• ISSN 1008-505X
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亚表层培肥结合覆膜提高干旱区盐碱地土壤肥力及优势菌群丰度的机理

张宏媛 卢闯 逄焕成 张建丽 刘娜 张晓丽 李玉义

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亚表层培肥结合覆膜提高干旱区盐碱地土壤肥力及优势菌群丰度的机理

    作者简介: 张宏媛E-mail:zhanghongyuan0429@163.com;
    通讯作者: 李玉义, E-mail:liyuyi@caas.cn

Mechanism of subsurface organic amendment combined with plastic mulching increasing soil fertility and microflora in an arid saline soil

    Corresponding author: LI Yu-yi, E-mail:liyuyi@caas.cn
  • 摘要: 【目的】针对西北干旱气候条件下表层土壤贫瘠多盐的特点,研究亚表层(10—30 cm)培肥结合地膜覆盖对盐碱地土壤化学性质及微生物区系的影响,为盐碱地合理耕层的构建提供参考。【方法】试验设在内蒙古五原县,以向日葵为供试作物进行田间小区和微区试验。设常规翻耕(CK)、翻耕 + 地膜覆盖(PM)、施有机肥(106.8 t/hm2)于亚表层(OM)、亚表层有机培肥 + 地膜覆盖(OMP)共4个处理。测定了春灌前、后以及向日葵收获后,不同耕作措施下土壤剖面的pH值、盐分、有机质和速效养分含量以及微生物区系。【结果】春灌前,亚表层培肥处理(OM、OMP)10—30 cm土层盐分含量比CK、PM处理分别增加了37.1%~52.9%、32.1%~47.2% (P < 0.05),但在春灌后盐分含量无显著差异。地膜覆盖具有很强的抑制返盐效果,OMP处理效果好于PM处理。作物收获后,OMP处理0—10 cm表层返盐率相对CK、PM和OM处理分别降低了131%、77.6%和106%,PM处理相对CK和OM处理分别降低了53.5%和28.7% (P < 0.05)。与CK相比,OM、OMP处理10—30 cm土层pH值分别降低了0.36、0.60个单位(P < 0.05),有机质、速效氮、速效磷、速效钾分别增加了100%和127%、88.7%和105%、564%和514%、453%和400% (P < 0.05);30—40 cm土层pH值分别降低了0.45、0.44个单位(P < 0.05),速效磷和速效钾含量显著增加了517%和604%、191%和157%,OMP处理有机质含量显著增加了33.6% (P < 0.05)。高通量测序结果表明,OM、OMP处理显著提升了芽孢杆菌属(Bacillus)、交替赤杆菌属(Altererythrobacter)、降解类固醇杆菌属(Steroidobacter)、链霉菌属(Streptomyces)与诺卡氏菌属(Nocardioides)等优势菌群丰度(P < 0.05),但微生物多样性(Shannon指数和Simpson指数)和丰富度(ACE指数和Chao1指数)与CK、PM处理差异不显著。相关性分析结果表明,芽孢杆菌属、交替赤杆菌属、降解类固醇杆菌属、链霉菌属与诺卡氏菌属相对含量均与收获后0—40 cm有机质与速效养分含量呈极显著正相关,与pH值呈极显著负相关(P < 0.01),但与全盐含量无显著相关性。【结论】亚表层培肥结合地表覆膜一方面可有效降低盐分表层集聚,快速增加土壤有机质和速效养分,另一方面可提高土壤优势菌群丰度,增强有机物的矿化分解,是改良西北干旱区盐碱土的有效耕作措施。
  • 图 1  亚表层示意图

    Figure 1.  A sketch of subsurface layer

    图 2  春灌前后及收获后各处理在0—100 cm土体剖面盐分分布

    Figure 2.  Salt content in 0–100 cm soil profile of each treatment before and after spring irrigation and after harvest

    图 3  耕作和培肥处理细菌群落属水平优势物种

    Figure 3.  Dominant bacterial community species in genus level treated with subsurface layer fertilization

    表 1  试验区土壤基本理化性质

    Table 1.  Background physicochemical properties of the experimental soil

    土壤深度
    Depth
    (cm)
    砂粒
    Sand
    (%)
    粉粒
    Silt
    (%)
    粘粒
    Clay
    (%)
    容重
    Bulk density
    (g/cm3)
    有机质
    OM
    (g/kg)
    碱解氮
    Alk.-hydr. N
    (mg/kg)
    速效磷
    Avail. P
    (mg/kg)
    速效钾
    Avail. K
    (mg/kg)
    含盐量
    Salinity
    (g/kg)
    pH
    0—1034.0951.9213.991.4511.0635.626.36161.294.878.77
    10—2035.7553.7610.491.4710.6331.912.03115.122.548.53
    20—3036.2253.4610.321.49 8.2130.331.03 98.242.268.41
    30—4037.3855.387.241.47 6.9429.680.88 80.372.048.32
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    表 2  16S rRNA细菌通用引物

    Table 2.  16S rRNA bacterial universal primers

    引物Primer序列Sequence
    515FGTGCCAGCMGCCGCGGTAA
    806RGGACTACHVGGGTWTCTAAT
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    表 3  收获后不同耕作和培肥处理0—40 cm土层pH及养分含量

    Table 3.  Soil pH and nutrient contents in 0–40 cm soil of each treatment after sunflower harvest

    土层深度 (cm)
    Soil depth
    处理
    Treatment
    pH有机质 (g/kg)
    OM
    碱解氮 (mg/kg)
    Alk.·hydr. N
    速效磷 (mg/kg)
    Avail. P
    速效钾 (mg/kg)
    Avail. K
    0—10CK 8.35 ± 0.29 a11.80 ± 0.14 a36.40 ± 0.07 a10.80 ± 0.05 a108.00 ± 0.10 a
    PM 8.44 ± 0.14 a11.20 ± 0.16 a39.20 ± 0.14 a10.40 ± 0.07 a102.00 ± 0.16 a
    OM 8.32 ± 0.18 a11.00 ± 0.03 a39.50 ± 0.10 a11.70 ± 0.11 a134.90 ± 0.17 a
    OMP8.37 ± 0.13 a10.70 ± 0.16 a42.80 ± 0.12 a12.60 ± 0.09 a122.00 ± 0.20 a
    10—30CK 8.86 ± 0.30 a13.70 ± 0.10 b42.10 ± 0.18 b12.78 ± 0.10 c 94.05 ± 0.04 b
    PM 8.81 ± 0.21 a13.20 ± 0.20 b45.70 ± 0.07 b12.23 ± 0.14 c 83.60 ± 0.16 b
    OM 8.50 ± 0.27 b27.45 ± 0.06 a84.95 ± 0.13 a84.80 ± 0.11 a520.10 ± 0.12 a
    OMP8.26 ± 0.16 b31.05 ± 0.17 a86.25 ± 0.04 a78.50 ± 0.17 b470.60 ± 0.14 a
    30—40CK 9.02 ± 0.28 a12.50 ± 0.13 b29.60 ± 0.02 a 2.43 ± 0.16 b119.00 ± 0.16 b
    PM 8.86 ± 0.29 a12.60 ± 0.17 b35.70 ± 0.13 a 3.76 ± 0.14 b 94.10 ± 0.29 b
    OM 8.57 ± 0.28 b 13.60 ± 0.03 ab36.40 ± 0.14 a15.00 ± 0.08 a345.90 ± 0.68 a
    OMP8.58 ± 0.14 b16.70 ± 0.09 a39.30 ± 0.19 a17.10 ± 0.17 a305.80 ± 0.03 a
    注(Note):CK—常规翻耕不覆盖 Conventional tillage; PM—翻耕结合地表覆盖地膜 Conventional tillage plus plastic mulching;OM—亚表层有机培肥不覆盖 Organic fertilization below 10 cm layer and no film mulching on surface soil;OMP—亚表层有机培肥结合地膜覆盖 Organic fertilization below 10 cm layer and plastic film mulching on the surface soil. 同列数据后不同字母表示在 0.05 水平下差异显著 Values followed by different letters within a column indicate significant differences at the 0.05 level.
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    表 4  耕作和培肥处理0—40 cm土层土壤样品细菌多样性指数与丰富度指数差异 (Mean ± SD)

