fungal (B) communities with soil chemical properties in maize at genus level

在真菌群落中, 粪盘菌属和线黑粉酵母属与有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量之间极显著正相关(P<0.01), 但与pH值和全盐含量极显著的负相关(P<0.01)。毛葡孢属与有机质、碱解氮和速效钾含量极显著正相关(P<0.01), 与速效磷含量显著正相关(P<0.05), 与pH值和全盐含量显著负相关(P<0.05)。链格孢属与有机质和速效钾极显著正相关(P<0.01), 但与全盐含量显著负相关(P<0.05)。镰刀菌属与有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量极显著负相关(P<0.01), 而与pH值和全盐含量极显著正相关(P<0.01) (图10B)。

3. 讨论

3.1 不同处理对玉米根际土壤的化学性质的影响

在本研究中, 垂直深旋耕配施15 000~22 500 kg∙hm−2有机肥处理较其他处理显著降低了玉米根际土壤的pH值和全盐含量, 这与李学平等[21]和李磊等[22]的研究结果相一致。垂直深旋耕技术融合了垂直耕作、深耕及深松的优势, 与传统翻耕相比, 垂直深旋耕能够提高土壤的入渗效率和淋溶效率, 促进表层土壤盐分向下迁移, 该方法还打破了犁底层, 改善了表层土壤结构, 从而加速了可溶性盐的浸出。有机肥能够通过改善土壤保水性和提高土壤微生物活性来改良盐碱地。在垂直深旋耕的条件下施用有机肥, 相较于在传统翻耕条件下施用有机肥, 更能发挥其改良盐碱地的效果。因此, 在深旋耕的同时配施适量的有机肥, 可以显著降低盐碱地土壤的全盐含量和pH值。

长期进行传统翻耕会导致犁底层的产生, 限制耕作层与心土层之间的水分和养分交换, 从而导致土壤肥力下降。垂直深旋耕通过破坏犁底层, 改善了土壤的水肥转移状况, 从而提高了土壤肥力[23]。有机肥中含有大量的有机氮、有机磷和一定量的有机钾, 能够显著促进土壤微生物的繁殖。活跃的微生物群落可以加速有机养分的矿化, 进一步提高土壤中速效养分的含量。此外, 有机肥通过提升土壤有机质含量和增强土壤的保肥保水能力, 间接提升了土壤肥力和养分利用效率。在垂直深旋耕条件下施用有机肥, 相较于传统翻耕条件下施用有机肥, 对土壤速效养分和有机质含量的提升效果更加显著[24-25]。本研究中, 垂直深旋耕配施15 000~22 500 kg∙hm−2有机肥处理较其他处理显著增加了玉米根际土壤中的有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量, 这一结果也验证了前人的研究。

3.2 不同处理对玉米根际土壤微生物群落的影响

有研究表明, 土壤盐度会抑制土壤微生物的活性并降低其生物量, 且盐胁迫对土壤微生物群落的多样性产生负面影响。因此, 耕作模式和有机肥的施用通过改变土壤环境, 通常会影响土壤微生物群落的结构和多样性[26]。本研究发现随着施用有机肥量增加, 土壤微生物的群落丰富度和多样性随之增加, 这与Jin等[27]的施用有机肥能够提高根际土壤微生物的群落丰富度和多样性结果一致。Yao等[28]的研究指出, 垂直深旋耕降低了盐碱地细菌群落的丰富度和多样性, 但提高了真菌群落的丰富度和多样性。这是因为真菌比细菌对盐分的耐受能力更低, 垂直深旋耕降低了土壤含盐量, 从而促进了真菌群落丰富度和多样性的增加。然而, 我们的研究结果有所不同。本研究发现, 在相同有机肥施用量下, 垂直深旋耕与传统翻耕相比, 细菌和真菌群落的丰富度和多样性均有所提高。原因可能是本试验地点的土壤全盐含量远低于前者试验地点的土壤全盐含量, 使得土壤真菌对土壤盐度变化的敏感性降低, 因此当土壤盐度降低时, 细菌和真菌群落的丰富度和多样性均有所提高。本研究还发现, 当有机肥施用量在15 000~22 500 kg∙hm−2之间时, 土壤微生物群落多样性和丰富度提升效果不显著, 但在这个有机肥施用量区间, 垂直深旋耕较传统翻耕能够显著提高土壤微生物群落的多样性和丰富度, 推测垂直深旋耕较传统翻耕能够提高有机肥对土壤微生物多样性和丰富度提升的阈值。垂直深旋耕配施15 000~22 500 kg∙hm−2有机肥处理较其他处理能显著提高土壤微生物多样性和丰富度。

