李 明，馬 飛，肖國舉

（寧夏大學(xué)環(huán)境工程研究院，銀川 750021）

2000年以來，我國在黃河河套地區(qū)的內(nèi)蒙古土默川平原、寧夏西大灘等地開展了利用脫硫廢棄物改良鹽堿地施用技術(shù)的田間試驗研究，取得了初步成果。脫硫廢棄物主要成分為CaSO4和CaSO3的混合物，并富含S、Ca、Si等植物必需或有益的礦質(zhì)營養(yǎng)，Ca是排在N、P、K、S之后的第5種營養(yǎng)元素，它可以增強作物對病蟲害的抵抗能力，使作物莖葉粗壯、籽粒飽滿，增施鈣肥可以顯著提高作物的產(chǎn)量與品質(zhì)。脫硫廢棄物在一定程度上能夠松土、保濕、改良土壤理化性質(zhì)，促進植物對養(yǎng)分和水分的吸收，經(jīng)過洗滌和濾水處理的脫硫廢棄物含有10%～20%的游離水，顆粒細小、松散、均勻，粒徑為 30～60 μm，純度為 90%～95%，含堿量低，有害雜質(zhì)少。據(jù)調(diào)查，脫硫廢棄物為寧夏當?shù)爻Ｒ姷膹U棄物，合理利用工業(yè)廢棄物，不僅可以緩解環(huán)境壓力，還可以獲得巨大的經(jīng)濟效益。因此，脫硫廢棄物用于鹽堿土的改良有廣泛的應(yīng)用前景。

土壤細菌是土壤微生物的重要組成部分，在土壤有機質(zhì)分解、腐殖質(zhì)形成、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與吸收等過程中起到重要作用，其群落結(jié)構(gòu)組成及多樣性變化是表征土壤環(huán)境質(zhì)量的敏感指標，因此在土壤生態(tài)學(xué)研究中，土壤細菌群落的變化逐漸成為人們探索的重要方向之一。以往對稻田微生物的研究主要集中于有關(guān)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的功能細菌群落，如硫氧化細菌[1]、硫酸鹽還原細菌[2]、反硝化細菌[3]、甲烷氧化細菌[4]等。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，大量施用化肥[5]、化學(xué)農(nóng)藥[6]和種稻技術(shù)[7]的變革等對稻田土壤微生物多樣性產(chǎn)生了很大的影響。寧夏地處西部干旱地區(qū)，水稻種植形成的濕地系統(tǒng)對于改善當?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)起到極其重要的作用。開墾大面積鹽堿化荒地種植水稻有利于改善當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，水稻種植過程中勢必會引起土壤生物化學(xué)性質(zhì)的改變，尤其是敏感的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)會發(fā)生相應(yīng)變化，進而影響到土壤生態(tài)系統(tǒng)功能的發(fā)揮和穩(wěn)定并帶來一系列的生態(tài)問題。但是目前對于干旱區(qū)稻作鹽堿化土壤細菌多樣性及其與環(huán)境相互關(guān)系的研究還鮮見報道。

土壤古菌主要分布在廣古菌和泉古菌兩大門中，旱地土壤中以泉古菌為主[8]。盡管古菌在生態(tài)系統(tǒng)中的分布和數(shù)量已被廣泛研究，然而在中國僅開展的少量研究多集中在水域系統(tǒng)，例如熱泉[9]、海洋沉積物[10]和湖泊[11]等。近年來國內(nèi)也有研究者對一些特殊的古菌如氨氧化古菌、產(chǎn)甲烷古菌等展開了研究，但對于稻作鹽堿化土壤中古菌的豐度，特別是古菌在鹽堿化土壤中的分布及其影響的相關(guān)報道較少。