    Table 4.  Microbial diversity in soil treated with film mulching and fertilization

    处理
    Treatment
    Shannon指数
    Shannon index
    Simpson指数
    Simpson index
    Chao1指数
    Chao1 index
    ACE指数
    ACE index
    CK9.879 ± 0.217 a0.997 ± 0.001 a3830.648 ± 77.706 a 3856.452 ± 64.046 a
    PM9.803 ± 0.164 a0.997 ± 0.001 a4006.885 ± 221.501 a4049.758 ± 285.872 a
    OM9.802 ± 0.076 a0.997 ± 0.000 a3665.519 ± 330.567 a3742.185 ± 306.136 a
    OMP9.660 ± 0.157 a0.997 ± 0.000 a3312.489 ± 344.252 a3446.210 ± 301.457 a
    注(Note):CK—常规翻耕不覆盖 Conventional tillage;PM—翻耕结合地表覆盖地膜 Conventional tillage plus plastic mulching; OM—亚表层有机培肥不覆盖 Organic fertilization below 10 cm layer and no film mulching on surface soil;OMP—亚表层有机培肥结合地膜覆盖 Organic fertilization below 10 cm layer and plastic film mulching on the surface soil. 同列数据后不同字母表示在 0.05 水平下差异显著 Values followed by different letters within a column indicate significant differences at the 0.05 level.
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    表 5  收获后0—40 cm土层化学性质与主要细菌类群的相关系数

    Table 5.  Correlation analysis between abundance of main microbial groups and soil properties in 0–40 cm layer

    细菌类群
    Bacterial population
    有机质
    OM
    碱解氮
    Alk.-hydr. N
    速效磷
    Avail. P
    速效钾
    Avail. K
    全盐
    Salinity
    pH
    芽孢杆菌属Bacillus0.895**0.812**0.746**0.703*– 0.398– 0.836**
    待定酸杆菌属Unidentified_Acidobacteri– 0.930**– 0.878**– 0.870**– 0.854**0.2050.904**
    交替赤杆菌属Altererythrobacter0.656*0.742**0.813**0.840**0.459– 0.720**
    假单胞菌属Pseudomonas0.4420.2790.3120.3040.232– 0.310
    降解类固醇杆菌属Steroidobacter0.998**0.973**0.953**0.932**– 0.063– 0.984**
    链霉菌属Streptomyces0.987**0.988**0.992**0.984**0.107– 0.992**
    诺卡氏菌属Nocardioides0.893**0.811**0.743**0.701*– 0.396– 0.833**
    鞘脂单胞菌属Sphingomonas– 0.193– 0.180– 0.231– 0.2550.0540.200
    大理石雕菌属Marmoricola0.3520.1820.0870.029– 0.506– 0.218
    注(Note):细菌类群按其相对丰度排序 Bacterial groups were ranked by their relative abundance. *—P < 0.05;**—P < 0.01.
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    表 6  2014—2015年不同处理10—40 cm土层食葵根系干重 (g/plant)

    Table 6.  Dry weight of sunflower root in 0–40 cm soil layer under different treatments during 2014–2015

    处理Treatment20142015
    CK140 c126 c
    PM199 b205 b
    OM233 a 221 ab
    OMP249 a231 a
    注(Note):CK—常规翻耕不覆盖 Conventional tillage; PM—翻耕结合地表覆盖地膜 Conventional tillage plus plastic mulching; OM—亚表层有机培肥不覆盖 Organic fertilization below 10 cm layer and no film mulching on surface soil; OMP—亚表层有机培肥结合地膜覆盖 Organic fertilization below 10 cm layer and plastic film mulching on surface soil. 同列数据后不同字母表示在 0.05 水平下差异显著 Values followed by different letters within a column indicate significant differences at the 0.05 level.
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-09-28
  • 网络出版日期:  2019-09-29
  • 刊出日期:  2019-09-01

亚表层培肥结合覆膜提高干旱区盐碱地土壤肥力及优势菌群丰度的机理

    作者简介:张宏媛E-mail:zhanghongyuan0429@163.com
    通讯作者: 李玉义, liyuyi@caas.cn
  • 1. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京 100081
  • 2. 北京理工大学生命学院,北京 100081