已有研究表明, 在盐碱地土壤中, 细菌在门水平上相对丰度较高的优势菌门包括变形菌门、放线菌门、拟杆菌门、绿弯菌门和酸杆菌门, 而真菌在门水平上相对丰度较高的菌门为子囊菌门、球囊菌门、担子菌门、壶菌门和被孢菌门[29]。本研究也得出了与之相符的结果。Guan等[30]和Shi等[31]的研究显示, 垂直深旋耕和施用有机肥能够改变根际土壤环境, 从而影响土壤微生物群落结构, 具体表现为提高细菌菌门中变形菌门、放线菌门、酸杆菌门和绿弯菌门的相对丰度, 以及真菌菌门中子囊菌门、担子菌门、被孢菌门和球囊菌门的相对丰度。然而, 本研究发现, 垂直深旋耕配施15 000~22 500 kg∙hm−2有机肥处理与其他处理相比, 显著提高了根际土壤细菌菌门中变形菌门、拟杆菌门和真菌菌门中子囊菌门、担子菌门的相对丰度, 而细菌菌门中酸杆菌门、绿弯菌门及真菌菌门中被孢菌门、球囊菌门的相对丰度却有所降低。这可能是由于本研究试验地为盐碱地, 细菌菌门中的变形菌门和放线菌门, 以及真菌菌门中的子囊菌门和担子菌门, 相较于细菌菌门中的酸杆菌门和绿弯菌门, 以及真菌菌门中的被孢菌门和球囊菌门, 对土壤盐分的耐受度更低, 对土壤盐分降低的敏感性更高。垂直深旋耕配施15 000~22 500 kg∙hm−2有机肥处理显著降低了土壤的全盐含量, 从而削弱了酸杆菌门、绿弯菌门及被孢菌门、球囊菌门的竞争优势, 导致其相对丰度降低。

不同地区盐碱地的细菌和真菌优势菌属存在差异。研究表明, 江苏滨海盐碱地的优势细菌菌属为芽孢杆菌属、芽单胞菌属、脱硫单胞菌属和Pirellula, 优势真菌菌属为Neosetophoma、木霉属、支顶孢属和柄孢壳属; 而宁夏盐碱地的优势细菌菌属为Ohtaekwangia、Gp6、芽单胞菌属, 优势真菌菌属为盘菌属、链格孢属、镰刀菌属和粪盘菌属[32-33]。本研究的试验地点为宁夏平罗, 玉米根际土壤中优势细菌菌属包括Ohtaekwangia、Gp6、Gp7和芽单胞菌属, 优势真菌菌属包括粪盘菌属、线黑粉酵母属、毛葡孢属和链格孢属。此外, 本研究还发现垂直深旋耕配施15 000~22 500 kg∙hm−2有机肥处理能够显著提高Ohtaekwangia和粪盘菌属的相对丰度, 这与已有研究[34-35]施用有机肥能够提高土壤中Ohtaekwangia和粪盘菌属的相对丰度结论相似。

3.3 玉米根际土壤优势微生物群落与土壤化学性质的关系

在细菌菌门中, 变形菌门细菌主要通过参与氮循环和磷循环, 促进速效养分的释放和转化, 同时在有机质分解过程中发挥重要作用。拟杆菌门细菌则通过分解复杂有机物, 释放速效养分, 并在有机质分解和矿化过程中起关键作用。此外, 变形菌门和拟杆菌门细菌多为富营养细菌, 当土壤中的有机质含量高时, 其相对丰度会增加, 因此两者的相对丰度与土壤速效养分和有机质含量呈正相关[36-38]。酸杆菌门和绿弯菌门细菌对盐分的耐受性较高, 这使得它们在盐分较高的环境中具有竞争优势, 因此两者的相对丰度与土壤全盐含量呈正相关[39]。本研究发现深旋耕配施15 000~22 500 kg∙hm−2有机肥处理较其他处理能显著提高变形菌门和拟杆菌门的相对丰度。变形菌门是土壤中最常见的细菌菌门之一, 具有高度的代谢多样性和生态适应性, 研究表明, 变形菌门在有机物分解、氮循环以及植物促生方面具有重要作用[40-41]。某些变形菌门成员能够参与固氮, 促进作物生长, 变形菌门对耕作方式和有机肥的响应较为敏感, 其丰度增加通常与土壤有机质含量和微生物活性提高有关[42]。拟杆菌门能够分解多糖类物质, 如纤维素和半纤维素, 从而释放作物可利用的养分, 有研究发现拟杆菌门的相对丰度在有机肥投入增加时显著提高, 这可能与有机肥提供的丰富碳源有关[43]。在深旋耕配施有机肥的处理下, 土壤结构得到改善, 通气性和保水能力提升, 有机肥的分解更为高效, 从而促进了变形菌门和拟杆菌门相对丰度的增加。