施肥是提高農(nóng)田生產(chǎn)力和作物產(chǎn)量的一項重要生產(chǎn)方式。本試驗的研究對象為寧夏西大灘鹽堿荒地，該區(qū)域存在的主要問題是地下水位高，土壤脫鹽后返鹽明顯且速度快，土壤濕度大、通透性差，嚴重影響作物的出苗和生長，在不采取任何改良措施的情況下，種植作物一般難以成活。針對該區(qū)域特點，本試驗在設(shè)置排鹽溝、深松耕、施用脫硫廢棄物等措施的基礎(chǔ)上種植水稻。根據(jù)調(diào)查研究，在鹽堿地種稻改良過程中增施有機肥不僅可以提高土壤有機質(zhì)含量，而且可以改善土壤理化性狀，增強土壤保水保肥能力，還可以抑制土壤返鹽。所以我們設(shè)置不同有機肥梯度，試圖在合理配施的條件下提高作物的利用效率，以期達到改良培肥的效果，探究在施用脫硫廢棄物的條件下與有機肥配施時土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、有機質(zhì)及有效養(yǎng)分、pH值、鹽分的情況。

本研究以寧夏西大灘稻作鹽堿化土壤為研究對象，借助高通量測序平臺和現(xiàn)代生物信息學(xué)技術(shù)，表征施用化學(xué)改良劑和有機肥條件下土壤細菌和古菌的群落結(jié)構(gòu)特征和組成差異，分析群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系及主效環(huán)境因子，為揭示寧夏典型鹽堿化土壤肥力演變機制、建立合理的施肥制度提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

小區(qū)試驗于2016年4月中旬—8月底在寧夏銀北平羅縣西大灘前進農(nóng)場改良試驗基地進行。試驗基地位于東經(jīng) 106°13′～106°26′，北緯 38°45′～38°55′，海拔 1091～1102 m，年均降水量 172.5 mm，7、8、9 三個月降水量占66.6%，年平均蒸發(fā)量達1755 mm，全年平均相對濕度為56%，年平均日照時數(shù)2800～3200 h，年最大風(fēng)力9級，最大風(fēng)速18 m·s-1，年平均氣溫8.5℃，晝夜溫差8～15℃，極端最高氣溫30℃，極端最低氣溫-25℃；全年無霜期155 d[12]。

試驗種植水稻為當?shù)刂髟阅望}品種吉粳105（節(jié)3），在大田中育秧至3葉期時，移栽至劃分好的小區(qū)中。全生育期保持2～3 cm淺水層。脫硫廢棄物的化學(xué)成分為 CaO 341.2 g·kg-1、SO3485.2 g·kg-1、Al2O310.0 g·kg-1、Fe2O35.5 g·kg-1、MgO 21.1 g·kg-1、TiO 0.5 g·kg-1、K2O 1.1 g·kg-1、Na2O 2.7 g·kg-1、MnO 0.2、P2O50.16 g·kg-1、Cl-5.7 g·kg-1，密度 1.03 g·cm-3，結(jié)晶水 111 g·kg-1，其他21.8 g·kg-1[13]。有機肥為腐熟羊糞，其理化性質(zhì)為：pH 7.4，有機質(zhì) 592 g·kg-1、全氮 20.4 g·kg-1、全磷 8 g·kg-1、堿解氮 1697 mg·kg-1、速效磷 741.2 mg·kg-1、速效鉀 884.4 mg·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置5個處理。對照CK：不施脫硫廢棄物和有機肥；T1處理：單施脫硫廢棄物31 250 kg·hm-2；T2處理：脫硫廢棄物31 250 kg·hm-2+有機肥10 000 kg·hm-2；T3 處理：脫硫廢棄物 31250kg·hm-2+有機肥 18000 kg·hm-2；T4處理：脫硫廢棄物 31 250 kg·hm-2+有機肥25 000 kg·hm-2。每個處理3次重復(fù)，小區(qū)面積48 m2（6 m×8 m）。脫硫廢棄物的施用量參照參考文獻[13]，有機肥的施用參照當?shù)爻Ｒ?guī)農(nóng)用施肥量。