摘要: 【目的】针对西北干旱气候条件下表层土壤贫瘠多盐的特点,研究亚表层(10—30 cm)培肥结合地膜覆盖对盐碱地土壤化学性质及微生物区系的影响,为盐碱地合理耕层的构建提供参考。【方法】试验设在内蒙古五原县,以向日葵为供试作物进行田间小区和微区试验。设常规翻耕(CK)、翻耕 + 地膜覆盖(PM)、施有机肥(106.8 t/hm2)于亚表层(OM)、亚表层有机培肥 + 地膜覆盖(OMP)共4个处理。测定了春灌前、后以及向日葵收获后,不同耕作措施下土壤剖面的pH值、盐分、有机质和速效养分含量以及微生物区系。【结果】春灌前,亚表层培肥处理(OM、OMP)10—30 cm土层盐分含量比CK、PM处理分别增加了37.1%~52.9%、32.1%~47.2% (P < 0.05),但在春灌后盐分含量无显著差异。地膜覆盖具有很强的抑制返盐效果,OMP处理效果好于PM处理。作物收获后,OMP处理0—10 cm表层返盐率相对CK、PM和OM处理分别降低了131%、77.6%和106%,PM处理相对CK和OM处理分别降低了53.5%和28.7% (P < 0.05)。与CK相比,OM、OMP处理10—30 cm土层pH值分别降低了0.36、0.60个单位(P < 0.05),有机质、速效氮、速效磷、速效钾分别增加了100%和127%、88.7%和105%、564%和514%、453%和400% (P < 0.05);30—40 cm土层pH值分别降低了0.45、0.44个单位(P < 0.05),速效磷和速效钾含量显著增加了517%和604%、191%和157%,OMP处理有机质含量显著增加了33.6% (P < 0.05)。高通量测序结果表明,OM、OMP处理显著提升了芽孢杆菌属(Bacillus)、交替赤杆菌属(Altererythrobacter)、降解类固醇杆菌属(Steroidobacter)、链霉菌属(Streptomyces)与诺卡氏菌属(Nocardioides)等优势菌群丰度(P < 0.05),但微生物多样性(Shannon指数和Simpson指数)和丰富度(ACE指数和Chao1指数)与CK、PM处理差异不显著。相关性分析结果表明,芽孢杆菌属、交替赤杆菌属、降解类固醇杆菌属、链霉菌属与诺卡氏菌属相对含量均与收获后0—40 cm有机质与速效养分含量呈极显著正相关,与pH值呈极显著负相关(P < 0.01),但与全盐含量无显著相关性。【结论】亚表层培肥结合地表覆膜一方面可有效降低盐分表层集聚,快速增加土壤有机质和速效养分,另一方面可提高土壤优势菌群丰度,增强有机物的矿化分解,是改良西北干旱区盐碱土的有效耕作措施。

English Abstract

  • 土壤耕层构造与土地生产力有密切的关系,良好的耕层构造能使土壤中的水、肥、气、热因素之间互相协调满足作物的需要[1]。因此,耕层结构的合理性直接关系作物的高产稳产和可持续发展。我国西北地区由于处在极端干旱的自然条件下,表层土壤普遍含有高盐分、盐分表聚速度快、积累强度大,而且土壤水分、养分极为匮乏,同时表层土壤有机质分解快,作物生长普遍受到水、肥、盐等多因子胁迫[2],这就需要利用农业技术措施不断提升耕地质量。许多学者提出采用秸秆还田、地膜覆盖和砂田覆盖等耕作措施解决西北干旱区表层土壤贫瘠多盐的问题[3-4],但这些研究主要侧重于表层土壤,忽略了亚表层土壤质量的建设。亚表层培肥在一定程度上更利于改善土地的肥力状况,增强土壤保水蓄肥能力,积累土壤有机碳,对于促进作物的增产具有实际意义[5]

    国内外关于施用有机肥培肥改良土壤的报道很多,有机肥一方面能降低紧实度、促进团粒结构形成与稳定、提升水动力学参数[6]等,另一方面能快速增加土壤有机质、氮磷钾等养分含量[7],从而有利于土壤保水、淋盐和培肥,促进作物生长。但目前有关有机肥施用方法的研究大多都是将有机肥施于0—10 cm的土壤表层,而针对西北极端干旱的气候和贫瘠多盐的土壤,在10—30 cm的亚表层采用有机肥快速培肥的措施未见相关研究报道。

    土壤微生物是土壤的重要组成部分,是土壤有机质和土壤养分转化和循环的动力,通过其代谢活动转化土壤中各种物质的形态,同时也参与土壤中有机质的分解、腐殖质的形成,对土壤肥力的形成起着积极的作用[8]。10—30 cm土层肥力的快速提升由于增加了有机质,为微生物提供了丰富的碳源,刺激了微生物的生长,提高了微生物活性,可能会改变土壤微生物区系;另一方面,微生物可能又反作用于土壤,促进养分转化,改善土壤团聚结构,增加土壤通透性,从而影响水盐运动,促进盐分向下淋洗,从而能使盐碱土壤生态环境向良性转化[9]。但在亚表层有机培肥后土壤化学性质及微生物区系如何变化还需要进一步试验验证。此外,有研究表明,由于有机肥含有一定量的盐分离子,不当使用会产生一定的次生盐渍化风险[10],但并未提出相应的解决办法。

    向日葵具有一定的抗旱耐盐性,生长期短,而且经济效益高,现已成为西北地区的主要经济作物,其根系在土壤中拓展范围很大,主根深度可达200~250 cm,其中20—30 cm土层内主根较粗壮。有研究表明[11],就总根干重而言,向日葵在0—20 cm土层分布的根系占90%以上,并且不同施肥措施对10—20 cm根系所占比例的影响最大,因此,在10—30 cm的亚表层采用有机肥培肥可促进根系下扎。本研究以西北地区典型的食葵单作种植模式为研究对象,在2014年内蒙古河套灌区建立的田间小区初步试验效果的基础上,2015年利用微区试验,重点探讨不同耕作和培肥措施对作物各个关键生育期土壤盐分分布、土壤pH、有机质、速效养分和微生物区系的影响,进一步揭示亚表层培肥措施下盐碱土壤化学性质及微生物区系的变化特征及相互关系,旨在筛选出与当地生态环境相适应的合理耕层构建模式,为西北干旱区农田土壤质量及生产性能的提高提供相关理论依据与技术支撑,以指导我国干旱区农业生产的可持续发展。

    • 试验在内蒙古五原县河套灌区义长灌域管理局试验站进行 (41.07°N、108.00°E,海拔1022 m)。该地区属于中温带季风气候,全年日照时数3263 h,年均温6.1℃,≥ 10℃的积温3362.5℃,无霜期117~136 d。该区降水稀少,且大多集中在夏秋两季,年蒸发量较大,蒸降比较高,多年平均降水量在200 mm左右,多年平均蒸发量2200 mm左右,冬春季土壤盐分表聚现象严重,属于典型无灌溉无农业的区域,主要水源为黄河水。2015年试验区总降水量为124.3 mm,食葵生育期内总降水量为64.2 mm,约占全年降水量的51.6%。试验区地下水埋深变幅为1.10~1.70 m,土壤质地粉砂壤土,为氯化物–硫酸盐土,土壤基本理化性质见表1

      表 1  试验区土壤基本理化性质

      Table 1.  Background physicochemical properties of the experimental soil

      土壤深度
      Depth
      (cm)
      砂粒
      Sand
      (%)
      粉粒
      Silt
      (%)
      粘粒
      Clay
      (%)
      容重
      Bulk density
      (g/cm3)
      有机质
      OM
      (g/kg)
      碱解氮
      Alk.-hydr. N
      (mg/kg)
      速效磷
      Avail. P
      (mg/kg)
      速效钾
      Avail. K
      (mg/kg)
      含盐量
      Salinity
      (g/kg)
      pH
      0—1034.0951.9213.991.4511.0635.626.36161.294.878.77
      10—2035.7553.7610.491.4710.6331.912.03115.122.548.53
      20—3036.2253.4610.321.49 8.2130.331.03 98.242.268.41
      30—4037.3855.387.241.47 6.9429.680.88 80.372.048.32
    • 在2014年田间小区试验 (长8 m × 宽3.5 m) 的基础上,2015年又设置了田间微区试验,均设置4个处理,包括翻耕 (CK)、翻耕 + 地膜覆盖 (PM)、亚表层有机培肥 (OM)、亚表层有机培肥 + 地膜覆盖 (OMP),每个处理3次重复。本文主要阐明的是2015年微区试验的结果。