在真菌菌门中, 子囊菌门和担子菌门真菌通过分解有机质和促进养分循环, 显著影响土壤速效养分和有机质含量。子囊菌门真菌主要通过分解复杂有机物质释放速效养分, 而担子菌门真菌, 特别是菌根真菌, 通过菌丝网络提高植物对养分的吸收效率, 同时木腐菌通过分解木质素等复杂有机质增加土壤有机质含量, 因此子囊菌门和担子菌门相对丰度与土壤速效养分和有机质含量呈正相关[44-46]。被孢菌门和球囊菌门真菌能够适应并繁殖于盐渍化土壤中, 具有一定的耐盐性, 因此两者相对丰度与土壤pH值和全盐含量呈正相关[47-48]。本研究发现深旋耕配施15 000~22 500 kg∙hm−2有机肥处理较其他处理能显著提高子囊菌门和担子菌门的相对丰度。子囊菌门在有机质分解、碳循环以及作物健康方面起着关键作用, 某些子囊菌门成员能够分解复杂的有机化合物, 如纤维素和木质素, 从而释放可供作物利用的养分[49]。此外, 子囊菌门的活性通常与土壤物理和化学性质密切相关, 深旋耕配施有机肥处理通过改善土壤物理结构, 提供更丰富的碳源和养分, 使得子囊菌门的相对丰度得到提升[50]。担子菌门中的一些真菌与植物根系形成共生关系, 帮助植物更有效地吸收水分和养分, 特别是磷和氮, 从而提高植物的生长和抗逆性, 担子菌门真菌还可以通过其菌丝网络在土壤中形成稳定的结构, 增强土壤的团聚体结构, 提高土壤的通气性和水分保持能力[51-52]。

在细菌菌属中, Ohtaekwangia属于拟杆菌门, 是一种新发现的细菌菌属, 在土壤有机质分解和碳氮循环过程中起重要作用, 其相对丰度与土壤速效养分和有机质含量呈正相关[53]。Gp6和Gp7与土壤有机质和养分循环密切相关, 有研究表明, Gp6和Gp7的相对丰度与土壤有机质含量呈正相关[54]。芽单胞菌属细菌具有很强的环境适应能力, 能够在各种极端环境中生存, 包括高盐和极端pH值环境, 其相对丰度与土壤全盐含量和pH值呈正相关[55]。Ohtaekwangia的相对丰度在测得的土壤细菌菌属中最高, 对于深旋耕配施15 000~22 500 kg∙hm−2有机肥的反应最为敏感。Ohtaekwangia在土壤生态系统中可能扮演重要角色, 特别是在促进土壤健康和植物生长方面。它们参与有机物质的分解和矿化过程, 帮助释放植物可利用的养分, 其具有分解复杂有机物质的能力, 特别是在含有多糖和蛋白质的环境中。这种生物降解能力使其在有机物质循环中扮演重要角色, 有助于维持生态系统的平衡[56-57]。

在真菌菌属中, 粪盘菌属真菌通常在有机质丰富的环境中生长, 如粪便和腐殖质。它们能够分解复杂的有机物质, 释放出速效养分, 通过分解有机质, 粪盘菌属真菌有助于提高土壤肥力, 增加土壤中可利用的氮、磷含量[58]。线黑粉酵母属真菌能够参与有机质的转化过程, 在分解有机质的过程中释放出速效养分, 为植物生长提供必要的营养, 促进土壤有机质的循环[59]。毛葡孢属真菌具有强大的降解能力, 能够分解植物残体和其他有机物质, 释放出速效养分, 这些真菌有助于改善土壤结构, 增加土壤的通气性和保水性[60]。链格孢属真菌能够分解有机质, 释放出速效养分, 促进土壤养分的循环和再利用[61]。因此, 粪盘菌属、线黑粉酵母属、毛葡孢属和链格孢属相对丰度与土壤速效养分和有机质含量呈正相关。粪盘菌属的相对丰度在测得的土壤真菌菌属中最高, 对于深旋耕配施15 000~22 500 kg∙hm−2有机肥的反应最为敏感。粪盘菌属真菌在分解有机物质方面发挥重要作用, 特别是在分解粪便和腐烂植物材料方面。它们通过分解复杂的有机分子, 将其转化为简单的养分, 这些养分可以被植物吸收利用。通过分解有机物质, 粪盘菌属真菌在土壤中促进养分循环, 特别是碳和氮的循环。这对于维持土壤肥力和植物生长至关重要[62-63]。

4. 结论

垂直深旋耕配施15 000~22 500 kg∙hm−2有机肥处理显著降低了盐碱地玉米根际土壤的pH值和全盐含量, 同时显著增加了速效养分含量、玉米生物量和产量, 在垂直深旋耕配施15 000~22 500 kg∙hm−2有机肥处理下, 盐碱地玉米根际土壤微生物群落丰富度和多样性显著提升, 与土壤速效养分呈显著/极显著正相关关系的微生物门和属的相对丰度也显著增加。因此, 垂直深旋耕配施15 000~22 500 kg∙hm−2有机肥有利于盐碱地土壤的改良和养分循环。