試驗于2016年5月4日施肥翻地，5月7日灌水（引黃河水灌溉，生育期總灌水10次），5月19日播種，旱直播，每公頃播量375 kg，10月12日收獲。

1.3 樣品采集

于水稻成熟期2016年9月20日采集根層土壤（2～20 cm），采用多點采樣的方法，每個試驗小區(qū)分5點采集土樣，充分混勻，將新鮮土樣分成兩份，一份低溫冷藏帶回實驗室，在-20℃冷凍保存，用于土壤微生物的測定，另一份帶回實驗室室內(nèi)風(fēng)干用于測定pH值、電導(dǎo)率（EC）、有機碳和速效養(yǎng)分。

1.4 樣品分析

1.4.1 土壤DNA的提取

土壤樣品中總DNA的提取采用MoBio PowerSoil DNA Isolation Kit（Carlsbad，USA）試劑盒，提取過程按試劑盒說明書進行，得到DNA提取物后-20℃凍存。提取的DNA用濃度為1.0%的瓊脂糖凝膠電泳確定DNA片段大小。

1.4.2 Illumina HiSeq測序及數(shù)據(jù)分析

本研究目標基因為細菌和古菌的16S rRNA V4區(qū)基因片段，所用引物為515F/806R。反應(yīng)體系：15 μL Phusion High-Fidelity PCR Master Mix（New Eng land Biolabs，UK），F(xiàn)orward Primers（0.2 μmol·L-1），Reverse Primers（0.2 μmol·L-1），10 ng DNA 模板。擴增條件參照文獻[14]。PCR產(chǎn)物用2%瓊脂糖凝膠檢測，將目標條帶切膠回收純化進行下一步分析。高通量測序由諾禾致源Illumina HiSeq 2500平臺運行（Beijing，China，http：//www.novogene.com/index.php），最后所測得數(shù)據(jù)在250～300 bp之間產(chǎn)生。

所測得原始序列截去Barcode序列和引物序列后，經(jīng) FLASH（V1.2.7，參數(shù)設(shè)置為-m 10-f 300—x 0.1-p 33—r 219-r 180-M 135）拼接獲得原始數(shù)據(jù)Tags數(shù)據(jù)。原始Tags經(jīng)QIIME過濾處理獲得高質(zhì)量Tags數(shù)據(jù)（Clean Tags），并與數(shù)據(jù)庫（Gold database，http：//drive5.com/uchime/uchime_download.html）進 行比對檢測嵌合體序列，最終獲得有效數(shù)據(jù)（Effective Tags）。測序深度為每個文庫原始reads數(shù)不少于5萬條。為獲得土壤樣品中細菌群落的多樣性信息，使用UCLUST軟件對所得序列進行聚類，并利用RDP classifier（V2.2）[15]軟件與 GreenGene 數(shù)據(jù)庫進行物種注釋，統(tǒng)計每個樣品在各分類水平上的構(gòu)成。利用QIIME（V1.7.0）計算不同樣品中細菌群落的α多樣性和β多樣性指數(shù)。

1.4.3 土壤屬性和水稻產(chǎn)量測定

土壤pH值采用鮑士旦[16]的農(nóng)化分析方法進行測定；電導(dǎo)率采用電導(dǎo)法；有機碳采用重鉻酸鉀容量法；全氮采用凱氏定氮法[16]；全磷采用酸溶-鉬銻抗比色法；堿解氮用堿解擴散法；速效磷用Oslen法；速效鉀采用乙酸銨提取-原子吸收火焰光度計法；無機氮（NO-3-N、NH+4-N）以 2 mol·L-1氯化鉀溶液浸提，采用連續(xù)流動分析儀（AA3，德國）測定。水稻產(chǎn)量每小區(qū)單打獨收。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用SAS中Duncan法檢驗不同處理土壤屬性和微生物指標間的差異顯著性，RDA分析采用Conoco（5.0）軟件，繪圖使用 OriginPro 8 軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥模式水稻土壤細菌和古菌群落α多樣性分析