      2015年田间微区试验中每个微区面积为3.24 m2 (1.8 m × 1.8 m),随机区组排列。各微区四周用双层塑料布阻隔使微区间互不影响。试验开始前,所有处理将0—10 cm土壤用铁锹取出拌匀,以保证微区表层土壤盐分基本一致。亚表层培肥处理 (OM、OMP) 采用有机肥为牛粪、羊粪、鸡粪、草炭混合物,按一定比例拌匀 (混匀后有机肥经测定含盐量16.09 g/kg,pH 7.06,有机质、全氮、全磷及全钾含量分别为42.57%、1.29%、0.54%和1.39%,质量含水量20.46%)。根据当地气候条件下不同类型盐碱地培肥目标,中重度盐碱地有机肥推荐施用量一般为75~120 t/hm2,本试验每个微区有机肥用量34.6 kg (合106.8 t/hm2),施用过程中将有机肥与10—30 cm土层混合、压实,最后将0—10 cm土壤按原层次填回,为保持处理间耕作的一致性,CK、PM处理10—30 cm土层也进行混合处理。亚表层培肥处理示意图见图1。试验布置完毕后进行春灌压盐,每个微区灌溉定额均为0.60 m3 (合1850 m3/hm2),灌溉水源为黄河水 (矿化度为0.58 g/L、pH 8.23)。灌溉时间为2015年6月29日。播前化肥按统一用量一次性作底肥条施,肥料品种为尿素 (含N 46%)、磷酸二铵 (含N 18%,P2O5 46%)、硫酸钾 (含K2O 50%),施肥深度10 cm,随后覆土,所有处理人工开沟播种 (播种深度7~8 cm),根据试验要求,覆盖处理用70 cm宽的农用塑料薄膜覆盖,每个小区有两条膜带,膜间距20 cm,膜间地表裸露。供试作物为食葵 (Helianthus annuus L.),品种为LD1335。试验于2015年7月5日播种,人工点播,播种后穴口用细砂覆盖,行距60 cm,株距20 cm,种植密度为49000株/hm2。食葵于2015年9月23日收获。其它管理措施与当地农户一致。

      图  1  亚表层示意图

      Figure 1.  A sketch of subsurface layer

    • 在春灌前、春灌后 (播种前) 和食葵收获后用土钻在两行食葵中间位置 (地膜下) 取土进行土壤盐分、pH测定,取土层次为0—55—10、10—20、20—30、30—40、40—60、60—80、80—100 cm,带回实验室自然风干、磨碎,过2 mm筛,以1∶5的土水比提取,用pH计 (FE20) 和电导率仪 (DDS-307) 分别测定土壤pH和电导率,电导率根据以下经验公式换算为土壤盐分含量:

      式中:S为土壤含盐量 (g/kg);$EC_{1\,∶\,5} $为土水比1∶5下的电导率;0.064为换算系数。

      土层脱盐率公式:

      式中:D为脱盐率 (%);S1为灌水前土壤含盐量;S2为灌水后土壤含盐量。

      土层返盐率公式:

      式中:A为返盐率 (%);S2为灌水后土壤含盐量;S3为收获后土壤含盐量。

    • 在食葵收获后取0—40 cm层土壤样品,每10 cm一层,带回实验室自然风干,粉碎过筛后,测定土壤有机质、速效氮 (碱解法)、速效磷、速效钾 (乙酸铵提取),具体测定方法参见《土壤农化分析》[12]

    • 在食葵收获后取0—40 cm层土壤样品,将土样放入牛皮纸袋并迅速保存于4℃冷藏箱带回实验室。采用OMEGA Z.Z.N.A. Soil DNA Kit提取CK、PM、OM、OMP处理系列土壤中微生物基因组。以稀释后的基因组DNA为模板,对细菌16S rRNA V4区高变区DNA扩增采用通用引物515F,806R。引物序列如表2所示。PCR扩增体系包括:DNA模板10 µL,每种引物2 µL,0.4 mmol/L ddH2O 2 µL及Phusion Master Mix (2X) 15 μL。PCR扩增条件为98℃预变性1 min,98℃变性10 s,50℃退火30 s,72℃延伸30 s,30个循环,最后72℃延伸5 min。

      表 2  16S rRNA细菌通用引物

      Table 2.  16S rRNA bacterial universal primers

      引物Primer序列Sequence
      515FGTGCCAGCMGCCGCGGTAA
      806RGGACTACHVGGGTWTCTAAT

      根据PCR产物浓度进行等浓度混样,充分混匀后使用1 × TAE浓度2%的琼脂糖胶电泳纯化PCR产物,选择主带大小在400~450 bp之间的序列,割胶回收目标条带。使用Thermo Scientific公司GeneJET试剂盒胶回收。使用New England Biolabs公司的NEB Next® Ultra™ DNA Library Prep Kit for Illumina建库试剂盒进行文库的构建,构建好的文库经过Qubit定量和文库检测,合格后,使用HiSeq进行上机测序。

      对原始数据 (Raw data) 进行拼接、过滤,去除掉干扰数据 (Dirty Data),得到有效数据 (Clean data)。采用分类计算法以97%的相似性对有效数据进OUTs (Operational taxonomic units分类操作单元) 聚类和物种分类分析,对OTUs进行物种注释。根据OTUs聚类结果,对每个OTU的代表序列做物种注释,得到对应的物种信息和基于物种的丰度分布情况。同时,对OTUs进行丰度、Alpha多样性计算等分析,得到样品内物种丰富度和均匀度信息、不同样品或分组间的共有和特有OTUs信息等。16S注释采用的是Silva132数据库,注释方法为mothur方法,mothur为类LCA算法,在注释过程中,16S设定阈值为0.8~1。

    • 数据在Excel 2013中进行基本处理与作图,并用SPSS13.0进行方差分析和相关性分析,方差分析为单因素方差分析,采用LSD法。

    • 不同时期各处理1 m土体剖面盐分分布如图2所示。春灌前 (图2A) 所有处理盐分主要聚集在土壤表层,随土壤深度的加深盐分含量呈现下降的趋势。亚表层培肥处理 (OM、OMP) 在10—30 cm土层含盐量显著较对照高 (P < 0.05),分别较CK增加了52.9%、37.1%,较PM处理增加了47.2%、32.1%,而在30 cm以下土层各处理间没有显著差异。

      图  2  春灌前后及收获后各处理在0—100 cm土体剖面盐分分布

      Figure 2.  Salt content in 0–100 cm soil profile of each treatment before and after spring irrigation and after harvest

      春灌后,各处理表层盐分较灌水前显著降低 (图2B),且总体含盐量随着土壤深度的增加而增加。各处理在0—10 cm表层的平均含盐量没有差异;在10—30 cm土层,亚表层培肥处理 (OM、OMP) 含盐量略高于CK及PM处理,但没有显著差异,与春灌前相比,亚表层培肥处理 (OM、OMP) 在10—30 cm土层的土壤脱盐率分别为42.0%、48.9%,而CK、PM处理在10—30 cm的土壤脱盐率仅为28.1%、31.0%,表明亚表层培肥处理本身起到了加速淋盐的作用;而在30 cm以下土层,亚表层培肥处理盐分含量高于CK、PM处理,除OMP处理盐分最高值出现在40—60 cm,其他处理盐分含量最高值均出现在30—40 cm土层,表明亚表层培肥结合地膜覆盖能使盐分淋洗至更深土层。

      收获后,CK盐分表聚化严重,其表层0—10 cm盐分显著高于其他处理,OMP处理显著低于其他三个处理 (图2C)。与春灌后相比,在食葵收获后CK在0—10 cm土层返盐率高达161%,而PM、OM及OMP处理的返盐率分别是107%、136%和29.8%;在10—30 cm土层各处理间盐分含量值没有差异;在30—40 cm土层,CK、PM、OMP处理间没有显著差异,但OM处理由于地表缺少覆盖,其盐分含量显著高于其他处理 (P < 0.05);在40 cm以下土层,亚表层培肥处理盐分含量均显著高于翻耕处理。

    • 收获后各处理0—40 cm土壤pH值的变化如表3所示,各处理在0—10 cm表层差异不显著,在10—30 cm、30—40 cm土层,亚表层培肥处理 (OM、OMP) pH值均显著低于CK与PM处理,在10—30 cm土层,OM处理分别较CK与PM处理显著降低了0.36、0.31个单位,OMP处理分别较CK与PM处理显著降低了0.60、0.55个单位 (P < 0.05);在30—40 cm土层,OM处理分别较CK与PM处理显著降低了0.45、0.29个单位,OMP处理分别较CK与PM处理显著降低了0.44、028个单位 (P < 0.05);PM与CK处理间、OM与OMP处理间差异均不显著。

      表 3  收获后不同耕作和培肥处理0—40 cm土层pH及养分含量

      Table 3.  Soil pH and nutrient contents in 0–40 cm soil of each treatment after sunflower harvest

      土层深度 (cm)
      Soil depth
      处理
      Treatment
      pH有机质 (g/kg)
      OM
      碱解氮 (mg/kg)
      Alk.·hydr. N
      速效磷 (mg/kg)
      Avail. P
      速效钾 (mg/kg)
      Avail. K
      0—10CK 8.35 ± 0.29 a11.80 ± 0.14 a36.40 ± 0.07 a10.80 ± 0.05 a108.00 ± 0.10 a
      PM 8.44 ± 0.14 a11.20 ± 0.16 a39.20 ± 0.14 a10.40 ± 0.07 a102.00 ± 0.16 a
      OM 8.32 ± 0.18 a11.00 ± 0.03 a39.50 ± 0.10 a11.70 ± 0.11 a134.90 ± 0.17 a
      OMP8.37 ± 0.13 a10.70 ± 0.16 a42.80 ± 0.12 a12.60 ± 0.09 a122.00 ± 0.20 a
      10—30CK 8.86 ± 0.30 a13.70 ± 0.10 b42.10 ± 0.18 b12.78 ± 0.10 c 94.05 ± 0.04 b
      PM 8.81 ± 0.21 a13.20 ± 0.20 b45.70 ± 0.07 b12.23 ± 0.14 c 83.60 ± 0.16 b
      OM 8.50 ± 0.27 b27.45 ± 0.06 a84.95 ± 0.13 a84.80 ± 0.11 a520.10 ± 0.12 a
      OMP8.26 ± 0.16 b31.05 ± 0.17 a86.25 ± 0.04 a78.50 ± 0.17 b470.60 ± 0.14 a
      30—40CK 9.02 ± 0.28 a12.50 ± 0.13 b29.60 ± 0.02 a 2.43 ± 0.16 b119.00 ± 0.16 b
      PM 8.86 ± 0.29 a12.60 ± 0.17 b35.70 ± 0.13 a 3.76 ± 0.14 b 94.10 ± 0.29 b
      OM 8.57 ± 0.28 b 13.60 ± 0.03 ab36.40 ± 0.14 a15.00 ± 0.08 a345.90 ± 0.68 a
      OMP8.58 ± 0.14 b16.70 ± 0.09 a39.30 ± 0.19 a17.10 ± 0.17 a305.80 ± 0.03 a
      注(Note):CK—常规翻耕不覆盖 Conventional tillage; PM—翻耕结合地表覆盖地膜 Conventional tillage plus plastic mulching;OM—亚表层有机培肥不覆盖 Organic fertilization below 10 cm layer and no film mulching on surface soil;OMP—亚表层有机培肥结合地膜覆盖 Organic fertilization below 10 cm layer and plastic film mulching on the surface soil. 同列数据后不同字母表示在 0.05 水平下差异显著 Values followed by different letters within a column indicate significant differences at the 0.05 level.
    • 食葵收获后,各处理0—40 cm有机质及速效养分含量如表3所示,其中各处理在0—10 cm土壤表层差异均不显著。

      各处理土壤有机质含量在10—30 cm与30—40 cm土层整体表现为OMP > OM > PM > CK。在10—30 cm土层,各处理有机质含量出现最大值,OM与OMP处理分别较CK显著提高了100%和127%,较PM处理显著提高了108%和135% (P < 0.05),但PM与CK处理间差异不显著;在30—40 cm土层,仅OMP处理有机质含量显著高于CK与PM处理,分别提高了33.6%和32.5% (P < 0.05)。说明亚表层培肥显著增加了土壤中的有机质含量,并且使其在满足植物生长的前提下得到了一定的积累。

      在10—30 cm土层,OM与OMP处理土壤碱解氮含量显著高于CK与PM处理,分别较CK处理显著提高了88.7%和105%,分别较PM处理显著提高了85.9%和102% (P < 0.05),但OM与OMP处理间、CK与PM处理间均差异不显著;在30—40 cm土层,各处理间均无显著差异。

      在10—30 cm土层,OM与OMP处理速效磷含量分别较CK显著提高了564%和514%,分别较PM处理显著提高了593%和542% (P < 0.05);在30—40 cm土层,OM与OMP处理分别较CK显著提高了517%和604%,分别较PM处理显著提高了299%和355% (P < 0.05);各土层CK与PM处理间均差异不显著。