不同施肥處理土壤細菌與古菌多樣性指數(shù)Shannon、Simpson和豐富度指數(shù)Chao1如表1所示。Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)表明，與CK相比較，T2、T3和T4處理土壤細菌多樣性升高，其中細菌Shannon指數(shù)在T4處理中顯著高于CK和T1（P＜0.05），Simpson指數(shù)各處理間差異不顯著；4個施肥處理使得古菌的多樣性下降，但與CK相比差異不顯著。Chao1指數(shù)表明，T4處理細菌的豐富度最高，T3最低，但差異并不顯著；4種施肥處理古菌豐富度均低于CK，其中T3最低。

2.2 細菌和古菌群落在門水平的變化分析

土壤樣品細菌占總量的50.2%～67.3%，古菌占32.2%～49.4%。土壤細菌和古菌在門分類水平上的相對豐度如圖1。其中，Proteobacteria和Bacteroidetes是鹽堿化耕層水稻土壤（2～20 cm）細菌中的優(yōu)勢菌群，分別占細菌的25.7%～31.2%和22.9%～28.1%。

Proteobacteria在5個處理中都是相對豐度最高的門，與CK相比，施用脫硫廢棄物和有機肥料的T2、T3和T4處理Proteobacteria相對豐度提高了14.0%～36.4%，T1處理降低了9.2%，不同施肥模式引起土壤Proteobacteria群落組成差異顯著。Gammaproteobac teria、Alphaproteobacteria、Deltaproteobacteria 和 Be taproteobacteria是Proteobacteria中相對豐度最高的4個菌群，其中：Gammaproteobacteria相對豐度最高，占所有細菌的5.7%～11.8%；與CK相比，T2、T3和T4處理中Alphaproteobacteria的相對豐度分別升高了17.5%、18.6%和 28.7%；Deltaproteobacteria的相對豐度升高了14.3%、4.1%和11.1%。T1處理中Gammaproteobacteria、Alphaproteobacteria、Deltaproteobacteria和Betaproteobacteria的相對豐度均下降，與CK相比分別下降了 33.5%、19.9%、14.0%和13.2%（表 2）。

Bacteroidetes在5個不同處理中是第2大優(yōu)勢菌門，與CK相比，Bacteroidetes相對豐度在T1、T2、T3和T4中提高了29.3%～56.3%；不同施肥模式對Bac teroidetes群落結(jié)構(gòu)影響顯著。Bacteroidetes相對豐度較高的 6 個菌群為 Cytophagia、Flavobacteria、Bacteroidia、Clostridia、Sphingobacteria和vadinHA17（表2）。其中，與CK相比，4個施肥處理中Cytophagia在T1、T3和T4處理中相對豐度分別提高了0.7%、111.1%和5.5%；Bacteroidia的相對豐度在T2處理中提高68.5%；Clostridia的相對豐度在T1、T2、T3和T4中分別下降了 57.8%、72.2%、57.4%、42.0%；Sphingobacteria的相對豐度在 T1、T2、T3和 T4中分別下降了34.5%、19.4%、51.3%和61.5%。可見，脫硫廢棄物和有機肥混合施用可以提高Cytophagia和Bacteroidia的相對豐度，降低了Clostridia和Sphingobacteria的相對豐度。

除此之外，其他類群的相對豐度也發(fā)生了改變：T4處理增加Chloroflexi、Bacteroidetes的豐度，降低了Acidobacteria和Actinobacteria的豐度。而Proteobacteria和Firmicutes的相對豐度對不同施肥響應(yīng)存在差異。

表1 不同施肥處理細菌和古菌α-多樣性指數(shù)Table 1 α-diversity index of soil bacteria and archaea under different treatments