      在10—30 cm土层,OM与OMP处理速效钾含量分别较CK显著提高了453%、400%,分别较PM处理显著提高了522%、463%;在30—40 cm土层,OM与OMP处理分别较CK显著提高了191%、157%,分别较PM处理显著提高了268%、225% (P < 0.05);各土层CK与PM处理间均差异不显著。

    • 微生物多样性是一个群落稳定性的标尺,反映环境的生态机制和外界胁迫对群落的影响。通过表4所示的不同处理土壤样品细菌多样性指数和丰富度指数发现,亚表层措施与地膜覆盖与否对土壤细菌微生物的多样性 (Shannon指数和Simpson指数) 和丰富度 (ACE指数和Chao指数) 均未产生显著性差异。

      表 4  耕作和培肥处理0—40 cm土层土壤样品细菌多样性指数与丰富度指数差异 (Mean ± SD)

      Table 4.  Microbial diversity in soil treated with film mulching and fertilization

      处理
      Treatment
      Shannon指数
      Shannon index
      Simpson指数
      Simpson index
      Chao1指数
      Chao1 index
      ACE指数
      ACE index
      CK9.879 ± 0.217 a0.997 ± 0.001 a3830.648 ± 77.706 a 3856.452 ± 64.046 a
      PM9.803 ± 0.164 a0.997 ± 0.001 a4006.885 ± 221.501 a4049.758 ± 285.872 a
      OM9.802 ± 0.076 a0.997 ± 0.000 a3665.519 ± 330.567 a3742.185 ± 306.136 a
      OMP9.660 ± 0.157 a0.997 ± 0.000 a3312.489 ± 344.252 a3446.210 ± 301.457 a
      注(Note):CK—常规翻耕不覆盖 Conventional tillage;PM—翻耕结合地表覆盖地膜 Conventional tillage plus plastic mulching; OM—亚表层有机培肥不覆盖 Organic fertilization below 10 cm layer and no film mulching on surface soil;OMP—亚表层有机培肥结合地膜覆盖 Organic fertilization below 10 cm layer and plastic film mulching on the surface soil. 同列数据后不同字母表示在 0.05 水平下差异显著 Values followed by different letters within a column indicate significant differences at the 0.05 level.
    • 属水平分析鉴定出524个菌属,如图3所示,不同处理微生物属组成相似,但属的相对丰度有明显差异,其中已被鉴定的序列中排名前10的优势菌属为Bacillus (芽孢杆菌属)、unidentified_Acidobacteria(待定酸杆菌属)、Altererythrobacter (交替赤杆菌属)、Pseudomonas (假单胞菌属)、unidentified_Actinomarinaies (待定放线菌属)、Steroidobacter (降解类固醇杆菌属)、Streptomyces (链霉菌属)、Nocardioides (诺卡氏菌属)、Sphingomonas (鞘脂单胞菌属)、Marmoricola (大理石雕菌属),其前10的菌群序列数占总序列的12.20%~19.46%。

      图  3  耕作和培肥处理细菌群落属水平优势物种

      Figure 3.  Dominant bacterial community species in genus level treated with subsurface layer fertilization

      亚表层培肥处理 (OM、OMP) 均显著提高了Bacillus (芽孢杆菌属)、Altererythrobacter (交替赤杆菌属)、Steroidobacter (降解类固醇杆菌属)、Streptomyces (链霉菌属) 与Nocardioides (诺卡氏菌属) 等菌属的丰富度,其中OM、OMP处理Bacillus (芽孢杆菌属) 丰富度较CK分别提高了1.13%与4.03%,较PM处理分别提高了0.88%与6.06%;OM、OMP处理Altererythrobacter (交替赤杆菌属) 丰富度较CK分别提高了2.21%与1.05%,较PM处理分别提高了2.11%与0.95%;OM、OMP处理Steroidobacter (降解类固醇杆菌属) 丰富度较CK分别提高了1.15%与1.19%,较PM处理分别提高了1.12%与1.64%;OM、OMP处理Streptomyces (链霉菌属) 丰富度较CK分别提高了1.06%与1.19%,较PM处理分别提高了1.11%与1.23%;OM、OMP处理Nocardioides (诺卡氏菌属) 丰富度较CK分别提高了0.30%与0.98%,较PM处理分别提高了0.24%与0.92% (P < 0.05)。

      另外,OM、OMP处理降低了unidentified_Acidobacteria(待定酸杆菌属)的丰富度,较CK分别降低了1.24%与1.81%,较PM处理分别降低了1.59%与2.19% (P < 0.05)。

    • 表5表明,食葵收获后大部分微生物类群与土壤pH值、有机质含量等化学指标均呈现或正或负的相关性,说明土壤化学性质的差异是影响土壤微生物组成的重要因素。其中只有假单胞菌属、鞘脂单胞菌属与大理石雕菌属与任一化学指标间均无显著相关;芽孢杆菌属、交替赤杆菌属、降解类固醇杆菌属、链霉菌属与诺卡氏菌属与有机质及速效氮磷钾含量均呈极显著正相关,与收获后pH值呈极显著负相关 (P < 0.01);待定酸杆菌属与有机质及速效氮、磷、钾含量均呈极显著负相关,但与收获后pH值呈极显著正相关 (P < 0.01);各菌属与收获后0-40 cm土层平均全盐含量均无显著相关性。

      表 5  收获后0—40 cm土层化学性质与主要细菌类群的相关系数

      Table 5.  Correlation analysis between abundance of main microbial groups and soil properties in 0–40 cm layer

      细菌类群
      Bacterial population
      有机质
      OM
      碱解氮
      Alk.-hydr. N
      速效磷
      Avail. P
      速效钾
      Avail. K
      全盐
      Salinity
      pH
      芽孢杆菌属Bacillus0.895**0.812**0.746**0.703*– 0.398– 0.836**
      待定酸杆菌属Unidentified_Acidobacteri– 0.930**– 0.878**– 0.870**– 0.854**0.2050.904**
      交替赤杆菌属Altererythrobacter0.656*0.742**0.813**0.840**0.459– 0.720**
      假单胞菌属Pseudomonas0.4420.2790.3120.3040.232– 0.310
      降解类固醇杆菌属Steroidobacter0.998**0.973**0.953**0.932**– 0.063– 0.984**
      链霉菌属Streptomyces0.987**0.988**0.992**0.984**0.107– 0.992**
      诺卡氏菌属Nocardioides0.893**0.811**0.743**0.701*– 0.396– 0.833**
      鞘脂单胞菌属Sphingomonas– 0.193– 0.180– 0.231– 0.2550.0540.200
      大理石雕菌属Marmoricola0.3520.1820.0870.029– 0.506– 0.218
      注(Note):细菌类群按其相对丰度排序 Bacterial groups were ranked by their relative abundance. *—P < 0.05;**—P < 0.01.
    • 表6可知,2014–2015年PM、OM和OMP各处理均较CK的根干重有不同程度的增高,PM、OM和OMP较CK均差异显著,并整体上表现为OMP > OM > PM > CK的增长顺序。2014年PM、OM和OMP各处理的食葵根干重分别较CK显著提高41.88%、66.37%和77.42%,2015年分别较CK显著提高63.12%、75.99%和84.02%,其中CK与PM处理之间差异显著,OM与OMP处理之间无显著差异 (P < 0.05)。

      表 6  2014—2015年不同处理10—40 cm土层食葵根系干重 (g/plant)

      Table 6.  Dry weight of sunflower root in 0–40 cm soil layer under different treatments during 2014–2015

      处理Treatment20142015
      CK140 c126 c
      PM199 b205 b
      OM233 a 221 ab
      OMP249 a231 a
      注(Note):CK—常规翻耕不覆盖 Conventional tillage; PM—翻耕结合地表覆盖地膜 Conventional tillage plus plastic mulching; OM—亚表层有机培肥不覆盖 Organic fertilization below 10 cm layer and no film mulching on surface soil; OMP—亚表层有机培肥结合地膜覆盖 Organic fertilization below 10 cm layer and plastic film mulching on surface soil. 同列数据后不同字母表示在 0.05 水平下差异显著 Values followed by different letters within a column indicate significant differences at the 0.05 level.
    • 2014年田间小区试验对水分、盐分及作物生长情况进行了监测,在此基础上,本文基于2015年的亚表层培肥微区试验对土壤盐分、pH、养分及微生物的影响进行了讨论。提高灌溉脱盐率,降低苗期土壤含盐量,尤其是0—40 cm根系分布层盐分含量是盐碱地农业生产的重要环节。Zhang等[13]研究结果表明盐碱地15 cm土层深处旋耕施入有机肥料和改良剂可使耕层盐分较初始显著降低,但在本研究中,随有机肥的施入亚表层培肥处理 (OM、OMP) 均出现了10—30 cm土层盐分含量显著增加,究其原因主要是本试验施于亚表层的有机肥含盐量高 (16.09 g/kg) 且用量大,导致土体盐分高于CK、PM处理。2014年的试验结果也表明亚表层培肥处理在春灌前10—30 cm土层盐分含量总体偏高 (比CK、PM处理增加35.8~44.1%),但春灌后亚表层培肥措施促使盐分淋洗至较深土层,尤其OMP处理表现更突出,因此不影响作物出苗和生长。另外,本研究还发现,在食葵收获后,OM处理表层0—10 cm土壤盐分含量接近于CK,而OMP处理显著降低了0—10 cm表层返盐率,这是由于地膜覆盖可以降低蒸散,有效保蓄土壤水分[14],这也表明亚表层培肥结合地膜覆盖更利于抑制地表返盐,但在40 cm土层以下,OM、OMP处理盐分含量均显著高于CK、PM处理,表明亚表层培肥处理当年在作物收获后盐分也主要在这一层聚集。

      土壤pH值是反映盐碱土壤改良状况的重要指标,与土壤微生物的活性、有机质的分解、土壤养分的释放与固定等密切相关[15]。张建兵等[10]研究表明有机肥、覆盖及其组合措施对降低土壤pH值是有一定效果的,但并不显著,而本研究发现OM、OMP处理可显著降低10—30 cm及30—40 cm土层的pH值 (P < 0.05)。产生差异的原因主要是本试验施用有机肥的用量较大,约为10.68 kg/m2,且本试验亚表层施用有机肥pH值较低 (pH 7.06),其本身分解转化过程中产生的有机酸在一定程度上能中和土壤中的碱,对土壤的酸碱度有一定的缓冲作用;另外有机肥中含有的土壤有益微生物能够分泌多种氨基酸,其两性电解质具有重要的酸碱缓冲作用,可降低土壤盐碱化程度[15]。王海泉等[14]研究表明地膜覆盖栽培大豆pH值较裸地栽培显著降低,其原因是地膜覆盖增加了表层土壤呼吸强度,作物根系通过呼吸作用产生CO2,溶于水使土壤pH降低,但在本研究中地膜覆盖对降低pH值的效果并不显著,其原因可能与土壤类型及种植作物不同有关。

      本研究试验区土壤有机质含量低,缺磷少氮,2015年试验开始前土壤有机质含量仅为12.50 g/kg,碱解氮、速效磷、速效钾含量仅为35.70 mg/kg、10.70 mg/kg、118.00 mg/kg。本研究表明OM、OMP处理均可显著增加10—30 cm土层有机质的含量,由于这一土层温度较土壤表层相对低 (收获期各处理10—30 cm平均土壤温度为16.9℃,0—10 cm土壤温度为18.7℃),微生物活动弱,有机质分解速度慢,因此有更多的有机质积累[16]。盐碱土的环境不利于固氮微生物生存,不能良好地利用和固定大气中的氮素,导致土壤缺氮,而施用有机肥是增加土壤氮素的主要措施之一[17]。本研究发现OM、OMP处理显著提高了食葵收获后10—30 cm土层碱解氮含量,原因是由于有机肥施入后在微生物作用下分解释放矿物氮,另外,外源有机物料的补充对土壤原有有机氮的矿化有激发效应[18]。土壤中的磷酸盐在pH值6~7.5时有效性最大,当pH值小于6.5或超过7.5时,则磷酸盐将形成难溶盐而被固定[15]。该试验区盐碱地pH值偏高,大量磷素被固定为无效磷,导致速效磷含量低,土壤缺磷现象严重。本研究发现OM、OMP处理显著提高了10—30 cm土层速效磷含量,这是由于施入有机肥后,降低了土壤pH值,活化土壤中的固定态磷,同时有机肥中含有有益细菌可通过自身生命活动分解迟效养分,提高了磷素的有效性,增加了速效磷含量[19],OM、OMP处理30—40 cm土层速效磷含量显著高于其他处理,这与灌溉产生淋溶过程有关。亚表层培肥处理也显著增加了10—30 cm与30—40 cm土层速效钾含量,主要是由于施入有机肥使土壤中的有机质含量增加,随着有机质的提高,土壤对钾素的固定减少,同时有机肥中的钾细菌可通过生命活动实现对难溶性钾的转化[20]。由于亚表层培肥措施对土壤有机质及速效养分分布的影响,也造成10—40 cm土层食葵根系生物量干重明显高于对照和PM处理(表6)。