圖1 不同施肥模式水稻土壤細菌各門類相對豐度圖Figure 1 The relative abundance of bacterial phylum of different fertilization patterns in paddy soils

圖2 不同施肥模式對門水平古菌相對豐度的影響Figure 2 The relative abundance of soil archaea on phylum level under different fertilization regimes

土壤古菌在門分類水平上的相對豐度見圖2，包括 Euryarchaeota、MCG、Thaumarchaeota 和 Woesearcha-eota_.DHVEG-6.四類菌群。其中Euryarchaeota是鹽漬化水稻土耕層土壤（2～20 cm）古菌中的優(yōu)勢菌群，占古菌的7.0%～27.5%。與CK相比，T1、T2和T3處理的Euryarchaeota相對豐度分別提高了115.2%、90.8%和41.6%；T4處理的Euryarchaeota相對豐度降低了41.1%，可見不同施肥模式可以影響土壤中Euryarchaeota的相對豐度，其中T2處理的影響更大。另外，T4處理顯著提高了MCG的相對豐度，提高了61.3%。

2.3 細菌和古菌群落在屬水平的變化分析

進一步從屬水平對不同樣品中細菌的相對豐度變化分析表明，相對豐度排名前35的細菌和古菌屬的總比例占土壤測序read數(shù)的20.6%～27.2%。與CK相比，Lutibacter、Alkaliflexus、Galbibacter、Rhodonellum、Sphingorhabdus、Sunxiuqinia、MSBL7 的 相 對 豐 度 在T4處理組中較高，而 Halalkalicoccus、Halopiger、Haloterrigena、Candidatus_Halobonum、Anaerolinea、Halomicrobium在T1和T2處理中相對豐度較高（圖3）。Gillisia、unidentified_Thaumarchaeota、Lysobacter、Romboutsia的相對豐度在CK組含量最高。

2.4 土壤化學(xué)性質(zhì)和水稻產(chǎn)量分析

T4與CK組土壤相比，提高了有機碳（6.74%）、堿解氮（37.20%）、速效磷（47.83%）和銨態(tài)氮（96.26%），差異均達到顯著水平（P＜0.05）（表3）?？梢婋S著有機肥含量的增加，土壤有機質(zhì)含量呈增加趨勢；在脫硫廢棄物含量相同的情況下，土壤堿解氮和銨態(tài)氮都顯著增加，原因可能是施用有機肥可增加土壤中有機氮的來源。另外，土壤速效磷含量隨施用有機肥量的增加有逐漸增加的趨勢，由此可見，土壤中速效磷含量與有機肥含量具有較高的相關(guān)性。因此，單施脫硫廢棄物或少量配施有機肥對土壤的改良效果不及兩者配施。另外，雖然統(tǒng)計分析結(jié)果不顯著，但是pH值在不同施肥模式處理中都有所降低。從以上結(jié)果可以看出，脫硫廢棄物和有機肥混合施用對土壤化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了顯著影響。不同處理作物產(chǎn)量由高到低依次為T4＞T3＞T1＞T2＞CK，不同處理間差異顯著，混合施用改良劑和有機肥對作物產(chǎn)量的貢獻明顯。

表2 細菌變形菌門和擬桿菌門在不同施肥處理水稻土壤中相對豐度（%）的變化Table 2 Changes of relative abundance（%）of Proteobacteria and Bacteroidetes of different fertilization patterns in paddy soils

圖3 不同施肥模式水稻土壤優(yōu)勢細菌和古菌屬類相對豐度Figure 3 The relative percentages of the bacterial and archaea genus of different fertilization patterns in paddy soils

表3 不同施肥模式水稻土壤屬性Table 3 The changes of soil properties under different fertilization patterns in paddy soils