    • 增施有机肥与地膜覆盖是改良盐碱土壤的有效农业措施,这些措施会直接或间接地影响土壤细菌丰度和多样性的变化,进而影响土壤功能[9]。许多研究表明,施厩肥、绿肥等有机肥有利于维持土壤微生物的多样性及活性[21]。但Innerebner等[22]发现,有机肥与耕作方式均不能改变土壤微生物多样性。本试验结果同样表明,相较于CK,OM、OMP处理对土壤细菌多样性与丰富度均无显著性影响,可能是由于该措施使用年限较短,而土壤中微生物对环境的改变具有一定的适应能力,其群落多样性水平的变化需要经历一定的周期[23]。有研究表明,由于有机肥中盐分含量过高,影响了细菌多样性[24],本研究发现亚表层培肥后虽增加了盐分含量,但灌溉后亚表层培肥处理本身起到了加速淋盐的作用,因此盐分不是影响细菌多样性的主要因素,但大量有机肥施用后也带入一部分重金属在土壤中富集,可能会在一定程度上降低了土壤微生物多样性[22]。本试验结果还表明,相比于不覆膜处理 (CK、OM),覆膜处理 (PM、OMP) 土壤中细菌多样性与丰富度指数均无显著性差异。可能原因是尽管覆膜改善了土壤环境,但微生物区系中优势菌群抗外界干扰能力较强,对微生物多样性与丰富度影响不剧烈。侯晓杰等[25]研究同样表明覆膜措施与裸地相比,Simpson多样性指数差异不显著。

      土壤培肥措施由于增加了大量有机肥,为微生物提供了丰富的碳源,刺激了微生物的生长,提高了微生物活性,使土壤微生物区系发生了变化[26]。本试验表明,亚表层培肥处理 (OM、OMP) 显著提高了芽孢杆菌属、交替赤杆菌属、降解类固醇杆菌属、链霉菌属、诺卡氏菌属的丰度 (P < 0.05),这也与Smit等[27]的研究结果有一定的相似性。其中芽孢杆菌是目前应用较多的生防微生物之一,同时芽孢杆菌及链霉菌等微生物对土壤团聚体的形成与稳定性有着重要作用,有利于减少土壤表面水分蒸发,从而使盐分离子在表面聚集减少,含盐量降低,改善了土壤中的环境特征[23]。另外,本研究发现耕层培肥结合地膜覆盖措施对抑制土壤表层返盐效果更明显,原因是该组合措施为作物生长创造的膜内小环境显著增加了芽孢杆菌属等细菌丰度,在微生物繁殖过程中,产生大量的多糖和粘胶,使土壤团粒结构得到明显改善[28]。交替赤杆菌属隶属于赤杆菌科,在起始pH6.0~8.5范围内生长速率较快,而诺卡氏菌属属于嗜酸放线菌[29],亚表层培肥处理下两类菌属丰度的显著增加可能是由于大量有机肥的施用提供了适宜的pH环境。降解类固醇杆菌属与芳香烃的降解和硝化反硝化过程有关,该菌属丰度的显著增加可能是添加了可利用的有机碳造成的[30]

      目前多数研究发现土壤酸杆菌的相对丰度与土壤pH值呈显著负相关关系[31],但本试验结果表明亚表层培肥处理降低了pH值,但其某一待定酸杆菌属丰度出现显著降低的情况。同时,Zhang等[32]对神农架森林土壤研究也发现,土壤酸杆菌亚门GP1、2和3与土壤pH值呈高度正相关,已发现酸杆菌的多个亚门在碱性土壤中富集。在菌属注释过程中,16 S设定阈值为0.8~1,而置信度低设定阈值的注释结果不能完整输出,本研究发现的unidentified_Acidobacteri表示该菌属可以比对到数据库中的某一参考序列,但该参考序列在该分类水平上尚无具体注释信息。因此,在本研究条件下是否存在某一些隶属于酸杆菌门的菌属与土壤pH值呈正相关关系,为此需进一步确定该菌属种类。

    • 土壤微生物受到种植作物类型、土壤类型、耕作措施、土壤水热状况以及土壤养分含量等多种因素的影响,并且能够敏感地反映土壤生态系统的细微变化及其程度,同时微生物又反过来影响着土壤理化性质的改变[21]。通过本试验发现,土壤微生物与土壤化学性质之间有着密切的关系,相关性分析表明,大多数菌属丰度是随着pH值的降低、营养物质含量的升高而升高的,但是待定酸杆菌属表现为在盐碱程度较轻、有机质更丰富的土壤中较其他菌属丰度降低,这与丁新景等[33]的研究表明酸杆菌门细菌丰度与有机质含量呈极显著负相关关系的结论相似。芽孢杆菌属、交替赤杆菌属、降解类固醇杆菌属、链霉菌属与诺卡氏菌属相对含量均与有机质与速效养分含量呈显著正相关,与pH值呈显著负相关,这也在一定程度上解释了亚表层培肥处理此类微生物高于其他处理的原因。有研究发现黄河三角洲地区芽单胞菌门细菌丰度与有机质含量呈显著正相关关系[33];交替赤杆菌属属于变形菌门,Fierer等[34]同样发现变形菌门微生物与土壤有机质含量呈显著正相关;链霉菌属与诺卡氏菌属属于放线菌门,有研究同样发现速效氮和速效钾含量与放线菌门相对丰度呈极显著正相关[35];而降解类固醇杆菌属具有反硝化能力[31],反硝化细菌大多属于异养细菌,有机肥的施入导致碳源的增加,可能是导致其丰度与养分及有机质呈现显著正相关的原因。此外,本研究发现假单胞菌属、鞘脂单胞菌属、大理石雕菌属与土壤化学指标均无显著相关性,而韦俊等[36]研究表明假单胞菌属与鞘脂单胞菌属与土壤化学性质均呈显著相关性,这是可能由于研究区土壤类型、质地不同以及基础理化性质差异导致微生物优势菌群相对含量的不同。总体来说,在亚表层通过有机肥的大量施用提高了土壤中优势菌属的比例,促进土壤中的养分转化,同时土壤pH值和营养物质含量也在一定程度上决定了土壤微生物的组成。

    • 亚表层培肥结合地表覆膜措施可促进盐分淋洗并有效抑制地表返盐,显著地降低各深度土层土壤pH,在一定程度上调节土壤酸碱度,同时提高了当年10—30 cm、30—40 cm土壤有机质及速效养分含量。

      亚表层培肥处理均显著提升了芽孢杆菌属 (Bacillus)、交替赤杆菌属 (Altererythrobacter)、降解类固醇杆菌属 (Steroidobacter)、链霉菌属 (Streptomyces) 与诺卡氏菌属 (Nocardioides) 等优势菌群丰度,土表塑料薄膜覆盖不影响微生物多样性 (Shannon指数和Simpson指数) 和丰富度 (ACE指数和Chao1指数)。

      芽孢杆菌属、交替赤杆菌属、降解类固醇杆菌属、链霉菌属与诺卡氏菌属相对含量均与收获后0—40 cm土壤养分含量呈极显著正相关,与pH值呈极显著负相关,但与全盐含量无显著相关性。

      综上所述,亚表层培肥结合地表覆膜一方面可使土壤有机质及氮磷钾速效养分含量快速增加并有效缓解盐分表聚,另一方面可改善土壤微生物区系结构及丰度,因此,亚表层 (10—30 cm) 培肥 + 地表覆膜可作为西北干旱气候条件下盐碱土改良的有效耕作措施。

参考文献 (36)

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