2.5 RDA分析

將各處理所得的細菌和古菌門水平相對豐度與土壤環(huán)境因子進行了RDA分析，結(jié)果（圖4）表明，所有的環(huán)境因子解釋了細菌和古菌群落100%的變化，貢獻大小依次為硝態(tài)氮＞全磷＞pH＞速效鉀＞電導(dǎo)率?；谶@個模型，兩個排序軸共解釋66.6%的變化，其中第一排序軸解釋了43.5%的變化，第二排序軸解釋了23.1%的變化。在二維排序圖中，箭頭連線的長短表示群落與該環(huán)境因子之間相關(guān)系數(shù)的大小，箭頭連線與排序軸的夾角表示該環(huán)境因子與排序軸相關(guān)性的大小，夾角越大，其相關(guān)性越小。RDA分析結(jié)果表明，硝態(tài)氮解釋了土壤細菌和古菌群落（P=0.04）70.9%的變化，是影響土壤細菌和古菌群落結(jié)構(gòu)的主效環(huán)境因子。從圖4中也可以看到，CK、T1、T2和T3處理的細菌和古菌群落結(jié)構(gòu)變化較為相似，T4處理細菌和古菌群落結(jié)構(gòu)變化顯著。研究結(jié)果表明，硝態(tài)氮與細菌和古菌群落的影響最為顯著，表明環(huán)境因子顯著影響微生物群落結(jié)構(gòu)變化。

2.6 影響土壤細菌和古菌菌群結(jié)構(gòu)的因子分析

各處理的優(yōu)勢菌群相對豐度與土壤理化指標Pearson相關(guān)性檢驗結(jié)果見表4。Chloroflexi與全磷和硝態(tài)氮呈顯著正相關(guān)；Acidobacteria與堿解氮和電導(dǎo)率呈顯著正相關(guān)；Actinobacteria與速效磷和速效鉀呈顯著正相關(guān)；Gemmatimonadetes與堿解氮呈顯著負相關(guān)；Euryarchaeota與pH值和速效鉀呈顯著負相關(guān)；Woesearchaeota與速效磷呈顯著負相關(guān)；Gammaproteobacteria與pH值呈顯著正相關(guān)；Sphingobacteriia與pH值呈顯著正相關(guān)，與電導(dǎo)率呈顯著負相關(guān)。RDA分析和Person相關(guān)性分析得出基本相似的結(jié)果：硝態(tài)氮、全磷、速效鉀和pH值都是影響土壤細菌群落的主要環(huán)境因子。

圖4 不同施肥方式土壤性質(zhì)與細菌和古菌群落的RDA分析Figure 4 Results from redundancy analysis（RDA）to explore the relationship between soil bacterial and archaeal community and soil physicochemical characteristics

3 討論

本文采用Illumina高通量測序技術(shù)，分析了土壤細菌和古菌系統(tǒng)發(fā)育類群，研究了鹽堿化水稻土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及其對不同施肥處理的響應(yīng)。結(jié)果表明，土壤微生物種群多樣性高，覆蓋了9個細菌類群和2個古菌類群，其中Proteobacteria和Bacteroidetes是稻田的優(yōu)勢菌群，其次是Chloroflexi，而古菌域中Eurgarchaeota是優(yōu)勢古菌。以前研究多集中于單一細菌域或古菌域，沒有同時對兩個群落結(jié)構(gòu)進行分析。如Jangid等[17]分析了不同類型的耕作土壤細菌種群結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)Proteobacteria占統(tǒng)治地位，占30.6%～43.2%；其次是Acidobacteria，占17.1%～26.2%。Hansel等[18]在不同地帶性土壤中也發(fā)現(xiàn)了9種主要類型細菌，其中Proteobacteria和Acidobacteria分別占整個克隆文庫的39%和20%。本研究發(fā)現(xiàn)，Proteobacteria和Bacteroidetes在鹽堿化水稻土壤中占絕對優(yōu)勢，這可能是由于不同土壤類型導(dǎo)致土壤中優(yōu)勢菌群會有所差異。其中Proteobacteria的純培養(yǎng)主要分離自土壤、糞便、厭氧活性污泥等，可利用淀粉、長鏈脂肪酸及氨基酸等，具有水解作用，部分具有脫氮作用[19]。Bacteroidetes是第二大優(yōu)勢種群，主要分離自海底、腸道、厭氧反應(yīng)器等厭氧環(huán)境，有降解大分子碳水化合物產(chǎn)酸的功能。

本研究中，施用有機肥的T2、T3和T4處理組Proteobacteria、Bacteroidetes和 Chloroflexi相對豐度都提高了，可見施用有機肥可以通過其含有的營養(yǎng)元素直接影響土壤化學(xué)性質(zhì)，也可以通過影響作物生長，進而影響作物分泌物和土壤有機碳含量，來改變不同土壤類型土壤微生物的生物量和相對豐度[20]。相反，單施脫硫廢棄物處理（T1）土壤有機質(zhì)、氮、磷等營養(yǎng)元素沒有明顯增加，但是脫硫廢棄物的施用刺激了某一類或幾類（群）微生物生長，特別是Euryarchaeota的生長，而其他類群微生物如：Gammaproteobacteria、Alphaproteobacteria、Deltaproteobacteria 和 Betaproteobacteria的相對豐度降低，以致與CK相比，土壤微生物多樣性有所下降。

不同施肥處理導(dǎo)致稻田土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性差異明顯。本研究供試稻田土壤僅農(nóng)田管理制度（施肥處理）不同，但造成土壤理化性質(zhì)差異很大，從而影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性。施用有機肥后堿解氮和銨態(tài)氮顯著提高，其中T4處理的堿解氮和銨態(tài)氮分別提高了37.2%和96.26%，總氮也較CK提高19.60%。氮素是土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的重要影響因素，長期施用氮肥可改變土壤細菌群落結(jié)構(gòu)[21]。本研究中硝態(tài)氮是影響微生物群落結(jié)構(gòu)變化的主環(huán)境因子。水稻土氮磷鉀等營養(yǎng)元素和有機質(zhì)含量較高[22]，脫硫廢棄物和有機肥以及作物殘茬為微生物的生長和繁衍提供了豐富的碳源和能源，因此施用脫硫廢棄物和有機肥含量最高的處理土壤細菌的豐度高于不施肥和少量施肥處理。

表4 土壤優(yōu)勢菌群與土壤化學(xué)性質(zhì)Pearson相關(guān)性分析Table 4 Pearson correlation coefficient between soil dominant bacterial communities and soil chemical characteristics

pH值的改變也會極大地影響微生物的群落結(jié)構(gòu)[23]。在世界范圍內(nèi)，不同植被覆蓋、不同土壤類型，微生物群落組成及群落相對豐度變化均與土壤pH值密切相關(guān)[24-26]。本研究中，pH值與Euryarchaeota、Gammaproteobacteria和Sphingobacteria均顯著相關(guān)。供試土壤中T1～T4處理施用了脫硫廢棄物，施用脫硫廢棄物后鹽堿化土壤pH值顯著下降，在前期研究中已得到證實[27]。另外，施用的有機肥料中的氮素在溶解過程中產(chǎn)生大量H+，使土壤pH值下降。沈菊培等[28]研究發(fā)現(xiàn)在堿性潮土中，土壤古菌與pH值沒有顯著相關(guān)性，這與本研究結(jié)果不同，鹽堿化水稻土壤中pH值從不施肥處理的9.28降到T4處理的8.73，盡管差異不顯著，但pH值的變異較大。

磷是植物所必需的大量營養(yǎng)元素之一。目前的研究發(fā)現(xiàn)，土壤中存在的大量解磷微生物能夠輔助植物吸收磷元素[29]。例如Rodríguez等[30]發(fā)現(xiàn)假單胞桿菌、芽孢桿菌和根瘤菌的許多菌株均具有強大的解磷功能。尹瑞玲[31]從土壤中分離出的巨大芽孢桿菌、節(jié)細菌、黃桿菌、歐文氏菌及假單胞菌均具有較強的溶磷能力。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，Chloroflexi與全磷，Actinobacteria、Woesearchaeota與速效磷顯著相關(guān)，表明土壤磷含量升高能夠?qū)ξ⑸锶郝洚a(chǎn)生較大影響。全磷及速效磷含量變化與稻作鹽堿化土壤微生物群落組成仍有待進一步驗證。

鉀是作物生長發(fā)育過程中必需的營養(yǎng)元素之一，也是作物吸收量最多的元素之一。有機肥單施或與無機肥配施均可提高土壤速效鉀含量[32]，這也許是有機肥本身所含的鉀不斷施入，以及有機膠體在其交換表面具有保持養(yǎng)分的巨大能力的緣故。本研究結(jié)果表明隨著有機肥施用量的增加，速效鉀在各處理間無顯著差異。當前農(nóng)田常規(guī)施肥方式下的鉀虧缺正在逐步加大，通過補充鉀肥或配合施用有機肥來增加土壤中鉀的含量的方式應(yīng)當被重視。有研究表明，配施有機肥或秸稈均可顯著提高灰漠土鉀肥利用率[33]。Pearson相關(guān)性分析顯示Actinobacteria和Euryarchaeota與速效鉀顯著相關(guān)。RDA分析結(jié)果也進一步證明速效鉀對稻田土壤微生物群落結(jié)構(gòu)影響顯著。土壤鉀含量與作物產(chǎn)量和微生物豐度呈顯著相關(guān)，且緩效鉀是被作物吸收的主要鉀源。

Kemnitz等[34]用不同的引物定量了德國馬爾堡附近森林土壤細菌（109）和古菌（108）16S rRNA 基因數(shù)量，發(fā)現(xiàn)細菌16S rRNA基因拷貝數(shù)遠高于古菌數(shù)量，與本研究結(jié)果基本一致。本研究結(jié)果中發(fā)現(xiàn)細菌的多樣性指數(shù)顯著高于古菌多樣性指數(shù)，究其原因，可能是細菌和古菌適應(yīng)生存的生境不同：很多古菌生存在極端環(huán)境中，僅一些古菌是嗜中性的，能夠在沼澤、廢水和土壤中生存；而細菌包含多種代謝種類和營養(yǎng)類型，能夠適應(yīng)更多、更復(fù)雜的生態(tài)位[35]。因此復(fù)雜環(huán)境土壤中的細菌豐度和多樣性遠高于古菌。

本研究僅表征了短期施脫硫廢棄物和有機肥條件下細菌和古菌群落結(jié)構(gòu)與土壤化學(xué)性質(zhì)，探討了兩者間的耦合關(guān)系，實際上，長期的改良劑和有機肥配合施用會對細菌和古菌群落結(jié)構(gòu)存在影響，應(yīng)將繼續(xù)深入開展不同改良劑和不同有機肥的不同配比的長期施用對作物-微生物-環(huán)境因子三者間互作機理的研究，為根本上闡述不同施肥模式對寧夏鹽堿化土壤肥力的影響提供參考。

4 結(jié)論

（1）在鹽堿化地區(qū)水稻生產(chǎn)中脫硫廢棄物配施一定比例有機肥是協(xié)調(diào)作物產(chǎn)量和環(huán)境效益的合理選擇，以優(yōu)化施用脫硫廢棄物31 250 kg·hm-2并配施有機肥25 000 kg·hm-2效果最佳。

（2）施用脫硫廢棄物和有機肥料提高了Proteobacteria和Euryarchaeota相對豐度。

（3）RDA分析表明，稻作條件下不同施肥模式鹽堿化土壤環(huán)境因子對細菌和古菌群落結(jié)構(gòu)的影響顯著，其中硝態(tài)氮、全磷、速效鉀和pH值都是影響土壤細菌群落的主要環(huán)境因子。

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